facultatea de inginerie departamentul sisteme termice Și ... · izolaţii termice 1 facultatea de...
Post on 02-Sep-2019
8 Views
Preview:
TRANSCRIPT
Izolaţii termice
1
Facultatea de INGINERIE
Departamentul SISTEME TERMICE ȘI INGINERIA MEDIULUI
SL DR ING Gelu COMAN
Izolaţii termice
2
CUPRINS
1 IZOLATII TERMICE 3
11 Izolarea termică a pereților plani 3 111 Izolarea termică a spațiilor răcite 3 112 Izolarea termică a spațiilor icircncălzite 3 113 Calculul grosimii izolației termice pentru o densitatea de flux termic cunoscută (condiții la limită de steța a II-a) 4 114 Calculul grosimii izolației termice pentru o valoare dată a coeficientului total de transfer de căldură 5
12 Izolarea termică a pereților cilindrici 7 121 Calculul grosimii izolației termice pentru un flux termic liniar cunoscut (condiții la limită de speța a II-a) 8 122 Calculul grosimii izolației termice pentru o temperatură dată pe suprafața acesteia 12
2 DETERMINAREA NECESARULUI DE CĂLDURĂ ȘI APĂ CALDĂ PENTRU UN IMOBIL 14
21 22 Determinarea necesarului de căldură și apă caldă menajeră pentru imobil 18 211 Mers de calcul pentru Q1 18 212 Mers de calcul pentru Q2 24 213 Mers de calcul pentru Q3 24
3 CALCULUL NECESARULUI DE FRIG PENTRU DEPOZIT DE FRUCTE 25
31 31 Calculul grosimii izolatiilor 25 32 32 Bilantul caloric al spatiului climatizat pe timp de vară Necesarul de frig pentru frigorifer27
321 Consumul de frig Q1 28 322 Necesarul de frig Q2 29 323 Necesarul de frig Q3 30 324 Necesarul de frig Q4 30
33 33 Stabilirea directiei raportului de termoumiditate și trasarea procesului de conditionare a aerului pe diagrama i-X pe timp de vară 30
331 Date 32
4 UTILIZAREA FRIGULUI ARTIFICIAL IcircN LUCRĂRILE DE CONSTRUCŢII 34
41 51 IcircNGHEŢAREA SOLULUI 34 411 511 CONSIDERAŢII GENERALE PRIVIND IcircNGHEŢAREA SOLULUI 34 412 512 CONSTRUCŢIA INSTALAŢIEI DE IcircNGHEŢARE A SOLULUI 36 413 513 UTILIZAREA METODEI DE IcircNGHEŢARE A SOLULUI IcircN ŢARA NOASTRĂ 44 414 514 CAcircMPUL DE TEMPERATURĂ IcircN SOLUL IcircNGHEŢAT 47 415 515 ELEMENTE DE PROIECTARE A INSTALAŢIEI FRIGORIFICE PENTRU IcircNGHEŢAREA SOLULUI 51
42 52 RĂCIREA BETONULUI LA CONSTRUCŢIILE MASIVE 52 421 521 INSTALAŢII DE PRERĂCIRE A COMPONENTELOR BETONULUI 52 422 522 RĂCIREA INTERIOARĂ A MASIVULUI DE BETON 58
Izolaţii termice
3
1 Izolaţii termice
11 Izolarea termică a pereților plani
111 Izolarea termică a spațiilor răcite
Izolarea termică a pereților planșeelor și pardoselilor spațiilor răcite (Figura 11) (tunele și camere de refrigerare sau congelare depozite frigorifice) necesită condiții deosebite de execuție datorită valorilor scăzute ale temperaturilor interioare variației rapide a acestora și umidității mari a aerului interior Rolul izolației termice icircn acest caz este de a reduce absorbția de căldură din exterior icircn vederea menținerii unui regim de temperatură și umidităti cacirct mai stabil
Materialul se aplică pe suprafața interioară a pereților spațiilor răcite cu condiția realizării unei continuități perfecte a stratului de izolație icircntre pereți planșeu și pardoseală
Icircn timpul răcirii aerului interior (icircn timpul funcționării instalației frigorifice) apare fenomenul de condensare a vaporilor de apă din aerul ambiant pe suprafața caldă a pereților și pătrunderea condensului icircn interiorul pereților izolați datorită diferenței dintre presiunile parțiale ale vaporilor de apă din aerul exterior și interior Apare icircn acest caz necesitatea montării unei bariere de vapori icircn interiorul stratului de izolație termică
Figura 11 Variatia temperaturii icircn peretele plan la spatiile racite
Figura 12 Variatia temperaturii icircn peretele plan la spatiile incalzite
112 Izolarea termică a spațiilor icircncălzite
Izolarea termică a pereților planșeelor și pardoselilor spațiilor icircncălzite (Figura 12) (camere de termostatare cuptoare de coacere celule de afunare la cald icircn industria
t
[oC]
qp
tii
tee
x [m]
1
1
iz 2
iz 3
1 t
[oC]
qp
ti i
te e
x [m]
1 iz 2
iz 3
Izolaţii termice
4
alimentară cuptoare de icircncălzire cuptoare de tratamente termice icircn industrie) are rolul de a reduce pierderea de căldură icircn exterior icircn vederea menținerii unui regim de temperatură și umiditate cacirct mai stabil
Materialul se aplică pe suprafața interioară a pereților spațiilor icircncălzite cu condiția realizării unei continuități perfecte a stratului de izolație icircntre pereți planșeu și pardoseală
113 Calculul grosimii izolației termice pentru o densitatea de flux termic cunoscută (condiții la limită de steța a II-a)
Cu notațiile din Figura 11 și Figura 12 densitatea de flux termic transmisă prin perete se calculează cu relația
e3
3iz
1
1
i
eip 1
iz
1
ttq
[Wm2] (11)
unde
e [Wm2middotgrd] este coeficientul de convecție aer exterior-perete pentru incintele răcite
icircn funcție de amplasarea și tipul peretelui valorile coeficientului e [Wm2middotgrd] sunt prezentate icircn Tabelul 11
Tabelul 11 Valorile coeficientului e pentru incintele răcite
Amplasarea și tipul peretelui e i
[Wm2middotgrd]
Pereți exteriori și acoperișuri fără pod expuși curenților de aer 28hellip30
Pereți exteriori și acoperișuri fără pod icircn contact cu aerul atmosferic cu circulație moderată
23hellip24
Acoperiș cu pod 11hellip12
Pereți interiori ce separă spatiul răcit de culoare sau camere vecine ventilate
15hellip18
Plafoane și pardoseli interioare 10hellip12
Suprafața interioară a pereților unei camere icircncălzite sau răcite 8hellip9
Pereții interiori ai camerei de depozitare a produselor răcite cu circulație moderată a aerului
9
Pereții interiori ai camerei de congelare camerei de racier preliminară a produselor cu circulație intensă a aerului
11
pentru pereții unor cuptoare valorile coeficientului de convecție e [Wm2middotgrd] și pierderile exterioare de căldură qp [Wm2] funcție de temperatură și tipul peretelui sunt prezentate icircn Tabelul 12
Tabelul 12 Valorile coeficientului e pentru pereții unor cuptoare
t [ordmC]
e [Wm2middotgrd] qp [Wm2]
pereți vopsiți cu lac de aluminiu
pereți din zidărie
pereți vopsiți cu lac de aluminiu
Pereți din Zidărie
40 870 1005 78178 89999
50 913 1058 115115 133115
60 956 1111 154882 179580
70 998 1163 196742 230230
80 1042 1213 242788 285067
90 1085 1272 293020 344090
100 1128 1326 345345 406042
110 1170 1389 300763 476367
Izolaţii termice
5
120 1214 1430 459623 539994
130 1256 1488 519064 615342
140 1298 1540 583947 692783
150 1343 1593 653016 774110
160 1386 1647 724178 858130
170 1428 1680 797433 946036
180 1472 1756 872781 1042310
190 1515 1808 954408 1138592
200 1558 1861 1036035 1239560
210 1600 1919 1121848 1347892
220 1642 1971 1213521 1454635
230 1686 2024 1301846 1565564
240 1730 2070 1393938 1674400
250 1773 2128 1496495 1799980
i [Wm2middotgrd] - coeficientul de convecție perete - aer interior - pentru incintele răcite icircn funcție de amplasarea și tipul peretelui valorile coeficientului
αi [Wm2grd] sunt prezentate icircn Tabelul 11
i
i [m2middotgrdW] - suma rezistențelor termice ale straturilor componente ale peretelui icircn
afara stratului de izolație termică
- ti te [ordmC] - temperatura aerului interior respectiv exterior
Rezultă grosimea stratului de izolație termică
e
1
3
1
q
tt 3
1
1
ip
eiiziz [m] (12)
Grosimea stratului de izolație termică se standardizează pentru fiecare material icircn parte
Cu noua valoare a grosimii stratului de izolație termică se recalculează densitatea de flux termic qp [Wm2]
Pentru incintele răcite valorile recomandate pentru pătrunderea de căldură (densitatea de flux termic) depind de temperatura aerului interior din spațiul răcit de mărimea și destinația spațiului respectiv
114 Calculul grosimii izolației termice pentru o valoare dată a coeficientului total de transfer de căldură
Cu notațiile din Figura 11 și Figura 12 coeficientul total de transfer de căldură se calculează cu relația
iiz
iz
i
i
e
11
1k
[Wm2middotgrd] (13)
Rezultă grosimea stratului de izolație termică
ii
i
eiziz
11
k
1 [m] (14)
Grosimea stratului de izolație calculată se standardizează pentru fiecare perete și material icircn parte
Izolaţii termice
6
Cu noua valoare a grosimii stratului de izolație termică se recalculează coeficientul total de transfer de căldură k
Icircn calculele practice se poate adopta o valoare a coeficientului total de transfer de căldură k = (02hellip05) Wm2middotgrd pentru pereți și tavan (pereți izolați cu polistiren expandat) și k = (03hellip07) Wm2middotgrd pentru pardoseală (perete izolat cu plută)
Pentru un calcul rapid se pot adopta următoarele valori ale coeficientului total de transfer de căldură funcție de diferența de temperatură ∆t = te - ti (Tabelul 13)
Tabelul 13 Valori ale coeficientului total de transfer de căldură funcție de ∆t
∆t [grd] 50hellip35 35hellip30 30hellip25 25hellip30 20hellip15 15hellip10 10
k [Wm2middotgrd] 023hellip035 040 045 052 058 063 070
Pentru diverse elemente izolate ale incintelor răcite valorile coeficientului total de transfer de căldură sunt indicate icircn Tabelul 14 Tabelul 15 Tabelul 16 Tabelul 17
Tabelul 14 Valori ale coeficientului total de transfer de căldură pentru pereți exteriori
Temperatura aerului din incinta răcită ti [ordmC]
k [Wm2middotgrd]
zona nordică zona medie
zona sudică
-30hellip-18 032 025 023
-10 040 035 029
-4 046 040 035
0 052 046 040
4 065 058 049
12 078 070 058
Tabelul 15 Valori ale coeficientului total de transfer de căldură pentru pereți interiori
Temperatura aerului din incinta răcită ti [ordmC]
k [Wm2grd
zona nordică zona medie zona sudică
a b a b a b
-30hellip-18 029 028 025 023 021 020
-10 037 035 031 029 025 020
-4 043 039 037 035 031 029
0 048 045 042 039 036 033
4 058 053 052 049 044 041
Obs a) acoperiș cu pod b) acoperiș fără pod
Tabelul 16 Valori ale coeficientului total de transfer de căldură funcție de destinația incintei răcite
Incinta răcită Tempaerului ti [ordmC] k [Wm2middotgrd]
Camera de congelare -23hellip-35 035
Depozit produse congelate
-18hellip-25 041
Depozit produse refrigerate
0 052
4 070
12 092
Tabelul 17 Valori ale coeficientului total de transfer de căldură funcție de poziția peretelui
Poziția peretelui k [Wm2middotgrd]
Perete icircntre două depozite de produse congelate
052
Perete icircntre două depozite de produse refrigerate
058
Izolaţii termice
7
Perete icircntre camere de congelare și depozite de produse congelate
046
Perete icircntre camere de congelare și depozite de produse refrigerate
035
Perete icircntre un depozit de produse congelare și un depozit de produse congelate
046
Pentru diverse construcții cu pereți executați din panouri mari de beton valorile coeficientului total de transfer de căldură sunt prezentate icircn Tabelul 18
Tabelul 18 Valori ale coeficientului total de transfer de căldură pentru pereți executați din panouri mari de beton
Material Greutate specifica ρ [kgm2]
Grosime perete δ [mm]
k [Wm2 middotK]
Perete interior
Perete exterior
Panouri mari icircn strat omogen tencuiți interior și exterior
1300 260 15119 13491
1350 300 14537 13142
Panouri mari icircn trei straturi avacircnd la interior și exterior beton armat iar la mijloc termoizolație
- plăci semirigide din vată minerală
1600 200 13374 12095
- sticlă spongioasă 1450 220 12793 11630
- plută minerală 1600 200 12793 11630
12 Izolarea termică a pereților cilindrici
Calculul termic al sistemelor de conducte reprezintă un caz particular al transferului de căldură icircntre două fluide despărțite de un perete format din unul sau mai multe straturi Icircn functie de temperatura fluidului transportat se deosebesc două categorii de conducte izolate termic
conducte care transportă fluide calde (Figura 13) la care izolația termică are drept scop reducerea pierderilor de căldură și de temperatură icircn mediul ambiant și asigurarea unor temperaturi pe suprafața exterioară icircn conformitate cu normele de protecție a muncii
conducte care transportă fluide reci (Figura 14) la care izolația termică are drept scop micșorarea absorbției de căldură din mediul ambiant și evitarea condensării umiditătii din aer pe suprafața conductelor
Figura 13 Variatia temperaturii icircn peretele conductelor care transportă fluide calde
r [mm]
iz sp p
tf f
tp1
te e
t
[oC]
di
de
diz
dsp
tp2
tp3 tp4
ФL
Izolaţii termice
8
Figura 14 Variatia temperaturii icircn peretele conductelor care transportă fluide reci
121 Calculul grosimii izolației termice pentru un flux termic liniar cunoscut (condiții la limită de speța a II-a)
Se consideră o conductă cu un strat de izolație de bază și un strat protector (Figura 13 pentru conducte care transportă fluide calde și Figura 14 pentru conducte care transportă fluide reci) Icircn vederea calculării grosimii izolației termice sunt necesare următoarele date
amplasarea conductei și temperatura mediului ambiant te [ordmC]
dimensiunile conductei di și de [m]
temperatura fluidului transportat tf [ordmC]
construcția și materialul izolației termice iz [WmK]
modul de susținere a conductei armăturile și compensatoarele de dilatație Fluxul termic liniar (unitar) transmis prin conducta izolată se calculează cu relația
LeLspLizLpLi
efL
RRRRR
tt
[Wm] (15)
unde
rezistența superficială liniară a fluidului transportat este
RLi = iid
1
[mmiddotgrdW] (16)
Rezistența superficială liniară RLi se ia icircn calcule icircn următoarele cazuri
- la diametre ale conductei di lt 50 mm dacă i lt 150 Wm2middotgrd
- la diametre ale conductei 50 lt di lt 500 mm dacă i lt 120 Wm2middotgrd
- la diametre ale conductei di gt 500 mm dacă i lt 90 Wm2middotgrd
Pentru unele fluide (abur supraicircncălzit de icircnaltă presiune abur saturat apă agenți frigorifici uleiuri) rezistența superficială RLi se poate neglija reprezentacircnd sub 1 din rezistența totală
rezistența termică liniară a peretelui conductei este
r [mm]
iz sp p
tff
tp1
tee
t
[oC]
di
de
diz
dsp
tp2
tp3
tp4 ФL
Izolaţii termice
9
RLp = id
edln
p2
1
[mmiddotgrdW] (17)
Pentru conductele metalice conductivitatea termică a materialului are valori ridicate ( gt 15 WmmiddotK) din care cauză rezistența termică RLp poate fi neglijată reprezentacircnd sub 1 din rezistența totală
rezistența termică liniară a stratului de izolație este
RLiz = ei
iz
iz d
d
2
1ln
[mmiddotgrdW] (18)
rezistența termică liniară a stratului protector este
RLsp = izi
sp
sp d
d
2
1ln
[mmiddotgrdW] (19)
Icircn general stratul protector este realizat sub forma unui inveliș metalic (tablă vopsită tablă zincată tablă din aluminiu) sau sub forma unui strat de tencuială cu grosimi de (10hellip20) mm Icircn Tabelul 19 este indicată conductivitatea termică λsp [WmmiddotK] pentru cacircteva materiale utilizate la realizarea stratului protector
Tabelul 19 Conductivitatea termică λsp
Material ρ [kgm3] λsp [WmmiddotK]
Ciment și gips 900hellip1000 023 la 50ordmC
Pastă bituminoasă și mastic asfaltos
1000hellip1150 030 la 50ordmC
Ciment 1600hellip1900 029 la 50ordmC
Strat anticoroziv 1000hellip1100 017hellip023 la 50ordmC
Icircn cazul icircnvelisului metalic rezistența termică RLsp poate fi neglijată
Icircn cazul stratului de tencuială rezistența termică RLsp reprezintă pacircnă la 20 din rezistența totală
rezistența superficială liniară a mediului ambiant este
RLe = espid
1
[mmiddotgrdW] (110)
Rezistența superficială liniară a mediului ambiant funcție de diametrul conductei și de amplasarea acesteia este data icircn Tabelul 110
Pentru calcule exacte valorile coeficientului de convecție la contactul intre stratul protector și mediu ambiant icircn funcție de amplasarea conductei sunt prezentate icircn Tabelul 111
Rezultă rezistența termică a stratului de izolație
e
iz
izLeLspLpLi
L
efLiz
d
d
2
1RRRR
Q
ttR ln
[mmiddotgrdW] (111)
Grosimea stratului de izolație termică
LeLpLi
L
efiz
e
iz RRRQ
tt2
d
d
ln [m] (112)
de unde
Izolaţii termice
10
1
d
dd50
e
izeiz [m] (113)
Tabelul 110 Rezistența superficială liniară a mediului ambiant
Dn [mm]
Conducte icircn icircncăperi Conducte icircn aer liber cu coeficient mic de
radiație a icircnvelișului cu coeficient mare de radiație a icircnvelișului
Temperatura fluidului transportat tf [ordmC]
100 300 500 100 300 500 100 300 500
32 050 035 030 033 022 017 012 009 007
40 045 030 025 029 020 015 010 007 005
50 040 025 020 025 017 013 009 006 004
100 025 019 015 015 011 010 007 005 004
125 021 017 013 013 010 009 005 004 003
150 018 015 011 012 009 008 005 004 003
200 016 013 010 010 008 007 004 003 003
250 013 010 009 009 007 006 003 003 002
300 011 009 008 008 007 006 003 002 002
350 010 008 007 007 006 005 003 002 002
400 009 007 006 006 005 004 002 002 002
500 0075 0065 006 005 0045 004 002 002 0016
600 0062 0055 005 0043 0038 0035 0017 0015 0014
700 0055 0051 0045 0038 0035 0032 0015 0013 0012
800 0048 0045 0042 0034 0031 0029 0013 0012 0011
900 0044 0041 0038 0031 0028 0026 0012 0011 0010
1000 0040 0037 0034 0028 0026 0024 0011 0010 0009
2000 0022 0020 0017 0015 0014 0013 0006 0006 0005
Observatii
Pentru temperaturi ale fluidului transportat tf lt 100ordmC se aleg valorile pentru tf = 100ordmC
Invelișurile cu coeficient mic de radiație sunt executate din tablă zincată tablă din aliaje de aluminiu și aluminiu oxidat tablă vopsită cu lacuri din aluminiu
Invelișurile cu coeficient mare de radiație sunt executate din tencuială plăci de sticlă diverse vopsele (exclusive din aluminiu)
Grosimea stratului de izolație termică se standardizează funcție de materialul ales
Tinacircnd seama de stratul protector din ciment și paste bituminoase cu diverse grosimi se calculează grosimea reală a stratului de izolație cu coeficientul de corecție ∆[mm] cu valori date icircn Tabelul 112
Tabelul 111 Valorile coeficientului de convecție la contactul intre stratul protector și mediu ambiant
Amplasarea conductei
Icircn icircncăperi Icircn aer liber la viteza
vacircntului w [ms] cu coeficient mic de radiație a icircnvelișului
cu coeficient mare de radiație a icircnvelișului
5 10 15
orizontală 6 10 20 25 35
verticală 7 11 25 35 50
Observatie Icircn absența datelor privind viteza vacircntului se admite w = 10 ms
Tabelul 112 Coeficientul de corecție ∆[mm]
δsp [mm]
λiz [WmmiddotK] 007 008 009 010 011 012
Izolaţii termice
11
10 2 2 2 3 3 3
15 3 3 4 4 5 5
20 4 4 5 6 6 7
La alegerea grosimii stratului de izolație termică trebuie să se țină seama și de tasarea materialului prin coeficientul de tasare Kt definit ca raportul dintre volumul construcției termoizolate icircn funcțiune și volumul contrucției la montaj Se recomandă Kt gt 1 pentru a preveni deprecierea izolației termice
Pentru cacircteva materiale termoizolatoare valorile coeficientului de tasare sunt recomandate icircn Tabelul 113
Tabelul 113 Valorile coeficientului de tasare Kt
Material Kt
Saltele din vată minerală perforată 12hellip13
Saltele din vată de sticlă cu legătură sintetică 16
Saltele și plăci din vată minerală moale cu legătură sintetică
15
Plăci semirigide din vată minerală cu legătură sintetică 12
Plăci semirigide din vată de sticlă cu legătură sintetică 115
Plăci moi din vată minerală cu legătură din bitum 15
Plăci semirigide din vată minerală cu legătură din bitum 12
Grosimea stratului de izolație termică la montaj va fi
ize
izetizo
2d
dK
[m] (114)
Valorile fluxului termic liniar (unitar) ФL [Wm] icircn funcție de diametrul exterior al conductei neizolate de [m] temperature fluidului transportat tf [ ordmC] și de amplasarea conductei sunt prezentate icircn Tabelul 114
Tabelul 114 Valorile fluxului termic liniar
de [mm]
tf [ ordmC]
80 100 180 200 250
a b a b a b a b a b
10 8 13 21 24 35 37 48 49 62 60
20 12 15 27 31 43 47 58 63 74 79
32 14 17 33 36 50 53 67 72 86 90
48 15 21 36 42 57 62 76 84 98 105
57 16 24 37 47 62 67 81 91 105 112
76 17 29 43 52 67 77 91 100 115 126
89 19 33 45 58 72 83 95 108 122 133
108 26 36 52 64 79 90 105 117 131 145
133 31 41 62 70 88 99 117 129 140 158
159 36 44 70 76 98 109 130 140 163 172
194 41 49 77 85 108 120 144 151 178 188
219 46 53 81 91 116 128 154 163 192 204
273 49 62 91 101 129 145 170 186 213 230
325 52 70 99 116 142 163 186 209 233 256
377 58 82 107 133 152 181 204 231 254 279
426 62 95 114 149 163 201 221 254 273 302
478 70 104 127 158 180 215 238 273 294 326
529 77 110 140 169 198 228 256 285 314 349
630 95 121 163 186 227 254 294 320 364 384
Izolaţii termice
12
720 110 134 186 205 256 277 326 345 395 416
830 128 157 209 233 291 309 366 384 442 463
920 157 180 238 262 320 344 401 430 483 512
1020 174 209 262 297 349 384 430 473 523 564
Observatii
a-conducte izolate amplasate icircn icircncăperi și canale cu temperatura medie a aerului te = (20hellip30) ordmC
b-conducte izolate amplasate icircn aer liber cu temperatura medie te = (0hellip15) ordmC și conducte subterane amplasate icircn canale nevizitabile cu temperatura medie a solului te = 5 ordmC
Fluxul termic total transmis prin suprafața conductei izolate va fi
Ф=ФLmiddotLC [W] (115)
unde
Lc [m] este lungimea de calcul (echivalentă) a conductei se calculează cu relația
Lc = KmiddotL+l [m] (116)
K - coefficient ce ține seama de pierderile suplimentare de căldură prin elementele de susținere a conductei (Tabelul 115)
L [m] - lungimea conductei
l [m] - lungimea de conductă izolată care echivalează pierderile de căldură prin armăturile de icircnchidere (vane ventile Tabelul 116 și prin icircmbinări (pentru icircmbinări cu flanșe se recomandă l = 1hellip15 m)
Tabelul 115 Valorile coeficientului K
Modul de susținere a conductei
Coeficientul K conducte amplasate icircn
icircncăperi conducte amplasate icircn
aer liber
prin agățare 110 115
prin rezemare 115 125
Tabelul 116 Lungimea de conductă izolată care echivalează pierderile de căldură prin armăturile de icircnchidere
di [mm]
Conducte icircn icircncăperi Conducte icircn aer liber
tf = 100 ordmC
tf = 400 ordmC tf = 100 ordmC tf = 400 ordmC
100 25 50 45 60
500 30 75 60 85
Dacă lungimea conductei nu este cunoscută se mărește valoarea coeficientului K astfel
pentru conducte amplasate icircn icircncăperi K = 12
pentru conducte amplasate icircn aer liberi K = 125
122 Calculul grosimii izolației termice pentru o temperatură dată pe suprafața acesteia
Normele de protecție a muncii impun temperatura pe suprafața exterioară a conductei izolate egală cu 50 ordmC pentru stratul protector din tencuială și 55 ordmC pentru stratul protector metalicTemperatura de 60 ordmC este limita maxima admisibilă peste care apare accidentarea prin arsură a personalului de exploatare
Conform notațiilor din Figura 13 (conductă care transportă fluide calde) fluxul termic liniar (unitar) se calculează cu relația
Izolaţii termice
13
e4pspeLpLizLspLi
4piL ttd
RRRR
tt
[Wm] (117)
Rezistențele termice RLi și RLp pot fi neglijate
Grosimea stratului de izolație termică se calculează icircn două etape
se neglijează rezistența termică a stratului protector RLsp = 0 și rezultă
24pee
4piiz
e
iz
e
iz
ttd
tt2
d
d
d
d
ln (118)
Ecuație de forma xmiddotlnx = const (x = dizde) rezolvarea ei făcacircndu-se grafic sau prin icircncercări
Rezultă
1
d
dd50
e
izeiz [m] (119)
ținacircnd seama de stratul protector se calculează grosimea reală a stratului de izolație termică cu coeficientul de corecție ∆ [mm] (Tabelul 112)
δizrsquo = δiz - ∆ [mm] (120)
Se calculează fluxul termic liniar (unitar) ΦL [Wm] și apoi modificacircnd grosimea stratului de izolație se verifică temperatura impusă tp4 [ ordmC]
Determinarea necesarului de căldură și apă caldă pentru un imobil
14
2 Determinarea necesarului de căldură și apă caldă pentru un imobil
Casa este situata icircn judetul Galati orasul Galati icircn partea de nord a orasului Este amplasata pe un teren cu suprafata de 300mp ea icircn sine avand o amprenta la sol de 123mp
Orasul Galati se situeaza icircn zona climatica numarul II Conform standardului ldquoSR1907 - 1 - 2014rdquo temperatura de referinta pentru aceasta zona este de -15 degC
Icircn figura de mai jos este reprezentat imobilul ce va trebui incalzit Este desenat icircn programul Archicad și prezinta urmatoarele vederi
Figura 21 Planul casei cu dimensiuni și orientare dupa punctele cardinala
Determinarea necesarului de căldură și apă caldă pentru un imobil
15
Figura 22
Figura 23 Vedere fata Nord
Determinarea necesarului de căldură și apă caldă pentru un imobil
16
Figura 24 Vedere fata Sud
Figura 25 Vdere fata Est
Determinarea necesarului de căldură și apă caldă pentru un imobil
17
Figura 26 Vedere fata Vest
Figura 27 Vedere de ansamblu
Determinarea necesarului de căldură și apă caldă pentru un imobil
18
Dimensiunile casei și a incaperilor sunt afisate icircn tabelul urmator
Incapere Suprafata mp
1 Hol intrare+ Living + Hol 3353
2 Dormitor mare 1804
3 Dromitor mic 12
4 Bucatarie 112
5 Baie mare 48
6 Baie mica 475
7 Camera tehnica 72
Total suprafata 9152
Total perimetru casa 444 m
21 22 Determinarea necesarului de căldură și apă caldă menajeră pentru imobil
Pentru studiul necesarului de flux termic este nevoie sa cunoastem posibilele pierderi de căldura cat si modul de utilizare al acesteia Ecuatia generala a bilantului termic ce se foloseste icircn calcularea fluxului de căldura
Q = Q1+ Q2+ Q3 [W]
Q1- fluxul de căldura pierdut prin transmisie
Q2- fluxul de căldura necesar incalzirii aerului ventilat
Q3- fluxul de căldura necesar prepararii apei calde
Fluxul termic pierdut prin transmisie este distribuit intre elementele constructive ale casei si anume Q11 - pereti Q12 - podea Q13 - tavan Q14 - geamuri
Q1= Q11+ Q12+ Q13+ Q14 [W]
Formula care se utilizeaza icircn calculul pentru fiecare fux termic icircn parte este comuna celor patru elemente
Q1i= Si middot Ki middot (tint - text) [W]
Unde Si - suprafata totala calculata a fiecarui element icircn parte se iau icircn considerare doar elementele care au legatura cu exteriorul [m2] ki - coeficientul global de transfer termic specific fiecarui element icircn parte [Wm2C] tint - temperatura din interiorul imobilului [degC] text - temperatura exterioara Icircn cazul podelei de utilizeaza temperatura solului șisau a pivnitei [degC]
Coeficientul global de transfer termic se calculeaza dupa formula
ki = 120783
120783
120514119842 + sum
120517119842
120524119842+
120783
120514119838119847119843=119842
[Wm2C]
Unde αi = coeficientul de transfer convectiv din interior αi = 8 Wm2C αe = coeficientul de transfer termic convective din exterior αe = 20 Wm2C λi - conductivitatea termica a stratului i pe care il aflam din fisa tehnica am materialului stratului respectiv [WmmiddotK] δi- grosimea stratului I [m]
Temperatura ce trebuie mentinuta icircn interiorul imobilului este de 22 degC
Coeficentul de convectie termica αi = 8
211 Mers de calcul pentru Q1
Q11 - flux termic pierdut prin pereti
Specificatii perete exeterior
Tencuiala δ 0025 m Grosime
Determinarea necesarului de căldură și apă caldă pentru un imobil
19
interioara λ 093 WmmiddotK Conductivitate termica
Rt 0026882 m2middotKW Rezistenta termica
Zidarie BCA δ 03 m Grosime
λ 014 WmmiddotK Conductivitate termica
Rt 2142857 m2middotKW Rezistenta termica
Tencuioala exterioara
δ 0025 m Grosime
λ 093 WmmiddotK Conductivitate termica
Rt 0026882 m2middotKW Rezistenta termica
Vata bazaltica δ 01 m Grosime
λ 0037 WmmiddotK Conductivitate termica
Rt 2702703 m2middotKW Rezistenta termica
Placa fibrocement
δ 001 m Grosime
λ 02 WmmiddotK Conductivitate termica
Rt 005 m2middotKW Rezistenta termica
Tencuiala decorativa
δ 0005 m Grosime
λ 093 WmmiddotK Conductivitate termica
Rt 0005376 m2middotKW Rezistenta termica
K11 = 1
1
120572119894+
1205751
1205821+
1205752
1205822+
1205753
1205823+
1205754
1205824+
1205755
1205825+
1205756
1205826+
1
120572119890 =
11
8 +
0025
093+
03
014+
0025
093+
01
0037+
001
02+
0005
093+
1
22
K11 = 0194943188 Wm2C
S11 = h middot lp = 3 middot 3901 = 11703 m2
h - inaltimea peretelui [m]
lp - lungimea perimetrala a peretelui [m] (din care s-au scazut suprafetele vitrate)
Δt = ti - te = 22 + 15 = 37degC
ti - temperatura interioara
te - temperatura exterior
Q11 = K11 middot S11 middot Δt = 0194943188 middot 11703 middot 37 = 8441254483 W
Perete exterior
ti 22 degC αi 8 Wm2 k
te -15 degC αe 22 Wm2 k
δ1 0025 m λ1 093 Wmk tp1 2109758812 degC
δ2 03 m λ2 014 Wmk tp2 2090352105 degC
δ3 0025 m λ3 093 Wmk tp3 5433603161 degC
δ4 01 m λ4 0037 Wmk tp4 523953609 degC
δ5 001 m λ5 02 Wmk tp5 -1427207206 degC
δ6 0005 m λ6 093 Wmk tp6 -1463303681 degC
tp7 -1467185023 degC
q 7219295 W
Determinarea necesarului de căldură și apă caldă pentru un imobil
20
Figura 28
Q12 - fluxul termic pierdut prin podea
Specificatii podea
Placa fibrocement
δ 001 m Grosime
λ 02 WmmiddotK Conductivitate termica
Rt 005 m2middotKW Rezistenta termica
Sapa δ 01 m Grosime
λ 0035 WmmiddotK Conductivitate termica
Rt 2857143 m2middotKW Rezistenta termica
Polistiren extrudat
δ 005 m Grosime
λ 0033 WmmiddotK Conductivitate termica
Rt 1515152 m2middotKW Rezistenta termica
K12 = 1
1
120572119894+
1205751
1205821+
1205752
1205822+
1205753
1205823+
1
120572119890 =
11
8 +
001
02+
01
0035 +
005
0033+
1
0
= 0219911 Wm2C
S12 - amprenta la sol a casei = 12296 m2
Δt = ti - te = 22 - 15 = 7degC
Temperature pentru podea este de 15degC
Q12 = K12 middot S12 middot Δt = 0219911 middot 12296 middot 7 = 1892818 W
Podea
ti 22 degC Αi 8 Wm2 k
te 15 degC Αe 0 Wm2 k
δ1 001 m λ1 02 Wmk tp1 2180757789 degC
Determinarea necesarului de căldură și apă caldă pentru un imobil
21
δ2 01 m λ2 0035 Wmk tp2 2173060904 degC
δ3 005 m λ3 0033 Wmk tp3 1733238927 degC
δ4 m λ4 Wmk tp4 15 degC
δ5 m λ5 Wmk tp5 degC
δ6 m λ6 Wmk tp6 degC
tp7 degC
q 1539377 W
Figura 29
Q13 - fluxul termic pierdut prin tavan
Specificatii tavan
Tencuiala δ 002 m Grosime
λ 093 WmmiddotK Conductivitate termica
Rt 0021505 m2middotKW Rezistenta termica
Placa beton armat
δ 013 m Grosime
λ 174 WmmiddotK Conductivitate termica
Rt 0074713 m2middotKW Rezistenta termica
Sapa δ 003 m Grosime
λ 026 WmmiddotK Conductivitate termica
Rt 0115385 m2middotKW Rezistenta termica
Vata bazaltica δ 015 m Grosime
λ 0037 WmmiddotK Conductivitate termica
Determinarea necesarului de căldură și apă caldă pentru un imobil
22
Rt 4054054 m2middotKW Rezistenta termica
Placa nivelanta δ 002 m Grosime
λ 026 WmmiddotK Conductivitate termica
Rt 0076923 m2middotKW Rezistenta termica
K13 = 1
1
120572119894+
1205751
1205821+
1205752
1205822+
1205753
1205823+
1205754
1205824+
1205755
1205825 +
1
120572119890 =
11
8+
002
093+
013
174+
003
026+
015
0037+
002
026+
1
22
K13 = 0219736 Wm2C
S13 = S12 = 12296 m2
Δt = ti - te = 22 + 15 = 37degC
Q13 = K13 middot S13 middot Δt = 0219736 middot 12296 middot 37 = 1000 W
Tavan
ti 22 degC αi 8 Wm2 k
te -15 degC αe 22 Wm2 k
δ1 002 m λ1 093 Wm k tp1 209751906 degC
δ2 013 m λ2 174 Wm k tp2 207988793 degC
δ3 003 m λ3 026 Wm k tp3 2018634954 degC
δ4 015 m λ4 0037 Wm k tp4 1924037163 degC
δ5 002 m λ5 026 Wm k tp5 -1399669009 degC
δ6 m λ6 Wm k tp6 -1462734204 degC
tp7 degC
q 8198475 W
Determinarea necesarului de căldură și apă caldă pentru un imobil
23
Figura 210
Q14 - fluxul temic pierdut prin suprafetele vitrate
Am ales un geam temopan cu trei randuri de sticla și cu tamplarie de lemn
K14 = 06 Wm2C
S14 = 2728 m2 suprafata ocupata de geamuri
Δt = ti - te = 22 + 15 = 37degC
Q14 = K14 middot S14 middot Δt = 06 middot 2728 middot 37 = 605616 W
Fereastra
ti 22 degC αi 8 Wmpk
te -15 degC αe 22 Wmpk
δ1 0005 m λ1 075 Wmk tp1 1992074356 degC
δ2 0018 m λ2 00177 Wmk tp2 1980984988 degC
δ3 0005 m λ3 075 Wmk tp3 2893865242 degC
δ4 0018 m λ4 00177 Wmk tp4 2782971565 degC
δ5 0005 m λ5 075 Wmk tp5 -1413301307 degC
δ6 m λ6 Wmk tp6 -1424390675 degC
tp7 degC
q 1663405 W
Determinarea necesarului de căldură și apă caldă pentru un imobil
24
Figura 211
Q1 = Q11 + Q12 + Q13 + Q14 = 8441254483 + 1892818 + 1000 + 605616
Q1 = 263871712 W
212 Mers de calcul pentru Q2
Q2 = n middot Q1
n - numarul de schimburi (07 08 1)
Q1 - fluxul de căldura pierdut prin transmisie
Q2 = 1 middot 263871712 =gt Q2 = 263871712 W
213 Mers de calcul pentru Q3
Q3 = 119898 middot119862119908 middot(119905119887minus119905119903)
120591 middot3600 [kW]
m - cantitatea de apa calda preparata [Kg]
m = n middot czn middot ρ [Kg]
ρ = 1000 Kgm3- densitatea apei [Kgm3] n = 4 - numarul de locatari =gt n
czn - consumul zilnic de persoana [l] gtgtgt czn = l middot 1000 = m3
Un consum de acm specific unui nivel de confort mediu la o temperature de 45degC vom avea un czn = 50 l de persoana
cw - căldura specifica a apei [KJKgC] =gt cw = 4186 KJKgmiddotC
tb - temperatura apei din boiler [C] =gt tb = 50degC
tr - temperatura apei de intrare [C] =gt tr = 10degC
Icircn general avem vara tr = 1217degC iar iarna tr = 5hellip10degC
120591 - timpul icircn care este incalzita apa [h] =gt 120591 = 4h
m = 4 middot (50 middot 1000) middot 1000 m = 200 Kg
Q3 = 200 ∙4186 ∙(50 ∙10)
4 ∙3600 =gt Q3 = 2325555556 W
Q = Q1 + Q2 + Q3 = 263871712 + 263871712 + 2325555556
Q = 7602989795 W =gt Q = 76 KW
Calculul necesarului de frig pentru depozit de fructe
25
3 Calculul necesarului de frig pentru depozit de fructe
31 31 Calculul grosimii izolatiilor
Regimul de funcţionare al spaţiilor frigorifice caracterizat prin valori coboracircte ale temperaturilor prin variaţia rapidă a acestora şi prin umiditatea mare a aerului icircncăperilor impune pentru izolaţiile termice ale pereţilor planşeelor şi pardoselilor condiţii deosebite Pereţii spaţiilor frigorifice despart două medii cu temperaturi diferite Fluxul de căldură ce pătrunde din exterior icircn camere care trebuie preluat de instalaţia frigorifică este direct proporţional cu diferenţa de temperatură dintre cele două feţe ale peretelui şi cu coeficientul global de transmitere a căldurii Izolarea se execută la spaţiile răcite atacirct la pereţi cacirct şi la tavan şi podea şi are ca rol icircmpiedicarea apariţiei condensului pe suprafaţa caldă a pereţilor incintelor frigorifice
Figura 31 Fig13 Variaţia de temperatură prin peretele termoizolant
Din exploatarea frigoriferelor se cunoaşte că prin icircnvelişul exterior al spaţiilor frigorifice trece icircn majoritatea cazurilor mai mult de jumătate din cantitatea totală de căldura ce pătrunde icircn icircncăperi Această cantitate de căldură se poate reduce prin majorarea grosimii stratului termoizolant Dar reducerea infiltraţiilor de căldură icircn acest tel nu se poate face nelimitat deoarece la o anumită grosime a stratului izolant adică la o anumită valoare a coeficientului k de transfer al căldurii costul construcţiei izolate va fi mai mare decacirct costul energiei ce reprezintă frigul economisit prin majorarea grosimii izolaţiei
De aceea se obişnuieşte a se folosi icircn calcule valori optime ale coeficientului k de transfer al căldurii calculacircndu-se astfel o grosime optimă a izolaţiei termice
Pentru izolarea pereţilor camerelor se vor folosi panouri tip sandwichFig15
Calculul necesarului de frig pentru depozit de fructe
26
Figura 32 Fig15 Construcţia panourilor de tip sandwich
Rolul panourilor plastifiate este de a preicircntacircmpina pătrunderea vaporilor icircn interiorul izolaţiei eliminacircnd necesitatea barierei de vapori Panourile folosesc metoda de icircmbinare nut-feder reducacircndu-se astfel transferul de căldură cu mediul extern
Deoarece avem un singur depozit vom adopta coeficienţii de transfer de căldură prin
convecţie funcţie de t
Aleg pentru t = = te - ti = 318 - 1 = 308 0C k = 023 Wm2K
Din catalogul de produse INCOLD Italia se alege poliuretan 100 mm = 0023 WmK
Tablă din oţel galvanizat plastifiat
Calculul necesarului de frig pentru depozit de fructe
27
Tabelul 317 Tabel24 Calculul grosimi izolației
ei
i
i
izizk
111
Coeficientul global de transfer de căldură se determină utilizand relaţia
eiz
iz
i
i
i
k
11
1
n
i i
i
1
- suma rezistenţelor termice ale tuturor straturilor din care este realizat
peretele[m2KW]
iz - grosimea stratului de izolaţie termică [m]
iz - conductivitatea termică a materialului izolator [WmK]
e - coeficient de convecţie pe partea exterioară a peretelui [WmK]
i - coeficient de convecţie pe partea interioară a peretelui [WmK]
32 32 Bilantul caloric al spatiului climatizat pe timp de vară Necesarul de frig pentru frigorifer
Se stabileşte consumul zilnic de frig pe icircntreg frigoriferul şi pentru fiecare icircncăpere icircn parte luacircndu-se icircn considerare cele mai nefavorabile condiţii de lucru
temperatura aerului exterior pentru luna cea mai caldă a anului
icircncărcarea maximă şi simultană a camerelor de refrigerare
Spaţiul frigorific
Perete k αi αe 1αi 1αe R 1k λiz
δiz
calc δiz
ales Kr
[Wm2K] [m2KW] [WmK] [m] [m]
N 0229 10 18 010 006 0590 4367 0023 0097 0100 023
E 0224 10 12 010 008 0618 4464 0023 0098 0100 023
DR S 0221 10 12 010 008 0618 4525 0023 0100 0100 023
V 0223 10 12 010 008 0618 4484 0023 0099 0100 023
T 0221 10 12 010 008 0618 4525 0023 0100 0100 023
P 0228 10 0 000 000 0435 4386 0023 0000 0100 023
N 0221 25 12 004 008 0558 4525 0023 0101 0100 023
E 0224 25 12 004 008 0558 4464 0023 0100 0100 023
CP S 0224 25 12 004 008 0558 4464 0023 0100 0100 023
V 0223 25 12 004 008 0558 4484 0023 0100 0100 023
T 0221 25 12 004 008 0558 4525 0023 0101 0100 023
P 0228 25 0 000 000 0435 4386 0023 0000 0100 023
Calculul necesarului de frig pentru depozit de fructe
28
camerele vecine celei căreia i se face calculul necesarului de frig sunt goale şi au temperatura vestibulului sau a sasului
Aceste calcule determină necesarul de frig pe categorii de consumatori grupaţi după temperatura cerută şi permit stabilirea puterilor frigorifice icircn vederea proiectării instalaţiei
Pentru calculele termice sunt necesare următoarele
planul frigoriferului care a fost stabilit
dimensiunile camerelor
temperaturile necesare icircn fiecare cameră
Se consideră
1degC icircn depozitele de refrigerate
orientarea frigoriferului după punctele cardinale
condiţii climatice icircn lunile cele mai călduroase pentru zona geografică respectivă
Consumul de frig se calculează pentru 24 ore cu relaţia
Qnec = Q1 + Q2 + Q3 + Q4 [kcal24h]
Q1 - neeesarul de frig pentru acoperirea pătrunderilor de căldură prin cenvecţie
conducţie şi radiaţie din mediul icircnconjurător prin pereţi pardosea și plafon
Q2 - necesarul de frig tehnologic pentru procesele de răcire refrigerere şi
congelare eliminarea căldurii de respiraţie seu pentru unele procese chimice şi
biochimice
Q3 - necesarul de frig pentru ventilarea camerelor frigorifice cu aer proaspat care
trebuie racit şi uscat
Q4 - necesarul de frig rezulticircnd din condiţii de exploatare acoperirea căldurii
provenite din iluminat din funcţionarea motoarelor căldura provenită de la persoanele ce
manipulează produsele datorită deschiderii uşilor etc
321 Consumul de frig Q1
Se determină pentru fiecare spaţiu icircn parte cu relaţia
RttkFQ1 [ W ]
F - reprezintă suprafaţa pereţilor a pardoselei şi a plafonului corespunzător fiecărui
spaţiu frigorific icircn parte icircn m2 Ca suprafaţă de transfer se va considera suprafaţa
exterioară a perimetrului izolat termic
k - reprezintă coeficientul global de transmitere a căldurii prin convecţie conducţie şi radiaţie
prin pereţi plafon şi pardoseală (toate izolate termic) icircn [W(m2 middot grd)] Valoarea coeficientului k a
fost calculată icircn tabelul 24 (kr)
Δt - reprezintă diferenţa de temperaturi dintre temperatura exterioară suprafeţei de
transfer termic considerată şi temperatura interioară spaţiului frigorific
Calculul necesarului de frig pentru depozit de fructe
29
Diferenţa de temperatură ΔtR se ia icircn consideraţie numai la pereţii exteriori şi la
plafoane care sunt şi acoperiş pentru clădire
ΔtR = 0degC pentru pereţi exteriori orientaţi spre N
ΔtR = (5 10)degC pentru pereţi exteriori orientaţi spre E V S-E S-V
ΔtR = 15 degC pentru pereţi exteriori orientaţi spre S
ΔtR = (15 18)degC pentru plafoane care sunt şi acoperiş (terasă)
Calculul valorilor mărimii sumQ1 se recomandă a se efectua tabelar conform tabelului 25
Valoarea mărimii sum Q1 la aparate se obţine prin icircnsumarea fluxurilor termice prin toate cele 6 suprafeţe delimitatoare
La stabilirea valorii mărimii sum Q1 se consideră doar unul dintre fluxurile termice prin suprafeţele ce separă spaţiile frigorifice vecine Pentru aparatele de răcire din spaţiile frigorifice se consideră situaţia cea mai grea pentru fiecare spaţiu icircn parte respectiv că spaţiile vecine nu sunt răcite
Spaţiul frigorifi
c
Perete
Dimensiuni
Supraf F
[m2]
Kr [Wm2K]
Δt [grd]
Δtr
Q1 [W] sumQ1 q a [m]
b [m]
N 15 4 60 023 308 42504
246068
708
E 7 4 28 023 308 8 24987 892
DR S 15 4 60 023 185 15 46202 770
V 7 4 28 023 308 19835 708
T 15 7 105 023 308 74382 708
P 15 7 105 023 158 38157 363
N 7 4 28 023 185 11914
133566
426
E 7 4 28 023 268 8 22411 800
CP S 7 4 28 023 268 15 26919 961
V 7 4 28 023 185 11914 426
T 7 7 49 023 268 30204 616
P 7 7 49 023 268 30204 616
Tabelul 318 Tebel25 Calculul valorilor mărimii Q1
322 Necesarul de frig Q2
sum Q2 - necesarul de frig tehnologic pentru procesele de răcire refrigerare şi
congelare
Q2d = mcp(tc-ti)=500003644 = 4186000(243600)= 842 kW
Q2c = 2600036419 = 1798160 = 208 KW
Q2 = 208 + 842 = 293 = 30kW
unde
Q2d - necesarul de frig tehnologic depozit
Q2c - necesarul de frig tehnologic camera de preracire
Calculul necesarului de frig pentru depozit de fructe
30
m - cantitatea de produse introduse icircn tunelul de congelare icircn kg
te ti - temperaturi specifice corespunzătoare temperaturii iniţiale a produsului cald
(24 ordmC) respectiv temperaturii finale a produsului refrigerat (1 ordmC)
Căldura specfifică mere cp = 364 [kJkgK]
323 Necesarul de frig Q3
Icircn funcţie de natura produselor din spaţiul frigorific este necesar uneori să se realizeze ventilarea spaţiului prin asigurarea unui anumit număr de schimburi ale aerului din incintă icircn 24h Ca exemplu icircntotdeauna va fi necesară ventilarea prin introducere de aer proaspăt icircn spaţiile de păstrare pentru legume fructe şi ouă refrigerate Aceste produse vii respiră icircn timpul păstrării şi necesită icircn consecinţă ventilarea spaţiilor de păstrare
Acest consum de frig se ia icircn considerare doar la depozitele de refrigerare care se ventilează Se stabilește cu relația
Q3 = V ∙ a ∙ ᵖi ∙ (hex - hi) [kJ24]
V - volumul camerelor ventilateicircn m3
a = 24 schimburi pe zi pentru depozitele de mere
ᵖi - reprezintă densitatea aerului la temperature interioară icircn kgm3
Pentru depozitele de refrigerare considerăm umiditatea relativă ᵠi = 95 și ti=1 ordmC
rezultacircnd icircn acest caz hi= 9 kJkg
Parametri aerului exterior pentru zona icircn care este amplasat depozitul sunt temp ex 318
și umiditatea ext 60 rezultand din diagram mollier entalpia aerului Calcul facut icircn
programul Coolpack
ρi = 12 kgm3
hex = 7519 kJkg
Q3 = 616 2 12 (7519 - 9) (243600)= 00025 kW
324 Necesarul de frig Q4
Q4 - frigul consumat pentru acoperirea pierderilor icircn timpul exploatarii datorat deschiderii
usilor a corpurilor de iluminat a motoarelor electrice a oamenilor Se admite Q4 =
(01hellip04)Q1
Q4 = 02 379617 = 759234 = 008 kW
Qtotal = sum 119824120783 + Q2 + Q3 + Q4 = 004 + 30 + 000025 + 008 = 3012 = 31 kW
33 33 Stabilirea directiei raportului de termoumiditate și trasarea procesului de conditionare a aerului pe diagrama i-X pe timp de vară
Icircn fig16 este reprezentat un agregat pentru condiţionarea aerului pe timp de vară cu recirculare parţială
Calculul necesarului de frig pentru depozit de fructe
31
Figura 33 Figura16 Schema aparatului de condiţionare a aerului pe timp de vară cu recirculare parţială
F - filtru V - vaporizator C - compressor K - condensator VL - ventil de laminare I - icircncălzitor Vt - ventilator
Procesele de lucru pot fi reprezentate icircn diagrama h-x ca icircn figura următore
Figura 34 Fig17
A reprezintă starea aerului recirculat provenit din spaţiul condiţionat iar E este starea aerului exterior
Aerul tratat icircn aparatul de condiţionare care se introduce icircn incintă avacircnd starea B
trebuie să preia degajările de căldură Qv [kW] şi de umiditate Wv [kgs]
Direcţia procesului suferit de aer icircn incintă este dată de raportul de termoumidificare εv
= Qv Wv
Prin punctul A se trasează dreapta avacircnd raportul de termoumidificare εv iar punctul B se fixează pe această dreaptă adoptacircndu-se o anumită diferenţă de temperatură faţă de starea A
Aerul recirculat A se amestecă cu aerul proaspăt E şi rezultă starea de amestec M De regulă xM gt xB deci aerul va trebui să fie uscat
Pe verticala din B se fixează starea D avacircnd xD= xB şi ᵩD = 90hellip98
Calculul necesarului de frig pentru depozit de fructe
32
Se uneşte M cu D iar apoi se prelungeşte acest segment pacircnă la intersecţia cu ϕ = 100 rezultacircnd starea P avacircnd temperatura tp
Circulacircnd aerul cu starea M peste o suprafaţă rece avacircnd temperatura tp se va obţine procesul de răcire şi uscare MD
Temperatura suprafeţei tp se asigură cu o instalaţie frigorifică a cărei temperature de vaporizare va fi t0 lt tp
Ultimul proces din aparatul de condiţionare va fi icircncălzirea finală DB
Calculul agregatului de condiţionare a aerului pe timp de vară se efectuează asemănător cu cel a agregatului de condiţionare a aerului pe timp de iarnă cu observaţia că pe timp de vară nu este necesară umidificarea
331 Date
Vtotal = 616 m3 tint = 1ᵒC tex = 318 φint = 90 φext = 60 ρaer = 12 [kgm3]
Starea A
tA = ti + 3 = 4deg xA = 00043[kj
kg] φA = 86 hA = 1489[
kj
kg]
Starea B
tB = 1degC xB = 00036 [kj
kg] φB = 90 hB = 1024[
kj
kg]
Starea E
tE = 318degC xE = 00171[kj
kg] φE = 60 hE = 7519[
kj
kg]
Starea M
hM =hE + n ∙ hA
n + 1=
7513 + 20 ∙ 1489
21= 1775[
kj
kg]
xM =xE + n ∙ xA
n + 1=
00171 + 20 ∙ 00043
21= 00049[
kj
kg]
Rezulta din diagrama Mollier
Starea D
hD = 108 [kj
kg] xD = 0003[
kj
kg] φD = 97
Raportul de recirculare n = 20
Debitul de aer ventilat V =Vtotal∙20
24h=
616lowast20
24= 513 [m3h]
Debitul masic m = V ∙ ρaer = 513 lowast 12 =
6156[kg
h]
3600= 0171 [kgs]
tp = minus3degC t0 = tp minus 9degC = minus3 minus 9 = minus12degC
Puterea termica a vaporizatorului ( puterea frigorifică )
ФV = Ф0
Puterea termica a icircncalzitorului
ФI = 119898 ∙ (hB - hD)
Cantitatea de apa condensată icircn unitatea de timp pe suprafața de racire este
Calculul necesarului de frig pentru depozit de fructe
33
ẆV = 119898 ∙ (XM - XD)
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
34
4 Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
Există două domenii principale icircn care se utilizează frigul artificial icircn lucrările de construcţii şi anume
icircngheţarea terenurilor acvifere icircn vederea săpării puţurilor de mină a barajelor a depozitelor de gaze lichefiate etc
prerăcirea componentelor betonului icircn cazul executării unor masive de beton ca de exemplu baraje
41 51 IcircNGHEŢAREA SOLULUI
411 511 CONSIDERAŢII GENERALE PRIVIND IcircNGHEŢAREA SOLULUI
Icircngheţarea artificială a solului reprezintă una dintre cele mai interesante şi icircn acelaşi timp şi importante aplicaţii practice a frigului artificial Totodată este una dintre primele aplicaţii industriale a tehnicii frigului şi care a asigurat o dezvoltare deosebită a industriei extractive Aşa se explică faptul că odată apărută maşina frigorifică cu absorbţie realizată icircn 1859 de către Ferdinand Carre este folosită la săparea primului puţ de mină prin icircngheţarea artificială a rocilor Dar nu numai industria minieră foloseşte icircn ultimul secol procedeul consolidării rocilor la săpararea unor lucrări subterane Lucrări inginereşti de tot genul ca metrouri staţii subterane de pompare rezervoare de gaze lichefiate poduri lucrări portuare şi altele asemănătoare amplasate icircn zone acvifere au fost realizate prin metoda consolidării prin frig a rocilor
Această metodă a consolidării rocilor prin frig artificial realizează icircn jurul lucrării inginereşti subterane un perete icircngheţat protector pe durata lucrărilor de construcţii Acest perete asigură o izolare hidraulică şi icircn acelaşi timp şi o protecţie mecanică Rezistenţa mecanică a rocilor creşte pe măsură ce temperatura lor scade icircncacirct metoda expusă mai sus prezintă avantajul reglării capacităţii portante a peretelui icircngheţat
Apa conţinută icircn terenuri prin icircngheţare capătă proprietăţile cimentului exprimate prin forţele de coeziune mari care apar icircntre cristalele de gheaţă şi grăunţii de rocă
Pentru obţinerea peretelui protector se folosesc sonde de icircngheţare forate pe conturul lucrării subterane şi prin care circulă agentul de răcire care poate fi un agent intermediar ca de exemplu saramura de clorură de calciu sau agentul frigorific de exemplu amoniacul Icircn funcţie de grosimea peretelui şi de rezistenţa mecanică pe care trebuie să o aibă se va alege temperatura agentului de răcire distanţa dintre sonde şi durata de icircngheţare
Instalaţia de consolidare prin frig a rocilor cuprinde trei părţi principale staţia frigorifică reţeaua de distribuţie a agentului de răcire (saramura) şi sondele de icircngheţare a solului
Staţia frigorifică cuprinde instalaţia frigorifică propriu-zisă cu comprimare mecanică de vapori sau prin absorbţie icircntr-o treaptă sau icircn două trepte Icircn funcţie de condiţiile de amplasament ale obiectivului staţia frigorifică poate fi de construcţie staţionară (icircn minerit) sau mobilă (la metrouri)
Reţeaua de distribuţie alcătuită din conducte metalice sau din mase plastice are rolul de a face legătura icircntre staţia frigorifică şi sondele de icircngheţare Pentru reducerea pierderilor de frig reţeaua de distribuţie se izolează termic
Sondele de icircngheţare constituie schimbătorul de căldură subteran prin care se extrage căldura de la terenul supus icircngheţării Icircn fig 51 se prezintă schiţa unei sonde de icircngheţare cu ajutorul saramurii Saramura rece cu temperatura icircntre -10 ordmC pacircnă la -35 ordmC
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
35
coboară prin ţeava interioară şi apoi se icircntoarce prin spaţiul inelar dintre cele două conducte concentrice
Figura 41 Fig 51 Sonda de icircngheţare 1 - şiu (tub scurt de oţel cu pereţi groşi rezistent) 2 - ţeava interioară 3 - ţeava exterioară (burlan de
icircngheţare) 4 - capul sondei
Circulaţia continuă a saramurii prin sonda de icircngheţare face ca rocile ce icircnconjoară sondele inclusiv apa conţinută icircn spaţiile libere să se răcească treptat Icircn jurul sondei icircncepe să se formeze stratul de rocă icircngheţată diametrul cilindrului de teren icircngheţat se măreşte icircn timp Aşa cum s-a arătat icircn capitolul 3 rezultă că dezvoltarea radială a cilindrului de rocă icircngheţată icircn jurul sondei se desfăşoară cu o viteza variabilă de icircnaintare la icircnceput viteza de icircnaintare a frontului de gheaţă este mai mare după care scade icircn timp Apoi se atinge stadiul staţionar de transfer de căldură cacircnd cilindrul nu mai creşte icircn dimensiuni Reiese că distanţa dintre sondele de icircngheţare este determinată de raza maximă a cilindrului de teren icircngheţat Pentru a realiza peretele icircngheţat care să reziste la solicitările la care este supus se impune ca distanţa dintre sondele vecine să fie mai mică decacirct raza maximă a terenului icircngheţat astfel icircncacirct cilindrii formaţi să se unească icircntre ei Icircn fig 52 se prezintă evoluţia icircn timp a icircngheţării terenului icircn jurul sondelor Icircn faza iniţială a icircnceput răcirea dar icircncă nu s-a format teren icircngheţat Icircn faza a II-a (după circa 20 zile) icircn jurul fiecărei sonde se formează cacircte un cilindru de teren icircngheţat fără ca aceştia să se unească Icircn faza a III-a (după circa 30 zile) cilindrii se icircntretaie şi formează peretele protector
Figura 42 Fig 52 Evoluţia cilindrilor individuali de rocă icircngheţată 1 - sonda de icircngheţare 2 - sonda de măsurători termice 3 - teren icircngheţat
Această evoluţie poate fi urmărită cu suficientă precizie prin măsurarea temperaturii masivului cu ajutorul unor sonde de măsurători termice 2 montate la distanţe bine stabilite de sondele vecine de icircngheţare Astfel icircn faza I-a temperatura este cea iniţială deci neafectată de prezenţa sondelor icircn faza a II-a temperatura este mai scăzută dar mai mare de 0 ordmC Cum icircn practică sondele de icircngheţare au o abatere de la poziţia verticală (sau de la cea impusă prin proiect) sondele de măsurători termice sunt prevăzute icircntre sondele
I II III
1
2 2 2
3 3
SARAMURĂ CALDĂ
IEŞIRE
INTRARE SARAMURĂ A E RECE
1
2
3
4
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
36
cele mai distanţate icircntre ele acolo unde evoluţia peretelui de protecţie este cea mai defavorabilă
Primele realizări inginereşti de consolidare prin frig artificial a terenurilor acvifere metodă prin care vor fi aduse la lumină multe bogăţii subterane sunt legate de numele inginerului de mine şi metalurgie Friederich Herman Poetsch El a obţinut icircn 27 februarie 1883 brevetul pentru procedeul său de adacircncire a puţurilor verticale icircn roci bogate icircn apă (şi curgătoare) Poetsch a reuşit să experimenteze procedeul său la adacircncirea unor puţuri de mină dar a avut şi multe insuccese icircncacirct la 9 iunie 1902 moare sărac şi dezamăgit Metoda de icircngheţare prin frig artificial a terenurilor a avut mare succes icircn Franţa Astfel numai icircn perioada 1892 - 1898 icircn bazinele carbonifere Nord şi Pas de Calais s-au săpat circa 20 puţuri pacircnă la o adacircncime de 100 m prin aplicarea metodei icircngheţării după planurile lui Poetsch
Desigur că nu ar putea fi omis numele lui Louis Gebhard care realizează numeroase lucrări de adacircncire a puţurilor prin icircngheţare atacirct icircn Germania cacirct şi icircn Franţa Anglia Olanda şi Polonia ceea ce face ca metoda propusă de Poetch să devină o tehnologie demnă de toată icircncrederea cu siguranţă absolută şi cu un mare randament
Gebhard un mare practician icircncepe sa folosească icircn locul instalaţiilor cu absorbţie realizate de F Carre pe cu cele cu comprimare mecanică de vapori realizate de Karl von Linde cu icircncepere din anul 1874
Poetsch icircn 1888 prevede extinderea procedeului de icircngheţare la construcţia podurilor la construcţii navale lucrări de fortificaţii la protecţia fundaţiilor subterane şi a bazinelor cu apă El susţine că poate să rezolve orice problemă sub apă chiar şi puţuri icircncepute şi abandonate
Icircn anul 1900 se depăşeşte bariera adacircncimii de 100 m Realizarea unor puţuri mai adacircnci (peste 100 m) ridică unele probleme icircn plus faţă de puţurile de mai mică adacircncime deoarece abaterile de la verticalitate pot conduce la formarea unor ferestre icircn peretele protector
Icircn ţara noastră această tehnologie de forare a unor puţuri de mină cacirct şi a galeriilor de metrou prin icircngheţarea solului a fost folosită cu icircncepere din anul 1961 aşa cum se prezintă icircn paragraful 513
412 512 CONSTRUCŢIA INSTALAŢIEI DE IcircNGHEŢARE A SOLULUI
Icircn funcţie de forma şi mărimea lucrării care se realizează la adăpostul terenului icircngheţat principial se pot utiliza următoarele tipuri de instalaţii
a) cu răcire indirectă denumită şi cu dublu schimb (fig53)
b)cu răcire directă icircn circuit icircnchis (fig 54)
c)răcire directă icircn circuit deschis (fig55)
a) Răcirea indirectă se utilizează icircn practică cel mai mult fiind cunoscută icircncă de la icircnceputurile metodei de icircngheţare a solului
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
37
Figura 43 Fig 53 Instalaţia frigorifică cu răcire indirectă 1 - compresor 2 - condensator3 - ventil de laminare 4 - vaporizator 5 - bazin de răcire a saramurii 6
- agitator 7 - pompă de saramură 8 - sonde de icircngheţare
Ca agent frigorific se poate folosi amoniacul sau freonii iar ca agent intermediar se utilizează soluţiile de clorură de calciu clorura de sodiu sau magneziu sărurile respective fiind relativ uşor de procurat
Instalaţiile frigorifice cuprind unul sau mai multe blocuri frigorifice Acest mod de compunere prezintă avantaje icircn ceea ce priveşte montarea cacirct şi exploatarea instalaţiilor se poate asigura o reducere icircn trepte a puterii frigorifice pe măsură ce creşte rezistenţa termică a stratului de teren icircngheţat
Componentele principale ale instalaţiei frigorifice se montează grupat pe cele trei secţiuni secţia de compresoare secţia condensatoarelor şi secţia vaporizatoarelor De regulă compresoarele se montează fie icircn aer liber atunci cacircnd tipul lor permite fie acoperite sub şarpante protectoare
Pe măsură ce se scot din funcţiune blocurile frigorifice se demontează şi se pot monta la un nou obiectiv
b) Răcirea directă icircn circuit icircnchis (fig 54) se utilizează icircn cazul icircn care adacircncimea de icircngheţare este mică
Figura 44 Fig 54 Instalaţia frigorifică cu răcire directă icircn circuit icircnchis 1 - compresor 2 - condensator 3 - ventil de laminare 4 - sonde de icircngheţare
Sondele de icircngheţare constituie vaporizatorul instalaţiei frigorifice Icircn cazul unor sonde de lungime mare icircnălţimea coloanei de agent frigorific este de asemenea mare Ca urmare a presiunii hidrostatice variabile şi temperatura de vaporizare este variabilă fiind mai mare
1
2
1111111 Apă
3
4
1
2
Apă 3
4
5
6
7
8
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
38
la capătul inferior şi mai mică la capătul superior Din acest motiv adacircncimea sondelor de icircngheţare nu poate depăşi anumite limite şi icircn plus se recurge la fragmentarea coloanei de lichid cu ajutorul unor pereţi despărţitori
Pierderile de agent frigorific mai mari decacirct icircn cazul răcirii indirecte reprezintă un alt inconvenient al acestui mod de răcire
c) Răcirea directă icircn circuit deschis constă icircn introducerea agentului frigorific (cel mai frecvent azot lichid) icircn sondele de icircngheţare fără ca acesta să mai fie folosit după vaporizare
La presiunea atmosferică azotul lichid fierbe la temperatura de -196 ordmC icircncacirct vaporii reci de azot icircnainte de a fi evacuaţi se folosesc de asemenea pentru congelarea solului fiind circulaţi prin sonde de icircngheţare (Fig 55)
Figura 45 Fig 55 Icircngheţarea cu azot lichid icircn două trepte 1 - ventil de laminare 2 - sonda de icircngheţare 3 - sonda de icircngheţare cu vapori de azot
Această metodă se foloseşte cacircnd se urmăreşte o icircngheţare rapidă şi volumul de teren icircngheţat este redus
Se vor prezenta icircn continuare unele elemente constructive ale instalaţiilor de icircngheţare
Reţeaua de saramură (fig 56) are rolul de a asigura transferul de căldură de la sol către agentul frigorific Cuprinde două schimbătoare de căldură cel subteran alcătuit din sondele de icircngheţare şi cel de suprafaţă reprezentat de vaporizatorul imersat icircn saramură Icircntre cele două schimbătoare de căldură există conducte magistrale distribuitoare - colectoare şi racorduri la sonde
Saramura răcită prin intermediul vaporizatorului 1 este circulată cu pompa 2 prin magistrala de tur a reţelei 3 Sondele de icircngheţare 5 se leagă prin vane la distribuitorul 4 şi colectorul 6 ambele de construcţie inelară Printr-o asemenea construcţie şi mod de legare a sondelor prezentate icircn figura 56 se asigură o echilibrare a căderilor de presiune pe sondele de icircngheţare şi ca urmare o alimentare uniformă cu agent intermediar şi deci şi o răcire uniformă pentru toate sondele
1
2
AZOT LICHID
VAPORI
AZOT -40OC
3
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
39
Figura 46 Fig 56 Schema reţelei de saramură 1- vaporizatorul 2 - pompa de saramură 3 - magistrala de tur 4 - distribuitorul inelar 5 -sondele de
icircngheţare 6 - colectorul inelar 7 - magistrale de retur M - manometru D - debitmetru T - termometru
Magistralele 3 şi 7 de acelaşi diametru şi lungime variabilă (determinată de o serie de factori) se pot monta atacirct la suprafaţă cacirct şi icircn canal
Magistralele se dimensionează icircn funcţie de puterea frigorifică a schimbătorului de căldură subteran alcătuit din sondele de icircngheţare
F0 qNHd [W] (51)
unde d - diametrul exterior al sondei de icircngheţare m
H - adacircncimea de icircngheţare m
N - numărul de sonde de icircngheţare
qF - densitatea fluxului termic raportat la suprafaţa exterioară a sondei La temperatura saramurii de - 20 ordmC se poate considera qF = (260290) Wm2
Debitul volumic V de agent intermediar icircn reţeaua de icircngheţare icircn funcţie de care se aleg
pompele se determină cu relaţia
tc
V o
(52)
icircn care este densitatea agentului intermediar kgm3
c - căldura specifică a agentului intermediar JkgK
t - creşterea temperaturii agentului (saramura) icircn sondele de icircngheţare K
La icircnceputul perioadei de răcire diferenţa de temperatură este t = 56 K ca apoi să scadă la 12 K
Icircn conductele magistrale se recomandă ca viteza saramurii să fie w = 0915ms
Icircn acest caz diametrul conductelor de transport a saramurii este dat de relaţia
w
V4D
[m] (53)
Icircn funcţie de valoarea determinată pentru D se aleg conducte metalice de diametru nominal cuprins icircntre 75200 mm Dacă rezultă D gt 200 mm se vor alege două conducte cu diametrul mai mic de 200 mm
2
T
T
M
M D
D
NH
3
3
4
6
5
7
1
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
40
Conductele magistrale se realizează prin icircmbinări cu flanşe sau sudate iar la lungimi mai mari de 100150 m se vor prevedea coturi compensatoare Pentru reducerea pierderilor de frig magistralele vor fi izolate termic
Distribuitorul de saramură răcită şi colectorul de saramură de la sonde sunt construcţii metalice identice
Icircn figura 57 se prezintă modul de racordare a sondelor de icircngheţare 5 la distribuitorul 1 şi colectorul 2 Vanele 3 asigură icircnchiderea deci oprirea circulaţiei şi reglajul debitului Prin aceste vane se poate izola o anumită sondă care nu funcţionează normal sau la care se observă o anumită defecţiune
Figura 47 Fig 57 Racordarea sondelor de icircngheţare la distribuitor şi colector 1 - distribuitor 2 - colector 3 - vane 4 - racord elastic 5 - sonda de icircngheţare
Poziţia distribuitorului şi colectorului faţă de racircndul sondelor de icircngheţare poate fi laterală de o singură parte sau laterală de ambele părţi ale sondelor Amplasamentul trebuie astfel făcut icircncacirct să fie posibilă vizitarea supravegherea şi eventual icircnlocuirea sondelor de icircngheţare
Racordarea sondelor la distribuitor şi colector se face prin cacircte un racord elastic (fig 57) Dimensionarea distribuitoarelor şi a colectoarelor se face din condiţia ca viteza saramurii să nu depăşească 0915 ms
Coloanele de distribuţie şi colectare urmăresc icircn teren forma şirului de sonde de icircngheţare şi pot avea acelaşi traseu sau trasee diferite Configuraţia traseului poate fi icircn linie sau circulară Icircn oricare din situaţiile prezentate distanţele dintre ştuţurile de racord şi sondele de icircngheţare sunt variabile astfel icircncacirct racordurile rigide prin flanşe şi sudură sunt greu de realizat Cea mai practică soluţie de racord icircn acest caz este furtunul de cauciuc (fig 57)
Icircn reţeaua de saramură poate pătrunde aer prin procesul de pompare ceea ce conduce la intensificarea acţiunii corosive a saramurii Icircn scopul icircndepărtării aerului nedorit pe partea superioară a conductelor icircn punctele cele mai ridicate ale acestora se montează robineţi de evacuare periodică a aerului şi eventual a altor gaze
Pe conductele magistrale se vor monta aparate de măsură şi control debitmetre termometre şi manometre (fig 56) Icircn acest caz se poate aprecia funcţionarea fiecărei sonde după depunerile exterioare de gheaţă pe racordul metalic sau de cauciuc lăsate neizolate termic tocmai icircn acest scop Icircn scopul urmăririi regimului de lucru sub aspect
5
4
1
2 3
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
41
hidraulic şi termic icircn mod individual se pot monta aparate de măsură şi control pe fiecare sondă de icircngheţare dar această soluţie este mai costisitoare
Sonda de icircngheţare realizează transferul de căldură de la terenul ce urmează a fi icircngheţat spre agentul frigorific (la răcirea directă) sau agentul intermediar (la răcirea indirectă)
Icircn figura 51 s-a prezentat schema de principiu a unei sonde de icircngheţare cu saramură activă pe toată lungimea Conducta exterioară sau burlanul de icircngheţare 3 este o conductă din oţel etanşă şi rezistentă la eforturile mecanice care apar datorită presiunii solului şi variaţiei de temperatură icircntre momentul fixării ei icircn sol şi cel al funcţionării la o temperatura sub 00C
Icircn procesul de icircngheţare coloana de burlane care poate atinge lungimi de sute de metri se contractă icircnsă nu liber deoarece ea este stracircnsă icircn masivul de roci La o variaţie de temperatură icircntre momentul iniţial (fără saramură) şi momentul pornirii circulaţiei de saramură de 400C conducta din oţel de 500 m adacircncime ar trebui să se contracte cu
tHH = 500 11 10-6 40 = 0220 m = 22 cm
Datorită fixării coloanei icircn gaura forată efortul unitar de icircntindere ce apare icircn urma scăderii temperaturii este
tE = 22 1010 11 10-10 40 = 968 105 Nm2 = 9680 Ncm2
La acest efort de icircntindere apărut datorită contracţiei coloanei se mai adaugă efortul de acelaşi semn provocat de dilatarea masivului de rocă acviferă icircngheţată Icircn scopul compensării eforturilor de icircntindere s-a propus icircmbinarea coloanei cu nipluri elastice O asemenea soluţie este mai scumpă şi icircn plus micşorează secţiunea liberă de curgere ceea ce conduce la icircncălzirea excedentară a saramurii
La lucrări subterane de mare adacircncime ca puţurile de mină depozite subterane se folosesc burlane de 1397 x 7 mm pentru a fi posibilă determinarea abaterii de la poziţie verticală
La tunelurile de metrou şi icircn general la lucrările la care adacircncimea de icircngheţare nu depăşeşte 50 - 60 m diametrul cel mai frecvent utilizat este 1143 x 7 mm
Ţeava interioară 2 (fig 51) numită şi tub de alimentare de regulă ţeava uşoară de instalaţii de 50 mm diametrul se introduce icircn burlanul exterior 3 fără icircnsă a atinge şiul de bază 1 al sondei Se asigură icircn acest mod un volum minimal de depuneri solide care circulă cu saramura icircn mod incidental Icircn scopul economisirii de metal tubul de alimentare poate fi din material plastic ceea ce prezintă marele avantaj al lipsei coroziunii şi al refolosirii materialului respectiv
Şiul de fund are rolul de a asigura icircnchiderea burlanului exterior icircn partea sa inferioară Cel mai adesea are formă conică pentru a asigura introducerea cu uşurinţă a coloanei metalice icircn gaura de sondă Această componentă a sondei de icircngheţare se execută fie prin turnare sau se confecţionează cu ajutorul sudurii
Corespunzător profilului geologic al terenului icircn care se lucrează se icircntacirclnesc şi cazuri cacircnd nu este nevoie să se icircngheţe terenul pe toată icircnălţimea sondelor ci numai la partea lor inferioară Icircn acest caz se folosesc sonde de icircngheţare zonală (fig 58) cu ajutorul cărora se asigură congelarea doar a zonei inferioare ceea ce prezintă avantaje economice deosebite nu se consumă energie pentru a icircngheţa icircn mod inutil formaţiuni geologice consistente şi uscate şi nu se reduce ritmul lucrărilor de săpare printr-o eventuală mărire a rezistenţei rocilor
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
42
Figura 48 Fig 58 Sonda de icircngheţare zonală
1 - burlan exterior 2 - tub de alimentare 3 - şiu 4 - tub de evacuare
Figura 49 Fig59 - Sonda de icircngheţare cu agent
frigorific 1 - tub exterior 2 - perete despărţitor 3 - şiu 4 -
ştuţ (ţeavă de preaplin) 5 - condensator - vaporizator
Icircn cazul răcirii directe sondele de icircngheţare cu agent frigorific sunt de construcţie specială (fig 59) Particularitatea acestor sonde este prezenţa pereţilor despărţitori 2 dispuşi unul sub celălalt la circa 3 m fiecare perete fiind prevăzut cu un ştuţ de preaplin O asemenea construcţie are rolul de a fracţiona coloane de lichid ceea ce asigură o răcire mai uniformă pe lungimea sondei
Fiecare sondă este prevăzută la partea superioară cu cacircte o cămaşă de răcire Sondele se umplu cu amoniac lichid icircntr-o asemenea cantitate icircncacirct fiecare secţie să fie icircnecată cu lichid respectiv pacircnă la partea superioară a ştuţurilor 4 Ca urmare a fluxurilor de căldură de la sol se produce fierberea amoniacului icircn toate secţiile sondei Vaporii formaţi se ridică prin ştuţurile 4 şi ajungacircnd la partea superioară a sondei se condensează cedacircnd căldură agentului (amoniac) din cămăşile de răcire
Ca urmare cămăşile de răcire de la partea superioară a sondelor constituie vaporizatorul instalaţiei frigorifice Amoniacul care se condensează la partea superioară a sondei curge icircnapoi (de sus icircn jos) prin ştuţurile 4 Folosirea pereţilor despărţitori şi a ştuţurilor micşorează influenţa presiunii hidrostatice a lichidului asupra temperaturii de vaporizare a amoniacului Asemenea sonde de icircngheţare se folosesc pentru lucrări de mică adacircncime
Amplasarea sondelor se face icircn funcţie de o serie de factori formă poziţia şi dimensiunile lucrării care se realizează structura terenului temperatura şi viteza agentului etc
Icircn cazul puţurilor de mină de secţiune circulară sondele se amplasează pe un cerc
concentric de diametru D mai mare decacirct diametrul de săpare Ds cu grosimea a peretelui icircngheţat
sDD (54)
Trebuie să se ţină seama şi de deviaţia sondelor de la poziţia verticală icircncacirct pentru adacircncimi mari se utilizează relaţia
3
2 4
1
VAPORI 5 LICHID
3
2
4 1
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
43
a21DD s (55)
unde a = 003 H este abaterea medie statistică de la verticală a sondelor
Distanţa dintre sonde se ia de obicei de 1014 m icircn terenuri rezistente şi de 0809 m icircn terenuri slabe
Pentru adacircncimi de peste 500 m se recomandă să se dispună sondele pe două cercuri concentrice pentru a se forma un perete de grosime mai mare şi deci mai rezistent
La icircngheţarea terenului icircn jurul puţurilor de secţiune dreptunghiulară sondele se pot dispune pe dreptunghi sau elipsă Icircn aceste situaţii centura de teren icircngheţat poate fi solicitată la icircntindere ceea ce este de nedorit deoarece limita de rezistenţa la icircntindere a terenurilor icircngheţate este de circa 3 ori mai mică decacirct limita rezistenţei la compresiune Din acest motiv chiar şi la puţurile de mină de secţiune dreptunghiulară sondele se dispun pe unul sau două cercuri (fig 510)
Pentru realizarea galeriilor icircnclinate icircngheţarea terenului se realizează cu sonde verticale (fig 511) sau combinat atacirct cu sonde verticale cacirct şi cu sonde icircnclinate (fig 512)
Distanţa dintre sondele verticale (fig 511) se ia de 23 m iar distanţa dintre racircnduri este de 1525 m
Se poate folosi cacircte un racircnd de sonde icircnclinate montate deasupra galeriei (fig 212 a) sau sonde icircnclinate sub galerie şi sonde verticale scurte deasupra galeriei (fig 512 b)
SONDA
154 m
16
6 m
226
262
85
SONDA
Figura 411 Fig 511 Amplasarea sondelor verticale pentru realizarea galeriei icircnclinate
Figura 411 Fig 510 Dispunerea sondelor icircn jurul puţurilor de mină de secţiune
dreptunghiulară
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
44
Figura 412 Fig 512 Realizarea galeriilor icircnclinate cu sonde verticale (1) şi sonde oblice (2)
I - secţiunea longitudinală II - secţiunea transversală a) sonde icircnclinate deasupra galeriei b) sonde icircnclinate sub galerie
413 513 UTILIZAREA METODEI DE IcircNGHEŢARE A SOLULUI IcircN ŢARA NOASTRĂ
a)Puţuri de mină
Aplicarea metodei de icircngheţare a solului pentru lucrări de minerit a avut loc la noi icircn ţară icircncepacircnd cu anul 1960 la puţul Godeni din bazinul carbonifer Cacircmpulung - Muscel Proiectul a fost elaborat icircn anul 1959 la IPROMIN Bucureşti iar lucrarea a fost executată cu Trustul Minier Argeş avacircnd icircn subantrepriză de specialitate Icircntreprinderea Frigotehnica Bucureşti şi Trustul de prospecţiuni explorări şi deschideri de mine noi Bucureşti
Adacircncimea de săpare a puţului Godeni a trebuit sa fie de 202 m Sondele de icircngheţare constituite din două ţevi concentrice (fig 51) cu diametrele exterioare de 146 mm şi respectiv 57 mm icircn număr de 27 au fost amplasate pe un cerc cu diametrul de 10 m la distanţa de 117 m una de alta
Instalaţia frigorifică a fost dimensionată cu mare precauţie pentru a avea o siguranţă mărită icircn funcţionarea ei Toate părţile componente ale instalaţiei frigorifice au fost proiectate şi executate icircn ţară
La proiectarea instalaţiei s-a avut icircn vedere funcţionarea de scurtă durată şi variaţia puterii frigorifice icircn timp S-a utilizat răcirea indirectă cu soluţie de clorură de calciu iar ca agent frigorific a fost folosit amoniacul Pentru a avea elasticitatea necesară icircn funcţionare la diferite puteri frigorifice au fost folosite grupuri de utilaje frigorifice şi anume
6 compresoare 4 AU - 20 (200000 kcal Nh =233 kW fiecare)
3 baterii de condensatoare atmosferice a cacircte 300 m2 (900 m2)
bazine pentru răcirea saramurii fiecare cu cacircte 2 vaporizatoare superintensive de 50 m2 (600 m2)
2 grupuri a cacircte 5 pompe pentru recircularea saramurii
Puterea frigorifică a instalaţiei montate a fost de 12106 kcal Nh =1395 kW şi s-a caracterizat prin următoarele date tehnice la exploatare
85
1
2
I 85
1
2
I
85
1
2
II
85
1
2 II
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
45
o suprafaţa de schimb de căldură a sondelor 2500 m2 o puterea instalaţiei 750 kW o debitul saramurii icircn
o icircn perioada activă 350 m3h o icircn perioada pasivă 70 m3h
o viteza de circulaţie a saramurii icircn sondă o tur 18 ms 036 ms o retur 029 ms 006 ms
o volumul rocilor icircngheţate circa 10000 m3 o consumul specific de frig mediu 50000 m3 o durata icircngheţării (perioada activă) 130 zile
Icircn timpul răcirii şi deci a icircngheţării solului puterea frigorifică scade icircn mod continuu icircncacirct treptat s-a scos din funcţiune cacircte un compresor icircn perioada pasivă (de săpare a puţului) s-a menţinut icircn lucru doar un singur compresor şi grupul de utilaje aferent
După terminarea lucrărilor de la puţul Godeni icircn anii următori aceeaşi instalaţie s-a montat la puţul Poenari din acelaşi bazin carbonifer unde sondele au fost amplasate pe un cerc cu diametrul de 11 m la distanţa de 128 m una de alta
Un alt puţ realizat prin această tehnologie de icircngheţare a solului a fost puţul Jugur de la acelaşi bazin carbonifer Centrala frigorifică a cuprins 15 compresoare 3 AV - 20 (150000 kcal Nh fiecare=175kW) repartizate icircn 5 linii tehnologice independente cu icircntreg utilajul aferent Fiecare linie este compusă din
o butelie de răcire intermediară BRI - 700 un condensator cu evaporare forţată CEF - 180 un bazin cu patru grupuri vaporizatoare intensive de cacircte 165 m2 (icircn total 66 m2)
Sondele de icircngheţare icircn număr de 27 bucăţi au fost prevăzute să se amplaseze pe un cerc cu diametrul de 104 m la distanţă de 121 m Sondele sunt de tipul celei indicată icircn figura 58 deci cu răcire zonală avacircnd următoarele caracteristici diametrul exterior al burlanului este de 146 mm iar tuburile interioare au 57 mm (la exterior) tubul de alimentare are lungimea de 430 m iar cel de evacuare este de 220 m Ca urmare sondele de icircngheţare trebuie să producă icircngheţarea solului numai pe adacircncimea de la 220 m la 430 m Prin proiect s-au prevăzut următoarele date temperatura saramurii - 35 ordmC viteza saramurii icircn conducte de tur 18 ms viteza icircn conducte de retur (pe adacircncimea de răcit) 06 ms durata icircngheţării (perioada activă) a fost de 75 zile
Au fost prevăzute temperaturi scăzute şi viteze mari de congelare deoarece cilindrul icircngheţat trebuie să preia presiuni de pacircnă la 56 bar
b)Tunelurile pentru metroul din Bucureşti
Icircncepacircnd cu anul 1976 pentru realizarea metroului din Bucureşti s-a procedat la aplicarea metodei de icircngheţare a solului icircntr-o zonă considerată experimentală dar cu realizări efective de galerii
Prin proiect s-a prevăzut consolidarea prin icircngheţare artificială a profilului de săpare a tunelurilor de metrou pe o lungime de circa 550 m pe ambele fire Amplasamentul sondelor s-a făcut icircn două variante (pentru experimentare) pentru un fir de tunel ambele racircnduri de sonde s-au fixat icircn profilul circular de săpare iar pentru cel de al doilea fir de tunel sondele au fost forate icircn afara profilului de icircnaintare (fig 513) Au fost folosite sonde cu saramură cu posibilitatea de icircngheţare pe toată icircnălţimea de 16 m cacirct şi sonde cu icircngheţare zonală icircntre adacircncimile de 7 m şi 16 m Distanţa dintre sonde a fost fixată la 14 m
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
46
Pentru a se icircmpiedica accesul apelor icircn frontul de săpare datorate unor eventuale zone neicircngheţate traseul de tunel icircngheţat a fost icircmpărţit icircn incinte icircnchise prin timpane transversale La distanţe de 3050 m icircn lungul traseului au fost montate sonde de icircngheţare aşezate icircn plan normal pe axul tunelului prin care să se icircnchidă accesul apelor spre frontul de săpare
Echipamentul frigorific principal cuprinde
- 8 compresoare frigorifice 3 AV - 20 funcţionacircnd icircntr-o treaptă pentru care
corespunde puterea frigorifică de 12 106 kcal Nh =1395 kW
- 4 condensatoare de evaporare forţată CEF - 250
- 3 bazine de răcire a saramurii echipate cu cacircte 4 grupuri de vaporizatoare superintensive de cacircte 51 m2 (total 612 m2)
- 3 grupuri de cacircte 2 pompe a 220 m3h pentru circulaţia saramurii pe traseele de distribuţie şi prin sonde
Figura 413 Fig513 Amplasamentul sondelor de icircngheţare
Centrala frigorifică este stabilă adăpostită icircntr-o baracă metalică demontabilă existacircnd posibilitatea de reamplasare rapidă a instalaţiei icircntr-un alt loc Agentul frigorific utilizat este amoniacul iar agentul intermediar este clorura de calciu
Icircn perioada principală de icircngheţare temperatura de vaporizare este to = -22 ordmC asiguracircnd răcirea saramurii la -17 ordmC iar pe retur saramura a avut temperatura cu 15 ordmC mai ridicată
La o asemenea lucrare realizată icircn oraş se impune protejarea contra icircngheţului a straturilor de deasupra galeriilor icircn care sunt amplasate instalaţiile de apă - canal ceea ce presupune folosirea sondelor cu icircngheţare zonală care să nu fie active la partea superioară
c) Puţuri pentru prospectarea balastierelor
Procedeul şi instalaţia frigorifică au avut caracter de noutate şi s-a aplicat icircncepacircnd cu anul 1966 la mai multe obiective icircn general pe văile racircurilor unde s-au construit hidrocentrale
A
A B
B
A-A
000 -300 -700 -1061 -1300
65
800
B-B
000 -300 -700 -1061 -1300
65
550
ARGILA
ARGILA
NISIP
NISIP
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
47
Echipamentul frigorific principal cuprinde un agregat frigorific pentru amoniac de 20000 kcal Nh = 233 kW rezervor de amoniac separator de lichid şi anexe - toate fiind montate pe o remorcă
S-au folosit sonde de icircngheţare cu agent frigorific icircn număr de 8 bucăţi cu diametrul exterior de 133 mm montate pe un cerc cu diametrul de 2 m la distanţa de 076 m lungimea lor fiind de 75 m Legarea sondelor la distribuitor şi colector s-a făcut cu racorduri flexibile
Sondele au o construcţie specială fiind prevăzute cu 4 pereţi transversali cu ştuţuri de preaplin formacircndu-se astfel 5 compartimente Agentul lichid se introduce icircn compartimentul cel mai de sus şi se scurge prin ştuţuri pacircnă la baza sondei Conducta de aspiraţie străbate toate compartimentele vaporii fiind aspiraţi din compartimentul cel mai de jos Circulaţia vaporilor formaţi se face ca şi a lichidului de sus icircn jos obţinacircndu-se astfel o răcire uniformă şi eficientă pe toată icircnălţimea sondei
Durata icircngheţării respectiv a formării centurii de teren icircngheţat la adăpostul căreia să se poată efectua săparea şi preluarea de probe de sol este de 10 zile
414 514 CAcircMPUL DE TEMPERATURĂ IcircN SOLUL IcircNGHEŢAT
Cacircnd prin sonda de icircngheţare circulă saramură a cărei temperatura este sub 0 ordmC practic - 20 ordmC-25 ordmC icircn jurul sondei se formează un cacircmp termic care icircn cazul unei singure sonde poate fi reprezentat prin suprafeţe cilindrice coaxiale de temperatură constantă (izoterme)
După distanţa radială se deosebesc icircn sol din punct de vedere termic trei zone zona cilindrică din imediata vecinătate a sondei care este icircn zona icircngheţată zona răcită cuprinsă icircntre suprafaţa cilindrică izotermă de 0 ordmC şi izoterma de temperatură naturală şi a treia zonă cea de temperatura naturală (fig 514)
Icircn zona icircngheţată temperatura masivului variază de la temperatura peretelui metalic al sondei pacircnă la 0 ordmC Icircn zona răcită temperatura masivului creşte de la 0 ordmC pacircnă la temperatura naturală a masivului
Figura 414 Fig 514 Cacircmpul de temperatură icircn jurul unei sonde de icircngheţare
Este important să se cunoască cacircmpul termic icircn terenul supus icircngheţării deoarece acesta oferă date privind zona de răspacircndire a consolidării rocilor prin solidificarea apei cacirct şi a
t [oC]
r [m]
t (r)
ZONA RACITA
ZONA INGHETAT
A
ts TEMPERATURA NATURALA A ROCII
-20
-10
40
10 0 20 30
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
48
rezistenţei mecanice a rocii icircngheţate Se cunoaşte faptul că rezistenţa mecanică depinde direct de temperatură
Studiul variaţiei temperaturii icircn zona de influenţă a unei sonde şi a tuturor sondelor simultan oferă posibilitatea calculării dimensiunilor la proiectarea construcţiei peretelui protector cacirct şi controlul procesului icircn timpul desfăşurării lucrărilor
Pentru a se stabili relaţia de variaţie a temperaturii icircn zona icircngheţată icircn funcţie de raza r se consideră ecuaţia diferenţială
dr
dtr2q (56)
icircn care q este fluxul unitar de căldură corespunzător lungimii de 1 m din sonda de icircngheţare Wm
- conductivitatea termica a terenului Wm
Integrarea directă a ecuaţiei analitice se poate face icircn ipoteze simplificatoare consideracircnd
= const şi q = const ceea ce este justificat la valori mari ale timpului de răcire
Se separa variabilele
r
dr
2
qdt
(57)
Se consideră cunoscute temperaturile t1 la suprafaţa sondei de raza r1 și t2 = 0 ordmC la raza r2 corespunzătoare suprafeţei exterioare a cilindrului icircngheţat Se integrează ecuaţia (6-7) și cunoscacircnd limitele de integrare se va determina constanta de integrare
Cr ln2
qt
(58)
pentru r = r1 t = t1 deci
11 rln2
qtC
(59)
1
1r
rln
2
qtt
(510)
Se pune condiţia ca pentru r = r2 t = t2
1
212
r
rln
2
qtt
(511)
Se elimina q intre relaţiile (510) și (511) şi se obţine
1
2
1121
r
rln
r
rln
tttt (512)
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
49
Figura 415 Fig 515 Schema schimbătorului de căldură subteran
Pentru t2 = 0 ordmC relaţia (5-12) devine
)rrln(
)rrln(tt
12
21 (513)
Icircn figura 515 se prezintă o secţiune axială printr-o sondă de icircngheţare şi variaţia temperaturii icircn limitele t0 - temperatura agentului de răcire şi ts - temperatura naturală a solului
Cantitatea de căldură transferată de la masivul neicircngheţat spre agentul de răcire prin unitatea de lungimea de conducta şi unitatea de timp se calculează cu expresia
221
2
1o
1
moo
os
d
1
d
dln
1
d
dln
2
1
d
1
ttq
(514)
Icircn calculele inginereşti cel mai frecvent se determină nu fluxul termic pe unitatea de lungime a conductei ci fluxul termic qF raportat la unitatea de suprafaţă a conductei metalice la 1 m2 de suprafaţa exterioară sau interioară Mărimea qF se calculează astfel
22
o
1
2
1
o
o
1
m
o
o
oS
o
F
d
d
d
dln
2
d
d
dln
2
d1
tt
d
(515)
Fluxul termic qF prin unitatea de suprafaţă a sondei de icircngheţare calculat pentru adacircncimea de 100 m icircn regim laminar de curgere a agentului de răcire prin spaţiul inelar al sondei cu viteza w = 01 ms la diametre ale cilindrului de rocă icircngheţata
de la 02 la 3 m pentru to = -20 ordmC do = 01 m 1 = 233 WmK variază de la 720 la 230 Wm2 aşa cum se poate observa din figura 516 şi tabelul 51
d2
d1
d0
t
qF
t0
t2
t1 2
m 1
m
ts
Conducta Teren icircngheţat Teren
neicircngheţat
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
50
Figura 416 Fig 516 Variaţia fluxului termic qF prin unitatea de suprafaţă a sondei de icircngheţare 1 - regim turbulent 2 regim laminar
Tabelul 51Variaţia fluxului termic qF [Wm2]
Diametrul cilindrului de rocă icircngheţată icircn m
02 04 05 08 10 15 20
qF regim laminar 1160 550 387 330 302
qF regim laminar 720 465 423 350 321 283 258
Se observă ca densitatea fluxului de căldura qF scade foarte mult de la 800900 Wm2 la icircnceputul operaţiei de consolidare prin frig a rocilor pacircnă la 230250 Wm2 cacircnd cilindrul de rocă icircngheţata atinge diametrul de 23 m Ca urmare a acestei situaţii şi puterea frigorifică a instalaţiei va scădea icircn decursul a 6080 zile tot cu raportul de 800230 = 35
Instalaţia frigorifică va fi constituită din grupuri de utilaje (module) ce vor fi scoase treptat din funcţiune pe măsură ce se reduce densitatea fluxului de căldură qF ca urmare a creşterii grosimii stratului de teren icircngheţat Icircn practică pentru calcule se va considera qF = (260290) Wm2
O mărime importanta pentru proiectarea instalaţiei şi aprecierea procesului de consolidare a rocilor este timpul de icircngheţare Pentru calculul duratei de icircngheţare se pot folosi relaţiile prezentate icircn capitolul 3 la formarea gheţii pe suprafeţe cilindrice exterioare La aprecierea valorii pentru ls - căldura latentă de solidificare se avea icircn vedere conţinutul de apă din terenul supus icircngheţării
Dacă icircntre relaţiile pentru dependenţele (r) şi qF(r) se elimină r se obţine dependenţa
qF() Eliminarea nu se poate face direct ci fie cu ajutorul calculatorului fie printr-o construcţie grafică prezentată icircn figura 517
Studiul variaţiei temperaturii icircn solul icircngheţat cacirct și variaţia icircn timp a densităţii fluxului de căldura se poate face cu ajutorul calculatorului electronic
1200
1000
800
600
400
200
0 05 1 15 2 25 3
qF [Wm2]
Diametrul cilindrului de rocă icircngheţată [m]
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
51
Figura 417 Fig 517 Stabilirea dependentei qF() pe baza dependentelor qF(r) și (r)
415 515 ELEMENTE DE PROIECTARE A INSTALAŢIEI FRIGORIFICE PENTRU IcircNGHEŢAREA SOLULUI
Pentru proiectarea instalaţiei frigorifice trebuie sa se stabilească la icircnceput elementele de baza și anume
- puterea frigorifică maximă care apare la icircnceputul perioadei de răcire cacircnd pătrunderile de căldura spre agentul de răcire din sondele de icircngheţare au valori mai mari temperatura de vaporizare a agentului frigorific plecacircnd de la temperatura minimă sau medie din solul icircngheţat şi avacircnd icircn vedere modul de răcire directă sau indirectă
Se calculează cantitatea totală de căldură ce trebuie extrasă din terenul supus răcirii şi icircngheţării Se cunoaşte structura terenului icircngheţat deci se cunosc icircnălţimile h1 h2hn ale diferitelor straturi componente cacirct şi proprietăţile termofizice ale acestora
Grosimea centurii de teren icircngheţat se stabileşte icircn urma calculelor de rezistenţa materialelor icircncacirct se pot calcula volumele ocupate de straturile componente V1 V2Vn
Cantitatea de căldură ce trebuie extrasă din zona icircngheţată cuprinde două componente și anume
cantitatea de căldura Qa corespunzătoare răcirii şi icircngheţării apei
cantitatea de căldura Qt necesara răcirii părţii solide a terenului
n
1kfgsikaakka tcltcVQ (516)
unde
k - reprezintă conţinutul icircn apă din stratul respectiv [m3m3]
a - densitatea apei [kgm3]
ca cg - căldura specifica a apei respectiv a gheţii Jkg K
tik - temperatura iniţiala a stratului respectiv (de ordinul k)
tf - temperatura medie finala a masivului icircngheţat
ls - căldura latentă de solidificare a apei
r
q
q
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
52
fik
n
1kkkkkt ttc1VQ
(517)
k - densitatea părţii de teren solid (uscat) din stratul k
ck - căldura specifică a terenului uscat din stratul k
Cantitatea de căldură extrasă din terenul răcit reprezintă circa 1018 din cantitatea de căldură extrasă din zona de teren icircngheţat
Deci cantitatea totală de căldură Q ce va trebui preluată de către instalaţia frigorifică se poate aprecia astfel
Q = (110118) (Qa + Qt) (518)
Cu relaţia (51) se calculează puterea frigorifica a instalaţiei adoptacircnd o valoare medie pentru densitatea fluxului de căldura qF
Se poate aprecia timpul de funcţionare a instalaţiei frigorifice
o
Q
(519)
La anumite grosimi ale cochiliei de teren icircngheţat icircn jurul sondei densitatea fluxului termic scade sub valoarea medie adoptată icircn calcule şi ca urmare icircncepacircnd de la acest moment se va putea reduce treptat puterea frigorifica a instalaţiei prin scoaterea din funcţiune a unor grupuri
La proiectare se pot avea icircn vedere unele recomandări practice pentru stabilirea necesarului de frig pentru icircngheţarea unui m3 la -10 ordmC este necesar un consum specific de frig de 66000 kJ la 10 umiditate de 155000 kJ la 35 umiditate și de 210000 kJ la 50 umiditate
42 52 RĂCIREA BETONULUI LA CONSTRUCŢIILE MASIVE
421 521 INSTALAŢII DE PRERĂCIRE A COMPONENTELOR BETONULUI
Formarea betonului din elementele sale componente (nisip pietriş ciment şi apă) este icircnsoţită de fenomene fizico - chimice icircn care se degajă căldură şi ca urmare temperatura acestuia creşte Icircn cazul unor masive din beton (baraje) dacă viteza de turnare (icircn sezonul cald cacircnd se efectuază construcţia) este mai mare şi nu se asigura evacuarea căldurii corpul rezultă la o temperatura medie mai mare decacirct temperatura medie anuală Răcirea naturală conduce la contracţia masivului şi ca urmare la apariţia sub acţiunea tensiunilor interne a unor fisuri
Pentru ca variaţiile de temperatura icircntre centrul barajului şi straturile exterioare să fie cacirct mai mici se impune ca masivul respectiv să fie turnat la temperatura medie anuală a zonei respective Icircn acest scop se pot folosi două metode prin prerăcirea componentelor betonului și prin răcirea masei barajului
Icircn vederea reducerii căldurii degajată icircn reacţia dintre ciment şi apă au fost realizate sortimente de ciment caracterizate prin călduri masice reduse ce se degajă icircn procesul de priză
Prin prerăcirea componentelor betonului se urmăreşte ca betonul sa aibă temperatura medie a locului de amplasament şi prin aceasta evitarea apariţiei unor diferenţe mari de temperatură ce pun icircn pericol construcţia
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
53
Icircn funcţie de valoarea diferenţei de temperatură care trebuie realizată se poate adopta o anumită schemă de răcire pentru fiecare component icircn parte sau numai pentru unele din aceste părţi componente
Se pot folosi instalaţii frigorifice cu comprimare mecanică de vapori pentru răcirea apei a aerului sau formarea gheţii mărunte utilizate la prerăcirea componentelor betonului Folosirea gheţii fulgi sau solzi este limitată atacirct din cauza conţinutului de apă impus cacirct şi ca urmare a pericolului ca gheaţa să nu se topească icircn procesul de malaxare ci la turnare sau icircn procesul de priză ceea ce duce la formarea de goluri icircn beton
De asemenea se pot folosi instalaţiile frigorifice cu ejecţie
Icircn vederea stabilirii necesarului de frig pentru preratildecirea componentelor betonului se calculează mai icircntacirci cantitatea de catildelduratilde Qo1 ce trebuie evacuatatilde dintr-un m3 de beton avacircndu-se icircn vedere proporţiile icircn care participatilde cimentul nisipul pietrişul şi apa Fiecare component are o temperatură iniţialatilde şi urmeazatilde a fi răcit pacircnatilde la o temperatura finalatilde tf aceeaşi pentru toţi componenţii
fpppfnnnfccc1o ttcmttcmttcmQ
fnaanfpaapfaaa ttcmttcmttcm Jm3 (520)
unde
mc mn mp ma - masele de ciment nisip pietriş şi apă conţinute icircntr-un m3 de beton [kgm3]
cc cn cp cw - căldurile specifice masice ale cimentului nisipului pietrişului şi nisipul dintr-un m3 de beton [kgm3]
Puterea frigorifică se determină cu relaţia
3b1oo 10VQ [kW] (521)
icircn care bV reprezintă fluxul de betonare icircn m3s
Se prezintă icircn continuare cele mai folosite metode de prerăcire a componentelor betonului
4211 a) Instalaţie de prerăcire cu apă
Staţia de preparare a betonului este deservită de o instalaţie frigorifică cu comprimare mecanică de vapori care asigură răcirea apei
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
54
Figura 418 Fig 518 Schema de lucru a instalaţiei de prerăcire a betonului cu ajutorul apei 1 - ciment 2 - vagon nisip 3 - vagon pietris 4 - tancuri de răcire a pietrişului 5 - sită 6 - siloz de
nisip 7 - siloz de ciment 8 - rezervor de distribuţie 9 - răcitor de nisip 10 - răcitor de ciment 11 - răcitor de apă 12 - rezervor de apă răcită 13 - răcitor de apă 14 - instalaţie de prepararea betonului
I II III IV V - fazele de răcire a pietrişului
Icircn figura 518 se prezintă schema de lucru a unei asemenea instalaţii de prerăcire a betonului cu ajutorul apei folosită la construcţia barajului de la Detroit (SUA) Apa este răcită de la 16 la 15 ordmC şi transmisă apoi la instalaţia de preparare a betonului şi icircn cinci rezervoare a cacircte 90 m3 fiecare icircn care se răceşte pietrişul
Procesul de răcire a pietrişului cuprinde cinci faze
- faza I - introducerea apei icircn rezervor 10 minute
- fazele II şi III - introducerea simultană a apei şi a pietrişului 50 minute
- faza IV - evacuarea apei 15 minute
- faza V - evacuarea pietrişului 15 minute
Icircntregul proces de răcire a pietrişului durează 90 minute Pentru răcirea cimentului şi nisipului se utilizează schimbătoare de căldură cu ax elicoidal la care apa de răcire circulă prin arborele gol şi prin manta
Rezervoarele 12 pentru apa răcită au fiecare volumul de 114 m3
Beton 635oC
190 m3h
65oC
24oC
18oC
1
2
3
4
5
6
7
8
10
9
11
12
13
14
Apă 16oC
15oC
Cim
en
t
26 l
h
Nis
ip 1
12
lh
10
oC
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
55
42111 Aplicaţie numerică
Să se calculeze puterea frigorifică necesară prerăcirii betonului prin metode şi condiţiile prezentate mai sus Se cunosc următoarele date de calcul
mp = 1700 kgm3 beton
mc = 135 kgm3 beton
mn = 590 kgm3 beton
ma = 60 kgm3 beton
cc = cn = cp = 921 Jkg K
ca = 4180 Jkg K
map = 16 kgm3 beton
man = 38 kgm3 beton
tp = 18 ordmC
tc = 66 ordmC
tn = 21 ordmC tf = 635 ordmC
052803000
190Vb m3s
Se calculează componentele cantităţii de căldură Q01
3fcccc 10741735666921135ttcmQ Jm3
3fnnnn 10796135621921590ttcmQ Jm3
3fpppp 1024018356189211700ttcmQ Jm3
3faaaa 10420235616418060ttcmQ Jm3
3fpaapap 1077935618418016ttcmQ Jm3
3fnaaan 10232735621418038ttcmQ Jm3
Rezulta
3anapapnc1o 1039144QQQQQQQ Jm3
3o 10 206705280103914410VQ 33
b1o kW
4212 b) Instalaţii de prerăcire cu aer apă
Pentru răcirea componentelor betonului se utilizează icircn acest caz fie apa fie aerul ca agenţi intermediari răciţi cu ajutorul instalaţiilor frigorifice
Icircn figura 519 se prezintă schema unei asemenea instalaţii folosită la construcţia barajului de la Sariyar din Turcia
Răcirea aerului se poate face fie direct prin vaporizarea unui agent frigorific fie indirect cu un agent intermediar de răcire ca de exemplu saramura de clorură de calciu Aerul răcit pacircnă la -6 ordmC este suflat icircn silozurile cu pietriş de dimensiuni icircntre 4150 mm
Apa răcită icircn bazinul la pacircnă la 05 ordm este trimisă din colectorul 12 la staţia de preparare a betonului servind la scăderea temperaturii acestuia
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
56
Figura 419 Fig 519 Schema instalaţiei de prerăcire a betonului cu aer şi apă 1 - compresor 2 - condensator 3 - ventile de laminare 4 - vaporizatoare 5 - bazin de răcire a
saramurii 6 - pompă de saramură 7 - răcitor umed de aer 8 - ventilatoare 9 - silozuri de pietriş 10 - bazin de răcire a apei 11 - pompă 12 - colector de apă răcită
Figura 420 Fig 520 Schema instalaţiei de prerăcire cu aer şi apă 1 - siloz de pietriş şi nisip 2 - siloz de ciment 3 rezervor de apă 4 - răcitor de aer 5 - răcitor de apă
4 - răcitor de apă 6 - buncăr de sortare 7 - instalaţie de preparare beton
Pentru intensificarea procesului de răcire a pietrişului aerul este răcit sub 0 ordmC Acest procedeu are avantajul unei funcţionări fără icircntrerupere a procesului de preparare a betonului dar prezintă şi o serie de dezavantaje debite foarte mari de aer de răcire posibilitatea antrenării particulelor fine de agregat icircn răcitorul de aer şi depunerea acestora pe suprafaţa de schimb de căldură Ca urmare instalaţia se va curăţa la circa 14 zile Icircn figura 520 se prezintă o altă schemă de instalaţie de prerăcire a betonului cu aer şi apă folosită la construcţia unui baraj din India
Apă
295oC
Ciment
433oC
Pietriş şi nisip
378oC
Apă 6oC
Ciment 433oC
Aer
Pietriş
45oC Nisip 222oC
22oC
Ap
ă
45
oC
Ap
ă 2
2o
C
Ae
r 5
5o
C
Be
ton
12
8o
C
Apă 22oC
2
1
3 4 5
8
9
5 7
12
1oC
11
05oC 9oC 9oC
-9oC
-10oC -10oC
-10oC 2oC
6oC
10 4 4 6
8 8
8
8 8
9 9 9 9
1
2
3 3
7
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
57
Pietrişul şi nisipul se separă icircntre ele icircn buncărul de sortare 6 şi apoi fiecare circulă pe cacircte o bandă transportoare prin camera de răcire 7 Pietrişul este răcit cu ajutorul apei
Fig
ura
42
1 F
ig 5
21
Sc
he
ma
in
sta
laţi
ei
de
ră
cir
e icirc
n v
id a
co
mp
on
en
telo
r b
eto
nu
lui
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
58
reci icircncacirct ajunge la o temperatură mai scăzută decacirct nisipul răcit cu aer Prin camera 7 se circulă şi aer rece care se introduce la temperatura de 55 ordmC Cimentul se introduce la instalaţia de preparare a betonului 9 fără a fi răcit
O altă posibilitate de prerăcire a agregatelor (pietriş şi nisip) şi a apei utilizată mai recent la construirea barajelor icircntrebuinţează răcirea icircn vid la care agregatele uşor umezite icircn recipiente sub presiune se răcesc după nevoie (prin reglarea vacuumului) la o temperatură mai scăzută sau mai ridicată Căldura necesară evaporării umidităţii de pe agregate şi din ele (apa legată) este luată chiar de la corpurile respective (pietriş nisip) şi ca urmare acestea se răcesc
O asemenea instalaţie utilizată la Hortwell icircn SUA (figura 521) cuprinde 3 recipienţi de cacircte 150 m3 pentru răcirea pietrişului şi 3 recipienţi de cacircte 80 m3 pentru răcirea nisipului
Pietrişul şi nisipul cu temperatura maximă de 43 ordmC se pot răci pacircnă la temperatura necesară de 45 ordmC Pentru realizarea vidului necesar se folosesc două cazane de abur care produc 77 th fiecare
422 522 RĂCIREA INTERIOARĂ A MASIVULUI DE BETON
Prerăcirea betonului se recomandă icircn condiţiile unei zone tropicale sau temperate de amplasare a construcţiei masive nu se recomandă icircn cazul amplasării barajului icircn munţi unde temperatura aerului este scăzută Icircn asemenea situaţii se recomandă răcirea betonului prin conducte amplasate icircn masiv prin care circulă apă rece
La răcirea interioară cu conducte montate icircn beton are loc o eliminarea a căldurii simultan cu producerea ei icircn procesul de priză producacircndu-se şi o răcire pacircnă la temperatura necesară Pentru răcire se folosesc conducte de oţel cu diametre de 1525 mm montate la distanţe de 1223 m icircn plan orizontal şi de 153 m icircn plan vertical Lungimea conductelor icircntr-un m3 de beton este de 0204 şi a fiecărei serpentine de 140250 m
Debitul apei de răcire ce circulă prin 1 m3 de beton este de (0553) dm3h
Figura 422 Fig 522 Reţea de conducte de răcire a betonului icircn secţiunea unui baraj 1 - galerie pentru măsurători 2 - galerie de conducte de apă de răcire
Serpentinele se montează şi se fixează pe suprafaţă de beton (fig522) Capetele serpentinelor se leagă de o coloană verticală prin mufe metalice sau de cauciuc Diametrul distribuitorului şi al coloanei este cuprins icircntre 150200 mm După montaj aceste conducte se verifică la presiunea de lucru
1 2
Ax
a
ba
raju
lui
Izolaţii termice
2
CUPRINS
1 IZOLATII TERMICE 3
11 Izolarea termică a pereților plani 3 111 Izolarea termică a spațiilor răcite 3 112 Izolarea termică a spațiilor icircncălzite 3 113 Calculul grosimii izolației termice pentru o densitatea de flux termic cunoscută (condiții la limită de steța a II-a) 4 114 Calculul grosimii izolației termice pentru o valoare dată a coeficientului total de transfer de căldură 5
12 Izolarea termică a pereților cilindrici 7 121 Calculul grosimii izolației termice pentru un flux termic liniar cunoscut (condiții la limită de speța a II-a) 8 122 Calculul grosimii izolației termice pentru o temperatură dată pe suprafața acesteia 12
2 DETERMINAREA NECESARULUI DE CĂLDURĂ ȘI APĂ CALDĂ PENTRU UN IMOBIL 14
21 22 Determinarea necesarului de căldură și apă caldă menajeră pentru imobil 18 211 Mers de calcul pentru Q1 18 212 Mers de calcul pentru Q2 24 213 Mers de calcul pentru Q3 24
3 CALCULUL NECESARULUI DE FRIG PENTRU DEPOZIT DE FRUCTE 25
31 31 Calculul grosimii izolatiilor 25 32 32 Bilantul caloric al spatiului climatizat pe timp de vară Necesarul de frig pentru frigorifer27
321 Consumul de frig Q1 28 322 Necesarul de frig Q2 29 323 Necesarul de frig Q3 30 324 Necesarul de frig Q4 30
33 33 Stabilirea directiei raportului de termoumiditate și trasarea procesului de conditionare a aerului pe diagrama i-X pe timp de vară 30
331 Date 32
4 UTILIZAREA FRIGULUI ARTIFICIAL IcircN LUCRĂRILE DE CONSTRUCŢII 34
41 51 IcircNGHEŢAREA SOLULUI 34 411 511 CONSIDERAŢII GENERALE PRIVIND IcircNGHEŢAREA SOLULUI 34 412 512 CONSTRUCŢIA INSTALAŢIEI DE IcircNGHEŢARE A SOLULUI 36 413 513 UTILIZAREA METODEI DE IcircNGHEŢARE A SOLULUI IcircN ŢARA NOASTRĂ 44 414 514 CAcircMPUL DE TEMPERATURĂ IcircN SOLUL IcircNGHEŢAT 47 415 515 ELEMENTE DE PROIECTARE A INSTALAŢIEI FRIGORIFICE PENTRU IcircNGHEŢAREA SOLULUI 51
42 52 RĂCIREA BETONULUI LA CONSTRUCŢIILE MASIVE 52 421 521 INSTALAŢII DE PRERĂCIRE A COMPONENTELOR BETONULUI 52 422 522 RĂCIREA INTERIOARĂ A MASIVULUI DE BETON 58
Izolaţii termice
3
1 Izolaţii termice
11 Izolarea termică a pereților plani
111 Izolarea termică a spațiilor răcite
Izolarea termică a pereților planșeelor și pardoselilor spațiilor răcite (Figura 11) (tunele și camere de refrigerare sau congelare depozite frigorifice) necesită condiții deosebite de execuție datorită valorilor scăzute ale temperaturilor interioare variației rapide a acestora și umidității mari a aerului interior Rolul izolației termice icircn acest caz este de a reduce absorbția de căldură din exterior icircn vederea menținerii unui regim de temperatură și umidităti cacirct mai stabil
Materialul se aplică pe suprafața interioară a pereților spațiilor răcite cu condiția realizării unei continuități perfecte a stratului de izolație icircntre pereți planșeu și pardoseală
Icircn timpul răcirii aerului interior (icircn timpul funcționării instalației frigorifice) apare fenomenul de condensare a vaporilor de apă din aerul ambiant pe suprafața caldă a pereților și pătrunderea condensului icircn interiorul pereților izolați datorită diferenței dintre presiunile parțiale ale vaporilor de apă din aerul exterior și interior Apare icircn acest caz necesitatea montării unei bariere de vapori icircn interiorul stratului de izolație termică
Figura 11 Variatia temperaturii icircn peretele plan la spatiile racite
Figura 12 Variatia temperaturii icircn peretele plan la spatiile incalzite
112 Izolarea termică a spațiilor icircncălzite
Izolarea termică a pereților planșeelor și pardoselilor spațiilor icircncălzite (Figura 12) (camere de termostatare cuptoare de coacere celule de afunare la cald icircn industria
t
[oC]
qp
tii
tee
x [m]
1
1
iz 2
iz 3
1 t
[oC]
qp
ti i
te e
x [m]
1 iz 2
iz 3
Izolaţii termice
4
alimentară cuptoare de icircncălzire cuptoare de tratamente termice icircn industrie) are rolul de a reduce pierderea de căldură icircn exterior icircn vederea menținerii unui regim de temperatură și umiditate cacirct mai stabil
Materialul se aplică pe suprafața interioară a pereților spațiilor icircncălzite cu condiția realizării unei continuități perfecte a stratului de izolație icircntre pereți planșeu și pardoseală
113 Calculul grosimii izolației termice pentru o densitatea de flux termic cunoscută (condiții la limită de steța a II-a)
Cu notațiile din Figura 11 și Figura 12 densitatea de flux termic transmisă prin perete se calculează cu relația
e3
3iz
1
1
i
eip 1
iz
1
ttq
[Wm2] (11)
unde
e [Wm2middotgrd] este coeficientul de convecție aer exterior-perete pentru incintele răcite
icircn funcție de amplasarea și tipul peretelui valorile coeficientului e [Wm2middotgrd] sunt prezentate icircn Tabelul 11
Tabelul 11 Valorile coeficientului e pentru incintele răcite
Amplasarea și tipul peretelui e i
[Wm2middotgrd]
Pereți exteriori și acoperișuri fără pod expuși curenților de aer 28hellip30
Pereți exteriori și acoperișuri fără pod icircn contact cu aerul atmosferic cu circulație moderată
23hellip24
Acoperiș cu pod 11hellip12
Pereți interiori ce separă spatiul răcit de culoare sau camere vecine ventilate
15hellip18
Plafoane și pardoseli interioare 10hellip12
Suprafața interioară a pereților unei camere icircncălzite sau răcite 8hellip9
Pereții interiori ai camerei de depozitare a produselor răcite cu circulație moderată a aerului
9
Pereții interiori ai camerei de congelare camerei de racier preliminară a produselor cu circulație intensă a aerului
11
pentru pereții unor cuptoare valorile coeficientului de convecție e [Wm2middotgrd] și pierderile exterioare de căldură qp [Wm2] funcție de temperatură și tipul peretelui sunt prezentate icircn Tabelul 12
Tabelul 12 Valorile coeficientului e pentru pereții unor cuptoare
t [ordmC]
e [Wm2middotgrd] qp [Wm2]
pereți vopsiți cu lac de aluminiu
pereți din zidărie
pereți vopsiți cu lac de aluminiu
Pereți din Zidărie
40 870 1005 78178 89999
50 913 1058 115115 133115
60 956 1111 154882 179580
70 998 1163 196742 230230
80 1042 1213 242788 285067
90 1085 1272 293020 344090
100 1128 1326 345345 406042
110 1170 1389 300763 476367
Izolaţii termice
5
120 1214 1430 459623 539994
130 1256 1488 519064 615342
140 1298 1540 583947 692783
150 1343 1593 653016 774110
160 1386 1647 724178 858130
170 1428 1680 797433 946036
180 1472 1756 872781 1042310
190 1515 1808 954408 1138592
200 1558 1861 1036035 1239560
210 1600 1919 1121848 1347892
220 1642 1971 1213521 1454635
230 1686 2024 1301846 1565564
240 1730 2070 1393938 1674400
250 1773 2128 1496495 1799980
i [Wm2middotgrd] - coeficientul de convecție perete - aer interior - pentru incintele răcite icircn funcție de amplasarea și tipul peretelui valorile coeficientului
αi [Wm2grd] sunt prezentate icircn Tabelul 11
i
i [m2middotgrdW] - suma rezistențelor termice ale straturilor componente ale peretelui icircn
afara stratului de izolație termică
- ti te [ordmC] - temperatura aerului interior respectiv exterior
Rezultă grosimea stratului de izolație termică
e
1
3
1
q
tt 3
1
1
ip
eiiziz [m] (12)
Grosimea stratului de izolație termică se standardizează pentru fiecare material icircn parte
Cu noua valoare a grosimii stratului de izolație termică se recalculează densitatea de flux termic qp [Wm2]
Pentru incintele răcite valorile recomandate pentru pătrunderea de căldură (densitatea de flux termic) depind de temperatura aerului interior din spațiul răcit de mărimea și destinația spațiului respectiv
114 Calculul grosimii izolației termice pentru o valoare dată a coeficientului total de transfer de căldură
Cu notațiile din Figura 11 și Figura 12 coeficientul total de transfer de căldură se calculează cu relația
iiz
iz
i
i
e
11
1k
[Wm2middotgrd] (13)
Rezultă grosimea stratului de izolație termică
ii
i
eiziz
11
k
1 [m] (14)
Grosimea stratului de izolație calculată se standardizează pentru fiecare perete și material icircn parte
Izolaţii termice
6
Cu noua valoare a grosimii stratului de izolație termică se recalculează coeficientul total de transfer de căldură k
Icircn calculele practice se poate adopta o valoare a coeficientului total de transfer de căldură k = (02hellip05) Wm2middotgrd pentru pereți și tavan (pereți izolați cu polistiren expandat) și k = (03hellip07) Wm2middotgrd pentru pardoseală (perete izolat cu plută)
Pentru un calcul rapid se pot adopta următoarele valori ale coeficientului total de transfer de căldură funcție de diferența de temperatură ∆t = te - ti (Tabelul 13)
Tabelul 13 Valori ale coeficientului total de transfer de căldură funcție de ∆t
∆t [grd] 50hellip35 35hellip30 30hellip25 25hellip30 20hellip15 15hellip10 10
k [Wm2middotgrd] 023hellip035 040 045 052 058 063 070
Pentru diverse elemente izolate ale incintelor răcite valorile coeficientului total de transfer de căldură sunt indicate icircn Tabelul 14 Tabelul 15 Tabelul 16 Tabelul 17
Tabelul 14 Valori ale coeficientului total de transfer de căldură pentru pereți exteriori
Temperatura aerului din incinta răcită ti [ordmC]
k [Wm2middotgrd]
zona nordică zona medie
zona sudică
-30hellip-18 032 025 023
-10 040 035 029
-4 046 040 035
0 052 046 040
4 065 058 049
12 078 070 058
Tabelul 15 Valori ale coeficientului total de transfer de căldură pentru pereți interiori
Temperatura aerului din incinta răcită ti [ordmC]
k [Wm2grd
zona nordică zona medie zona sudică
a b a b a b
-30hellip-18 029 028 025 023 021 020
-10 037 035 031 029 025 020
-4 043 039 037 035 031 029
0 048 045 042 039 036 033
4 058 053 052 049 044 041
Obs a) acoperiș cu pod b) acoperiș fără pod
Tabelul 16 Valori ale coeficientului total de transfer de căldură funcție de destinația incintei răcite
Incinta răcită Tempaerului ti [ordmC] k [Wm2middotgrd]
Camera de congelare -23hellip-35 035
Depozit produse congelate
-18hellip-25 041
Depozit produse refrigerate
0 052
4 070
12 092
Tabelul 17 Valori ale coeficientului total de transfer de căldură funcție de poziția peretelui
Poziția peretelui k [Wm2middotgrd]
Perete icircntre două depozite de produse congelate
052
Perete icircntre două depozite de produse refrigerate
058
Izolaţii termice
7
Perete icircntre camere de congelare și depozite de produse congelate
046
Perete icircntre camere de congelare și depozite de produse refrigerate
035
Perete icircntre un depozit de produse congelare și un depozit de produse congelate
046
Pentru diverse construcții cu pereți executați din panouri mari de beton valorile coeficientului total de transfer de căldură sunt prezentate icircn Tabelul 18
Tabelul 18 Valori ale coeficientului total de transfer de căldură pentru pereți executați din panouri mari de beton
Material Greutate specifica ρ [kgm2]
Grosime perete δ [mm]
k [Wm2 middotK]
Perete interior
Perete exterior
Panouri mari icircn strat omogen tencuiți interior și exterior
1300 260 15119 13491
1350 300 14537 13142
Panouri mari icircn trei straturi avacircnd la interior și exterior beton armat iar la mijloc termoizolație
- plăci semirigide din vată minerală
1600 200 13374 12095
- sticlă spongioasă 1450 220 12793 11630
- plută minerală 1600 200 12793 11630
12 Izolarea termică a pereților cilindrici
Calculul termic al sistemelor de conducte reprezintă un caz particular al transferului de căldură icircntre două fluide despărțite de un perete format din unul sau mai multe straturi Icircn functie de temperatura fluidului transportat se deosebesc două categorii de conducte izolate termic
conducte care transportă fluide calde (Figura 13) la care izolația termică are drept scop reducerea pierderilor de căldură și de temperatură icircn mediul ambiant și asigurarea unor temperaturi pe suprafața exterioară icircn conformitate cu normele de protecție a muncii
conducte care transportă fluide reci (Figura 14) la care izolația termică are drept scop micșorarea absorbției de căldură din mediul ambiant și evitarea condensării umiditătii din aer pe suprafața conductelor
Figura 13 Variatia temperaturii icircn peretele conductelor care transportă fluide calde
r [mm]
iz sp p
tf f
tp1
te e
t
[oC]
di
de
diz
dsp
tp2
tp3 tp4
ФL
Izolaţii termice
8
Figura 14 Variatia temperaturii icircn peretele conductelor care transportă fluide reci
121 Calculul grosimii izolației termice pentru un flux termic liniar cunoscut (condiții la limită de speța a II-a)
Se consideră o conductă cu un strat de izolație de bază și un strat protector (Figura 13 pentru conducte care transportă fluide calde și Figura 14 pentru conducte care transportă fluide reci) Icircn vederea calculării grosimii izolației termice sunt necesare următoarele date
amplasarea conductei și temperatura mediului ambiant te [ordmC]
dimensiunile conductei di și de [m]
temperatura fluidului transportat tf [ordmC]
construcția și materialul izolației termice iz [WmK]
modul de susținere a conductei armăturile și compensatoarele de dilatație Fluxul termic liniar (unitar) transmis prin conducta izolată se calculează cu relația
LeLspLizLpLi
efL
RRRRR
tt
[Wm] (15)
unde
rezistența superficială liniară a fluidului transportat este
RLi = iid
1
[mmiddotgrdW] (16)
Rezistența superficială liniară RLi se ia icircn calcule icircn următoarele cazuri
- la diametre ale conductei di lt 50 mm dacă i lt 150 Wm2middotgrd
- la diametre ale conductei 50 lt di lt 500 mm dacă i lt 120 Wm2middotgrd
- la diametre ale conductei di gt 500 mm dacă i lt 90 Wm2middotgrd
Pentru unele fluide (abur supraicircncălzit de icircnaltă presiune abur saturat apă agenți frigorifici uleiuri) rezistența superficială RLi se poate neglija reprezentacircnd sub 1 din rezistența totală
rezistența termică liniară a peretelui conductei este
r [mm]
iz sp p
tff
tp1
tee
t
[oC]
di
de
diz
dsp
tp2
tp3
tp4 ФL
Izolaţii termice
9
RLp = id
edln
p2
1
[mmiddotgrdW] (17)
Pentru conductele metalice conductivitatea termică a materialului are valori ridicate ( gt 15 WmmiddotK) din care cauză rezistența termică RLp poate fi neglijată reprezentacircnd sub 1 din rezistența totală
rezistența termică liniară a stratului de izolație este
RLiz = ei
iz
iz d
d
2
1ln
[mmiddotgrdW] (18)
rezistența termică liniară a stratului protector este
RLsp = izi
sp
sp d
d
2
1ln
[mmiddotgrdW] (19)
Icircn general stratul protector este realizat sub forma unui inveliș metalic (tablă vopsită tablă zincată tablă din aluminiu) sau sub forma unui strat de tencuială cu grosimi de (10hellip20) mm Icircn Tabelul 19 este indicată conductivitatea termică λsp [WmmiddotK] pentru cacircteva materiale utilizate la realizarea stratului protector
Tabelul 19 Conductivitatea termică λsp
Material ρ [kgm3] λsp [WmmiddotK]
Ciment și gips 900hellip1000 023 la 50ordmC
Pastă bituminoasă și mastic asfaltos
1000hellip1150 030 la 50ordmC
Ciment 1600hellip1900 029 la 50ordmC
Strat anticoroziv 1000hellip1100 017hellip023 la 50ordmC
Icircn cazul icircnvelisului metalic rezistența termică RLsp poate fi neglijată
Icircn cazul stratului de tencuială rezistența termică RLsp reprezintă pacircnă la 20 din rezistența totală
rezistența superficială liniară a mediului ambiant este
RLe = espid
1
[mmiddotgrdW] (110)
Rezistența superficială liniară a mediului ambiant funcție de diametrul conductei și de amplasarea acesteia este data icircn Tabelul 110
Pentru calcule exacte valorile coeficientului de convecție la contactul intre stratul protector și mediu ambiant icircn funcție de amplasarea conductei sunt prezentate icircn Tabelul 111
Rezultă rezistența termică a stratului de izolație
e
iz
izLeLspLpLi
L
efLiz
d
d
2
1RRRR
Q
ttR ln
[mmiddotgrdW] (111)
Grosimea stratului de izolație termică
LeLpLi
L
efiz
e
iz RRRQ
tt2
d
d
ln [m] (112)
de unde
Izolaţii termice
10
1
d
dd50
e
izeiz [m] (113)
Tabelul 110 Rezistența superficială liniară a mediului ambiant
Dn [mm]
Conducte icircn icircncăperi Conducte icircn aer liber cu coeficient mic de
radiație a icircnvelișului cu coeficient mare de radiație a icircnvelișului
Temperatura fluidului transportat tf [ordmC]
100 300 500 100 300 500 100 300 500
32 050 035 030 033 022 017 012 009 007
40 045 030 025 029 020 015 010 007 005
50 040 025 020 025 017 013 009 006 004
100 025 019 015 015 011 010 007 005 004
125 021 017 013 013 010 009 005 004 003
150 018 015 011 012 009 008 005 004 003
200 016 013 010 010 008 007 004 003 003
250 013 010 009 009 007 006 003 003 002
300 011 009 008 008 007 006 003 002 002
350 010 008 007 007 006 005 003 002 002
400 009 007 006 006 005 004 002 002 002
500 0075 0065 006 005 0045 004 002 002 0016
600 0062 0055 005 0043 0038 0035 0017 0015 0014
700 0055 0051 0045 0038 0035 0032 0015 0013 0012
800 0048 0045 0042 0034 0031 0029 0013 0012 0011
900 0044 0041 0038 0031 0028 0026 0012 0011 0010
1000 0040 0037 0034 0028 0026 0024 0011 0010 0009
2000 0022 0020 0017 0015 0014 0013 0006 0006 0005
Observatii
Pentru temperaturi ale fluidului transportat tf lt 100ordmC se aleg valorile pentru tf = 100ordmC
Invelișurile cu coeficient mic de radiație sunt executate din tablă zincată tablă din aliaje de aluminiu și aluminiu oxidat tablă vopsită cu lacuri din aluminiu
Invelișurile cu coeficient mare de radiație sunt executate din tencuială plăci de sticlă diverse vopsele (exclusive din aluminiu)
Grosimea stratului de izolație termică se standardizează funcție de materialul ales
Tinacircnd seama de stratul protector din ciment și paste bituminoase cu diverse grosimi se calculează grosimea reală a stratului de izolație cu coeficientul de corecție ∆[mm] cu valori date icircn Tabelul 112
Tabelul 111 Valorile coeficientului de convecție la contactul intre stratul protector și mediu ambiant
Amplasarea conductei
Icircn icircncăperi Icircn aer liber la viteza
vacircntului w [ms] cu coeficient mic de radiație a icircnvelișului
cu coeficient mare de radiație a icircnvelișului
5 10 15
orizontală 6 10 20 25 35
verticală 7 11 25 35 50
Observatie Icircn absența datelor privind viteza vacircntului se admite w = 10 ms
Tabelul 112 Coeficientul de corecție ∆[mm]
δsp [mm]
λiz [WmmiddotK] 007 008 009 010 011 012
Izolaţii termice
11
10 2 2 2 3 3 3
15 3 3 4 4 5 5
20 4 4 5 6 6 7
La alegerea grosimii stratului de izolație termică trebuie să se țină seama și de tasarea materialului prin coeficientul de tasare Kt definit ca raportul dintre volumul construcției termoizolate icircn funcțiune și volumul contrucției la montaj Se recomandă Kt gt 1 pentru a preveni deprecierea izolației termice
Pentru cacircteva materiale termoizolatoare valorile coeficientului de tasare sunt recomandate icircn Tabelul 113
Tabelul 113 Valorile coeficientului de tasare Kt
Material Kt
Saltele din vată minerală perforată 12hellip13
Saltele din vată de sticlă cu legătură sintetică 16
Saltele și plăci din vată minerală moale cu legătură sintetică
15
Plăci semirigide din vată minerală cu legătură sintetică 12
Plăci semirigide din vată de sticlă cu legătură sintetică 115
Plăci moi din vată minerală cu legătură din bitum 15
Plăci semirigide din vată minerală cu legătură din bitum 12
Grosimea stratului de izolație termică la montaj va fi
ize
izetizo
2d
dK
[m] (114)
Valorile fluxului termic liniar (unitar) ФL [Wm] icircn funcție de diametrul exterior al conductei neizolate de [m] temperature fluidului transportat tf [ ordmC] și de amplasarea conductei sunt prezentate icircn Tabelul 114
Tabelul 114 Valorile fluxului termic liniar
de [mm]
tf [ ordmC]
80 100 180 200 250
a b a b a b a b a b
10 8 13 21 24 35 37 48 49 62 60
20 12 15 27 31 43 47 58 63 74 79
32 14 17 33 36 50 53 67 72 86 90
48 15 21 36 42 57 62 76 84 98 105
57 16 24 37 47 62 67 81 91 105 112
76 17 29 43 52 67 77 91 100 115 126
89 19 33 45 58 72 83 95 108 122 133
108 26 36 52 64 79 90 105 117 131 145
133 31 41 62 70 88 99 117 129 140 158
159 36 44 70 76 98 109 130 140 163 172
194 41 49 77 85 108 120 144 151 178 188
219 46 53 81 91 116 128 154 163 192 204
273 49 62 91 101 129 145 170 186 213 230
325 52 70 99 116 142 163 186 209 233 256
377 58 82 107 133 152 181 204 231 254 279
426 62 95 114 149 163 201 221 254 273 302
478 70 104 127 158 180 215 238 273 294 326
529 77 110 140 169 198 228 256 285 314 349
630 95 121 163 186 227 254 294 320 364 384
Izolaţii termice
12
720 110 134 186 205 256 277 326 345 395 416
830 128 157 209 233 291 309 366 384 442 463
920 157 180 238 262 320 344 401 430 483 512
1020 174 209 262 297 349 384 430 473 523 564
Observatii
a-conducte izolate amplasate icircn icircncăperi și canale cu temperatura medie a aerului te = (20hellip30) ordmC
b-conducte izolate amplasate icircn aer liber cu temperatura medie te = (0hellip15) ordmC și conducte subterane amplasate icircn canale nevizitabile cu temperatura medie a solului te = 5 ordmC
Fluxul termic total transmis prin suprafața conductei izolate va fi
Ф=ФLmiddotLC [W] (115)
unde
Lc [m] este lungimea de calcul (echivalentă) a conductei se calculează cu relația
Lc = KmiddotL+l [m] (116)
K - coefficient ce ține seama de pierderile suplimentare de căldură prin elementele de susținere a conductei (Tabelul 115)
L [m] - lungimea conductei
l [m] - lungimea de conductă izolată care echivalează pierderile de căldură prin armăturile de icircnchidere (vane ventile Tabelul 116 și prin icircmbinări (pentru icircmbinări cu flanșe se recomandă l = 1hellip15 m)
Tabelul 115 Valorile coeficientului K
Modul de susținere a conductei
Coeficientul K conducte amplasate icircn
icircncăperi conducte amplasate icircn
aer liber
prin agățare 110 115
prin rezemare 115 125
Tabelul 116 Lungimea de conductă izolată care echivalează pierderile de căldură prin armăturile de icircnchidere
di [mm]
Conducte icircn icircncăperi Conducte icircn aer liber
tf = 100 ordmC
tf = 400 ordmC tf = 100 ordmC tf = 400 ordmC
100 25 50 45 60
500 30 75 60 85
Dacă lungimea conductei nu este cunoscută se mărește valoarea coeficientului K astfel
pentru conducte amplasate icircn icircncăperi K = 12
pentru conducte amplasate icircn aer liberi K = 125
122 Calculul grosimii izolației termice pentru o temperatură dată pe suprafața acesteia
Normele de protecție a muncii impun temperatura pe suprafața exterioară a conductei izolate egală cu 50 ordmC pentru stratul protector din tencuială și 55 ordmC pentru stratul protector metalicTemperatura de 60 ordmC este limita maxima admisibilă peste care apare accidentarea prin arsură a personalului de exploatare
Conform notațiilor din Figura 13 (conductă care transportă fluide calde) fluxul termic liniar (unitar) se calculează cu relația
Izolaţii termice
13
e4pspeLpLizLspLi
4piL ttd
RRRR
tt
[Wm] (117)
Rezistențele termice RLi și RLp pot fi neglijate
Grosimea stratului de izolație termică se calculează icircn două etape
se neglijează rezistența termică a stratului protector RLsp = 0 și rezultă
24pee
4piiz
e
iz
e
iz
ttd
tt2
d
d
d
d
ln (118)
Ecuație de forma xmiddotlnx = const (x = dizde) rezolvarea ei făcacircndu-se grafic sau prin icircncercări
Rezultă
1
d
dd50
e
izeiz [m] (119)
ținacircnd seama de stratul protector se calculează grosimea reală a stratului de izolație termică cu coeficientul de corecție ∆ [mm] (Tabelul 112)
δizrsquo = δiz - ∆ [mm] (120)
Se calculează fluxul termic liniar (unitar) ΦL [Wm] și apoi modificacircnd grosimea stratului de izolație se verifică temperatura impusă tp4 [ ordmC]
Determinarea necesarului de căldură și apă caldă pentru un imobil
14
2 Determinarea necesarului de căldură și apă caldă pentru un imobil
Casa este situata icircn judetul Galati orasul Galati icircn partea de nord a orasului Este amplasata pe un teren cu suprafata de 300mp ea icircn sine avand o amprenta la sol de 123mp
Orasul Galati se situeaza icircn zona climatica numarul II Conform standardului ldquoSR1907 - 1 - 2014rdquo temperatura de referinta pentru aceasta zona este de -15 degC
Icircn figura de mai jos este reprezentat imobilul ce va trebui incalzit Este desenat icircn programul Archicad și prezinta urmatoarele vederi
Figura 21 Planul casei cu dimensiuni și orientare dupa punctele cardinala
Determinarea necesarului de căldură și apă caldă pentru un imobil
15
Figura 22
Figura 23 Vedere fata Nord
Determinarea necesarului de căldură și apă caldă pentru un imobil
16
Figura 24 Vedere fata Sud
Figura 25 Vdere fata Est
Determinarea necesarului de căldură și apă caldă pentru un imobil
17
Figura 26 Vedere fata Vest
Figura 27 Vedere de ansamblu
Determinarea necesarului de căldură și apă caldă pentru un imobil
18
Dimensiunile casei și a incaperilor sunt afisate icircn tabelul urmator
Incapere Suprafata mp
1 Hol intrare+ Living + Hol 3353
2 Dormitor mare 1804
3 Dromitor mic 12
4 Bucatarie 112
5 Baie mare 48
6 Baie mica 475
7 Camera tehnica 72
Total suprafata 9152
Total perimetru casa 444 m
21 22 Determinarea necesarului de căldură și apă caldă menajeră pentru imobil
Pentru studiul necesarului de flux termic este nevoie sa cunoastem posibilele pierderi de căldura cat si modul de utilizare al acesteia Ecuatia generala a bilantului termic ce se foloseste icircn calcularea fluxului de căldura
Q = Q1+ Q2+ Q3 [W]
Q1- fluxul de căldura pierdut prin transmisie
Q2- fluxul de căldura necesar incalzirii aerului ventilat
Q3- fluxul de căldura necesar prepararii apei calde
Fluxul termic pierdut prin transmisie este distribuit intre elementele constructive ale casei si anume Q11 - pereti Q12 - podea Q13 - tavan Q14 - geamuri
Q1= Q11+ Q12+ Q13+ Q14 [W]
Formula care se utilizeaza icircn calculul pentru fiecare fux termic icircn parte este comuna celor patru elemente
Q1i= Si middot Ki middot (tint - text) [W]
Unde Si - suprafata totala calculata a fiecarui element icircn parte se iau icircn considerare doar elementele care au legatura cu exteriorul [m2] ki - coeficientul global de transfer termic specific fiecarui element icircn parte [Wm2C] tint - temperatura din interiorul imobilului [degC] text - temperatura exterioara Icircn cazul podelei de utilizeaza temperatura solului șisau a pivnitei [degC]
Coeficientul global de transfer termic se calculeaza dupa formula
ki = 120783
120783
120514119842 + sum
120517119842
120524119842+
120783
120514119838119847119843=119842
[Wm2C]
Unde αi = coeficientul de transfer convectiv din interior αi = 8 Wm2C αe = coeficientul de transfer termic convective din exterior αe = 20 Wm2C λi - conductivitatea termica a stratului i pe care il aflam din fisa tehnica am materialului stratului respectiv [WmmiddotK] δi- grosimea stratului I [m]
Temperatura ce trebuie mentinuta icircn interiorul imobilului este de 22 degC
Coeficentul de convectie termica αi = 8
211 Mers de calcul pentru Q1
Q11 - flux termic pierdut prin pereti
Specificatii perete exeterior
Tencuiala δ 0025 m Grosime
Determinarea necesarului de căldură și apă caldă pentru un imobil
19
interioara λ 093 WmmiddotK Conductivitate termica
Rt 0026882 m2middotKW Rezistenta termica
Zidarie BCA δ 03 m Grosime
λ 014 WmmiddotK Conductivitate termica
Rt 2142857 m2middotKW Rezistenta termica
Tencuioala exterioara
δ 0025 m Grosime
λ 093 WmmiddotK Conductivitate termica
Rt 0026882 m2middotKW Rezistenta termica
Vata bazaltica δ 01 m Grosime
λ 0037 WmmiddotK Conductivitate termica
Rt 2702703 m2middotKW Rezistenta termica
Placa fibrocement
δ 001 m Grosime
λ 02 WmmiddotK Conductivitate termica
Rt 005 m2middotKW Rezistenta termica
Tencuiala decorativa
δ 0005 m Grosime
λ 093 WmmiddotK Conductivitate termica
Rt 0005376 m2middotKW Rezistenta termica
K11 = 1
1
120572119894+
1205751
1205821+
1205752
1205822+
1205753
1205823+
1205754
1205824+
1205755
1205825+
1205756
1205826+
1
120572119890 =
11
8 +
0025
093+
03
014+
0025
093+
01
0037+
001
02+
0005
093+
1
22
K11 = 0194943188 Wm2C
S11 = h middot lp = 3 middot 3901 = 11703 m2
h - inaltimea peretelui [m]
lp - lungimea perimetrala a peretelui [m] (din care s-au scazut suprafetele vitrate)
Δt = ti - te = 22 + 15 = 37degC
ti - temperatura interioara
te - temperatura exterior
Q11 = K11 middot S11 middot Δt = 0194943188 middot 11703 middot 37 = 8441254483 W
Perete exterior
ti 22 degC αi 8 Wm2 k
te -15 degC αe 22 Wm2 k
δ1 0025 m λ1 093 Wmk tp1 2109758812 degC
δ2 03 m λ2 014 Wmk tp2 2090352105 degC
δ3 0025 m λ3 093 Wmk tp3 5433603161 degC
δ4 01 m λ4 0037 Wmk tp4 523953609 degC
δ5 001 m λ5 02 Wmk tp5 -1427207206 degC
δ6 0005 m λ6 093 Wmk tp6 -1463303681 degC
tp7 -1467185023 degC
q 7219295 W
Determinarea necesarului de căldură și apă caldă pentru un imobil
20
Figura 28
Q12 - fluxul termic pierdut prin podea
Specificatii podea
Placa fibrocement
δ 001 m Grosime
λ 02 WmmiddotK Conductivitate termica
Rt 005 m2middotKW Rezistenta termica
Sapa δ 01 m Grosime
λ 0035 WmmiddotK Conductivitate termica
Rt 2857143 m2middotKW Rezistenta termica
Polistiren extrudat
δ 005 m Grosime
λ 0033 WmmiddotK Conductivitate termica
Rt 1515152 m2middotKW Rezistenta termica
K12 = 1
1
120572119894+
1205751
1205821+
1205752
1205822+
1205753
1205823+
1
120572119890 =
11
8 +
001
02+
01
0035 +
005
0033+
1
0
= 0219911 Wm2C
S12 - amprenta la sol a casei = 12296 m2
Δt = ti - te = 22 - 15 = 7degC
Temperature pentru podea este de 15degC
Q12 = K12 middot S12 middot Δt = 0219911 middot 12296 middot 7 = 1892818 W
Podea
ti 22 degC Αi 8 Wm2 k
te 15 degC Αe 0 Wm2 k
δ1 001 m λ1 02 Wmk tp1 2180757789 degC
Determinarea necesarului de căldură și apă caldă pentru un imobil
21
δ2 01 m λ2 0035 Wmk tp2 2173060904 degC
δ3 005 m λ3 0033 Wmk tp3 1733238927 degC
δ4 m λ4 Wmk tp4 15 degC
δ5 m λ5 Wmk tp5 degC
δ6 m λ6 Wmk tp6 degC
tp7 degC
q 1539377 W
Figura 29
Q13 - fluxul termic pierdut prin tavan
Specificatii tavan
Tencuiala δ 002 m Grosime
λ 093 WmmiddotK Conductivitate termica
Rt 0021505 m2middotKW Rezistenta termica
Placa beton armat
δ 013 m Grosime
λ 174 WmmiddotK Conductivitate termica
Rt 0074713 m2middotKW Rezistenta termica
Sapa δ 003 m Grosime
λ 026 WmmiddotK Conductivitate termica
Rt 0115385 m2middotKW Rezistenta termica
Vata bazaltica δ 015 m Grosime
λ 0037 WmmiddotK Conductivitate termica
Determinarea necesarului de căldură și apă caldă pentru un imobil
22
Rt 4054054 m2middotKW Rezistenta termica
Placa nivelanta δ 002 m Grosime
λ 026 WmmiddotK Conductivitate termica
Rt 0076923 m2middotKW Rezistenta termica
K13 = 1
1
120572119894+
1205751
1205821+
1205752
1205822+
1205753
1205823+
1205754
1205824+
1205755
1205825 +
1
120572119890 =
11
8+
002
093+
013
174+
003
026+
015
0037+
002
026+
1
22
K13 = 0219736 Wm2C
S13 = S12 = 12296 m2
Δt = ti - te = 22 + 15 = 37degC
Q13 = K13 middot S13 middot Δt = 0219736 middot 12296 middot 37 = 1000 W
Tavan
ti 22 degC αi 8 Wm2 k
te -15 degC αe 22 Wm2 k
δ1 002 m λ1 093 Wm k tp1 209751906 degC
δ2 013 m λ2 174 Wm k tp2 207988793 degC
δ3 003 m λ3 026 Wm k tp3 2018634954 degC
δ4 015 m λ4 0037 Wm k tp4 1924037163 degC
δ5 002 m λ5 026 Wm k tp5 -1399669009 degC
δ6 m λ6 Wm k tp6 -1462734204 degC
tp7 degC
q 8198475 W
Determinarea necesarului de căldură și apă caldă pentru un imobil
23
Figura 210
Q14 - fluxul temic pierdut prin suprafetele vitrate
Am ales un geam temopan cu trei randuri de sticla și cu tamplarie de lemn
K14 = 06 Wm2C
S14 = 2728 m2 suprafata ocupata de geamuri
Δt = ti - te = 22 + 15 = 37degC
Q14 = K14 middot S14 middot Δt = 06 middot 2728 middot 37 = 605616 W
Fereastra
ti 22 degC αi 8 Wmpk
te -15 degC αe 22 Wmpk
δ1 0005 m λ1 075 Wmk tp1 1992074356 degC
δ2 0018 m λ2 00177 Wmk tp2 1980984988 degC
δ3 0005 m λ3 075 Wmk tp3 2893865242 degC
δ4 0018 m λ4 00177 Wmk tp4 2782971565 degC
δ5 0005 m λ5 075 Wmk tp5 -1413301307 degC
δ6 m λ6 Wmk tp6 -1424390675 degC
tp7 degC
q 1663405 W
Determinarea necesarului de căldură și apă caldă pentru un imobil
24
Figura 211
Q1 = Q11 + Q12 + Q13 + Q14 = 8441254483 + 1892818 + 1000 + 605616
Q1 = 263871712 W
212 Mers de calcul pentru Q2
Q2 = n middot Q1
n - numarul de schimburi (07 08 1)
Q1 - fluxul de căldura pierdut prin transmisie
Q2 = 1 middot 263871712 =gt Q2 = 263871712 W
213 Mers de calcul pentru Q3
Q3 = 119898 middot119862119908 middot(119905119887minus119905119903)
120591 middot3600 [kW]
m - cantitatea de apa calda preparata [Kg]
m = n middot czn middot ρ [Kg]
ρ = 1000 Kgm3- densitatea apei [Kgm3] n = 4 - numarul de locatari =gt n
czn - consumul zilnic de persoana [l] gtgtgt czn = l middot 1000 = m3
Un consum de acm specific unui nivel de confort mediu la o temperature de 45degC vom avea un czn = 50 l de persoana
cw - căldura specifica a apei [KJKgC] =gt cw = 4186 KJKgmiddotC
tb - temperatura apei din boiler [C] =gt tb = 50degC
tr - temperatura apei de intrare [C] =gt tr = 10degC
Icircn general avem vara tr = 1217degC iar iarna tr = 5hellip10degC
120591 - timpul icircn care este incalzita apa [h] =gt 120591 = 4h
m = 4 middot (50 middot 1000) middot 1000 m = 200 Kg
Q3 = 200 ∙4186 ∙(50 ∙10)
4 ∙3600 =gt Q3 = 2325555556 W
Q = Q1 + Q2 + Q3 = 263871712 + 263871712 + 2325555556
Q = 7602989795 W =gt Q = 76 KW
Calculul necesarului de frig pentru depozit de fructe
25
3 Calculul necesarului de frig pentru depozit de fructe
31 31 Calculul grosimii izolatiilor
Regimul de funcţionare al spaţiilor frigorifice caracterizat prin valori coboracircte ale temperaturilor prin variaţia rapidă a acestora şi prin umiditatea mare a aerului icircncăperilor impune pentru izolaţiile termice ale pereţilor planşeelor şi pardoselilor condiţii deosebite Pereţii spaţiilor frigorifice despart două medii cu temperaturi diferite Fluxul de căldură ce pătrunde din exterior icircn camere care trebuie preluat de instalaţia frigorifică este direct proporţional cu diferenţa de temperatură dintre cele două feţe ale peretelui şi cu coeficientul global de transmitere a căldurii Izolarea se execută la spaţiile răcite atacirct la pereţi cacirct şi la tavan şi podea şi are ca rol icircmpiedicarea apariţiei condensului pe suprafaţa caldă a pereţilor incintelor frigorifice
Figura 31 Fig13 Variaţia de temperatură prin peretele termoizolant
Din exploatarea frigoriferelor se cunoaşte că prin icircnvelişul exterior al spaţiilor frigorifice trece icircn majoritatea cazurilor mai mult de jumătate din cantitatea totală de căldura ce pătrunde icircn icircncăperi Această cantitate de căldură se poate reduce prin majorarea grosimii stratului termoizolant Dar reducerea infiltraţiilor de căldură icircn acest tel nu se poate face nelimitat deoarece la o anumită grosime a stratului izolant adică la o anumită valoare a coeficientului k de transfer al căldurii costul construcţiei izolate va fi mai mare decacirct costul energiei ce reprezintă frigul economisit prin majorarea grosimii izolaţiei
De aceea se obişnuieşte a se folosi icircn calcule valori optime ale coeficientului k de transfer al căldurii calculacircndu-se astfel o grosime optimă a izolaţiei termice
Pentru izolarea pereţilor camerelor se vor folosi panouri tip sandwichFig15
Calculul necesarului de frig pentru depozit de fructe
26
Figura 32 Fig15 Construcţia panourilor de tip sandwich
Rolul panourilor plastifiate este de a preicircntacircmpina pătrunderea vaporilor icircn interiorul izolaţiei eliminacircnd necesitatea barierei de vapori Panourile folosesc metoda de icircmbinare nut-feder reducacircndu-se astfel transferul de căldură cu mediul extern
Deoarece avem un singur depozit vom adopta coeficienţii de transfer de căldură prin
convecţie funcţie de t
Aleg pentru t = = te - ti = 318 - 1 = 308 0C k = 023 Wm2K
Din catalogul de produse INCOLD Italia se alege poliuretan 100 mm = 0023 WmK
Tablă din oţel galvanizat plastifiat
Calculul necesarului de frig pentru depozit de fructe
27
Tabelul 317 Tabel24 Calculul grosimi izolației
ei
i
i
izizk
111
Coeficientul global de transfer de căldură se determină utilizand relaţia
eiz
iz
i
i
i
k
11
1
n
i i
i
1
- suma rezistenţelor termice ale tuturor straturilor din care este realizat
peretele[m2KW]
iz - grosimea stratului de izolaţie termică [m]
iz - conductivitatea termică a materialului izolator [WmK]
e - coeficient de convecţie pe partea exterioară a peretelui [WmK]
i - coeficient de convecţie pe partea interioară a peretelui [WmK]
32 32 Bilantul caloric al spatiului climatizat pe timp de vară Necesarul de frig pentru frigorifer
Se stabileşte consumul zilnic de frig pe icircntreg frigoriferul şi pentru fiecare icircncăpere icircn parte luacircndu-se icircn considerare cele mai nefavorabile condiţii de lucru
temperatura aerului exterior pentru luna cea mai caldă a anului
icircncărcarea maximă şi simultană a camerelor de refrigerare
Spaţiul frigorific
Perete k αi αe 1αi 1αe R 1k λiz
δiz
calc δiz
ales Kr
[Wm2K] [m2KW] [WmK] [m] [m]
N 0229 10 18 010 006 0590 4367 0023 0097 0100 023
E 0224 10 12 010 008 0618 4464 0023 0098 0100 023
DR S 0221 10 12 010 008 0618 4525 0023 0100 0100 023
V 0223 10 12 010 008 0618 4484 0023 0099 0100 023
T 0221 10 12 010 008 0618 4525 0023 0100 0100 023
P 0228 10 0 000 000 0435 4386 0023 0000 0100 023
N 0221 25 12 004 008 0558 4525 0023 0101 0100 023
E 0224 25 12 004 008 0558 4464 0023 0100 0100 023
CP S 0224 25 12 004 008 0558 4464 0023 0100 0100 023
V 0223 25 12 004 008 0558 4484 0023 0100 0100 023
T 0221 25 12 004 008 0558 4525 0023 0101 0100 023
P 0228 25 0 000 000 0435 4386 0023 0000 0100 023
Calculul necesarului de frig pentru depozit de fructe
28
camerele vecine celei căreia i se face calculul necesarului de frig sunt goale şi au temperatura vestibulului sau a sasului
Aceste calcule determină necesarul de frig pe categorii de consumatori grupaţi după temperatura cerută şi permit stabilirea puterilor frigorifice icircn vederea proiectării instalaţiei
Pentru calculele termice sunt necesare următoarele
planul frigoriferului care a fost stabilit
dimensiunile camerelor
temperaturile necesare icircn fiecare cameră
Se consideră
1degC icircn depozitele de refrigerate
orientarea frigoriferului după punctele cardinale
condiţii climatice icircn lunile cele mai călduroase pentru zona geografică respectivă
Consumul de frig se calculează pentru 24 ore cu relaţia
Qnec = Q1 + Q2 + Q3 + Q4 [kcal24h]
Q1 - neeesarul de frig pentru acoperirea pătrunderilor de căldură prin cenvecţie
conducţie şi radiaţie din mediul icircnconjurător prin pereţi pardosea și plafon
Q2 - necesarul de frig tehnologic pentru procesele de răcire refrigerere şi
congelare eliminarea căldurii de respiraţie seu pentru unele procese chimice şi
biochimice
Q3 - necesarul de frig pentru ventilarea camerelor frigorifice cu aer proaspat care
trebuie racit şi uscat
Q4 - necesarul de frig rezulticircnd din condiţii de exploatare acoperirea căldurii
provenite din iluminat din funcţionarea motoarelor căldura provenită de la persoanele ce
manipulează produsele datorită deschiderii uşilor etc
321 Consumul de frig Q1
Se determină pentru fiecare spaţiu icircn parte cu relaţia
RttkFQ1 [ W ]
F - reprezintă suprafaţa pereţilor a pardoselei şi a plafonului corespunzător fiecărui
spaţiu frigorific icircn parte icircn m2 Ca suprafaţă de transfer se va considera suprafaţa
exterioară a perimetrului izolat termic
k - reprezintă coeficientul global de transmitere a căldurii prin convecţie conducţie şi radiaţie
prin pereţi plafon şi pardoseală (toate izolate termic) icircn [W(m2 middot grd)] Valoarea coeficientului k a
fost calculată icircn tabelul 24 (kr)
Δt - reprezintă diferenţa de temperaturi dintre temperatura exterioară suprafeţei de
transfer termic considerată şi temperatura interioară spaţiului frigorific
Calculul necesarului de frig pentru depozit de fructe
29
Diferenţa de temperatură ΔtR se ia icircn consideraţie numai la pereţii exteriori şi la
plafoane care sunt şi acoperiş pentru clădire
ΔtR = 0degC pentru pereţi exteriori orientaţi spre N
ΔtR = (5 10)degC pentru pereţi exteriori orientaţi spre E V S-E S-V
ΔtR = 15 degC pentru pereţi exteriori orientaţi spre S
ΔtR = (15 18)degC pentru plafoane care sunt şi acoperiş (terasă)
Calculul valorilor mărimii sumQ1 se recomandă a se efectua tabelar conform tabelului 25
Valoarea mărimii sum Q1 la aparate se obţine prin icircnsumarea fluxurilor termice prin toate cele 6 suprafeţe delimitatoare
La stabilirea valorii mărimii sum Q1 se consideră doar unul dintre fluxurile termice prin suprafeţele ce separă spaţiile frigorifice vecine Pentru aparatele de răcire din spaţiile frigorifice se consideră situaţia cea mai grea pentru fiecare spaţiu icircn parte respectiv că spaţiile vecine nu sunt răcite
Spaţiul frigorifi
c
Perete
Dimensiuni
Supraf F
[m2]
Kr [Wm2K]
Δt [grd]
Δtr
Q1 [W] sumQ1 q a [m]
b [m]
N 15 4 60 023 308 42504
246068
708
E 7 4 28 023 308 8 24987 892
DR S 15 4 60 023 185 15 46202 770
V 7 4 28 023 308 19835 708
T 15 7 105 023 308 74382 708
P 15 7 105 023 158 38157 363
N 7 4 28 023 185 11914
133566
426
E 7 4 28 023 268 8 22411 800
CP S 7 4 28 023 268 15 26919 961
V 7 4 28 023 185 11914 426
T 7 7 49 023 268 30204 616
P 7 7 49 023 268 30204 616
Tabelul 318 Tebel25 Calculul valorilor mărimii Q1
322 Necesarul de frig Q2
sum Q2 - necesarul de frig tehnologic pentru procesele de răcire refrigerare şi
congelare
Q2d = mcp(tc-ti)=500003644 = 4186000(243600)= 842 kW
Q2c = 2600036419 = 1798160 = 208 KW
Q2 = 208 + 842 = 293 = 30kW
unde
Q2d - necesarul de frig tehnologic depozit
Q2c - necesarul de frig tehnologic camera de preracire
Calculul necesarului de frig pentru depozit de fructe
30
m - cantitatea de produse introduse icircn tunelul de congelare icircn kg
te ti - temperaturi specifice corespunzătoare temperaturii iniţiale a produsului cald
(24 ordmC) respectiv temperaturii finale a produsului refrigerat (1 ordmC)
Căldura specfifică mere cp = 364 [kJkgK]
323 Necesarul de frig Q3
Icircn funcţie de natura produselor din spaţiul frigorific este necesar uneori să se realizeze ventilarea spaţiului prin asigurarea unui anumit număr de schimburi ale aerului din incintă icircn 24h Ca exemplu icircntotdeauna va fi necesară ventilarea prin introducere de aer proaspăt icircn spaţiile de păstrare pentru legume fructe şi ouă refrigerate Aceste produse vii respiră icircn timpul păstrării şi necesită icircn consecinţă ventilarea spaţiilor de păstrare
Acest consum de frig se ia icircn considerare doar la depozitele de refrigerare care se ventilează Se stabilește cu relația
Q3 = V ∙ a ∙ ᵖi ∙ (hex - hi) [kJ24]
V - volumul camerelor ventilateicircn m3
a = 24 schimburi pe zi pentru depozitele de mere
ᵖi - reprezintă densitatea aerului la temperature interioară icircn kgm3
Pentru depozitele de refrigerare considerăm umiditatea relativă ᵠi = 95 și ti=1 ordmC
rezultacircnd icircn acest caz hi= 9 kJkg
Parametri aerului exterior pentru zona icircn care este amplasat depozitul sunt temp ex 318
și umiditatea ext 60 rezultand din diagram mollier entalpia aerului Calcul facut icircn
programul Coolpack
ρi = 12 kgm3
hex = 7519 kJkg
Q3 = 616 2 12 (7519 - 9) (243600)= 00025 kW
324 Necesarul de frig Q4
Q4 - frigul consumat pentru acoperirea pierderilor icircn timpul exploatarii datorat deschiderii
usilor a corpurilor de iluminat a motoarelor electrice a oamenilor Se admite Q4 =
(01hellip04)Q1
Q4 = 02 379617 = 759234 = 008 kW
Qtotal = sum 119824120783 + Q2 + Q3 + Q4 = 004 + 30 + 000025 + 008 = 3012 = 31 kW
33 33 Stabilirea directiei raportului de termoumiditate și trasarea procesului de conditionare a aerului pe diagrama i-X pe timp de vară
Icircn fig16 este reprezentat un agregat pentru condiţionarea aerului pe timp de vară cu recirculare parţială
Calculul necesarului de frig pentru depozit de fructe
31
Figura 33 Figura16 Schema aparatului de condiţionare a aerului pe timp de vară cu recirculare parţială
F - filtru V - vaporizator C - compressor K - condensator VL - ventil de laminare I - icircncălzitor Vt - ventilator
Procesele de lucru pot fi reprezentate icircn diagrama h-x ca icircn figura următore
Figura 34 Fig17
A reprezintă starea aerului recirculat provenit din spaţiul condiţionat iar E este starea aerului exterior
Aerul tratat icircn aparatul de condiţionare care se introduce icircn incintă avacircnd starea B
trebuie să preia degajările de căldură Qv [kW] şi de umiditate Wv [kgs]
Direcţia procesului suferit de aer icircn incintă este dată de raportul de termoumidificare εv
= Qv Wv
Prin punctul A se trasează dreapta avacircnd raportul de termoumidificare εv iar punctul B se fixează pe această dreaptă adoptacircndu-se o anumită diferenţă de temperatură faţă de starea A
Aerul recirculat A se amestecă cu aerul proaspăt E şi rezultă starea de amestec M De regulă xM gt xB deci aerul va trebui să fie uscat
Pe verticala din B se fixează starea D avacircnd xD= xB şi ᵩD = 90hellip98
Calculul necesarului de frig pentru depozit de fructe
32
Se uneşte M cu D iar apoi se prelungeşte acest segment pacircnă la intersecţia cu ϕ = 100 rezultacircnd starea P avacircnd temperatura tp
Circulacircnd aerul cu starea M peste o suprafaţă rece avacircnd temperatura tp se va obţine procesul de răcire şi uscare MD
Temperatura suprafeţei tp se asigură cu o instalaţie frigorifică a cărei temperature de vaporizare va fi t0 lt tp
Ultimul proces din aparatul de condiţionare va fi icircncălzirea finală DB
Calculul agregatului de condiţionare a aerului pe timp de vară se efectuează asemănător cu cel a agregatului de condiţionare a aerului pe timp de iarnă cu observaţia că pe timp de vară nu este necesară umidificarea
331 Date
Vtotal = 616 m3 tint = 1ᵒC tex = 318 φint = 90 φext = 60 ρaer = 12 [kgm3]
Starea A
tA = ti + 3 = 4deg xA = 00043[kj
kg] φA = 86 hA = 1489[
kj
kg]
Starea B
tB = 1degC xB = 00036 [kj
kg] φB = 90 hB = 1024[
kj
kg]
Starea E
tE = 318degC xE = 00171[kj
kg] φE = 60 hE = 7519[
kj
kg]
Starea M
hM =hE + n ∙ hA
n + 1=
7513 + 20 ∙ 1489
21= 1775[
kj
kg]
xM =xE + n ∙ xA
n + 1=
00171 + 20 ∙ 00043
21= 00049[
kj
kg]
Rezulta din diagrama Mollier
Starea D
hD = 108 [kj
kg] xD = 0003[
kj
kg] φD = 97
Raportul de recirculare n = 20
Debitul de aer ventilat V =Vtotal∙20
24h=
616lowast20
24= 513 [m3h]
Debitul masic m = V ∙ ρaer = 513 lowast 12 =
6156[kg
h]
3600= 0171 [kgs]
tp = minus3degC t0 = tp minus 9degC = minus3 minus 9 = minus12degC
Puterea termica a vaporizatorului ( puterea frigorifică )
ФV = Ф0
Puterea termica a icircncalzitorului
ФI = 119898 ∙ (hB - hD)
Cantitatea de apa condensată icircn unitatea de timp pe suprafața de racire este
Calculul necesarului de frig pentru depozit de fructe
33
ẆV = 119898 ∙ (XM - XD)
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
34
4 Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
Există două domenii principale icircn care se utilizează frigul artificial icircn lucrările de construcţii şi anume
icircngheţarea terenurilor acvifere icircn vederea săpării puţurilor de mină a barajelor a depozitelor de gaze lichefiate etc
prerăcirea componentelor betonului icircn cazul executării unor masive de beton ca de exemplu baraje
41 51 IcircNGHEŢAREA SOLULUI
411 511 CONSIDERAŢII GENERALE PRIVIND IcircNGHEŢAREA SOLULUI
Icircngheţarea artificială a solului reprezintă una dintre cele mai interesante şi icircn acelaşi timp şi importante aplicaţii practice a frigului artificial Totodată este una dintre primele aplicaţii industriale a tehnicii frigului şi care a asigurat o dezvoltare deosebită a industriei extractive Aşa se explică faptul că odată apărută maşina frigorifică cu absorbţie realizată icircn 1859 de către Ferdinand Carre este folosită la săparea primului puţ de mină prin icircngheţarea artificială a rocilor Dar nu numai industria minieră foloseşte icircn ultimul secol procedeul consolidării rocilor la săpararea unor lucrări subterane Lucrări inginereşti de tot genul ca metrouri staţii subterane de pompare rezervoare de gaze lichefiate poduri lucrări portuare şi altele asemănătoare amplasate icircn zone acvifere au fost realizate prin metoda consolidării prin frig a rocilor
Această metodă a consolidării rocilor prin frig artificial realizează icircn jurul lucrării inginereşti subterane un perete icircngheţat protector pe durata lucrărilor de construcţii Acest perete asigură o izolare hidraulică şi icircn acelaşi timp şi o protecţie mecanică Rezistenţa mecanică a rocilor creşte pe măsură ce temperatura lor scade icircncacirct metoda expusă mai sus prezintă avantajul reglării capacităţii portante a peretelui icircngheţat
Apa conţinută icircn terenuri prin icircngheţare capătă proprietăţile cimentului exprimate prin forţele de coeziune mari care apar icircntre cristalele de gheaţă şi grăunţii de rocă
Pentru obţinerea peretelui protector se folosesc sonde de icircngheţare forate pe conturul lucrării subterane şi prin care circulă agentul de răcire care poate fi un agent intermediar ca de exemplu saramura de clorură de calciu sau agentul frigorific de exemplu amoniacul Icircn funcţie de grosimea peretelui şi de rezistenţa mecanică pe care trebuie să o aibă se va alege temperatura agentului de răcire distanţa dintre sonde şi durata de icircngheţare
Instalaţia de consolidare prin frig a rocilor cuprinde trei părţi principale staţia frigorifică reţeaua de distribuţie a agentului de răcire (saramura) şi sondele de icircngheţare a solului
Staţia frigorifică cuprinde instalaţia frigorifică propriu-zisă cu comprimare mecanică de vapori sau prin absorbţie icircntr-o treaptă sau icircn două trepte Icircn funcţie de condiţiile de amplasament ale obiectivului staţia frigorifică poate fi de construcţie staţionară (icircn minerit) sau mobilă (la metrouri)
Reţeaua de distribuţie alcătuită din conducte metalice sau din mase plastice are rolul de a face legătura icircntre staţia frigorifică şi sondele de icircngheţare Pentru reducerea pierderilor de frig reţeaua de distribuţie se izolează termic
Sondele de icircngheţare constituie schimbătorul de căldură subteran prin care se extrage căldura de la terenul supus icircngheţării Icircn fig 51 se prezintă schiţa unei sonde de icircngheţare cu ajutorul saramurii Saramura rece cu temperatura icircntre -10 ordmC pacircnă la -35 ordmC
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
35
coboară prin ţeava interioară şi apoi se icircntoarce prin spaţiul inelar dintre cele două conducte concentrice
Figura 41 Fig 51 Sonda de icircngheţare 1 - şiu (tub scurt de oţel cu pereţi groşi rezistent) 2 - ţeava interioară 3 - ţeava exterioară (burlan de
icircngheţare) 4 - capul sondei
Circulaţia continuă a saramurii prin sonda de icircngheţare face ca rocile ce icircnconjoară sondele inclusiv apa conţinută icircn spaţiile libere să se răcească treptat Icircn jurul sondei icircncepe să se formeze stratul de rocă icircngheţată diametrul cilindrului de teren icircngheţat se măreşte icircn timp Aşa cum s-a arătat icircn capitolul 3 rezultă că dezvoltarea radială a cilindrului de rocă icircngheţată icircn jurul sondei se desfăşoară cu o viteza variabilă de icircnaintare la icircnceput viteza de icircnaintare a frontului de gheaţă este mai mare după care scade icircn timp Apoi se atinge stadiul staţionar de transfer de căldură cacircnd cilindrul nu mai creşte icircn dimensiuni Reiese că distanţa dintre sondele de icircngheţare este determinată de raza maximă a cilindrului de teren icircngheţat Pentru a realiza peretele icircngheţat care să reziste la solicitările la care este supus se impune ca distanţa dintre sondele vecine să fie mai mică decacirct raza maximă a terenului icircngheţat astfel icircncacirct cilindrii formaţi să se unească icircntre ei Icircn fig 52 se prezintă evoluţia icircn timp a icircngheţării terenului icircn jurul sondelor Icircn faza iniţială a icircnceput răcirea dar icircncă nu s-a format teren icircngheţat Icircn faza a II-a (după circa 20 zile) icircn jurul fiecărei sonde se formează cacircte un cilindru de teren icircngheţat fără ca aceştia să se unească Icircn faza a III-a (după circa 30 zile) cilindrii se icircntretaie şi formează peretele protector
Figura 42 Fig 52 Evoluţia cilindrilor individuali de rocă icircngheţată 1 - sonda de icircngheţare 2 - sonda de măsurători termice 3 - teren icircngheţat
Această evoluţie poate fi urmărită cu suficientă precizie prin măsurarea temperaturii masivului cu ajutorul unor sonde de măsurători termice 2 montate la distanţe bine stabilite de sondele vecine de icircngheţare Astfel icircn faza I-a temperatura este cea iniţială deci neafectată de prezenţa sondelor icircn faza a II-a temperatura este mai scăzută dar mai mare de 0 ordmC Cum icircn practică sondele de icircngheţare au o abatere de la poziţia verticală (sau de la cea impusă prin proiect) sondele de măsurători termice sunt prevăzute icircntre sondele
I II III
1
2 2 2
3 3
SARAMURĂ CALDĂ
IEŞIRE
INTRARE SARAMURĂ A E RECE
1
2
3
4
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
36
cele mai distanţate icircntre ele acolo unde evoluţia peretelui de protecţie este cea mai defavorabilă
Primele realizări inginereşti de consolidare prin frig artificial a terenurilor acvifere metodă prin care vor fi aduse la lumină multe bogăţii subterane sunt legate de numele inginerului de mine şi metalurgie Friederich Herman Poetsch El a obţinut icircn 27 februarie 1883 brevetul pentru procedeul său de adacircncire a puţurilor verticale icircn roci bogate icircn apă (şi curgătoare) Poetsch a reuşit să experimenteze procedeul său la adacircncirea unor puţuri de mină dar a avut şi multe insuccese icircncacirct la 9 iunie 1902 moare sărac şi dezamăgit Metoda de icircngheţare prin frig artificial a terenurilor a avut mare succes icircn Franţa Astfel numai icircn perioada 1892 - 1898 icircn bazinele carbonifere Nord şi Pas de Calais s-au săpat circa 20 puţuri pacircnă la o adacircncime de 100 m prin aplicarea metodei icircngheţării după planurile lui Poetsch
Desigur că nu ar putea fi omis numele lui Louis Gebhard care realizează numeroase lucrări de adacircncire a puţurilor prin icircngheţare atacirct icircn Germania cacirct şi icircn Franţa Anglia Olanda şi Polonia ceea ce face ca metoda propusă de Poetch să devină o tehnologie demnă de toată icircncrederea cu siguranţă absolută şi cu un mare randament
Gebhard un mare practician icircncepe sa folosească icircn locul instalaţiilor cu absorbţie realizate de F Carre pe cu cele cu comprimare mecanică de vapori realizate de Karl von Linde cu icircncepere din anul 1874
Poetsch icircn 1888 prevede extinderea procedeului de icircngheţare la construcţia podurilor la construcţii navale lucrări de fortificaţii la protecţia fundaţiilor subterane şi a bazinelor cu apă El susţine că poate să rezolve orice problemă sub apă chiar şi puţuri icircncepute şi abandonate
Icircn anul 1900 se depăşeşte bariera adacircncimii de 100 m Realizarea unor puţuri mai adacircnci (peste 100 m) ridică unele probleme icircn plus faţă de puţurile de mai mică adacircncime deoarece abaterile de la verticalitate pot conduce la formarea unor ferestre icircn peretele protector
Icircn ţara noastră această tehnologie de forare a unor puţuri de mină cacirct şi a galeriilor de metrou prin icircngheţarea solului a fost folosită cu icircncepere din anul 1961 aşa cum se prezintă icircn paragraful 513
412 512 CONSTRUCŢIA INSTALAŢIEI DE IcircNGHEŢARE A SOLULUI
Icircn funcţie de forma şi mărimea lucrării care se realizează la adăpostul terenului icircngheţat principial se pot utiliza următoarele tipuri de instalaţii
a) cu răcire indirectă denumită şi cu dublu schimb (fig53)
b)cu răcire directă icircn circuit icircnchis (fig 54)
c)răcire directă icircn circuit deschis (fig55)
a) Răcirea indirectă se utilizează icircn practică cel mai mult fiind cunoscută icircncă de la icircnceputurile metodei de icircngheţare a solului
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
37
Figura 43 Fig 53 Instalaţia frigorifică cu răcire indirectă 1 - compresor 2 - condensator3 - ventil de laminare 4 - vaporizator 5 - bazin de răcire a saramurii 6
- agitator 7 - pompă de saramură 8 - sonde de icircngheţare
Ca agent frigorific se poate folosi amoniacul sau freonii iar ca agent intermediar se utilizează soluţiile de clorură de calciu clorura de sodiu sau magneziu sărurile respective fiind relativ uşor de procurat
Instalaţiile frigorifice cuprind unul sau mai multe blocuri frigorifice Acest mod de compunere prezintă avantaje icircn ceea ce priveşte montarea cacirct şi exploatarea instalaţiilor se poate asigura o reducere icircn trepte a puterii frigorifice pe măsură ce creşte rezistenţa termică a stratului de teren icircngheţat
Componentele principale ale instalaţiei frigorifice se montează grupat pe cele trei secţiuni secţia de compresoare secţia condensatoarelor şi secţia vaporizatoarelor De regulă compresoarele se montează fie icircn aer liber atunci cacircnd tipul lor permite fie acoperite sub şarpante protectoare
Pe măsură ce se scot din funcţiune blocurile frigorifice se demontează şi se pot monta la un nou obiectiv
b) Răcirea directă icircn circuit icircnchis (fig 54) se utilizează icircn cazul icircn care adacircncimea de icircngheţare este mică
Figura 44 Fig 54 Instalaţia frigorifică cu răcire directă icircn circuit icircnchis 1 - compresor 2 - condensator 3 - ventil de laminare 4 - sonde de icircngheţare
Sondele de icircngheţare constituie vaporizatorul instalaţiei frigorifice Icircn cazul unor sonde de lungime mare icircnălţimea coloanei de agent frigorific este de asemenea mare Ca urmare a presiunii hidrostatice variabile şi temperatura de vaporizare este variabilă fiind mai mare
1
2
1111111 Apă
3
4
1
2
Apă 3
4
5
6
7
8
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
38
la capătul inferior şi mai mică la capătul superior Din acest motiv adacircncimea sondelor de icircngheţare nu poate depăşi anumite limite şi icircn plus se recurge la fragmentarea coloanei de lichid cu ajutorul unor pereţi despărţitori
Pierderile de agent frigorific mai mari decacirct icircn cazul răcirii indirecte reprezintă un alt inconvenient al acestui mod de răcire
c) Răcirea directă icircn circuit deschis constă icircn introducerea agentului frigorific (cel mai frecvent azot lichid) icircn sondele de icircngheţare fără ca acesta să mai fie folosit după vaporizare
La presiunea atmosferică azotul lichid fierbe la temperatura de -196 ordmC icircncacirct vaporii reci de azot icircnainte de a fi evacuaţi se folosesc de asemenea pentru congelarea solului fiind circulaţi prin sonde de icircngheţare (Fig 55)
Figura 45 Fig 55 Icircngheţarea cu azot lichid icircn două trepte 1 - ventil de laminare 2 - sonda de icircngheţare 3 - sonda de icircngheţare cu vapori de azot
Această metodă se foloseşte cacircnd se urmăreşte o icircngheţare rapidă şi volumul de teren icircngheţat este redus
Se vor prezenta icircn continuare unele elemente constructive ale instalaţiilor de icircngheţare
Reţeaua de saramură (fig 56) are rolul de a asigura transferul de căldură de la sol către agentul frigorific Cuprinde două schimbătoare de căldură cel subteran alcătuit din sondele de icircngheţare şi cel de suprafaţă reprezentat de vaporizatorul imersat icircn saramură Icircntre cele două schimbătoare de căldură există conducte magistrale distribuitoare - colectoare şi racorduri la sonde
Saramura răcită prin intermediul vaporizatorului 1 este circulată cu pompa 2 prin magistrala de tur a reţelei 3 Sondele de icircngheţare 5 se leagă prin vane la distribuitorul 4 şi colectorul 6 ambele de construcţie inelară Printr-o asemenea construcţie şi mod de legare a sondelor prezentate icircn figura 56 se asigură o echilibrare a căderilor de presiune pe sondele de icircngheţare şi ca urmare o alimentare uniformă cu agent intermediar şi deci şi o răcire uniformă pentru toate sondele
1
2
AZOT LICHID
VAPORI
AZOT -40OC
3
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
39
Figura 46 Fig 56 Schema reţelei de saramură 1- vaporizatorul 2 - pompa de saramură 3 - magistrala de tur 4 - distribuitorul inelar 5 -sondele de
icircngheţare 6 - colectorul inelar 7 - magistrale de retur M - manometru D - debitmetru T - termometru
Magistralele 3 şi 7 de acelaşi diametru şi lungime variabilă (determinată de o serie de factori) se pot monta atacirct la suprafaţă cacirct şi icircn canal
Magistralele se dimensionează icircn funcţie de puterea frigorifică a schimbătorului de căldură subteran alcătuit din sondele de icircngheţare
F0 qNHd [W] (51)
unde d - diametrul exterior al sondei de icircngheţare m
H - adacircncimea de icircngheţare m
N - numărul de sonde de icircngheţare
qF - densitatea fluxului termic raportat la suprafaţa exterioară a sondei La temperatura saramurii de - 20 ordmC se poate considera qF = (260290) Wm2
Debitul volumic V de agent intermediar icircn reţeaua de icircngheţare icircn funcţie de care se aleg
pompele se determină cu relaţia
tc
V o
(52)
icircn care este densitatea agentului intermediar kgm3
c - căldura specifică a agentului intermediar JkgK
t - creşterea temperaturii agentului (saramura) icircn sondele de icircngheţare K
La icircnceputul perioadei de răcire diferenţa de temperatură este t = 56 K ca apoi să scadă la 12 K
Icircn conductele magistrale se recomandă ca viteza saramurii să fie w = 0915ms
Icircn acest caz diametrul conductelor de transport a saramurii este dat de relaţia
w
V4D
[m] (53)
Icircn funcţie de valoarea determinată pentru D se aleg conducte metalice de diametru nominal cuprins icircntre 75200 mm Dacă rezultă D gt 200 mm se vor alege două conducte cu diametrul mai mic de 200 mm
2
T
T
M
M D
D
NH
3
3
4
6
5
7
1
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
40
Conductele magistrale se realizează prin icircmbinări cu flanşe sau sudate iar la lungimi mai mari de 100150 m se vor prevedea coturi compensatoare Pentru reducerea pierderilor de frig magistralele vor fi izolate termic
Distribuitorul de saramură răcită şi colectorul de saramură de la sonde sunt construcţii metalice identice
Icircn figura 57 se prezintă modul de racordare a sondelor de icircngheţare 5 la distribuitorul 1 şi colectorul 2 Vanele 3 asigură icircnchiderea deci oprirea circulaţiei şi reglajul debitului Prin aceste vane se poate izola o anumită sondă care nu funcţionează normal sau la care se observă o anumită defecţiune
Figura 47 Fig 57 Racordarea sondelor de icircngheţare la distribuitor şi colector 1 - distribuitor 2 - colector 3 - vane 4 - racord elastic 5 - sonda de icircngheţare
Poziţia distribuitorului şi colectorului faţă de racircndul sondelor de icircngheţare poate fi laterală de o singură parte sau laterală de ambele părţi ale sondelor Amplasamentul trebuie astfel făcut icircncacirct să fie posibilă vizitarea supravegherea şi eventual icircnlocuirea sondelor de icircngheţare
Racordarea sondelor la distribuitor şi colector se face prin cacircte un racord elastic (fig 57) Dimensionarea distribuitoarelor şi a colectoarelor se face din condiţia ca viteza saramurii să nu depăşească 0915 ms
Coloanele de distribuţie şi colectare urmăresc icircn teren forma şirului de sonde de icircngheţare şi pot avea acelaşi traseu sau trasee diferite Configuraţia traseului poate fi icircn linie sau circulară Icircn oricare din situaţiile prezentate distanţele dintre ştuţurile de racord şi sondele de icircngheţare sunt variabile astfel icircncacirct racordurile rigide prin flanşe şi sudură sunt greu de realizat Cea mai practică soluţie de racord icircn acest caz este furtunul de cauciuc (fig 57)
Icircn reţeaua de saramură poate pătrunde aer prin procesul de pompare ceea ce conduce la intensificarea acţiunii corosive a saramurii Icircn scopul icircndepărtării aerului nedorit pe partea superioară a conductelor icircn punctele cele mai ridicate ale acestora se montează robineţi de evacuare periodică a aerului şi eventual a altor gaze
Pe conductele magistrale se vor monta aparate de măsură şi control debitmetre termometre şi manometre (fig 56) Icircn acest caz se poate aprecia funcţionarea fiecărei sonde după depunerile exterioare de gheaţă pe racordul metalic sau de cauciuc lăsate neizolate termic tocmai icircn acest scop Icircn scopul urmăririi regimului de lucru sub aspect
5
4
1
2 3
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
41
hidraulic şi termic icircn mod individual se pot monta aparate de măsură şi control pe fiecare sondă de icircngheţare dar această soluţie este mai costisitoare
Sonda de icircngheţare realizează transferul de căldură de la terenul ce urmează a fi icircngheţat spre agentul frigorific (la răcirea directă) sau agentul intermediar (la răcirea indirectă)
Icircn figura 51 s-a prezentat schema de principiu a unei sonde de icircngheţare cu saramură activă pe toată lungimea Conducta exterioară sau burlanul de icircngheţare 3 este o conductă din oţel etanşă şi rezistentă la eforturile mecanice care apar datorită presiunii solului şi variaţiei de temperatură icircntre momentul fixării ei icircn sol şi cel al funcţionării la o temperatura sub 00C
Icircn procesul de icircngheţare coloana de burlane care poate atinge lungimi de sute de metri se contractă icircnsă nu liber deoarece ea este stracircnsă icircn masivul de roci La o variaţie de temperatură icircntre momentul iniţial (fără saramură) şi momentul pornirii circulaţiei de saramură de 400C conducta din oţel de 500 m adacircncime ar trebui să se contracte cu
tHH = 500 11 10-6 40 = 0220 m = 22 cm
Datorită fixării coloanei icircn gaura forată efortul unitar de icircntindere ce apare icircn urma scăderii temperaturii este
tE = 22 1010 11 10-10 40 = 968 105 Nm2 = 9680 Ncm2
La acest efort de icircntindere apărut datorită contracţiei coloanei se mai adaugă efortul de acelaşi semn provocat de dilatarea masivului de rocă acviferă icircngheţată Icircn scopul compensării eforturilor de icircntindere s-a propus icircmbinarea coloanei cu nipluri elastice O asemenea soluţie este mai scumpă şi icircn plus micşorează secţiunea liberă de curgere ceea ce conduce la icircncălzirea excedentară a saramurii
La lucrări subterane de mare adacircncime ca puţurile de mină depozite subterane se folosesc burlane de 1397 x 7 mm pentru a fi posibilă determinarea abaterii de la poziţie verticală
La tunelurile de metrou şi icircn general la lucrările la care adacircncimea de icircngheţare nu depăşeşte 50 - 60 m diametrul cel mai frecvent utilizat este 1143 x 7 mm
Ţeava interioară 2 (fig 51) numită şi tub de alimentare de regulă ţeava uşoară de instalaţii de 50 mm diametrul se introduce icircn burlanul exterior 3 fără icircnsă a atinge şiul de bază 1 al sondei Se asigură icircn acest mod un volum minimal de depuneri solide care circulă cu saramura icircn mod incidental Icircn scopul economisirii de metal tubul de alimentare poate fi din material plastic ceea ce prezintă marele avantaj al lipsei coroziunii şi al refolosirii materialului respectiv
Şiul de fund are rolul de a asigura icircnchiderea burlanului exterior icircn partea sa inferioară Cel mai adesea are formă conică pentru a asigura introducerea cu uşurinţă a coloanei metalice icircn gaura de sondă Această componentă a sondei de icircngheţare se execută fie prin turnare sau se confecţionează cu ajutorul sudurii
Corespunzător profilului geologic al terenului icircn care se lucrează se icircntacirclnesc şi cazuri cacircnd nu este nevoie să se icircngheţe terenul pe toată icircnălţimea sondelor ci numai la partea lor inferioară Icircn acest caz se folosesc sonde de icircngheţare zonală (fig 58) cu ajutorul cărora se asigură congelarea doar a zonei inferioare ceea ce prezintă avantaje economice deosebite nu se consumă energie pentru a icircngheţa icircn mod inutil formaţiuni geologice consistente şi uscate şi nu se reduce ritmul lucrărilor de săpare printr-o eventuală mărire a rezistenţei rocilor
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
42
Figura 48 Fig 58 Sonda de icircngheţare zonală
1 - burlan exterior 2 - tub de alimentare 3 - şiu 4 - tub de evacuare
Figura 49 Fig59 - Sonda de icircngheţare cu agent
frigorific 1 - tub exterior 2 - perete despărţitor 3 - şiu 4 -
ştuţ (ţeavă de preaplin) 5 - condensator - vaporizator
Icircn cazul răcirii directe sondele de icircngheţare cu agent frigorific sunt de construcţie specială (fig 59) Particularitatea acestor sonde este prezenţa pereţilor despărţitori 2 dispuşi unul sub celălalt la circa 3 m fiecare perete fiind prevăzut cu un ştuţ de preaplin O asemenea construcţie are rolul de a fracţiona coloane de lichid ceea ce asigură o răcire mai uniformă pe lungimea sondei
Fiecare sondă este prevăzută la partea superioară cu cacircte o cămaşă de răcire Sondele se umplu cu amoniac lichid icircntr-o asemenea cantitate icircncacirct fiecare secţie să fie icircnecată cu lichid respectiv pacircnă la partea superioară a ştuţurilor 4 Ca urmare a fluxurilor de căldură de la sol se produce fierberea amoniacului icircn toate secţiile sondei Vaporii formaţi se ridică prin ştuţurile 4 şi ajungacircnd la partea superioară a sondei se condensează cedacircnd căldură agentului (amoniac) din cămăşile de răcire
Ca urmare cămăşile de răcire de la partea superioară a sondelor constituie vaporizatorul instalaţiei frigorifice Amoniacul care se condensează la partea superioară a sondei curge icircnapoi (de sus icircn jos) prin ştuţurile 4 Folosirea pereţilor despărţitori şi a ştuţurilor micşorează influenţa presiunii hidrostatice a lichidului asupra temperaturii de vaporizare a amoniacului Asemenea sonde de icircngheţare se folosesc pentru lucrări de mică adacircncime
Amplasarea sondelor se face icircn funcţie de o serie de factori formă poziţia şi dimensiunile lucrării care se realizează structura terenului temperatura şi viteza agentului etc
Icircn cazul puţurilor de mină de secţiune circulară sondele se amplasează pe un cerc
concentric de diametru D mai mare decacirct diametrul de săpare Ds cu grosimea a peretelui icircngheţat
sDD (54)
Trebuie să se ţină seama şi de deviaţia sondelor de la poziţia verticală icircncacirct pentru adacircncimi mari se utilizează relaţia
3
2 4
1
VAPORI 5 LICHID
3
2
4 1
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
43
a21DD s (55)
unde a = 003 H este abaterea medie statistică de la verticală a sondelor
Distanţa dintre sonde se ia de obicei de 1014 m icircn terenuri rezistente şi de 0809 m icircn terenuri slabe
Pentru adacircncimi de peste 500 m se recomandă să se dispună sondele pe două cercuri concentrice pentru a se forma un perete de grosime mai mare şi deci mai rezistent
La icircngheţarea terenului icircn jurul puţurilor de secţiune dreptunghiulară sondele se pot dispune pe dreptunghi sau elipsă Icircn aceste situaţii centura de teren icircngheţat poate fi solicitată la icircntindere ceea ce este de nedorit deoarece limita de rezistenţa la icircntindere a terenurilor icircngheţate este de circa 3 ori mai mică decacirct limita rezistenţei la compresiune Din acest motiv chiar şi la puţurile de mină de secţiune dreptunghiulară sondele se dispun pe unul sau două cercuri (fig 510)
Pentru realizarea galeriilor icircnclinate icircngheţarea terenului se realizează cu sonde verticale (fig 511) sau combinat atacirct cu sonde verticale cacirct şi cu sonde icircnclinate (fig 512)
Distanţa dintre sondele verticale (fig 511) se ia de 23 m iar distanţa dintre racircnduri este de 1525 m
Se poate folosi cacircte un racircnd de sonde icircnclinate montate deasupra galeriei (fig 212 a) sau sonde icircnclinate sub galerie şi sonde verticale scurte deasupra galeriei (fig 512 b)
SONDA
154 m
16
6 m
226
262
85
SONDA
Figura 411 Fig 511 Amplasarea sondelor verticale pentru realizarea galeriei icircnclinate
Figura 411 Fig 510 Dispunerea sondelor icircn jurul puţurilor de mină de secţiune
dreptunghiulară
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
44
Figura 412 Fig 512 Realizarea galeriilor icircnclinate cu sonde verticale (1) şi sonde oblice (2)
I - secţiunea longitudinală II - secţiunea transversală a) sonde icircnclinate deasupra galeriei b) sonde icircnclinate sub galerie
413 513 UTILIZAREA METODEI DE IcircNGHEŢARE A SOLULUI IcircN ŢARA NOASTRĂ
a)Puţuri de mină
Aplicarea metodei de icircngheţare a solului pentru lucrări de minerit a avut loc la noi icircn ţară icircncepacircnd cu anul 1960 la puţul Godeni din bazinul carbonifer Cacircmpulung - Muscel Proiectul a fost elaborat icircn anul 1959 la IPROMIN Bucureşti iar lucrarea a fost executată cu Trustul Minier Argeş avacircnd icircn subantrepriză de specialitate Icircntreprinderea Frigotehnica Bucureşti şi Trustul de prospecţiuni explorări şi deschideri de mine noi Bucureşti
Adacircncimea de săpare a puţului Godeni a trebuit sa fie de 202 m Sondele de icircngheţare constituite din două ţevi concentrice (fig 51) cu diametrele exterioare de 146 mm şi respectiv 57 mm icircn număr de 27 au fost amplasate pe un cerc cu diametrul de 10 m la distanţa de 117 m una de alta
Instalaţia frigorifică a fost dimensionată cu mare precauţie pentru a avea o siguranţă mărită icircn funcţionarea ei Toate părţile componente ale instalaţiei frigorifice au fost proiectate şi executate icircn ţară
La proiectarea instalaţiei s-a avut icircn vedere funcţionarea de scurtă durată şi variaţia puterii frigorifice icircn timp S-a utilizat răcirea indirectă cu soluţie de clorură de calciu iar ca agent frigorific a fost folosit amoniacul Pentru a avea elasticitatea necesară icircn funcţionare la diferite puteri frigorifice au fost folosite grupuri de utilaje frigorifice şi anume
6 compresoare 4 AU - 20 (200000 kcal Nh =233 kW fiecare)
3 baterii de condensatoare atmosferice a cacircte 300 m2 (900 m2)
bazine pentru răcirea saramurii fiecare cu cacircte 2 vaporizatoare superintensive de 50 m2 (600 m2)
2 grupuri a cacircte 5 pompe pentru recircularea saramurii
Puterea frigorifică a instalaţiei montate a fost de 12106 kcal Nh =1395 kW şi s-a caracterizat prin următoarele date tehnice la exploatare
85
1
2
I 85
1
2
I
85
1
2
II
85
1
2 II
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
45
o suprafaţa de schimb de căldură a sondelor 2500 m2 o puterea instalaţiei 750 kW o debitul saramurii icircn
o icircn perioada activă 350 m3h o icircn perioada pasivă 70 m3h
o viteza de circulaţie a saramurii icircn sondă o tur 18 ms 036 ms o retur 029 ms 006 ms
o volumul rocilor icircngheţate circa 10000 m3 o consumul specific de frig mediu 50000 m3 o durata icircngheţării (perioada activă) 130 zile
Icircn timpul răcirii şi deci a icircngheţării solului puterea frigorifică scade icircn mod continuu icircncacirct treptat s-a scos din funcţiune cacircte un compresor icircn perioada pasivă (de săpare a puţului) s-a menţinut icircn lucru doar un singur compresor şi grupul de utilaje aferent
După terminarea lucrărilor de la puţul Godeni icircn anii următori aceeaşi instalaţie s-a montat la puţul Poenari din acelaşi bazin carbonifer unde sondele au fost amplasate pe un cerc cu diametrul de 11 m la distanţa de 128 m una de alta
Un alt puţ realizat prin această tehnologie de icircngheţare a solului a fost puţul Jugur de la acelaşi bazin carbonifer Centrala frigorifică a cuprins 15 compresoare 3 AV - 20 (150000 kcal Nh fiecare=175kW) repartizate icircn 5 linii tehnologice independente cu icircntreg utilajul aferent Fiecare linie este compusă din
o butelie de răcire intermediară BRI - 700 un condensator cu evaporare forţată CEF - 180 un bazin cu patru grupuri vaporizatoare intensive de cacircte 165 m2 (icircn total 66 m2)
Sondele de icircngheţare icircn număr de 27 bucăţi au fost prevăzute să se amplaseze pe un cerc cu diametrul de 104 m la distanţă de 121 m Sondele sunt de tipul celei indicată icircn figura 58 deci cu răcire zonală avacircnd următoarele caracteristici diametrul exterior al burlanului este de 146 mm iar tuburile interioare au 57 mm (la exterior) tubul de alimentare are lungimea de 430 m iar cel de evacuare este de 220 m Ca urmare sondele de icircngheţare trebuie să producă icircngheţarea solului numai pe adacircncimea de la 220 m la 430 m Prin proiect s-au prevăzut următoarele date temperatura saramurii - 35 ordmC viteza saramurii icircn conducte de tur 18 ms viteza icircn conducte de retur (pe adacircncimea de răcit) 06 ms durata icircngheţării (perioada activă) a fost de 75 zile
Au fost prevăzute temperaturi scăzute şi viteze mari de congelare deoarece cilindrul icircngheţat trebuie să preia presiuni de pacircnă la 56 bar
b)Tunelurile pentru metroul din Bucureşti
Icircncepacircnd cu anul 1976 pentru realizarea metroului din Bucureşti s-a procedat la aplicarea metodei de icircngheţare a solului icircntr-o zonă considerată experimentală dar cu realizări efective de galerii
Prin proiect s-a prevăzut consolidarea prin icircngheţare artificială a profilului de săpare a tunelurilor de metrou pe o lungime de circa 550 m pe ambele fire Amplasamentul sondelor s-a făcut icircn două variante (pentru experimentare) pentru un fir de tunel ambele racircnduri de sonde s-au fixat icircn profilul circular de săpare iar pentru cel de al doilea fir de tunel sondele au fost forate icircn afara profilului de icircnaintare (fig 513) Au fost folosite sonde cu saramură cu posibilitatea de icircngheţare pe toată icircnălţimea de 16 m cacirct şi sonde cu icircngheţare zonală icircntre adacircncimile de 7 m şi 16 m Distanţa dintre sonde a fost fixată la 14 m
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
46
Pentru a se icircmpiedica accesul apelor icircn frontul de săpare datorate unor eventuale zone neicircngheţate traseul de tunel icircngheţat a fost icircmpărţit icircn incinte icircnchise prin timpane transversale La distanţe de 3050 m icircn lungul traseului au fost montate sonde de icircngheţare aşezate icircn plan normal pe axul tunelului prin care să se icircnchidă accesul apelor spre frontul de săpare
Echipamentul frigorific principal cuprinde
- 8 compresoare frigorifice 3 AV - 20 funcţionacircnd icircntr-o treaptă pentru care
corespunde puterea frigorifică de 12 106 kcal Nh =1395 kW
- 4 condensatoare de evaporare forţată CEF - 250
- 3 bazine de răcire a saramurii echipate cu cacircte 4 grupuri de vaporizatoare superintensive de cacircte 51 m2 (total 612 m2)
- 3 grupuri de cacircte 2 pompe a 220 m3h pentru circulaţia saramurii pe traseele de distribuţie şi prin sonde
Figura 413 Fig513 Amplasamentul sondelor de icircngheţare
Centrala frigorifică este stabilă adăpostită icircntr-o baracă metalică demontabilă existacircnd posibilitatea de reamplasare rapidă a instalaţiei icircntr-un alt loc Agentul frigorific utilizat este amoniacul iar agentul intermediar este clorura de calciu
Icircn perioada principală de icircngheţare temperatura de vaporizare este to = -22 ordmC asiguracircnd răcirea saramurii la -17 ordmC iar pe retur saramura a avut temperatura cu 15 ordmC mai ridicată
La o asemenea lucrare realizată icircn oraş se impune protejarea contra icircngheţului a straturilor de deasupra galeriilor icircn care sunt amplasate instalaţiile de apă - canal ceea ce presupune folosirea sondelor cu icircngheţare zonală care să nu fie active la partea superioară
c) Puţuri pentru prospectarea balastierelor
Procedeul şi instalaţia frigorifică au avut caracter de noutate şi s-a aplicat icircncepacircnd cu anul 1966 la mai multe obiective icircn general pe văile racircurilor unde s-au construit hidrocentrale
A
A B
B
A-A
000 -300 -700 -1061 -1300
65
800
B-B
000 -300 -700 -1061 -1300
65
550
ARGILA
ARGILA
NISIP
NISIP
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
47
Echipamentul frigorific principal cuprinde un agregat frigorific pentru amoniac de 20000 kcal Nh = 233 kW rezervor de amoniac separator de lichid şi anexe - toate fiind montate pe o remorcă
S-au folosit sonde de icircngheţare cu agent frigorific icircn număr de 8 bucăţi cu diametrul exterior de 133 mm montate pe un cerc cu diametrul de 2 m la distanţa de 076 m lungimea lor fiind de 75 m Legarea sondelor la distribuitor şi colector s-a făcut cu racorduri flexibile
Sondele au o construcţie specială fiind prevăzute cu 4 pereţi transversali cu ştuţuri de preaplin formacircndu-se astfel 5 compartimente Agentul lichid se introduce icircn compartimentul cel mai de sus şi se scurge prin ştuţuri pacircnă la baza sondei Conducta de aspiraţie străbate toate compartimentele vaporii fiind aspiraţi din compartimentul cel mai de jos Circulaţia vaporilor formaţi se face ca şi a lichidului de sus icircn jos obţinacircndu-se astfel o răcire uniformă şi eficientă pe toată icircnălţimea sondei
Durata icircngheţării respectiv a formării centurii de teren icircngheţat la adăpostul căreia să se poată efectua săparea şi preluarea de probe de sol este de 10 zile
414 514 CAcircMPUL DE TEMPERATURĂ IcircN SOLUL IcircNGHEŢAT
Cacircnd prin sonda de icircngheţare circulă saramură a cărei temperatura este sub 0 ordmC practic - 20 ordmC-25 ordmC icircn jurul sondei se formează un cacircmp termic care icircn cazul unei singure sonde poate fi reprezentat prin suprafeţe cilindrice coaxiale de temperatură constantă (izoterme)
După distanţa radială se deosebesc icircn sol din punct de vedere termic trei zone zona cilindrică din imediata vecinătate a sondei care este icircn zona icircngheţată zona răcită cuprinsă icircntre suprafaţa cilindrică izotermă de 0 ordmC şi izoterma de temperatură naturală şi a treia zonă cea de temperatura naturală (fig 514)
Icircn zona icircngheţată temperatura masivului variază de la temperatura peretelui metalic al sondei pacircnă la 0 ordmC Icircn zona răcită temperatura masivului creşte de la 0 ordmC pacircnă la temperatura naturală a masivului
Figura 414 Fig 514 Cacircmpul de temperatură icircn jurul unei sonde de icircngheţare
Este important să se cunoască cacircmpul termic icircn terenul supus icircngheţării deoarece acesta oferă date privind zona de răspacircndire a consolidării rocilor prin solidificarea apei cacirct şi a
t [oC]
r [m]
t (r)
ZONA RACITA
ZONA INGHETAT
A
ts TEMPERATURA NATURALA A ROCII
-20
-10
40
10 0 20 30
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
48
rezistenţei mecanice a rocii icircngheţate Se cunoaşte faptul că rezistenţa mecanică depinde direct de temperatură
Studiul variaţiei temperaturii icircn zona de influenţă a unei sonde şi a tuturor sondelor simultan oferă posibilitatea calculării dimensiunilor la proiectarea construcţiei peretelui protector cacirct şi controlul procesului icircn timpul desfăşurării lucrărilor
Pentru a se stabili relaţia de variaţie a temperaturii icircn zona icircngheţată icircn funcţie de raza r se consideră ecuaţia diferenţială
dr
dtr2q (56)
icircn care q este fluxul unitar de căldură corespunzător lungimii de 1 m din sonda de icircngheţare Wm
- conductivitatea termica a terenului Wm
Integrarea directă a ecuaţiei analitice se poate face icircn ipoteze simplificatoare consideracircnd
= const şi q = const ceea ce este justificat la valori mari ale timpului de răcire
Se separa variabilele
r
dr
2
qdt
(57)
Se consideră cunoscute temperaturile t1 la suprafaţa sondei de raza r1 și t2 = 0 ordmC la raza r2 corespunzătoare suprafeţei exterioare a cilindrului icircngheţat Se integrează ecuaţia (6-7) și cunoscacircnd limitele de integrare se va determina constanta de integrare
Cr ln2
qt
(58)
pentru r = r1 t = t1 deci
11 rln2
qtC
(59)
1
1r
rln
2
qtt
(510)
Se pune condiţia ca pentru r = r2 t = t2
1
212
r
rln
2
qtt
(511)
Se elimina q intre relaţiile (510) și (511) şi se obţine
1
2
1121
r
rln
r
rln
tttt (512)
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
49
Figura 415 Fig 515 Schema schimbătorului de căldură subteran
Pentru t2 = 0 ordmC relaţia (5-12) devine
)rrln(
)rrln(tt
12
21 (513)
Icircn figura 515 se prezintă o secţiune axială printr-o sondă de icircngheţare şi variaţia temperaturii icircn limitele t0 - temperatura agentului de răcire şi ts - temperatura naturală a solului
Cantitatea de căldură transferată de la masivul neicircngheţat spre agentul de răcire prin unitatea de lungimea de conducta şi unitatea de timp se calculează cu expresia
221
2
1o
1
moo
os
d
1
d
dln
1
d
dln
2
1
d
1
ttq
(514)
Icircn calculele inginereşti cel mai frecvent se determină nu fluxul termic pe unitatea de lungime a conductei ci fluxul termic qF raportat la unitatea de suprafaţă a conductei metalice la 1 m2 de suprafaţa exterioară sau interioară Mărimea qF se calculează astfel
22
o
1
2
1
o
o
1
m
o
o
oS
o
F
d
d
d
dln
2
d
d
dln
2
d1
tt
d
(515)
Fluxul termic qF prin unitatea de suprafaţă a sondei de icircngheţare calculat pentru adacircncimea de 100 m icircn regim laminar de curgere a agentului de răcire prin spaţiul inelar al sondei cu viteza w = 01 ms la diametre ale cilindrului de rocă icircngheţata
de la 02 la 3 m pentru to = -20 ordmC do = 01 m 1 = 233 WmK variază de la 720 la 230 Wm2 aşa cum se poate observa din figura 516 şi tabelul 51
d2
d1
d0
t
qF
t0
t2
t1 2
m 1
m
ts
Conducta Teren icircngheţat Teren
neicircngheţat
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
50
Figura 416 Fig 516 Variaţia fluxului termic qF prin unitatea de suprafaţă a sondei de icircngheţare 1 - regim turbulent 2 regim laminar
Tabelul 51Variaţia fluxului termic qF [Wm2]
Diametrul cilindrului de rocă icircngheţată icircn m
02 04 05 08 10 15 20
qF regim laminar 1160 550 387 330 302
qF regim laminar 720 465 423 350 321 283 258
Se observă ca densitatea fluxului de căldura qF scade foarte mult de la 800900 Wm2 la icircnceputul operaţiei de consolidare prin frig a rocilor pacircnă la 230250 Wm2 cacircnd cilindrul de rocă icircngheţata atinge diametrul de 23 m Ca urmare a acestei situaţii şi puterea frigorifică a instalaţiei va scădea icircn decursul a 6080 zile tot cu raportul de 800230 = 35
Instalaţia frigorifică va fi constituită din grupuri de utilaje (module) ce vor fi scoase treptat din funcţiune pe măsură ce se reduce densitatea fluxului de căldură qF ca urmare a creşterii grosimii stratului de teren icircngheţat Icircn practică pentru calcule se va considera qF = (260290) Wm2
O mărime importanta pentru proiectarea instalaţiei şi aprecierea procesului de consolidare a rocilor este timpul de icircngheţare Pentru calculul duratei de icircngheţare se pot folosi relaţiile prezentate icircn capitolul 3 la formarea gheţii pe suprafeţe cilindrice exterioare La aprecierea valorii pentru ls - căldura latentă de solidificare se avea icircn vedere conţinutul de apă din terenul supus icircngheţării
Dacă icircntre relaţiile pentru dependenţele (r) şi qF(r) se elimină r se obţine dependenţa
qF() Eliminarea nu se poate face direct ci fie cu ajutorul calculatorului fie printr-o construcţie grafică prezentată icircn figura 517
Studiul variaţiei temperaturii icircn solul icircngheţat cacirct și variaţia icircn timp a densităţii fluxului de căldura se poate face cu ajutorul calculatorului electronic
1200
1000
800
600
400
200
0 05 1 15 2 25 3
qF [Wm2]
Diametrul cilindrului de rocă icircngheţată [m]
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
51
Figura 417 Fig 517 Stabilirea dependentei qF() pe baza dependentelor qF(r) și (r)
415 515 ELEMENTE DE PROIECTARE A INSTALAŢIEI FRIGORIFICE PENTRU IcircNGHEŢAREA SOLULUI
Pentru proiectarea instalaţiei frigorifice trebuie sa se stabilească la icircnceput elementele de baza și anume
- puterea frigorifică maximă care apare la icircnceputul perioadei de răcire cacircnd pătrunderile de căldura spre agentul de răcire din sondele de icircngheţare au valori mai mari temperatura de vaporizare a agentului frigorific plecacircnd de la temperatura minimă sau medie din solul icircngheţat şi avacircnd icircn vedere modul de răcire directă sau indirectă
Se calculează cantitatea totală de căldură ce trebuie extrasă din terenul supus răcirii şi icircngheţării Se cunoaşte structura terenului icircngheţat deci se cunosc icircnălţimile h1 h2hn ale diferitelor straturi componente cacirct şi proprietăţile termofizice ale acestora
Grosimea centurii de teren icircngheţat se stabileşte icircn urma calculelor de rezistenţa materialelor icircncacirct se pot calcula volumele ocupate de straturile componente V1 V2Vn
Cantitatea de căldură ce trebuie extrasă din zona icircngheţată cuprinde două componente și anume
cantitatea de căldura Qa corespunzătoare răcirii şi icircngheţării apei
cantitatea de căldura Qt necesara răcirii părţii solide a terenului
n
1kfgsikaakka tcltcVQ (516)
unde
k - reprezintă conţinutul icircn apă din stratul respectiv [m3m3]
a - densitatea apei [kgm3]
ca cg - căldura specifica a apei respectiv a gheţii Jkg K
tik - temperatura iniţiala a stratului respectiv (de ordinul k)
tf - temperatura medie finala a masivului icircngheţat
ls - căldura latentă de solidificare a apei
r
q
q
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
52
fik
n
1kkkkkt ttc1VQ
(517)
k - densitatea părţii de teren solid (uscat) din stratul k
ck - căldura specifică a terenului uscat din stratul k
Cantitatea de căldură extrasă din terenul răcit reprezintă circa 1018 din cantitatea de căldură extrasă din zona de teren icircngheţat
Deci cantitatea totală de căldură Q ce va trebui preluată de către instalaţia frigorifică se poate aprecia astfel
Q = (110118) (Qa + Qt) (518)
Cu relaţia (51) se calculează puterea frigorifica a instalaţiei adoptacircnd o valoare medie pentru densitatea fluxului de căldura qF
Se poate aprecia timpul de funcţionare a instalaţiei frigorifice
o
Q
(519)
La anumite grosimi ale cochiliei de teren icircngheţat icircn jurul sondei densitatea fluxului termic scade sub valoarea medie adoptată icircn calcule şi ca urmare icircncepacircnd de la acest moment se va putea reduce treptat puterea frigorifica a instalaţiei prin scoaterea din funcţiune a unor grupuri
La proiectare se pot avea icircn vedere unele recomandări practice pentru stabilirea necesarului de frig pentru icircngheţarea unui m3 la -10 ordmC este necesar un consum specific de frig de 66000 kJ la 10 umiditate de 155000 kJ la 35 umiditate și de 210000 kJ la 50 umiditate
42 52 RĂCIREA BETONULUI LA CONSTRUCŢIILE MASIVE
421 521 INSTALAŢII DE PRERĂCIRE A COMPONENTELOR BETONULUI
Formarea betonului din elementele sale componente (nisip pietriş ciment şi apă) este icircnsoţită de fenomene fizico - chimice icircn care se degajă căldură şi ca urmare temperatura acestuia creşte Icircn cazul unor masive din beton (baraje) dacă viteza de turnare (icircn sezonul cald cacircnd se efectuază construcţia) este mai mare şi nu se asigura evacuarea căldurii corpul rezultă la o temperatura medie mai mare decacirct temperatura medie anuală Răcirea naturală conduce la contracţia masivului şi ca urmare la apariţia sub acţiunea tensiunilor interne a unor fisuri
Pentru ca variaţiile de temperatura icircntre centrul barajului şi straturile exterioare să fie cacirct mai mici se impune ca masivul respectiv să fie turnat la temperatura medie anuală a zonei respective Icircn acest scop se pot folosi două metode prin prerăcirea componentelor betonului și prin răcirea masei barajului
Icircn vederea reducerii căldurii degajată icircn reacţia dintre ciment şi apă au fost realizate sortimente de ciment caracterizate prin călduri masice reduse ce se degajă icircn procesul de priză
Prin prerăcirea componentelor betonului se urmăreşte ca betonul sa aibă temperatura medie a locului de amplasament şi prin aceasta evitarea apariţiei unor diferenţe mari de temperatură ce pun icircn pericol construcţia
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
53
Icircn funcţie de valoarea diferenţei de temperatură care trebuie realizată se poate adopta o anumită schemă de răcire pentru fiecare component icircn parte sau numai pentru unele din aceste părţi componente
Se pot folosi instalaţii frigorifice cu comprimare mecanică de vapori pentru răcirea apei a aerului sau formarea gheţii mărunte utilizate la prerăcirea componentelor betonului Folosirea gheţii fulgi sau solzi este limitată atacirct din cauza conţinutului de apă impus cacirct şi ca urmare a pericolului ca gheaţa să nu se topească icircn procesul de malaxare ci la turnare sau icircn procesul de priză ceea ce duce la formarea de goluri icircn beton
De asemenea se pot folosi instalaţiile frigorifice cu ejecţie
Icircn vederea stabilirii necesarului de frig pentru preratildecirea componentelor betonului se calculează mai icircntacirci cantitatea de catildelduratilde Qo1 ce trebuie evacuatatilde dintr-un m3 de beton avacircndu-se icircn vedere proporţiile icircn care participatilde cimentul nisipul pietrişul şi apa Fiecare component are o temperatură iniţialatilde şi urmeazatilde a fi răcit pacircnatilde la o temperatura finalatilde tf aceeaşi pentru toţi componenţii
fpppfnnnfccc1o ttcmttcmttcmQ
fnaanfpaapfaaa ttcmttcmttcm Jm3 (520)
unde
mc mn mp ma - masele de ciment nisip pietriş şi apă conţinute icircntr-un m3 de beton [kgm3]
cc cn cp cw - căldurile specifice masice ale cimentului nisipului pietrişului şi nisipul dintr-un m3 de beton [kgm3]
Puterea frigorifică se determină cu relaţia
3b1oo 10VQ [kW] (521)
icircn care bV reprezintă fluxul de betonare icircn m3s
Se prezintă icircn continuare cele mai folosite metode de prerăcire a componentelor betonului
4211 a) Instalaţie de prerăcire cu apă
Staţia de preparare a betonului este deservită de o instalaţie frigorifică cu comprimare mecanică de vapori care asigură răcirea apei
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
54
Figura 418 Fig 518 Schema de lucru a instalaţiei de prerăcire a betonului cu ajutorul apei 1 - ciment 2 - vagon nisip 3 - vagon pietris 4 - tancuri de răcire a pietrişului 5 - sită 6 - siloz de
nisip 7 - siloz de ciment 8 - rezervor de distribuţie 9 - răcitor de nisip 10 - răcitor de ciment 11 - răcitor de apă 12 - rezervor de apă răcită 13 - răcitor de apă 14 - instalaţie de prepararea betonului
I II III IV V - fazele de răcire a pietrişului
Icircn figura 518 se prezintă schema de lucru a unei asemenea instalaţii de prerăcire a betonului cu ajutorul apei folosită la construcţia barajului de la Detroit (SUA) Apa este răcită de la 16 la 15 ordmC şi transmisă apoi la instalaţia de preparare a betonului şi icircn cinci rezervoare a cacircte 90 m3 fiecare icircn care se răceşte pietrişul
Procesul de răcire a pietrişului cuprinde cinci faze
- faza I - introducerea apei icircn rezervor 10 minute
- fazele II şi III - introducerea simultană a apei şi a pietrişului 50 minute
- faza IV - evacuarea apei 15 minute
- faza V - evacuarea pietrişului 15 minute
Icircntregul proces de răcire a pietrişului durează 90 minute Pentru răcirea cimentului şi nisipului se utilizează schimbătoare de căldură cu ax elicoidal la care apa de răcire circulă prin arborele gol şi prin manta
Rezervoarele 12 pentru apa răcită au fiecare volumul de 114 m3
Beton 635oC
190 m3h
65oC
24oC
18oC
1
2
3
4
5
6
7
8
10
9
11
12
13
14
Apă 16oC
15oC
Cim
en
t
26 l
h
Nis
ip 1
12
lh
10
oC
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
55
42111 Aplicaţie numerică
Să se calculeze puterea frigorifică necesară prerăcirii betonului prin metode şi condiţiile prezentate mai sus Se cunosc următoarele date de calcul
mp = 1700 kgm3 beton
mc = 135 kgm3 beton
mn = 590 kgm3 beton
ma = 60 kgm3 beton
cc = cn = cp = 921 Jkg K
ca = 4180 Jkg K
map = 16 kgm3 beton
man = 38 kgm3 beton
tp = 18 ordmC
tc = 66 ordmC
tn = 21 ordmC tf = 635 ordmC
052803000
190Vb m3s
Se calculează componentele cantităţii de căldură Q01
3fcccc 10741735666921135ttcmQ Jm3
3fnnnn 10796135621921590ttcmQ Jm3
3fpppp 1024018356189211700ttcmQ Jm3
3faaaa 10420235616418060ttcmQ Jm3
3fpaapap 1077935618418016ttcmQ Jm3
3fnaaan 10232735621418038ttcmQ Jm3
Rezulta
3anapapnc1o 1039144QQQQQQQ Jm3
3o 10 206705280103914410VQ 33
b1o kW
4212 b) Instalaţii de prerăcire cu aer apă
Pentru răcirea componentelor betonului se utilizează icircn acest caz fie apa fie aerul ca agenţi intermediari răciţi cu ajutorul instalaţiilor frigorifice
Icircn figura 519 se prezintă schema unei asemenea instalaţii folosită la construcţia barajului de la Sariyar din Turcia
Răcirea aerului se poate face fie direct prin vaporizarea unui agent frigorific fie indirect cu un agent intermediar de răcire ca de exemplu saramura de clorură de calciu Aerul răcit pacircnă la -6 ordmC este suflat icircn silozurile cu pietriş de dimensiuni icircntre 4150 mm
Apa răcită icircn bazinul la pacircnă la 05 ordm este trimisă din colectorul 12 la staţia de preparare a betonului servind la scăderea temperaturii acestuia
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
56
Figura 419 Fig 519 Schema instalaţiei de prerăcire a betonului cu aer şi apă 1 - compresor 2 - condensator 3 - ventile de laminare 4 - vaporizatoare 5 - bazin de răcire a
saramurii 6 - pompă de saramură 7 - răcitor umed de aer 8 - ventilatoare 9 - silozuri de pietriş 10 - bazin de răcire a apei 11 - pompă 12 - colector de apă răcită
Figura 420 Fig 520 Schema instalaţiei de prerăcire cu aer şi apă 1 - siloz de pietriş şi nisip 2 - siloz de ciment 3 rezervor de apă 4 - răcitor de aer 5 - răcitor de apă
4 - răcitor de apă 6 - buncăr de sortare 7 - instalaţie de preparare beton
Pentru intensificarea procesului de răcire a pietrişului aerul este răcit sub 0 ordmC Acest procedeu are avantajul unei funcţionări fără icircntrerupere a procesului de preparare a betonului dar prezintă şi o serie de dezavantaje debite foarte mari de aer de răcire posibilitatea antrenării particulelor fine de agregat icircn răcitorul de aer şi depunerea acestora pe suprafaţa de schimb de căldură Ca urmare instalaţia se va curăţa la circa 14 zile Icircn figura 520 se prezintă o altă schemă de instalaţie de prerăcire a betonului cu aer şi apă folosită la construcţia unui baraj din India
Apă
295oC
Ciment
433oC
Pietriş şi nisip
378oC
Apă 6oC
Ciment 433oC
Aer
Pietriş
45oC Nisip 222oC
22oC
Ap
ă
45
oC
Ap
ă 2
2o
C
Ae
r 5
5o
C
Be
ton
12
8o
C
Apă 22oC
2
1
3 4 5
8
9
5 7
12
1oC
11
05oC 9oC 9oC
-9oC
-10oC -10oC
-10oC 2oC
6oC
10 4 4 6
8 8
8
8 8
9 9 9 9
1
2
3 3
7
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
57
Pietrişul şi nisipul se separă icircntre ele icircn buncărul de sortare 6 şi apoi fiecare circulă pe cacircte o bandă transportoare prin camera de răcire 7 Pietrişul este răcit cu ajutorul apei
Fig
ura
42
1 F
ig 5
21
Sc
he
ma
in
sta
laţi
ei
de
ră
cir
e icirc
n v
id a
co
mp
on
en
telo
r b
eto
nu
lui
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
58
reci icircncacirct ajunge la o temperatură mai scăzută decacirct nisipul răcit cu aer Prin camera 7 se circulă şi aer rece care se introduce la temperatura de 55 ordmC Cimentul se introduce la instalaţia de preparare a betonului 9 fără a fi răcit
O altă posibilitate de prerăcire a agregatelor (pietriş şi nisip) şi a apei utilizată mai recent la construirea barajelor icircntrebuinţează răcirea icircn vid la care agregatele uşor umezite icircn recipiente sub presiune se răcesc după nevoie (prin reglarea vacuumului) la o temperatură mai scăzută sau mai ridicată Căldura necesară evaporării umidităţii de pe agregate şi din ele (apa legată) este luată chiar de la corpurile respective (pietriş nisip) şi ca urmare acestea se răcesc
O asemenea instalaţie utilizată la Hortwell icircn SUA (figura 521) cuprinde 3 recipienţi de cacircte 150 m3 pentru răcirea pietrişului şi 3 recipienţi de cacircte 80 m3 pentru răcirea nisipului
Pietrişul şi nisipul cu temperatura maximă de 43 ordmC se pot răci pacircnă la temperatura necesară de 45 ordmC Pentru realizarea vidului necesar se folosesc două cazane de abur care produc 77 th fiecare
422 522 RĂCIREA INTERIOARĂ A MASIVULUI DE BETON
Prerăcirea betonului se recomandă icircn condiţiile unei zone tropicale sau temperate de amplasare a construcţiei masive nu se recomandă icircn cazul amplasării barajului icircn munţi unde temperatura aerului este scăzută Icircn asemenea situaţii se recomandă răcirea betonului prin conducte amplasate icircn masiv prin care circulă apă rece
La răcirea interioară cu conducte montate icircn beton are loc o eliminarea a căldurii simultan cu producerea ei icircn procesul de priză producacircndu-se şi o răcire pacircnă la temperatura necesară Pentru răcire se folosesc conducte de oţel cu diametre de 1525 mm montate la distanţe de 1223 m icircn plan orizontal şi de 153 m icircn plan vertical Lungimea conductelor icircntr-un m3 de beton este de 0204 şi a fiecărei serpentine de 140250 m
Debitul apei de răcire ce circulă prin 1 m3 de beton este de (0553) dm3h
Figura 422 Fig 522 Reţea de conducte de răcire a betonului icircn secţiunea unui baraj 1 - galerie pentru măsurători 2 - galerie de conducte de apă de răcire
Serpentinele se montează şi se fixează pe suprafaţă de beton (fig522) Capetele serpentinelor se leagă de o coloană verticală prin mufe metalice sau de cauciuc Diametrul distribuitorului şi al coloanei este cuprins icircntre 150200 mm După montaj aceste conducte se verifică la presiunea de lucru
1 2
Ax
a
ba
raju
lui
Izolaţii termice
3
1 Izolaţii termice
11 Izolarea termică a pereților plani
111 Izolarea termică a spațiilor răcite
Izolarea termică a pereților planșeelor și pardoselilor spațiilor răcite (Figura 11) (tunele și camere de refrigerare sau congelare depozite frigorifice) necesită condiții deosebite de execuție datorită valorilor scăzute ale temperaturilor interioare variației rapide a acestora și umidității mari a aerului interior Rolul izolației termice icircn acest caz este de a reduce absorbția de căldură din exterior icircn vederea menținerii unui regim de temperatură și umidităti cacirct mai stabil
Materialul se aplică pe suprafața interioară a pereților spațiilor răcite cu condiția realizării unei continuități perfecte a stratului de izolație icircntre pereți planșeu și pardoseală
Icircn timpul răcirii aerului interior (icircn timpul funcționării instalației frigorifice) apare fenomenul de condensare a vaporilor de apă din aerul ambiant pe suprafața caldă a pereților și pătrunderea condensului icircn interiorul pereților izolați datorită diferenței dintre presiunile parțiale ale vaporilor de apă din aerul exterior și interior Apare icircn acest caz necesitatea montării unei bariere de vapori icircn interiorul stratului de izolație termică
Figura 11 Variatia temperaturii icircn peretele plan la spatiile racite
Figura 12 Variatia temperaturii icircn peretele plan la spatiile incalzite
112 Izolarea termică a spațiilor icircncălzite
Izolarea termică a pereților planșeelor și pardoselilor spațiilor icircncălzite (Figura 12) (camere de termostatare cuptoare de coacere celule de afunare la cald icircn industria
t
[oC]
qp
tii
tee
x [m]
1
1
iz 2
iz 3
1 t
[oC]
qp
ti i
te e
x [m]
1 iz 2
iz 3
Izolaţii termice
4
alimentară cuptoare de icircncălzire cuptoare de tratamente termice icircn industrie) are rolul de a reduce pierderea de căldură icircn exterior icircn vederea menținerii unui regim de temperatură și umiditate cacirct mai stabil
Materialul se aplică pe suprafața interioară a pereților spațiilor icircncălzite cu condiția realizării unei continuități perfecte a stratului de izolație icircntre pereți planșeu și pardoseală
113 Calculul grosimii izolației termice pentru o densitatea de flux termic cunoscută (condiții la limită de steța a II-a)
Cu notațiile din Figura 11 și Figura 12 densitatea de flux termic transmisă prin perete se calculează cu relația
e3
3iz
1
1
i
eip 1
iz
1
ttq
[Wm2] (11)
unde
e [Wm2middotgrd] este coeficientul de convecție aer exterior-perete pentru incintele răcite
icircn funcție de amplasarea și tipul peretelui valorile coeficientului e [Wm2middotgrd] sunt prezentate icircn Tabelul 11
Tabelul 11 Valorile coeficientului e pentru incintele răcite
Amplasarea și tipul peretelui e i
[Wm2middotgrd]
Pereți exteriori și acoperișuri fără pod expuși curenților de aer 28hellip30
Pereți exteriori și acoperișuri fără pod icircn contact cu aerul atmosferic cu circulație moderată
23hellip24
Acoperiș cu pod 11hellip12
Pereți interiori ce separă spatiul răcit de culoare sau camere vecine ventilate
15hellip18
Plafoane și pardoseli interioare 10hellip12
Suprafața interioară a pereților unei camere icircncălzite sau răcite 8hellip9
Pereții interiori ai camerei de depozitare a produselor răcite cu circulație moderată a aerului
9
Pereții interiori ai camerei de congelare camerei de racier preliminară a produselor cu circulație intensă a aerului
11
pentru pereții unor cuptoare valorile coeficientului de convecție e [Wm2middotgrd] și pierderile exterioare de căldură qp [Wm2] funcție de temperatură și tipul peretelui sunt prezentate icircn Tabelul 12
Tabelul 12 Valorile coeficientului e pentru pereții unor cuptoare
t [ordmC]
e [Wm2middotgrd] qp [Wm2]
pereți vopsiți cu lac de aluminiu
pereți din zidărie
pereți vopsiți cu lac de aluminiu
Pereți din Zidărie
40 870 1005 78178 89999
50 913 1058 115115 133115
60 956 1111 154882 179580
70 998 1163 196742 230230
80 1042 1213 242788 285067
90 1085 1272 293020 344090
100 1128 1326 345345 406042
110 1170 1389 300763 476367
Izolaţii termice
5
120 1214 1430 459623 539994
130 1256 1488 519064 615342
140 1298 1540 583947 692783
150 1343 1593 653016 774110
160 1386 1647 724178 858130
170 1428 1680 797433 946036
180 1472 1756 872781 1042310
190 1515 1808 954408 1138592
200 1558 1861 1036035 1239560
210 1600 1919 1121848 1347892
220 1642 1971 1213521 1454635
230 1686 2024 1301846 1565564
240 1730 2070 1393938 1674400
250 1773 2128 1496495 1799980
i [Wm2middotgrd] - coeficientul de convecție perete - aer interior - pentru incintele răcite icircn funcție de amplasarea și tipul peretelui valorile coeficientului
αi [Wm2grd] sunt prezentate icircn Tabelul 11
i
i [m2middotgrdW] - suma rezistențelor termice ale straturilor componente ale peretelui icircn
afara stratului de izolație termică
- ti te [ordmC] - temperatura aerului interior respectiv exterior
Rezultă grosimea stratului de izolație termică
e
1
3
1
q
tt 3
1
1
ip
eiiziz [m] (12)
Grosimea stratului de izolație termică se standardizează pentru fiecare material icircn parte
Cu noua valoare a grosimii stratului de izolație termică se recalculează densitatea de flux termic qp [Wm2]
Pentru incintele răcite valorile recomandate pentru pătrunderea de căldură (densitatea de flux termic) depind de temperatura aerului interior din spațiul răcit de mărimea și destinația spațiului respectiv
114 Calculul grosimii izolației termice pentru o valoare dată a coeficientului total de transfer de căldură
Cu notațiile din Figura 11 și Figura 12 coeficientul total de transfer de căldură se calculează cu relația
iiz
iz
i
i
e
11
1k
[Wm2middotgrd] (13)
Rezultă grosimea stratului de izolație termică
ii
i
eiziz
11
k
1 [m] (14)
Grosimea stratului de izolație calculată se standardizează pentru fiecare perete și material icircn parte
Izolaţii termice
6
Cu noua valoare a grosimii stratului de izolație termică se recalculează coeficientul total de transfer de căldură k
Icircn calculele practice se poate adopta o valoare a coeficientului total de transfer de căldură k = (02hellip05) Wm2middotgrd pentru pereți și tavan (pereți izolați cu polistiren expandat) și k = (03hellip07) Wm2middotgrd pentru pardoseală (perete izolat cu plută)
Pentru un calcul rapid se pot adopta următoarele valori ale coeficientului total de transfer de căldură funcție de diferența de temperatură ∆t = te - ti (Tabelul 13)
Tabelul 13 Valori ale coeficientului total de transfer de căldură funcție de ∆t
∆t [grd] 50hellip35 35hellip30 30hellip25 25hellip30 20hellip15 15hellip10 10
k [Wm2middotgrd] 023hellip035 040 045 052 058 063 070
Pentru diverse elemente izolate ale incintelor răcite valorile coeficientului total de transfer de căldură sunt indicate icircn Tabelul 14 Tabelul 15 Tabelul 16 Tabelul 17
Tabelul 14 Valori ale coeficientului total de transfer de căldură pentru pereți exteriori
Temperatura aerului din incinta răcită ti [ordmC]
k [Wm2middotgrd]
zona nordică zona medie
zona sudică
-30hellip-18 032 025 023
-10 040 035 029
-4 046 040 035
0 052 046 040
4 065 058 049
12 078 070 058
Tabelul 15 Valori ale coeficientului total de transfer de căldură pentru pereți interiori
Temperatura aerului din incinta răcită ti [ordmC]
k [Wm2grd
zona nordică zona medie zona sudică
a b a b a b
-30hellip-18 029 028 025 023 021 020
-10 037 035 031 029 025 020
-4 043 039 037 035 031 029
0 048 045 042 039 036 033
4 058 053 052 049 044 041
Obs a) acoperiș cu pod b) acoperiș fără pod
Tabelul 16 Valori ale coeficientului total de transfer de căldură funcție de destinația incintei răcite
Incinta răcită Tempaerului ti [ordmC] k [Wm2middotgrd]
Camera de congelare -23hellip-35 035
Depozit produse congelate
-18hellip-25 041
Depozit produse refrigerate
0 052
4 070
12 092
Tabelul 17 Valori ale coeficientului total de transfer de căldură funcție de poziția peretelui
Poziția peretelui k [Wm2middotgrd]
Perete icircntre două depozite de produse congelate
052
Perete icircntre două depozite de produse refrigerate
058
Izolaţii termice
7
Perete icircntre camere de congelare și depozite de produse congelate
046
Perete icircntre camere de congelare și depozite de produse refrigerate
035
Perete icircntre un depozit de produse congelare și un depozit de produse congelate
046
Pentru diverse construcții cu pereți executați din panouri mari de beton valorile coeficientului total de transfer de căldură sunt prezentate icircn Tabelul 18
Tabelul 18 Valori ale coeficientului total de transfer de căldură pentru pereți executați din panouri mari de beton
Material Greutate specifica ρ [kgm2]
Grosime perete δ [mm]
k [Wm2 middotK]
Perete interior
Perete exterior
Panouri mari icircn strat omogen tencuiți interior și exterior
1300 260 15119 13491
1350 300 14537 13142
Panouri mari icircn trei straturi avacircnd la interior și exterior beton armat iar la mijloc termoizolație
- plăci semirigide din vată minerală
1600 200 13374 12095
- sticlă spongioasă 1450 220 12793 11630
- plută minerală 1600 200 12793 11630
12 Izolarea termică a pereților cilindrici
Calculul termic al sistemelor de conducte reprezintă un caz particular al transferului de căldură icircntre două fluide despărțite de un perete format din unul sau mai multe straturi Icircn functie de temperatura fluidului transportat se deosebesc două categorii de conducte izolate termic
conducte care transportă fluide calde (Figura 13) la care izolația termică are drept scop reducerea pierderilor de căldură și de temperatură icircn mediul ambiant și asigurarea unor temperaturi pe suprafața exterioară icircn conformitate cu normele de protecție a muncii
conducte care transportă fluide reci (Figura 14) la care izolația termică are drept scop micșorarea absorbției de căldură din mediul ambiant și evitarea condensării umiditătii din aer pe suprafața conductelor
Figura 13 Variatia temperaturii icircn peretele conductelor care transportă fluide calde
r [mm]
iz sp p
tf f
tp1
te e
t
[oC]
di
de
diz
dsp
tp2
tp3 tp4
ФL
Izolaţii termice
8
Figura 14 Variatia temperaturii icircn peretele conductelor care transportă fluide reci
121 Calculul grosimii izolației termice pentru un flux termic liniar cunoscut (condiții la limită de speța a II-a)
Se consideră o conductă cu un strat de izolație de bază și un strat protector (Figura 13 pentru conducte care transportă fluide calde și Figura 14 pentru conducte care transportă fluide reci) Icircn vederea calculării grosimii izolației termice sunt necesare următoarele date
amplasarea conductei și temperatura mediului ambiant te [ordmC]
dimensiunile conductei di și de [m]
temperatura fluidului transportat tf [ordmC]
construcția și materialul izolației termice iz [WmK]
modul de susținere a conductei armăturile și compensatoarele de dilatație Fluxul termic liniar (unitar) transmis prin conducta izolată se calculează cu relația
LeLspLizLpLi
efL
RRRRR
tt
[Wm] (15)
unde
rezistența superficială liniară a fluidului transportat este
RLi = iid
1
[mmiddotgrdW] (16)
Rezistența superficială liniară RLi se ia icircn calcule icircn următoarele cazuri
- la diametre ale conductei di lt 50 mm dacă i lt 150 Wm2middotgrd
- la diametre ale conductei 50 lt di lt 500 mm dacă i lt 120 Wm2middotgrd
- la diametre ale conductei di gt 500 mm dacă i lt 90 Wm2middotgrd
Pentru unele fluide (abur supraicircncălzit de icircnaltă presiune abur saturat apă agenți frigorifici uleiuri) rezistența superficială RLi se poate neglija reprezentacircnd sub 1 din rezistența totală
rezistența termică liniară a peretelui conductei este
r [mm]
iz sp p
tff
tp1
tee
t
[oC]
di
de
diz
dsp
tp2
tp3
tp4 ФL
Izolaţii termice
9
RLp = id
edln
p2
1
[mmiddotgrdW] (17)
Pentru conductele metalice conductivitatea termică a materialului are valori ridicate ( gt 15 WmmiddotK) din care cauză rezistența termică RLp poate fi neglijată reprezentacircnd sub 1 din rezistența totală
rezistența termică liniară a stratului de izolație este
RLiz = ei
iz
iz d
d
2
1ln
[mmiddotgrdW] (18)
rezistența termică liniară a stratului protector este
RLsp = izi
sp
sp d
d
2
1ln
[mmiddotgrdW] (19)
Icircn general stratul protector este realizat sub forma unui inveliș metalic (tablă vopsită tablă zincată tablă din aluminiu) sau sub forma unui strat de tencuială cu grosimi de (10hellip20) mm Icircn Tabelul 19 este indicată conductivitatea termică λsp [WmmiddotK] pentru cacircteva materiale utilizate la realizarea stratului protector
Tabelul 19 Conductivitatea termică λsp
Material ρ [kgm3] λsp [WmmiddotK]
Ciment și gips 900hellip1000 023 la 50ordmC
Pastă bituminoasă și mastic asfaltos
1000hellip1150 030 la 50ordmC
Ciment 1600hellip1900 029 la 50ordmC
Strat anticoroziv 1000hellip1100 017hellip023 la 50ordmC
Icircn cazul icircnvelisului metalic rezistența termică RLsp poate fi neglijată
Icircn cazul stratului de tencuială rezistența termică RLsp reprezintă pacircnă la 20 din rezistența totală
rezistența superficială liniară a mediului ambiant este
RLe = espid
1
[mmiddotgrdW] (110)
Rezistența superficială liniară a mediului ambiant funcție de diametrul conductei și de amplasarea acesteia este data icircn Tabelul 110
Pentru calcule exacte valorile coeficientului de convecție la contactul intre stratul protector și mediu ambiant icircn funcție de amplasarea conductei sunt prezentate icircn Tabelul 111
Rezultă rezistența termică a stratului de izolație
e
iz
izLeLspLpLi
L
efLiz
d
d
2
1RRRR
Q
ttR ln
[mmiddotgrdW] (111)
Grosimea stratului de izolație termică
LeLpLi
L
efiz
e
iz RRRQ
tt2
d
d
ln [m] (112)
de unde
Izolaţii termice
10
1
d
dd50
e
izeiz [m] (113)
Tabelul 110 Rezistența superficială liniară a mediului ambiant
Dn [mm]
Conducte icircn icircncăperi Conducte icircn aer liber cu coeficient mic de
radiație a icircnvelișului cu coeficient mare de radiație a icircnvelișului
Temperatura fluidului transportat tf [ordmC]
100 300 500 100 300 500 100 300 500
32 050 035 030 033 022 017 012 009 007
40 045 030 025 029 020 015 010 007 005
50 040 025 020 025 017 013 009 006 004
100 025 019 015 015 011 010 007 005 004
125 021 017 013 013 010 009 005 004 003
150 018 015 011 012 009 008 005 004 003
200 016 013 010 010 008 007 004 003 003
250 013 010 009 009 007 006 003 003 002
300 011 009 008 008 007 006 003 002 002
350 010 008 007 007 006 005 003 002 002
400 009 007 006 006 005 004 002 002 002
500 0075 0065 006 005 0045 004 002 002 0016
600 0062 0055 005 0043 0038 0035 0017 0015 0014
700 0055 0051 0045 0038 0035 0032 0015 0013 0012
800 0048 0045 0042 0034 0031 0029 0013 0012 0011
900 0044 0041 0038 0031 0028 0026 0012 0011 0010
1000 0040 0037 0034 0028 0026 0024 0011 0010 0009
2000 0022 0020 0017 0015 0014 0013 0006 0006 0005
Observatii
Pentru temperaturi ale fluidului transportat tf lt 100ordmC se aleg valorile pentru tf = 100ordmC
Invelișurile cu coeficient mic de radiație sunt executate din tablă zincată tablă din aliaje de aluminiu și aluminiu oxidat tablă vopsită cu lacuri din aluminiu
Invelișurile cu coeficient mare de radiație sunt executate din tencuială plăci de sticlă diverse vopsele (exclusive din aluminiu)
Grosimea stratului de izolație termică se standardizează funcție de materialul ales
Tinacircnd seama de stratul protector din ciment și paste bituminoase cu diverse grosimi se calculează grosimea reală a stratului de izolație cu coeficientul de corecție ∆[mm] cu valori date icircn Tabelul 112
Tabelul 111 Valorile coeficientului de convecție la contactul intre stratul protector și mediu ambiant
Amplasarea conductei
Icircn icircncăperi Icircn aer liber la viteza
vacircntului w [ms] cu coeficient mic de radiație a icircnvelișului
cu coeficient mare de radiație a icircnvelișului
5 10 15
orizontală 6 10 20 25 35
verticală 7 11 25 35 50
Observatie Icircn absența datelor privind viteza vacircntului se admite w = 10 ms
Tabelul 112 Coeficientul de corecție ∆[mm]
δsp [mm]
λiz [WmmiddotK] 007 008 009 010 011 012
Izolaţii termice
11
10 2 2 2 3 3 3
15 3 3 4 4 5 5
20 4 4 5 6 6 7
La alegerea grosimii stratului de izolație termică trebuie să se țină seama și de tasarea materialului prin coeficientul de tasare Kt definit ca raportul dintre volumul construcției termoizolate icircn funcțiune și volumul contrucției la montaj Se recomandă Kt gt 1 pentru a preveni deprecierea izolației termice
Pentru cacircteva materiale termoizolatoare valorile coeficientului de tasare sunt recomandate icircn Tabelul 113
Tabelul 113 Valorile coeficientului de tasare Kt
Material Kt
Saltele din vată minerală perforată 12hellip13
Saltele din vată de sticlă cu legătură sintetică 16
Saltele și plăci din vată minerală moale cu legătură sintetică
15
Plăci semirigide din vată minerală cu legătură sintetică 12
Plăci semirigide din vată de sticlă cu legătură sintetică 115
Plăci moi din vată minerală cu legătură din bitum 15
Plăci semirigide din vată minerală cu legătură din bitum 12
Grosimea stratului de izolație termică la montaj va fi
ize
izetizo
2d
dK
[m] (114)
Valorile fluxului termic liniar (unitar) ФL [Wm] icircn funcție de diametrul exterior al conductei neizolate de [m] temperature fluidului transportat tf [ ordmC] și de amplasarea conductei sunt prezentate icircn Tabelul 114
Tabelul 114 Valorile fluxului termic liniar
de [mm]
tf [ ordmC]
80 100 180 200 250
a b a b a b a b a b
10 8 13 21 24 35 37 48 49 62 60
20 12 15 27 31 43 47 58 63 74 79
32 14 17 33 36 50 53 67 72 86 90
48 15 21 36 42 57 62 76 84 98 105
57 16 24 37 47 62 67 81 91 105 112
76 17 29 43 52 67 77 91 100 115 126
89 19 33 45 58 72 83 95 108 122 133
108 26 36 52 64 79 90 105 117 131 145
133 31 41 62 70 88 99 117 129 140 158
159 36 44 70 76 98 109 130 140 163 172
194 41 49 77 85 108 120 144 151 178 188
219 46 53 81 91 116 128 154 163 192 204
273 49 62 91 101 129 145 170 186 213 230
325 52 70 99 116 142 163 186 209 233 256
377 58 82 107 133 152 181 204 231 254 279
426 62 95 114 149 163 201 221 254 273 302
478 70 104 127 158 180 215 238 273 294 326
529 77 110 140 169 198 228 256 285 314 349
630 95 121 163 186 227 254 294 320 364 384
Izolaţii termice
12
720 110 134 186 205 256 277 326 345 395 416
830 128 157 209 233 291 309 366 384 442 463
920 157 180 238 262 320 344 401 430 483 512
1020 174 209 262 297 349 384 430 473 523 564
Observatii
a-conducte izolate amplasate icircn icircncăperi și canale cu temperatura medie a aerului te = (20hellip30) ordmC
b-conducte izolate amplasate icircn aer liber cu temperatura medie te = (0hellip15) ordmC și conducte subterane amplasate icircn canale nevizitabile cu temperatura medie a solului te = 5 ordmC
Fluxul termic total transmis prin suprafața conductei izolate va fi
Ф=ФLmiddotLC [W] (115)
unde
Lc [m] este lungimea de calcul (echivalentă) a conductei se calculează cu relația
Lc = KmiddotL+l [m] (116)
K - coefficient ce ține seama de pierderile suplimentare de căldură prin elementele de susținere a conductei (Tabelul 115)
L [m] - lungimea conductei
l [m] - lungimea de conductă izolată care echivalează pierderile de căldură prin armăturile de icircnchidere (vane ventile Tabelul 116 și prin icircmbinări (pentru icircmbinări cu flanșe se recomandă l = 1hellip15 m)
Tabelul 115 Valorile coeficientului K
Modul de susținere a conductei
Coeficientul K conducte amplasate icircn
icircncăperi conducte amplasate icircn
aer liber
prin agățare 110 115
prin rezemare 115 125
Tabelul 116 Lungimea de conductă izolată care echivalează pierderile de căldură prin armăturile de icircnchidere
di [mm]
Conducte icircn icircncăperi Conducte icircn aer liber
tf = 100 ordmC
tf = 400 ordmC tf = 100 ordmC tf = 400 ordmC
100 25 50 45 60
500 30 75 60 85
Dacă lungimea conductei nu este cunoscută se mărește valoarea coeficientului K astfel
pentru conducte amplasate icircn icircncăperi K = 12
pentru conducte amplasate icircn aer liberi K = 125
122 Calculul grosimii izolației termice pentru o temperatură dată pe suprafața acesteia
Normele de protecție a muncii impun temperatura pe suprafața exterioară a conductei izolate egală cu 50 ordmC pentru stratul protector din tencuială și 55 ordmC pentru stratul protector metalicTemperatura de 60 ordmC este limita maxima admisibilă peste care apare accidentarea prin arsură a personalului de exploatare
Conform notațiilor din Figura 13 (conductă care transportă fluide calde) fluxul termic liniar (unitar) se calculează cu relația
Izolaţii termice
13
e4pspeLpLizLspLi
4piL ttd
RRRR
tt
[Wm] (117)
Rezistențele termice RLi și RLp pot fi neglijate
Grosimea stratului de izolație termică se calculează icircn două etape
se neglijează rezistența termică a stratului protector RLsp = 0 și rezultă
24pee
4piiz
e
iz
e
iz
ttd
tt2
d
d
d
d
ln (118)
Ecuație de forma xmiddotlnx = const (x = dizde) rezolvarea ei făcacircndu-se grafic sau prin icircncercări
Rezultă
1
d
dd50
e
izeiz [m] (119)
ținacircnd seama de stratul protector se calculează grosimea reală a stratului de izolație termică cu coeficientul de corecție ∆ [mm] (Tabelul 112)
δizrsquo = δiz - ∆ [mm] (120)
Se calculează fluxul termic liniar (unitar) ΦL [Wm] și apoi modificacircnd grosimea stratului de izolație se verifică temperatura impusă tp4 [ ordmC]
Determinarea necesarului de căldură și apă caldă pentru un imobil
14
2 Determinarea necesarului de căldură și apă caldă pentru un imobil
Casa este situata icircn judetul Galati orasul Galati icircn partea de nord a orasului Este amplasata pe un teren cu suprafata de 300mp ea icircn sine avand o amprenta la sol de 123mp
Orasul Galati se situeaza icircn zona climatica numarul II Conform standardului ldquoSR1907 - 1 - 2014rdquo temperatura de referinta pentru aceasta zona este de -15 degC
Icircn figura de mai jos este reprezentat imobilul ce va trebui incalzit Este desenat icircn programul Archicad și prezinta urmatoarele vederi
Figura 21 Planul casei cu dimensiuni și orientare dupa punctele cardinala
Determinarea necesarului de căldură și apă caldă pentru un imobil
15
Figura 22
Figura 23 Vedere fata Nord
Determinarea necesarului de căldură și apă caldă pentru un imobil
16
Figura 24 Vedere fata Sud
Figura 25 Vdere fata Est
Determinarea necesarului de căldură și apă caldă pentru un imobil
17
Figura 26 Vedere fata Vest
Figura 27 Vedere de ansamblu
Determinarea necesarului de căldură și apă caldă pentru un imobil
18
Dimensiunile casei și a incaperilor sunt afisate icircn tabelul urmator
Incapere Suprafata mp
1 Hol intrare+ Living + Hol 3353
2 Dormitor mare 1804
3 Dromitor mic 12
4 Bucatarie 112
5 Baie mare 48
6 Baie mica 475
7 Camera tehnica 72
Total suprafata 9152
Total perimetru casa 444 m
21 22 Determinarea necesarului de căldură și apă caldă menajeră pentru imobil
Pentru studiul necesarului de flux termic este nevoie sa cunoastem posibilele pierderi de căldura cat si modul de utilizare al acesteia Ecuatia generala a bilantului termic ce se foloseste icircn calcularea fluxului de căldura
Q = Q1+ Q2+ Q3 [W]
Q1- fluxul de căldura pierdut prin transmisie
Q2- fluxul de căldura necesar incalzirii aerului ventilat
Q3- fluxul de căldura necesar prepararii apei calde
Fluxul termic pierdut prin transmisie este distribuit intre elementele constructive ale casei si anume Q11 - pereti Q12 - podea Q13 - tavan Q14 - geamuri
Q1= Q11+ Q12+ Q13+ Q14 [W]
Formula care se utilizeaza icircn calculul pentru fiecare fux termic icircn parte este comuna celor patru elemente
Q1i= Si middot Ki middot (tint - text) [W]
Unde Si - suprafata totala calculata a fiecarui element icircn parte se iau icircn considerare doar elementele care au legatura cu exteriorul [m2] ki - coeficientul global de transfer termic specific fiecarui element icircn parte [Wm2C] tint - temperatura din interiorul imobilului [degC] text - temperatura exterioara Icircn cazul podelei de utilizeaza temperatura solului șisau a pivnitei [degC]
Coeficientul global de transfer termic se calculeaza dupa formula
ki = 120783
120783
120514119842 + sum
120517119842
120524119842+
120783
120514119838119847119843=119842
[Wm2C]
Unde αi = coeficientul de transfer convectiv din interior αi = 8 Wm2C αe = coeficientul de transfer termic convective din exterior αe = 20 Wm2C λi - conductivitatea termica a stratului i pe care il aflam din fisa tehnica am materialului stratului respectiv [WmmiddotK] δi- grosimea stratului I [m]
Temperatura ce trebuie mentinuta icircn interiorul imobilului este de 22 degC
Coeficentul de convectie termica αi = 8
211 Mers de calcul pentru Q1
Q11 - flux termic pierdut prin pereti
Specificatii perete exeterior
Tencuiala δ 0025 m Grosime
Determinarea necesarului de căldură și apă caldă pentru un imobil
19
interioara λ 093 WmmiddotK Conductivitate termica
Rt 0026882 m2middotKW Rezistenta termica
Zidarie BCA δ 03 m Grosime
λ 014 WmmiddotK Conductivitate termica
Rt 2142857 m2middotKW Rezistenta termica
Tencuioala exterioara
δ 0025 m Grosime
λ 093 WmmiddotK Conductivitate termica
Rt 0026882 m2middotKW Rezistenta termica
Vata bazaltica δ 01 m Grosime
λ 0037 WmmiddotK Conductivitate termica
Rt 2702703 m2middotKW Rezistenta termica
Placa fibrocement
δ 001 m Grosime
λ 02 WmmiddotK Conductivitate termica
Rt 005 m2middotKW Rezistenta termica
Tencuiala decorativa
δ 0005 m Grosime
λ 093 WmmiddotK Conductivitate termica
Rt 0005376 m2middotKW Rezistenta termica
K11 = 1
1
120572119894+
1205751
1205821+
1205752
1205822+
1205753
1205823+
1205754
1205824+
1205755
1205825+
1205756
1205826+
1
120572119890 =
11
8 +
0025
093+
03
014+
0025
093+
01
0037+
001
02+
0005
093+
1
22
K11 = 0194943188 Wm2C
S11 = h middot lp = 3 middot 3901 = 11703 m2
h - inaltimea peretelui [m]
lp - lungimea perimetrala a peretelui [m] (din care s-au scazut suprafetele vitrate)
Δt = ti - te = 22 + 15 = 37degC
ti - temperatura interioara
te - temperatura exterior
Q11 = K11 middot S11 middot Δt = 0194943188 middot 11703 middot 37 = 8441254483 W
Perete exterior
ti 22 degC αi 8 Wm2 k
te -15 degC αe 22 Wm2 k
δ1 0025 m λ1 093 Wmk tp1 2109758812 degC
δ2 03 m λ2 014 Wmk tp2 2090352105 degC
δ3 0025 m λ3 093 Wmk tp3 5433603161 degC
δ4 01 m λ4 0037 Wmk tp4 523953609 degC
δ5 001 m λ5 02 Wmk tp5 -1427207206 degC
δ6 0005 m λ6 093 Wmk tp6 -1463303681 degC
tp7 -1467185023 degC
q 7219295 W
Determinarea necesarului de căldură și apă caldă pentru un imobil
20
Figura 28
Q12 - fluxul termic pierdut prin podea
Specificatii podea
Placa fibrocement
δ 001 m Grosime
λ 02 WmmiddotK Conductivitate termica
Rt 005 m2middotKW Rezistenta termica
Sapa δ 01 m Grosime
λ 0035 WmmiddotK Conductivitate termica
Rt 2857143 m2middotKW Rezistenta termica
Polistiren extrudat
δ 005 m Grosime
λ 0033 WmmiddotK Conductivitate termica
Rt 1515152 m2middotKW Rezistenta termica
K12 = 1
1
120572119894+
1205751
1205821+
1205752
1205822+
1205753
1205823+
1
120572119890 =
11
8 +
001
02+
01
0035 +
005
0033+
1
0
= 0219911 Wm2C
S12 - amprenta la sol a casei = 12296 m2
Δt = ti - te = 22 - 15 = 7degC
Temperature pentru podea este de 15degC
Q12 = K12 middot S12 middot Δt = 0219911 middot 12296 middot 7 = 1892818 W
Podea
ti 22 degC Αi 8 Wm2 k
te 15 degC Αe 0 Wm2 k
δ1 001 m λ1 02 Wmk tp1 2180757789 degC
Determinarea necesarului de căldură și apă caldă pentru un imobil
21
δ2 01 m λ2 0035 Wmk tp2 2173060904 degC
δ3 005 m λ3 0033 Wmk tp3 1733238927 degC
δ4 m λ4 Wmk tp4 15 degC
δ5 m λ5 Wmk tp5 degC
δ6 m λ6 Wmk tp6 degC
tp7 degC
q 1539377 W
Figura 29
Q13 - fluxul termic pierdut prin tavan
Specificatii tavan
Tencuiala δ 002 m Grosime
λ 093 WmmiddotK Conductivitate termica
Rt 0021505 m2middotKW Rezistenta termica
Placa beton armat
δ 013 m Grosime
λ 174 WmmiddotK Conductivitate termica
Rt 0074713 m2middotKW Rezistenta termica
Sapa δ 003 m Grosime
λ 026 WmmiddotK Conductivitate termica
Rt 0115385 m2middotKW Rezistenta termica
Vata bazaltica δ 015 m Grosime
λ 0037 WmmiddotK Conductivitate termica
Determinarea necesarului de căldură și apă caldă pentru un imobil
22
Rt 4054054 m2middotKW Rezistenta termica
Placa nivelanta δ 002 m Grosime
λ 026 WmmiddotK Conductivitate termica
Rt 0076923 m2middotKW Rezistenta termica
K13 = 1
1
120572119894+
1205751
1205821+
1205752
1205822+
1205753
1205823+
1205754
1205824+
1205755
1205825 +
1
120572119890 =
11
8+
002
093+
013
174+
003
026+
015
0037+
002
026+
1
22
K13 = 0219736 Wm2C
S13 = S12 = 12296 m2
Δt = ti - te = 22 + 15 = 37degC
Q13 = K13 middot S13 middot Δt = 0219736 middot 12296 middot 37 = 1000 W
Tavan
ti 22 degC αi 8 Wm2 k
te -15 degC αe 22 Wm2 k
δ1 002 m λ1 093 Wm k tp1 209751906 degC
δ2 013 m λ2 174 Wm k tp2 207988793 degC
δ3 003 m λ3 026 Wm k tp3 2018634954 degC
δ4 015 m λ4 0037 Wm k tp4 1924037163 degC
δ5 002 m λ5 026 Wm k tp5 -1399669009 degC
δ6 m λ6 Wm k tp6 -1462734204 degC
tp7 degC
q 8198475 W
Determinarea necesarului de căldură și apă caldă pentru un imobil
23
Figura 210
Q14 - fluxul temic pierdut prin suprafetele vitrate
Am ales un geam temopan cu trei randuri de sticla și cu tamplarie de lemn
K14 = 06 Wm2C
S14 = 2728 m2 suprafata ocupata de geamuri
Δt = ti - te = 22 + 15 = 37degC
Q14 = K14 middot S14 middot Δt = 06 middot 2728 middot 37 = 605616 W
Fereastra
ti 22 degC αi 8 Wmpk
te -15 degC αe 22 Wmpk
δ1 0005 m λ1 075 Wmk tp1 1992074356 degC
δ2 0018 m λ2 00177 Wmk tp2 1980984988 degC
δ3 0005 m λ3 075 Wmk tp3 2893865242 degC
δ4 0018 m λ4 00177 Wmk tp4 2782971565 degC
δ5 0005 m λ5 075 Wmk tp5 -1413301307 degC
δ6 m λ6 Wmk tp6 -1424390675 degC
tp7 degC
q 1663405 W
Determinarea necesarului de căldură și apă caldă pentru un imobil
24
Figura 211
Q1 = Q11 + Q12 + Q13 + Q14 = 8441254483 + 1892818 + 1000 + 605616
Q1 = 263871712 W
212 Mers de calcul pentru Q2
Q2 = n middot Q1
n - numarul de schimburi (07 08 1)
Q1 - fluxul de căldura pierdut prin transmisie
Q2 = 1 middot 263871712 =gt Q2 = 263871712 W
213 Mers de calcul pentru Q3
Q3 = 119898 middot119862119908 middot(119905119887minus119905119903)
120591 middot3600 [kW]
m - cantitatea de apa calda preparata [Kg]
m = n middot czn middot ρ [Kg]
ρ = 1000 Kgm3- densitatea apei [Kgm3] n = 4 - numarul de locatari =gt n
czn - consumul zilnic de persoana [l] gtgtgt czn = l middot 1000 = m3
Un consum de acm specific unui nivel de confort mediu la o temperature de 45degC vom avea un czn = 50 l de persoana
cw - căldura specifica a apei [KJKgC] =gt cw = 4186 KJKgmiddotC
tb - temperatura apei din boiler [C] =gt tb = 50degC
tr - temperatura apei de intrare [C] =gt tr = 10degC
Icircn general avem vara tr = 1217degC iar iarna tr = 5hellip10degC
120591 - timpul icircn care este incalzita apa [h] =gt 120591 = 4h
m = 4 middot (50 middot 1000) middot 1000 m = 200 Kg
Q3 = 200 ∙4186 ∙(50 ∙10)
4 ∙3600 =gt Q3 = 2325555556 W
Q = Q1 + Q2 + Q3 = 263871712 + 263871712 + 2325555556
Q = 7602989795 W =gt Q = 76 KW
Calculul necesarului de frig pentru depozit de fructe
25
3 Calculul necesarului de frig pentru depozit de fructe
31 31 Calculul grosimii izolatiilor
Regimul de funcţionare al spaţiilor frigorifice caracterizat prin valori coboracircte ale temperaturilor prin variaţia rapidă a acestora şi prin umiditatea mare a aerului icircncăperilor impune pentru izolaţiile termice ale pereţilor planşeelor şi pardoselilor condiţii deosebite Pereţii spaţiilor frigorifice despart două medii cu temperaturi diferite Fluxul de căldură ce pătrunde din exterior icircn camere care trebuie preluat de instalaţia frigorifică este direct proporţional cu diferenţa de temperatură dintre cele două feţe ale peretelui şi cu coeficientul global de transmitere a căldurii Izolarea se execută la spaţiile răcite atacirct la pereţi cacirct şi la tavan şi podea şi are ca rol icircmpiedicarea apariţiei condensului pe suprafaţa caldă a pereţilor incintelor frigorifice
Figura 31 Fig13 Variaţia de temperatură prin peretele termoizolant
Din exploatarea frigoriferelor se cunoaşte că prin icircnvelişul exterior al spaţiilor frigorifice trece icircn majoritatea cazurilor mai mult de jumătate din cantitatea totală de căldura ce pătrunde icircn icircncăperi Această cantitate de căldură se poate reduce prin majorarea grosimii stratului termoizolant Dar reducerea infiltraţiilor de căldură icircn acest tel nu se poate face nelimitat deoarece la o anumită grosime a stratului izolant adică la o anumită valoare a coeficientului k de transfer al căldurii costul construcţiei izolate va fi mai mare decacirct costul energiei ce reprezintă frigul economisit prin majorarea grosimii izolaţiei
De aceea se obişnuieşte a se folosi icircn calcule valori optime ale coeficientului k de transfer al căldurii calculacircndu-se astfel o grosime optimă a izolaţiei termice
Pentru izolarea pereţilor camerelor se vor folosi panouri tip sandwichFig15
Calculul necesarului de frig pentru depozit de fructe
26
Figura 32 Fig15 Construcţia panourilor de tip sandwich
Rolul panourilor plastifiate este de a preicircntacircmpina pătrunderea vaporilor icircn interiorul izolaţiei eliminacircnd necesitatea barierei de vapori Panourile folosesc metoda de icircmbinare nut-feder reducacircndu-se astfel transferul de căldură cu mediul extern
Deoarece avem un singur depozit vom adopta coeficienţii de transfer de căldură prin
convecţie funcţie de t
Aleg pentru t = = te - ti = 318 - 1 = 308 0C k = 023 Wm2K
Din catalogul de produse INCOLD Italia se alege poliuretan 100 mm = 0023 WmK
Tablă din oţel galvanizat plastifiat
Calculul necesarului de frig pentru depozit de fructe
27
Tabelul 317 Tabel24 Calculul grosimi izolației
ei
i
i
izizk
111
Coeficientul global de transfer de căldură se determină utilizand relaţia
eiz
iz
i
i
i
k
11
1
n
i i
i
1
- suma rezistenţelor termice ale tuturor straturilor din care este realizat
peretele[m2KW]
iz - grosimea stratului de izolaţie termică [m]
iz - conductivitatea termică a materialului izolator [WmK]
e - coeficient de convecţie pe partea exterioară a peretelui [WmK]
i - coeficient de convecţie pe partea interioară a peretelui [WmK]
32 32 Bilantul caloric al spatiului climatizat pe timp de vară Necesarul de frig pentru frigorifer
Se stabileşte consumul zilnic de frig pe icircntreg frigoriferul şi pentru fiecare icircncăpere icircn parte luacircndu-se icircn considerare cele mai nefavorabile condiţii de lucru
temperatura aerului exterior pentru luna cea mai caldă a anului
icircncărcarea maximă şi simultană a camerelor de refrigerare
Spaţiul frigorific
Perete k αi αe 1αi 1αe R 1k λiz
δiz
calc δiz
ales Kr
[Wm2K] [m2KW] [WmK] [m] [m]
N 0229 10 18 010 006 0590 4367 0023 0097 0100 023
E 0224 10 12 010 008 0618 4464 0023 0098 0100 023
DR S 0221 10 12 010 008 0618 4525 0023 0100 0100 023
V 0223 10 12 010 008 0618 4484 0023 0099 0100 023
T 0221 10 12 010 008 0618 4525 0023 0100 0100 023
P 0228 10 0 000 000 0435 4386 0023 0000 0100 023
N 0221 25 12 004 008 0558 4525 0023 0101 0100 023
E 0224 25 12 004 008 0558 4464 0023 0100 0100 023
CP S 0224 25 12 004 008 0558 4464 0023 0100 0100 023
V 0223 25 12 004 008 0558 4484 0023 0100 0100 023
T 0221 25 12 004 008 0558 4525 0023 0101 0100 023
P 0228 25 0 000 000 0435 4386 0023 0000 0100 023
Calculul necesarului de frig pentru depozit de fructe
28
camerele vecine celei căreia i se face calculul necesarului de frig sunt goale şi au temperatura vestibulului sau a sasului
Aceste calcule determină necesarul de frig pe categorii de consumatori grupaţi după temperatura cerută şi permit stabilirea puterilor frigorifice icircn vederea proiectării instalaţiei
Pentru calculele termice sunt necesare următoarele
planul frigoriferului care a fost stabilit
dimensiunile camerelor
temperaturile necesare icircn fiecare cameră
Se consideră
1degC icircn depozitele de refrigerate
orientarea frigoriferului după punctele cardinale
condiţii climatice icircn lunile cele mai călduroase pentru zona geografică respectivă
Consumul de frig se calculează pentru 24 ore cu relaţia
Qnec = Q1 + Q2 + Q3 + Q4 [kcal24h]
Q1 - neeesarul de frig pentru acoperirea pătrunderilor de căldură prin cenvecţie
conducţie şi radiaţie din mediul icircnconjurător prin pereţi pardosea și plafon
Q2 - necesarul de frig tehnologic pentru procesele de răcire refrigerere şi
congelare eliminarea căldurii de respiraţie seu pentru unele procese chimice şi
biochimice
Q3 - necesarul de frig pentru ventilarea camerelor frigorifice cu aer proaspat care
trebuie racit şi uscat
Q4 - necesarul de frig rezulticircnd din condiţii de exploatare acoperirea căldurii
provenite din iluminat din funcţionarea motoarelor căldura provenită de la persoanele ce
manipulează produsele datorită deschiderii uşilor etc
321 Consumul de frig Q1
Se determină pentru fiecare spaţiu icircn parte cu relaţia
RttkFQ1 [ W ]
F - reprezintă suprafaţa pereţilor a pardoselei şi a plafonului corespunzător fiecărui
spaţiu frigorific icircn parte icircn m2 Ca suprafaţă de transfer se va considera suprafaţa
exterioară a perimetrului izolat termic
k - reprezintă coeficientul global de transmitere a căldurii prin convecţie conducţie şi radiaţie
prin pereţi plafon şi pardoseală (toate izolate termic) icircn [W(m2 middot grd)] Valoarea coeficientului k a
fost calculată icircn tabelul 24 (kr)
Δt - reprezintă diferenţa de temperaturi dintre temperatura exterioară suprafeţei de
transfer termic considerată şi temperatura interioară spaţiului frigorific
Calculul necesarului de frig pentru depozit de fructe
29
Diferenţa de temperatură ΔtR se ia icircn consideraţie numai la pereţii exteriori şi la
plafoane care sunt şi acoperiş pentru clădire
ΔtR = 0degC pentru pereţi exteriori orientaţi spre N
ΔtR = (5 10)degC pentru pereţi exteriori orientaţi spre E V S-E S-V
ΔtR = 15 degC pentru pereţi exteriori orientaţi spre S
ΔtR = (15 18)degC pentru plafoane care sunt şi acoperiş (terasă)
Calculul valorilor mărimii sumQ1 se recomandă a se efectua tabelar conform tabelului 25
Valoarea mărimii sum Q1 la aparate se obţine prin icircnsumarea fluxurilor termice prin toate cele 6 suprafeţe delimitatoare
La stabilirea valorii mărimii sum Q1 se consideră doar unul dintre fluxurile termice prin suprafeţele ce separă spaţiile frigorifice vecine Pentru aparatele de răcire din spaţiile frigorifice se consideră situaţia cea mai grea pentru fiecare spaţiu icircn parte respectiv că spaţiile vecine nu sunt răcite
Spaţiul frigorifi
c
Perete
Dimensiuni
Supraf F
[m2]
Kr [Wm2K]
Δt [grd]
Δtr
Q1 [W] sumQ1 q a [m]
b [m]
N 15 4 60 023 308 42504
246068
708
E 7 4 28 023 308 8 24987 892
DR S 15 4 60 023 185 15 46202 770
V 7 4 28 023 308 19835 708
T 15 7 105 023 308 74382 708
P 15 7 105 023 158 38157 363
N 7 4 28 023 185 11914
133566
426
E 7 4 28 023 268 8 22411 800
CP S 7 4 28 023 268 15 26919 961
V 7 4 28 023 185 11914 426
T 7 7 49 023 268 30204 616
P 7 7 49 023 268 30204 616
Tabelul 318 Tebel25 Calculul valorilor mărimii Q1
322 Necesarul de frig Q2
sum Q2 - necesarul de frig tehnologic pentru procesele de răcire refrigerare şi
congelare
Q2d = mcp(tc-ti)=500003644 = 4186000(243600)= 842 kW
Q2c = 2600036419 = 1798160 = 208 KW
Q2 = 208 + 842 = 293 = 30kW
unde
Q2d - necesarul de frig tehnologic depozit
Q2c - necesarul de frig tehnologic camera de preracire
Calculul necesarului de frig pentru depozit de fructe
30
m - cantitatea de produse introduse icircn tunelul de congelare icircn kg
te ti - temperaturi specifice corespunzătoare temperaturii iniţiale a produsului cald
(24 ordmC) respectiv temperaturii finale a produsului refrigerat (1 ordmC)
Căldura specfifică mere cp = 364 [kJkgK]
323 Necesarul de frig Q3
Icircn funcţie de natura produselor din spaţiul frigorific este necesar uneori să se realizeze ventilarea spaţiului prin asigurarea unui anumit număr de schimburi ale aerului din incintă icircn 24h Ca exemplu icircntotdeauna va fi necesară ventilarea prin introducere de aer proaspăt icircn spaţiile de păstrare pentru legume fructe şi ouă refrigerate Aceste produse vii respiră icircn timpul păstrării şi necesită icircn consecinţă ventilarea spaţiilor de păstrare
Acest consum de frig se ia icircn considerare doar la depozitele de refrigerare care se ventilează Se stabilește cu relația
Q3 = V ∙ a ∙ ᵖi ∙ (hex - hi) [kJ24]
V - volumul camerelor ventilateicircn m3
a = 24 schimburi pe zi pentru depozitele de mere
ᵖi - reprezintă densitatea aerului la temperature interioară icircn kgm3
Pentru depozitele de refrigerare considerăm umiditatea relativă ᵠi = 95 și ti=1 ordmC
rezultacircnd icircn acest caz hi= 9 kJkg
Parametri aerului exterior pentru zona icircn care este amplasat depozitul sunt temp ex 318
și umiditatea ext 60 rezultand din diagram mollier entalpia aerului Calcul facut icircn
programul Coolpack
ρi = 12 kgm3
hex = 7519 kJkg
Q3 = 616 2 12 (7519 - 9) (243600)= 00025 kW
324 Necesarul de frig Q4
Q4 - frigul consumat pentru acoperirea pierderilor icircn timpul exploatarii datorat deschiderii
usilor a corpurilor de iluminat a motoarelor electrice a oamenilor Se admite Q4 =
(01hellip04)Q1
Q4 = 02 379617 = 759234 = 008 kW
Qtotal = sum 119824120783 + Q2 + Q3 + Q4 = 004 + 30 + 000025 + 008 = 3012 = 31 kW
33 33 Stabilirea directiei raportului de termoumiditate și trasarea procesului de conditionare a aerului pe diagrama i-X pe timp de vară
Icircn fig16 este reprezentat un agregat pentru condiţionarea aerului pe timp de vară cu recirculare parţială
Calculul necesarului de frig pentru depozit de fructe
31
Figura 33 Figura16 Schema aparatului de condiţionare a aerului pe timp de vară cu recirculare parţială
F - filtru V - vaporizator C - compressor K - condensator VL - ventil de laminare I - icircncălzitor Vt - ventilator
Procesele de lucru pot fi reprezentate icircn diagrama h-x ca icircn figura următore
Figura 34 Fig17
A reprezintă starea aerului recirculat provenit din spaţiul condiţionat iar E este starea aerului exterior
Aerul tratat icircn aparatul de condiţionare care se introduce icircn incintă avacircnd starea B
trebuie să preia degajările de căldură Qv [kW] şi de umiditate Wv [kgs]
Direcţia procesului suferit de aer icircn incintă este dată de raportul de termoumidificare εv
= Qv Wv
Prin punctul A se trasează dreapta avacircnd raportul de termoumidificare εv iar punctul B se fixează pe această dreaptă adoptacircndu-se o anumită diferenţă de temperatură faţă de starea A
Aerul recirculat A se amestecă cu aerul proaspăt E şi rezultă starea de amestec M De regulă xM gt xB deci aerul va trebui să fie uscat
Pe verticala din B se fixează starea D avacircnd xD= xB şi ᵩD = 90hellip98
Calculul necesarului de frig pentru depozit de fructe
32
Se uneşte M cu D iar apoi se prelungeşte acest segment pacircnă la intersecţia cu ϕ = 100 rezultacircnd starea P avacircnd temperatura tp
Circulacircnd aerul cu starea M peste o suprafaţă rece avacircnd temperatura tp se va obţine procesul de răcire şi uscare MD
Temperatura suprafeţei tp se asigură cu o instalaţie frigorifică a cărei temperature de vaporizare va fi t0 lt tp
Ultimul proces din aparatul de condiţionare va fi icircncălzirea finală DB
Calculul agregatului de condiţionare a aerului pe timp de vară se efectuează asemănător cu cel a agregatului de condiţionare a aerului pe timp de iarnă cu observaţia că pe timp de vară nu este necesară umidificarea
331 Date
Vtotal = 616 m3 tint = 1ᵒC tex = 318 φint = 90 φext = 60 ρaer = 12 [kgm3]
Starea A
tA = ti + 3 = 4deg xA = 00043[kj
kg] φA = 86 hA = 1489[
kj
kg]
Starea B
tB = 1degC xB = 00036 [kj
kg] φB = 90 hB = 1024[
kj
kg]
Starea E
tE = 318degC xE = 00171[kj
kg] φE = 60 hE = 7519[
kj
kg]
Starea M
hM =hE + n ∙ hA
n + 1=
7513 + 20 ∙ 1489
21= 1775[
kj
kg]
xM =xE + n ∙ xA
n + 1=
00171 + 20 ∙ 00043
21= 00049[
kj
kg]
Rezulta din diagrama Mollier
Starea D
hD = 108 [kj
kg] xD = 0003[
kj
kg] φD = 97
Raportul de recirculare n = 20
Debitul de aer ventilat V =Vtotal∙20
24h=
616lowast20
24= 513 [m3h]
Debitul masic m = V ∙ ρaer = 513 lowast 12 =
6156[kg
h]
3600= 0171 [kgs]
tp = minus3degC t0 = tp minus 9degC = minus3 minus 9 = minus12degC
Puterea termica a vaporizatorului ( puterea frigorifică )
ФV = Ф0
Puterea termica a icircncalzitorului
ФI = 119898 ∙ (hB - hD)
Cantitatea de apa condensată icircn unitatea de timp pe suprafața de racire este
Calculul necesarului de frig pentru depozit de fructe
33
ẆV = 119898 ∙ (XM - XD)
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
34
4 Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
Există două domenii principale icircn care se utilizează frigul artificial icircn lucrările de construcţii şi anume
icircngheţarea terenurilor acvifere icircn vederea săpării puţurilor de mină a barajelor a depozitelor de gaze lichefiate etc
prerăcirea componentelor betonului icircn cazul executării unor masive de beton ca de exemplu baraje
41 51 IcircNGHEŢAREA SOLULUI
411 511 CONSIDERAŢII GENERALE PRIVIND IcircNGHEŢAREA SOLULUI
Icircngheţarea artificială a solului reprezintă una dintre cele mai interesante şi icircn acelaşi timp şi importante aplicaţii practice a frigului artificial Totodată este una dintre primele aplicaţii industriale a tehnicii frigului şi care a asigurat o dezvoltare deosebită a industriei extractive Aşa se explică faptul că odată apărută maşina frigorifică cu absorbţie realizată icircn 1859 de către Ferdinand Carre este folosită la săparea primului puţ de mină prin icircngheţarea artificială a rocilor Dar nu numai industria minieră foloseşte icircn ultimul secol procedeul consolidării rocilor la săpararea unor lucrări subterane Lucrări inginereşti de tot genul ca metrouri staţii subterane de pompare rezervoare de gaze lichefiate poduri lucrări portuare şi altele asemănătoare amplasate icircn zone acvifere au fost realizate prin metoda consolidării prin frig a rocilor
Această metodă a consolidării rocilor prin frig artificial realizează icircn jurul lucrării inginereşti subterane un perete icircngheţat protector pe durata lucrărilor de construcţii Acest perete asigură o izolare hidraulică şi icircn acelaşi timp şi o protecţie mecanică Rezistenţa mecanică a rocilor creşte pe măsură ce temperatura lor scade icircncacirct metoda expusă mai sus prezintă avantajul reglării capacităţii portante a peretelui icircngheţat
Apa conţinută icircn terenuri prin icircngheţare capătă proprietăţile cimentului exprimate prin forţele de coeziune mari care apar icircntre cristalele de gheaţă şi grăunţii de rocă
Pentru obţinerea peretelui protector se folosesc sonde de icircngheţare forate pe conturul lucrării subterane şi prin care circulă agentul de răcire care poate fi un agent intermediar ca de exemplu saramura de clorură de calciu sau agentul frigorific de exemplu amoniacul Icircn funcţie de grosimea peretelui şi de rezistenţa mecanică pe care trebuie să o aibă se va alege temperatura agentului de răcire distanţa dintre sonde şi durata de icircngheţare
Instalaţia de consolidare prin frig a rocilor cuprinde trei părţi principale staţia frigorifică reţeaua de distribuţie a agentului de răcire (saramura) şi sondele de icircngheţare a solului
Staţia frigorifică cuprinde instalaţia frigorifică propriu-zisă cu comprimare mecanică de vapori sau prin absorbţie icircntr-o treaptă sau icircn două trepte Icircn funcţie de condiţiile de amplasament ale obiectivului staţia frigorifică poate fi de construcţie staţionară (icircn minerit) sau mobilă (la metrouri)
Reţeaua de distribuţie alcătuită din conducte metalice sau din mase plastice are rolul de a face legătura icircntre staţia frigorifică şi sondele de icircngheţare Pentru reducerea pierderilor de frig reţeaua de distribuţie se izolează termic
Sondele de icircngheţare constituie schimbătorul de căldură subteran prin care se extrage căldura de la terenul supus icircngheţării Icircn fig 51 se prezintă schiţa unei sonde de icircngheţare cu ajutorul saramurii Saramura rece cu temperatura icircntre -10 ordmC pacircnă la -35 ordmC
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
35
coboară prin ţeava interioară şi apoi se icircntoarce prin spaţiul inelar dintre cele două conducte concentrice
Figura 41 Fig 51 Sonda de icircngheţare 1 - şiu (tub scurt de oţel cu pereţi groşi rezistent) 2 - ţeava interioară 3 - ţeava exterioară (burlan de
icircngheţare) 4 - capul sondei
Circulaţia continuă a saramurii prin sonda de icircngheţare face ca rocile ce icircnconjoară sondele inclusiv apa conţinută icircn spaţiile libere să se răcească treptat Icircn jurul sondei icircncepe să se formeze stratul de rocă icircngheţată diametrul cilindrului de teren icircngheţat se măreşte icircn timp Aşa cum s-a arătat icircn capitolul 3 rezultă că dezvoltarea radială a cilindrului de rocă icircngheţată icircn jurul sondei se desfăşoară cu o viteza variabilă de icircnaintare la icircnceput viteza de icircnaintare a frontului de gheaţă este mai mare după care scade icircn timp Apoi se atinge stadiul staţionar de transfer de căldură cacircnd cilindrul nu mai creşte icircn dimensiuni Reiese că distanţa dintre sondele de icircngheţare este determinată de raza maximă a cilindrului de teren icircngheţat Pentru a realiza peretele icircngheţat care să reziste la solicitările la care este supus se impune ca distanţa dintre sondele vecine să fie mai mică decacirct raza maximă a terenului icircngheţat astfel icircncacirct cilindrii formaţi să se unească icircntre ei Icircn fig 52 se prezintă evoluţia icircn timp a icircngheţării terenului icircn jurul sondelor Icircn faza iniţială a icircnceput răcirea dar icircncă nu s-a format teren icircngheţat Icircn faza a II-a (după circa 20 zile) icircn jurul fiecărei sonde se formează cacircte un cilindru de teren icircngheţat fără ca aceştia să se unească Icircn faza a III-a (după circa 30 zile) cilindrii se icircntretaie şi formează peretele protector
Figura 42 Fig 52 Evoluţia cilindrilor individuali de rocă icircngheţată 1 - sonda de icircngheţare 2 - sonda de măsurători termice 3 - teren icircngheţat
Această evoluţie poate fi urmărită cu suficientă precizie prin măsurarea temperaturii masivului cu ajutorul unor sonde de măsurători termice 2 montate la distanţe bine stabilite de sondele vecine de icircngheţare Astfel icircn faza I-a temperatura este cea iniţială deci neafectată de prezenţa sondelor icircn faza a II-a temperatura este mai scăzută dar mai mare de 0 ordmC Cum icircn practică sondele de icircngheţare au o abatere de la poziţia verticală (sau de la cea impusă prin proiect) sondele de măsurători termice sunt prevăzute icircntre sondele
I II III
1
2 2 2
3 3
SARAMURĂ CALDĂ
IEŞIRE
INTRARE SARAMURĂ A E RECE
1
2
3
4
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
36
cele mai distanţate icircntre ele acolo unde evoluţia peretelui de protecţie este cea mai defavorabilă
Primele realizări inginereşti de consolidare prin frig artificial a terenurilor acvifere metodă prin care vor fi aduse la lumină multe bogăţii subterane sunt legate de numele inginerului de mine şi metalurgie Friederich Herman Poetsch El a obţinut icircn 27 februarie 1883 brevetul pentru procedeul său de adacircncire a puţurilor verticale icircn roci bogate icircn apă (şi curgătoare) Poetsch a reuşit să experimenteze procedeul său la adacircncirea unor puţuri de mină dar a avut şi multe insuccese icircncacirct la 9 iunie 1902 moare sărac şi dezamăgit Metoda de icircngheţare prin frig artificial a terenurilor a avut mare succes icircn Franţa Astfel numai icircn perioada 1892 - 1898 icircn bazinele carbonifere Nord şi Pas de Calais s-au săpat circa 20 puţuri pacircnă la o adacircncime de 100 m prin aplicarea metodei icircngheţării după planurile lui Poetsch
Desigur că nu ar putea fi omis numele lui Louis Gebhard care realizează numeroase lucrări de adacircncire a puţurilor prin icircngheţare atacirct icircn Germania cacirct şi icircn Franţa Anglia Olanda şi Polonia ceea ce face ca metoda propusă de Poetch să devină o tehnologie demnă de toată icircncrederea cu siguranţă absolută şi cu un mare randament
Gebhard un mare practician icircncepe sa folosească icircn locul instalaţiilor cu absorbţie realizate de F Carre pe cu cele cu comprimare mecanică de vapori realizate de Karl von Linde cu icircncepere din anul 1874
Poetsch icircn 1888 prevede extinderea procedeului de icircngheţare la construcţia podurilor la construcţii navale lucrări de fortificaţii la protecţia fundaţiilor subterane şi a bazinelor cu apă El susţine că poate să rezolve orice problemă sub apă chiar şi puţuri icircncepute şi abandonate
Icircn anul 1900 se depăşeşte bariera adacircncimii de 100 m Realizarea unor puţuri mai adacircnci (peste 100 m) ridică unele probleme icircn plus faţă de puţurile de mai mică adacircncime deoarece abaterile de la verticalitate pot conduce la formarea unor ferestre icircn peretele protector
Icircn ţara noastră această tehnologie de forare a unor puţuri de mină cacirct şi a galeriilor de metrou prin icircngheţarea solului a fost folosită cu icircncepere din anul 1961 aşa cum se prezintă icircn paragraful 513
412 512 CONSTRUCŢIA INSTALAŢIEI DE IcircNGHEŢARE A SOLULUI
Icircn funcţie de forma şi mărimea lucrării care se realizează la adăpostul terenului icircngheţat principial se pot utiliza următoarele tipuri de instalaţii
a) cu răcire indirectă denumită şi cu dublu schimb (fig53)
b)cu răcire directă icircn circuit icircnchis (fig 54)
c)răcire directă icircn circuit deschis (fig55)
a) Răcirea indirectă se utilizează icircn practică cel mai mult fiind cunoscută icircncă de la icircnceputurile metodei de icircngheţare a solului
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
37
Figura 43 Fig 53 Instalaţia frigorifică cu răcire indirectă 1 - compresor 2 - condensator3 - ventil de laminare 4 - vaporizator 5 - bazin de răcire a saramurii 6
- agitator 7 - pompă de saramură 8 - sonde de icircngheţare
Ca agent frigorific se poate folosi amoniacul sau freonii iar ca agent intermediar se utilizează soluţiile de clorură de calciu clorura de sodiu sau magneziu sărurile respective fiind relativ uşor de procurat
Instalaţiile frigorifice cuprind unul sau mai multe blocuri frigorifice Acest mod de compunere prezintă avantaje icircn ceea ce priveşte montarea cacirct şi exploatarea instalaţiilor se poate asigura o reducere icircn trepte a puterii frigorifice pe măsură ce creşte rezistenţa termică a stratului de teren icircngheţat
Componentele principale ale instalaţiei frigorifice se montează grupat pe cele trei secţiuni secţia de compresoare secţia condensatoarelor şi secţia vaporizatoarelor De regulă compresoarele se montează fie icircn aer liber atunci cacircnd tipul lor permite fie acoperite sub şarpante protectoare
Pe măsură ce se scot din funcţiune blocurile frigorifice se demontează şi se pot monta la un nou obiectiv
b) Răcirea directă icircn circuit icircnchis (fig 54) se utilizează icircn cazul icircn care adacircncimea de icircngheţare este mică
Figura 44 Fig 54 Instalaţia frigorifică cu răcire directă icircn circuit icircnchis 1 - compresor 2 - condensator 3 - ventil de laminare 4 - sonde de icircngheţare
Sondele de icircngheţare constituie vaporizatorul instalaţiei frigorifice Icircn cazul unor sonde de lungime mare icircnălţimea coloanei de agent frigorific este de asemenea mare Ca urmare a presiunii hidrostatice variabile şi temperatura de vaporizare este variabilă fiind mai mare
1
2
1111111 Apă
3
4
1
2
Apă 3
4
5
6
7
8
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
38
la capătul inferior şi mai mică la capătul superior Din acest motiv adacircncimea sondelor de icircngheţare nu poate depăşi anumite limite şi icircn plus se recurge la fragmentarea coloanei de lichid cu ajutorul unor pereţi despărţitori
Pierderile de agent frigorific mai mari decacirct icircn cazul răcirii indirecte reprezintă un alt inconvenient al acestui mod de răcire
c) Răcirea directă icircn circuit deschis constă icircn introducerea agentului frigorific (cel mai frecvent azot lichid) icircn sondele de icircngheţare fără ca acesta să mai fie folosit după vaporizare
La presiunea atmosferică azotul lichid fierbe la temperatura de -196 ordmC icircncacirct vaporii reci de azot icircnainte de a fi evacuaţi se folosesc de asemenea pentru congelarea solului fiind circulaţi prin sonde de icircngheţare (Fig 55)
Figura 45 Fig 55 Icircngheţarea cu azot lichid icircn două trepte 1 - ventil de laminare 2 - sonda de icircngheţare 3 - sonda de icircngheţare cu vapori de azot
Această metodă se foloseşte cacircnd se urmăreşte o icircngheţare rapidă şi volumul de teren icircngheţat este redus
Se vor prezenta icircn continuare unele elemente constructive ale instalaţiilor de icircngheţare
Reţeaua de saramură (fig 56) are rolul de a asigura transferul de căldură de la sol către agentul frigorific Cuprinde două schimbătoare de căldură cel subteran alcătuit din sondele de icircngheţare şi cel de suprafaţă reprezentat de vaporizatorul imersat icircn saramură Icircntre cele două schimbătoare de căldură există conducte magistrale distribuitoare - colectoare şi racorduri la sonde
Saramura răcită prin intermediul vaporizatorului 1 este circulată cu pompa 2 prin magistrala de tur a reţelei 3 Sondele de icircngheţare 5 se leagă prin vane la distribuitorul 4 şi colectorul 6 ambele de construcţie inelară Printr-o asemenea construcţie şi mod de legare a sondelor prezentate icircn figura 56 se asigură o echilibrare a căderilor de presiune pe sondele de icircngheţare şi ca urmare o alimentare uniformă cu agent intermediar şi deci şi o răcire uniformă pentru toate sondele
1
2
AZOT LICHID
VAPORI
AZOT -40OC
3
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
39
Figura 46 Fig 56 Schema reţelei de saramură 1- vaporizatorul 2 - pompa de saramură 3 - magistrala de tur 4 - distribuitorul inelar 5 -sondele de
icircngheţare 6 - colectorul inelar 7 - magistrale de retur M - manometru D - debitmetru T - termometru
Magistralele 3 şi 7 de acelaşi diametru şi lungime variabilă (determinată de o serie de factori) se pot monta atacirct la suprafaţă cacirct şi icircn canal
Magistralele se dimensionează icircn funcţie de puterea frigorifică a schimbătorului de căldură subteran alcătuit din sondele de icircngheţare
F0 qNHd [W] (51)
unde d - diametrul exterior al sondei de icircngheţare m
H - adacircncimea de icircngheţare m
N - numărul de sonde de icircngheţare
qF - densitatea fluxului termic raportat la suprafaţa exterioară a sondei La temperatura saramurii de - 20 ordmC se poate considera qF = (260290) Wm2
Debitul volumic V de agent intermediar icircn reţeaua de icircngheţare icircn funcţie de care se aleg
pompele se determină cu relaţia
tc
V o
(52)
icircn care este densitatea agentului intermediar kgm3
c - căldura specifică a agentului intermediar JkgK
t - creşterea temperaturii agentului (saramura) icircn sondele de icircngheţare K
La icircnceputul perioadei de răcire diferenţa de temperatură este t = 56 K ca apoi să scadă la 12 K
Icircn conductele magistrale se recomandă ca viteza saramurii să fie w = 0915ms
Icircn acest caz diametrul conductelor de transport a saramurii este dat de relaţia
w
V4D
[m] (53)
Icircn funcţie de valoarea determinată pentru D se aleg conducte metalice de diametru nominal cuprins icircntre 75200 mm Dacă rezultă D gt 200 mm se vor alege două conducte cu diametrul mai mic de 200 mm
2
T
T
M
M D
D
NH
3
3
4
6
5
7
1
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
40
Conductele magistrale se realizează prin icircmbinări cu flanşe sau sudate iar la lungimi mai mari de 100150 m se vor prevedea coturi compensatoare Pentru reducerea pierderilor de frig magistralele vor fi izolate termic
Distribuitorul de saramură răcită şi colectorul de saramură de la sonde sunt construcţii metalice identice
Icircn figura 57 se prezintă modul de racordare a sondelor de icircngheţare 5 la distribuitorul 1 şi colectorul 2 Vanele 3 asigură icircnchiderea deci oprirea circulaţiei şi reglajul debitului Prin aceste vane se poate izola o anumită sondă care nu funcţionează normal sau la care se observă o anumită defecţiune
Figura 47 Fig 57 Racordarea sondelor de icircngheţare la distribuitor şi colector 1 - distribuitor 2 - colector 3 - vane 4 - racord elastic 5 - sonda de icircngheţare
Poziţia distribuitorului şi colectorului faţă de racircndul sondelor de icircngheţare poate fi laterală de o singură parte sau laterală de ambele părţi ale sondelor Amplasamentul trebuie astfel făcut icircncacirct să fie posibilă vizitarea supravegherea şi eventual icircnlocuirea sondelor de icircngheţare
Racordarea sondelor la distribuitor şi colector se face prin cacircte un racord elastic (fig 57) Dimensionarea distribuitoarelor şi a colectoarelor se face din condiţia ca viteza saramurii să nu depăşească 0915 ms
Coloanele de distribuţie şi colectare urmăresc icircn teren forma şirului de sonde de icircngheţare şi pot avea acelaşi traseu sau trasee diferite Configuraţia traseului poate fi icircn linie sau circulară Icircn oricare din situaţiile prezentate distanţele dintre ştuţurile de racord şi sondele de icircngheţare sunt variabile astfel icircncacirct racordurile rigide prin flanşe şi sudură sunt greu de realizat Cea mai practică soluţie de racord icircn acest caz este furtunul de cauciuc (fig 57)
Icircn reţeaua de saramură poate pătrunde aer prin procesul de pompare ceea ce conduce la intensificarea acţiunii corosive a saramurii Icircn scopul icircndepărtării aerului nedorit pe partea superioară a conductelor icircn punctele cele mai ridicate ale acestora se montează robineţi de evacuare periodică a aerului şi eventual a altor gaze
Pe conductele magistrale se vor monta aparate de măsură şi control debitmetre termometre şi manometre (fig 56) Icircn acest caz se poate aprecia funcţionarea fiecărei sonde după depunerile exterioare de gheaţă pe racordul metalic sau de cauciuc lăsate neizolate termic tocmai icircn acest scop Icircn scopul urmăririi regimului de lucru sub aspect
5
4
1
2 3
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
41
hidraulic şi termic icircn mod individual se pot monta aparate de măsură şi control pe fiecare sondă de icircngheţare dar această soluţie este mai costisitoare
Sonda de icircngheţare realizează transferul de căldură de la terenul ce urmează a fi icircngheţat spre agentul frigorific (la răcirea directă) sau agentul intermediar (la răcirea indirectă)
Icircn figura 51 s-a prezentat schema de principiu a unei sonde de icircngheţare cu saramură activă pe toată lungimea Conducta exterioară sau burlanul de icircngheţare 3 este o conductă din oţel etanşă şi rezistentă la eforturile mecanice care apar datorită presiunii solului şi variaţiei de temperatură icircntre momentul fixării ei icircn sol şi cel al funcţionării la o temperatura sub 00C
Icircn procesul de icircngheţare coloana de burlane care poate atinge lungimi de sute de metri se contractă icircnsă nu liber deoarece ea este stracircnsă icircn masivul de roci La o variaţie de temperatură icircntre momentul iniţial (fără saramură) şi momentul pornirii circulaţiei de saramură de 400C conducta din oţel de 500 m adacircncime ar trebui să se contracte cu
tHH = 500 11 10-6 40 = 0220 m = 22 cm
Datorită fixării coloanei icircn gaura forată efortul unitar de icircntindere ce apare icircn urma scăderii temperaturii este
tE = 22 1010 11 10-10 40 = 968 105 Nm2 = 9680 Ncm2
La acest efort de icircntindere apărut datorită contracţiei coloanei se mai adaugă efortul de acelaşi semn provocat de dilatarea masivului de rocă acviferă icircngheţată Icircn scopul compensării eforturilor de icircntindere s-a propus icircmbinarea coloanei cu nipluri elastice O asemenea soluţie este mai scumpă şi icircn plus micşorează secţiunea liberă de curgere ceea ce conduce la icircncălzirea excedentară a saramurii
La lucrări subterane de mare adacircncime ca puţurile de mină depozite subterane se folosesc burlane de 1397 x 7 mm pentru a fi posibilă determinarea abaterii de la poziţie verticală
La tunelurile de metrou şi icircn general la lucrările la care adacircncimea de icircngheţare nu depăşeşte 50 - 60 m diametrul cel mai frecvent utilizat este 1143 x 7 mm
Ţeava interioară 2 (fig 51) numită şi tub de alimentare de regulă ţeava uşoară de instalaţii de 50 mm diametrul se introduce icircn burlanul exterior 3 fără icircnsă a atinge şiul de bază 1 al sondei Se asigură icircn acest mod un volum minimal de depuneri solide care circulă cu saramura icircn mod incidental Icircn scopul economisirii de metal tubul de alimentare poate fi din material plastic ceea ce prezintă marele avantaj al lipsei coroziunii şi al refolosirii materialului respectiv
Şiul de fund are rolul de a asigura icircnchiderea burlanului exterior icircn partea sa inferioară Cel mai adesea are formă conică pentru a asigura introducerea cu uşurinţă a coloanei metalice icircn gaura de sondă Această componentă a sondei de icircngheţare se execută fie prin turnare sau se confecţionează cu ajutorul sudurii
Corespunzător profilului geologic al terenului icircn care se lucrează se icircntacirclnesc şi cazuri cacircnd nu este nevoie să se icircngheţe terenul pe toată icircnălţimea sondelor ci numai la partea lor inferioară Icircn acest caz se folosesc sonde de icircngheţare zonală (fig 58) cu ajutorul cărora se asigură congelarea doar a zonei inferioare ceea ce prezintă avantaje economice deosebite nu se consumă energie pentru a icircngheţa icircn mod inutil formaţiuni geologice consistente şi uscate şi nu se reduce ritmul lucrărilor de săpare printr-o eventuală mărire a rezistenţei rocilor
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
42
Figura 48 Fig 58 Sonda de icircngheţare zonală
1 - burlan exterior 2 - tub de alimentare 3 - şiu 4 - tub de evacuare
Figura 49 Fig59 - Sonda de icircngheţare cu agent
frigorific 1 - tub exterior 2 - perete despărţitor 3 - şiu 4 -
ştuţ (ţeavă de preaplin) 5 - condensator - vaporizator
Icircn cazul răcirii directe sondele de icircngheţare cu agent frigorific sunt de construcţie specială (fig 59) Particularitatea acestor sonde este prezenţa pereţilor despărţitori 2 dispuşi unul sub celălalt la circa 3 m fiecare perete fiind prevăzut cu un ştuţ de preaplin O asemenea construcţie are rolul de a fracţiona coloane de lichid ceea ce asigură o răcire mai uniformă pe lungimea sondei
Fiecare sondă este prevăzută la partea superioară cu cacircte o cămaşă de răcire Sondele se umplu cu amoniac lichid icircntr-o asemenea cantitate icircncacirct fiecare secţie să fie icircnecată cu lichid respectiv pacircnă la partea superioară a ştuţurilor 4 Ca urmare a fluxurilor de căldură de la sol se produce fierberea amoniacului icircn toate secţiile sondei Vaporii formaţi se ridică prin ştuţurile 4 şi ajungacircnd la partea superioară a sondei se condensează cedacircnd căldură agentului (amoniac) din cămăşile de răcire
Ca urmare cămăşile de răcire de la partea superioară a sondelor constituie vaporizatorul instalaţiei frigorifice Amoniacul care se condensează la partea superioară a sondei curge icircnapoi (de sus icircn jos) prin ştuţurile 4 Folosirea pereţilor despărţitori şi a ştuţurilor micşorează influenţa presiunii hidrostatice a lichidului asupra temperaturii de vaporizare a amoniacului Asemenea sonde de icircngheţare se folosesc pentru lucrări de mică adacircncime
Amplasarea sondelor se face icircn funcţie de o serie de factori formă poziţia şi dimensiunile lucrării care se realizează structura terenului temperatura şi viteza agentului etc
Icircn cazul puţurilor de mină de secţiune circulară sondele se amplasează pe un cerc
concentric de diametru D mai mare decacirct diametrul de săpare Ds cu grosimea a peretelui icircngheţat
sDD (54)
Trebuie să se ţină seama şi de deviaţia sondelor de la poziţia verticală icircncacirct pentru adacircncimi mari se utilizează relaţia
3
2 4
1
VAPORI 5 LICHID
3
2
4 1
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
43
a21DD s (55)
unde a = 003 H este abaterea medie statistică de la verticală a sondelor
Distanţa dintre sonde se ia de obicei de 1014 m icircn terenuri rezistente şi de 0809 m icircn terenuri slabe
Pentru adacircncimi de peste 500 m se recomandă să se dispună sondele pe două cercuri concentrice pentru a se forma un perete de grosime mai mare şi deci mai rezistent
La icircngheţarea terenului icircn jurul puţurilor de secţiune dreptunghiulară sondele se pot dispune pe dreptunghi sau elipsă Icircn aceste situaţii centura de teren icircngheţat poate fi solicitată la icircntindere ceea ce este de nedorit deoarece limita de rezistenţa la icircntindere a terenurilor icircngheţate este de circa 3 ori mai mică decacirct limita rezistenţei la compresiune Din acest motiv chiar şi la puţurile de mină de secţiune dreptunghiulară sondele se dispun pe unul sau două cercuri (fig 510)
Pentru realizarea galeriilor icircnclinate icircngheţarea terenului se realizează cu sonde verticale (fig 511) sau combinat atacirct cu sonde verticale cacirct şi cu sonde icircnclinate (fig 512)
Distanţa dintre sondele verticale (fig 511) se ia de 23 m iar distanţa dintre racircnduri este de 1525 m
Se poate folosi cacircte un racircnd de sonde icircnclinate montate deasupra galeriei (fig 212 a) sau sonde icircnclinate sub galerie şi sonde verticale scurte deasupra galeriei (fig 512 b)
SONDA
154 m
16
6 m
226
262
85
SONDA
Figura 411 Fig 511 Amplasarea sondelor verticale pentru realizarea galeriei icircnclinate
Figura 411 Fig 510 Dispunerea sondelor icircn jurul puţurilor de mină de secţiune
dreptunghiulară
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
44
Figura 412 Fig 512 Realizarea galeriilor icircnclinate cu sonde verticale (1) şi sonde oblice (2)
I - secţiunea longitudinală II - secţiunea transversală a) sonde icircnclinate deasupra galeriei b) sonde icircnclinate sub galerie
413 513 UTILIZAREA METODEI DE IcircNGHEŢARE A SOLULUI IcircN ŢARA NOASTRĂ
a)Puţuri de mină
Aplicarea metodei de icircngheţare a solului pentru lucrări de minerit a avut loc la noi icircn ţară icircncepacircnd cu anul 1960 la puţul Godeni din bazinul carbonifer Cacircmpulung - Muscel Proiectul a fost elaborat icircn anul 1959 la IPROMIN Bucureşti iar lucrarea a fost executată cu Trustul Minier Argeş avacircnd icircn subantrepriză de specialitate Icircntreprinderea Frigotehnica Bucureşti şi Trustul de prospecţiuni explorări şi deschideri de mine noi Bucureşti
Adacircncimea de săpare a puţului Godeni a trebuit sa fie de 202 m Sondele de icircngheţare constituite din două ţevi concentrice (fig 51) cu diametrele exterioare de 146 mm şi respectiv 57 mm icircn număr de 27 au fost amplasate pe un cerc cu diametrul de 10 m la distanţa de 117 m una de alta
Instalaţia frigorifică a fost dimensionată cu mare precauţie pentru a avea o siguranţă mărită icircn funcţionarea ei Toate părţile componente ale instalaţiei frigorifice au fost proiectate şi executate icircn ţară
La proiectarea instalaţiei s-a avut icircn vedere funcţionarea de scurtă durată şi variaţia puterii frigorifice icircn timp S-a utilizat răcirea indirectă cu soluţie de clorură de calciu iar ca agent frigorific a fost folosit amoniacul Pentru a avea elasticitatea necesară icircn funcţionare la diferite puteri frigorifice au fost folosite grupuri de utilaje frigorifice şi anume
6 compresoare 4 AU - 20 (200000 kcal Nh =233 kW fiecare)
3 baterii de condensatoare atmosferice a cacircte 300 m2 (900 m2)
bazine pentru răcirea saramurii fiecare cu cacircte 2 vaporizatoare superintensive de 50 m2 (600 m2)
2 grupuri a cacircte 5 pompe pentru recircularea saramurii
Puterea frigorifică a instalaţiei montate a fost de 12106 kcal Nh =1395 kW şi s-a caracterizat prin următoarele date tehnice la exploatare
85
1
2
I 85
1
2
I
85
1
2
II
85
1
2 II
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
45
o suprafaţa de schimb de căldură a sondelor 2500 m2 o puterea instalaţiei 750 kW o debitul saramurii icircn
o icircn perioada activă 350 m3h o icircn perioada pasivă 70 m3h
o viteza de circulaţie a saramurii icircn sondă o tur 18 ms 036 ms o retur 029 ms 006 ms
o volumul rocilor icircngheţate circa 10000 m3 o consumul specific de frig mediu 50000 m3 o durata icircngheţării (perioada activă) 130 zile
Icircn timpul răcirii şi deci a icircngheţării solului puterea frigorifică scade icircn mod continuu icircncacirct treptat s-a scos din funcţiune cacircte un compresor icircn perioada pasivă (de săpare a puţului) s-a menţinut icircn lucru doar un singur compresor şi grupul de utilaje aferent
După terminarea lucrărilor de la puţul Godeni icircn anii următori aceeaşi instalaţie s-a montat la puţul Poenari din acelaşi bazin carbonifer unde sondele au fost amplasate pe un cerc cu diametrul de 11 m la distanţa de 128 m una de alta
Un alt puţ realizat prin această tehnologie de icircngheţare a solului a fost puţul Jugur de la acelaşi bazin carbonifer Centrala frigorifică a cuprins 15 compresoare 3 AV - 20 (150000 kcal Nh fiecare=175kW) repartizate icircn 5 linii tehnologice independente cu icircntreg utilajul aferent Fiecare linie este compusă din
o butelie de răcire intermediară BRI - 700 un condensator cu evaporare forţată CEF - 180 un bazin cu patru grupuri vaporizatoare intensive de cacircte 165 m2 (icircn total 66 m2)
Sondele de icircngheţare icircn număr de 27 bucăţi au fost prevăzute să se amplaseze pe un cerc cu diametrul de 104 m la distanţă de 121 m Sondele sunt de tipul celei indicată icircn figura 58 deci cu răcire zonală avacircnd următoarele caracteristici diametrul exterior al burlanului este de 146 mm iar tuburile interioare au 57 mm (la exterior) tubul de alimentare are lungimea de 430 m iar cel de evacuare este de 220 m Ca urmare sondele de icircngheţare trebuie să producă icircngheţarea solului numai pe adacircncimea de la 220 m la 430 m Prin proiect s-au prevăzut următoarele date temperatura saramurii - 35 ordmC viteza saramurii icircn conducte de tur 18 ms viteza icircn conducte de retur (pe adacircncimea de răcit) 06 ms durata icircngheţării (perioada activă) a fost de 75 zile
Au fost prevăzute temperaturi scăzute şi viteze mari de congelare deoarece cilindrul icircngheţat trebuie să preia presiuni de pacircnă la 56 bar
b)Tunelurile pentru metroul din Bucureşti
Icircncepacircnd cu anul 1976 pentru realizarea metroului din Bucureşti s-a procedat la aplicarea metodei de icircngheţare a solului icircntr-o zonă considerată experimentală dar cu realizări efective de galerii
Prin proiect s-a prevăzut consolidarea prin icircngheţare artificială a profilului de săpare a tunelurilor de metrou pe o lungime de circa 550 m pe ambele fire Amplasamentul sondelor s-a făcut icircn două variante (pentru experimentare) pentru un fir de tunel ambele racircnduri de sonde s-au fixat icircn profilul circular de săpare iar pentru cel de al doilea fir de tunel sondele au fost forate icircn afara profilului de icircnaintare (fig 513) Au fost folosite sonde cu saramură cu posibilitatea de icircngheţare pe toată icircnălţimea de 16 m cacirct şi sonde cu icircngheţare zonală icircntre adacircncimile de 7 m şi 16 m Distanţa dintre sonde a fost fixată la 14 m
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
46
Pentru a se icircmpiedica accesul apelor icircn frontul de săpare datorate unor eventuale zone neicircngheţate traseul de tunel icircngheţat a fost icircmpărţit icircn incinte icircnchise prin timpane transversale La distanţe de 3050 m icircn lungul traseului au fost montate sonde de icircngheţare aşezate icircn plan normal pe axul tunelului prin care să se icircnchidă accesul apelor spre frontul de săpare
Echipamentul frigorific principal cuprinde
- 8 compresoare frigorifice 3 AV - 20 funcţionacircnd icircntr-o treaptă pentru care
corespunde puterea frigorifică de 12 106 kcal Nh =1395 kW
- 4 condensatoare de evaporare forţată CEF - 250
- 3 bazine de răcire a saramurii echipate cu cacircte 4 grupuri de vaporizatoare superintensive de cacircte 51 m2 (total 612 m2)
- 3 grupuri de cacircte 2 pompe a 220 m3h pentru circulaţia saramurii pe traseele de distribuţie şi prin sonde
Figura 413 Fig513 Amplasamentul sondelor de icircngheţare
Centrala frigorifică este stabilă adăpostită icircntr-o baracă metalică demontabilă existacircnd posibilitatea de reamplasare rapidă a instalaţiei icircntr-un alt loc Agentul frigorific utilizat este amoniacul iar agentul intermediar este clorura de calciu
Icircn perioada principală de icircngheţare temperatura de vaporizare este to = -22 ordmC asiguracircnd răcirea saramurii la -17 ordmC iar pe retur saramura a avut temperatura cu 15 ordmC mai ridicată
La o asemenea lucrare realizată icircn oraş se impune protejarea contra icircngheţului a straturilor de deasupra galeriilor icircn care sunt amplasate instalaţiile de apă - canal ceea ce presupune folosirea sondelor cu icircngheţare zonală care să nu fie active la partea superioară
c) Puţuri pentru prospectarea balastierelor
Procedeul şi instalaţia frigorifică au avut caracter de noutate şi s-a aplicat icircncepacircnd cu anul 1966 la mai multe obiective icircn general pe văile racircurilor unde s-au construit hidrocentrale
A
A B
B
A-A
000 -300 -700 -1061 -1300
65
800
B-B
000 -300 -700 -1061 -1300
65
550
ARGILA
ARGILA
NISIP
NISIP
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
47
Echipamentul frigorific principal cuprinde un agregat frigorific pentru amoniac de 20000 kcal Nh = 233 kW rezervor de amoniac separator de lichid şi anexe - toate fiind montate pe o remorcă
S-au folosit sonde de icircngheţare cu agent frigorific icircn număr de 8 bucăţi cu diametrul exterior de 133 mm montate pe un cerc cu diametrul de 2 m la distanţa de 076 m lungimea lor fiind de 75 m Legarea sondelor la distribuitor şi colector s-a făcut cu racorduri flexibile
Sondele au o construcţie specială fiind prevăzute cu 4 pereţi transversali cu ştuţuri de preaplin formacircndu-se astfel 5 compartimente Agentul lichid se introduce icircn compartimentul cel mai de sus şi se scurge prin ştuţuri pacircnă la baza sondei Conducta de aspiraţie străbate toate compartimentele vaporii fiind aspiraţi din compartimentul cel mai de jos Circulaţia vaporilor formaţi se face ca şi a lichidului de sus icircn jos obţinacircndu-se astfel o răcire uniformă şi eficientă pe toată icircnălţimea sondei
Durata icircngheţării respectiv a formării centurii de teren icircngheţat la adăpostul căreia să se poată efectua săparea şi preluarea de probe de sol este de 10 zile
414 514 CAcircMPUL DE TEMPERATURĂ IcircN SOLUL IcircNGHEŢAT
Cacircnd prin sonda de icircngheţare circulă saramură a cărei temperatura este sub 0 ordmC practic - 20 ordmC-25 ordmC icircn jurul sondei se formează un cacircmp termic care icircn cazul unei singure sonde poate fi reprezentat prin suprafeţe cilindrice coaxiale de temperatură constantă (izoterme)
După distanţa radială se deosebesc icircn sol din punct de vedere termic trei zone zona cilindrică din imediata vecinătate a sondei care este icircn zona icircngheţată zona răcită cuprinsă icircntre suprafaţa cilindrică izotermă de 0 ordmC şi izoterma de temperatură naturală şi a treia zonă cea de temperatura naturală (fig 514)
Icircn zona icircngheţată temperatura masivului variază de la temperatura peretelui metalic al sondei pacircnă la 0 ordmC Icircn zona răcită temperatura masivului creşte de la 0 ordmC pacircnă la temperatura naturală a masivului
Figura 414 Fig 514 Cacircmpul de temperatură icircn jurul unei sonde de icircngheţare
Este important să se cunoască cacircmpul termic icircn terenul supus icircngheţării deoarece acesta oferă date privind zona de răspacircndire a consolidării rocilor prin solidificarea apei cacirct şi a
t [oC]
r [m]
t (r)
ZONA RACITA
ZONA INGHETAT
A
ts TEMPERATURA NATURALA A ROCII
-20
-10
40
10 0 20 30
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
48
rezistenţei mecanice a rocii icircngheţate Se cunoaşte faptul că rezistenţa mecanică depinde direct de temperatură
Studiul variaţiei temperaturii icircn zona de influenţă a unei sonde şi a tuturor sondelor simultan oferă posibilitatea calculării dimensiunilor la proiectarea construcţiei peretelui protector cacirct şi controlul procesului icircn timpul desfăşurării lucrărilor
Pentru a se stabili relaţia de variaţie a temperaturii icircn zona icircngheţată icircn funcţie de raza r se consideră ecuaţia diferenţială
dr
dtr2q (56)
icircn care q este fluxul unitar de căldură corespunzător lungimii de 1 m din sonda de icircngheţare Wm
- conductivitatea termica a terenului Wm
Integrarea directă a ecuaţiei analitice se poate face icircn ipoteze simplificatoare consideracircnd
= const şi q = const ceea ce este justificat la valori mari ale timpului de răcire
Se separa variabilele
r
dr
2
qdt
(57)
Se consideră cunoscute temperaturile t1 la suprafaţa sondei de raza r1 și t2 = 0 ordmC la raza r2 corespunzătoare suprafeţei exterioare a cilindrului icircngheţat Se integrează ecuaţia (6-7) și cunoscacircnd limitele de integrare se va determina constanta de integrare
Cr ln2
qt
(58)
pentru r = r1 t = t1 deci
11 rln2
qtC
(59)
1
1r
rln
2
qtt
(510)
Se pune condiţia ca pentru r = r2 t = t2
1
212
r
rln
2
qtt
(511)
Se elimina q intre relaţiile (510) și (511) şi se obţine
1
2
1121
r
rln
r
rln
tttt (512)
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
49
Figura 415 Fig 515 Schema schimbătorului de căldură subteran
Pentru t2 = 0 ordmC relaţia (5-12) devine
)rrln(
)rrln(tt
12
21 (513)
Icircn figura 515 se prezintă o secţiune axială printr-o sondă de icircngheţare şi variaţia temperaturii icircn limitele t0 - temperatura agentului de răcire şi ts - temperatura naturală a solului
Cantitatea de căldură transferată de la masivul neicircngheţat spre agentul de răcire prin unitatea de lungimea de conducta şi unitatea de timp se calculează cu expresia
221
2
1o
1
moo
os
d
1
d
dln
1
d
dln
2
1
d
1
ttq
(514)
Icircn calculele inginereşti cel mai frecvent se determină nu fluxul termic pe unitatea de lungime a conductei ci fluxul termic qF raportat la unitatea de suprafaţă a conductei metalice la 1 m2 de suprafaţa exterioară sau interioară Mărimea qF se calculează astfel
22
o
1
2
1
o
o
1
m
o
o
oS
o
F
d
d
d
dln
2
d
d
dln
2
d1
tt
d
(515)
Fluxul termic qF prin unitatea de suprafaţă a sondei de icircngheţare calculat pentru adacircncimea de 100 m icircn regim laminar de curgere a agentului de răcire prin spaţiul inelar al sondei cu viteza w = 01 ms la diametre ale cilindrului de rocă icircngheţata
de la 02 la 3 m pentru to = -20 ordmC do = 01 m 1 = 233 WmK variază de la 720 la 230 Wm2 aşa cum se poate observa din figura 516 şi tabelul 51
d2
d1
d0
t
qF
t0
t2
t1 2
m 1
m
ts
Conducta Teren icircngheţat Teren
neicircngheţat
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
50
Figura 416 Fig 516 Variaţia fluxului termic qF prin unitatea de suprafaţă a sondei de icircngheţare 1 - regim turbulent 2 regim laminar
Tabelul 51Variaţia fluxului termic qF [Wm2]
Diametrul cilindrului de rocă icircngheţată icircn m
02 04 05 08 10 15 20
qF regim laminar 1160 550 387 330 302
qF regim laminar 720 465 423 350 321 283 258
Se observă ca densitatea fluxului de căldura qF scade foarte mult de la 800900 Wm2 la icircnceputul operaţiei de consolidare prin frig a rocilor pacircnă la 230250 Wm2 cacircnd cilindrul de rocă icircngheţata atinge diametrul de 23 m Ca urmare a acestei situaţii şi puterea frigorifică a instalaţiei va scădea icircn decursul a 6080 zile tot cu raportul de 800230 = 35
Instalaţia frigorifică va fi constituită din grupuri de utilaje (module) ce vor fi scoase treptat din funcţiune pe măsură ce se reduce densitatea fluxului de căldură qF ca urmare a creşterii grosimii stratului de teren icircngheţat Icircn practică pentru calcule se va considera qF = (260290) Wm2
O mărime importanta pentru proiectarea instalaţiei şi aprecierea procesului de consolidare a rocilor este timpul de icircngheţare Pentru calculul duratei de icircngheţare se pot folosi relaţiile prezentate icircn capitolul 3 la formarea gheţii pe suprafeţe cilindrice exterioare La aprecierea valorii pentru ls - căldura latentă de solidificare se avea icircn vedere conţinutul de apă din terenul supus icircngheţării
Dacă icircntre relaţiile pentru dependenţele (r) şi qF(r) se elimină r se obţine dependenţa
qF() Eliminarea nu se poate face direct ci fie cu ajutorul calculatorului fie printr-o construcţie grafică prezentată icircn figura 517
Studiul variaţiei temperaturii icircn solul icircngheţat cacirct și variaţia icircn timp a densităţii fluxului de căldura se poate face cu ajutorul calculatorului electronic
1200
1000
800
600
400
200
0 05 1 15 2 25 3
qF [Wm2]
Diametrul cilindrului de rocă icircngheţată [m]
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
51
Figura 417 Fig 517 Stabilirea dependentei qF() pe baza dependentelor qF(r) și (r)
415 515 ELEMENTE DE PROIECTARE A INSTALAŢIEI FRIGORIFICE PENTRU IcircNGHEŢAREA SOLULUI
Pentru proiectarea instalaţiei frigorifice trebuie sa se stabilească la icircnceput elementele de baza și anume
- puterea frigorifică maximă care apare la icircnceputul perioadei de răcire cacircnd pătrunderile de căldura spre agentul de răcire din sondele de icircngheţare au valori mai mari temperatura de vaporizare a agentului frigorific plecacircnd de la temperatura minimă sau medie din solul icircngheţat şi avacircnd icircn vedere modul de răcire directă sau indirectă
Se calculează cantitatea totală de căldură ce trebuie extrasă din terenul supus răcirii şi icircngheţării Se cunoaşte structura terenului icircngheţat deci se cunosc icircnălţimile h1 h2hn ale diferitelor straturi componente cacirct şi proprietăţile termofizice ale acestora
Grosimea centurii de teren icircngheţat se stabileşte icircn urma calculelor de rezistenţa materialelor icircncacirct se pot calcula volumele ocupate de straturile componente V1 V2Vn
Cantitatea de căldură ce trebuie extrasă din zona icircngheţată cuprinde două componente și anume
cantitatea de căldura Qa corespunzătoare răcirii şi icircngheţării apei
cantitatea de căldura Qt necesara răcirii părţii solide a terenului
n
1kfgsikaakka tcltcVQ (516)
unde
k - reprezintă conţinutul icircn apă din stratul respectiv [m3m3]
a - densitatea apei [kgm3]
ca cg - căldura specifica a apei respectiv a gheţii Jkg K
tik - temperatura iniţiala a stratului respectiv (de ordinul k)
tf - temperatura medie finala a masivului icircngheţat
ls - căldura latentă de solidificare a apei
r
q
q
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
52
fik
n
1kkkkkt ttc1VQ
(517)
k - densitatea părţii de teren solid (uscat) din stratul k
ck - căldura specifică a terenului uscat din stratul k
Cantitatea de căldură extrasă din terenul răcit reprezintă circa 1018 din cantitatea de căldură extrasă din zona de teren icircngheţat
Deci cantitatea totală de căldură Q ce va trebui preluată de către instalaţia frigorifică se poate aprecia astfel
Q = (110118) (Qa + Qt) (518)
Cu relaţia (51) se calculează puterea frigorifica a instalaţiei adoptacircnd o valoare medie pentru densitatea fluxului de căldura qF
Se poate aprecia timpul de funcţionare a instalaţiei frigorifice
o
Q
(519)
La anumite grosimi ale cochiliei de teren icircngheţat icircn jurul sondei densitatea fluxului termic scade sub valoarea medie adoptată icircn calcule şi ca urmare icircncepacircnd de la acest moment se va putea reduce treptat puterea frigorifica a instalaţiei prin scoaterea din funcţiune a unor grupuri
La proiectare se pot avea icircn vedere unele recomandări practice pentru stabilirea necesarului de frig pentru icircngheţarea unui m3 la -10 ordmC este necesar un consum specific de frig de 66000 kJ la 10 umiditate de 155000 kJ la 35 umiditate și de 210000 kJ la 50 umiditate
42 52 RĂCIREA BETONULUI LA CONSTRUCŢIILE MASIVE
421 521 INSTALAŢII DE PRERĂCIRE A COMPONENTELOR BETONULUI
Formarea betonului din elementele sale componente (nisip pietriş ciment şi apă) este icircnsoţită de fenomene fizico - chimice icircn care se degajă căldură şi ca urmare temperatura acestuia creşte Icircn cazul unor masive din beton (baraje) dacă viteza de turnare (icircn sezonul cald cacircnd se efectuază construcţia) este mai mare şi nu se asigura evacuarea căldurii corpul rezultă la o temperatura medie mai mare decacirct temperatura medie anuală Răcirea naturală conduce la contracţia masivului şi ca urmare la apariţia sub acţiunea tensiunilor interne a unor fisuri
Pentru ca variaţiile de temperatura icircntre centrul barajului şi straturile exterioare să fie cacirct mai mici se impune ca masivul respectiv să fie turnat la temperatura medie anuală a zonei respective Icircn acest scop se pot folosi două metode prin prerăcirea componentelor betonului și prin răcirea masei barajului
Icircn vederea reducerii căldurii degajată icircn reacţia dintre ciment şi apă au fost realizate sortimente de ciment caracterizate prin călduri masice reduse ce se degajă icircn procesul de priză
Prin prerăcirea componentelor betonului se urmăreşte ca betonul sa aibă temperatura medie a locului de amplasament şi prin aceasta evitarea apariţiei unor diferenţe mari de temperatură ce pun icircn pericol construcţia
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
53
Icircn funcţie de valoarea diferenţei de temperatură care trebuie realizată se poate adopta o anumită schemă de răcire pentru fiecare component icircn parte sau numai pentru unele din aceste părţi componente
Se pot folosi instalaţii frigorifice cu comprimare mecanică de vapori pentru răcirea apei a aerului sau formarea gheţii mărunte utilizate la prerăcirea componentelor betonului Folosirea gheţii fulgi sau solzi este limitată atacirct din cauza conţinutului de apă impus cacirct şi ca urmare a pericolului ca gheaţa să nu se topească icircn procesul de malaxare ci la turnare sau icircn procesul de priză ceea ce duce la formarea de goluri icircn beton
De asemenea se pot folosi instalaţiile frigorifice cu ejecţie
Icircn vederea stabilirii necesarului de frig pentru preratildecirea componentelor betonului se calculează mai icircntacirci cantitatea de catildelduratilde Qo1 ce trebuie evacuatatilde dintr-un m3 de beton avacircndu-se icircn vedere proporţiile icircn care participatilde cimentul nisipul pietrişul şi apa Fiecare component are o temperatură iniţialatilde şi urmeazatilde a fi răcit pacircnatilde la o temperatura finalatilde tf aceeaşi pentru toţi componenţii
fpppfnnnfccc1o ttcmttcmttcmQ
fnaanfpaapfaaa ttcmttcmttcm Jm3 (520)
unde
mc mn mp ma - masele de ciment nisip pietriş şi apă conţinute icircntr-un m3 de beton [kgm3]
cc cn cp cw - căldurile specifice masice ale cimentului nisipului pietrişului şi nisipul dintr-un m3 de beton [kgm3]
Puterea frigorifică se determină cu relaţia
3b1oo 10VQ [kW] (521)
icircn care bV reprezintă fluxul de betonare icircn m3s
Se prezintă icircn continuare cele mai folosite metode de prerăcire a componentelor betonului
4211 a) Instalaţie de prerăcire cu apă
Staţia de preparare a betonului este deservită de o instalaţie frigorifică cu comprimare mecanică de vapori care asigură răcirea apei
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
54
Figura 418 Fig 518 Schema de lucru a instalaţiei de prerăcire a betonului cu ajutorul apei 1 - ciment 2 - vagon nisip 3 - vagon pietris 4 - tancuri de răcire a pietrişului 5 - sită 6 - siloz de
nisip 7 - siloz de ciment 8 - rezervor de distribuţie 9 - răcitor de nisip 10 - răcitor de ciment 11 - răcitor de apă 12 - rezervor de apă răcită 13 - răcitor de apă 14 - instalaţie de prepararea betonului
I II III IV V - fazele de răcire a pietrişului
Icircn figura 518 se prezintă schema de lucru a unei asemenea instalaţii de prerăcire a betonului cu ajutorul apei folosită la construcţia barajului de la Detroit (SUA) Apa este răcită de la 16 la 15 ordmC şi transmisă apoi la instalaţia de preparare a betonului şi icircn cinci rezervoare a cacircte 90 m3 fiecare icircn care se răceşte pietrişul
Procesul de răcire a pietrişului cuprinde cinci faze
- faza I - introducerea apei icircn rezervor 10 minute
- fazele II şi III - introducerea simultană a apei şi a pietrişului 50 minute
- faza IV - evacuarea apei 15 minute
- faza V - evacuarea pietrişului 15 minute
Icircntregul proces de răcire a pietrişului durează 90 minute Pentru răcirea cimentului şi nisipului se utilizează schimbătoare de căldură cu ax elicoidal la care apa de răcire circulă prin arborele gol şi prin manta
Rezervoarele 12 pentru apa răcită au fiecare volumul de 114 m3
Beton 635oC
190 m3h
65oC
24oC
18oC
1
2
3
4
5
6
7
8
10
9
11
12
13
14
Apă 16oC
15oC
Cim
en
t
26 l
h
Nis
ip 1
12
lh
10
oC
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
55
42111 Aplicaţie numerică
Să se calculeze puterea frigorifică necesară prerăcirii betonului prin metode şi condiţiile prezentate mai sus Se cunosc următoarele date de calcul
mp = 1700 kgm3 beton
mc = 135 kgm3 beton
mn = 590 kgm3 beton
ma = 60 kgm3 beton
cc = cn = cp = 921 Jkg K
ca = 4180 Jkg K
map = 16 kgm3 beton
man = 38 kgm3 beton
tp = 18 ordmC
tc = 66 ordmC
tn = 21 ordmC tf = 635 ordmC
052803000
190Vb m3s
Se calculează componentele cantităţii de căldură Q01
3fcccc 10741735666921135ttcmQ Jm3
3fnnnn 10796135621921590ttcmQ Jm3
3fpppp 1024018356189211700ttcmQ Jm3
3faaaa 10420235616418060ttcmQ Jm3
3fpaapap 1077935618418016ttcmQ Jm3
3fnaaan 10232735621418038ttcmQ Jm3
Rezulta
3anapapnc1o 1039144QQQQQQQ Jm3
3o 10 206705280103914410VQ 33
b1o kW
4212 b) Instalaţii de prerăcire cu aer apă
Pentru răcirea componentelor betonului se utilizează icircn acest caz fie apa fie aerul ca agenţi intermediari răciţi cu ajutorul instalaţiilor frigorifice
Icircn figura 519 se prezintă schema unei asemenea instalaţii folosită la construcţia barajului de la Sariyar din Turcia
Răcirea aerului se poate face fie direct prin vaporizarea unui agent frigorific fie indirect cu un agent intermediar de răcire ca de exemplu saramura de clorură de calciu Aerul răcit pacircnă la -6 ordmC este suflat icircn silozurile cu pietriş de dimensiuni icircntre 4150 mm
Apa răcită icircn bazinul la pacircnă la 05 ordm este trimisă din colectorul 12 la staţia de preparare a betonului servind la scăderea temperaturii acestuia
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
56
Figura 419 Fig 519 Schema instalaţiei de prerăcire a betonului cu aer şi apă 1 - compresor 2 - condensator 3 - ventile de laminare 4 - vaporizatoare 5 - bazin de răcire a
saramurii 6 - pompă de saramură 7 - răcitor umed de aer 8 - ventilatoare 9 - silozuri de pietriş 10 - bazin de răcire a apei 11 - pompă 12 - colector de apă răcită
Figura 420 Fig 520 Schema instalaţiei de prerăcire cu aer şi apă 1 - siloz de pietriş şi nisip 2 - siloz de ciment 3 rezervor de apă 4 - răcitor de aer 5 - răcitor de apă
4 - răcitor de apă 6 - buncăr de sortare 7 - instalaţie de preparare beton
Pentru intensificarea procesului de răcire a pietrişului aerul este răcit sub 0 ordmC Acest procedeu are avantajul unei funcţionări fără icircntrerupere a procesului de preparare a betonului dar prezintă şi o serie de dezavantaje debite foarte mari de aer de răcire posibilitatea antrenării particulelor fine de agregat icircn răcitorul de aer şi depunerea acestora pe suprafaţa de schimb de căldură Ca urmare instalaţia se va curăţa la circa 14 zile Icircn figura 520 se prezintă o altă schemă de instalaţie de prerăcire a betonului cu aer şi apă folosită la construcţia unui baraj din India
Apă
295oC
Ciment
433oC
Pietriş şi nisip
378oC
Apă 6oC
Ciment 433oC
Aer
Pietriş
45oC Nisip 222oC
22oC
Ap
ă
45
oC
Ap
ă 2
2o
C
Ae
r 5
5o
C
Be
ton
12
8o
C
Apă 22oC
2
1
3 4 5
8
9
5 7
12
1oC
11
05oC 9oC 9oC
-9oC
-10oC -10oC
-10oC 2oC
6oC
10 4 4 6
8 8
8
8 8
9 9 9 9
1
2
3 3
7
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
57
Pietrişul şi nisipul se separă icircntre ele icircn buncărul de sortare 6 şi apoi fiecare circulă pe cacircte o bandă transportoare prin camera de răcire 7 Pietrişul este răcit cu ajutorul apei
Fig
ura
42
1 F
ig 5
21
Sc
he
ma
in
sta
laţi
ei
de
ră
cir
e icirc
n v
id a
co
mp
on
en
telo
r b
eto
nu
lui
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
58
reci icircncacirct ajunge la o temperatură mai scăzută decacirct nisipul răcit cu aer Prin camera 7 se circulă şi aer rece care se introduce la temperatura de 55 ordmC Cimentul se introduce la instalaţia de preparare a betonului 9 fără a fi răcit
O altă posibilitate de prerăcire a agregatelor (pietriş şi nisip) şi a apei utilizată mai recent la construirea barajelor icircntrebuinţează răcirea icircn vid la care agregatele uşor umezite icircn recipiente sub presiune se răcesc după nevoie (prin reglarea vacuumului) la o temperatură mai scăzută sau mai ridicată Căldura necesară evaporării umidităţii de pe agregate şi din ele (apa legată) este luată chiar de la corpurile respective (pietriş nisip) şi ca urmare acestea se răcesc
O asemenea instalaţie utilizată la Hortwell icircn SUA (figura 521) cuprinde 3 recipienţi de cacircte 150 m3 pentru răcirea pietrişului şi 3 recipienţi de cacircte 80 m3 pentru răcirea nisipului
Pietrişul şi nisipul cu temperatura maximă de 43 ordmC se pot răci pacircnă la temperatura necesară de 45 ordmC Pentru realizarea vidului necesar se folosesc două cazane de abur care produc 77 th fiecare
422 522 RĂCIREA INTERIOARĂ A MASIVULUI DE BETON
Prerăcirea betonului se recomandă icircn condiţiile unei zone tropicale sau temperate de amplasare a construcţiei masive nu se recomandă icircn cazul amplasării barajului icircn munţi unde temperatura aerului este scăzută Icircn asemenea situaţii se recomandă răcirea betonului prin conducte amplasate icircn masiv prin care circulă apă rece
La răcirea interioară cu conducte montate icircn beton are loc o eliminarea a căldurii simultan cu producerea ei icircn procesul de priză producacircndu-se şi o răcire pacircnă la temperatura necesară Pentru răcire se folosesc conducte de oţel cu diametre de 1525 mm montate la distanţe de 1223 m icircn plan orizontal şi de 153 m icircn plan vertical Lungimea conductelor icircntr-un m3 de beton este de 0204 şi a fiecărei serpentine de 140250 m
Debitul apei de răcire ce circulă prin 1 m3 de beton este de (0553) dm3h
Figura 422 Fig 522 Reţea de conducte de răcire a betonului icircn secţiunea unui baraj 1 - galerie pentru măsurători 2 - galerie de conducte de apă de răcire
Serpentinele se montează şi se fixează pe suprafaţă de beton (fig522) Capetele serpentinelor se leagă de o coloană verticală prin mufe metalice sau de cauciuc Diametrul distribuitorului şi al coloanei este cuprins icircntre 150200 mm După montaj aceste conducte se verifică la presiunea de lucru
1 2
Ax
a
ba
raju
lui
Izolaţii termice
4
alimentară cuptoare de icircncălzire cuptoare de tratamente termice icircn industrie) are rolul de a reduce pierderea de căldură icircn exterior icircn vederea menținerii unui regim de temperatură și umiditate cacirct mai stabil
Materialul se aplică pe suprafața interioară a pereților spațiilor icircncălzite cu condiția realizării unei continuități perfecte a stratului de izolație icircntre pereți planșeu și pardoseală
113 Calculul grosimii izolației termice pentru o densitatea de flux termic cunoscută (condiții la limită de steța a II-a)
Cu notațiile din Figura 11 și Figura 12 densitatea de flux termic transmisă prin perete se calculează cu relația
e3
3iz
1
1
i
eip 1
iz
1
ttq
[Wm2] (11)
unde
e [Wm2middotgrd] este coeficientul de convecție aer exterior-perete pentru incintele răcite
icircn funcție de amplasarea și tipul peretelui valorile coeficientului e [Wm2middotgrd] sunt prezentate icircn Tabelul 11
Tabelul 11 Valorile coeficientului e pentru incintele răcite
Amplasarea și tipul peretelui e i
[Wm2middotgrd]
Pereți exteriori și acoperișuri fără pod expuși curenților de aer 28hellip30
Pereți exteriori și acoperișuri fără pod icircn contact cu aerul atmosferic cu circulație moderată
23hellip24
Acoperiș cu pod 11hellip12
Pereți interiori ce separă spatiul răcit de culoare sau camere vecine ventilate
15hellip18
Plafoane și pardoseli interioare 10hellip12
Suprafața interioară a pereților unei camere icircncălzite sau răcite 8hellip9
Pereții interiori ai camerei de depozitare a produselor răcite cu circulație moderată a aerului
9
Pereții interiori ai camerei de congelare camerei de racier preliminară a produselor cu circulație intensă a aerului
11
pentru pereții unor cuptoare valorile coeficientului de convecție e [Wm2middotgrd] și pierderile exterioare de căldură qp [Wm2] funcție de temperatură și tipul peretelui sunt prezentate icircn Tabelul 12
Tabelul 12 Valorile coeficientului e pentru pereții unor cuptoare
t [ordmC]
e [Wm2middotgrd] qp [Wm2]
pereți vopsiți cu lac de aluminiu
pereți din zidărie
pereți vopsiți cu lac de aluminiu
Pereți din Zidărie
40 870 1005 78178 89999
50 913 1058 115115 133115
60 956 1111 154882 179580
70 998 1163 196742 230230
80 1042 1213 242788 285067
90 1085 1272 293020 344090
100 1128 1326 345345 406042
110 1170 1389 300763 476367
Izolaţii termice
5
120 1214 1430 459623 539994
130 1256 1488 519064 615342
140 1298 1540 583947 692783
150 1343 1593 653016 774110
160 1386 1647 724178 858130
170 1428 1680 797433 946036
180 1472 1756 872781 1042310
190 1515 1808 954408 1138592
200 1558 1861 1036035 1239560
210 1600 1919 1121848 1347892
220 1642 1971 1213521 1454635
230 1686 2024 1301846 1565564
240 1730 2070 1393938 1674400
250 1773 2128 1496495 1799980
i [Wm2middotgrd] - coeficientul de convecție perete - aer interior - pentru incintele răcite icircn funcție de amplasarea și tipul peretelui valorile coeficientului
αi [Wm2grd] sunt prezentate icircn Tabelul 11
i
i [m2middotgrdW] - suma rezistențelor termice ale straturilor componente ale peretelui icircn
afara stratului de izolație termică
- ti te [ordmC] - temperatura aerului interior respectiv exterior
Rezultă grosimea stratului de izolație termică
e
1
3
1
q
tt 3
1
1
ip
eiiziz [m] (12)
Grosimea stratului de izolație termică se standardizează pentru fiecare material icircn parte
Cu noua valoare a grosimii stratului de izolație termică se recalculează densitatea de flux termic qp [Wm2]
Pentru incintele răcite valorile recomandate pentru pătrunderea de căldură (densitatea de flux termic) depind de temperatura aerului interior din spațiul răcit de mărimea și destinația spațiului respectiv
114 Calculul grosimii izolației termice pentru o valoare dată a coeficientului total de transfer de căldură
Cu notațiile din Figura 11 și Figura 12 coeficientul total de transfer de căldură se calculează cu relația
iiz
iz
i
i
e
11
1k
[Wm2middotgrd] (13)
Rezultă grosimea stratului de izolație termică
ii
i
eiziz
11
k
1 [m] (14)
Grosimea stratului de izolație calculată se standardizează pentru fiecare perete și material icircn parte
Izolaţii termice
6
Cu noua valoare a grosimii stratului de izolație termică se recalculează coeficientul total de transfer de căldură k
Icircn calculele practice se poate adopta o valoare a coeficientului total de transfer de căldură k = (02hellip05) Wm2middotgrd pentru pereți și tavan (pereți izolați cu polistiren expandat) și k = (03hellip07) Wm2middotgrd pentru pardoseală (perete izolat cu plută)
Pentru un calcul rapid se pot adopta următoarele valori ale coeficientului total de transfer de căldură funcție de diferența de temperatură ∆t = te - ti (Tabelul 13)
Tabelul 13 Valori ale coeficientului total de transfer de căldură funcție de ∆t
∆t [grd] 50hellip35 35hellip30 30hellip25 25hellip30 20hellip15 15hellip10 10
k [Wm2middotgrd] 023hellip035 040 045 052 058 063 070
Pentru diverse elemente izolate ale incintelor răcite valorile coeficientului total de transfer de căldură sunt indicate icircn Tabelul 14 Tabelul 15 Tabelul 16 Tabelul 17
Tabelul 14 Valori ale coeficientului total de transfer de căldură pentru pereți exteriori
Temperatura aerului din incinta răcită ti [ordmC]
k [Wm2middotgrd]
zona nordică zona medie
zona sudică
-30hellip-18 032 025 023
-10 040 035 029
-4 046 040 035
0 052 046 040
4 065 058 049
12 078 070 058
Tabelul 15 Valori ale coeficientului total de transfer de căldură pentru pereți interiori
Temperatura aerului din incinta răcită ti [ordmC]
k [Wm2grd
zona nordică zona medie zona sudică
a b a b a b
-30hellip-18 029 028 025 023 021 020
-10 037 035 031 029 025 020
-4 043 039 037 035 031 029
0 048 045 042 039 036 033
4 058 053 052 049 044 041
Obs a) acoperiș cu pod b) acoperiș fără pod
Tabelul 16 Valori ale coeficientului total de transfer de căldură funcție de destinația incintei răcite
Incinta răcită Tempaerului ti [ordmC] k [Wm2middotgrd]
Camera de congelare -23hellip-35 035
Depozit produse congelate
-18hellip-25 041
Depozit produse refrigerate
0 052
4 070
12 092
Tabelul 17 Valori ale coeficientului total de transfer de căldură funcție de poziția peretelui
Poziția peretelui k [Wm2middotgrd]
Perete icircntre două depozite de produse congelate
052
Perete icircntre două depozite de produse refrigerate
058
Izolaţii termice
7
Perete icircntre camere de congelare și depozite de produse congelate
046
Perete icircntre camere de congelare și depozite de produse refrigerate
035
Perete icircntre un depozit de produse congelare și un depozit de produse congelate
046
Pentru diverse construcții cu pereți executați din panouri mari de beton valorile coeficientului total de transfer de căldură sunt prezentate icircn Tabelul 18
Tabelul 18 Valori ale coeficientului total de transfer de căldură pentru pereți executați din panouri mari de beton
Material Greutate specifica ρ [kgm2]
Grosime perete δ [mm]
k [Wm2 middotK]
Perete interior
Perete exterior
Panouri mari icircn strat omogen tencuiți interior și exterior
1300 260 15119 13491
1350 300 14537 13142
Panouri mari icircn trei straturi avacircnd la interior și exterior beton armat iar la mijloc termoizolație
- plăci semirigide din vată minerală
1600 200 13374 12095
- sticlă spongioasă 1450 220 12793 11630
- plută minerală 1600 200 12793 11630
12 Izolarea termică a pereților cilindrici
Calculul termic al sistemelor de conducte reprezintă un caz particular al transferului de căldură icircntre două fluide despărțite de un perete format din unul sau mai multe straturi Icircn functie de temperatura fluidului transportat se deosebesc două categorii de conducte izolate termic
conducte care transportă fluide calde (Figura 13) la care izolația termică are drept scop reducerea pierderilor de căldură și de temperatură icircn mediul ambiant și asigurarea unor temperaturi pe suprafața exterioară icircn conformitate cu normele de protecție a muncii
conducte care transportă fluide reci (Figura 14) la care izolația termică are drept scop micșorarea absorbției de căldură din mediul ambiant și evitarea condensării umiditătii din aer pe suprafața conductelor
Figura 13 Variatia temperaturii icircn peretele conductelor care transportă fluide calde
r [mm]
iz sp p
tf f
tp1
te e
t
[oC]
di
de
diz
dsp
tp2
tp3 tp4
ФL
Izolaţii termice
8
Figura 14 Variatia temperaturii icircn peretele conductelor care transportă fluide reci
121 Calculul grosimii izolației termice pentru un flux termic liniar cunoscut (condiții la limită de speța a II-a)
Se consideră o conductă cu un strat de izolație de bază și un strat protector (Figura 13 pentru conducte care transportă fluide calde și Figura 14 pentru conducte care transportă fluide reci) Icircn vederea calculării grosimii izolației termice sunt necesare următoarele date
amplasarea conductei și temperatura mediului ambiant te [ordmC]
dimensiunile conductei di și de [m]
temperatura fluidului transportat tf [ordmC]
construcția și materialul izolației termice iz [WmK]
modul de susținere a conductei armăturile și compensatoarele de dilatație Fluxul termic liniar (unitar) transmis prin conducta izolată se calculează cu relația
LeLspLizLpLi
efL
RRRRR
tt
[Wm] (15)
unde
rezistența superficială liniară a fluidului transportat este
RLi = iid
1
[mmiddotgrdW] (16)
Rezistența superficială liniară RLi se ia icircn calcule icircn următoarele cazuri
- la diametre ale conductei di lt 50 mm dacă i lt 150 Wm2middotgrd
- la diametre ale conductei 50 lt di lt 500 mm dacă i lt 120 Wm2middotgrd
- la diametre ale conductei di gt 500 mm dacă i lt 90 Wm2middotgrd
Pentru unele fluide (abur supraicircncălzit de icircnaltă presiune abur saturat apă agenți frigorifici uleiuri) rezistența superficială RLi se poate neglija reprezentacircnd sub 1 din rezistența totală
rezistența termică liniară a peretelui conductei este
r [mm]
iz sp p
tff
tp1
tee
t
[oC]
di
de
diz
dsp
tp2
tp3
tp4 ФL
Izolaţii termice
9
RLp = id
edln
p2
1
[mmiddotgrdW] (17)
Pentru conductele metalice conductivitatea termică a materialului are valori ridicate ( gt 15 WmmiddotK) din care cauză rezistența termică RLp poate fi neglijată reprezentacircnd sub 1 din rezistența totală
rezistența termică liniară a stratului de izolație este
RLiz = ei
iz
iz d
d
2
1ln
[mmiddotgrdW] (18)
rezistența termică liniară a stratului protector este
RLsp = izi
sp
sp d
d
2
1ln
[mmiddotgrdW] (19)
Icircn general stratul protector este realizat sub forma unui inveliș metalic (tablă vopsită tablă zincată tablă din aluminiu) sau sub forma unui strat de tencuială cu grosimi de (10hellip20) mm Icircn Tabelul 19 este indicată conductivitatea termică λsp [WmmiddotK] pentru cacircteva materiale utilizate la realizarea stratului protector
Tabelul 19 Conductivitatea termică λsp
Material ρ [kgm3] λsp [WmmiddotK]
Ciment și gips 900hellip1000 023 la 50ordmC
Pastă bituminoasă și mastic asfaltos
1000hellip1150 030 la 50ordmC
Ciment 1600hellip1900 029 la 50ordmC
Strat anticoroziv 1000hellip1100 017hellip023 la 50ordmC
Icircn cazul icircnvelisului metalic rezistența termică RLsp poate fi neglijată
Icircn cazul stratului de tencuială rezistența termică RLsp reprezintă pacircnă la 20 din rezistența totală
rezistența superficială liniară a mediului ambiant este
RLe = espid
1
[mmiddotgrdW] (110)
Rezistența superficială liniară a mediului ambiant funcție de diametrul conductei și de amplasarea acesteia este data icircn Tabelul 110
Pentru calcule exacte valorile coeficientului de convecție la contactul intre stratul protector și mediu ambiant icircn funcție de amplasarea conductei sunt prezentate icircn Tabelul 111
Rezultă rezistența termică a stratului de izolație
e
iz
izLeLspLpLi
L
efLiz
d
d
2
1RRRR
Q
ttR ln
[mmiddotgrdW] (111)
Grosimea stratului de izolație termică
LeLpLi
L
efiz
e
iz RRRQ
tt2
d
d
ln [m] (112)
de unde
Izolaţii termice
10
1
d
dd50
e
izeiz [m] (113)
Tabelul 110 Rezistența superficială liniară a mediului ambiant
Dn [mm]
Conducte icircn icircncăperi Conducte icircn aer liber cu coeficient mic de
radiație a icircnvelișului cu coeficient mare de radiație a icircnvelișului
Temperatura fluidului transportat tf [ordmC]
100 300 500 100 300 500 100 300 500
32 050 035 030 033 022 017 012 009 007
40 045 030 025 029 020 015 010 007 005
50 040 025 020 025 017 013 009 006 004
100 025 019 015 015 011 010 007 005 004
125 021 017 013 013 010 009 005 004 003
150 018 015 011 012 009 008 005 004 003
200 016 013 010 010 008 007 004 003 003
250 013 010 009 009 007 006 003 003 002
300 011 009 008 008 007 006 003 002 002
350 010 008 007 007 006 005 003 002 002
400 009 007 006 006 005 004 002 002 002
500 0075 0065 006 005 0045 004 002 002 0016
600 0062 0055 005 0043 0038 0035 0017 0015 0014
700 0055 0051 0045 0038 0035 0032 0015 0013 0012
800 0048 0045 0042 0034 0031 0029 0013 0012 0011
900 0044 0041 0038 0031 0028 0026 0012 0011 0010
1000 0040 0037 0034 0028 0026 0024 0011 0010 0009
2000 0022 0020 0017 0015 0014 0013 0006 0006 0005
Observatii
Pentru temperaturi ale fluidului transportat tf lt 100ordmC se aleg valorile pentru tf = 100ordmC
Invelișurile cu coeficient mic de radiație sunt executate din tablă zincată tablă din aliaje de aluminiu și aluminiu oxidat tablă vopsită cu lacuri din aluminiu
Invelișurile cu coeficient mare de radiație sunt executate din tencuială plăci de sticlă diverse vopsele (exclusive din aluminiu)
Grosimea stratului de izolație termică se standardizează funcție de materialul ales
Tinacircnd seama de stratul protector din ciment și paste bituminoase cu diverse grosimi se calculează grosimea reală a stratului de izolație cu coeficientul de corecție ∆[mm] cu valori date icircn Tabelul 112
Tabelul 111 Valorile coeficientului de convecție la contactul intre stratul protector și mediu ambiant
Amplasarea conductei
Icircn icircncăperi Icircn aer liber la viteza
vacircntului w [ms] cu coeficient mic de radiație a icircnvelișului
cu coeficient mare de radiație a icircnvelișului
5 10 15
orizontală 6 10 20 25 35
verticală 7 11 25 35 50
Observatie Icircn absența datelor privind viteza vacircntului se admite w = 10 ms
Tabelul 112 Coeficientul de corecție ∆[mm]
δsp [mm]
λiz [WmmiddotK] 007 008 009 010 011 012
Izolaţii termice
11
10 2 2 2 3 3 3
15 3 3 4 4 5 5
20 4 4 5 6 6 7
La alegerea grosimii stratului de izolație termică trebuie să se țină seama și de tasarea materialului prin coeficientul de tasare Kt definit ca raportul dintre volumul construcției termoizolate icircn funcțiune și volumul contrucției la montaj Se recomandă Kt gt 1 pentru a preveni deprecierea izolației termice
Pentru cacircteva materiale termoizolatoare valorile coeficientului de tasare sunt recomandate icircn Tabelul 113
Tabelul 113 Valorile coeficientului de tasare Kt
Material Kt
Saltele din vată minerală perforată 12hellip13
Saltele din vată de sticlă cu legătură sintetică 16
Saltele și plăci din vată minerală moale cu legătură sintetică
15
Plăci semirigide din vată minerală cu legătură sintetică 12
Plăci semirigide din vată de sticlă cu legătură sintetică 115
Plăci moi din vată minerală cu legătură din bitum 15
Plăci semirigide din vată minerală cu legătură din bitum 12
Grosimea stratului de izolație termică la montaj va fi
ize
izetizo
2d
dK
[m] (114)
Valorile fluxului termic liniar (unitar) ФL [Wm] icircn funcție de diametrul exterior al conductei neizolate de [m] temperature fluidului transportat tf [ ordmC] și de amplasarea conductei sunt prezentate icircn Tabelul 114
Tabelul 114 Valorile fluxului termic liniar
de [mm]
tf [ ordmC]
80 100 180 200 250
a b a b a b a b a b
10 8 13 21 24 35 37 48 49 62 60
20 12 15 27 31 43 47 58 63 74 79
32 14 17 33 36 50 53 67 72 86 90
48 15 21 36 42 57 62 76 84 98 105
57 16 24 37 47 62 67 81 91 105 112
76 17 29 43 52 67 77 91 100 115 126
89 19 33 45 58 72 83 95 108 122 133
108 26 36 52 64 79 90 105 117 131 145
133 31 41 62 70 88 99 117 129 140 158
159 36 44 70 76 98 109 130 140 163 172
194 41 49 77 85 108 120 144 151 178 188
219 46 53 81 91 116 128 154 163 192 204
273 49 62 91 101 129 145 170 186 213 230
325 52 70 99 116 142 163 186 209 233 256
377 58 82 107 133 152 181 204 231 254 279
426 62 95 114 149 163 201 221 254 273 302
478 70 104 127 158 180 215 238 273 294 326
529 77 110 140 169 198 228 256 285 314 349
630 95 121 163 186 227 254 294 320 364 384
Izolaţii termice
12
720 110 134 186 205 256 277 326 345 395 416
830 128 157 209 233 291 309 366 384 442 463
920 157 180 238 262 320 344 401 430 483 512
1020 174 209 262 297 349 384 430 473 523 564
Observatii
a-conducte izolate amplasate icircn icircncăperi și canale cu temperatura medie a aerului te = (20hellip30) ordmC
b-conducte izolate amplasate icircn aer liber cu temperatura medie te = (0hellip15) ordmC și conducte subterane amplasate icircn canale nevizitabile cu temperatura medie a solului te = 5 ordmC
Fluxul termic total transmis prin suprafața conductei izolate va fi
Ф=ФLmiddotLC [W] (115)
unde
Lc [m] este lungimea de calcul (echivalentă) a conductei se calculează cu relația
Lc = KmiddotL+l [m] (116)
K - coefficient ce ține seama de pierderile suplimentare de căldură prin elementele de susținere a conductei (Tabelul 115)
L [m] - lungimea conductei
l [m] - lungimea de conductă izolată care echivalează pierderile de căldură prin armăturile de icircnchidere (vane ventile Tabelul 116 și prin icircmbinări (pentru icircmbinări cu flanșe se recomandă l = 1hellip15 m)
Tabelul 115 Valorile coeficientului K
Modul de susținere a conductei
Coeficientul K conducte amplasate icircn
icircncăperi conducte amplasate icircn
aer liber
prin agățare 110 115
prin rezemare 115 125
Tabelul 116 Lungimea de conductă izolată care echivalează pierderile de căldură prin armăturile de icircnchidere
di [mm]
Conducte icircn icircncăperi Conducte icircn aer liber
tf = 100 ordmC
tf = 400 ordmC tf = 100 ordmC tf = 400 ordmC
100 25 50 45 60
500 30 75 60 85
Dacă lungimea conductei nu este cunoscută se mărește valoarea coeficientului K astfel
pentru conducte amplasate icircn icircncăperi K = 12
pentru conducte amplasate icircn aer liberi K = 125
122 Calculul grosimii izolației termice pentru o temperatură dată pe suprafața acesteia
Normele de protecție a muncii impun temperatura pe suprafața exterioară a conductei izolate egală cu 50 ordmC pentru stratul protector din tencuială și 55 ordmC pentru stratul protector metalicTemperatura de 60 ordmC este limita maxima admisibilă peste care apare accidentarea prin arsură a personalului de exploatare
Conform notațiilor din Figura 13 (conductă care transportă fluide calde) fluxul termic liniar (unitar) se calculează cu relația
Izolaţii termice
13
e4pspeLpLizLspLi
4piL ttd
RRRR
tt
[Wm] (117)
Rezistențele termice RLi și RLp pot fi neglijate
Grosimea stratului de izolație termică se calculează icircn două etape
se neglijează rezistența termică a stratului protector RLsp = 0 și rezultă
24pee
4piiz
e
iz
e
iz
ttd
tt2
d
d
d
d
ln (118)
Ecuație de forma xmiddotlnx = const (x = dizde) rezolvarea ei făcacircndu-se grafic sau prin icircncercări
Rezultă
1
d
dd50
e
izeiz [m] (119)
ținacircnd seama de stratul protector se calculează grosimea reală a stratului de izolație termică cu coeficientul de corecție ∆ [mm] (Tabelul 112)
δizrsquo = δiz - ∆ [mm] (120)
Se calculează fluxul termic liniar (unitar) ΦL [Wm] și apoi modificacircnd grosimea stratului de izolație se verifică temperatura impusă tp4 [ ordmC]
Determinarea necesarului de căldură și apă caldă pentru un imobil
14
2 Determinarea necesarului de căldură și apă caldă pentru un imobil
Casa este situata icircn judetul Galati orasul Galati icircn partea de nord a orasului Este amplasata pe un teren cu suprafata de 300mp ea icircn sine avand o amprenta la sol de 123mp
Orasul Galati se situeaza icircn zona climatica numarul II Conform standardului ldquoSR1907 - 1 - 2014rdquo temperatura de referinta pentru aceasta zona este de -15 degC
Icircn figura de mai jos este reprezentat imobilul ce va trebui incalzit Este desenat icircn programul Archicad și prezinta urmatoarele vederi
Figura 21 Planul casei cu dimensiuni și orientare dupa punctele cardinala
Determinarea necesarului de căldură și apă caldă pentru un imobil
15
Figura 22
Figura 23 Vedere fata Nord
Determinarea necesarului de căldură și apă caldă pentru un imobil
16
Figura 24 Vedere fata Sud
Figura 25 Vdere fata Est
Determinarea necesarului de căldură și apă caldă pentru un imobil
17
Figura 26 Vedere fata Vest
Figura 27 Vedere de ansamblu
Determinarea necesarului de căldură și apă caldă pentru un imobil
18
Dimensiunile casei și a incaperilor sunt afisate icircn tabelul urmator
Incapere Suprafata mp
1 Hol intrare+ Living + Hol 3353
2 Dormitor mare 1804
3 Dromitor mic 12
4 Bucatarie 112
5 Baie mare 48
6 Baie mica 475
7 Camera tehnica 72
Total suprafata 9152
Total perimetru casa 444 m
21 22 Determinarea necesarului de căldură și apă caldă menajeră pentru imobil
Pentru studiul necesarului de flux termic este nevoie sa cunoastem posibilele pierderi de căldura cat si modul de utilizare al acesteia Ecuatia generala a bilantului termic ce se foloseste icircn calcularea fluxului de căldura
Q = Q1+ Q2+ Q3 [W]
Q1- fluxul de căldura pierdut prin transmisie
Q2- fluxul de căldura necesar incalzirii aerului ventilat
Q3- fluxul de căldura necesar prepararii apei calde
Fluxul termic pierdut prin transmisie este distribuit intre elementele constructive ale casei si anume Q11 - pereti Q12 - podea Q13 - tavan Q14 - geamuri
Q1= Q11+ Q12+ Q13+ Q14 [W]
Formula care se utilizeaza icircn calculul pentru fiecare fux termic icircn parte este comuna celor patru elemente
Q1i= Si middot Ki middot (tint - text) [W]
Unde Si - suprafata totala calculata a fiecarui element icircn parte se iau icircn considerare doar elementele care au legatura cu exteriorul [m2] ki - coeficientul global de transfer termic specific fiecarui element icircn parte [Wm2C] tint - temperatura din interiorul imobilului [degC] text - temperatura exterioara Icircn cazul podelei de utilizeaza temperatura solului șisau a pivnitei [degC]
Coeficientul global de transfer termic se calculeaza dupa formula
ki = 120783
120783
120514119842 + sum
120517119842
120524119842+
120783
120514119838119847119843=119842
[Wm2C]
Unde αi = coeficientul de transfer convectiv din interior αi = 8 Wm2C αe = coeficientul de transfer termic convective din exterior αe = 20 Wm2C λi - conductivitatea termica a stratului i pe care il aflam din fisa tehnica am materialului stratului respectiv [WmmiddotK] δi- grosimea stratului I [m]
Temperatura ce trebuie mentinuta icircn interiorul imobilului este de 22 degC
Coeficentul de convectie termica αi = 8
211 Mers de calcul pentru Q1
Q11 - flux termic pierdut prin pereti
Specificatii perete exeterior
Tencuiala δ 0025 m Grosime
Determinarea necesarului de căldură și apă caldă pentru un imobil
19
interioara λ 093 WmmiddotK Conductivitate termica
Rt 0026882 m2middotKW Rezistenta termica
Zidarie BCA δ 03 m Grosime
λ 014 WmmiddotK Conductivitate termica
Rt 2142857 m2middotKW Rezistenta termica
Tencuioala exterioara
δ 0025 m Grosime
λ 093 WmmiddotK Conductivitate termica
Rt 0026882 m2middotKW Rezistenta termica
Vata bazaltica δ 01 m Grosime
λ 0037 WmmiddotK Conductivitate termica
Rt 2702703 m2middotKW Rezistenta termica
Placa fibrocement
δ 001 m Grosime
λ 02 WmmiddotK Conductivitate termica
Rt 005 m2middotKW Rezistenta termica
Tencuiala decorativa
δ 0005 m Grosime
λ 093 WmmiddotK Conductivitate termica
Rt 0005376 m2middotKW Rezistenta termica
K11 = 1
1
120572119894+
1205751
1205821+
1205752
1205822+
1205753
1205823+
1205754
1205824+
1205755
1205825+
1205756
1205826+
1
120572119890 =
11
8 +
0025
093+
03
014+
0025
093+
01
0037+
001
02+
0005
093+
1
22
K11 = 0194943188 Wm2C
S11 = h middot lp = 3 middot 3901 = 11703 m2
h - inaltimea peretelui [m]
lp - lungimea perimetrala a peretelui [m] (din care s-au scazut suprafetele vitrate)
Δt = ti - te = 22 + 15 = 37degC
ti - temperatura interioara
te - temperatura exterior
Q11 = K11 middot S11 middot Δt = 0194943188 middot 11703 middot 37 = 8441254483 W
Perete exterior
ti 22 degC αi 8 Wm2 k
te -15 degC αe 22 Wm2 k
δ1 0025 m λ1 093 Wmk tp1 2109758812 degC
δ2 03 m λ2 014 Wmk tp2 2090352105 degC
δ3 0025 m λ3 093 Wmk tp3 5433603161 degC
δ4 01 m λ4 0037 Wmk tp4 523953609 degC
δ5 001 m λ5 02 Wmk tp5 -1427207206 degC
δ6 0005 m λ6 093 Wmk tp6 -1463303681 degC
tp7 -1467185023 degC
q 7219295 W
Determinarea necesarului de căldură și apă caldă pentru un imobil
20
Figura 28
Q12 - fluxul termic pierdut prin podea
Specificatii podea
Placa fibrocement
δ 001 m Grosime
λ 02 WmmiddotK Conductivitate termica
Rt 005 m2middotKW Rezistenta termica
Sapa δ 01 m Grosime
λ 0035 WmmiddotK Conductivitate termica
Rt 2857143 m2middotKW Rezistenta termica
Polistiren extrudat
δ 005 m Grosime
λ 0033 WmmiddotK Conductivitate termica
Rt 1515152 m2middotKW Rezistenta termica
K12 = 1
1
120572119894+
1205751
1205821+
1205752
1205822+
1205753
1205823+
1
120572119890 =
11
8 +
001
02+
01
0035 +
005
0033+
1
0
= 0219911 Wm2C
S12 - amprenta la sol a casei = 12296 m2
Δt = ti - te = 22 - 15 = 7degC
Temperature pentru podea este de 15degC
Q12 = K12 middot S12 middot Δt = 0219911 middot 12296 middot 7 = 1892818 W
Podea
ti 22 degC Αi 8 Wm2 k
te 15 degC Αe 0 Wm2 k
δ1 001 m λ1 02 Wmk tp1 2180757789 degC
Determinarea necesarului de căldură și apă caldă pentru un imobil
21
δ2 01 m λ2 0035 Wmk tp2 2173060904 degC
δ3 005 m λ3 0033 Wmk tp3 1733238927 degC
δ4 m λ4 Wmk tp4 15 degC
δ5 m λ5 Wmk tp5 degC
δ6 m λ6 Wmk tp6 degC
tp7 degC
q 1539377 W
Figura 29
Q13 - fluxul termic pierdut prin tavan
Specificatii tavan
Tencuiala δ 002 m Grosime
λ 093 WmmiddotK Conductivitate termica
Rt 0021505 m2middotKW Rezistenta termica
Placa beton armat
δ 013 m Grosime
λ 174 WmmiddotK Conductivitate termica
Rt 0074713 m2middotKW Rezistenta termica
Sapa δ 003 m Grosime
λ 026 WmmiddotK Conductivitate termica
Rt 0115385 m2middotKW Rezistenta termica
Vata bazaltica δ 015 m Grosime
λ 0037 WmmiddotK Conductivitate termica
Determinarea necesarului de căldură și apă caldă pentru un imobil
22
Rt 4054054 m2middotKW Rezistenta termica
Placa nivelanta δ 002 m Grosime
λ 026 WmmiddotK Conductivitate termica
Rt 0076923 m2middotKW Rezistenta termica
K13 = 1
1
120572119894+
1205751
1205821+
1205752
1205822+
1205753
1205823+
1205754
1205824+
1205755
1205825 +
1
120572119890 =
11
8+
002
093+
013
174+
003
026+
015
0037+
002
026+
1
22
K13 = 0219736 Wm2C
S13 = S12 = 12296 m2
Δt = ti - te = 22 + 15 = 37degC
Q13 = K13 middot S13 middot Δt = 0219736 middot 12296 middot 37 = 1000 W
Tavan
ti 22 degC αi 8 Wm2 k
te -15 degC αe 22 Wm2 k
δ1 002 m λ1 093 Wm k tp1 209751906 degC
δ2 013 m λ2 174 Wm k tp2 207988793 degC
δ3 003 m λ3 026 Wm k tp3 2018634954 degC
δ4 015 m λ4 0037 Wm k tp4 1924037163 degC
δ5 002 m λ5 026 Wm k tp5 -1399669009 degC
δ6 m λ6 Wm k tp6 -1462734204 degC
tp7 degC
q 8198475 W
Determinarea necesarului de căldură și apă caldă pentru un imobil
23
Figura 210
Q14 - fluxul temic pierdut prin suprafetele vitrate
Am ales un geam temopan cu trei randuri de sticla și cu tamplarie de lemn
K14 = 06 Wm2C
S14 = 2728 m2 suprafata ocupata de geamuri
Δt = ti - te = 22 + 15 = 37degC
Q14 = K14 middot S14 middot Δt = 06 middot 2728 middot 37 = 605616 W
Fereastra
ti 22 degC αi 8 Wmpk
te -15 degC αe 22 Wmpk
δ1 0005 m λ1 075 Wmk tp1 1992074356 degC
δ2 0018 m λ2 00177 Wmk tp2 1980984988 degC
δ3 0005 m λ3 075 Wmk tp3 2893865242 degC
δ4 0018 m λ4 00177 Wmk tp4 2782971565 degC
δ5 0005 m λ5 075 Wmk tp5 -1413301307 degC
δ6 m λ6 Wmk tp6 -1424390675 degC
tp7 degC
q 1663405 W
Determinarea necesarului de căldură și apă caldă pentru un imobil
24
Figura 211
Q1 = Q11 + Q12 + Q13 + Q14 = 8441254483 + 1892818 + 1000 + 605616
Q1 = 263871712 W
212 Mers de calcul pentru Q2
Q2 = n middot Q1
n - numarul de schimburi (07 08 1)
Q1 - fluxul de căldura pierdut prin transmisie
Q2 = 1 middot 263871712 =gt Q2 = 263871712 W
213 Mers de calcul pentru Q3
Q3 = 119898 middot119862119908 middot(119905119887minus119905119903)
120591 middot3600 [kW]
m - cantitatea de apa calda preparata [Kg]
m = n middot czn middot ρ [Kg]
ρ = 1000 Kgm3- densitatea apei [Kgm3] n = 4 - numarul de locatari =gt n
czn - consumul zilnic de persoana [l] gtgtgt czn = l middot 1000 = m3
Un consum de acm specific unui nivel de confort mediu la o temperature de 45degC vom avea un czn = 50 l de persoana
cw - căldura specifica a apei [KJKgC] =gt cw = 4186 KJKgmiddotC
tb - temperatura apei din boiler [C] =gt tb = 50degC
tr - temperatura apei de intrare [C] =gt tr = 10degC
Icircn general avem vara tr = 1217degC iar iarna tr = 5hellip10degC
120591 - timpul icircn care este incalzita apa [h] =gt 120591 = 4h
m = 4 middot (50 middot 1000) middot 1000 m = 200 Kg
Q3 = 200 ∙4186 ∙(50 ∙10)
4 ∙3600 =gt Q3 = 2325555556 W
Q = Q1 + Q2 + Q3 = 263871712 + 263871712 + 2325555556
Q = 7602989795 W =gt Q = 76 KW
Calculul necesarului de frig pentru depozit de fructe
25
3 Calculul necesarului de frig pentru depozit de fructe
31 31 Calculul grosimii izolatiilor
Regimul de funcţionare al spaţiilor frigorifice caracterizat prin valori coboracircte ale temperaturilor prin variaţia rapidă a acestora şi prin umiditatea mare a aerului icircncăperilor impune pentru izolaţiile termice ale pereţilor planşeelor şi pardoselilor condiţii deosebite Pereţii spaţiilor frigorifice despart două medii cu temperaturi diferite Fluxul de căldură ce pătrunde din exterior icircn camere care trebuie preluat de instalaţia frigorifică este direct proporţional cu diferenţa de temperatură dintre cele două feţe ale peretelui şi cu coeficientul global de transmitere a căldurii Izolarea se execută la spaţiile răcite atacirct la pereţi cacirct şi la tavan şi podea şi are ca rol icircmpiedicarea apariţiei condensului pe suprafaţa caldă a pereţilor incintelor frigorifice
Figura 31 Fig13 Variaţia de temperatură prin peretele termoizolant
Din exploatarea frigoriferelor se cunoaşte că prin icircnvelişul exterior al spaţiilor frigorifice trece icircn majoritatea cazurilor mai mult de jumătate din cantitatea totală de căldura ce pătrunde icircn icircncăperi Această cantitate de căldură se poate reduce prin majorarea grosimii stratului termoizolant Dar reducerea infiltraţiilor de căldură icircn acest tel nu se poate face nelimitat deoarece la o anumită grosime a stratului izolant adică la o anumită valoare a coeficientului k de transfer al căldurii costul construcţiei izolate va fi mai mare decacirct costul energiei ce reprezintă frigul economisit prin majorarea grosimii izolaţiei
De aceea se obişnuieşte a se folosi icircn calcule valori optime ale coeficientului k de transfer al căldurii calculacircndu-se astfel o grosime optimă a izolaţiei termice
Pentru izolarea pereţilor camerelor se vor folosi panouri tip sandwichFig15
Calculul necesarului de frig pentru depozit de fructe
26
Figura 32 Fig15 Construcţia panourilor de tip sandwich
Rolul panourilor plastifiate este de a preicircntacircmpina pătrunderea vaporilor icircn interiorul izolaţiei eliminacircnd necesitatea barierei de vapori Panourile folosesc metoda de icircmbinare nut-feder reducacircndu-se astfel transferul de căldură cu mediul extern
Deoarece avem un singur depozit vom adopta coeficienţii de transfer de căldură prin
convecţie funcţie de t
Aleg pentru t = = te - ti = 318 - 1 = 308 0C k = 023 Wm2K
Din catalogul de produse INCOLD Italia se alege poliuretan 100 mm = 0023 WmK
Tablă din oţel galvanizat plastifiat
Calculul necesarului de frig pentru depozit de fructe
27
Tabelul 317 Tabel24 Calculul grosimi izolației
ei
i
i
izizk
111
Coeficientul global de transfer de căldură se determină utilizand relaţia
eiz
iz
i
i
i
k
11
1
n
i i
i
1
- suma rezistenţelor termice ale tuturor straturilor din care este realizat
peretele[m2KW]
iz - grosimea stratului de izolaţie termică [m]
iz - conductivitatea termică a materialului izolator [WmK]
e - coeficient de convecţie pe partea exterioară a peretelui [WmK]
i - coeficient de convecţie pe partea interioară a peretelui [WmK]
32 32 Bilantul caloric al spatiului climatizat pe timp de vară Necesarul de frig pentru frigorifer
Se stabileşte consumul zilnic de frig pe icircntreg frigoriferul şi pentru fiecare icircncăpere icircn parte luacircndu-se icircn considerare cele mai nefavorabile condiţii de lucru
temperatura aerului exterior pentru luna cea mai caldă a anului
icircncărcarea maximă şi simultană a camerelor de refrigerare
Spaţiul frigorific
Perete k αi αe 1αi 1αe R 1k λiz
δiz
calc δiz
ales Kr
[Wm2K] [m2KW] [WmK] [m] [m]
N 0229 10 18 010 006 0590 4367 0023 0097 0100 023
E 0224 10 12 010 008 0618 4464 0023 0098 0100 023
DR S 0221 10 12 010 008 0618 4525 0023 0100 0100 023
V 0223 10 12 010 008 0618 4484 0023 0099 0100 023
T 0221 10 12 010 008 0618 4525 0023 0100 0100 023
P 0228 10 0 000 000 0435 4386 0023 0000 0100 023
N 0221 25 12 004 008 0558 4525 0023 0101 0100 023
E 0224 25 12 004 008 0558 4464 0023 0100 0100 023
CP S 0224 25 12 004 008 0558 4464 0023 0100 0100 023
V 0223 25 12 004 008 0558 4484 0023 0100 0100 023
T 0221 25 12 004 008 0558 4525 0023 0101 0100 023
P 0228 25 0 000 000 0435 4386 0023 0000 0100 023
Calculul necesarului de frig pentru depozit de fructe
28
camerele vecine celei căreia i se face calculul necesarului de frig sunt goale şi au temperatura vestibulului sau a sasului
Aceste calcule determină necesarul de frig pe categorii de consumatori grupaţi după temperatura cerută şi permit stabilirea puterilor frigorifice icircn vederea proiectării instalaţiei
Pentru calculele termice sunt necesare următoarele
planul frigoriferului care a fost stabilit
dimensiunile camerelor
temperaturile necesare icircn fiecare cameră
Se consideră
1degC icircn depozitele de refrigerate
orientarea frigoriferului după punctele cardinale
condiţii climatice icircn lunile cele mai călduroase pentru zona geografică respectivă
Consumul de frig se calculează pentru 24 ore cu relaţia
Qnec = Q1 + Q2 + Q3 + Q4 [kcal24h]
Q1 - neeesarul de frig pentru acoperirea pătrunderilor de căldură prin cenvecţie
conducţie şi radiaţie din mediul icircnconjurător prin pereţi pardosea și plafon
Q2 - necesarul de frig tehnologic pentru procesele de răcire refrigerere şi
congelare eliminarea căldurii de respiraţie seu pentru unele procese chimice şi
biochimice
Q3 - necesarul de frig pentru ventilarea camerelor frigorifice cu aer proaspat care
trebuie racit şi uscat
Q4 - necesarul de frig rezulticircnd din condiţii de exploatare acoperirea căldurii
provenite din iluminat din funcţionarea motoarelor căldura provenită de la persoanele ce
manipulează produsele datorită deschiderii uşilor etc
321 Consumul de frig Q1
Se determină pentru fiecare spaţiu icircn parte cu relaţia
RttkFQ1 [ W ]
F - reprezintă suprafaţa pereţilor a pardoselei şi a plafonului corespunzător fiecărui
spaţiu frigorific icircn parte icircn m2 Ca suprafaţă de transfer se va considera suprafaţa
exterioară a perimetrului izolat termic
k - reprezintă coeficientul global de transmitere a căldurii prin convecţie conducţie şi radiaţie
prin pereţi plafon şi pardoseală (toate izolate termic) icircn [W(m2 middot grd)] Valoarea coeficientului k a
fost calculată icircn tabelul 24 (kr)
Δt - reprezintă diferenţa de temperaturi dintre temperatura exterioară suprafeţei de
transfer termic considerată şi temperatura interioară spaţiului frigorific
Calculul necesarului de frig pentru depozit de fructe
29
Diferenţa de temperatură ΔtR se ia icircn consideraţie numai la pereţii exteriori şi la
plafoane care sunt şi acoperiş pentru clădire
ΔtR = 0degC pentru pereţi exteriori orientaţi spre N
ΔtR = (5 10)degC pentru pereţi exteriori orientaţi spre E V S-E S-V
ΔtR = 15 degC pentru pereţi exteriori orientaţi spre S
ΔtR = (15 18)degC pentru plafoane care sunt şi acoperiş (terasă)
Calculul valorilor mărimii sumQ1 se recomandă a se efectua tabelar conform tabelului 25
Valoarea mărimii sum Q1 la aparate se obţine prin icircnsumarea fluxurilor termice prin toate cele 6 suprafeţe delimitatoare
La stabilirea valorii mărimii sum Q1 se consideră doar unul dintre fluxurile termice prin suprafeţele ce separă spaţiile frigorifice vecine Pentru aparatele de răcire din spaţiile frigorifice se consideră situaţia cea mai grea pentru fiecare spaţiu icircn parte respectiv că spaţiile vecine nu sunt răcite
Spaţiul frigorifi
c
Perete
Dimensiuni
Supraf F
[m2]
Kr [Wm2K]
Δt [grd]
Δtr
Q1 [W] sumQ1 q a [m]
b [m]
N 15 4 60 023 308 42504
246068
708
E 7 4 28 023 308 8 24987 892
DR S 15 4 60 023 185 15 46202 770
V 7 4 28 023 308 19835 708
T 15 7 105 023 308 74382 708
P 15 7 105 023 158 38157 363
N 7 4 28 023 185 11914
133566
426
E 7 4 28 023 268 8 22411 800
CP S 7 4 28 023 268 15 26919 961
V 7 4 28 023 185 11914 426
T 7 7 49 023 268 30204 616
P 7 7 49 023 268 30204 616
Tabelul 318 Tebel25 Calculul valorilor mărimii Q1
322 Necesarul de frig Q2
sum Q2 - necesarul de frig tehnologic pentru procesele de răcire refrigerare şi
congelare
Q2d = mcp(tc-ti)=500003644 = 4186000(243600)= 842 kW
Q2c = 2600036419 = 1798160 = 208 KW
Q2 = 208 + 842 = 293 = 30kW
unde
Q2d - necesarul de frig tehnologic depozit
Q2c - necesarul de frig tehnologic camera de preracire
Calculul necesarului de frig pentru depozit de fructe
30
m - cantitatea de produse introduse icircn tunelul de congelare icircn kg
te ti - temperaturi specifice corespunzătoare temperaturii iniţiale a produsului cald
(24 ordmC) respectiv temperaturii finale a produsului refrigerat (1 ordmC)
Căldura specfifică mere cp = 364 [kJkgK]
323 Necesarul de frig Q3
Icircn funcţie de natura produselor din spaţiul frigorific este necesar uneori să se realizeze ventilarea spaţiului prin asigurarea unui anumit număr de schimburi ale aerului din incintă icircn 24h Ca exemplu icircntotdeauna va fi necesară ventilarea prin introducere de aer proaspăt icircn spaţiile de păstrare pentru legume fructe şi ouă refrigerate Aceste produse vii respiră icircn timpul păstrării şi necesită icircn consecinţă ventilarea spaţiilor de păstrare
Acest consum de frig se ia icircn considerare doar la depozitele de refrigerare care se ventilează Se stabilește cu relația
Q3 = V ∙ a ∙ ᵖi ∙ (hex - hi) [kJ24]
V - volumul camerelor ventilateicircn m3
a = 24 schimburi pe zi pentru depozitele de mere
ᵖi - reprezintă densitatea aerului la temperature interioară icircn kgm3
Pentru depozitele de refrigerare considerăm umiditatea relativă ᵠi = 95 și ti=1 ordmC
rezultacircnd icircn acest caz hi= 9 kJkg
Parametri aerului exterior pentru zona icircn care este amplasat depozitul sunt temp ex 318
și umiditatea ext 60 rezultand din diagram mollier entalpia aerului Calcul facut icircn
programul Coolpack
ρi = 12 kgm3
hex = 7519 kJkg
Q3 = 616 2 12 (7519 - 9) (243600)= 00025 kW
324 Necesarul de frig Q4
Q4 - frigul consumat pentru acoperirea pierderilor icircn timpul exploatarii datorat deschiderii
usilor a corpurilor de iluminat a motoarelor electrice a oamenilor Se admite Q4 =
(01hellip04)Q1
Q4 = 02 379617 = 759234 = 008 kW
Qtotal = sum 119824120783 + Q2 + Q3 + Q4 = 004 + 30 + 000025 + 008 = 3012 = 31 kW
33 33 Stabilirea directiei raportului de termoumiditate și trasarea procesului de conditionare a aerului pe diagrama i-X pe timp de vară
Icircn fig16 este reprezentat un agregat pentru condiţionarea aerului pe timp de vară cu recirculare parţială
Calculul necesarului de frig pentru depozit de fructe
31
Figura 33 Figura16 Schema aparatului de condiţionare a aerului pe timp de vară cu recirculare parţială
F - filtru V - vaporizator C - compressor K - condensator VL - ventil de laminare I - icircncălzitor Vt - ventilator
Procesele de lucru pot fi reprezentate icircn diagrama h-x ca icircn figura următore
Figura 34 Fig17
A reprezintă starea aerului recirculat provenit din spaţiul condiţionat iar E este starea aerului exterior
Aerul tratat icircn aparatul de condiţionare care se introduce icircn incintă avacircnd starea B
trebuie să preia degajările de căldură Qv [kW] şi de umiditate Wv [kgs]
Direcţia procesului suferit de aer icircn incintă este dată de raportul de termoumidificare εv
= Qv Wv
Prin punctul A se trasează dreapta avacircnd raportul de termoumidificare εv iar punctul B se fixează pe această dreaptă adoptacircndu-se o anumită diferenţă de temperatură faţă de starea A
Aerul recirculat A se amestecă cu aerul proaspăt E şi rezultă starea de amestec M De regulă xM gt xB deci aerul va trebui să fie uscat
Pe verticala din B se fixează starea D avacircnd xD= xB şi ᵩD = 90hellip98
Calculul necesarului de frig pentru depozit de fructe
32
Se uneşte M cu D iar apoi se prelungeşte acest segment pacircnă la intersecţia cu ϕ = 100 rezultacircnd starea P avacircnd temperatura tp
Circulacircnd aerul cu starea M peste o suprafaţă rece avacircnd temperatura tp se va obţine procesul de răcire şi uscare MD
Temperatura suprafeţei tp se asigură cu o instalaţie frigorifică a cărei temperature de vaporizare va fi t0 lt tp
Ultimul proces din aparatul de condiţionare va fi icircncălzirea finală DB
Calculul agregatului de condiţionare a aerului pe timp de vară se efectuează asemănător cu cel a agregatului de condiţionare a aerului pe timp de iarnă cu observaţia că pe timp de vară nu este necesară umidificarea
331 Date
Vtotal = 616 m3 tint = 1ᵒC tex = 318 φint = 90 φext = 60 ρaer = 12 [kgm3]
Starea A
tA = ti + 3 = 4deg xA = 00043[kj
kg] φA = 86 hA = 1489[
kj
kg]
Starea B
tB = 1degC xB = 00036 [kj
kg] φB = 90 hB = 1024[
kj
kg]
Starea E
tE = 318degC xE = 00171[kj
kg] φE = 60 hE = 7519[
kj
kg]
Starea M
hM =hE + n ∙ hA
n + 1=
7513 + 20 ∙ 1489
21= 1775[
kj
kg]
xM =xE + n ∙ xA
n + 1=
00171 + 20 ∙ 00043
21= 00049[
kj
kg]
Rezulta din diagrama Mollier
Starea D
hD = 108 [kj
kg] xD = 0003[
kj
kg] φD = 97
Raportul de recirculare n = 20
Debitul de aer ventilat V =Vtotal∙20
24h=
616lowast20
24= 513 [m3h]
Debitul masic m = V ∙ ρaer = 513 lowast 12 =
6156[kg
h]
3600= 0171 [kgs]
tp = minus3degC t0 = tp minus 9degC = minus3 minus 9 = minus12degC
Puterea termica a vaporizatorului ( puterea frigorifică )
ФV = Ф0
Puterea termica a icircncalzitorului
ФI = 119898 ∙ (hB - hD)
Cantitatea de apa condensată icircn unitatea de timp pe suprafața de racire este
Calculul necesarului de frig pentru depozit de fructe
33
ẆV = 119898 ∙ (XM - XD)
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
34
4 Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
Există două domenii principale icircn care se utilizează frigul artificial icircn lucrările de construcţii şi anume
icircngheţarea terenurilor acvifere icircn vederea săpării puţurilor de mină a barajelor a depozitelor de gaze lichefiate etc
prerăcirea componentelor betonului icircn cazul executării unor masive de beton ca de exemplu baraje
41 51 IcircNGHEŢAREA SOLULUI
411 511 CONSIDERAŢII GENERALE PRIVIND IcircNGHEŢAREA SOLULUI
Icircngheţarea artificială a solului reprezintă una dintre cele mai interesante şi icircn acelaşi timp şi importante aplicaţii practice a frigului artificial Totodată este una dintre primele aplicaţii industriale a tehnicii frigului şi care a asigurat o dezvoltare deosebită a industriei extractive Aşa se explică faptul că odată apărută maşina frigorifică cu absorbţie realizată icircn 1859 de către Ferdinand Carre este folosită la săparea primului puţ de mină prin icircngheţarea artificială a rocilor Dar nu numai industria minieră foloseşte icircn ultimul secol procedeul consolidării rocilor la săpararea unor lucrări subterane Lucrări inginereşti de tot genul ca metrouri staţii subterane de pompare rezervoare de gaze lichefiate poduri lucrări portuare şi altele asemănătoare amplasate icircn zone acvifere au fost realizate prin metoda consolidării prin frig a rocilor
Această metodă a consolidării rocilor prin frig artificial realizează icircn jurul lucrării inginereşti subterane un perete icircngheţat protector pe durata lucrărilor de construcţii Acest perete asigură o izolare hidraulică şi icircn acelaşi timp şi o protecţie mecanică Rezistenţa mecanică a rocilor creşte pe măsură ce temperatura lor scade icircncacirct metoda expusă mai sus prezintă avantajul reglării capacităţii portante a peretelui icircngheţat
Apa conţinută icircn terenuri prin icircngheţare capătă proprietăţile cimentului exprimate prin forţele de coeziune mari care apar icircntre cristalele de gheaţă şi grăunţii de rocă
Pentru obţinerea peretelui protector se folosesc sonde de icircngheţare forate pe conturul lucrării subterane şi prin care circulă agentul de răcire care poate fi un agent intermediar ca de exemplu saramura de clorură de calciu sau agentul frigorific de exemplu amoniacul Icircn funcţie de grosimea peretelui şi de rezistenţa mecanică pe care trebuie să o aibă se va alege temperatura agentului de răcire distanţa dintre sonde şi durata de icircngheţare
Instalaţia de consolidare prin frig a rocilor cuprinde trei părţi principale staţia frigorifică reţeaua de distribuţie a agentului de răcire (saramura) şi sondele de icircngheţare a solului
Staţia frigorifică cuprinde instalaţia frigorifică propriu-zisă cu comprimare mecanică de vapori sau prin absorbţie icircntr-o treaptă sau icircn două trepte Icircn funcţie de condiţiile de amplasament ale obiectivului staţia frigorifică poate fi de construcţie staţionară (icircn minerit) sau mobilă (la metrouri)
Reţeaua de distribuţie alcătuită din conducte metalice sau din mase plastice are rolul de a face legătura icircntre staţia frigorifică şi sondele de icircngheţare Pentru reducerea pierderilor de frig reţeaua de distribuţie se izolează termic
Sondele de icircngheţare constituie schimbătorul de căldură subteran prin care se extrage căldura de la terenul supus icircngheţării Icircn fig 51 se prezintă schiţa unei sonde de icircngheţare cu ajutorul saramurii Saramura rece cu temperatura icircntre -10 ordmC pacircnă la -35 ordmC
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
35
coboară prin ţeava interioară şi apoi se icircntoarce prin spaţiul inelar dintre cele două conducte concentrice
Figura 41 Fig 51 Sonda de icircngheţare 1 - şiu (tub scurt de oţel cu pereţi groşi rezistent) 2 - ţeava interioară 3 - ţeava exterioară (burlan de
icircngheţare) 4 - capul sondei
Circulaţia continuă a saramurii prin sonda de icircngheţare face ca rocile ce icircnconjoară sondele inclusiv apa conţinută icircn spaţiile libere să se răcească treptat Icircn jurul sondei icircncepe să se formeze stratul de rocă icircngheţată diametrul cilindrului de teren icircngheţat se măreşte icircn timp Aşa cum s-a arătat icircn capitolul 3 rezultă că dezvoltarea radială a cilindrului de rocă icircngheţată icircn jurul sondei se desfăşoară cu o viteza variabilă de icircnaintare la icircnceput viteza de icircnaintare a frontului de gheaţă este mai mare după care scade icircn timp Apoi se atinge stadiul staţionar de transfer de căldură cacircnd cilindrul nu mai creşte icircn dimensiuni Reiese că distanţa dintre sondele de icircngheţare este determinată de raza maximă a cilindrului de teren icircngheţat Pentru a realiza peretele icircngheţat care să reziste la solicitările la care este supus se impune ca distanţa dintre sondele vecine să fie mai mică decacirct raza maximă a terenului icircngheţat astfel icircncacirct cilindrii formaţi să se unească icircntre ei Icircn fig 52 se prezintă evoluţia icircn timp a icircngheţării terenului icircn jurul sondelor Icircn faza iniţială a icircnceput răcirea dar icircncă nu s-a format teren icircngheţat Icircn faza a II-a (după circa 20 zile) icircn jurul fiecărei sonde se formează cacircte un cilindru de teren icircngheţat fără ca aceştia să se unească Icircn faza a III-a (după circa 30 zile) cilindrii se icircntretaie şi formează peretele protector
Figura 42 Fig 52 Evoluţia cilindrilor individuali de rocă icircngheţată 1 - sonda de icircngheţare 2 - sonda de măsurători termice 3 - teren icircngheţat
Această evoluţie poate fi urmărită cu suficientă precizie prin măsurarea temperaturii masivului cu ajutorul unor sonde de măsurători termice 2 montate la distanţe bine stabilite de sondele vecine de icircngheţare Astfel icircn faza I-a temperatura este cea iniţială deci neafectată de prezenţa sondelor icircn faza a II-a temperatura este mai scăzută dar mai mare de 0 ordmC Cum icircn practică sondele de icircngheţare au o abatere de la poziţia verticală (sau de la cea impusă prin proiect) sondele de măsurători termice sunt prevăzute icircntre sondele
I II III
1
2 2 2
3 3
SARAMURĂ CALDĂ
IEŞIRE
INTRARE SARAMURĂ A E RECE
1
2
3
4
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
36
cele mai distanţate icircntre ele acolo unde evoluţia peretelui de protecţie este cea mai defavorabilă
Primele realizări inginereşti de consolidare prin frig artificial a terenurilor acvifere metodă prin care vor fi aduse la lumină multe bogăţii subterane sunt legate de numele inginerului de mine şi metalurgie Friederich Herman Poetsch El a obţinut icircn 27 februarie 1883 brevetul pentru procedeul său de adacircncire a puţurilor verticale icircn roci bogate icircn apă (şi curgătoare) Poetsch a reuşit să experimenteze procedeul său la adacircncirea unor puţuri de mină dar a avut şi multe insuccese icircncacirct la 9 iunie 1902 moare sărac şi dezamăgit Metoda de icircngheţare prin frig artificial a terenurilor a avut mare succes icircn Franţa Astfel numai icircn perioada 1892 - 1898 icircn bazinele carbonifere Nord şi Pas de Calais s-au săpat circa 20 puţuri pacircnă la o adacircncime de 100 m prin aplicarea metodei icircngheţării după planurile lui Poetsch
Desigur că nu ar putea fi omis numele lui Louis Gebhard care realizează numeroase lucrări de adacircncire a puţurilor prin icircngheţare atacirct icircn Germania cacirct şi icircn Franţa Anglia Olanda şi Polonia ceea ce face ca metoda propusă de Poetch să devină o tehnologie demnă de toată icircncrederea cu siguranţă absolută şi cu un mare randament
Gebhard un mare practician icircncepe sa folosească icircn locul instalaţiilor cu absorbţie realizate de F Carre pe cu cele cu comprimare mecanică de vapori realizate de Karl von Linde cu icircncepere din anul 1874
Poetsch icircn 1888 prevede extinderea procedeului de icircngheţare la construcţia podurilor la construcţii navale lucrări de fortificaţii la protecţia fundaţiilor subterane şi a bazinelor cu apă El susţine că poate să rezolve orice problemă sub apă chiar şi puţuri icircncepute şi abandonate
Icircn anul 1900 se depăşeşte bariera adacircncimii de 100 m Realizarea unor puţuri mai adacircnci (peste 100 m) ridică unele probleme icircn plus faţă de puţurile de mai mică adacircncime deoarece abaterile de la verticalitate pot conduce la formarea unor ferestre icircn peretele protector
Icircn ţara noastră această tehnologie de forare a unor puţuri de mină cacirct şi a galeriilor de metrou prin icircngheţarea solului a fost folosită cu icircncepere din anul 1961 aşa cum se prezintă icircn paragraful 513
412 512 CONSTRUCŢIA INSTALAŢIEI DE IcircNGHEŢARE A SOLULUI
Icircn funcţie de forma şi mărimea lucrării care se realizează la adăpostul terenului icircngheţat principial se pot utiliza următoarele tipuri de instalaţii
a) cu răcire indirectă denumită şi cu dublu schimb (fig53)
b)cu răcire directă icircn circuit icircnchis (fig 54)
c)răcire directă icircn circuit deschis (fig55)
a) Răcirea indirectă se utilizează icircn practică cel mai mult fiind cunoscută icircncă de la icircnceputurile metodei de icircngheţare a solului
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
37
Figura 43 Fig 53 Instalaţia frigorifică cu răcire indirectă 1 - compresor 2 - condensator3 - ventil de laminare 4 - vaporizator 5 - bazin de răcire a saramurii 6
- agitator 7 - pompă de saramură 8 - sonde de icircngheţare
Ca agent frigorific se poate folosi amoniacul sau freonii iar ca agent intermediar se utilizează soluţiile de clorură de calciu clorura de sodiu sau magneziu sărurile respective fiind relativ uşor de procurat
Instalaţiile frigorifice cuprind unul sau mai multe blocuri frigorifice Acest mod de compunere prezintă avantaje icircn ceea ce priveşte montarea cacirct şi exploatarea instalaţiilor se poate asigura o reducere icircn trepte a puterii frigorifice pe măsură ce creşte rezistenţa termică a stratului de teren icircngheţat
Componentele principale ale instalaţiei frigorifice se montează grupat pe cele trei secţiuni secţia de compresoare secţia condensatoarelor şi secţia vaporizatoarelor De regulă compresoarele se montează fie icircn aer liber atunci cacircnd tipul lor permite fie acoperite sub şarpante protectoare
Pe măsură ce se scot din funcţiune blocurile frigorifice se demontează şi se pot monta la un nou obiectiv
b) Răcirea directă icircn circuit icircnchis (fig 54) se utilizează icircn cazul icircn care adacircncimea de icircngheţare este mică
Figura 44 Fig 54 Instalaţia frigorifică cu răcire directă icircn circuit icircnchis 1 - compresor 2 - condensator 3 - ventil de laminare 4 - sonde de icircngheţare
Sondele de icircngheţare constituie vaporizatorul instalaţiei frigorifice Icircn cazul unor sonde de lungime mare icircnălţimea coloanei de agent frigorific este de asemenea mare Ca urmare a presiunii hidrostatice variabile şi temperatura de vaporizare este variabilă fiind mai mare
1
2
1111111 Apă
3
4
1
2
Apă 3
4
5
6
7
8
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
38
la capătul inferior şi mai mică la capătul superior Din acest motiv adacircncimea sondelor de icircngheţare nu poate depăşi anumite limite şi icircn plus se recurge la fragmentarea coloanei de lichid cu ajutorul unor pereţi despărţitori
Pierderile de agent frigorific mai mari decacirct icircn cazul răcirii indirecte reprezintă un alt inconvenient al acestui mod de răcire
c) Răcirea directă icircn circuit deschis constă icircn introducerea agentului frigorific (cel mai frecvent azot lichid) icircn sondele de icircngheţare fără ca acesta să mai fie folosit după vaporizare
La presiunea atmosferică azotul lichid fierbe la temperatura de -196 ordmC icircncacirct vaporii reci de azot icircnainte de a fi evacuaţi se folosesc de asemenea pentru congelarea solului fiind circulaţi prin sonde de icircngheţare (Fig 55)
Figura 45 Fig 55 Icircngheţarea cu azot lichid icircn două trepte 1 - ventil de laminare 2 - sonda de icircngheţare 3 - sonda de icircngheţare cu vapori de azot
Această metodă se foloseşte cacircnd se urmăreşte o icircngheţare rapidă şi volumul de teren icircngheţat este redus
Se vor prezenta icircn continuare unele elemente constructive ale instalaţiilor de icircngheţare
Reţeaua de saramură (fig 56) are rolul de a asigura transferul de căldură de la sol către agentul frigorific Cuprinde două schimbătoare de căldură cel subteran alcătuit din sondele de icircngheţare şi cel de suprafaţă reprezentat de vaporizatorul imersat icircn saramură Icircntre cele două schimbătoare de căldură există conducte magistrale distribuitoare - colectoare şi racorduri la sonde
Saramura răcită prin intermediul vaporizatorului 1 este circulată cu pompa 2 prin magistrala de tur a reţelei 3 Sondele de icircngheţare 5 se leagă prin vane la distribuitorul 4 şi colectorul 6 ambele de construcţie inelară Printr-o asemenea construcţie şi mod de legare a sondelor prezentate icircn figura 56 se asigură o echilibrare a căderilor de presiune pe sondele de icircngheţare şi ca urmare o alimentare uniformă cu agent intermediar şi deci şi o răcire uniformă pentru toate sondele
1
2
AZOT LICHID
VAPORI
AZOT -40OC
3
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
39
Figura 46 Fig 56 Schema reţelei de saramură 1- vaporizatorul 2 - pompa de saramură 3 - magistrala de tur 4 - distribuitorul inelar 5 -sondele de
icircngheţare 6 - colectorul inelar 7 - magistrale de retur M - manometru D - debitmetru T - termometru
Magistralele 3 şi 7 de acelaşi diametru şi lungime variabilă (determinată de o serie de factori) se pot monta atacirct la suprafaţă cacirct şi icircn canal
Magistralele se dimensionează icircn funcţie de puterea frigorifică a schimbătorului de căldură subteran alcătuit din sondele de icircngheţare
F0 qNHd [W] (51)
unde d - diametrul exterior al sondei de icircngheţare m
H - adacircncimea de icircngheţare m
N - numărul de sonde de icircngheţare
qF - densitatea fluxului termic raportat la suprafaţa exterioară a sondei La temperatura saramurii de - 20 ordmC se poate considera qF = (260290) Wm2
Debitul volumic V de agent intermediar icircn reţeaua de icircngheţare icircn funcţie de care se aleg
pompele se determină cu relaţia
tc
V o
(52)
icircn care este densitatea agentului intermediar kgm3
c - căldura specifică a agentului intermediar JkgK
t - creşterea temperaturii agentului (saramura) icircn sondele de icircngheţare K
La icircnceputul perioadei de răcire diferenţa de temperatură este t = 56 K ca apoi să scadă la 12 K
Icircn conductele magistrale se recomandă ca viteza saramurii să fie w = 0915ms
Icircn acest caz diametrul conductelor de transport a saramurii este dat de relaţia
w
V4D
[m] (53)
Icircn funcţie de valoarea determinată pentru D se aleg conducte metalice de diametru nominal cuprins icircntre 75200 mm Dacă rezultă D gt 200 mm se vor alege două conducte cu diametrul mai mic de 200 mm
2
T
T
M
M D
D
NH
3
3
4
6
5
7
1
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
40
Conductele magistrale se realizează prin icircmbinări cu flanşe sau sudate iar la lungimi mai mari de 100150 m se vor prevedea coturi compensatoare Pentru reducerea pierderilor de frig magistralele vor fi izolate termic
Distribuitorul de saramură răcită şi colectorul de saramură de la sonde sunt construcţii metalice identice
Icircn figura 57 se prezintă modul de racordare a sondelor de icircngheţare 5 la distribuitorul 1 şi colectorul 2 Vanele 3 asigură icircnchiderea deci oprirea circulaţiei şi reglajul debitului Prin aceste vane se poate izola o anumită sondă care nu funcţionează normal sau la care se observă o anumită defecţiune
Figura 47 Fig 57 Racordarea sondelor de icircngheţare la distribuitor şi colector 1 - distribuitor 2 - colector 3 - vane 4 - racord elastic 5 - sonda de icircngheţare
Poziţia distribuitorului şi colectorului faţă de racircndul sondelor de icircngheţare poate fi laterală de o singură parte sau laterală de ambele părţi ale sondelor Amplasamentul trebuie astfel făcut icircncacirct să fie posibilă vizitarea supravegherea şi eventual icircnlocuirea sondelor de icircngheţare
Racordarea sondelor la distribuitor şi colector se face prin cacircte un racord elastic (fig 57) Dimensionarea distribuitoarelor şi a colectoarelor se face din condiţia ca viteza saramurii să nu depăşească 0915 ms
Coloanele de distribuţie şi colectare urmăresc icircn teren forma şirului de sonde de icircngheţare şi pot avea acelaşi traseu sau trasee diferite Configuraţia traseului poate fi icircn linie sau circulară Icircn oricare din situaţiile prezentate distanţele dintre ştuţurile de racord şi sondele de icircngheţare sunt variabile astfel icircncacirct racordurile rigide prin flanşe şi sudură sunt greu de realizat Cea mai practică soluţie de racord icircn acest caz este furtunul de cauciuc (fig 57)
Icircn reţeaua de saramură poate pătrunde aer prin procesul de pompare ceea ce conduce la intensificarea acţiunii corosive a saramurii Icircn scopul icircndepărtării aerului nedorit pe partea superioară a conductelor icircn punctele cele mai ridicate ale acestora se montează robineţi de evacuare periodică a aerului şi eventual a altor gaze
Pe conductele magistrale se vor monta aparate de măsură şi control debitmetre termometre şi manometre (fig 56) Icircn acest caz se poate aprecia funcţionarea fiecărei sonde după depunerile exterioare de gheaţă pe racordul metalic sau de cauciuc lăsate neizolate termic tocmai icircn acest scop Icircn scopul urmăririi regimului de lucru sub aspect
5
4
1
2 3
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
41
hidraulic şi termic icircn mod individual se pot monta aparate de măsură şi control pe fiecare sondă de icircngheţare dar această soluţie este mai costisitoare
Sonda de icircngheţare realizează transferul de căldură de la terenul ce urmează a fi icircngheţat spre agentul frigorific (la răcirea directă) sau agentul intermediar (la răcirea indirectă)
Icircn figura 51 s-a prezentat schema de principiu a unei sonde de icircngheţare cu saramură activă pe toată lungimea Conducta exterioară sau burlanul de icircngheţare 3 este o conductă din oţel etanşă şi rezistentă la eforturile mecanice care apar datorită presiunii solului şi variaţiei de temperatură icircntre momentul fixării ei icircn sol şi cel al funcţionării la o temperatura sub 00C
Icircn procesul de icircngheţare coloana de burlane care poate atinge lungimi de sute de metri se contractă icircnsă nu liber deoarece ea este stracircnsă icircn masivul de roci La o variaţie de temperatură icircntre momentul iniţial (fără saramură) şi momentul pornirii circulaţiei de saramură de 400C conducta din oţel de 500 m adacircncime ar trebui să se contracte cu
tHH = 500 11 10-6 40 = 0220 m = 22 cm
Datorită fixării coloanei icircn gaura forată efortul unitar de icircntindere ce apare icircn urma scăderii temperaturii este
tE = 22 1010 11 10-10 40 = 968 105 Nm2 = 9680 Ncm2
La acest efort de icircntindere apărut datorită contracţiei coloanei se mai adaugă efortul de acelaşi semn provocat de dilatarea masivului de rocă acviferă icircngheţată Icircn scopul compensării eforturilor de icircntindere s-a propus icircmbinarea coloanei cu nipluri elastice O asemenea soluţie este mai scumpă şi icircn plus micşorează secţiunea liberă de curgere ceea ce conduce la icircncălzirea excedentară a saramurii
La lucrări subterane de mare adacircncime ca puţurile de mină depozite subterane se folosesc burlane de 1397 x 7 mm pentru a fi posibilă determinarea abaterii de la poziţie verticală
La tunelurile de metrou şi icircn general la lucrările la care adacircncimea de icircngheţare nu depăşeşte 50 - 60 m diametrul cel mai frecvent utilizat este 1143 x 7 mm
Ţeava interioară 2 (fig 51) numită şi tub de alimentare de regulă ţeava uşoară de instalaţii de 50 mm diametrul se introduce icircn burlanul exterior 3 fără icircnsă a atinge şiul de bază 1 al sondei Se asigură icircn acest mod un volum minimal de depuneri solide care circulă cu saramura icircn mod incidental Icircn scopul economisirii de metal tubul de alimentare poate fi din material plastic ceea ce prezintă marele avantaj al lipsei coroziunii şi al refolosirii materialului respectiv
Şiul de fund are rolul de a asigura icircnchiderea burlanului exterior icircn partea sa inferioară Cel mai adesea are formă conică pentru a asigura introducerea cu uşurinţă a coloanei metalice icircn gaura de sondă Această componentă a sondei de icircngheţare se execută fie prin turnare sau se confecţionează cu ajutorul sudurii
Corespunzător profilului geologic al terenului icircn care se lucrează se icircntacirclnesc şi cazuri cacircnd nu este nevoie să se icircngheţe terenul pe toată icircnălţimea sondelor ci numai la partea lor inferioară Icircn acest caz se folosesc sonde de icircngheţare zonală (fig 58) cu ajutorul cărora se asigură congelarea doar a zonei inferioare ceea ce prezintă avantaje economice deosebite nu se consumă energie pentru a icircngheţa icircn mod inutil formaţiuni geologice consistente şi uscate şi nu se reduce ritmul lucrărilor de săpare printr-o eventuală mărire a rezistenţei rocilor
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
42
Figura 48 Fig 58 Sonda de icircngheţare zonală
1 - burlan exterior 2 - tub de alimentare 3 - şiu 4 - tub de evacuare
Figura 49 Fig59 - Sonda de icircngheţare cu agent
frigorific 1 - tub exterior 2 - perete despărţitor 3 - şiu 4 -
ştuţ (ţeavă de preaplin) 5 - condensator - vaporizator
Icircn cazul răcirii directe sondele de icircngheţare cu agent frigorific sunt de construcţie specială (fig 59) Particularitatea acestor sonde este prezenţa pereţilor despărţitori 2 dispuşi unul sub celălalt la circa 3 m fiecare perete fiind prevăzut cu un ştuţ de preaplin O asemenea construcţie are rolul de a fracţiona coloane de lichid ceea ce asigură o răcire mai uniformă pe lungimea sondei
Fiecare sondă este prevăzută la partea superioară cu cacircte o cămaşă de răcire Sondele se umplu cu amoniac lichid icircntr-o asemenea cantitate icircncacirct fiecare secţie să fie icircnecată cu lichid respectiv pacircnă la partea superioară a ştuţurilor 4 Ca urmare a fluxurilor de căldură de la sol se produce fierberea amoniacului icircn toate secţiile sondei Vaporii formaţi se ridică prin ştuţurile 4 şi ajungacircnd la partea superioară a sondei se condensează cedacircnd căldură agentului (amoniac) din cămăşile de răcire
Ca urmare cămăşile de răcire de la partea superioară a sondelor constituie vaporizatorul instalaţiei frigorifice Amoniacul care se condensează la partea superioară a sondei curge icircnapoi (de sus icircn jos) prin ştuţurile 4 Folosirea pereţilor despărţitori şi a ştuţurilor micşorează influenţa presiunii hidrostatice a lichidului asupra temperaturii de vaporizare a amoniacului Asemenea sonde de icircngheţare se folosesc pentru lucrări de mică adacircncime
Amplasarea sondelor se face icircn funcţie de o serie de factori formă poziţia şi dimensiunile lucrării care se realizează structura terenului temperatura şi viteza agentului etc
Icircn cazul puţurilor de mină de secţiune circulară sondele se amplasează pe un cerc
concentric de diametru D mai mare decacirct diametrul de săpare Ds cu grosimea a peretelui icircngheţat
sDD (54)
Trebuie să se ţină seama şi de deviaţia sondelor de la poziţia verticală icircncacirct pentru adacircncimi mari se utilizează relaţia
3
2 4
1
VAPORI 5 LICHID
3
2
4 1
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
43
a21DD s (55)
unde a = 003 H este abaterea medie statistică de la verticală a sondelor
Distanţa dintre sonde se ia de obicei de 1014 m icircn terenuri rezistente şi de 0809 m icircn terenuri slabe
Pentru adacircncimi de peste 500 m se recomandă să se dispună sondele pe două cercuri concentrice pentru a se forma un perete de grosime mai mare şi deci mai rezistent
La icircngheţarea terenului icircn jurul puţurilor de secţiune dreptunghiulară sondele se pot dispune pe dreptunghi sau elipsă Icircn aceste situaţii centura de teren icircngheţat poate fi solicitată la icircntindere ceea ce este de nedorit deoarece limita de rezistenţa la icircntindere a terenurilor icircngheţate este de circa 3 ori mai mică decacirct limita rezistenţei la compresiune Din acest motiv chiar şi la puţurile de mină de secţiune dreptunghiulară sondele se dispun pe unul sau două cercuri (fig 510)
Pentru realizarea galeriilor icircnclinate icircngheţarea terenului se realizează cu sonde verticale (fig 511) sau combinat atacirct cu sonde verticale cacirct şi cu sonde icircnclinate (fig 512)
Distanţa dintre sondele verticale (fig 511) se ia de 23 m iar distanţa dintre racircnduri este de 1525 m
Se poate folosi cacircte un racircnd de sonde icircnclinate montate deasupra galeriei (fig 212 a) sau sonde icircnclinate sub galerie şi sonde verticale scurte deasupra galeriei (fig 512 b)
SONDA
154 m
16
6 m
226
262
85
SONDA
Figura 411 Fig 511 Amplasarea sondelor verticale pentru realizarea galeriei icircnclinate
Figura 411 Fig 510 Dispunerea sondelor icircn jurul puţurilor de mină de secţiune
dreptunghiulară
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
44
Figura 412 Fig 512 Realizarea galeriilor icircnclinate cu sonde verticale (1) şi sonde oblice (2)
I - secţiunea longitudinală II - secţiunea transversală a) sonde icircnclinate deasupra galeriei b) sonde icircnclinate sub galerie
413 513 UTILIZAREA METODEI DE IcircNGHEŢARE A SOLULUI IcircN ŢARA NOASTRĂ
a)Puţuri de mină
Aplicarea metodei de icircngheţare a solului pentru lucrări de minerit a avut loc la noi icircn ţară icircncepacircnd cu anul 1960 la puţul Godeni din bazinul carbonifer Cacircmpulung - Muscel Proiectul a fost elaborat icircn anul 1959 la IPROMIN Bucureşti iar lucrarea a fost executată cu Trustul Minier Argeş avacircnd icircn subantrepriză de specialitate Icircntreprinderea Frigotehnica Bucureşti şi Trustul de prospecţiuni explorări şi deschideri de mine noi Bucureşti
Adacircncimea de săpare a puţului Godeni a trebuit sa fie de 202 m Sondele de icircngheţare constituite din două ţevi concentrice (fig 51) cu diametrele exterioare de 146 mm şi respectiv 57 mm icircn număr de 27 au fost amplasate pe un cerc cu diametrul de 10 m la distanţa de 117 m una de alta
Instalaţia frigorifică a fost dimensionată cu mare precauţie pentru a avea o siguranţă mărită icircn funcţionarea ei Toate părţile componente ale instalaţiei frigorifice au fost proiectate şi executate icircn ţară
La proiectarea instalaţiei s-a avut icircn vedere funcţionarea de scurtă durată şi variaţia puterii frigorifice icircn timp S-a utilizat răcirea indirectă cu soluţie de clorură de calciu iar ca agent frigorific a fost folosit amoniacul Pentru a avea elasticitatea necesară icircn funcţionare la diferite puteri frigorifice au fost folosite grupuri de utilaje frigorifice şi anume
6 compresoare 4 AU - 20 (200000 kcal Nh =233 kW fiecare)
3 baterii de condensatoare atmosferice a cacircte 300 m2 (900 m2)
bazine pentru răcirea saramurii fiecare cu cacircte 2 vaporizatoare superintensive de 50 m2 (600 m2)
2 grupuri a cacircte 5 pompe pentru recircularea saramurii
Puterea frigorifică a instalaţiei montate a fost de 12106 kcal Nh =1395 kW şi s-a caracterizat prin următoarele date tehnice la exploatare
85
1
2
I 85
1
2
I
85
1
2
II
85
1
2 II
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
45
o suprafaţa de schimb de căldură a sondelor 2500 m2 o puterea instalaţiei 750 kW o debitul saramurii icircn
o icircn perioada activă 350 m3h o icircn perioada pasivă 70 m3h
o viteza de circulaţie a saramurii icircn sondă o tur 18 ms 036 ms o retur 029 ms 006 ms
o volumul rocilor icircngheţate circa 10000 m3 o consumul specific de frig mediu 50000 m3 o durata icircngheţării (perioada activă) 130 zile
Icircn timpul răcirii şi deci a icircngheţării solului puterea frigorifică scade icircn mod continuu icircncacirct treptat s-a scos din funcţiune cacircte un compresor icircn perioada pasivă (de săpare a puţului) s-a menţinut icircn lucru doar un singur compresor şi grupul de utilaje aferent
După terminarea lucrărilor de la puţul Godeni icircn anii următori aceeaşi instalaţie s-a montat la puţul Poenari din acelaşi bazin carbonifer unde sondele au fost amplasate pe un cerc cu diametrul de 11 m la distanţa de 128 m una de alta
Un alt puţ realizat prin această tehnologie de icircngheţare a solului a fost puţul Jugur de la acelaşi bazin carbonifer Centrala frigorifică a cuprins 15 compresoare 3 AV - 20 (150000 kcal Nh fiecare=175kW) repartizate icircn 5 linii tehnologice independente cu icircntreg utilajul aferent Fiecare linie este compusă din
o butelie de răcire intermediară BRI - 700 un condensator cu evaporare forţată CEF - 180 un bazin cu patru grupuri vaporizatoare intensive de cacircte 165 m2 (icircn total 66 m2)
Sondele de icircngheţare icircn număr de 27 bucăţi au fost prevăzute să se amplaseze pe un cerc cu diametrul de 104 m la distanţă de 121 m Sondele sunt de tipul celei indicată icircn figura 58 deci cu răcire zonală avacircnd următoarele caracteristici diametrul exterior al burlanului este de 146 mm iar tuburile interioare au 57 mm (la exterior) tubul de alimentare are lungimea de 430 m iar cel de evacuare este de 220 m Ca urmare sondele de icircngheţare trebuie să producă icircngheţarea solului numai pe adacircncimea de la 220 m la 430 m Prin proiect s-au prevăzut următoarele date temperatura saramurii - 35 ordmC viteza saramurii icircn conducte de tur 18 ms viteza icircn conducte de retur (pe adacircncimea de răcit) 06 ms durata icircngheţării (perioada activă) a fost de 75 zile
Au fost prevăzute temperaturi scăzute şi viteze mari de congelare deoarece cilindrul icircngheţat trebuie să preia presiuni de pacircnă la 56 bar
b)Tunelurile pentru metroul din Bucureşti
Icircncepacircnd cu anul 1976 pentru realizarea metroului din Bucureşti s-a procedat la aplicarea metodei de icircngheţare a solului icircntr-o zonă considerată experimentală dar cu realizări efective de galerii
Prin proiect s-a prevăzut consolidarea prin icircngheţare artificială a profilului de săpare a tunelurilor de metrou pe o lungime de circa 550 m pe ambele fire Amplasamentul sondelor s-a făcut icircn două variante (pentru experimentare) pentru un fir de tunel ambele racircnduri de sonde s-au fixat icircn profilul circular de săpare iar pentru cel de al doilea fir de tunel sondele au fost forate icircn afara profilului de icircnaintare (fig 513) Au fost folosite sonde cu saramură cu posibilitatea de icircngheţare pe toată icircnălţimea de 16 m cacirct şi sonde cu icircngheţare zonală icircntre adacircncimile de 7 m şi 16 m Distanţa dintre sonde a fost fixată la 14 m
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
46
Pentru a se icircmpiedica accesul apelor icircn frontul de săpare datorate unor eventuale zone neicircngheţate traseul de tunel icircngheţat a fost icircmpărţit icircn incinte icircnchise prin timpane transversale La distanţe de 3050 m icircn lungul traseului au fost montate sonde de icircngheţare aşezate icircn plan normal pe axul tunelului prin care să se icircnchidă accesul apelor spre frontul de săpare
Echipamentul frigorific principal cuprinde
- 8 compresoare frigorifice 3 AV - 20 funcţionacircnd icircntr-o treaptă pentru care
corespunde puterea frigorifică de 12 106 kcal Nh =1395 kW
- 4 condensatoare de evaporare forţată CEF - 250
- 3 bazine de răcire a saramurii echipate cu cacircte 4 grupuri de vaporizatoare superintensive de cacircte 51 m2 (total 612 m2)
- 3 grupuri de cacircte 2 pompe a 220 m3h pentru circulaţia saramurii pe traseele de distribuţie şi prin sonde
Figura 413 Fig513 Amplasamentul sondelor de icircngheţare
Centrala frigorifică este stabilă adăpostită icircntr-o baracă metalică demontabilă existacircnd posibilitatea de reamplasare rapidă a instalaţiei icircntr-un alt loc Agentul frigorific utilizat este amoniacul iar agentul intermediar este clorura de calciu
Icircn perioada principală de icircngheţare temperatura de vaporizare este to = -22 ordmC asiguracircnd răcirea saramurii la -17 ordmC iar pe retur saramura a avut temperatura cu 15 ordmC mai ridicată
La o asemenea lucrare realizată icircn oraş se impune protejarea contra icircngheţului a straturilor de deasupra galeriilor icircn care sunt amplasate instalaţiile de apă - canal ceea ce presupune folosirea sondelor cu icircngheţare zonală care să nu fie active la partea superioară
c) Puţuri pentru prospectarea balastierelor
Procedeul şi instalaţia frigorifică au avut caracter de noutate şi s-a aplicat icircncepacircnd cu anul 1966 la mai multe obiective icircn general pe văile racircurilor unde s-au construit hidrocentrale
A
A B
B
A-A
000 -300 -700 -1061 -1300
65
800
B-B
000 -300 -700 -1061 -1300
65
550
ARGILA
ARGILA
NISIP
NISIP
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
47
Echipamentul frigorific principal cuprinde un agregat frigorific pentru amoniac de 20000 kcal Nh = 233 kW rezervor de amoniac separator de lichid şi anexe - toate fiind montate pe o remorcă
S-au folosit sonde de icircngheţare cu agent frigorific icircn număr de 8 bucăţi cu diametrul exterior de 133 mm montate pe un cerc cu diametrul de 2 m la distanţa de 076 m lungimea lor fiind de 75 m Legarea sondelor la distribuitor şi colector s-a făcut cu racorduri flexibile
Sondele au o construcţie specială fiind prevăzute cu 4 pereţi transversali cu ştuţuri de preaplin formacircndu-se astfel 5 compartimente Agentul lichid se introduce icircn compartimentul cel mai de sus şi se scurge prin ştuţuri pacircnă la baza sondei Conducta de aspiraţie străbate toate compartimentele vaporii fiind aspiraţi din compartimentul cel mai de jos Circulaţia vaporilor formaţi se face ca şi a lichidului de sus icircn jos obţinacircndu-se astfel o răcire uniformă şi eficientă pe toată icircnălţimea sondei
Durata icircngheţării respectiv a formării centurii de teren icircngheţat la adăpostul căreia să se poată efectua săparea şi preluarea de probe de sol este de 10 zile
414 514 CAcircMPUL DE TEMPERATURĂ IcircN SOLUL IcircNGHEŢAT
Cacircnd prin sonda de icircngheţare circulă saramură a cărei temperatura este sub 0 ordmC practic - 20 ordmC-25 ordmC icircn jurul sondei se formează un cacircmp termic care icircn cazul unei singure sonde poate fi reprezentat prin suprafeţe cilindrice coaxiale de temperatură constantă (izoterme)
După distanţa radială se deosebesc icircn sol din punct de vedere termic trei zone zona cilindrică din imediata vecinătate a sondei care este icircn zona icircngheţată zona răcită cuprinsă icircntre suprafaţa cilindrică izotermă de 0 ordmC şi izoterma de temperatură naturală şi a treia zonă cea de temperatura naturală (fig 514)
Icircn zona icircngheţată temperatura masivului variază de la temperatura peretelui metalic al sondei pacircnă la 0 ordmC Icircn zona răcită temperatura masivului creşte de la 0 ordmC pacircnă la temperatura naturală a masivului
Figura 414 Fig 514 Cacircmpul de temperatură icircn jurul unei sonde de icircngheţare
Este important să se cunoască cacircmpul termic icircn terenul supus icircngheţării deoarece acesta oferă date privind zona de răspacircndire a consolidării rocilor prin solidificarea apei cacirct şi a
t [oC]
r [m]
t (r)
ZONA RACITA
ZONA INGHETAT
A
ts TEMPERATURA NATURALA A ROCII
-20
-10
40
10 0 20 30
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
48
rezistenţei mecanice a rocii icircngheţate Se cunoaşte faptul că rezistenţa mecanică depinde direct de temperatură
Studiul variaţiei temperaturii icircn zona de influenţă a unei sonde şi a tuturor sondelor simultan oferă posibilitatea calculării dimensiunilor la proiectarea construcţiei peretelui protector cacirct şi controlul procesului icircn timpul desfăşurării lucrărilor
Pentru a se stabili relaţia de variaţie a temperaturii icircn zona icircngheţată icircn funcţie de raza r se consideră ecuaţia diferenţială
dr
dtr2q (56)
icircn care q este fluxul unitar de căldură corespunzător lungimii de 1 m din sonda de icircngheţare Wm
- conductivitatea termica a terenului Wm
Integrarea directă a ecuaţiei analitice se poate face icircn ipoteze simplificatoare consideracircnd
= const şi q = const ceea ce este justificat la valori mari ale timpului de răcire
Se separa variabilele
r
dr
2
qdt
(57)
Se consideră cunoscute temperaturile t1 la suprafaţa sondei de raza r1 și t2 = 0 ordmC la raza r2 corespunzătoare suprafeţei exterioare a cilindrului icircngheţat Se integrează ecuaţia (6-7) și cunoscacircnd limitele de integrare se va determina constanta de integrare
Cr ln2
qt
(58)
pentru r = r1 t = t1 deci
11 rln2
qtC
(59)
1
1r
rln
2
qtt
(510)
Se pune condiţia ca pentru r = r2 t = t2
1
212
r
rln
2
qtt
(511)
Se elimina q intre relaţiile (510) și (511) şi se obţine
1
2
1121
r
rln
r
rln
tttt (512)
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
49
Figura 415 Fig 515 Schema schimbătorului de căldură subteran
Pentru t2 = 0 ordmC relaţia (5-12) devine
)rrln(
)rrln(tt
12
21 (513)
Icircn figura 515 se prezintă o secţiune axială printr-o sondă de icircngheţare şi variaţia temperaturii icircn limitele t0 - temperatura agentului de răcire şi ts - temperatura naturală a solului
Cantitatea de căldură transferată de la masivul neicircngheţat spre agentul de răcire prin unitatea de lungimea de conducta şi unitatea de timp se calculează cu expresia
221
2
1o
1
moo
os
d
1
d
dln
1
d
dln
2
1
d
1
ttq
(514)
Icircn calculele inginereşti cel mai frecvent se determină nu fluxul termic pe unitatea de lungime a conductei ci fluxul termic qF raportat la unitatea de suprafaţă a conductei metalice la 1 m2 de suprafaţa exterioară sau interioară Mărimea qF se calculează astfel
22
o
1
2
1
o
o
1
m
o
o
oS
o
F
d
d
d
dln
2
d
d
dln
2
d1
tt
d
(515)
Fluxul termic qF prin unitatea de suprafaţă a sondei de icircngheţare calculat pentru adacircncimea de 100 m icircn regim laminar de curgere a agentului de răcire prin spaţiul inelar al sondei cu viteza w = 01 ms la diametre ale cilindrului de rocă icircngheţata
de la 02 la 3 m pentru to = -20 ordmC do = 01 m 1 = 233 WmK variază de la 720 la 230 Wm2 aşa cum se poate observa din figura 516 şi tabelul 51
d2
d1
d0
t
qF
t0
t2
t1 2
m 1
m
ts
Conducta Teren icircngheţat Teren
neicircngheţat
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
50
Figura 416 Fig 516 Variaţia fluxului termic qF prin unitatea de suprafaţă a sondei de icircngheţare 1 - regim turbulent 2 regim laminar
Tabelul 51Variaţia fluxului termic qF [Wm2]
Diametrul cilindrului de rocă icircngheţată icircn m
02 04 05 08 10 15 20
qF regim laminar 1160 550 387 330 302
qF regim laminar 720 465 423 350 321 283 258
Se observă ca densitatea fluxului de căldura qF scade foarte mult de la 800900 Wm2 la icircnceputul operaţiei de consolidare prin frig a rocilor pacircnă la 230250 Wm2 cacircnd cilindrul de rocă icircngheţata atinge diametrul de 23 m Ca urmare a acestei situaţii şi puterea frigorifică a instalaţiei va scădea icircn decursul a 6080 zile tot cu raportul de 800230 = 35
Instalaţia frigorifică va fi constituită din grupuri de utilaje (module) ce vor fi scoase treptat din funcţiune pe măsură ce se reduce densitatea fluxului de căldură qF ca urmare a creşterii grosimii stratului de teren icircngheţat Icircn practică pentru calcule se va considera qF = (260290) Wm2
O mărime importanta pentru proiectarea instalaţiei şi aprecierea procesului de consolidare a rocilor este timpul de icircngheţare Pentru calculul duratei de icircngheţare se pot folosi relaţiile prezentate icircn capitolul 3 la formarea gheţii pe suprafeţe cilindrice exterioare La aprecierea valorii pentru ls - căldura latentă de solidificare se avea icircn vedere conţinutul de apă din terenul supus icircngheţării
Dacă icircntre relaţiile pentru dependenţele (r) şi qF(r) se elimină r se obţine dependenţa
qF() Eliminarea nu se poate face direct ci fie cu ajutorul calculatorului fie printr-o construcţie grafică prezentată icircn figura 517
Studiul variaţiei temperaturii icircn solul icircngheţat cacirct și variaţia icircn timp a densităţii fluxului de căldura se poate face cu ajutorul calculatorului electronic
1200
1000
800
600
400
200
0 05 1 15 2 25 3
qF [Wm2]
Diametrul cilindrului de rocă icircngheţată [m]
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
51
Figura 417 Fig 517 Stabilirea dependentei qF() pe baza dependentelor qF(r) și (r)
415 515 ELEMENTE DE PROIECTARE A INSTALAŢIEI FRIGORIFICE PENTRU IcircNGHEŢAREA SOLULUI
Pentru proiectarea instalaţiei frigorifice trebuie sa se stabilească la icircnceput elementele de baza și anume
- puterea frigorifică maximă care apare la icircnceputul perioadei de răcire cacircnd pătrunderile de căldura spre agentul de răcire din sondele de icircngheţare au valori mai mari temperatura de vaporizare a agentului frigorific plecacircnd de la temperatura minimă sau medie din solul icircngheţat şi avacircnd icircn vedere modul de răcire directă sau indirectă
Se calculează cantitatea totală de căldură ce trebuie extrasă din terenul supus răcirii şi icircngheţării Se cunoaşte structura terenului icircngheţat deci se cunosc icircnălţimile h1 h2hn ale diferitelor straturi componente cacirct şi proprietăţile termofizice ale acestora
Grosimea centurii de teren icircngheţat se stabileşte icircn urma calculelor de rezistenţa materialelor icircncacirct se pot calcula volumele ocupate de straturile componente V1 V2Vn
Cantitatea de căldură ce trebuie extrasă din zona icircngheţată cuprinde două componente și anume
cantitatea de căldura Qa corespunzătoare răcirii şi icircngheţării apei
cantitatea de căldura Qt necesara răcirii părţii solide a terenului
n
1kfgsikaakka tcltcVQ (516)
unde
k - reprezintă conţinutul icircn apă din stratul respectiv [m3m3]
a - densitatea apei [kgm3]
ca cg - căldura specifica a apei respectiv a gheţii Jkg K
tik - temperatura iniţiala a stratului respectiv (de ordinul k)
tf - temperatura medie finala a masivului icircngheţat
ls - căldura latentă de solidificare a apei
r
q
q
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
52
fik
n
1kkkkkt ttc1VQ
(517)
k - densitatea părţii de teren solid (uscat) din stratul k
ck - căldura specifică a terenului uscat din stratul k
Cantitatea de căldură extrasă din terenul răcit reprezintă circa 1018 din cantitatea de căldură extrasă din zona de teren icircngheţat
Deci cantitatea totală de căldură Q ce va trebui preluată de către instalaţia frigorifică se poate aprecia astfel
Q = (110118) (Qa + Qt) (518)
Cu relaţia (51) se calculează puterea frigorifica a instalaţiei adoptacircnd o valoare medie pentru densitatea fluxului de căldura qF
Se poate aprecia timpul de funcţionare a instalaţiei frigorifice
o
Q
(519)
La anumite grosimi ale cochiliei de teren icircngheţat icircn jurul sondei densitatea fluxului termic scade sub valoarea medie adoptată icircn calcule şi ca urmare icircncepacircnd de la acest moment se va putea reduce treptat puterea frigorifica a instalaţiei prin scoaterea din funcţiune a unor grupuri
La proiectare se pot avea icircn vedere unele recomandări practice pentru stabilirea necesarului de frig pentru icircngheţarea unui m3 la -10 ordmC este necesar un consum specific de frig de 66000 kJ la 10 umiditate de 155000 kJ la 35 umiditate și de 210000 kJ la 50 umiditate
42 52 RĂCIREA BETONULUI LA CONSTRUCŢIILE MASIVE
421 521 INSTALAŢII DE PRERĂCIRE A COMPONENTELOR BETONULUI
Formarea betonului din elementele sale componente (nisip pietriş ciment şi apă) este icircnsoţită de fenomene fizico - chimice icircn care se degajă căldură şi ca urmare temperatura acestuia creşte Icircn cazul unor masive din beton (baraje) dacă viteza de turnare (icircn sezonul cald cacircnd se efectuază construcţia) este mai mare şi nu se asigura evacuarea căldurii corpul rezultă la o temperatura medie mai mare decacirct temperatura medie anuală Răcirea naturală conduce la contracţia masivului şi ca urmare la apariţia sub acţiunea tensiunilor interne a unor fisuri
Pentru ca variaţiile de temperatura icircntre centrul barajului şi straturile exterioare să fie cacirct mai mici se impune ca masivul respectiv să fie turnat la temperatura medie anuală a zonei respective Icircn acest scop se pot folosi două metode prin prerăcirea componentelor betonului și prin răcirea masei barajului
Icircn vederea reducerii căldurii degajată icircn reacţia dintre ciment şi apă au fost realizate sortimente de ciment caracterizate prin călduri masice reduse ce se degajă icircn procesul de priză
Prin prerăcirea componentelor betonului se urmăreşte ca betonul sa aibă temperatura medie a locului de amplasament şi prin aceasta evitarea apariţiei unor diferenţe mari de temperatură ce pun icircn pericol construcţia
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
53
Icircn funcţie de valoarea diferenţei de temperatură care trebuie realizată se poate adopta o anumită schemă de răcire pentru fiecare component icircn parte sau numai pentru unele din aceste părţi componente
Se pot folosi instalaţii frigorifice cu comprimare mecanică de vapori pentru răcirea apei a aerului sau formarea gheţii mărunte utilizate la prerăcirea componentelor betonului Folosirea gheţii fulgi sau solzi este limitată atacirct din cauza conţinutului de apă impus cacirct şi ca urmare a pericolului ca gheaţa să nu se topească icircn procesul de malaxare ci la turnare sau icircn procesul de priză ceea ce duce la formarea de goluri icircn beton
De asemenea se pot folosi instalaţiile frigorifice cu ejecţie
Icircn vederea stabilirii necesarului de frig pentru preratildecirea componentelor betonului se calculează mai icircntacirci cantitatea de catildelduratilde Qo1 ce trebuie evacuatatilde dintr-un m3 de beton avacircndu-se icircn vedere proporţiile icircn care participatilde cimentul nisipul pietrişul şi apa Fiecare component are o temperatură iniţialatilde şi urmeazatilde a fi răcit pacircnatilde la o temperatura finalatilde tf aceeaşi pentru toţi componenţii
fpppfnnnfccc1o ttcmttcmttcmQ
fnaanfpaapfaaa ttcmttcmttcm Jm3 (520)
unde
mc mn mp ma - masele de ciment nisip pietriş şi apă conţinute icircntr-un m3 de beton [kgm3]
cc cn cp cw - căldurile specifice masice ale cimentului nisipului pietrişului şi nisipul dintr-un m3 de beton [kgm3]
Puterea frigorifică se determină cu relaţia
3b1oo 10VQ [kW] (521)
icircn care bV reprezintă fluxul de betonare icircn m3s
Se prezintă icircn continuare cele mai folosite metode de prerăcire a componentelor betonului
4211 a) Instalaţie de prerăcire cu apă
Staţia de preparare a betonului este deservită de o instalaţie frigorifică cu comprimare mecanică de vapori care asigură răcirea apei
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
54
Figura 418 Fig 518 Schema de lucru a instalaţiei de prerăcire a betonului cu ajutorul apei 1 - ciment 2 - vagon nisip 3 - vagon pietris 4 - tancuri de răcire a pietrişului 5 - sită 6 - siloz de
nisip 7 - siloz de ciment 8 - rezervor de distribuţie 9 - răcitor de nisip 10 - răcitor de ciment 11 - răcitor de apă 12 - rezervor de apă răcită 13 - răcitor de apă 14 - instalaţie de prepararea betonului
I II III IV V - fazele de răcire a pietrişului
Icircn figura 518 se prezintă schema de lucru a unei asemenea instalaţii de prerăcire a betonului cu ajutorul apei folosită la construcţia barajului de la Detroit (SUA) Apa este răcită de la 16 la 15 ordmC şi transmisă apoi la instalaţia de preparare a betonului şi icircn cinci rezervoare a cacircte 90 m3 fiecare icircn care se răceşte pietrişul
Procesul de răcire a pietrişului cuprinde cinci faze
- faza I - introducerea apei icircn rezervor 10 minute
- fazele II şi III - introducerea simultană a apei şi a pietrişului 50 minute
- faza IV - evacuarea apei 15 minute
- faza V - evacuarea pietrişului 15 minute
Icircntregul proces de răcire a pietrişului durează 90 minute Pentru răcirea cimentului şi nisipului se utilizează schimbătoare de căldură cu ax elicoidal la care apa de răcire circulă prin arborele gol şi prin manta
Rezervoarele 12 pentru apa răcită au fiecare volumul de 114 m3
Beton 635oC
190 m3h
65oC
24oC
18oC
1
2
3
4
5
6
7
8
10
9
11
12
13
14
Apă 16oC
15oC
Cim
en
t
26 l
h
Nis
ip 1
12
lh
10
oC
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
55
42111 Aplicaţie numerică
Să se calculeze puterea frigorifică necesară prerăcirii betonului prin metode şi condiţiile prezentate mai sus Se cunosc următoarele date de calcul
mp = 1700 kgm3 beton
mc = 135 kgm3 beton
mn = 590 kgm3 beton
ma = 60 kgm3 beton
cc = cn = cp = 921 Jkg K
ca = 4180 Jkg K
map = 16 kgm3 beton
man = 38 kgm3 beton
tp = 18 ordmC
tc = 66 ordmC
tn = 21 ordmC tf = 635 ordmC
052803000
190Vb m3s
Se calculează componentele cantităţii de căldură Q01
3fcccc 10741735666921135ttcmQ Jm3
3fnnnn 10796135621921590ttcmQ Jm3
3fpppp 1024018356189211700ttcmQ Jm3
3faaaa 10420235616418060ttcmQ Jm3
3fpaapap 1077935618418016ttcmQ Jm3
3fnaaan 10232735621418038ttcmQ Jm3
Rezulta
3anapapnc1o 1039144QQQQQQQ Jm3
3o 10 206705280103914410VQ 33
b1o kW
4212 b) Instalaţii de prerăcire cu aer apă
Pentru răcirea componentelor betonului se utilizează icircn acest caz fie apa fie aerul ca agenţi intermediari răciţi cu ajutorul instalaţiilor frigorifice
Icircn figura 519 se prezintă schema unei asemenea instalaţii folosită la construcţia barajului de la Sariyar din Turcia
Răcirea aerului se poate face fie direct prin vaporizarea unui agent frigorific fie indirect cu un agent intermediar de răcire ca de exemplu saramura de clorură de calciu Aerul răcit pacircnă la -6 ordmC este suflat icircn silozurile cu pietriş de dimensiuni icircntre 4150 mm
Apa răcită icircn bazinul la pacircnă la 05 ordm este trimisă din colectorul 12 la staţia de preparare a betonului servind la scăderea temperaturii acestuia
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
56
Figura 419 Fig 519 Schema instalaţiei de prerăcire a betonului cu aer şi apă 1 - compresor 2 - condensator 3 - ventile de laminare 4 - vaporizatoare 5 - bazin de răcire a
saramurii 6 - pompă de saramură 7 - răcitor umed de aer 8 - ventilatoare 9 - silozuri de pietriş 10 - bazin de răcire a apei 11 - pompă 12 - colector de apă răcită
Figura 420 Fig 520 Schema instalaţiei de prerăcire cu aer şi apă 1 - siloz de pietriş şi nisip 2 - siloz de ciment 3 rezervor de apă 4 - răcitor de aer 5 - răcitor de apă
4 - răcitor de apă 6 - buncăr de sortare 7 - instalaţie de preparare beton
Pentru intensificarea procesului de răcire a pietrişului aerul este răcit sub 0 ordmC Acest procedeu are avantajul unei funcţionări fără icircntrerupere a procesului de preparare a betonului dar prezintă şi o serie de dezavantaje debite foarte mari de aer de răcire posibilitatea antrenării particulelor fine de agregat icircn răcitorul de aer şi depunerea acestora pe suprafaţa de schimb de căldură Ca urmare instalaţia se va curăţa la circa 14 zile Icircn figura 520 se prezintă o altă schemă de instalaţie de prerăcire a betonului cu aer şi apă folosită la construcţia unui baraj din India
Apă
295oC
Ciment
433oC
Pietriş şi nisip
378oC
Apă 6oC
Ciment 433oC
Aer
Pietriş
45oC Nisip 222oC
22oC
Ap
ă
45
oC
Ap
ă 2
2o
C
Ae
r 5
5o
C
Be
ton
12
8o
C
Apă 22oC
2
1
3 4 5
8
9
5 7
12
1oC
11
05oC 9oC 9oC
-9oC
-10oC -10oC
-10oC 2oC
6oC
10 4 4 6
8 8
8
8 8
9 9 9 9
1
2
3 3
7
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
57
Pietrişul şi nisipul se separă icircntre ele icircn buncărul de sortare 6 şi apoi fiecare circulă pe cacircte o bandă transportoare prin camera de răcire 7 Pietrişul este răcit cu ajutorul apei
Fig
ura
42
1 F
ig 5
21
Sc
he
ma
in
sta
laţi
ei
de
ră
cir
e icirc
n v
id a
co
mp
on
en
telo
r b
eto
nu
lui
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
58
reci icircncacirct ajunge la o temperatură mai scăzută decacirct nisipul răcit cu aer Prin camera 7 se circulă şi aer rece care se introduce la temperatura de 55 ordmC Cimentul se introduce la instalaţia de preparare a betonului 9 fără a fi răcit
O altă posibilitate de prerăcire a agregatelor (pietriş şi nisip) şi a apei utilizată mai recent la construirea barajelor icircntrebuinţează răcirea icircn vid la care agregatele uşor umezite icircn recipiente sub presiune se răcesc după nevoie (prin reglarea vacuumului) la o temperatură mai scăzută sau mai ridicată Căldura necesară evaporării umidităţii de pe agregate şi din ele (apa legată) este luată chiar de la corpurile respective (pietriş nisip) şi ca urmare acestea se răcesc
O asemenea instalaţie utilizată la Hortwell icircn SUA (figura 521) cuprinde 3 recipienţi de cacircte 150 m3 pentru răcirea pietrişului şi 3 recipienţi de cacircte 80 m3 pentru răcirea nisipului
Pietrişul şi nisipul cu temperatura maximă de 43 ordmC se pot răci pacircnă la temperatura necesară de 45 ordmC Pentru realizarea vidului necesar se folosesc două cazane de abur care produc 77 th fiecare
422 522 RĂCIREA INTERIOARĂ A MASIVULUI DE BETON
Prerăcirea betonului se recomandă icircn condiţiile unei zone tropicale sau temperate de amplasare a construcţiei masive nu se recomandă icircn cazul amplasării barajului icircn munţi unde temperatura aerului este scăzută Icircn asemenea situaţii se recomandă răcirea betonului prin conducte amplasate icircn masiv prin care circulă apă rece
La răcirea interioară cu conducte montate icircn beton are loc o eliminarea a căldurii simultan cu producerea ei icircn procesul de priză producacircndu-se şi o răcire pacircnă la temperatura necesară Pentru răcire se folosesc conducte de oţel cu diametre de 1525 mm montate la distanţe de 1223 m icircn plan orizontal şi de 153 m icircn plan vertical Lungimea conductelor icircntr-un m3 de beton este de 0204 şi a fiecărei serpentine de 140250 m
Debitul apei de răcire ce circulă prin 1 m3 de beton este de (0553) dm3h
Figura 422 Fig 522 Reţea de conducte de răcire a betonului icircn secţiunea unui baraj 1 - galerie pentru măsurători 2 - galerie de conducte de apă de răcire
Serpentinele se montează şi se fixează pe suprafaţă de beton (fig522) Capetele serpentinelor se leagă de o coloană verticală prin mufe metalice sau de cauciuc Diametrul distribuitorului şi al coloanei este cuprins icircntre 150200 mm După montaj aceste conducte se verifică la presiunea de lucru
1 2
Ax
a
ba
raju
lui
Izolaţii termice
5
120 1214 1430 459623 539994
130 1256 1488 519064 615342
140 1298 1540 583947 692783
150 1343 1593 653016 774110
160 1386 1647 724178 858130
170 1428 1680 797433 946036
180 1472 1756 872781 1042310
190 1515 1808 954408 1138592
200 1558 1861 1036035 1239560
210 1600 1919 1121848 1347892
220 1642 1971 1213521 1454635
230 1686 2024 1301846 1565564
240 1730 2070 1393938 1674400
250 1773 2128 1496495 1799980
i [Wm2middotgrd] - coeficientul de convecție perete - aer interior - pentru incintele răcite icircn funcție de amplasarea și tipul peretelui valorile coeficientului
αi [Wm2grd] sunt prezentate icircn Tabelul 11
i
i [m2middotgrdW] - suma rezistențelor termice ale straturilor componente ale peretelui icircn
afara stratului de izolație termică
- ti te [ordmC] - temperatura aerului interior respectiv exterior
Rezultă grosimea stratului de izolație termică
e
1
3
1
q
tt 3
1
1
ip
eiiziz [m] (12)
Grosimea stratului de izolație termică se standardizează pentru fiecare material icircn parte
Cu noua valoare a grosimii stratului de izolație termică se recalculează densitatea de flux termic qp [Wm2]
Pentru incintele răcite valorile recomandate pentru pătrunderea de căldură (densitatea de flux termic) depind de temperatura aerului interior din spațiul răcit de mărimea și destinația spațiului respectiv
114 Calculul grosimii izolației termice pentru o valoare dată a coeficientului total de transfer de căldură
Cu notațiile din Figura 11 și Figura 12 coeficientul total de transfer de căldură se calculează cu relația
iiz
iz
i
i
e
11
1k
[Wm2middotgrd] (13)
Rezultă grosimea stratului de izolație termică
ii
i
eiziz
11
k
1 [m] (14)
Grosimea stratului de izolație calculată se standardizează pentru fiecare perete și material icircn parte
Izolaţii termice
6
Cu noua valoare a grosimii stratului de izolație termică se recalculează coeficientul total de transfer de căldură k
Icircn calculele practice se poate adopta o valoare a coeficientului total de transfer de căldură k = (02hellip05) Wm2middotgrd pentru pereți și tavan (pereți izolați cu polistiren expandat) și k = (03hellip07) Wm2middotgrd pentru pardoseală (perete izolat cu plută)
Pentru un calcul rapid se pot adopta următoarele valori ale coeficientului total de transfer de căldură funcție de diferența de temperatură ∆t = te - ti (Tabelul 13)
Tabelul 13 Valori ale coeficientului total de transfer de căldură funcție de ∆t
∆t [grd] 50hellip35 35hellip30 30hellip25 25hellip30 20hellip15 15hellip10 10
k [Wm2middotgrd] 023hellip035 040 045 052 058 063 070
Pentru diverse elemente izolate ale incintelor răcite valorile coeficientului total de transfer de căldură sunt indicate icircn Tabelul 14 Tabelul 15 Tabelul 16 Tabelul 17
Tabelul 14 Valori ale coeficientului total de transfer de căldură pentru pereți exteriori
Temperatura aerului din incinta răcită ti [ordmC]
k [Wm2middotgrd]
zona nordică zona medie
zona sudică
-30hellip-18 032 025 023
-10 040 035 029
-4 046 040 035
0 052 046 040
4 065 058 049
12 078 070 058
Tabelul 15 Valori ale coeficientului total de transfer de căldură pentru pereți interiori
Temperatura aerului din incinta răcită ti [ordmC]
k [Wm2grd
zona nordică zona medie zona sudică
a b a b a b
-30hellip-18 029 028 025 023 021 020
-10 037 035 031 029 025 020
-4 043 039 037 035 031 029
0 048 045 042 039 036 033
4 058 053 052 049 044 041
Obs a) acoperiș cu pod b) acoperiș fără pod
Tabelul 16 Valori ale coeficientului total de transfer de căldură funcție de destinația incintei răcite
Incinta răcită Tempaerului ti [ordmC] k [Wm2middotgrd]
Camera de congelare -23hellip-35 035
Depozit produse congelate
-18hellip-25 041
Depozit produse refrigerate
0 052
4 070
12 092
Tabelul 17 Valori ale coeficientului total de transfer de căldură funcție de poziția peretelui
Poziția peretelui k [Wm2middotgrd]
Perete icircntre două depozite de produse congelate
052
Perete icircntre două depozite de produse refrigerate
058
Izolaţii termice
7
Perete icircntre camere de congelare și depozite de produse congelate
046
Perete icircntre camere de congelare și depozite de produse refrigerate
035
Perete icircntre un depozit de produse congelare și un depozit de produse congelate
046
Pentru diverse construcții cu pereți executați din panouri mari de beton valorile coeficientului total de transfer de căldură sunt prezentate icircn Tabelul 18
Tabelul 18 Valori ale coeficientului total de transfer de căldură pentru pereți executați din panouri mari de beton
Material Greutate specifica ρ [kgm2]
Grosime perete δ [mm]
k [Wm2 middotK]
Perete interior
Perete exterior
Panouri mari icircn strat omogen tencuiți interior și exterior
1300 260 15119 13491
1350 300 14537 13142
Panouri mari icircn trei straturi avacircnd la interior și exterior beton armat iar la mijloc termoizolație
- plăci semirigide din vată minerală
1600 200 13374 12095
- sticlă spongioasă 1450 220 12793 11630
- plută minerală 1600 200 12793 11630
12 Izolarea termică a pereților cilindrici
Calculul termic al sistemelor de conducte reprezintă un caz particular al transferului de căldură icircntre două fluide despărțite de un perete format din unul sau mai multe straturi Icircn functie de temperatura fluidului transportat se deosebesc două categorii de conducte izolate termic
conducte care transportă fluide calde (Figura 13) la care izolația termică are drept scop reducerea pierderilor de căldură și de temperatură icircn mediul ambiant și asigurarea unor temperaturi pe suprafața exterioară icircn conformitate cu normele de protecție a muncii
conducte care transportă fluide reci (Figura 14) la care izolația termică are drept scop micșorarea absorbției de căldură din mediul ambiant și evitarea condensării umiditătii din aer pe suprafața conductelor
Figura 13 Variatia temperaturii icircn peretele conductelor care transportă fluide calde
r [mm]
iz sp p
tf f
tp1
te e
t
[oC]
di
de
diz
dsp
tp2
tp3 tp4
ФL
Izolaţii termice
8
Figura 14 Variatia temperaturii icircn peretele conductelor care transportă fluide reci
121 Calculul grosimii izolației termice pentru un flux termic liniar cunoscut (condiții la limită de speța a II-a)
Se consideră o conductă cu un strat de izolație de bază și un strat protector (Figura 13 pentru conducte care transportă fluide calde și Figura 14 pentru conducte care transportă fluide reci) Icircn vederea calculării grosimii izolației termice sunt necesare următoarele date
amplasarea conductei și temperatura mediului ambiant te [ordmC]
dimensiunile conductei di și de [m]
temperatura fluidului transportat tf [ordmC]
construcția și materialul izolației termice iz [WmK]
modul de susținere a conductei armăturile și compensatoarele de dilatație Fluxul termic liniar (unitar) transmis prin conducta izolată se calculează cu relația
LeLspLizLpLi
efL
RRRRR
tt
[Wm] (15)
unde
rezistența superficială liniară a fluidului transportat este
RLi = iid
1
[mmiddotgrdW] (16)
Rezistența superficială liniară RLi se ia icircn calcule icircn următoarele cazuri
- la diametre ale conductei di lt 50 mm dacă i lt 150 Wm2middotgrd
- la diametre ale conductei 50 lt di lt 500 mm dacă i lt 120 Wm2middotgrd
- la diametre ale conductei di gt 500 mm dacă i lt 90 Wm2middotgrd
Pentru unele fluide (abur supraicircncălzit de icircnaltă presiune abur saturat apă agenți frigorifici uleiuri) rezistența superficială RLi se poate neglija reprezentacircnd sub 1 din rezistența totală
rezistența termică liniară a peretelui conductei este
r [mm]
iz sp p
tff
tp1
tee
t
[oC]
di
de
diz
dsp
tp2
tp3
tp4 ФL
Izolaţii termice
9
RLp = id
edln
p2
1
[mmiddotgrdW] (17)
Pentru conductele metalice conductivitatea termică a materialului are valori ridicate ( gt 15 WmmiddotK) din care cauză rezistența termică RLp poate fi neglijată reprezentacircnd sub 1 din rezistența totală
rezistența termică liniară a stratului de izolație este
RLiz = ei
iz
iz d
d
2
1ln
[mmiddotgrdW] (18)
rezistența termică liniară a stratului protector este
RLsp = izi
sp
sp d
d
2
1ln
[mmiddotgrdW] (19)
Icircn general stratul protector este realizat sub forma unui inveliș metalic (tablă vopsită tablă zincată tablă din aluminiu) sau sub forma unui strat de tencuială cu grosimi de (10hellip20) mm Icircn Tabelul 19 este indicată conductivitatea termică λsp [WmmiddotK] pentru cacircteva materiale utilizate la realizarea stratului protector
Tabelul 19 Conductivitatea termică λsp
Material ρ [kgm3] λsp [WmmiddotK]
Ciment și gips 900hellip1000 023 la 50ordmC
Pastă bituminoasă și mastic asfaltos
1000hellip1150 030 la 50ordmC
Ciment 1600hellip1900 029 la 50ordmC
Strat anticoroziv 1000hellip1100 017hellip023 la 50ordmC
Icircn cazul icircnvelisului metalic rezistența termică RLsp poate fi neglijată
Icircn cazul stratului de tencuială rezistența termică RLsp reprezintă pacircnă la 20 din rezistența totală
rezistența superficială liniară a mediului ambiant este
RLe = espid
1
[mmiddotgrdW] (110)
Rezistența superficială liniară a mediului ambiant funcție de diametrul conductei și de amplasarea acesteia este data icircn Tabelul 110
Pentru calcule exacte valorile coeficientului de convecție la contactul intre stratul protector și mediu ambiant icircn funcție de amplasarea conductei sunt prezentate icircn Tabelul 111
Rezultă rezistența termică a stratului de izolație
e
iz
izLeLspLpLi
L
efLiz
d
d
2
1RRRR
Q
ttR ln
[mmiddotgrdW] (111)
Grosimea stratului de izolație termică
LeLpLi
L
efiz
e
iz RRRQ
tt2
d
d
ln [m] (112)
de unde
Izolaţii termice
10
1
d
dd50
e
izeiz [m] (113)
Tabelul 110 Rezistența superficială liniară a mediului ambiant
Dn [mm]
Conducte icircn icircncăperi Conducte icircn aer liber cu coeficient mic de
radiație a icircnvelișului cu coeficient mare de radiație a icircnvelișului
Temperatura fluidului transportat tf [ordmC]
100 300 500 100 300 500 100 300 500
32 050 035 030 033 022 017 012 009 007
40 045 030 025 029 020 015 010 007 005
50 040 025 020 025 017 013 009 006 004
100 025 019 015 015 011 010 007 005 004
125 021 017 013 013 010 009 005 004 003
150 018 015 011 012 009 008 005 004 003
200 016 013 010 010 008 007 004 003 003
250 013 010 009 009 007 006 003 003 002
300 011 009 008 008 007 006 003 002 002
350 010 008 007 007 006 005 003 002 002
400 009 007 006 006 005 004 002 002 002
500 0075 0065 006 005 0045 004 002 002 0016
600 0062 0055 005 0043 0038 0035 0017 0015 0014
700 0055 0051 0045 0038 0035 0032 0015 0013 0012
800 0048 0045 0042 0034 0031 0029 0013 0012 0011
900 0044 0041 0038 0031 0028 0026 0012 0011 0010
1000 0040 0037 0034 0028 0026 0024 0011 0010 0009
2000 0022 0020 0017 0015 0014 0013 0006 0006 0005
Observatii
Pentru temperaturi ale fluidului transportat tf lt 100ordmC se aleg valorile pentru tf = 100ordmC
Invelișurile cu coeficient mic de radiație sunt executate din tablă zincată tablă din aliaje de aluminiu și aluminiu oxidat tablă vopsită cu lacuri din aluminiu
Invelișurile cu coeficient mare de radiație sunt executate din tencuială plăci de sticlă diverse vopsele (exclusive din aluminiu)
Grosimea stratului de izolație termică se standardizează funcție de materialul ales
Tinacircnd seama de stratul protector din ciment și paste bituminoase cu diverse grosimi se calculează grosimea reală a stratului de izolație cu coeficientul de corecție ∆[mm] cu valori date icircn Tabelul 112
Tabelul 111 Valorile coeficientului de convecție la contactul intre stratul protector și mediu ambiant
Amplasarea conductei
Icircn icircncăperi Icircn aer liber la viteza
vacircntului w [ms] cu coeficient mic de radiație a icircnvelișului
cu coeficient mare de radiație a icircnvelișului
5 10 15
orizontală 6 10 20 25 35
verticală 7 11 25 35 50
Observatie Icircn absența datelor privind viteza vacircntului se admite w = 10 ms
Tabelul 112 Coeficientul de corecție ∆[mm]
δsp [mm]
λiz [WmmiddotK] 007 008 009 010 011 012
Izolaţii termice
11
10 2 2 2 3 3 3
15 3 3 4 4 5 5
20 4 4 5 6 6 7
La alegerea grosimii stratului de izolație termică trebuie să se țină seama și de tasarea materialului prin coeficientul de tasare Kt definit ca raportul dintre volumul construcției termoizolate icircn funcțiune și volumul contrucției la montaj Se recomandă Kt gt 1 pentru a preveni deprecierea izolației termice
Pentru cacircteva materiale termoizolatoare valorile coeficientului de tasare sunt recomandate icircn Tabelul 113
Tabelul 113 Valorile coeficientului de tasare Kt
Material Kt
Saltele din vată minerală perforată 12hellip13
Saltele din vată de sticlă cu legătură sintetică 16
Saltele și plăci din vată minerală moale cu legătură sintetică
15
Plăci semirigide din vată minerală cu legătură sintetică 12
Plăci semirigide din vată de sticlă cu legătură sintetică 115
Plăci moi din vată minerală cu legătură din bitum 15
Plăci semirigide din vată minerală cu legătură din bitum 12
Grosimea stratului de izolație termică la montaj va fi
ize
izetizo
2d
dK
[m] (114)
Valorile fluxului termic liniar (unitar) ФL [Wm] icircn funcție de diametrul exterior al conductei neizolate de [m] temperature fluidului transportat tf [ ordmC] și de amplasarea conductei sunt prezentate icircn Tabelul 114
Tabelul 114 Valorile fluxului termic liniar
de [mm]
tf [ ordmC]
80 100 180 200 250
a b a b a b a b a b
10 8 13 21 24 35 37 48 49 62 60
20 12 15 27 31 43 47 58 63 74 79
32 14 17 33 36 50 53 67 72 86 90
48 15 21 36 42 57 62 76 84 98 105
57 16 24 37 47 62 67 81 91 105 112
76 17 29 43 52 67 77 91 100 115 126
89 19 33 45 58 72 83 95 108 122 133
108 26 36 52 64 79 90 105 117 131 145
133 31 41 62 70 88 99 117 129 140 158
159 36 44 70 76 98 109 130 140 163 172
194 41 49 77 85 108 120 144 151 178 188
219 46 53 81 91 116 128 154 163 192 204
273 49 62 91 101 129 145 170 186 213 230
325 52 70 99 116 142 163 186 209 233 256
377 58 82 107 133 152 181 204 231 254 279
426 62 95 114 149 163 201 221 254 273 302
478 70 104 127 158 180 215 238 273 294 326
529 77 110 140 169 198 228 256 285 314 349
630 95 121 163 186 227 254 294 320 364 384
Izolaţii termice
12
720 110 134 186 205 256 277 326 345 395 416
830 128 157 209 233 291 309 366 384 442 463
920 157 180 238 262 320 344 401 430 483 512
1020 174 209 262 297 349 384 430 473 523 564
Observatii
a-conducte izolate amplasate icircn icircncăperi și canale cu temperatura medie a aerului te = (20hellip30) ordmC
b-conducte izolate amplasate icircn aer liber cu temperatura medie te = (0hellip15) ordmC și conducte subterane amplasate icircn canale nevizitabile cu temperatura medie a solului te = 5 ordmC
Fluxul termic total transmis prin suprafața conductei izolate va fi
Ф=ФLmiddotLC [W] (115)
unde
Lc [m] este lungimea de calcul (echivalentă) a conductei se calculează cu relația
Lc = KmiddotL+l [m] (116)
K - coefficient ce ține seama de pierderile suplimentare de căldură prin elementele de susținere a conductei (Tabelul 115)
L [m] - lungimea conductei
l [m] - lungimea de conductă izolată care echivalează pierderile de căldură prin armăturile de icircnchidere (vane ventile Tabelul 116 și prin icircmbinări (pentru icircmbinări cu flanșe se recomandă l = 1hellip15 m)
Tabelul 115 Valorile coeficientului K
Modul de susținere a conductei
Coeficientul K conducte amplasate icircn
icircncăperi conducte amplasate icircn
aer liber
prin agățare 110 115
prin rezemare 115 125
Tabelul 116 Lungimea de conductă izolată care echivalează pierderile de căldură prin armăturile de icircnchidere
di [mm]
Conducte icircn icircncăperi Conducte icircn aer liber
tf = 100 ordmC
tf = 400 ordmC tf = 100 ordmC tf = 400 ordmC
100 25 50 45 60
500 30 75 60 85
Dacă lungimea conductei nu este cunoscută se mărește valoarea coeficientului K astfel
pentru conducte amplasate icircn icircncăperi K = 12
pentru conducte amplasate icircn aer liberi K = 125
122 Calculul grosimii izolației termice pentru o temperatură dată pe suprafața acesteia
Normele de protecție a muncii impun temperatura pe suprafața exterioară a conductei izolate egală cu 50 ordmC pentru stratul protector din tencuială și 55 ordmC pentru stratul protector metalicTemperatura de 60 ordmC este limita maxima admisibilă peste care apare accidentarea prin arsură a personalului de exploatare
Conform notațiilor din Figura 13 (conductă care transportă fluide calde) fluxul termic liniar (unitar) se calculează cu relația
Izolaţii termice
13
e4pspeLpLizLspLi
4piL ttd
RRRR
tt
[Wm] (117)
Rezistențele termice RLi și RLp pot fi neglijate
Grosimea stratului de izolație termică se calculează icircn două etape
se neglijează rezistența termică a stratului protector RLsp = 0 și rezultă
24pee
4piiz
e
iz
e
iz
ttd
tt2
d
d
d
d
ln (118)
Ecuație de forma xmiddotlnx = const (x = dizde) rezolvarea ei făcacircndu-se grafic sau prin icircncercări
Rezultă
1
d
dd50
e
izeiz [m] (119)
ținacircnd seama de stratul protector se calculează grosimea reală a stratului de izolație termică cu coeficientul de corecție ∆ [mm] (Tabelul 112)
δizrsquo = δiz - ∆ [mm] (120)
Se calculează fluxul termic liniar (unitar) ΦL [Wm] și apoi modificacircnd grosimea stratului de izolație se verifică temperatura impusă tp4 [ ordmC]
Determinarea necesarului de căldură și apă caldă pentru un imobil
14
2 Determinarea necesarului de căldură și apă caldă pentru un imobil
Casa este situata icircn judetul Galati orasul Galati icircn partea de nord a orasului Este amplasata pe un teren cu suprafata de 300mp ea icircn sine avand o amprenta la sol de 123mp
Orasul Galati se situeaza icircn zona climatica numarul II Conform standardului ldquoSR1907 - 1 - 2014rdquo temperatura de referinta pentru aceasta zona este de -15 degC
Icircn figura de mai jos este reprezentat imobilul ce va trebui incalzit Este desenat icircn programul Archicad și prezinta urmatoarele vederi
Figura 21 Planul casei cu dimensiuni și orientare dupa punctele cardinala
Determinarea necesarului de căldură și apă caldă pentru un imobil
15
Figura 22
Figura 23 Vedere fata Nord
Determinarea necesarului de căldură și apă caldă pentru un imobil
16
Figura 24 Vedere fata Sud
Figura 25 Vdere fata Est
Determinarea necesarului de căldură și apă caldă pentru un imobil
17
Figura 26 Vedere fata Vest
Figura 27 Vedere de ansamblu
Determinarea necesarului de căldură și apă caldă pentru un imobil
18
Dimensiunile casei și a incaperilor sunt afisate icircn tabelul urmator
Incapere Suprafata mp
1 Hol intrare+ Living + Hol 3353
2 Dormitor mare 1804
3 Dromitor mic 12
4 Bucatarie 112
5 Baie mare 48
6 Baie mica 475
7 Camera tehnica 72
Total suprafata 9152
Total perimetru casa 444 m
21 22 Determinarea necesarului de căldură și apă caldă menajeră pentru imobil
Pentru studiul necesarului de flux termic este nevoie sa cunoastem posibilele pierderi de căldura cat si modul de utilizare al acesteia Ecuatia generala a bilantului termic ce se foloseste icircn calcularea fluxului de căldura
Q = Q1+ Q2+ Q3 [W]
Q1- fluxul de căldura pierdut prin transmisie
Q2- fluxul de căldura necesar incalzirii aerului ventilat
Q3- fluxul de căldura necesar prepararii apei calde
Fluxul termic pierdut prin transmisie este distribuit intre elementele constructive ale casei si anume Q11 - pereti Q12 - podea Q13 - tavan Q14 - geamuri
Q1= Q11+ Q12+ Q13+ Q14 [W]
Formula care se utilizeaza icircn calculul pentru fiecare fux termic icircn parte este comuna celor patru elemente
Q1i= Si middot Ki middot (tint - text) [W]
Unde Si - suprafata totala calculata a fiecarui element icircn parte se iau icircn considerare doar elementele care au legatura cu exteriorul [m2] ki - coeficientul global de transfer termic specific fiecarui element icircn parte [Wm2C] tint - temperatura din interiorul imobilului [degC] text - temperatura exterioara Icircn cazul podelei de utilizeaza temperatura solului șisau a pivnitei [degC]
Coeficientul global de transfer termic se calculeaza dupa formula
ki = 120783
120783
120514119842 + sum
120517119842
120524119842+
120783
120514119838119847119843=119842
[Wm2C]
Unde αi = coeficientul de transfer convectiv din interior αi = 8 Wm2C αe = coeficientul de transfer termic convective din exterior αe = 20 Wm2C λi - conductivitatea termica a stratului i pe care il aflam din fisa tehnica am materialului stratului respectiv [WmmiddotK] δi- grosimea stratului I [m]
Temperatura ce trebuie mentinuta icircn interiorul imobilului este de 22 degC
Coeficentul de convectie termica αi = 8
211 Mers de calcul pentru Q1
Q11 - flux termic pierdut prin pereti
Specificatii perete exeterior
Tencuiala δ 0025 m Grosime
Determinarea necesarului de căldură și apă caldă pentru un imobil
19
interioara λ 093 WmmiddotK Conductivitate termica
Rt 0026882 m2middotKW Rezistenta termica
Zidarie BCA δ 03 m Grosime
λ 014 WmmiddotK Conductivitate termica
Rt 2142857 m2middotKW Rezistenta termica
Tencuioala exterioara
δ 0025 m Grosime
λ 093 WmmiddotK Conductivitate termica
Rt 0026882 m2middotKW Rezistenta termica
Vata bazaltica δ 01 m Grosime
λ 0037 WmmiddotK Conductivitate termica
Rt 2702703 m2middotKW Rezistenta termica
Placa fibrocement
δ 001 m Grosime
λ 02 WmmiddotK Conductivitate termica
Rt 005 m2middotKW Rezistenta termica
Tencuiala decorativa
δ 0005 m Grosime
λ 093 WmmiddotK Conductivitate termica
Rt 0005376 m2middotKW Rezistenta termica
K11 = 1
1
120572119894+
1205751
1205821+
1205752
1205822+
1205753
1205823+
1205754
1205824+
1205755
1205825+
1205756
1205826+
1
120572119890 =
11
8 +
0025
093+
03
014+
0025
093+
01
0037+
001
02+
0005
093+
1
22
K11 = 0194943188 Wm2C
S11 = h middot lp = 3 middot 3901 = 11703 m2
h - inaltimea peretelui [m]
lp - lungimea perimetrala a peretelui [m] (din care s-au scazut suprafetele vitrate)
Δt = ti - te = 22 + 15 = 37degC
ti - temperatura interioara
te - temperatura exterior
Q11 = K11 middot S11 middot Δt = 0194943188 middot 11703 middot 37 = 8441254483 W
Perete exterior
ti 22 degC αi 8 Wm2 k
te -15 degC αe 22 Wm2 k
δ1 0025 m λ1 093 Wmk tp1 2109758812 degC
δ2 03 m λ2 014 Wmk tp2 2090352105 degC
δ3 0025 m λ3 093 Wmk tp3 5433603161 degC
δ4 01 m λ4 0037 Wmk tp4 523953609 degC
δ5 001 m λ5 02 Wmk tp5 -1427207206 degC
δ6 0005 m λ6 093 Wmk tp6 -1463303681 degC
tp7 -1467185023 degC
q 7219295 W
Determinarea necesarului de căldură și apă caldă pentru un imobil
20
Figura 28
Q12 - fluxul termic pierdut prin podea
Specificatii podea
Placa fibrocement
δ 001 m Grosime
λ 02 WmmiddotK Conductivitate termica
Rt 005 m2middotKW Rezistenta termica
Sapa δ 01 m Grosime
λ 0035 WmmiddotK Conductivitate termica
Rt 2857143 m2middotKW Rezistenta termica
Polistiren extrudat
δ 005 m Grosime
λ 0033 WmmiddotK Conductivitate termica
Rt 1515152 m2middotKW Rezistenta termica
K12 = 1
1
120572119894+
1205751
1205821+
1205752
1205822+
1205753
1205823+
1
120572119890 =
11
8 +
001
02+
01
0035 +
005
0033+
1
0
= 0219911 Wm2C
S12 - amprenta la sol a casei = 12296 m2
Δt = ti - te = 22 - 15 = 7degC
Temperature pentru podea este de 15degC
Q12 = K12 middot S12 middot Δt = 0219911 middot 12296 middot 7 = 1892818 W
Podea
ti 22 degC Αi 8 Wm2 k
te 15 degC Αe 0 Wm2 k
δ1 001 m λ1 02 Wmk tp1 2180757789 degC
Determinarea necesarului de căldură și apă caldă pentru un imobil
21
δ2 01 m λ2 0035 Wmk tp2 2173060904 degC
δ3 005 m λ3 0033 Wmk tp3 1733238927 degC
δ4 m λ4 Wmk tp4 15 degC
δ5 m λ5 Wmk tp5 degC
δ6 m λ6 Wmk tp6 degC
tp7 degC
q 1539377 W
Figura 29
Q13 - fluxul termic pierdut prin tavan
Specificatii tavan
Tencuiala δ 002 m Grosime
λ 093 WmmiddotK Conductivitate termica
Rt 0021505 m2middotKW Rezistenta termica
Placa beton armat
δ 013 m Grosime
λ 174 WmmiddotK Conductivitate termica
Rt 0074713 m2middotKW Rezistenta termica
Sapa δ 003 m Grosime
λ 026 WmmiddotK Conductivitate termica
Rt 0115385 m2middotKW Rezistenta termica
Vata bazaltica δ 015 m Grosime
λ 0037 WmmiddotK Conductivitate termica
Determinarea necesarului de căldură și apă caldă pentru un imobil
22
Rt 4054054 m2middotKW Rezistenta termica
Placa nivelanta δ 002 m Grosime
λ 026 WmmiddotK Conductivitate termica
Rt 0076923 m2middotKW Rezistenta termica
K13 = 1
1
120572119894+
1205751
1205821+
1205752
1205822+
1205753
1205823+
1205754
1205824+
1205755
1205825 +
1
120572119890 =
11
8+
002
093+
013
174+
003
026+
015
0037+
002
026+
1
22
K13 = 0219736 Wm2C
S13 = S12 = 12296 m2
Δt = ti - te = 22 + 15 = 37degC
Q13 = K13 middot S13 middot Δt = 0219736 middot 12296 middot 37 = 1000 W
Tavan
ti 22 degC αi 8 Wm2 k
te -15 degC αe 22 Wm2 k
δ1 002 m λ1 093 Wm k tp1 209751906 degC
δ2 013 m λ2 174 Wm k tp2 207988793 degC
δ3 003 m λ3 026 Wm k tp3 2018634954 degC
δ4 015 m λ4 0037 Wm k tp4 1924037163 degC
δ5 002 m λ5 026 Wm k tp5 -1399669009 degC
δ6 m λ6 Wm k tp6 -1462734204 degC
tp7 degC
q 8198475 W
Determinarea necesarului de căldură și apă caldă pentru un imobil
23
Figura 210
Q14 - fluxul temic pierdut prin suprafetele vitrate
Am ales un geam temopan cu trei randuri de sticla și cu tamplarie de lemn
K14 = 06 Wm2C
S14 = 2728 m2 suprafata ocupata de geamuri
Δt = ti - te = 22 + 15 = 37degC
Q14 = K14 middot S14 middot Δt = 06 middot 2728 middot 37 = 605616 W
Fereastra
ti 22 degC αi 8 Wmpk
te -15 degC αe 22 Wmpk
δ1 0005 m λ1 075 Wmk tp1 1992074356 degC
δ2 0018 m λ2 00177 Wmk tp2 1980984988 degC
δ3 0005 m λ3 075 Wmk tp3 2893865242 degC
δ4 0018 m λ4 00177 Wmk tp4 2782971565 degC
δ5 0005 m λ5 075 Wmk tp5 -1413301307 degC
δ6 m λ6 Wmk tp6 -1424390675 degC
tp7 degC
q 1663405 W
Determinarea necesarului de căldură și apă caldă pentru un imobil
24
Figura 211
Q1 = Q11 + Q12 + Q13 + Q14 = 8441254483 + 1892818 + 1000 + 605616
Q1 = 263871712 W
212 Mers de calcul pentru Q2
Q2 = n middot Q1
n - numarul de schimburi (07 08 1)
Q1 - fluxul de căldura pierdut prin transmisie
Q2 = 1 middot 263871712 =gt Q2 = 263871712 W
213 Mers de calcul pentru Q3
Q3 = 119898 middot119862119908 middot(119905119887minus119905119903)
120591 middot3600 [kW]
m - cantitatea de apa calda preparata [Kg]
m = n middot czn middot ρ [Kg]
ρ = 1000 Kgm3- densitatea apei [Kgm3] n = 4 - numarul de locatari =gt n
czn - consumul zilnic de persoana [l] gtgtgt czn = l middot 1000 = m3
Un consum de acm specific unui nivel de confort mediu la o temperature de 45degC vom avea un czn = 50 l de persoana
cw - căldura specifica a apei [KJKgC] =gt cw = 4186 KJKgmiddotC
tb - temperatura apei din boiler [C] =gt tb = 50degC
tr - temperatura apei de intrare [C] =gt tr = 10degC
Icircn general avem vara tr = 1217degC iar iarna tr = 5hellip10degC
120591 - timpul icircn care este incalzita apa [h] =gt 120591 = 4h
m = 4 middot (50 middot 1000) middot 1000 m = 200 Kg
Q3 = 200 ∙4186 ∙(50 ∙10)
4 ∙3600 =gt Q3 = 2325555556 W
Q = Q1 + Q2 + Q3 = 263871712 + 263871712 + 2325555556
Q = 7602989795 W =gt Q = 76 KW
Calculul necesarului de frig pentru depozit de fructe
25
3 Calculul necesarului de frig pentru depozit de fructe
31 31 Calculul grosimii izolatiilor
Regimul de funcţionare al spaţiilor frigorifice caracterizat prin valori coboracircte ale temperaturilor prin variaţia rapidă a acestora şi prin umiditatea mare a aerului icircncăperilor impune pentru izolaţiile termice ale pereţilor planşeelor şi pardoselilor condiţii deosebite Pereţii spaţiilor frigorifice despart două medii cu temperaturi diferite Fluxul de căldură ce pătrunde din exterior icircn camere care trebuie preluat de instalaţia frigorifică este direct proporţional cu diferenţa de temperatură dintre cele două feţe ale peretelui şi cu coeficientul global de transmitere a căldurii Izolarea se execută la spaţiile răcite atacirct la pereţi cacirct şi la tavan şi podea şi are ca rol icircmpiedicarea apariţiei condensului pe suprafaţa caldă a pereţilor incintelor frigorifice
Figura 31 Fig13 Variaţia de temperatură prin peretele termoizolant
Din exploatarea frigoriferelor se cunoaşte că prin icircnvelişul exterior al spaţiilor frigorifice trece icircn majoritatea cazurilor mai mult de jumătate din cantitatea totală de căldura ce pătrunde icircn icircncăperi Această cantitate de căldură se poate reduce prin majorarea grosimii stratului termoizolant Dar reducerea infiltraţiilor de căldură icircn acest tel nu se poate face nelimitat deoarece la o anumită grosime a stratului izolant adică la o anumită valoare a coeficientului k de transfer al căldurii costul construcţiei izolate va fi mai mare decacirct costul energiei ce reprezintă frigul economisit prin majorarea grosimii izolaţiei
De aceea se obişnuieşte a se folosi icircn calcule valori optime ale coeficientului k de transfer al căldurii calculacircndu-se astfel o grosime optimă a izolaţiei termice
Pentru izolarea pereţilor camerelor se vor folosi panouri tip sandwichFig15
Calculul necesarului de frig pentru depozit de fructe
26
Figura 32 Fig15 Construcţia panourilor de tip sandwich
Rolul panourilor plastifiate este de a preicircntacircmpina pătrunderea vaporilor icircn interiorul izolaţiei eliminacircnd necesitatea barierei de vapori Panourile folosesc metoda de icircmbinare nut-feder reducacircndu-se astfel transferul de căldură cu mediul extern
Deoarece avem un singur depozit vom adopta coeficienţii de transfer de căldură prin
convecţie funcţie de t
Aleg pentru t = = te - ti = 318 - 1 = 308 0C k = 023 Wm2K
Din catalogul de produse INCOLD Italia se alege poliuretan 100 mm = 0023 WmK
Tablă din oţel galvanizat plastifiat
Calculul necesarului de frig pentru depozit de fructe
27
Tabelul 317 Tabel24 Calculul grosimi izolației
ei
i
i
izizk
111
Coeficientul global de transfer de căldură se determină utilizand relaţia
eiz
iz
i
i
i
k
11
1
n
i i
i
1
- suma rezistenţelor termice ale tuturor straturilor din care este realizat
peretele[m2KW]
iz - grosimea stratului de izolaţie termică [m]
iz - conductivitatea termică a materialului izolator [WmK]
e - coeficient de convecţie pe partea exterioară a peretelui [WmK]
i - coeficient de convecţie pe partea interioară a peretelui [WmK]
32 32 Bilantul caloric al spatiului climatizat pe timp de vară Necesarul de frig pentru frigorifer
Se stabileşte consumul zilnic de frig pe icircntreg frigoriferul şi pentru fiecare icircncăpere icircn parte luacircndu-se icircn considerare cele mai nefavorabile condiţii de lucru
temperatura aerului exterior pentru luna cea mai caldă a anului
icircncărcarea maximă şi simultană a camerelor de refrigerare
Spaţiul frigorific
Perete k αi αe 1αi 1αe R 1k λiz
δiz
calc δiz
ales Kr
[Wm2K] [m2KW] [WmK] [m] [m]
N 0229 10 18 010 006 0590 4367 0023 0097 0100 023
E 0224 10 12 010 008 0618 4464 0023 0098 0100 023
DR S 0221 10 12 010 008 0618 4525 0023 0100 0100 023
V 0223 10 12 010 008 0618 4484 0023 0099 0100 023
T 0221 10 12 010 008 0618 4525 0023 0100 0100 023
P 0228 10 0 000 000 0435 4386 0023 0000 0100 023
N 0221 25 12 004 008 0558 4525 0023 0101 0100 023
E 0224 25 12 004 008 0558 4464 0023 0100 0100 023
CP S 0224 25 12 004 008 0558 4464 0023 0100 0100 023
V 0223 25 12 004 008 0558 4484 0023 0100 0100 023
T 0221 25 12 004 008 0558 4525 0023 0101 0100 023
P 0228 25 0 000 000 0435 4386 0023 0000 0100 023
Calculul necesarului de frig pentru depozit de fructe
28
camerele vecine celei căreia i se face calculul necesarului de frig sunt goale şi au temperatura vestibulului sau a sasului
Aceste calcule determină necesarul de frig pe categorii de consumatori grupaţi după temperatura cerută şi permit stabilirea puterilor frigorifice icircn vederea proiectării instalaţiei
Pentru calculele termice sunt necesare următoarele
planul frigoriferului care a fost stabilit
dimensiunile camerelor
temperaturile necesare icircn fiecare cameră
Se consideră
1degC icircn depozitele de refrigerate
orientarea frigoriferului după punctele cardinale
condiţii climatice icircn lunile cele mai călduroase pentru zona geografică respectivă
Consumul de frig se calculează pentru 24 ore cu relaţia
Qnec = Q1 + Q2 + Q3 + Q4 [kcal24h]
Q1 - neeesarul de frig pentru acoperirea pătrunderilor de căldură prin cenvecţie
conducţie şi radiaţie din mediul icircnconjurător prin pereţi pardosea și plafon
Q2 - necesarul de frig tehnologic pentru procesele de răcire refrigerere şi
congelare eliminarea căldurii de respiraţie seu pentru unele procese chimice şi
biochimice
Q3 - necesarul de frig pentru ventilarea camerelor frigorifice cu aer proaspat care
trebuie racit şi uscat
Q4 - necesarul de frig rezulticircnd din condiţii de exploatare acoperirea căldurii
provenite din iluminat din funcţionarea motoarelor căldura provenită de la persoanele ce
manipulează produsele datorită deschiderii uşilor etc
321 Consumul de frig Q1
Se determină pentru fiecare spaţiu icircn parte cu relaţia
RttkFQ1 [ W ]
F - reprezintă suprafaţa pereţilor a pardoselei şi a plafonului corespunzător fiecărui
spaţiu frigorific icircn parte icircn m2 Ca suprafaţă de transfer se va considera suprafaţa
exterioară a perimetrului izolat termic
k - reprezintă coeficientul global de transmitere a căldurii prin convecţie conducţie şi radiaţie
prin pereţi plafon şi pardoseală (toate izolate termic) icircn [W(m2 middot grd)] Valoarea coeficientului k a
fost calculată icircn tabelul 24 (kr)
Δt - reprezintă diferenţa de temperaturi dintre temperatura exterioară suprafeţei de
transfer termic considerată şi temperatura interioară spaţiului frigorific
Calculul necesarului de frig pentru depozit de fructe
29
Diferenţa de temperatură ΔtR se ia icircn consideraţie numai la pereţii exteriori şi la
plafoane care sunt şi acoperiş pentru clădire
ΔtR = 0degC pentru pereţi exteriori orientaţi spre N
ΔtR = (5 10)degC pentru pereţi exteriori orientaţi spre E V S-E S-V
ΔtR = 15 degC pentru pereţi exteriori orientaţi spre S
ΔtR = (15 18)degC pentru plafoane care sunt şi acoperiş (terasă)
Calculul valorilor mărimii sumQ1 se recomandă a se efectua tabelar conform tabelului 25
Valoarea mărimii sum Q1 la aparate se obţine prin icircnsumarea fluxurilor termice prin toate cele 6 suprafeţe delimitatoare
La stabilirea valorii mărimii sum Q1 se consideră doar unul dintre fluxurile termice prin suprafeţele ce separă spaţiile frigorifice vecine Pentru aparatele de răcire din spaţiile frigorifice se consideră situaţia cea mai grea pentru fiecare spaţiu icircn parte respectiv că spaţiile vecine nu sunt răcite
Spaţiul frigorifi
c
Perete
Dimensiuni
Supraf F
[m2]
Kr [Wm2K]
Δt [grd]
Δtr
Q1 [W] sumQ1 q a [m]
b [m]
N 15 4 60 023 308 42504
246068
708
E 7 4 28 023 308 8 24987 892
DR S 15 4 60 023 185 15 46202 770
V 7 4 28 023 308 19835 708
T 15 7 105 023 308 74382 708
P 15 7 105 023 158 38157 363
N 7 4 28 023 185 11914
133566
426
E 7 4 28 023 268 8 22411 800
CP S 7 4 28 023 268 15 26919 961
V 7 4 28 023 185 11914 426
T 7 7 49 023 268 30204 616
P 7 7 49 023 268 30204 616
Tabelul 318 Tebel25 Calculul valorilor mărimii Q1
322 Necesarul de frig Q2
sum Q2 - necesarul de frig tehnologic pentru procesele de răcire refrigerare şi
congelare
Q2d = mcp(tc-ti)=500003644 = 4186000(243600)= 842 kW
Q2c = 2600036419 = 1798160 = 208 KW
Q2 = 208 + 842 = 293 = 30kW
unde
Q2d - necesarul de frig tehnologic depozit
Q2c - necesarul de frig tehnologic camera de preracire
Calculul necesarului de frig pentru depozit de fructe
30
m - cantitatea de produse introduse icircn tunelul de congelare icircn kg
te ti - temperaturi specifice corespunzătoare temperaturii iniţiale a produsului cald
(24 ordmC) respectiv temperaturii finale a produsului refrigerat (1 ordmC)
Căldura specfifică mere cp = 364 [kJkgK]
323 Necesarul de frig Q3
Icircn funcţie de natura produselor din spaţiul frigorific este necesar uneori să se realizeze ventilarea spaţiului prin asigurarea unui anumit număr de schimburi ale aerului din incintă icircn 24h Ca exemplu icircntotdeauna va fi necesară ventilarea prin introducere de aer proaspăt icircn spaţiile de păstrare pentru legume fructe şi ouă refrigerate Aceste produse vii respiră icircn timpul păstrării şi necesită icircn consecinţă ventilarea spaţiilor de păstrare
Acest consum de frig se ia icircn considerare doar la depozitele de refrigerare care se ventilează Se stabilește cu relația
Q3 = V ∙ a ∙ ᵖi ∙ (hex - hi) [kJ24]
V - volumul camerelor ventilateicircn m3
a = 24 schimburi pe zi pentru depozitele de mere
ᵖi - reprezintă densitatea aerului la temperature interioară icircn kgm3
Pentru depozitele de refrigerare considerăm umiditatea relativă ᵠi = 95 și ti=1 ordmC
rezultacircnd icircn acest caz hi= 9 kJkg
Parametri aerului exterior pentru zona icircn care este amplasat depozitul sunt temp ex 318
și umiditatea ext 60 rezultand din diagram mollier entalpia aerului Calcul facut icircn
programul Coolpack
ρi = 12 kgm3
hex = 7519 kJkg
Q3 = 616 2 12 (7519 - 9) (243600)= 00025 kW
324 Necesarul de frig Q4
Q4 - frigul consumat pentru acoperirea pierderilor icircn timpul exploatarii datorat deschiderii
usilor a corpurilor de iluminat a motoarelor electrice a oamenilor Se admite Q4 =
(01hellip04)Q1
Q4 = 02 379617 = 759234 = 008 kW
Qtotal = sum 119824120783 + Q2 + Q3 + Q4 = 004 + 30 + 000025 + 008 = 3012 = 31 kW
33 33 Stabilirea directiei raportului de termoumiditate și trasarea procesului de conditionare a aerului pe diagrama i-X pe timp de vară
Icircn fig16 este reprezentat un agregat pentru condiţionarea aerului pe timp de vară cu recirculare parţială
Calculul necesarului de frig pentru depozit de fructe
31
Figura 33 Figura16 Schema aparatului de condiţionare a aerului pe timp de vară cu recirculare parţială
F - filtru V - vaporizator C - compressor K - condensator VL - ventil de laminare I - icircncălzitor Vt - ventilator
Procesele de lucru pot fi reprezentate icircn diagrama h-x ca icircn figura următore
Figura 34 Fig17
A reprezintă starea aerului recirculat provenit din spaţiul condiţionat iar E este starea aerului exterior
Aerul tratat icircn aparatul de condiţionare care se introduce icircn incintă avacircnd starea B
trebuie să preia degajările de căldură Qv [kW] şi de umiditate Wv [kgs]
Direcţia procesului suferit de aer icircn incintă este dată de raportul de termoumidificare εv
= Qv Wv
Prin punctul A se trasează dreapta avacircnd raportul de termoumidificare εv iar punctul B se fixează pe această dreaptă adoptacircndu-se o anumită diferenţă de temperatură faţă de starea A
Aerul recirculat A se amestecă cu aerul proaspăt E şi rezultă starea de amestec M De regulă xM gt xB deci aerul va trebui să fie uscat
Pe verticala din B se fixează starea D avacircnd xD= xB şi ᵩD = 90hellip98
Calculul necesarului de frig pentru depozit de fructe
32
Se uneşte M cu D iar apoi se prelungeşte acest segment pacircnă la intersecţia cu ϕ = 100 rezultacircnd starea P avacircnd temperatura tp
Circulacircnd aerul cu starea M peste o suprafaţă rece avacircnd temperatura tp se va obţine procesul de răcire şi uscare MD
Temperatura suprafeţei tp se asigură cu o instalaţie frigorifică a cărei temperature de vaporizare va fi t0 lt tp
Ultimul proces din aparatul de condiţionare va fi icircncălzirea finală DB
Calculul agregatului de condiţionare a aerului pe timp de vară se efectuează asemănător cu cel a agregatului de condiţionare a aerului pe timp de iarnă cu observaţia că pe timp de vară nu este necesară umidificarea
331 Date
Vtotal = 616 m3 tint = 1ᵒC tex = 318 φint = 90 φext = 60 ρaer = 12 [kgm3]
Starea A
tA = ti + 3 = 4deg xA = 00043[kj
kg] φA = 86 hA = 1489[
kj
kg]
Starea B
tB = 1degC xB = 00036 [kj
kg] φB = 90 hB = 1024[
kj
kg]
Starea E
tE = 318degC xE = 00171[kj
kg] φE = 60 hE = 7519[
kj
kg]
Starea M
hM =hE + n ∙ hA
n + 1=
7513 + 20 ∙ 1489
21= 1775[
kj
kg]
xM =xE + n ∙ xA
n + 1=
00171 + 20 ∙ 00043
21= 00049[
kj
kg]
Rezulta din diagrama Mollier
Starea D
hD = 108 [kj
kg] xD = 0003[
kj
kg] φD = 97
Raportul de recirculare n = 20
Debitul de aer ventilat V =Vtotal∙20
24h=
616lowast20
24= 513 [m3h]
Debitul masic m = V ∙ ρaer = 513 lowast 12 =
6156[kg
h]
3600= 0171 [kgs]
tp = minus3degC t0 = tp minus 9degC = minus3 minus 9 = minus12degC
Puterea termica a vaporizatorului ( puterea frigorifică )
ФV = Ф0
Puterea termica a icircncalzitorului
ФI = 119898 ∙ (hB - hD)
Cantitatea de apa condensată icircn unitatea de timp pe suprafața de racire este
Calculul necesarului de frig pentru depozit de fructe
33
ẆV = 119898 ∙ (XM - XD)
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
34
4 Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
Există două domenii principale icircn care se utilizează frigul artificial icircn lucrările de construcţii şi anume
icircngheţarea terenurilor acvifere icircn vederea săpării puţurilor de mină a barajelor a depozitelor de gaze lichefiate etc
prerăcirea componentelor betonului icircn cazul executării unor masive de beton ca de exemplu baraje
41 51 IcircNGHEŢAREA SOLULUI
411 511 CONSIDERAŢII GENERALE PRIVIND IcircNGHEŢAREA SOLULUI
Icircngheţarea artificială a solului reprezintă una dintre cele mai interesante şi icircn acelaşi timp şi importante aplicaţii practice a frigului artificial Totodată este una dintre primele aplicaţii industriale a tehnicii frigului şi care a asigurat o dezvoltare deosebită a industriei extractive Aşa se explică faptul că odată apărută maşina frigorifică cu absorbţie realizată icircn 1859 de către Ferdinand Carre este folosită la săparea primului puţ de mină prin icircngheţarea artificială a rocilor Dar nu numai industria minieră foloseşte icircn ultimul secol procedeul consolidării rocilor la săpararea unor lucrări subterane Lucrări inginereşti de tot genul ca metrouri staţii subterane de pompare rezervoare de gaze lichefiate poduri lucrări portuare şi altele asemănătoare amplasate icircn zone acvifere au fost realizate prin metoda consolidării prin frig a rocilor
Această metodă a consolidării rocilor prin frig artificial realizează icircn jurul lucrării inginereşti subterane un perete icircngheţat protector pe durata lucrărilor de construcţii Acest perete asigură o izolare hidraulică şi icircn acelaşi timp şi o protecţie mecanică Rezistenţa mecanică a rocilor creşte pe măsură ce temperatura lor scade icircncacirct metoda expusă mai sus prezintă avantajul reglării capacităţii portante a peretelui icircngheţat
Apa conţinută icircn terenuri prin icircngheţare capătă proprietăţile cimentului exprimate prin forţele de coeziune mari care apar icircntre cristalele de gheaţă şi grăunţii de rocă
Pentru obţinerea peretelui protector se folosesc sonde de icircngheţare forate pe conturul lucrării subterane şi prin care circulă agentul de răcire care poate fi un agent intermediar ca de exemplu saramura de clorură de calciu sau agentul frigorific de exemplu amoniacul Icircn funcţie de grosimea peretelui şi de rezistenţa mecanică pe care trebuie să o aibă se va alege temperatura agentului de răcire distanţa dintre sonde şi durata de icircngheţare
Instalaţia de consolidare prin frig a rocilor cuprinde trei părţi principale staţia frigorifică reţeaua de distribuţie a agentului de răcire (saramura) şi sondele de icircngheţare a solului
Staţia frigorifică cuprinde instalaţia frigorifică propriu-zisă cu comprimare mecanică de vapori sau prin absorbţie icircntr-o treaptă sau icircn două trepte Icircn funcţie de condiţiile de amplasament ale obiectivului staţia frigorifică poate fi de construcţie staţionară (icircn minerit) sau mobilă (la metrouri)
Reţeaua de distribuţie alcătuită din conducte metalice sau din mase plastice are rolul de a face legătura icircntre staţia frigorifică şi sondele de icircngheţare Pentru reducerea pierderilor de frig reţeaua de distribuţie se izolează termic
Sondele de icircngheţare constituie schimbătorul de căldură subteran prin care se extrage căldura de la terenul supus icircngheţării Icircn fig 51 se prezintă schiţa unei sonde de icircngheţare cu ajutorul saramurii Saramura rece cu temperatura icircntre -10 ordmC pacircnă la -35 ordmC
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
35
coboară prin ţeava interioară şi apoi se icircntoarce prin spaţiul inelar dintre cele două conducte concentrice
Figura 41 Fig 51 Sonda de icircngheţare 1 - şiu (tub scurt de oţel cu pereţi groşi rezistent) 2 - ţeava interioară 3 - ţeava exterioară (burlan de
icircngheţare) 4 - capul sondei
Circulaţia continuă a saramurii prin sonda de icircngheţare face ca rocile ce icircnconjoară sondele inclusiv apa conţinută icircn spaţiile libere să se răcească treptat Icircn jurul sondei icircncepe să se formeze stratul de rocă icircngheţată diametrul cilindrului de teren icircngheţat se măreşte icircn timp Aşa cum s-a arătat icircn capitolul 3 rezultă că dezvoltarea radială a cilindrului de rocă icircngheţată icircn jurul sondei se desfăşoară cu o viteza variabilă de icircnaintare la icircnceput viteza de icircnaintare a frontului de gheaţă este mai mare după care scade icircn timp Apoi se atinge stadiul staţionar de transfer de căldură cacircnd cilindrul nu mai creşte icircn dimensiuni Reiese că distanţa dintre sondele de icircngheţare este determinată de raza maximă a cilindrului de teren icircngheţat Pentru a realiza peretele icircngheţat care să reziste la solicitările la care este supus se impune ca distanţa dintre sondele vecine să fie mai mică decacirct raza maximă a terenului icircngheţat astfel icircncacirct cilindrii formaţi să se unească icircntre ei Icircn fig 52 se prezintă evoluţia icircn timp a icircngheţării terenului icircn jurul sondelor Icircn faza iniţială a icircnceput răcirea dar icircncă nu s-a format teren icircngheţat Icircn faza a II-a (după circa 20 zile) icircn jurul fiecărei sonde se formează cacircte un cilindru de teren icircngheţat fără ca aceştia să se unească Icircn faza a III-a (după circa 30 zile) cilindrii se icircntretaie şi formează peretele protector
Figura 42 Fig 52 Evoluţia cilindrilor individuali de rocă icircngheţată 1 - sonda de icircngheţare 2 - sonda de măsurători termice 3 - teren icircngheţat
Această evoluţie poate fi urmărită cu suficientă precizie prin măsurarea temperaturii masivului cu ajutorul unor sonde de măsurători termice 2 montate la distanţe bine stabilite de sondele vecine de icircngheţare Astfel icircn faza I-a temperatura este cea iniţială deci neafectată de prezenţa sondelor icircn faza a II-a temperatura este mai scăzută dar mai mare de 0 ordmC Cum icircn practică sondele de icircngheţare au o abatere de la poziţia verticală (sau de la cea impusă prin proiect) sondele de măsurători termice sunt prevăzute icircntre sondele
I II III
1
2 2 2
3 3
SARAMURĂ CALDĂ
IEŞIRE
INTRARE SARAMURĂ A E RECE
1
2
3
4
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
36
cele mai distanţate icircntre ele acolo unde evoluţia peretelui de protecţie este cea mai defavorabilă
Primele realizări inginereşti de consolidare prin frig artificial a terenurilor acvifere metodă prin care vor fi aduse la lumină multe bogăţii subterane sunt legate de numele inginerului de mine şi metalurgie Friederich Herman Poetsch El a obţinut icircn 27 februarie 1883 brevetul pentru procedeul său de adacircncire a puţurilor verticale icircn roci bogate icircn apă (şi curgătoare) Poetsch a reuşit să experimenteze procedeul său la adacircncirea unor puţuri de mină dar a avut şi multe insuccese icircncacirct la 9 iunie 1902 moare sărac şi dezamăgit Metoda de icircngheţare prin frig artificial a terenurilor a avut mare succes icircn Franţa Astfel numai icircn perioada 1892 - 1898 icircn bazinele carbonifere Nord şi Pas de Calais s-au săpat circa 20 puţuri pacircnă la o adacircncime de 100 m prin aplicarea metodei icircngheţării după planurile lui Poetsch
Desigur că nu ar putea fi omis numele lui Louis Gebhard care realizează numeroase lucrări de adacircncire a puţurilor prin icircngheţare atacirct icircn Germania cacirct şi icircn Franţa Anglia Olanda şi Polonia ceea ce face ca metoda propusă de Poetch să devină o tehnologie demnă de toată icircncrederea cu siguranţă absolută şi cu un mare randament
Gebhard un mare practician icircncepe sa folosească icircn locul instalaţiilor cu absorbţie realizate de F Carre pe cu cele cu comprimare mecanică de vapori realizate de Karl von Linde cu icircncepere din anul 1874
Poetsch icircn 1888 prevede extinderea procedeului de icircngheţare la construcţia podurilor la construcţii navale lucrări de fortificaţii la protecţia fundaţiilor subterane şi a bazinelor cu apă El susţine că poate să rezolve orice problemă sub apă chiar şi puţuri icircncepute şi abandonate
Icircn anul 1900 se depăşeşte bariera adacircncimii de 100 m Realizarea unor puţuri mai adacircnci (peste 100 m) ridică unele probleme icircn plus faţă de puţurile de mai mică adacircncime deoarece abaterile de la verticalitate pot conduce la formarea unor ferestre icircn peretele protector
Icircn ţara noastră această tehnologie de forare a unor puţuri de mină cacirct şi a galeriilor de metrou prin icircngheţarea solului a fost folosită cu icircncepere din anul 1961 aşa cum se prezintă icircn paragraful 513
412 512 CONSTRUCŢIA INSTALAŢIEI DE IcircNGHEŢARE A SOLULUI
Icircn funcţie de forma şi mărimea lucrării care se realizează la adăpostul terenului icircngheţat principial se pot utiliza următoarele tipuri de instalaţii
a) cu răcire indirectă denumită şi cu dublu schimb (fig53)
b)cu răcire directă icircn circuit icircnchis (fig 54)
c)răcire directă icircn circuit deschis (fig55)
a) Răcirea indirectă se utilizează icircn practică cel mai mult fiind cunoscută icircncă de la icircnceputurile metodei de icircngheţare a solului
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
37
Figura 43 Fig 53 Instalaţia frigorifică cu răcire indirectă 1 - compresor 2 - condensator3 - ventil de laminare 4 - vaporizator 5 - bazin de răcire a saramurii 6
- agitator 7 - pompă de saramură 8 - sonde de icircngheţare
Ca agent frigorific se poate folosi amoniacul sau freonii iar ca agent intermediar se utilizează soluţiile de clorură de calciu clorura de sodiu sau magneziu sărurile respective fiind relativ uşor de procurat
Instalaţiile frigorifice cuprind unul sau mai multe blocuri frigorifice Acest mod de compunere prezintă avantaje icircn ceea ce priveşte montarea cacirct şi exploatarea instalaţiilor se poate asigura o reducere icircn trepte a puterii frigorifice pe măsură ce creşte rezistenţa termică a stratului de teren icircngheţat
Componentele principale ale instalaţiei frigorifice se montează grupat pe cele trei secţiuni secţia de compresoare secţia condensatoarelor şi secţia vaporizatoarelor De regulă compresoarele se montează fie icircn aer liber atunci cacircnd tipul lor permite fie acoperite sub şarpante protectoare
Pe măsură ce se scot din funcţiune blocurile frigorifice se demontează şi se pot monta la un nou obiectiv
b) Răcirea directă icircn circuit icircnchis (fig 54) se utilizează icircn cazul icircn care adacircncimea de icircngheţare este mică
Figura 44 Fig 54 Instalaţia frigorifică cu răcire directă icircn circuit icircnchis 1 - compresor 2 - condensator 3 - ventil de laminare 4 - sonde de icircngheţare
Sondele de icircngheţare constituie vaporizatorul instalaţiei frigorifice Icircn cazul unor sonde de lungime mare icircnălţimea coloanei de agent frigorific este de asemenea mare Ca urmare a presiunii hidrostatice variabile şi temperatura de vaporizare este variabilă fiind mai mare
1
2
1111111 Apă
3
4
1
2
Apă 3
4
5
6
7
8
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
38
la capătul inferior şi mai mică la capătul superior Din acest motiv adacircncimea sondelor de icircngheţare nu poate depăşi anumite limite şi icircn plus se recurge la fragmentarea coloanei de lichid cu ajutorul unor pereţi despărţitori
Pierderile de agent frigorific mai mari decacirct icircn cazul răcirii indirecte reprezintă un alt inconvenient al acestui mod de răcire
c) Răcirea directă icircn circuit deschis constă icircn introducerea agentului frigorific (cel mai frecvent azot lichid) icircn sondele de icircngheţare fără ca acesta să mai fie folosit după vaporizare
La presiunea atmosferică azotul lichid fierbe la temperatura de -196 ordmC icircncacirct vaporii reci de azot icircnainte de a fi evacuaţi se folosesc de asemenea pentru congelarea solului fiind circulaţi prin sonde de icircngheţare (Fig 55)
Figura 45 Fig 55 Icircngheţarea cu azot lichid icircn două trepte 1 - ventil de laminare 2 - sonda de icircngheţare 3 - sonda de icircngheţare cu vapori de azot
Această metodă se foloseşte cacircnd se urmăreşte o icircngheţare rapidă şi volumul de teren icircngheţat este redus
Se vor prezenta icircn continuare unele elemente constructive ale instalaţiilor de icircngheţare
Reţeaua de saramură (fig 56) are rolul de a asigura transferul de căldură de la sol către agentul frigorific Cuprinde două schimbătoare de căldură cel subteran alcătuit din sondele de icircngheţare şi cel de suprafaţă reprezentat de vaporizatorul imersat icircn saramură Icircntre cele două schimbătoare de căldură există conducte magistrale distribuitoare - colectoare şi racorduri la sonde
Saramura răcită prin intermediul vaporizatorului 1 este circulată cu pompa 2 prin magistrala de tur a reţelei 3 Sondele de icircngheţare 5 se leagă prin vane la distribuitorul 4 şi colectorul 6 ambele de construcţie inelară Printr-o asemenea construcţie şi mod de legare a sondelor prezentate icircn figura 56 se asigură o echilibrare a căderilor de presiune pe sondele de icircngheţare şi ca urmare o alimentare uniformă cu agent intermediar şi deci şi o răcire uniformă pentru toate sondele
1
2
AZOT LICHID
VAPORI
AZOT -40OC
3
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
39
Figura 46 Fig 56 Schema reţelei de saramură 1- vaporizatorul 2 - pompa de saramură 3 - magistrala de tur 4 - distribuitorul inelar 5 -sondele de
icircngheţare 6 - colectorul inelar 7 - magistrale de retur M - manometru D - debitmetru T - termometru
Magistralele 3 şi 7 de acelaşi diametru şi lungime variabilă (determinată de o serie de factori) se pot monta atacirct la suprafaţă cacirct şi icircn canal
Magistralele se dimensionează icircn funcţie de puterea frigorifică a schimbătorului de căldură subteran alcătuit din sondele de icircngheţare
F0 qNHd [W] (51)
unde d - diametrul exterior al sondei de icircngheţare m
H - adacircncimea de icircngheţare m
N - numărul de sonde de icircngheţare
qF - densitatea fluxului termic raportat la suprafaţa exterioară a sondei La temperatura saramurii de - 20 ordmC se poate considera qF = (260290) Wm2
Debitul volumic V de agent intermediar icircn reţeaua de icircngheţare icircn funcţie de care se aleg
pompele se determină cu relaţia
tc
V o
(52)
icircn care este densitatea agentului intermediar kgm3
c - căldura specifică a agentului intermediar JkgK
t - creşterea temperaturii agentului (saramura) icircn sondele de icircngheţare K
La icircnceputul perioadei de răcire diferenţa de temperatură este t = 56 K ca apoi să scadă la 12 K
Icircn conductele magistrale se recomandă ca viteza saramurii să fie w = 0915ms
Icircn acest caz diametrul conductelor de transport a saramurii este dat de relaţia
w
V4D
[m] (53)
Icircn funcţie de valoarea determinată pentru D se aleg conducte metalice de diametru nominal cuprins icircntre 75200 mm Dacă rezultă D gt 200 mm se vor alege două conducte cu diametrul mai mic de 200 mm
2
T
T
M
M D
D
NH
3
3
4
6
5
7
1
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
40
Conductele magistrale se realizează prin icircmbinări cu flanşe sau sudate iar la lungimi mai mari de 100150 m se vor prevedea coturi compensatoare Pentru reducerea pierderilor de frig magistralele vor fi izolate termic
Distribuitorul de saramură răcită şi colectorul de saramură de la sonde sunt construcţii metalice identice
Icircn figura 57 se prezintă modul de racordare a sondelor de icircngheţare 5 la distribuitorul 1 şi colectorul 2 Vanele 3 asigură icircnchiderea deci oprirea circulaţiei şi reglajul debitului Prin aceste vane se poate izola o anumită sondă care nu funcţionează normal sau la care se observă o anumită defecţiune
Figura 47 Fig 57 Racordarea sondelor de icircngheţare la distribuitor şi colector 1 - distribuitor 2 - colector 3 - vane 4 - racord elastic 5 - sonda de icircngheţare
Poziţia distribuitorului şi colectorului faţă de racircndul sondelor de icircngheţare poate fi laterală de o singură parte sau laterală de ambele părţi ale sondelor Amplasamentul trebuie astfel făcut icircncacirct să fie posibilă vizitarea supravegherea şi eventual icircnlocuirea sondelor de icircngheţare
Racordarea sondelor la distribuitor şi colector se face prin cacircte un racord elastic (fig 57) Dimensionarea distribuitoarelor şi a colectoarelor se face din condiţia ca viteza saramurii să nu depăşească 0915 ms
Coloanele de distribuţie şi colectare urmăresc icircn teren forma şirului de sonde de icircngheţare şi pot avea acelaşi traseu sau trasee diferite Configuraţia traseului poate fi icircn linie sau circulară Icircn oricare din situaţiile prezentate distanţele dintre ştuţurile de racord şi sondele de icircngheţare sunt variabile astfel icircncacirct racordurile rigide prin flanşe şi sudură sunt greu de realizat Cea mai practică soluţie de racord icircn acest caz este furtunul de cauciuc (fig 57)
Icircn reţeaua de saramură poate pătrunde aer prin procesul de pompare ceea ce conduce la intensificarea acţiunii corosive a saramurii Icircn scopul icircndepărtării aerului nedorit pe partea superioară a conductelor icircn punctele cele mai ridicate ale acestora se montează robineţi de evacuare periodică a aerului şi eventual a altor gaze
Pe conductele magistrale se vor monta aparate de măsură şi control debitmetre termometre şi manometre (fig 56) Icircn acest caz se poate aprecia funcţionarea fiecărei sonde după depunerile exterioare de gheaţă pe racordul metalic sau de cauciuc lăsate neizolate termic tocmai icircn acest scop Icircn scopul urmăririi regimului de lucru sub aspect
5
4
1
2 3
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
41
hidraulic şi termic icircn mod individual se pot monta aparate de măsură şi control pe fiecare sondă de icircngheţare dar această soluţie este mai costisitoare
Sonda de icircngheţare realizează transferul de căldură de la terenul ce urmează a fi icircngheţat spre agentul frigorific (la răcirea directă) sau agentul intermediar (la răcirea indirectă)
Icircn figura 51 s-a prezentat schema de principiu a unei sonde de icircngheţare cu saramură activă pe toată lungimea Conducta exterioară sau burlanul de icircngheţare 3 este o conductă din oţel etanşă şi rezistentă la eforturile mecanice care apar datorită presiunii solului şi variaţiei de temperatură icircntre momentul fixării ei icircn sol şi cel al funcţionării la o temperatura sub 00C
Icircn procesul de icircngheţare coloana de burlane care poate atinge lungimi de sute de metri se contractă icircnsă nu liber deoarece ea este stracircnsă icircn masivul de roci La o variaţie de temperatură icircntre momentul iniţial (fără saramură) şi momentul pornirii circulaţiei de saramură de 400C conducta din oţel de 500 m adacircncime ar trebui să se contracte cu
tHH = 500 11 10-6 40 = 0220 m = 22 cm
Datorită fixării coloanei icircn gaura forată efortul unitar de icircntindere ce apare icircn urma scăderii temperaturii este
tE = 22 1010 11 10-10 40 = 968 105 Nm2 = 9680 Ncm2
La acest efort de icircntindere apărut datorită contracţiei coloanei se mai adaugă efortul de acelaşi semn provocat de dilatarea masivului de rocă acviferă icircngheţată Icircn scopul compensării eforturilor de icircntindere s-a propus icircmbinarea coloanei cu nipluri elastice O asemenea soluţie este mai scumpă şi icircn plus micşorează secţiunea liberă de curgere ceea ce conduce la icircncălzirea excedentară a saramurii
La lucrări subterane de mare adacircncime ca puţurile de mină depozite subterane se folosesc burlane de 1397 x 7 mm pentru a fi posibilă determinarea abaterii de la poziţie verticală
La tunelurile de metrou şi icircn general la lucrările la care adacircncimea de icircngheţare nu depăşeşte 50 - 60 m diametrul cel mai frecvent utilizat este 1143 x 7 mm
Ţeava interioară 2 (fig 51) numită şi tub de alimentare de regulă ţeava uşoară de instalaţii de 50 mm diametrul se introduce icircn burlanul exterior 3 fără icircnsă a atinge şiul de bază 1 al sondei Se asigură icircn acest mod un volum minimal de depuneri solide care circulă cu saramura icircn mod incidental Icircn scopul economisirii de metal tubul de alimentare poate fi din material plastic ceea ce prezintă marele avantaj al lipsei coroziunii şi al refolosirii materialului respectiv
Şiul de fund are rolul de a asigura icircnchiderea burlanului exterior icircn partea sa inferioară Cel mai adesea are formă conică pentru a asigura introducerea cu uşurinţă a coloanei metalice icircn gaura de sondă Această componentă a sondei de icircngheţare se execută fie prin turnare sau se confecţionează cu ajutorul sudurii
Corespunzător profilului geologic al terenului icircn care se lucrează se icircntacirclnesc şi cazuri cacircnd nu este nevoie să se icircngheţe terenul pe toată icircnălţimea sondelor ci numai la partea lor inferioară Icircn acest caz se folosesc sonde de icircngheţare zonală (fig 58) cu ajutorul cărora se asigură congelarea doar a zonei inferioare ceea ce prezintă avantaje economice deosebite nu se consumă energie pentru a icircngheţa icircn mod inutil formaţiuni geologice consistente şi uscate şi nu se reduce ritmul lucrărilor de săpare printr-o eventuală mărire a rezistenţei rocilor
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
42
Figura 48 Fig 58 Sonda de icircngheţare zonală
1 - burlan exterior 2 - tub de alimentare 3 - şiu 4 - tub de evacuare
Figura 49 Fig59 - Sonda de icircngheţare cu agent
frigorific 1 - tub exterior 2 - perete despărţitor 3 - şiu 4 -
ştuţ (ţeavă de preaplin) 5 - condensator - vaporizator
Icircn cazul răcirii directe sondele de icircngheţare cu agent frigorific sunt de construcţie specială (fig 59) Particularitatea acestor sonde este prezenţa pereţilor despărţitori 2 dispuşi unul sub celălalt la circa 3 m fiecare perete fiind prevăzut cu un ştuţ de preaplin O asemenea construcţie are rolul de a fracţiona coloane de lichid ceea ce asigură o răcire mai uniformă pe lungimea sondei
Fiecare sondă este prevăzută la partea superioară cu cacircte o cămaşă de răcire Sondele se umplu cu amoniac lichid icircntr-o asemenea cantitate icircncacirct fiecare secţie să fie icircnecată cu lichid respectiv pacircnă la partea superioară a ştuţurilor 4 Ca urmare a fluxurilor de căldură de la sol se produce fierberea amoniacului icircn toate secţiile sondei Vaporii formaţi se ridică prin ştuţurile 4 şi ajungacircnd la partea superioară a sondei se condensează cedacircnd căldură agentului (amoniac) din cămăşile de răcire
Ca urmare cămăşile de răcire de la partea superioară a sondelor constituie vaporizatorul instalaţiei frigorifice Amoniacul care se condensează la partea superioară a sondei curge icircnapoi (de sus icircn jos) prin ştuţurile 4 Folosirea pereţilor despărţitori şi a ştuţurilor micşorează influenţa presiunii hidrostatice a lichidului asupra temperaturii de vaporizare a amoniacului Asemenea sonde de icircngheţare se folosesc pentru lucrări de mică adacircncime
Amplasarea sondelor se face icircn funcţie de o serie de factori formă poziţia şi dimensiunile lucrării care se realizează structura terenului temperatura şi viteza agentului etc
Icircn cazul puţurilor de mină de secţiune circulară sondele se amplasează pe un cerc
concentric de diametru D mai mare decacirct diametrul de săpare Ds cu grosimea a peretelui icircngheţat
sDD (54)
Trebuie să se ţină seama şi de deviaţia sondelor de la poziţia verticală icircncacirct pentru adacircncimi mari se utilizează relaţia
3
2 4
1
VAPORI 5 LICHID
3
2
4 1
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
43
a21DD s (55)
unde a = 003 H este abaterea medie statistică de la verticală a sondelor
Distanţa dintre sonde se ia de obicei de 1014 m icircn terenuri rezistente şi de 0809 m icircn terenuri slabe
Pentru adacircncimi de peste 500 m se recomandă să se dispună sondele pe două cercuri concentrice pentru a se forma un perete de grosime mai mare şi deci mai rezistent
La icircngheţarea terenului icircn jurul puţurilor de secţiune dreptunghiulară sondele se pot dispune pe dreptunghi sau elipsă Icircn aceste situaţii centura de teren icircngheţat poate fi solicitată la icircntindere ceea ce este de nedorit deoarece limita de rezistenţa la icircntindere a terenurilor icircngheţate este de circa 3 ori mai mică decacirct limita rezistenţei la compresiune Din acest motiv chiar şi la puţurile de mină de secţiune dreptunghiulară sondele se dispun pe unul sau două cercuri (fig 510)
Pentru realizarea galeriilor icircnclinate icircngheţarea terenului se realizează cu sonde verticale (fig 511) sau combinat atacirct cu sonde verticale cacirct şi cu sonde icircnclinate (fig 512)
Distanţa dintre sondele verticale (fig 511) se ia de 23 m iar distanţa dintre racircnduri este de 1525 m
Se poate folosi cacircte un racircnd de sonde icircnclinate montate deasupra galeriei (fig 212 a) sau sonde icircnclinate sub galerie şi sonde verticale scurte deasupra galeriei (fig 512 b)
SONDA
154 m
16
6 m
226
262
85
SONDA
Figura 411 Fig 511 Amplasarea sondelor verticale pentru realizarea galeriei icircnclinate
Figura 411 Fig 510 Dispunerea sondelor icircn jurul puţurilor de mină de secţiune
dreptunghiulară
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
44
Figura 412 Fig 512 Realizarea galeriilor icircnclinate cu sonde verticale (1) şi sonde oblice (2)
I - secţiunea longitudinală II - secţiunea transversală a) sonde icircnclinate deasupra galeriei b) sonde icircnclinate sub galerie
413 513 UTILIZAREA METODEI DE IcircNGHEŢARE A SOLULUI IcircN ŢARA NOASTRĂ
a)Puţuri de mină
Aplicarea metodei de icircngheţare a solului pentru lucrări de minerit a avut loc la noi icircn ţară icircncepacircnd cu anul 1960 la puţul Godeni din bazinul carbonifer Cacircmpulung - Muscel Proiectul a fost elaborat icircn anul 1959 la IPROMIN Bucureşti iar lucrarea a fost executată cu Trustul Minier Argeş avacircnd icircn subantrepriză de specialitate Icircntreprinderea Frigotehnica Bucureşti şi Trustul de prospecţiuni explorări şi deschideri de mine noi Bucureşti
Adacircncimea de săpare a puţului Godeni a trebuit sa fie de 202 m Sondele de icircngheţare constituite din două ţevi concentrice (fig 51) cu diametrele exterioare de 146 mm şi respectiv 57 mm icircn număr de 27 au fost amplasate pe un cerc cu diametrul de 10 m la distanţa de 117 m una de alta
Instalaţia frigorifică a fost dimensionată cu mare precauţie pentru a avea o siguranţă mărită icircn funcţionarea ei Toate părţile componente ale instalaţiei frigorifice au fost proiectate şi executate icircn ţară
La proiectarea instalaţiei s-a avut icircn vedere funcţionarea de scurtă durată şi variaţia puterii frigorifice icircn timp S-a utilizat răcirea indirectă cu soluţie de clorură de calciu iar ca agent frigorific a fost folosit amoniacul Pentru a avea elasticitatea necesară icircn funcţionare la diferite puteri frigorifice au fost folosite grupuri de utilaje frigorifice şi anume
6 compresoare 4 AU - 20 (200000 kcal Nh =233 kW fiecare)
3 baterii de condensatoare atmosferice a cacircte 300 m2 (900 m2)
bazine pentru răcirea saramurii fiecare cu cacircte 2 vaporizatoare superintensive de 50 m2 (600 m2)
2 grupuri a cacircte 5 pompe pentru recircularea saramurii
Puterea frigorifică a instalaţiei montate a fost de 12106 kcal Nh =1395 kW şi s-a caracterizat prin următoarele date tehnice la exploatare
85
1
2
I 85
1
2
I
85
1
2
II
85
1
2 II
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
45
o suprafaţa de schimb de căldură a sondelor 2500 m2 o puterea instalaţiei 750 kW o debitul saramurii icircn
o icircn perioada activă 350 m3h o icircn perioada pasivă 70 m3h
o viteza de circulaţie a saramurii icircn sondă o tur 18 ms 036 ms o retur 029 ms 006 ms
o volumul rocilor icircngheţate circa 10000 m3 o consumul specific de frig mediu 50000 m3 o durata icircngheţării (perioada activă) 130 zile
Icircn timpul răcirii şi deci a icircngheţării solului puterea frigorifică scade icircn mod continuu icircncacirct treptat s-a scos din funcţiune cacircte un compresor icircn perioada pasivă (de săpare a puţului) s-a menţinut icircn lucru doar un singur compresor şi grupul de utilaje aferent
După terminarea lucrărilor de la puţul Godeni icircn anii următori aceeaşi instalaţie s-a montat la puţul Poenari din acelaşi bazin carbonifer unde sondele au fost amplasate pe un cerc cu diametrul de 11 m la distanţa de 128 m una de alta
Un alt puţ realizat prin această tehnologie de icircngheţare a solului a fost puţul Jugur de la acelaşi bazin carbonifer Centrala frigorifică a cuprins 15 compresoare 3 AV - 20 (150000 kcal Nh fiecare=175kW) repartizate icircn 5 linii tehnologice independente cu icircntreg utilajul aferent Fiecare linie este compusă din
o butelie de răcire intermediară BRI - 700 un condensator cu evaporare forţată CEF - 180 un bazin cu patru grupuri vaporizatoare intensive de cacircte 165 m2 (icircn total 66 m2)
Sondele de icircngheţare icircn număr de 27 bucăţi au fost prevăzute să se amplaseze pe un cerc cu diametrul de 104 m la distanţă de 121 m Sondele sunt de tipul celei indicată icircn figura 58 deci cu răcire zonală avacircnd următoarele caracteristici diametrul exterior al burlanului este de 146 mm iar tuburile interioare au 57 mm (la exterior) tubul de alimentare are lungimea de 430 m iar cel de evacuare este de 220 m Ca urmare sondele de icircngheţare trebuie să producă icircngheţarea solului numai pe adacircncimea de la 220 m la 430 m Prin proiect s-au prevăzut următoarele date temperatura saramurii - 35 ordmC viteza saramurii icircn conducte de tur 18 ms viteza icircn conducte de retur (pe adacircncimea de răcit) 06 ms durata icircngheţării (perioada activă) a fost de 75 zile
Au fost prevăzute temperaturi scăzute şi viteze mari de congelare deoarece cilindrul icircngheţat trebuie să preia presiuni de pacircnă la 56 bar
b)Tunelurile pentru metroul din Bucureşti
Icircncepacircnd cu anul 1976 pentru realizarea metroului din Bucureşti s-a procedat la aplicarea metodei de icircngheţare a solului icircntr-o zonă considerată experimentală dar cu realizări efective de galerii
Prin proiect s-a prevăzut consolidarea prin icircngheţare artificială a profilului de săpare a tunelurilor de metrou pe o lungime de circa 550 m pe ambele fire Amplasamentul sondelor s-a făcut icircn două variante (pentru experimentare) pentru un fir de tunel ambele racircnduri de sonde s-au fixat icircn profilul circular de săpare iar pentru cel de al doilea fir de tunel sondele au fost forate icircn afara profilului de icircnaintare (fig 513) Au fost folosite sonde cu saramură cu posibilitatea de icircngheţare pe toată icircnălţimea de 16 m cacirct şi sonde cu icircngheţare zonală icircntre adacircncimile de 7 m şi 16 m Distanţa dintre sonde a fost fixată la 14 m
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
46
Pentru a se icircmpiedica accesul apelor icircn frontul de săpare datorate unor eventuale zone neicircngheţate traseul de tunel icircngheţat a fost icircmpărţit icircn incinte icircnchise prin timpane transversale La distanţe de 3050 m icircn lungul traseului au fost montate sonde de icircngheţare aşezate icircn plan normal pe axul tunelului prin care să se icircnchidă accesul apelor spre frontul de săpare
Echipamentul frigorific principal cuprinde
- 8 compresoare frigorifice 3 AV - 20 funcţionacircnd icircntr-o treaptă pentru care
corespunde puterea frigorifică de 12 106 kcal Nh =1395 kW
- 4 condensatoare de evaporare forţată CEF - 250
- 3 bazine de răcire a saramurii echipate cu cacircte 4 grupuri de vaporizatoare superintensive de cacircte 51 m2 (total 612 m2)
- 3 grupuri de cacircte 2 pompe a 220 m3h pentru circulaţia saramurii pe traseele de distribuţie şi prin sonde
Figura 413 Fig513 Amplasamentul sondelor de icircngheţare
Centrala frigorifică este stabilă adăpostită icircntr-o baracă metalică demontabilă existacircnd posibilitatea de reamplasare rapidă a instalaţiei icircntr-un alt loc Agentul frigorific utilizat este amoniacul iar agentul intermediar este clorura de calciu
Icircn perioada principală de icircngheţare temperatura de vaporizare este to = -22 ordmC asiguracircnd răcirea saramurii la -17 ordmC iar pe retur saramura a avut temperatura cu 15 ordmC mai ridicată
La o asemenea lucrare realizată icircn oraş se impune protejarea contra icircngheţului a straturilor de deasupra galeriilor icircn care sunt amplasate instalaţiile de apă - canal ceea ce presupune folosirea sondelor cu icircngheţare zonală care să nu fie active la partea superioară
c) Puţuri pentru prospectarea balastierelor
Procedeul şi instalaţia frigorifică au avut caracter de noutate şi s-a aplicat icircncepacircnd cu anul 1966 la mai multe obiective icircn general pe văile racircurilor unde s-au construit hidrocentrale
A
A B
B
A-A
000 -300 -700 -1061 -1300
65
800
B-B
000 -300 -700 -1061 -1300
65
550
ARGILA
ARGILA
NISIP
NISIP
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
47
Echipamentul frigorific principal cuprinde un agregat frigorific pentru amoniac de 20000 kcal Nh = 233 kW rezervor de amoniac separator de lichid şi anexe - toate fiind montate pe o remorcă
S-au folosit sonde de icircngheţare cu agent frigorific icircn număr de 8 bucăţi cu diametrul exterior de 133 mm montate pe un cerc cu diametrul de 2 m la distanţa de 076 m lungimea lor fiind de 75 m Legarea sondelor la distribuitor şi colector s-a făcut cu racorduri flexibile
Sondele au o construcţie specială fiind prevăzute cu 4 pereţi transversali cu ştuţuri de preaplin formacircndu-se astfel 5 compartimente Agentul lichid se introduce icircn compartimentul cel mai de sus şi se scurge prin ştuţuri pacircnă la baza sondei Conducta de aspiraţie străbate toate compartimentele vaporii fiind aspiraţi din compartimentul cel mai de jos Circulaţia vaporilor formaţi se face ca şi a lichidului de sus icircn jos obţinacircndu-se astfel o răcire uniformă şi eficientă pe toată icircnălţimea sondei
Durata icircngheţării respectiv a formării centurii de teren icircngheţat la adăpostul căreia să se poată efectua săparea şi preluarea de probe de sol este de 10 zile
414 514 CAcircMPUL DE TEMPERATURĂ IcircN SOLUL IcircNGHEŢAT
Cacircnd prin sonda de icircngheţare circulă saramură a cărei temperatura este sub 0 ordmC practic - 20 ordmC-25 ordmC icircn jurul sondei se formează un cacircmp termic care icircn cazul unei singure sonde poate fi reprezentat prin suprafeţe cilindrice coaxiale de temperatură constantă (izoterme)
După distanţa radială se deosebesc icircn sol din punct de vedere termic trei zone zona cilindrică din imediata vecinătate a sondei care este icircn zona icircngheţată zona răcită cuprinsă icircntre suprafaţa cilindrică izotermă de 0 ordmC şi izoterma de temperatură naturală şi a treia zonă cea de temperatura naturală (fig 514)
Icircn zona icircngheţată temperatura masivului variază de la temperatura peretelui metalic al sondei pacircnă la 0 ordmC Icircn zona răcită temperatura masivului creşte de la 0 ordmC pacircnă la temperatura naturală a masivului
Figura 414 Fig 514 Cacircmpul de temperatură icircn jurul unei sonde de icircngheţare
Este important să se cunoască cacircmpul termic icircn terenul supus icircngheţării deoarece acesta oferă date privind zona de răspacircndire a consolidării rocilor prin solidificarea apei cacirct şi a
t [oC]
r [m]
t (r)
ZONA RACITA
ZONA INGHETAT
A
ts TEMPERATURA NATURALA A ROCII
-20
-10
40
10 0 20 30
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
48
rezistenţei mecanice a rocii icircngheţate Se cunoaşte faptul că rezistenţa mecanică depinde direct de temperatură
Studiul variaţiei temperaturii icircn zona de influenţă a unei sonde şi a tuturor sondelor simultan oferă posibilitatea calculării dimensiunilor la proiectarea construcţiei peretelui protector cacirct şi controlul procesului icircn timpul desfăşurării lucrărilor
Pentru a se stabili relaţia de variaţie a temperaturii icircn zona icircngheţată icircn funcţie de raza r se consideră ecuaţia diferenţială
dr
dtr2q (56)
icircn care q este fluxul unitar de căldură corespunzător lungimii de 1 m din sonda de icircngheţare Wm
- conductivitatea termica a terenului Wm
Integrarea directă a ecuaţiei analitice se poate face icircn ipoteze simplificatoare consideracircnd
= const şi q = const ceea ce este justificat la valori mari ale timpului de răcire
Se separa variabilele
r
dr
2
qdt
(57)
Se consideră cunoscute temperaturile t1 la suprafaţa sondei de raza r1 și t2 = 0 ordmC la raza r2 corespunzătoare suprafeţei exterioare a cilindrului icircngheţat Se integrează ecuaţia (6-7) și cunoscacircnd limitele de integrare se va determina constanta de integrare
Cr ln2
qt
(58)
pentru r = r1 t = t1 deci
11 rln2
qtC
(59)
1
1r
rln
2
qtt
(510)
Se pune condiţia ca pentru r = r2 t = t2
1
212
r
rln
2
qtt
(511)
Se elimina q intre relaţiile (510) și (511) şi se obţine
1
2
1121
r
rln
r
rln
tttt (512)
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
49
Figura 415 Fig 515 Schema schimbătorului de căldură subteran
Pentru t2 = 0 ordmC relaţia (5-12) devine
)rrln(
)rrln(tt
12
21 (513)
Icircn figura 515 se prezintă o secţiune axială printr-o sondă de icircngheţare şi variaţia temperaturii icircn limitele t0 - temperatura agentului de răcire şi ts - temperatura naturală a solului
Cantitatea de căldură transferată de la masivul neicircngheţat spre agentul de răcire prin unitatea de lungimea de conducta şi unitatea de timp se calculează cu expresia
221
2
1o
1
moo
os
d
1
d
dln
1
d
dln
2
1
d
1
ttq
(514)
Icircn calculele inginereşti cel mai frecvent se determină nu fluxul termic pe unitatea de lungime a conductei ci fluxul termic qF raportat la unitatea de suprafaţă a conductei metalice la 1 m2 de suprafaţa exterioară sau interioară Mărimea qF se calculează astfel
22
o
1
2
1
o
o
1
m
o
o
oS
o
F
d
d
d
dln
2
d
d
dln
2
d1
tt
d
(515)
Fluxul termic qF prin unitatea de suprafaţă a sondei de icircngheţare calculat pentru adacircncimea de 100 m icircn regim laminar de curgere a agentului de răcire prin spaţiul inelar al sondei cu viteza w = 01 ms la diametre ale cilindrului de rocă icircngheţata
de la 02 la 3 m pentru to = -20 ordmC do = 01 m 1 = 233 WmK variază de la 720 la 230 Wm2 aşa cum se poate observa din figura 516 şi tabelul 51
d2
d1
d0
t
qF
t0
t2
t1 2
m 1
m
ts
Conducta Teren icircngheţat Teren
neicircngheţat
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
50
Figura 416 Fig 516 Variaţia fluxului termic qF prin unitatea de suprafaţă a sondei de icircngheţare 1 - regim turbulent 2 regim laminar
Tabelul 51Variaţia fluxului termic qF [Wm2]
Diametrul cilindrului de rocă icircngheţată icircn m
02 04 05 08 10 15 20
qF regim laminar 1160 550 387 330 302
qF regim laminar 720 465 423 350 321 283 258
Se observă ca densitatea fluxului de căldura qF scade foarte mult de la 800900 Wm2 la icircnceputul operaţiei de consolidare prin frig a rocilor pacircnă la 230250 Wm2 cacircnd cilindrul de rocă icircngheţata atinge diametrul de 23 m Ca urmare a acestei situaţii şi puterea frigorifică a instalaţiei va scădea icircn decursul a 6080 zile tot cu raportul de 800230 = 35
Instalaţia frigorifică va fi constituită din grupuri de utilaje (module) ce vor fi scoase treptat din funcţiune pe măsură ce se reduce densitatea fluxului de căldură qF ca urmare a creşterii grosimii stratului de teren icircngheţat Icircn practică pentru calcule se va considera qF = (260290) Wm2
O mărime importanta pentru proiectarea instalaţiei şi aprecierea procesului de consolidare a rocilor este timpul de icircngheţare Pentru calculul duratei de icircngheţare se pot folosi relaţiile prezentate icircn capitolul 3 la formarea gheţii pe suprafeţe cilindrice exterioare La aprecierea valorii pentru ls - căldura latentă de solidificare se avea icircn vedere conţinutul de apă din terenul supus icircngheţării
Dacă icircntre relaţiile pentru dependenţele (r) şi qF(r) se elimină r se obţine dependenţa
qF() Eliminarea nu se poate face direct ci fie cu ajutorul calculatorului fie printr-o construcţie grafică prezentată icircn figura 517
Studiul variaţiei temperaturii icircn solul icircngheţat cacirct și variaţia icircn timp a densităţii fluxului de căldura se poate face cu ajutorul calculatorului electronic
1200
1000
800
600
400
200
0 05 1 15 2 25 3
qF [Wm2]
Diametrul cilindrului de rocă icircngheţată [m]
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
51
Figura 417 Fig 517 Stabilirea dependentei qF() pe baza dependentelor qF(r) și (r)
415 515 ELEMENTE DE PROIECTARE A INSTALAŢIEI FRIGORIFICE PENTRU IcircNGHEŢAREA SOLULUI
Pentru proiectarea instalaţiei frigorifice trebuie sa se stabilească la icircnceput elementele de baza și anume
- puterea frigorifică maximă care apare la icircnceputul perioadei de răcire cacircnd pătrunderile de căldura spre agentul de răcire din sondele de icircngheţare au valori mai mari temperatura de vaporizare a agentului frigorific plecacircnd de la temperatura minimă sau medie din solul icircngheţat şi avacircnd icircn vedere modul de răcire directă sau indirectă
Se calculează cantitatea totală de căldură ce trebuie extrasă din terenul supus răcirii şi icircngheţării Se cunoaşte structura terenului icircngheţat deci se cunosc icircnălţimile h1 h2hn ale diferitelor straturi componente cacirct şi proprietăţile termofizice ale acestora
Grosimea centurii de teren icircngheţat se stabileşte icircn urma calculelor de rezistenţa materialelor icircncacirct se pot calcula volumele ocupate de straturile componente V1 V2Vn
Cantitatea de căldură ce trebuie extrasă din zona icircngheţată cuprinde două componente și anume
cantitatea de căldura Qa corespunzătoare răcirii şi icircngheţării apei
cantitatea de căldura Qt necesara răcirii părţii solide a terenului
n
1kfgsikaakka tcltcVQ (516)
unde
k - reprezintă conţinutul icircn apă din stratul respectiv [m3m3]
a - densitatea apei [kgm3]
ca cg - căldura specifica a apei respectiv a gheţii Jkg K
tik - temperatura iniţiala a stratului respectiv (de ordinul k)
tf - temperatura medie finala a masivului icircngheţat
ls - căldura latentă de solidificare a apei
r
q
q
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
52
fik
n
1kkkkkt ttc1VQ
(517)
k - densitatea părţii de teren solid (uscat) din stratul k
ck - căldura specifică a terenului uscat din stratul k
Cantitatea de căldură extrasă din terenul răcit reprezintă circa 1018 din cantitatea de căldură extrasă din zona de teren icircngheţat
Deci cantitatea totală de căldură Q ce va trebui preluată de către instalaţia frigorifică se poate aprecia astfel
Q = (110118) (Qa + Qt) (518)
Cu relaţia (51) se calculează puterea frigorifica a instalaţiei adoptacircnd o valoare medie pentru densitatea fluxului de căldura qF
Se poate aprecia timpul de funcţionare a instalaţiei frigorifice
o
Q
(519)
La anumite grosimi ale cochiliei de teren icircngheţat icircn jurul sondei densitatea fluxului termic scade sub valoarea medie adoptată icircn calcule şi ca urmare icircncepacircnd de la acest moment se va putea reduce treptat puterea frigorifica a instalaţiei prin scoaterea din funcţiune a unor grupuri
La proiectare se pot avea icircn vedere unele recomandări practice pentru stabilirea necesarului de frig pentru icircngheţarea unui m3 la -10 ordmC este necesar un consum specific de frig de 66000 kJ la 10 umiditate de 155000 kJ la 35 umiditate și de 210000 kJ la 50 umiditate
42 52 RĂCIREA BETONULUI LA CONSTRUCŢIILE MASIVE
421 521 INSTALAŢII DE PRERĂCIRE A COMPONENTELOR BETONULUI
Formarea betonului din elementele sale componente (nisip pietriş ciment şi apă) este icircnsoţită de fenomene fizico - chimice icircn care se degajă căldură şi ca urmare temperatura acestuia creşte Icircn cazul unor masive din beton (baraje) dacă viteza de turnare (icircn sezonul cald cacircnd se efectuază construcţia) este mai mare şi nu se asigura evacuarea căldurii corpul rezultă la o temperatura medie mai mare decacirct temperatura medie anuală Răcirea naturală conduce la contracţia masivului şi ca urmare la apariţia sub acţiunea tensiunilor interne a unor fisuri
Pentru ca variaţiile de temperatura icircntre centrul barajului şi straturile exterioare să fie cacirct mai mici se impune ca masivul respectiv să fie turnat la temperatura medie anuală a zonei respective Icircn acest scop se pot folosi două metode prin prerăcirea componentelor betonului și prin răcirea masei barajului
Icircn vederea reducerii căldurii degajată icircn reacţia dintre ciment şi apă au fost realizate sortimente de ciment caracterizate prin călduri masice reduse ce se degajă icircn procesul de priză
Prin prerăcirea componentelor betonului se urmăreşte ca betonul sa aibă temperatura medie a locului de amplasament şi prin aceasta evitarea apariţiei unor diferenţe mari de temperatură ce pun icircn pericol construcţia
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
53
Icircn funcţie de valoarea diferenţei de temperatură care trebuie realizată se poate adopta o anumită schemă de răcire pentru fiecare component icircn parte sau numai pentru unele din aceste părţi componente
Se pot folosi instalaţii frigorifice cu comprimare mecanică de vapori pentru răcirea apei a aerului sau formarea gheţii mărunte utilizate la prerăcirea componentelor betonului Folosirea gheţii fulgi sau solzi este limitată atacirct din cauza conţinutului de apă impus cacirct şi ca urmare a pericolului ca gheaţa să nu se topească icircn procesul de malaxare ci la turnare sau icircn procesul de priză ceea ce duce la formarea de goluri icircn beton
De asemenea se pot folosi instalaţiile frigorifice cu ejecţie
Icircn vederea stabilirii necesarului de frig pentru preratildecirea componentelor betonului se calculează mai icircntacirci cantitatea de catildelduratilde Qo1 ce trebuie evacuatatilde dintr-un m3 de beton avacircndu-se icircn vedere proporţiile icircn care participatilde cimentul nisipul pietrişul şi apa Fiecare component are o temperatură iniţialatilde şi urmeazatilde a fi răcit pacircnatilde la o temperatura finalatilde tf aceeaşi pentru toţi componenţii
fpppfnnnfccc1o ttcmttcmttcmQ
fnaanfpaapfaaa ttcmttcmttcm Jm3 (520)
unde
mc mn mp ma - masele de ciment nisip pietriş şi apă conţinute icircntr-un m3 de beton [kgm3]
cc cn cp cw - căldurile specifice masice ale cimentului nisipului pietrişului şi nisipul dintr-un m3 de beton [kgm3]
Puterea frigorifică se determină cu relaţia
3b1oo 10VQ [kW] (521)
icircn care bV reprezintă fluxul de betonare icircn m3s
Se prezintă icircn continuare cele mai folosite metode de prerăcire a componentelor betonului
4211 a) Instalaţie de prerăcire cu apă
Staţia de preparare a betonului este deservită de o instalaţie frigorifică cu comprimare mecanică de vapori care asigură răcirea apei
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
54
Figura 418 Fig 518 Schema de lucru a instalaţiei de prerăcire a betonului cu ajutorul apei 1 - ciment 2 - vagon nisip 3 - vagon pietris 4 - tancuri de răcire a pietrişului 5 - sită 6 - siloz de
nisip 7 - siloz de ciment 8 - rezervor de distribuţie 9 - răcitor de nisip 10 - răcitor de ciment 11 - răcitor de apă 12 - rezervor de apă răcită 13 - răcitor de apă 14 - instalaţie de prepararea betonului
I II III IV V - fazele de răcire a pietrişului
Icircn figura 518 se prezintă schema de lucru a unei asemenea instalaţii de prerăcire a betonului cu ajutorul apei folosită la construcţia barajului de la Detroit (SUA) Apa este răcită de la 16 la 15 ordmC şi transmisă apoi la instalaţia de preparare a betonului şi icircn cinci rezervoare a cacircte 90 m3 fiecare icircn care se răceşte pietrişul
Procesul de răcire a pietrişului cuprinde cinci faze
- faza I - introducerea apei icircn rezervor 10 minute
- fazele II şi III - introducerea simultană a apei şi a pietrişului 50 minute
- faza IV - evacuarea apei 15 minute
- faza V - evacuarea pietrişului 15 minute
Icircntregul proces de răcire a pietrişului durează 90 minute Pentru răcirea cimentului şi nisipului se utilizează schimbătoare de căldură cu ax elicoidal la care apa de răcire circulă prin arborele gol şi prin manta
Rezervoarele 12 pentru apa răcită au fiecare volumul de 114 m3
Beton 635oC
190 m3h
65oC
24oC
18oC
1
2
3
4
5
6
7
8
10
9
11
12
13
14
Apă 16oC
15oC
Cim
en
t
26 l
h
Nis
ip 1
12
lh
10
oC
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
55
42111 Aplicaţie numerică
Să se calculeze puterea frigorifică necesară prerăcirii betonului prin metode şi condiţiile prezentate mai sus Se cunosc următoarele date de calcul
mp = 1700 kgm3 beton
mc = 135 kgm3 beton
mn = 590 kgm3 beton
ma = 60 kgm3 beton
cc = cn = cp = 921 Jkg K
ca = 4180 Jkg K
map = 16 kgm3 beton
man = 38 kgm3 beton
tp = 18 ordmC
tc = 66 ordmC
tn = 21 ordmC tf = 635 ordmC
052803000
190Vb m3s
Se calculează componentele cantităţii de căldură Q01
3fcccc 10741735666921135ttcmQ Jm3
3fnnnn 10796135621921590ttcmQ Jm3
3fpppp 1024018356189211700ttcmQ Jm3
3faaaa 10420235616418060ttcmQ Jm3
3fpaapap 1077935618418016ttcmQ Jm3
3fnaaan 10232735621418038ttcmQ Jm3
Rezulta
3anapapnc1o 1039144QQQQQQQ Jm3
3o 10 206705280103914410VQ 33
b1o kW
4212 b) Instalaţii de prerăcire cu aer apă
Pentru răcirea componentelor betonului se utilizează icircn acest caz fie apa fie aerul ca agenţi intermediari răciţi cu ajutorul instalaţiilor frigorifice
Icircn figura 519 se prezintă schema unei asemenea instalaţii folosită la construcţia barajului de la Sariyar din Turcia
Răcirea aerului se poate face fie direct prin vaporizarea unui agent frigorific fie indirect cu un agent intermediar de răcire ca de exemplu saramura de clorură de calciu Aerul răcit pacircnă la -6 ordmC este suflat icircn silozurile cu pietriş de dimensiuni icircntre 4150 mm
Apa răcită icircn bazinul la pacircnă la 05 ordm este trimisă din colectorul 12 la staţia de preparare a betonului servind la scăderea temperaturii acestuia
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
56
Figura 419 Fig 519 Schema instalaţiei de prerăcire a betonului cu aer şi apă 1 - compresor 2 - condensator 3 - ventile de laminare 4 - vaporizatoare 5 - bazin de răcire a
saramurii 6 - pompă de saramură 7 - răcitor umed de aer 8 - ventilatoare 9 - silozuri de pietriş 10 - bazin de răcire a apei 11 - pompă 12 - colector de apă răcită
Figura 420 Fig 520 Schema instalaţiei de prerăcire cu aer şi apă 1 - siloz de pietriş şi nisip 2 - siloz de ciment 3 rezervor de apă 4 - răcitor de aer 5 - răcitor de apă
4 - răcitor de apă 6 - buncăr de sortare 7 - instalaţie de preparare beton
Pentru intensificarea procesului de răcire a pietrişului aerul este răcit sub 0 ordmC Acest procedeu are avantajul unei funcţionări fără icircntrerupere a procesului de preparare a betonului dar prezintă şi o serie de dezavantaje debite foarte mari de aer de răcire posibilitatea antrenării particulelor fine de agregat icircn răcitorul de aer şi depunerea acestora pe suprafaţa de schimb de căldură Ca urmare instalaţia se va curăţa la circa 14 zile Icircn figura 520 se prezintă o altă schemă de instalaţie de prerăcire a betonului cu aer şi apă folosită la construcţia unui baraj din India
Apă
295oC
Ciment
433oC
Pietriş şi nisip
378oC
Apă 6oC
Ciment 433oC
Aer
Pietriş
45oC Nisip 222oC
22oC
Ap
ă
45
oC
Ap
ă 2
2o
C
Ae
r 5
5o
C
Be
ton
12
8o
C
Apă 22oC
2
1
3 4 5
8
9
5 7
12
1oC
11
05oC 9oC 9oC
-9oC
-10oC -10oC
-10oC 2oC
6oC
10 4 4 6
8 8
8
8 8
9 9 9 9
1
2
3 3
7
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
57
Pietrişul şi nisipul se separă icircntre ele icircn buncărul de sortare 6 şi apoi fiecare circulă pe cacircte o bandă transportoare prin camera de răcire 7 Pietrişul este răcit cu ajutorul apei
Fig
ura
42
1 F
ig 5
21
Sc
he
ma
in
sta
laţi
ei
de
ră
cir
e icirc
n v
id a
co
mp
on
en
telo
r b
eto
nu
lui
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
58
reci icircncacirct ajunge la o temperatură mai scăzută decacirct nisipul răcit cu aer Prin camera 7 se circulă şi aer rece care se introduce la temperatura de 55 ordmC Cimentul se introduce la instalaţia de preparare a betonului 9 fără a fi răcit
O altă posibilitate de prerăcire a agregatelor (pietriş şi nisip) şi a apei utilizată mai recent la construirea barajelor icircntrebuinţează răcirea icircn vid la care agregatele uşor umezite icircn recipiente sub presiune se răcesc după nevoie (prin reglarea vacuumului) la o temperatură mai scăzută sau mai ridicată Căldura necesară evaporării umidităţii de pe agregate şi din ele (apa legată) este luată chiar de la corpurile respective (pietriş nisip) şi ca urmare acestea se răcesc
O asemenea instalaţie utilizată la Hortwell icircn SUA (figura 521) cuprinde 3 recipienţi de cacircte 150 m3 pentru răcirea pietrişului şi 3 recipienţi de cacircte 80 m3 pentru răcirea nisipului
Pietrişul şi nisipul cu temperatura maximă de 43 ordmC se pot răci pacircnă la temperatura necesară de 45 ordmC Pentru realizarea vidului necesar se folosesc două cazane de abur care produc 77 th fiecare
422 522 RĂCIREA INTERIOARĂ A MASIVULUI DE BETON
Prerăcirea betonului se recomandă icircn condiţiile unei zone tropicale sau temperate de amplasare a construcţiei masive nu se recomandă icircn cazul amplasării barajului icircn munţi unde temperatura aerului este scăzută Icircn asemenea situaţii se recomandă răcirea betonului prin conducte amplasate icircn masiv prin care circulă apă rece
La răcirea interioară cu conducte montate icircn beton are loc o eliminarea a căldurii simultan cu producerea ei icircn procesul de priză producacircndu-se şi o răcire pacircnă la temperatura necesară Pentru răcire se folosesc conducte de oţel cu diametre de 1525 mm montate la distanţe de 1223 m icircn plan orizontal şi de 153 m icircn plan vertical Lungimea conductelor icircntr-un m3 de beton este de 0204 şi a fiecărei serpentine de 140250 m
Debitul apei de răcire ce circulă prin 1 m3 de beton este de (0553) dm3h
Figura 422 Fig 522 Reţea de conducte de răcire a betonului icircn secţiunea unui baraj 1 - galerie pentru măsurători 2 - galerie de conducte de apă de răcire
Serpentinele se montează şi se fixează pe suprafaţă de beton (fig522) Capetele serpentinelor se leagă de o coloană verticală prin mufe metalice sau de cauciuc Diametrul distribuitorului şi al coloanei este cuprins icircntre 150200 mm După montaj aceste conducte se verifică la presiunea de lucru
1 2
Ax
a
ba
raju
lui
Izolaţii termice
6
Cu noua valoare a grosimii stratului de izolație termică se recalculează coeficientul total de transfer de căldură k
Icircn calculele practice se poate adopta o valoare a coeficientului total de transfer de căldură k = (02hellip05) Wm2middotgrd pentru pereți și tavan (pereți izolați cu polistiren expandat) și k = (03hellip07) Wm2middotgrd pentru pardoseală (perete izolat cu plută)
Pentru un calcul rapid se pot adopta următoarele valori ale coeficientului total de transfer de căldură funcție de diferența de temperatură ∆t = te - ti (Tabelul 13)
Tabelul 13 Valori ale coeficientului total de transfer de căldură funcție de ∆t
∆t [grd] 50hellip35 35hellip30 30hellip25 25hellip30 20hellip15 15hellip10 10
k [Wm2middotgrd] 023hellip035 040 045 052 058 063 070
Pentru diverse elemente izolate ale incintelor răcite valorile coeficientului total de transfer de căldură sunt indicate icircn Tabelul 14 Tabelul 15 Tabelul 16 Tabelul 17
Tabelul 14 Valori ale coeficientului total de transfer de căldură pentru pereți exteriori
Temperatura aerului din incinta răcită ti [ordmC]
k [Wm2middotgrd]
zona nordică zona medie
zona sudică
-30hellip-18 032 025 023
-10 040 035 029
-4 046 040 035
0 052 046 040
4 065 058 049
12 078 070 058
Tabelul 15 Valori ale coeficientului total de transfer de căldură pentru pereți interiori
Temperatura aerului din incinta răcită ti [ordmC]
k [Wm2grd
zona nordică zona medie zona sudică
a b a b a b
-30hellip-18 029 028 025 023 021 020
-10 037 035 031 029 025 020
-4 043 039 037 035 031 029
0 048 045 042 039 036 033
4 058 053 052 049 044 041
Obs a) acoperiș cu pod b) acoperiș fără pod
Tabelul 16 Valori ale coeficientului total de transfer de căldură funcție de destinația incintei răcite
Incinta răcită Tempaerului ti [ordmC] k [Wm2middotgrd]
Camera de congelare -23hellip-35 035
Depozit produse congelate
-18hellip-25 041
Depozit produse refrigerate
0 052
4 070
12 092
Tabelul 17 Valori ale coeficientului total de transfer de căldură funcție de poziția peretelui
Poziția peretelui k [Wm2middotgrd]
Perete icircntre două depozite de produse congelate
052
Perete icircntre două depozite de produse refrigerate
058
Izolaţii termice
7
Perete icircntre camere de congelare și depozite de produse congelate
046
Perete icircntre camere de congelare și depozite de produse refrigerate
035
Perete icircntre un depozit de produse congelare și un depozit de produse congelate
046
Pentru diverse construcții cu pereți executați din panouri mari de beton valorile coeficientului total de transfer de căldură sunt prezentate icircn Tabelul 18
Tabelul 18 Valori ale coeficientului total de transfer de căldură pentru pereți executați din panouri mari de beton
Material Greutate specifica ρ [kgm2]
Grosime perete δ [mm]
k [Wm2 middotK]
Perete interior
Perete exterior
Panouri mari icircn strat omogen tencuiți interior și exterior
1300 260 15119 13491
1350 300 14537 13142
Panouri mari icircn trei straturi avacircnd la interior și exterior beton armat iar la mijloc termoizolație
- plăci semirigide din vată minerală
1600 200 13374 12095
- sticlă spongioasă 1450 220 12793 11630
- plută minerală 1600 200 12793 11630
12 Izolarea termică a pereților cilindrici
Calculul termic al sistemelor de conducte reprezintă un caz particular al transferului de căldură icircntre două fluide despărțite de un perete format din unul sau mai multe straturi Icircn functie de temperatura fluidului transportat se deosebesc două categorii de conducte izolate termic
conducte care transportă fluide calde (Figura 13) la care izolația termică are drept scop reducerea pierderilor de căldură și de temperatură icircn mediul ambiant și asigurarea unor temperaturi pe suprafața exterioară icircn conformitate cu normele de protecție a muncii
conducte care transportă fluide reci (Figura 14) la care izolația termică are drept scop micșorarea absorbției de căldură din mediul ambiant și evitarea condensării umiditătii din aer pe suprafața conductelor
Figura 13 Variatia temperaturii icircn peretele conductelor care transportă fluide calde
r [mm]
iz sp p
tf f
tp1
te e
t
[oC]
di
de
diz
dsp
tp2
tp3 tp4
ФL
Izolaţii termice
8
Figura 14 Variatia temperaturii icircn peretele conductelor care transportă fluide reci
121 Calculul grosimii izolației termice pentru un flux termic liniar cunoscut (condiții la limită de speța a II-a)
Se consideră o conductă cu un strat de izolație de bază și un strat protector (Figura 13 pentru conducte care transportă fluide calde și Figura 14 pentru conducte care transportă fluide reci) Icircn vederea calculării grosimii izolației termice sunt necesare următoarele date
amplasarea conductei și temperatura mediului ambiant te [ordmC]
dimensiunile conductei di și de [m]
temperatura fluidului transportat tf [ordmC]
construcția și materialul izolației termice iz [WmK]
modul de susținere a conductei armăturile și compensatoarele de dilatație Fluxul termic liniar (unitar) transmis prin conducta izolată se calculează cu relația
LeLspLizLpLi
efL
RRRRR
tt
[Wm] (15)
unde
rezistența superficială liniară a fluidului transportat este
RLi = iid
1
[mmiddotgrdW] (16)
Rezistența superficială liniară RLi se ia icircn calcule icircn următoarele cazuri
- la diametre ale conductei di lt 50 mm dacă i lt 150 Wm2middotgrd
- la diametre ale conductei 50 lt di lt 500 mm dacă i lt 120 Wm2middotgrd
- la diametre ale conductei di gt 500 mm dacă i lt 90 Wm2middotgrd
Pentru unele fluide (abur supraicircncălzit de icircnaltă presiune abur saturat apă agenți frigorifici uleiuri) rezistența superficială RLi se poate neglija reprezentacircnd sub 1 din rezistența totală
rezistența termică liniară a peretelui conductei este
r [mm]
iz sp p
tff
tp1
tee
t
[oC]
di
de
diz
dsp
tp2
tp3
tp4 ФL
Izolaţii termice
9
RLp = id
edln
p2
1
[mmiddotgrdW] (17)
Pentru conductele metalice conductivitatea termică a materialului are valori ridicate ( gt 15 WmmiddotK) din care cauză rezistența termică RLp poate fi neglijată reprezentacircnd sub 1 din rezistența totală
rezistența termică liniară a stratului de izolație este
RLiz = ei
iz
iz d
d
2
1ln
[mmiddotgrdW] (18)
rezistența termică liniară a stratului protector este
RLsp = izi
sp
sp d
d
2
1ln
[mmiddotgrdW] (19)
Icircn general stratul protector este realizat sub forma unui inveliș metalic (tablă vopsită tablă zincată tablă din aluminiu) sau sub forma unui strat de tencuială cu grosimi de (10hellip20) mm Icircn Tabelul 19 este indicată conductivitatea termică λsp [WmmiddotK] pentru cacircteva materiale utilizate la realizarea stratului protector
Tabelul 19 Conductivitatea termică λsp
Material ρ [kgm3] λsp [WmmiddotK]
Ciment și gips 900hellip1000 023 la 50ordmC
Pastă bituminoasă și mastic asfaltos
1000hellip1150 030 la 50ordmC
Ciment 1600hellip1900 029 la 50ordmC
Strat anticoroziv 1000hellip1100 017hellip023 la 50ordmC
Icircn cazul icircnvelisului metalic rezistența termică RLsp poate fi neglijată
Icircn cazul stratului de tencuială rezistența termică RLsp reprezintă pacircnă la 20 din rezistența totală
rezistența superficială liniară a mediului ambiant este
RLe = espid
1
[mmiddotgrdW] (110)
Rezistența superficială liniară a mediului ambiant funcție de diametrul conductei și de amplasarea acesteia este data icircn Tabelul 110
Pentru calcule exacte valorile coeficientului de convecție la contactul intre stratul protector și mediu ambiant icircn funcție de amplasarea conductei sunt prezentate icircn Tabelul 111
Rezultă rezistența termică a stratului de izolație
e
iz
izLeLspLpLi
L
efLiz
d
d
2
1RRRR
Q
ttR ln
[mmiddotgrdW] (111)
Grosimea stratului de izolație termică
LeLpLi
L
efiz
e
iz RRRQ
tt2
d
d
ln [m] (112)
de unde
Izolaţii termice
10
1
d
dd50
e
izeiz [m] (113)
Tabelul 110 Rezistența superficială liniară a mediului ambiant
Dn [mm]
Conducte icircn icircncăperi Conducte icircn aer liber cu coeficient mic de
radiație a icircnvelișului cu coeficient mare de radiație a icircnvelișului
Temperatura fluidului transportat tf [ordmC]
100 300 500 100 300 500 100 300 500
32 050 035 030 033 022 017 012 009 007
40 045 030 025 029 020 015 010 007 005
50 040 025 020 025 017 013 009 006 004
100 025 019 015 015 011 010 007 005 004
125 021 017 013 013 010 009 005 004 003
150 018 015 011 012 009 008 005 004 003
200 016 013 010 010 008 007 004 003 003
250 013 010 009 009 007 006 003 003 002
300 011 009 008 008 007 006 003 002 002
350 010 008 007 007 006 005 003 002 002
400 009 007 006 006 005 004 002 002 002
500 0075 0065 006 005 0045 004 002 002 0016
600 0062 0055 005 0043 0038 0035 0017 0015 0014
700 0055 0051 0045 0038 0035 0032 0015 0013 0012
800 0048 0045 0042 0034 0031 0029 0013 0012 0011
900 0044 0041 0038 0031 0028 0026 0012 0011 0010
1000 0040 0037 0034 0028 0026 0024 0011 0010 0009
2000 0022 0020 0017 0015 0014 0013 0006 0006 0005
Observatii
Pentru temperaturi ale fluidului transportat tf lt 100ordmC se aleg valorile pentru tf = 100ordmC
Invelișurile cu coeficient mic de radiație sunt executate din tablă zincată tablă din aliaje de aluminiu și aluminiu oxidat tablă vopsită cu lacuri din aluminiu
Invelișurile cu coeficient mare de radiație sunt executate din tencuială plăci de sticlă diverse vopsele (exclusive din aluminiu)
Grosimea stratului de izolație termică se standardizează funcție de materialul ales
Tinacircnd seama de stratul protector din ciment și paste bituminoase cu diverse grosimi se calculează grosimea reală a stratului de izolație cu coeficientul de corecție ∆[mm] cu valori date icircn Tabelul 112
Tabelul 111 Valorile coeficientului de convecție la contactul intre stratul protector și mediu ambiant
Amplasarea conductei
Icircn icircncăperi Icircn aer liber la viteza
vacircntului w [ms] cu coeficient mic de radiație a icircnvelișului
cu coeficient mare de radiație a icircnvelișului
5 10 15
orizontală 6 10 20 25 35
verticală 7 11 25 35 50
Observatie Icircn absența datelor privind viteza vacircntului se admite w = 10 ms
Tabelul 112 Coeficientul de corecție ∆[mm]
δsp [mm]
λiz [WmmiddotK] 007 008 009 010 011 012
Izolaţii termice
11
10 2 2 2 3 3 3
15 3 3 4 4 5 5
20 4 4 5 6 6 7
La alegerea grosimii stratului de izolație termică trebuie să se țină seama și de tasarea materialului prin coeficientul de tasare Kt definit ca raportul dintre volumul construcției termoizolate icircn funcțiune și volumul contrucției la montaj Se recomandă Kt gt 1 pentru a preveni deprecierea izolației termice
Pentru cacircteva materiale termoizolatoare valorile coeficientului de tasare sunt recomandate icircn Tabelul 113
Tabelul 113 Valorile coeficientului de tasare Kt
Material Kt
Saltele din vată minerală perforată 12hellip13
Saltele din vată de sticlă cu legătură sintetică 16
Saltele și plăci din vată minerală moale cu legătură sintetică
15
Plăci semirigide din vată minerală cu legătură sintetică 12
Plăci semirigide din vată de sticlă cu legătură sintetică 115
Plăci moi din vată minerală cu legătură din bitum 15
Plăci semirigide din vată minerală cu legătură din bitum 12
Grosimea stratului de izolație termică la montaj va fi
ize
izetizo
2d
dK
[m] (114)
Valorile fluxului termic liniar (unitar) ФL [Wm] icircn funcție de diametrul exterior al conductei neizolate de [m] temperature fluidului transportat tf [ ordmC] și de amplasarea conductei sunt prezentate icircn Tabelul 114
Tabelul 114 Valorile fluxului termic liniar
de [mm]
tf [ ordmC]
80 100 180 200 250
a b a b a b a b a b
10 8 13 21 24 35 37 48 49 62 60
20 12 15 27 31 43 47 58 63 74 79
32 14 17 33 36 50 53 67 72 86 90
48 15 21 36 42 57 62 76 84 98 105
57 16 24 37 47 62 67 81 91 105 112
76 17 29 43 52 67 77 91 100 115 126
89 19 33 45 58 72 83 95 108 122 133
108 26 36 52 64 79 90 105 117 131 145
133 31 41 62 70 88 99 117 129 140 158
159 36 44 70 76 98 109 130 140 163 172
194 41 49 77 85 108 120 144 151 178 188
219 46 53 81 91 116 128 154 163 192 204
273 49 62 91 101 129 145 170 186 213 230
325 52 70 99 116 142 163 186 209 233 256
377 58 82 107 133 152 181 204 231 254 279
426 62 95 114 149 163 201 221 254 273 302
478 70 104 127 158 180 215 238 273 294 326
529 77 110 140 169 198 228 256 285 314 349
630 95 121 163 186 227 254 294 320 364 384
Izolaţii termice
12
720 110 134 186 205 256 277 326 345 395 416
830 128 157 209 233 291 309 366 384 442 463
920 157 180 238 262 320 344 401 430 483 512
1020 174 209 262 297 349 384 430 473 523 564
Observatii
a-conducte izolate amplasate icircn icircncăperi și canale cu temperatura medie a aerului te = (20hellip30) ordmC
b-conducte izolate amplasate icircn aer liber cu temperatura medie te = (0hellip15) ordmC și conducte subterane amplasate icircn canale nevizitabile cu temperatura medie a solului te = 5 ordmC
Fluxul termic total transmis prin suprafața conductei izolate va fi
Ф=ФLmiddotLC [W] (115)
unde
Lc [m] este lungimea de calcul (echivalentă) a conductei se calculează cu relația
Lc = KmiddotL+l [m] (116)
K - coefficient ce ține seama de pierderile suplimentare de căldură prin elementele de susținere a conductei (Tabelul 115)
L [m] - lungimea conductei
l [m] - lungimea de conductă izolată care echivalează pierderile de căldură prin armăturile de icircnchidere (vane ventile Tabelul 116 și prin icircmbinări (pentru icircmbinări cu flanșe se recomandă l = 1hellip15 m)
Tabelul 115 Valorile coeficientului K
Modul de susținere a conductei
Coeficientul K conducte amplasate icircn
icircncăperi conducte amplasate icircn
aer liber
prin agățare 110 115
prin rezemare 115 125
Tabelul 116 Lungimea de conductă izolată care echivalează pierderile de căldură prin armăturile de icircnchidere
di [mm]
Conducte icircn icircncăperi Conducte icircn aer liber
tf = 100 ordmC
tf = 400 ordmC tf = 100 ordmC tf = 400 ordmC
100 25 50 45 60
500 30 75 60 85
Dacă lungimea conductei nu este cunoscută se mărește valoarea coeficientului K astfel
pentru conducte amplasate icircn icircncăperi K = 12
pentru conducte amplasate icircn aer liberi K = 125
122 Calculul grosimii izolației termice pentru o temperatură dată pe suprafața acesteia
Normele de protecție a muncii impun temperatura pe suprafața exterioară a conductei izolate egală cu 50 ordmC pentru stratul protector din tencuială și 55 ordmC pentru stratul protector metalicTemperatura de 60 ordmC este limita maxima admisibilă peste care apare accidentarea prin arsură a personalului de exploatare
Conform notațiilor din Figura 13 (conductă care transportă fluide calde) fluxul termic liniar (unitar) se calculează cu relația
Izolaţii termice
13
e4pspeLpLizLspLi
4piL ttd
RRRR
tt
[Wm] (117)
Rezistențele termice RLi și RLp pot fi neglijate
Grosimea stratului de izolație termică se calculează icircn două etape
se neglijează rezistența termică a stratului protector RLsp = 0 și rezultă
24pee
4piiz
e
iz
e
iz
ttd
tt2
d
d
d
d
ln (118)
Ecuație de forma xmiddotlnx = const (x = dizde) rezolvarea ei făcacircndu-se grafic sau prin icircncercări
Rezultă
1
d
dd50
e
izeiz [m] (119)
ținacircnd seama de stratul protector se calculează grosimea reală a stratului de izolație termică cu coeficientul de corecție ∆ [mm] (Tabelul 112)
δizrsquo = δiz - ∆ [mm] (120)
Se calculează fluxul termic liniar (unitar) ΦL [Wm] și apoi modificacircnd grosimea stratului de izolație se verifică temperatura impusă tp4 [ ordmC]
Determinarea necesarului de căldură și apă caldă pentru un imobil
14
2 Determinarea necesarului de căldură și apă caldă pentru un imobil
Casa este situata icircn judetul Galati orasul Galati icircn partea de nord a orasului Este amplasata pe un teren cu suprafata de 300mp ea icircn sine avand o amprenta la sol de 123mp
Orasul Galati se situeaza icircn zona climatica numarul II Conform standardului ldquoSR1907 - 1 - 2014rdquo temperatura de referinta pentru aceasta zona este de -15 degC
Icircn figura de mai jos este reprezentat imobilul ce va trebui incalzit Este desenat icircn programul Archicad și prezinta urmatoarele vederi
Figura 21 Planul casei cu dimensiuni și orientare dupa punctele cardinala
Determinarea necesarului de căldură și apă caldă pentru un imobil
15
Figura 22
Figura 23 Vedere fata Nord
Determinarea necesarului de căldură și apă caldă pentru un imobil
16
Figura 24 Vedere fata Sud
Figura 25 Vdere fata Est
Determinarea necesarului de căldură și apă caldă pentru un imobil
17
Figura 26 Vedere fata Vest
Figura 27 Vedere de ansamblu
Determinarea necesarului de căldură și apă caldă pentru un imobil
18
Dimensiunile casei și a incaperilor sunt afisate icircn tabelul urmator
Incapere Suprafata mp
1 Hol intrare+ Living + Hol 3353
2 Dormitor mare 1804
3 Dromitor mic 12
4 Bucatarie 112
5 Baie mare 48
6 Baie mica 475
7 Camera tehnica 72
Total suprafata 9152
Total perimetru casa 444 m
21 22 Determinarea necesarului de căldură și apă caldă menajeră pentru imobil
Pentru studiul necesarului de flux termic este nevoie sa cunoastem posibilele pierderi de căldura cat si modul de utilizare al acesteia Ecuatia generala a bilantului termic ce se foloseste icircn calcularea fluxului de căldura
Q = Q1+ Q2+ Q3 [W]
Q1- fluxul de căldura pierdut prin transmisie
Q2- fluxul de căldura necesar incalzirii aerului ventilat
Q3- fluxul de căldura necesar prepararii apei calde
Fluxul termic pierdut prin transmisie este distribuit intre elementele constructive ale casei si anume Q11 - pereti Q12 - podea Q13 - tavan Q14 - geamuri
Q1= Q11+ Q12+ Q13+ Q14 [W]
Formula care se utilizeaza icircn calculul pentru fiecare fux termic icircn parte este comuna celor patru elemente
Q1i= Si middot Ki middot (tint - text) [W]
Unde Si - suprafata totala calculata a fiecarui element icircn parte se iau icircn considerare doar elementele care au legatura cu exteriorul [m2] ki - coeficientul global de transfer termic specific fiecarui element icircn parte [Wm2C] tint - temperatura din interiorul imobilului [degC] text - temperatura exterioara Icircn cazul podelei de utilizeaza temperatura solului șisau a pivnitei [degC]
Coeficientul global de transfer termic se calculeaza dupa formula
ki = 120783
120783
120514119842 + sum
120517119842
120524119842+
120783
120514119838119847119843=119842
[Wm2C]
Unde αi = coeficientul de transfer convectiv din interior αi = 8 Wm2C αe = coeficientul de transfer termic convective din exterior αe = 20 Wm2C λi - conductivitatea termica a stratului i pe care il aflam din fisa tehnica am materialului stratului respectiv [WmmiddotK] δi- grosimea stratului I [m]
Temperatura ce trebuie mentinuta icircn interiorul imobilului este de 22 degC
Coeficentul de convectie termica αi = 8
211 Mers de calcul pentru Q1
Q11 - flux termic pierdut prin pereti
Specificatii perete exeterior
Tencuiala δ 0025 m Grosime
Determinarea necesarului de căldură și apă caldă pentru un imobil
19
interioara λ 093 WmmiddotK Conductivitate termica
Rt 0026882 m2middotKW Rezistenta termica
Zidarie BCA δ 03 m Grosime
λ 014 WmmiddotK Conductivitate termica
Rt 2142857 m2middotKW Rezistenta termica
Tencuioala exterioara
δ 0025 m Grosime
λ 093 WmmiddotK Conductivitate termica
Rt 0026882 m2middotKW Rezistenta termica
Vata bazaltica δ 01 m Grosime
λ 0037 WmmiddotK Conductivitate termica
Rt 2702703 m2middotKW Rezistenta termica
Placa fibrocement
δ 001 m Grosime
λ 02 WmmiddotK Conductivitate termica
Rt 005 m2middotKW Rezistenta termica
Tencuiala decorativa
δ 0005 m Grosime
λ 093 WmmiddotK Conductivitate termica
Rt 0005376 m2middotKW Rezistenta termica
K11 = 1
1
120572119894+
1205751
1205821+
1205752
1205822+
1205753
1205823+
1205754
1205824+
1205755
1205825+
1205756
1205826+
1
120572119890 =
11
8 +
0025
093+
03
014+
0025
093+
01
0037+
001
02+
0005
093+
1
22
K11 = 0194943188 Wm2C
S11 = h middot lp = 3 middot 3901 = 11703 m2
h - inaltimea peretelui [m]
lp - lungimea perimetrala a peretelui [m] (din care s-au scazut suprafetele vitrate)
Δt = ti - te = 22 + 15 = 37degC
ti - temperatura interioara
te - temperatura exterior
Q11 = K11 middot S11 middot Δt = 0194943188 middot 11703 middot 37 = 8441254483 W
Perete exterior
ti 22 degC αi 8 Wm2 k
te -15 degC αe 22 Wm2 k
δ1 0025 m λ1 093 Wmk tp1 2109758812 degC
δ2 03 m λ2 014 Wmk tp2 2090352105 degC
δ3 0025 m λ3 093 Wmk tp3 5433603161 degC
δ4 01 m λ4 0037 Wmk tp4 523953609 degC
δ5 001 m λ5 02 Wmk tp5 -1427207206 degC
δ6 0005 m λ6 093 Wmk tp6 -1463303681 degC
tp7 -1467185023 degC
q 7219295 W
Determinarea necesarului de căldură și apă caldă pentru un imobil
20
Figura 28
Q12 - fluxul termic pierdut prin podea
Specificatii podea
Placa fibrocement
δ 001 m Grosime
λ 02 WmmiddotK Conductivitate termica
Rt 005 m2middotKW Rezistenta termica
Sapa δ 01 m Grosime
λ 0035 WmmiddotK Conductivitate termica
Rt 2857143 m2middotKW Rezistenta termica
Polistiren extrudat
δ 005 m Grosime
λ 0033 WmmiddotK Conductivitate termica
Rt 1515152 m2middotKW Rezistenta termica
K12 = 1
1
120572119894+
1205751
1205821+
1205752
1205822+
1205753
1205823+
1
120572119890 =
11
8 +
001
02+
01
0035 +
005
0033+
1
0
= 0219911 Wm2C
S12 - amprenta la sol a casei = 12296 m2
Δt = ti - te = 22 - 15 = 7degC
Temperature pentru podea este de 15degC
Q12 = K12 middot S12 middot Δt = 0219911 middot 12296 middot 7 = 1892818 W
Podea
ti 22 degC Αi 8 Wm2 k
te 15 degC Αe 0 Wm2 k
δ1 001 m λ1 02 Wmk tp1 2180757789 degC
Determinarea necesarului de căldură și apă caldă pentru un imobil
21
δ2 01 m λ2 0035 Wmk tp2 2173060904 degC
δ3 005 m λ3 0033 Wmk tp3 1733238927 degC
δ4 m λ4 Wmk tp4 15 degC
δ5 m λ5 Wmk tp5 degC
δ6 m λ6 Wmk tp6 degC
tp7 degC
q 1539377 W
Figura 29
Q13 - fluxul termic pierdut prin tavan
Specificatii tavan
Tencuiala δ 002 m Grosime
λ 093 WmmiddotK Conductivitate termica
Rt 0021505 m2middotKW Rezistenta termica
Placa beton armat
δ 013 m Grosime
λ 174 WmmiddotK Conductivitate termica
Rt 0074713 m2middotKW Rezistenta termica
Sapa δ 003 m Grosime
λ 026 WmmiddotK Conductivitate termica
Rt 0115385 m2middotKW Rezistenta termica
Vata bazaltica δ 015 m Grosime
λ 0037 WmmiddotK Conductivitate termica
Determinarea necesarului de căldură și apă caldă pentru un imobil
22
Rt 4054054 m2middotKW Rezistenta termica
Placa nivelanta δ 002 m Grosime
λ 026 WmmiddotK Conductivitate termica
Rt 0076923 m2middotKW Rezistenta termica
K13 = 1
1
120572119894+
1205751
1205821+
1205752
1205822+
1205753
1205823+
1205754
1205824+
1205755
1205825 +
1
120572119890 =
11
8+
002
093+
013
174+
003
026+
015
0037+
002
026+
1
22
K13 = 0219736 Wm2C
S13 = S12 = 12296 m2
Δt = ti - te = 22 + 15 = 37degC
Q13 = K13 middot S13 middot Δt = 0219736 middot 12296 middot 37 = 1000 W
Tavan
ti 22 degC αi 8 Wm2 k
te -15 degC αe 22 Wm2 k
δ1 002 m λ1 093 Wm k tp1 209751906 degC
δ2 013 m λ2 174 Wm k tp2 207988793 degC
δ3 003 m λ3 026 Wm k tp3 2018634954 degC
δ4 015 m λ4 0037 Wm k tp4 1924037163 degC
δ5 002 m λ5 026 Wm k tp5 -1399669009 degC
δ6 m λ6 Wm k tp6 -1462734204 degC
tp7 degC
q 8198475 W
Determinarea necesarului de căldură și apă caldă pentru un imobil
23
Figura 210
Q14 - fluxul temic pierdut prin suprafetele vitrate
Am ales un geam temopan cu trei randuri de sticla și cu tamplarie de lemn
K14 = 06 Wm2C
S14 = 2728 m2 suprafata ocupata de geamuri
Δt = ti - te = 22 + 15 = 37degC
Q14 = K14 middot S14 middot Δt = 06 middot 2728 middot 37 = 605616 W
Fereastra
ti 22 degC αi 8 Wmpk
te -15 degC αe 22 Wmpk
δ1 0005 m λ1 075 Wmk tp1 1992074356 degC
δ2 0018 m λ2 00177 Wmk tp2 1980984988 degC
δ3 0005 m λ3 075 Wmk tp3 2893865242 degC
δ4 0018 m λ4 00177 Wmk tp4 2782971565 degC
δ5 0005 m λ5 075 Wmk tp5 -1413301307 degC
δ6 m λ6 Wmk tp6 -1424390675 degC
tp7 degC
q 1663405 W
Determinarea necesarului de căldură și apă caldă pentru un imobil
24
Figura 211
Q1 = Q11 + Q12 + Q13 + Q14 = 8441254483 + 1892818 + 1000 + 605616
Q1 = 263871712 W
212 Mers de calcul pentru Q2
Q2 = n middot Q1
n - numarul de schimburi (07 08 1)
Q1 - fluxul de căldura pierdut prin transmisie
Q2 = 1 middot 263871712 =gt Q2 = 263871712 W
213 Mers de calcul pentru Q3
Q3 = 119898 middot119862119908 middot(119905119887minus119905119903)
120591 middot3600 [kW]
m - cantitatea de apa calda preparata [Kg]
m = n middot czn middot ρ [Kg]
ρ = 1000 Kgm3- densitatea apei [Kgm3] n = 4 - numarul de locatari =gt n
czn - consumul zilnic de persoana [l] gtgtgt czn = l middot 1000 = m3
Un consum de acm specific unui nivel de confort mediu la o temperature de 45degC vom avea un czn = 50 l de persoana
cw - căldura specifica a apei [KJKgC] =gt cw = 4186 KJKgmiddotC
tb - temperatura apei din boiler [C] =gt tb = 50degC
tr - temperatura apei de intrare [C] =gt tr = 10degC
Icircn general avem vara tr = 1217degC iar iarna tr = 5hellip10degC
120591 - timpul icircn care este incalzita apa [h] =gt 120591 = 4h
m = 4 middot (50 middot 1000) middot 1000 m = 200 Kg
Q3 = 200 ∙4186 ∙(50 ∙10)
4 ∙3600 =gt Q3 = 2325555556 W
Q = Q1 + Q2 + Q3 = 263871712 + 263871712 + 2325555556
Q = 7602989795 W =gt Q = 76 KW
Calculul necesarului de frig pentru depozit de fructe
25
3 Calculul necesarului de frig pentru depozit de fructe
31 31 Calculul grosimii izolatiilor
Regimul de funcţionare al spaţiilor frigorifice caracterizat prin valori coboracircte ale temperaturilor prin variaţia rapidă a acestora şi prin umiditatea mare a aerului icircncăperilor impune pentru izolaţiile termice ale pereţilor planşeelor şi pardoselilor condiţii deosebite Pereţii spaţiilor frigorifice despart două medii cu temperaturi diferite Fluxul de căldură ce pătrunde din exterior icircn camere care trebuie preluat de instalaţia frigorifică este direct proporţional cu diferenţa de temperatură dintre cele două feţe ale peretelui şi cu coeficientul global de transmitere a căldurii Izolarea se execută la spaţiile răcite atacirct la pereţi cacirct şi la tavan şi podea şi are ca rol icircmpiedicarea apariţiei condensului pe suprafaţa caldă a pereţilor incintelor frigorifice
Figura 31 Fig13 Variaţia de temperatură prin peretele termoizolant
Din exploatarea frigoriferelor se cunoaşte că prin icircnvelişul exterior al spaţiilor frigorifice trece icircn majoritatea cazurilor mai mult de jumătate din cantitatea totală de căldura ce pătrunde icircn icircncăperi Această cantitate de căldură se poate reduce prin majorarea grosimii stratului termoizolant Dar reducerea infiltraţiilor de căldură icircn acest tel nu se poate face nelimitat deoarece la o anumită grosime a stratului izolant adică la o anumită valoare a coeficientului k de transfer al căldurii costul construcţiei izolate va fi mai mare decacirct costul energiei ce reprezintă frigul economisit prin majorarea grosimii izolaţiei
De aceea se obişnuieşte a se folosi icircn calcule valori optime ale coeficientului k de transfer al căldurii calculacircndu-se astfel o grosime optimă a izolaţiei termice
Pentru izolarea pereţilor camerelor se vor folosi panouri tip sandwichFig15
Calculul necesarului de frig pentru depozit de fructe
26
Figura 32 Fig15 Construcţia panourilor de tip sandwich
Rolul panourilor plastifiate este de a preicircntacircmpina pătrunderea vaporilor icircn interiorul izolaţiei eliminacircnd necesitatea barierei de vapori Panourile folosesc metoda de icircmbinare nut-feder reducacircndu-se astfel transferul de căldură cu mediul extern
Deoarece avem un singur depozit vom adopta coeficienţii de transfer de căldură prin
convecţie funcţie de t
Aleg pentru t = = te - ti = 318 - 1 = 308 0C k = 023 Wm2K
Din catalogul de produse INCOLD Italia se alege poliuretan 100 mm = 0023 WmK
Tablă din oţel galvanizat plastifiat
Calculul necesarului de frig pentru depozit de fructe
27
Tabelul 317 Tabel24 Calculul grosimi izolației
ei
i
i
izizk
111
Coeficientul global de transfer de căldură se determină utilizand relaţia
eiz
iz
i
i
i
k
11
1
n
i i
i
1
- suma rezistenţelor termice ale tuturor straturilor din care este realizat
peretele[m2KW]
iz - grosimea stratului de izolaţie termică [m]
iz - conductivitatea termică a materialului izolator [WmK]
e - coeficient de convecţie pe partea exterioară a peretelui [WmK]
i - coeficient de convecţie pe partea interioară a peretelui [WmK]
32 32 Bilantul caloric al spatiului climatizat pe timp de vară Necesarul de frig pentru frigorifer
Se stabileşte consumul zilnic de frig pe icircntreg frigoriferul şi pentru fiecare icircncăpere icircn parte luacircndu-se icircn considerare cele mai nefavorabile condiţii de lucru
temperatura aerului exterior pentru luna cea mai caldă a anului
icircncărcarea maximă şi simultană a camerelor de refrigerare
Spaţiul frigorific
Perete k αi αe 1αi 1αe R 1k λiz
δiz
calc δiz
ales Kr
[Wm2K] [m2KW] [WmK] [m] [m]
N 0229 10 18 010 006 0590 4367 0023 0097 0100 023
E 0224 10 12 010 008 0618 4464 0023 0098 0100 023
DR S 0221 10 12 010 008 0618 4525 0023 0100 0100 023
V 0223 10 12 010 008 0618 4484 0023 0099 0100 023
T 0221 10 12 010 008 0618 4525 0023 0100 0100 023
P 0228 10 0 000 000 0435 4386 0023 0000 0100 023
N 0221 25 12 004 008 0558 4525 0023 0101 0100 023
E 0224 25 12 004 008 0558 4464 0023 0100 0100 023
CP S 0224 25 12 004 008 0558 4464 0023 0100 0100 023
V 0223 25 12 004 008 0558 4484 0023 0100 0100 023
T 0221 25 12 004 008 0558 4525 0023 0101 0100 023
P 0228 25 0 000 000 0435 4386 0023 0000 0100 023
Calculul necesarului de frig pentru depozit de fructe
28
camerele vecine celei căreia i se face calculul necesarului de frig sunt goale şi au temperatura vestibulului sau a sasului
Aceste calcule determină necesarul de frig pe categorii de consumatori grupaţi după temperatura cerută şi permit stabilirea puterilor frigorifice icircn vederea proiectării instalaţiei
Pentru calculele termice sunt necesare următoarele
planul frigoriferului care a fost stabilit
dimensiunile camerelor
temperaturile necesare icircn fiecare cameră
Se consideră
1degC icircn depozitele de refrigerate
orientarea frigoriferului după punctele cardinale
condiţii climatice icircn lunile cele mai călduroase pentru zona geografică respectivă
Consumul de frig se calculează pentru 24 ore cu relaţia
Qnec = Q1 + Q2 + Q3 + Q4 [kcal24h]
Q1 - neeesarul de frig pentru acoperirea pătrunderilor de căldură prin cenvecţie
conducţie şi radiaţie din mediul icircnconjurător prin pereţi pardosea și plafon
Q2 - necesarul de frig tehnologic pentru procesele de răcire refrigerere şi
congelare eliminarea căldurii de respiraţie seu pentru unele procese chimice şi
biochimice
Q3 - necesarul de frig pentru ventilarea camerelor frigorifice cu aer proaspat care
trebuie racit şi uscat
Q4 - necesarul de frig rezulticircnd din condiţii de exploatare acoperirea căldurii
provenite din iluminat din funcţionarea motoarelor căldura provenită de la persoanele ce
manipulează produsele datorită deschiderii uşilor etc
321 Consumul de frig Q1
Se determină pentru fiecare spaţiu icircn parte cu relaţia
RttkFQ1 [ W ]
F - reprezintă suprafaţa pereţilor a pardoselei şi a plafonului corespunzător fiecărui
spaţiu frigorific icircn parte icircn m2 Ca suprafaţă de transfer se va considera suprafaţa
exterioară a perimetrului izolat termic
k - reprezintă coeficientul global de transmitere a căldurii prin convecţie conducţie şi radiaţie
prin pereţi plafon şi pardoseală (toate izolate termic) icircn [W(m2 middot grd)] Valoarea coeficientului k a
fost calculată icircn tabelul 24 (kr)
Δt - reprezintă diferenţa de temperaturi dintre temperatura exterioară suprafeţei de
transfer termic considerată şi temperatura interioară spaţiului frigorific
Calculul necesarului de frig pentru depozit de fructe
29
Diferenţa de temperatură ΔtR se ia icircn consideraţie numai la pereţii exteriori şi la
plafoane care sunt şi acoperiş pentru clădire
ΔtR = 0degC pentru pereţi exteriori orientaţi spre N
ΔtR = (5 10)degC pentru pereţi exteriori orientaţi spre E V S-E S-V
ΔtR = 15 degC pentru pereţi exteriori orientaţi spre S
ΔtR = (15 18)degC pentru plafoane care sunt şi acoperiş (terasă)
Calculul valorilor mărimii sumQ1 se recomandă a se efectua tabelar conform tabelului 25
Valoarea mărimii sum Q1 la aparate se obţine prin icircnsumarea fluxurilor termice prin toate cele 6 suprafeţe delimitatoare
La stabilirea valorii mărimii sum Q1 se consideră doar unul dintre fluxurile termice prin suprafeţele ce separă spaţiile frigorifice vecine Pentru aparatele de răcire din spaţiile frigorifice se consideră situaţia cea mai grea pentru fiecare spaţiu icircn parte respectiv că spaţiile vecine nu sunt răcite
Spaţiul frigorifi
c
Perete
Dimensiuni
Supraf F
[m2]
Kr [Wm2K]
Δt [grd]
Δtr
Q1 [W] sumQ1 q a [m]
b [m]
N 15 4 60 023 308 42504
246068
708
E 7 4 28 023 308 8 24987 892
DR S 15 4 60 023 185 15 46202 770
V 7 4 28 023 308 19835 708
T 15 7 105 023 308 74382 708
P 15 7 105 023 158 38157 363
N 7 4 28 023 185 11914
133566
426
E 7 4 28 023 268 8 22411 800
CP S 7 4 28 023 268 15 26919 961
V 7 4 28 023 185 11914 426
T 7 7 49 023 268 30204 616
P 7 7 49 023 268 30204 616
Tabelul 318 Tebel25 Calculul valorilor mărimii Q1
322 Necesarul de frig Q2
sum Q2 - necesarul de frig tehnologic pentru procesele de răcire refrigerare şi
congelare
Q2d = mcp(tc-ti)=500003644 = 4186000(243600)= 842 kW
Q2c = 2600036419 = 1798160 = 208 KW
Q2 = 208 + 842 = 293 = 30kW
unde
Q2d - necesarul de frig tehnologic depozit
Q2c - necesarul de frig tehnologic camera de preracire
Calculul necesarului de frig pentru depozit de fructe
30
m - cantitatea de produse introduse icircn tunelul de congelare icircn kg
te ti - temperaturi specifice corespunzătoare temperaturii iniţiale a produsului cald
(24 ordmC) respectiv temperaturii finale a produsului refrigerat (1 ordmC)
Căldura specfifică mere cp = 364 [kJkgK]
323 Necesarul de frig Q3
Icircn funcţie de natura produselor din spaţiul frigorific este necesar uneori să se realizeze ventilarea spaţiului prin asigurarea unui anumit număr de schimburi ale aerului din incintă icircn 24h Ca exemplu icircntotdeauna va fi necesară ventilarea prin introducere de aer proaspăt icircn spaţiile de păstrare pentru legume fructe şi ouă refrigerate Aceste produse vii respiră icircn timpul păstrării şi necesită icircn consecinţă ventilarea spaţiilor de păstrare
Acest consum de frig se ia icircn considerare doar la depozitele de refrigerare care se ventilează Se stabilește cu relația
Q3 = V ∙ a ∙ ᵖi ∙ (hex - hi) [kJ24]
V - volumul camerelor ventilateicircn m3
a = 24 schimburi pe zi pentru depozitele de mere
ᵖi - reprezintă densitatea aerului la temperature interioară icircn kgm3
Pentru depozitele de refrigerare considerăm umiditatea relativă ᵠi = 95 și ti=1 ordmC
rezultacircnd icircn acest caz hi= 9 kJkg
Parametri aerului exterior pentru zona icircn care este amplasat depozitul sunt temp ex 318
și umiditatea ext 60 rezultand din diagram mollier entalpia aerului Calcul facut icircn
programul Coolpack
ρi = 12 kgm3
hex = 7519 kJkg
Q3 = 616 2 12 (7519 - 9) (243600)= 00025 kW
324 Necesarul de frig Q4
Q4 - frigul consumat pentru acoperirea pierderilor icircn timpul exploatarii datorat deschiderii
usilor a corpurilor de iluminat a motoarelor electrice a oamenilor Se admite Q4 =
(01hellip04)Q1
Q4 = 02 379617 = 759234 = 008 kW
Qtotal = sum 119824120783 + Q2 + Q3 + Q4 = 004 + 30 + 000025 + 008 = 3012 = 31 kW
33 33 Stabilirea directiei raportului de termoumiditate și trasarea procesului de conditionare a aerului pe diagrama i-X pe timp de vară
Icircn fig16 este reprezentat un agregat pentru condiţionarea aerului pe timp de vară cu recirculare parţială
Calculul necesarului de frig pentru depozit de fructe
31
Figura 33 Figura16 Schema aparatului de condiţionare a aerului pe timp de vară cu recirculare parţială
F - filtru V - vaporizator C - compressor K - condensator VL - ventil de laminare I - icircncălzitor Vt - ventilator
Procesele de lucru pot fi reprezentate icircn diagrama h-x ca icircn figura următore
Figura 34 Fig17
A reprezintă starea aerului recirculat provenit din spaţiul condiţionat iar E este starea aerului exterior
Aerul tratat icircn aparatul de condiţionare care se introduce icircn incintă avacircnd starea B
trebuie să preia degajările de căldură Qv [kW] şi de umiditate Wv [kgs]
Direcţia procesului suferit de aer icircn incintă este dată de raportul de termoumidificare εv
= Qv Wv
Prin punctul A se trasează dreapta avacircnd raportul de termoumidificare εv iar punctul B se fixează pe această dreaptă adoptacircndu-se o anumită diferenţă de temperatură faţă de starea A
Aerul recirculat A se amestecă cu aerul proaspăt E şi rezultă starea de amestec M De regulă xM gt xB deci aerul va trebui să fie uscat
Pe verticala din B se fixează starea D avacircnd xD= xB şi ᵩD = 90hellip98
Calculul necesarului de frig pentru depozit de fructe
32
Se uneşte M cu D iar apoi se prelungeşte acest segment pacircnă la intersecţia cu ϕ = 100 rezultacircnd starea P avacircnd temperatura tp
Circulacircnd aerul cu starea M peste o suprafaţă rece avacircnd temperatura tp se va obţine procesul de răcire şi uscare MD
Temperatura suprafeţei tp se asigură cu o instalaţie frigorifică a cărei temperature de vaporizare va fi t0 lt tp
Ultimul proces din aparatul de condiţionare va fi icircncălzirea finală DB
Calculul agregatului de condiţionare a aerului pe timp de vară se efectuează asemănător cu cel a agregatului de condiţionare a aerului pe timp de iarnă cu observaţia că pe timp de vară nu este necesară umidificarea
331 Date
Vtotal = 616 m3 tint = 1ᵒC tex = 318 φint = 90 φext = 60 ρaer = 12 [kgm3]
Starea A
tA = ti + 3 = 4deg xA = 00043[kj
kg] φA = 86 hA = 1489[
kj
kg]
Starea B
tB = 1degC xB = 00036 [kj
kg] φB = 90 hB = 1024[
kj
kg]
Starea E
tE = 318degC xE = 00171[kj
kg] φE = 60 hE = 7519[
kj
kg]
Starea M
hM =hE + n ∙ hA
n + 1=
7513 + 20 ∙ 1489
21= 1775[
kj
kg]
xM =xE + n ∙ xA
n + 1=
00171 + 20 ∙ 00043
21= 00049[
kj
kg]
Rezulta din diagrama Mollier
Starea D
hD = 108 [kj
kg] xD = 0003[
kj
kg] φD = 97
Raportul de recirculare n = 20
Debitul de aer ventilat V =Vtotal∙20
24h=
616lowast20
24= 513 [m3h]
Debitul masic m = V ∙ ρaer = 513 lowast 12 =
6156[kg
h]
3600= 0171 [kgs]
tp = minus3degC t0 = tp minus 9degC = minus3 minus 9 = minus12degC
Puterea termica a vaporizatorului ( puterea frigorifică )
ФV = Ф0
Puterea termica a icircncalzitorului
ФI = 119898 ∙ (hB - hD)
Cantitatea de apa condensată icircn unitatea de timp pe suprafața de racire este
Calculul necesarului de frig pentru depozit de fructe
33
ẆV = 119898 ∙ (XM - XD)
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
34
4 Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
Există două domenii principale icircn care se utilizează frigul artificial icircn lucrările de construcţii şi anume
icircngheţarea terenurilor acvifere icircn vederea săpării puţurilor de mină a barajelor a depozitelor de gaze lichefiate etc
prerăcirea componentelor betonului icircn cazul executării unor masive de beton ca de exemplu baraje
41 51 IcircNGHEŢAREA SOLULUI
411 511 CONSIDERAŢII GENERALE PRIVIND IcircNGHEŢAREA SOLULUI
Icircngheţarea artificială a solului reprezintă una dintre cele mai interesante şi icircn acelaşi timp şi importante aplicaţii practice a frigului artificial Totodată este una dintre primele aplicaţii industriale a tehnicii frigului şi care a asigurat o dezvoltare deosebită a industriei extractive Aşa se explică faptul că odată apărută maşina frigorifică cu absorbţie realizată icircn 1859 de către Ferdinand Carre este folosită la săparea primului puţ de mină prin icircngheţarea artificială a rocilor Dar nu numai industria minieră foloseşte icircn ultimul secol procedeul consolidării rocilor la săpararea unor lucrări subterane Lucrări inginereşti de tot genul ca metrouri staţii subterane de pompare rezervoare de gaze lichefiate poduri lucrări portuare şi altele asemănătoare amplasate icircn zone acvifere au fost realizate prin metoda consolidării prin frig a rocilor
Această metodă a consolidării rocilor prin frig artificial realizează icircn jurul lucrării inginereşti subterane un perete icircngheţat protector pe durata lucrărilor de construcţii Acest perete asigură o izolare hidraulică şi icircn acelaşi timp şi o protecţie mecanică Rezistenţa mecanică a rocilor creşte pe măsură ce temperatura lor scade icircncacirct metoda expusă mai sus prezintă avantajul reglării capacităţii portante a peretelui icircngheţat
Apa conţinută icircn terenuri prin icircngheţare capătă proprietăţile cimentului exprimate prin forţele de coeziune mari care apar icircntre cristalele de gheaţă şi grăunţii de rocă
Pentru obţinerea peretelui protector se folosesc sonde de icircngheţare forate pe conturul lucrării subterane şi prin care circulă agentul de răcire care poate fi un agent intermediar ca de exemplu saramura de clorură de calciu sau agentul frigorific de exemplu amoniacul Icircn funcţie de grosimea peretelui şi de rezistenţa mecanică pe care trebuie să o aibă se va alege temperatura agentului de răcire distanţa dintre sonde şi durata de icircngheţare
Instalaţia de consolidare prin frig a rocilor cuprinde trei părţi principale staţia frigorifică reţeaua de distribuţie a agentului de răcire (saramura) şi sondele de icircngheţare a solului
Staţia frigorifică cuprinde instalaţia frigorifică propriu-zisă cu comprimare mecanică de vapori sau prin absorbţie icircntr-o treaptă sau icircn două trepte Icircn funcţie de condiţiile de amplasament ale obiectivului staţia frigorifică poate fi de construcţie staţionară (icircn minerit) sau mobilă (la metrouri)
Reţeaua de distribuţie alcătuită din conducte metalice sau din mase plastice are rolul de a face legătura icircntre staţia frigorifică şi sondele de icircngheţare Pentru reducerea pierderilor de frig reţeaua de distribuţie se izolează termic
Sondele de icircngheţare constituie schimbătorul de căldură subteran prin care se extrage căldura de la terenul supus icircngheţării Icircn fig 51 se prezintă schiţa unei sonde de icircngheţare cu ajutorul saramurii Saramura rece cu temperatura icircntre -10 ordmC pacircnă la -35 ordmC
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
35
coboară prin ţeava interioară şi apoi se icircntoarce prin spaţiul inelar dintre cele două conducte concentrice
Figura 41 Fig 51 Sonda de icircngheţare 1 - şiu (tub scurt de oţel cu pereţi groşi rezistent) 2 - ţeava interioară 3 - ţeava exterioară (burlan de
icircngheţare) 4 - capul sondei
Circulaţia continuă a saramurii prin sonda de icircngheţare face ca rocile ce icircnconjoară sondele inclusiv apa conţinută icircn spaţiile libere să se răcească treptat Icircn jurul sondei icircncepe să se formeze stratul de rocă icircngheţată diametrul cilindrului de teren icircngheţat se măreşte icircn timp Aşa cum s-a arătat icircn capitolul 3 rezultă că dezvoltarea radială a cilindrului de rocă icircngheţată icircn jurul sondei se desfăşoară cu o viteza variabilă de icircnaintare la icircnceput viteza de icircnaintare a frontului de gheaţă este mai mare după care scade icircn timp Apoi se atinge stadiul staţionar de transfer de căldură cacircnd cilindrul nu mai creşte icircn dimensiuni Reiese că distanţa dintre sondele de icircngheţare este determinată de raza maximă a cilindrului de teren icircngheţat Pentru a realiza peretele icircngheţat care să reziste la solicitările la care este supus se impune ca distanţa dintre sondele vecine să fie mai mică decacirct raza maximă a terenului icircngheţat astfel icircncacirct cilindrii formaţi să se unească icircntre ei Icircn fig 52 se prezintă evoluţia icircn timp a icircngheţării terenului icircn jurul sondelor Icircn faza iniţială a icircnceput răcirea dar icircncă nu s-a format teren icircngheţat Icircn faza a II-a (după circa 20 zile) icircn jurul fiecărei sonde se formează cacircte un cilindru de teren icircngheţat fără ca aceştia să se unească Icircn faza a III-a (după circa 30 zile) cilindrii se icircntretaie şi formează peretele protector
Figura 42 Fig 52 Evoluţia cilindrilor individuali de rocă icircngheţată 1 - sonda de icircngheţare 2 - sonda de măsurători termice 3 - teren icircngheţat
Această evoluţie poate fi urmărită cu suficientă precizie prin măsurarea temperaturii masivului cu ajutorul unor sonde de măsurători termice 2 montate la distanţe bine stabilite de sondele vecine de icircngheţare Astfel icircn faza I-a temperatura este cea iniţială deci neafectată de prezenţa sondelor icircn faza a II-a temperatura este mai scăzută dar mai mare de 0 ordmC Cum icircn practică sondele de icircngheţare au o abatere de la poziţia verticală (sau de la cea impusă prin proiect) sondele de măsurători termice sunt prevăzute icircntre sondele
I II III
1
2 2 2
3 3
SARAMURĂ CALDĂ
IEŞIRE
INTRARE SARAMURĂ A E RECE
1
2
3
4
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
36
cele mai distanţate icircntre ele acolo unde evoluţia peretelui de protecţie este cea mai defavorabilă
Primele realizări inginereşti de consolidare prin frig artificial a terenurilor acvifere metodă prin care vor fi aduse la lumină multe bogăţii subterane sunt legate de numele inginerului de mine şi metalurgie Friederich Herman Poetsch El a obţinut icircn 27 februarie 1883 brevetul pentru procedeul său de adacircncire a puţurilor verticale icircn roci bogate icircn apă (şi curgătoare) Poetsch a reuşit să experimenteze procedeul său la adacircncirea unor puţuri de mină dar a avut şi multe insuccese icircncacirct la 9 iunie 1902 moare sărac şi dezamăgit Metoda de icircngheţare prin frig artificial a terenurilor a avut mare succes icircn Franţa Astfel numai icircn perioada 1892 - 1898 icircn bazinele carbonifere Nord şi Pas de Calais s-au săpat circa 20 puţuri pacircnă la o adacircncime de 100 m prin aplicarea metodei icircngheţării după planurile lui Poetsch
Desigur că nu ar putea fi omis numele lui Louis Gebhard care realizează numeroase lucrări de adacircncire a puţurilor prin icircngheţare atacirct icircn Germania cacirct şi icircn Franţa Anglia Olanda şi Polonia ceea ce face ca metoda propusă de Poetch să devină o tehnologie demnă de toată icircncrederea cu siguranţă absolută şi cu un mare randament
Gebhard un mare practician icircncepe sa folosească icircn locul instalaţiilor cu absorbţie realizate de F Carre pe cu cele cu comprimare mecanică de vapori realizate de Karl von Linde cu icircncepere din anul 1874
Poetsch icircn 1888 prevede extinderea procedeului de icircngheţare la construcţia podurilor la construcţii navale lucrări de fortificaţii la protecţia fundaţiilor subterane şi a bazinelor cu apă El susţine că poate să rezolve orice problemă sub apă chiar şi puţuri icircncepute şi abandonate
Icircn anul 1900 se depăşeşte bariera adacircncimii de 100 m Realizarea unor puţuri mai adacircnci (peste 100 m) ridică unele probleme icircn plus faţă de puţurile de mai mică adacircncime deoarece abaterile de la verticalitate pot conduce la formarea unor ferestre icircn peretele protector
Icircn ţara noastră această tehnologie de forare a unor puţuri de mină cacirct şi a galeriilor de metrou prin icircngheţarea solului a fost folosită cu icircncepere din anul 1961 aşa cum se prezintă icircn paragraful 513
412 512 CONSTRUCŢIA INSTALAŢIEI DE IcircNGHEŢARE A SOLULUI
Icircn funcţie de forma şi mărimea lucrării care se realizează la adăpostul terenului icircngheţat principial se pot utiliza următoarele tipuri de instalaţii
a) cu răcire indirectă denumită şi cu dublu schimb (fig53)
b)cu răcire directă icircn circuit icircnchis (fig 54)
c)răcire directă icircn circuit deschis (fig55)
a) Răcirea indirectă se utilizează icircn practică cel mai mult fiind cunoscută icircncă de la icircnceputurile metodei de icircngheţare a solului
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
37
Figura 43 Fig 53 Instalaţia frigorifică cu răcire indirectă 1 - compresor 2 - condensator3 - ventil de laminare 4 - vaporizator 5 - bazin de răcire a saramurii 6
- agitator 7 - pompă de saramură 8 - sonde de icircngheţare
Ca agent frigorific se poate folosi amoniacul sau freonii iar ca agent intermediar se utilizează soluţiile de clorură de calciu clorura de sodiu sau magneziu sărurile respective fiind relativ uşor de procurat
Instalaţiile frigorifice cuprind unul sau mai multe blocuri frigorifice Acest mod de compunere prezintă avantaje icircn ceea ce priveşte montarea cacirct şi exploatarea instalaţiilor se poate asigura o reducere icircn trepte a puterii frigorifice pe măsură ce creşte rezistenţa termică a stratului de teren icircngheţat
Componentele principale ale instalaţiei frigorifice se montează grupat pe cele trei secţiuni secţia de compresoare secţia condensatoarelor şi secţia vaporizatoarelor De regulă compresoarele se montează fie icircn aer liber atunci cacircnd tipul lor permite fie acoperite sub şarpante protectoare
Pe măsură ce se scot din funcţiune blocurile frigorifice se demontează şi se pot monta la un nou obiectiv
b) Răcirea directă icircn circuit icircnchis (fig 54) se utilizează icircn cazul icircn care adacircncimea de icircngheţare este mică
Figura 44 Fig 54 Instalaţia frigorifică cu răcire directă icircn circuit icircnchis 1 - compresor 2 - condensator 3 - ventil de laminare 4 - sonde de icircngheţare
Sondele de icircngheţare constituie vaporizatorul instalaţiei frigorifice Icircn cazul unor sonde de lungime mare icircnălţimea coloanei de agent frigorific este de asemenea mare Ca urmare a presiunii hidrostatice variabile şi temperatura de vaporizare este variabilă fiind mai mare
1
2
1111111 Apă
3
4
1
2
Apă 3
4
5
6
7
8
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
38
la capătul inferior şi mai mică la capătul superior Din acest motiv adacircncimea sondelor de icircngheţare nu poate depăşi anumite limite şi icircn plus se recurge la fragmentarea coloanei de lichid cu ajutorul unor pereţi despărţitori
Pierderile de agent frigorific mai mari decacirct icircn cazul răcirii indirecte reprezintă un alt inconvenient al acestui mod de răcire
c) Răcirea directă icircn circuit deschis constă icircn introducerea agentului frigorific (cel mai frecvent azot lichid) icircn sondele de icircngheţare fără ca acesta să mai fie folosit după vaporizare
La presiunea atmosferică azotul lichid fierbe la temperatura de -196 ordmC icircncacirct vaporii reci de azot icircnainte de a fi evacuaţi se folosesc de asemenea pentru congelarea solului fiind circulaţi prin sonde de icircngheţare (Fig 55)
Figura 45 Fig 55 Icircngheţarea cu azot lichid icircn două trepte 1 - ventil de laminare 2 - sonda de icircngheţare 3 - sonda de icircngheţare cu vapori de azot
Această metodă se foloseşte cacircnd se urmăreşte o icircngheţare rapidă şi volumul de teren icircngheţat este redus
Se vor prezenta icircn continuare unele elemente constructive ale instalaţiilor de icircngheţare
Reţeaua de saramură (fig 56) are rolul de a asigura transferul de căldură de la sol către agentul frigorific Cuprinde două schimbătoare de căldură cel subteran alcătuit din sondele de icircngheţare şi cel de suprafaţă reprezentat de vaporizatorul imersat icircn saramură Icircntre cele două schimbătoare de căldură există conducte magistrale distribuitoare - colectoare şi racorduri la sonde
Saramura răcită prin intermediul vaporizatorului 1 este circulată cu pompa 2 prin magistrala de tur a reţelei 3 Sondele de icircngheţare 5 se leagă prin vane la distribuitorul 4 şi colectorul 6 ambele de construcţie inelară Printr-o asemenea construcţie şi mod de legare a sondelor prezentate icircn figura 56 se asigură o echilibrare a căderilor de presiune pe sondele de icircngheţare şi ca urmare o alimentare uniformă cu agent intermediar şi deci şi o răcire uniformă pentru toate sondele
1
2
AZOT LICHID
VAPORI
AZOT -40OC
3
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
39
Figura 46 Fig 56 Schema reţelei de saramură 1- vaporizatorul 2 - pompa de saramură 3 - magistrala de tur 4 - distribuitorul inelar 5 -sondele de
icircngheţare 6 - colectorul inelar 7 - magistrale de retur M - manometru D - debitmetru T - termometru
Magistralele 3 şi 7 de acelaşi diametru şi lungime variabilă (determinată de o serie de factori) se pot monta atacirct la suprafaţă cacirct şi icircn canal
Magistralele se dimensionează icircn funcţie de puterea frigorifică a schimbătorului de căldură subteran alcătuit din sondele de icircngheţare
F0 qNHd [W] (51)
unde d - diametrul exterior al sondei de icircngheţare m
H - adacircncimea de icircngheţare m
N - numărul de sonde de icircngheţare
qF - densitatea fluxului termic raportat la suprafaţa exterioară a sondei La temperatura saramurii de - 20 ordmC se poate considera qF = (260290) Wm2
Debitul volumic V de agent intermediar icircn reţeaua de icircngheţare icircn funcţie de care se aleg
pompele se determină cu relaţia
tc
V o
(52)
icircn care este densitatea agentului intermediar kgm3
c - căldura specifică a agentului intermediar JkgK
t - creşterea temperaturii agentului (saramura) icircn sondele de icircngheţare K
La icircnceputul perioadei de răcire diferenţa de temperatură este t = 56 K ca apoi să scadă la 12 K
Icircn conductele magistrale se recomandă ca viteza saramurii să fie w = 0915ms
Icircn acest caz diametrul conductelor de transport a saramurii este dat de relaţia
w
V4D
[m] (53)
Icircn funcţie de valoarea determinată pentru D se aleg conducte metalice de diametru nominal cuprins icircntre 75200 mm Dacă rezultă D gt 200 mm se vor alege două conducte cu diametrul mai mic de 200 mm
2
T
T
M
M D
D
NH
3
3
4
6
5
7
1
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
40
Conductele magistrale se realizează prin icircmbinări cu flanşe sau sudate iar la lungimi mai mari de 100150 m se vor prevedea coturi compensatoare Pentru reducerea pierderilor de frig magistralele vor fi izolate termic
Distribuitorul de saramură răcită şi colectorul de saramură de la sonde sunt construcţii metalice identice
Icircn figura 57 se prezintă modul de racordare a sondelor de icircngheţare 5 la distribuitorul 1 şi colectorul 2 Vanele 3 asigură icircnchiderea deci oprirea circulaţiei şi reglajul debitului Prin aceste vane se poate izola o anumită sondă care nu funcţionează normal sau la care se observă o anumită defecţiune
Figura 47 Fig 57 Racordarea sondelor de icircngheţare la distribuitor şi colector 1 - distribuitor 2 - colector 3 - vane 4 - racord elastic 5 - sonda de icircngheţare
Poziţia distribuitorului şi colectorului faţă de racircndul sondelor de icircngheţare poate fi laterală de o singură parte sau laterală de ambele părţi ale sondelor Amplasamentul trebuie astfel făcut icircncacirct să fie posibilă vizitarea supravegherea şi eventual icircnlocuirea sondelor de icircngheţare
Racordarea sondelor la distribuitor şi colector se face prin cacircte un racord elastic (fig 57) Dimensionarea distribuitoarelor şi a colectoarelor se face din condiţia ca viteza saramurii să nu depăşească 0915 ms
Coloanele de distribuţie şi colectare urmăresc icircn teren forma şirului de sonde de icircngheţare şi pot avea acelaşi traseu sau trasee diferite Configuraţia traseului poate fi icircn linie sau circulară Icircn oricare din situaţiile prezentate distanţele dintre ştuţurile de racord şi sondele de icircngheţare sunt variabile astfel icircncacirct racordurile rigide prin flanşe şi sudură sunt greu de realizat Cea mai practică soluţie de racord icircn acest caz este furtunul de cauciuc (fig 57)
Icircn reţeaua de saramură poate pătrunde aer prin procesul de pompare ceea ce conduce la intensificarea acţiunii corosive a saramurii Icircn scopul icircndepărtării aerului nedorit pe partea superioară a conductelor icircn punctele cele mai ridicate ale acestora se montează robineţi de evacuare periodică a aerului şi eventual a altor gaze
Pe conductele magistrale se vor monta aparate de măsură şi control debitmetre termometre şi manometre (fig 56) Icircn acest caz se poate aprecia funcţionarea fiecărei sonde după depunerile exterioare de gheaţă pe racordul metalic sau de cauciuc lăsate neizolate termic tocmai icircn acest scop Icircn scopul urmăririi regimului de lucru sub aspect
5
4
1
2 3
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
41
hidraulic şi termic icircn mod individual se pot monta aparate de măsură şi control pe fiecare sondă de icircngheţare dar această soluţie este mai costisitoare
Sonda de icircngheţare realizează transferul de căldură de la terenul ce urmează a fi icircngheţat spre agentul frigorific (la răcirea directă) sau agentul intermediar (la răcirea indirectă)
Icircn figura 51 s-a prezentat schema de principiu a unei sonde de icircngheţare cu saramură activă pe toată lungimea Conducta exterioară sau burlanul de icircngheţare 3 este o conductă din oţel etanşă şi rezistentă la eforturile mecanice care apar datorită presiunii solului şi variaţiei de temperatură icircntre momentul fixării ei icircn sol şi cel al funcţionării la o temperatura sub 00C
Icircn procesul de icircngheţare coloana de burlane care poate atinge lungimi de sute de metri se contractă icircnsă nu liber deoarece ea este stracircnsă icircn masivul de roci La o variaţie de temperatură icircntre momentul iniţial (fără saramură) şi momentul pornirii circulaţiei de saramură de 400C conducta din oţel de 500 m adacircncime ar trebui să se contracte cu
tHH = 500 11 10-6 40 = 0220 m = 22 cm
Datorită fixării coloanei icircn gaura forată efortul unitar de icircntindere ce apare icircn urma scăderii temperaturii este
tE = 22 1010 11 10-10 40 = 968 105 Nm2 = 9680 Ncm2
La acest efort de icircntindere apărut datorită contracţiei coloanei se mai adaugă efortul de acelaşi semn provocat de dilatarea masivului de rocă acviferă icircngheţată Icircn scopul compensării eforturilor de icircntindere s-a propus icircmbinarea coloanei cu nipluri elastice O asemenea soluţie este mai scumpă şi icircn plus micşorează secţiunea liberă de curgere ceea ce conduce la icircncălzirea excedentară a saramurii
La lucrări subterane de mare adacircncime ca puţurile de mină depozite subterane se folosesc burlane de 1397 x 7 mm pentru a fi posibilă determinarea abaterii de la poziţie verticală
La tunelurile de metrou şi icircn general la lucrările la care adacircncimea de icircngheţare nu depăşeşte 50 - 60 m diametrul cel mai frecvent utilizat este 1143 x 7 mm
Ţeava interioară 2 (fig 51) numită şi tub de alimentare de regulă ţeava uşoară de instalaţii de 50 mm diametrul se introduce icircn burlanul exterior 3 fără icircnsă a atinge şiul de bază 1 al sondei Se asigură icircn acest mod un volum minimal de depuneri solide care circulă cu saramura icircn mod incidental Icircn scopul economisirii de metal tubul de alimentare poate fi din material plastic ceea ce prezintă marele avantaj al lipsei coroziunii şi al refolosirii materialului respectiv
Şiul de fund are rolul de a asigura icircnchiderea burlanului exterior icircn partea sa inferioară Cel mai adesea are formă conică pentru a asigura introducerea cu uşurinţă a coloanei metalice icircn gaura de sondă Această componentă a sondei de icircngheţare se execută fie prin turnare sau se confecţionează cu ajutorul sudurii
Corespunzător profilului geologic al terenului icircn care se lucrează se icircntacirclnesc şi cazuri cacircnd nu este nevoie să se icircngheţe terenul pe toată icircnălţimea sondelor ci numai la partea lor inferioară Icircn acest caz se folosesc sonde de icircngheţare zonală (fig 58) cu ajutorul cărora se asigură congelarea doar a zonei inferioare ceea ce prezintă avantaje economice deosebite nu se consumă energie pentru a icircngheţa icircn mod inutil formaţiuni geologice consistente şi uscate şi nu se reduce ritmul lucrărilor de săpare printr-o eventuală mărire a rezistenţei rocilor
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
42
Figura 48 Fig 58 Sonda de icircngheţare zonală
1 - burlan exterior 2 - tub de alimentare 3 - şiu 4 - tub de evacuare
Figura 49 Fig59 - Sonda de icircngheţare cu agent
frigorific 1 - tub exterior 2 - perete despărţitor 3 - şiu 4 -
ştuţ (ţeavă de preaplin) 5 - condensator - vaporizator
Icircn cazul răcirii directe sondele de icircngheţare cu agent frigorific sunt de construcţie specială (fig 59) Particularitatea acestor sonde este prezenţa pereţilor despărţitori 2 dispuşi unul sub celălalt la circa 3 m fiecare perete fiind prevăzut cu un ştuţ de preaplin O asemenea construcţie are rolul de a fracţiona coloane de lichid ceea ce asigură o răcire mai uniformă pe lungimea sondei
Fiecare sondă este prevăzută la partea superioară cu cacircte o cămaşă de răcire Sondele se umplu cu amoniac lichid icircntr-o asemenea cantitate icircncacirct fiecare secţie să fie icircnecată cu lichid respectiv pacircnă la partea superioară a ştuţurilor 4 Ca urmare a fluxurilor de căldură de la sol se produce fierberea amoniacului icircn toate secţiile sondei Vaporii formaţi se ridică prin ştuţurile 4 şi ajungacircnd la partea superioară a sondei se condensează cedacircnd căldură agentului (amoniac) din cămăşile de răcire
Ca urmare cămăşile de răcire de la partea superioară a sondelor constituie vaporizatorul instalaţiei frigorifice Amoniacul care se condensează la partea superioară a sondei curge icircnapoi (de sus icircn jos) prin ştuţurile 4 Folosirea pereţilor despărţitori şi a ştuţurilor micşorează influenţa presiunii hidrostatice a lichidului asupra temperaturii de vaporizare a amoniacului Asemenea sonde de icircngheţare se folosesc pentru lucrări de mică adacircncime
Amplasarea sondelor se face icircn funcţie de o serie de factori formă poziţia şi dimensiunile lucrării care se realizează structura terenului temperatura şi viteza agentului etc
Icircn cazul puţurilor de mină de secţiune circulară sondele se amplasează pe un cerc
concentric de diametru D mai mare decacirct diametrul de săpare Ds cu grosimea a peretelui icircngheţat
sDD (54)
Trebuie să se ţină seama şi de deviaţia sondelor de la poziţia verticală icircncacirct pentru adacircncimi mari se utilizează relaţia
3
2 4
1
VAPORI 5 LICHID
3
2
4 1
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
43
a21DD s (55)
unde a = 003 H este abaterea medie statistică de la verticală a sondelor
Distanţa dintre sonde se ia de obicei de 1014 m icircn terenuri rezistente şi de 0809 m icircn terenuri slabe
Pentru adacircncimi de peste 500 m se recomandă să se dispună sondele pe două cercuri concentrice pentru a se forma un perete de grosime mai mare şi deci mai rezistent
La icircngheţarea terenului icircn jurul puţurilor de secţiune dreptunghiulară sondele se pot dispune pe dreptunghi sau elipsă Icircn aceste situaţii centura de teren icircngheţat poate fi solicitată la icircntindere ceea ce este de nedorit deoarece limita de rezistenţa la icircntindere a terenurilor icircngheţate este de circa 3 ori mai mică decacirct limita rezistenţei la compresiune Din acest motiv chiar şi la puţurile de mină de secţiune dreptunghiulară sondele se dispun pe unul sau două cercuri (fig 510)
Pentru realizarea galeriilor icircnclinate icircngheţarea terenului se realizează cu sonde verticale (fig 511) sau combinat atacirct cu sonde verticale cacirct şi cu sonde icircnclinate (fig 512)
Distanţa dintre sondele verticale (fig 511) se ia de 23 m iar distanţa dintre racircnduri este de 1525 m
Se poate folosi cacircte un racircnd de sonde icircnclinate montate deasupra galeriei (fig 212 a) sau sonde icircnclinate sub galerie şi sonde verticale scurte deasupra galeriei (fig 512 b)
SONDA
154 m
16
6 m
226
262
85
SONDA
Figura 411 Fig 511 Amplasarea sondelor verticale pentru realizarea galeriei icircnclinate
Figura 411 Fig 510 Dispunerea sondelor icircn jurul puţurilor de mină de secţiune
dreptunghiulară
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
44
Figura 412 Fig 512 Realizarea galeriilor icircnclinate cu sonde verticale (1) şi sonde oblice (2)
I - secţiunea longitudinală II - secţiunea transversală a) sonde icircnclinate deasupra galeriei b) sonde icircnclinate sub galerie
413 513 UTILIZAREA METODEI DE IcircNGHEŢARE A SOLULUI IcircN ŢARA NOASTRĂ
a)Puţuri de mină
Aplicarea metodei de icircngheţare a solului pentru lucrări de minerit a avut loc la noi icircn ţară icircncepacircnd cu anul 1960 la puţul Godeni din bazinul carbonifer Cacircmpulung - Muscel Proiectul a fost elaborat icircn anul 1959 la IPROMIN Bucureşti iar lucrarea a fost executată cu Trustul Minier Argeş avacircnd icircn subantrepriză de specialitate Icircntreprinderea Frigotehnica Bucureşti şi Trustul de prospecţiuni explorări şi deschideri de mine noi Bucureşti
Adacircncimea de săpare a puţului Godeni a trebuit sa fie de 202 m Sondele de icircngheţare constituite din două ţevi concentrice (fig 51) cu diametrele exterioare de 146 mm şi respectiv 57 mm icircn număr de 27 au fost amplasate pe un cerc cu diametrul de 10 m la distanţa de 117 m una de alta
Instalaţia frigorifică a fost dimensionată cu mare precauţie pentru a avea o siguranţă mărită icircn funcţionarea ei Toate părţile componente ale instalaţiei frigorifice au fost proiectate şi executate icircn ţară
La proiectarea instalaţiei s-a avut icircn vedere funcţionarea de scurtă durată şi variaţia puterii frigorifice icircn timp S-a utilizat răcirea indirectă cu soluţie de clorură de calciu iar ca agent frigorific a fost folosit amoniacul Pentru a avea elasticitatea necesară icircn funcţionare la diferite puteri frigorifice au fost folosite grupuri de utilaje frigorifice şi anume
6 compresoare 4 AU - 20 (200000 kcal Nh =233 kW fiecare)
3 baterii de condensatoare atmosferice a cacircte 300 m2 (900 m2)
bazine pentru răcirea saramurii fiecare cu cacircte 2 vaporizatoare superintensive de 50 m2 (600 m2)
2 grupuri a cacircte 5 pompe pentru recircularea saramurii
Puterea frigorifică a instalaţiei montate a fost de 12106 kcal Nh =1395 kW şi s-a caracterizat prin următoarele date tehnice la exploatare
85
1
2
I 85
1
2
I
85
1
2
II
85
1
2 II
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
45
o suprafaţa de schimb de căldură a sondelor 2500 m2 o puterea instalaţiei 750 kW o debitul saramurii icircn
o icircn perioada activă 350 m3h o icircn perioada pasivă 70 m3h
o viteza de circulaţie a saramurii icircn sondă o tur 18 ms 036 ms o retur 029 ms 006 ms
o volumul rocilor icircngheţate circa 10000 m3 o consumul specific de frig mediu 50000 m3 o durata icircngheţării (perioada activă) 130 zile
Icircn timpul răcirii şi deci a icircngheţării solului puterea frigorifică scade icircn mod continuu icircncacirct treptat s-a scos din funcţiune cacircte un compresor icircn perioada pasivă (de săpare a puţului) s-a menţinut icircn lucru doar un singur compresor şi grupul de utilaje aferent
După terminarea lucrărilor de la puţul Godeni icircn anii următori aceeaşi instalaţie s-a montat la puţul Poenari din acelaşi bazin carbonifer unde sondele au fost amplasate pe un cerc cu diametrul de 11 m la distanţa de 128 m una de alta
Un alt puţ realizat prin această tehnologie de icircngheţare a solului a fost puţul Jugur de la acelaşi bazin carbonifer Centrala frigorifică a cuprins 15 compresoare 3 AV - 20 (150000 kcal Nh fiecare=175kW) repartizate icircn 5 linii tehnologice independente cu icircntreg utilajul aferent Fiecare linie este compusă din
o butelie de răcire intermediară BRI - 700 un condensator cu evaporare forţată CEF - 180 un bazin cu patru grupuri vaporizatoare intensive de cacircte 165 m2 (icircn total 66 m2)
Sondele de icircngheţare icircn număr de 27 bucăţi au fost prevăzute să se amplaseze pe un cerc cu diametrul de 104 m la distanţă de 121 m Sondele sunt de tipul celei indicată icircn figura 58 deci cu răcire zonală avacircnd următoarele caracteristici diametrul exterior al burlanului este de 146 mm iar tuburile interioare au 57 mm (la exterior) tubul de alimentare are lungimea de 430 m iar cel de evacuare este de 220 m Ca urmare sondele de icircngheţare trebuie să producă icircngheţarea solului numai pe adacircncimea de la 220 m la 430 m Prin proiect s-au prevăzut următoarele date temperatura saramurii - 35 ordmC viteza saramurii icircn conducte de tur 18 ms viteza icircn conducte de retur (pe adacircncimea de răcit) 06 ms durata icircngheţării (perioada activă) a fost de 75 zile
Au fost prevăzute temperaturi scăzute şi viteze mari de congelare deoarece cilindrul icircngheţat trebuie să preia presiuni de pacircnă la 56 bar
b)Tunelurile pentru metroul din Bucureşti
Icircncepacircnd cu anul 1976 pentru realizarea metroului din Bucureşti s-a procedat la aplicarea metodei de icircngheţare a solului icircntr-o zonă considerată experimentală dar cu realizări efective de galerii
Prin proiect s-a prevăzut consolidarea prin icircngheţare artificială a profilului de săpare a tunelurilor de metrou pe o lungime de circa 550 m pe ambele fire Amplasamentul sondelor s-a făcut icircn două variante (pentru experimentare) pentru un fir de tunel ambele racircnduri de sonde s-au fixat icircn profilul circular de săpare iar pentru cel de al doilea fir de tunel sondele au fost forate icircn afara profilului de icircnaintare (fig 513) Au fost folosite sonde cu saramură cu posibilitatea de icircngheţare pe toată icircnălţimea de 16 m cacirct şi sonde cu icircngheţare zonală icircntre adacircncimile de 7 m şi 16 m Distanţa dintre sonde a fost fixată la 14 m
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
46
Pentru a se icircmpiedica accesul apelor icircn frontul de săpare datorate unor eventuale zone neicircngheţate traseul de tunel icircngheţat a fost icircmpărţit icircn incinte icircnchise prin timpane transversale La distanţe de 3050 m icircn lungul traseului au fost montate sonde de icircngheţare aşezate icircn plan normal pe axul tunelului prin care să se icircnchidă accesul apelor spre frontul de săpare
Echipamentul frigorific principal cuprinde
- 8 compresoare frigorifice 3 AV - 20 funcţionacircnd icircntr-o treaptă pentru care
corespunde puterea frigorifică de 12 106 kcal Nh =1395 kW
- 4 condensatoare de evaporare forţată CEF - 250
- 3 bazine de răcire a saramurii echipate cu cacircte 4 grupuri de vaporizatoare superintensive de cacircte 51 m2 (total 612 m2)
- 3 grupuri de cacircte 2 pompe a 220 m3h pentru circulaţia saramurii pe traseele de distribuţie şi prin sonde
Figura 413 Fig513 Amplasamentul sondelor de icircngheţare
Centrala frigorifică este stabilă adăpostită icircntr-o baracă metalică demontabilă existacircnd posibilitatea de reamplasare rapidă a instalaţiei icircntr-un alt loc Agentul frigorific utilizat este amoniacul iar agentul intermediar este clorura de calciu
Icircn perioada principală de icircngheţare temperatura de vaporizare este to = -22 ordmC asiguracircnd răcirea saramurii la -17 ordmC iar pe retur saramura a avut temperatura cu 15 ordmC mai ridicată
La o asemenea lucrare realizată icircn oraş se impune protejarea contra icircngheţului a straturilor de deasupra galeriilor icircn care sunt amplasate instalaţiile de apă - canal ceea ce presupune folosirea sondelor cu icircngheţare zonală care să nu fie active la partea superioară
c) Puţuri pentru prospectarea balastierelor
Procedeul şi instalaţia frigorifică au avut caracter de noutate şi s-a aplicat icircncepacircnd cu anul 1966 la mai multe obiective icircn general pe văile racircurilor unde s-au construit hidrocentrale
A
A B
B
A-A
000 -300 -700 -1061 -1300
65
800
B-B
000 -300 -700 -1061 -1300
65
550
ARGILA
ARGILA
NISIP
NISIP
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
47
Echipamentul frigorific principal cuprinde un agregat frigorific pentru amoniac de 20000 kcal Nh = 233 kW rezervor de amoniac separator de lichid şi anexe - toate fiind montate pe o remorcă
S-au folosit sonde de icircngheţare cu agent frigorific icircn număr de 8 bucăţi cu diametrul exterior de 133 mm montate pe un cerc cu diametrul de 2 m la distanţa de 076 m lungimea lor fiind de 75 m Legarea sondelor la distribuitor şi colector s-a făcut cu racorduri flexibile
Sondele au o construcţie specială fiind prevăzute cu 4 pereţi transversali cu ştuţuri de preaplin formacircndu-se astfel 5 compartimente Agentul lichid se introduce icircn compartimentul cel mai de sus şi se scurge prin ştuţuri pacircnă la baza sondei Conducta de aspiraţie străbate toate compartimentele vaporii fiind aspiraţi din compartimentul cel mai de jos Circulaţia vaporilor formaţi se face ca şi a lichidului de sus icircn jos obţinacircndu-se astfel o răcire uniformă şi eficientă pe toată icircnălţimea sondei
Durata icircngheţării respectiv a formării centurii de teren icircngheţat la adăpostul căreia să se poată efectua săparea şi preluarea de probe de sol este de 10 zile
414 514 CAcircMPUL DE TEMPERATURĂ IcircN SOLUL IcircNGHEŢAT
Cacircnd prin sonda de icircngheţare circulă saramură a cărei temperatura este sub 0 ordmC practic - 20 ordmC-25 ordmC icircn jurul sondei se formează un cacircmp termic care icircn cazul unei singure sonde poate fi reprezentat prin suprafeţe cilindrice coaxiale de temperatură constantă (izoterme)
După distanţa radială se deosebesc icircn sol din punct de vedere termic trei zone zona cilindrică din imediata vecinătate a sondei care este icircn zona icircngheţată zona răcită cuprinsă icircntre suprafaţa cilindrică izotermă de 0 ordmC şi izoterma de temperatură naturală şi a treia zonă cea de temperatura naturală (fig 514)
Icircn zona icircngheţată temperatura masivului variază de la temperatura peretelui metalic al sondei pacircnă la 0 ordmC Icircn zona răcită temperatura masivului creşte de la 0 ordmC pacircnă la temperatura naturală a masivului
Figura 414 Fig 514 Cacircmpul de temperatură icircn jurul unei sonde de icircngheţare
Este important să se cunoască cacircmpul termic icircn terenul supus icircngheţării deoarece acesta oferă date privind zona de răspacircndire a consolidării rocilor prin solidificarea apei cacirct şi a
t [oC]
r [m]
t (r)
ZONA RACITA
ZONA INGHETAT
A
ts TEMPERATURA NATURALA A ROCII
-20
-10
40
10 0 20 30
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
48
rezistenţei mecanice a rocii icircngheţate Se cunoaşte faptul că rezistenţa mecanică depinde direct de temperatură
Studiul variaţiei temperaturii icircn zona de influenţă a unei sonde şi a tuturor sondelor simultan oferă posibilitatea calculării dimensiunilor la proiectarea construcţiei peretelui protector cacirct şi controlul procesului icircn timpul desfăşurării lucrărilor
Pentru a se stabili relaţia de variaţie a temperaturii icircn zona icircngheţată icircn funcţie de raza r se consideră ecuaţia diferenţială
dr
dtr2q (56)
icircn care q este fluxul unitar de căldură corespunzător lungimii de 1 m din sonda de icircngheţare Wm
- conductivitatea termica a terenului Wm
Integrarea directă a ecuaţiei analitice se poate face icircn ipoteze simplificatoare consideracircnd
= const şi q = const ceea ce este justificat la valori mari ale timpului de răcire
Se separa variabilele
r
dr
2
qdt
(57)
Se consideră cunoscute temperaturile t1 la suprafaţa sondei de raza r1 și t2 = 0 ordmC la raza r2 corespunzătoare suprafeţei exterioare a cilindrului icircngheţat Se integrează ecuaţia (6-7) și cunoscacircnd limitele de integrare se va determina constanta de integrare
Cr ln2
qt
(58)
pentru r = r1 t = t1 deci
11 rln2
qtC
(59)
1
1r
rln
2
qtt
(510)
Se pune condiţia ca pentru r = r2 t = t2
1
212
r
rln
2
qtt
(511)
Se elimina q intre relaţiile (510) și (511) şi se obţine
1
2
1121
r
rln
r
rln
tttt (512)
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
49
Figura 415 Fig 515 Schema schimbătorului de căldură subteran
Pentru t2 = 0 ordmC relaţia (5-12) devine
)rrln(
)rrln(tt
12
21 (513)
Icircn figura 515 se prezintă o secţiune axială printr-o sondă de icircngheţare şi variaţia temperaturii icircn limitele t0 - temperatura agentului de răcire şi ts - temperatura naturală a solului
Cantitatea de căldură transferată de la masivul neicircngheţat spre agentul de răcire prin unitatea de lungimea de conducta şi unitatea de timp se calculează cu expresia
221
2
1o
1
moo
os
d
1
d
dln
1
d
dln
2
1
d
1
ttq
(514)
Icircn calculele inginereşti cel mai frecvent se determină nu fluxul termic pe unitatea de lungime a conductei ci fluxul termic qF raportat la unitatea de suprafaţă a conductei metalice la 1 m2 de suprafaţa exterioară sau interioară Mărimea qF se calculează astfel
22
o
1
2
1
o
o
1
m
o
o
oS
o
F
d
d
d
dln
2
d
d
dln
2
d1
tt
d
(515)
Fluxul termic qF prin unitatea de suprafaţă a sondei de icircngheţare calculat pentru adacircncimea de 100 m icircn regim laminar de curgere a agentului de răcire prin spaţiul inelar al sondei cu viteza w = 01 ms la diametre ale cilindrului de rocă icircngheţata
de la 02 la 3 m pentru to = -20 ordmC do = 01 m 1 = 233 WmK variază de la 720 la 230 Wm2 aşa cum se poate observa din figura 516 şi tabelul 51
d2
d1
d0
t
qF
t0
t2
t1 2
m 1
m
ts
Conducta Teren icircngheţat Teren
neicircngheţat
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
50
Figura 416 Fig 516 Variaţia fluxului termic qF prin unitatea de suprafaţă a sondei de icircngheţare 1 - regim turbulent 2 regim laminar
Tabelul 51Variaţia fluxului termic qF [Wm2]
Diametrul cilindrului de rocă icircngheţată icircn m
02 04 05 08 10 15 20
qF regim laminar 1160 550 387 330 302
qF regim laminar 720 465 423 350 321 283 258
Se observă ca densitatea fluxului de căldura qF scade foarte mult de la 800900 Wm2 la icircnceputul operaţiei de consolidare prin frig a rocilor pacircnă la 230250 Wm2 cacircnd cilindrul de rocă icircngheţata atinge diametrul de 23 m Ca urmare a acestei situaţii şi puterea frigorifică a instalaţiei va scădea icircn decursul a 6080 zile tot cu raportul de 800230 = 35
Instalaţia frigorifică va fi constituită din grupuri de utilaje (module) ce vor fi scoase treptat din funcţiune pe măsură ce se reduce densitatea fluxului de căldură qF ca urmare a creşterii grosimii stratului de teren icircngheţat Icircn practică pentru calcule se va considera qF = (260290) Wm2
O mărime importanta pentru proiectarea instalaţiei şi aprecierea procesului de consolidare a rocilor este timpul de icircngheţare Pentru calculul duratei de icircngheţare se pot folosi relaţiile prezentate icircn capitolul 3 la formarea gheţii pe suprafeţe cilindrice exterioare La aprecierea valorii pentru ls - căldura latentă de solidificare se avea icircn vedere conţinutul de apă din terenul supus icircngheţării
Dacă icircntre relaţiile pentru dependenţele (r) şi qF(r) se elimină r se obţine dependenţa
qF() Eliminarea nu se poate face direct ci fie cu ajutorul calculatorului fie printr-o construcţie grafică prezentată icircn figura 517
Studiul variaţiei temperaturii icircn solul icircngheţat cacirct și variaţia icircn timp a densităţii fluxului de căldura se poate face cu ajutorul calculatorului electronic
1200
1000
800
600
400
200
0 05 1 15 2 25 3
qF [Wm2]
Diametrul cilindrului de rocă icircngheţată [m]
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
51
Figura 417 Fig 517 Stabilirea dependentei qF() pe baza dependentelor qF(r) și (r)
415 515 ELEMENTE DE PROIECTARE A INSTALAŢIEI FRIGORIFICE PENTRU IcircNGHEŢAREA SOLULUI
Pentru proiectarea instalaţiei frigorifice trebuie sa se stabilească la icircnceput elementele de baza și anume
- puterea frigorifică maximă care apare la icircnceputul perioadei de răcire cacircnd pătrunderile de căldura spre agentul de răcire din sondele de icircngheţare au valori mai mari temperatura de vaporizare a agentului frigorific plecacircnd de la temperatura minimă sau medie din solul icircngheţat şi avacircnd icircn vedere modul de răcire directă sau indirectă
Se calculează cantitatea totală de căldură ce trebuie extrasă din terenul supus răcirii şi icircngheţării Se cunoaşte structura terenului icircngheţat deci se cunosc icircnălţimile h1 h2hn ale diferitelor straturi componente cacirct şi proprietăţile termofizice ale acestora
Grosimea centurii de teren icircngheţat se stabileşte icircn urma calculelor de rezistenţa materialelor icircncacirct se pot calcula volumele ocupate de straturile componente V1 V2Vn
Cantitatea de căldură ce trebuie extrasă din zona icircngheţată cuprinde două componente și anume
cantitatea de căldura Qa corespunzătoare răcirii şi icircngheţării apei
cantitatea de căldura Qt necesara răcirii părţii solide a terenului
n
1kfgsikaakka tcltcVQ (516)
unde
k - reprezintă conţinutul icircn apă din stratul respectiv [m3m3]
a - densitatea apei [kgm3]
ca cg - căldura specifica a apei respectiv a gheţii Jkg K
tik - temperatura iniţiala a stratului respectiv (de ordinul k)
tf - temperatura medie finala a masivului icircngheţat
ls - căldura latentă de solidificare a apei
r
q
q
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
52
fik
n
1kkkkkt ttc1VQ
(517)
k - densitatea părţii de teren solid (uscat) din stratul k
ck - căldura specifică a terenului uscat din stratul k
Cantitatea de căldură extrasă din terenul răcit reprezintă circa 1018 din cantitatea de căldură extrasă din zona de teren icircngheţat
Deci cantitatea totală de căldură Q ce va trebui preluată de către instalaţia frigorifică se poate aprecia astfel
Q = (110118) (Qa + Qt) (518)
Cu relaţia (51) se calculează puterea frigorifica a instalaţiei adoptacircnd o valoare medie pentru densitatea fluxului de căldura qF
Se poate aprecia timpul de funcţionare a instalaţiei frigorifice
o
Q
(519)
La anumite grosimi ale cochiliei de teren icircngheţat icircn jurul sondei densitatea fluxului termic scade sub valoarea medie adoptată icircn calcule şi ca urmare icircncepacircnd de la acest moment se va putea reduce treptat puterea frigorifica a instalaţiei prin scoaterea din funcţiune a unor grupuri
La proiectare se pot avea icircn vedere unele recomandări practice pentru stabilirea necesarului de frig pentru icircngheţarea unui m3 la -10 ordmC este necesar un consum specific de frig de 66000 kJ la 10 umiditate de 155000 kJ la 35 umiditate și de 210000 kJ la 50 umiditate
42 52 RĂCIREA BETONULUI LA CONSTRUCŢIILE MASIVE
421 521 INSTALAŢII DE PRERĂCIRE A COMPONENTELOR BETONULUI
Formarea betonului din elementele sale componente (nisip pietriş ciment şi apă) este icircnsoţită de fenomene fizico - chimice icircn care se degajă căldură şi ca urmare temperatura acestuia creşte Icircn cazul unor masive din beton (baraje) dacă viteza de turnare (icircn sezonul cald cacircnd se efectuază construcţia) este mai mare şi nu se asigura evacuarea căldurii corpul rezultă la o temperatura medie mai mare decacirct temperatura medie anuală Răcirea naturală conduce la contracţia masivului şi ca urmare la apariţia sub acţiunea tensiunilor interne a unor fisuri
Pentru ca variaţiile de temperatura icircntre centrul barajului şi straturile exterioare să fie cacirct mai mici se impune ca masivul respectiv să fie turnat la temperatura medie anuală a zonei respective Icircn acest scop se pot folosi două metode prin prerăcirea componentelor betonului și prin răcirea masei barajului
Icircn vederea reducerii căldurii degajată icircn reacţia dintre ciment şi apă au fost realizate sortimente de ciment caracterizate prin călduri masice reduse ce se degajă icircn procesul de priză
Prin prerăcirea componentelor betonului se urmăreşte ca betonul sa aibă temperatura medie a locului de amplasament şi prin aceasta evitarea apariţiei unor diferenţe mari de temperatură ce pun icircn pericol construcţia
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
53
Icircn funcţie de valoarea diferenţei de temperatură care trebuie realizată se poate adopta o anumită schemă de răcire pentru fiecare component icircn parte sau numai pentru unele din aceste părţi componente
Se pot folosi instalaţii frigorifice cu comprimare mecanică de vapori pentru răcirea apei a aerului sau formarea gheţii mărunte utilizate la prerăcirea componentelor betonului Folosirea gheţii fulgi sau solzi este limitată atacirct din cauza conţinutului de apă impus cacirct şi ca urmare a pericolului ca gheaţa să nu se topească icircn procesul de malaxare ci la turnare sau icircn procesul de priză ceea ce duce la formarea de goluri icircn beton
De asemenea se pot folosi instalaţiile frigorifice cu ejecţie
Icircn vederea stabilirii necesarului de frig pentru preratildecirea componentelor betonului se calculează mai icircntacirci cantitatea de catildelduratilde Qo1 ce trebuie evacuatatilde dintr-un m3 de beton avacircndu-se icircn vedere proporţiile icircn care participatilde cimentul nisipul pietrişul şi apa Fiecare component are o temperatură iniţialatilde şi urmeazatilde a fi răcit pacircnatilde la o temperatura finalatilde tf aceeaşi pentru toţi componenţii
fpppfnnnfccc1o ttcmttcmttcmQ
fnaanfpaapfaaa ttcmttcmttcm Jm3 (520)
unde
mc mn mp ma - masele de ciment nisip pietriş şi apă conţinute icircntr-un m3 de beton [kgm3]
cc cn cp cw - căldurile specifice masice ale cimentului nisipului pietrişului şi nisipul dintr-un m3 de beton [kgm3]
Puterea frigorifică se determină cu relaţia
3b1oo 10VQ [kW] (521)
icircn care bV reprezintă fluxul de betonare icircn m3s
Se prezintă icircn continuare cele mai folosite metode de prerăcire a componentelor betonului
4211 a) Instalaţie de prerăcire cu apă
Staţia de preparare a betonului este deservită de o instalaţie frigorifică cu comprimare mecanică de vapori care asigură răcirea apei
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
54
Figura 418 Fig 518 Schema de lucru a instalaţiei de prerăcire a betonului cu ajutorul apei 1 - ciment 2 - vagon nisip 3 - vagon pietris 4 - tancuri de răcire a pietrişului 5 - sită 6 - siloz de
nisip 7 - siloz de ciment 8 - rezervor de distribuţie 9 - răcitor de nisip 10 - răcitor de ciment 11 - răcitor de apă 12 - rezervor de apă răcită 13 - răcitor de apă 14 - instalaţie de prepararea betonului
I II III IV V - fazele de răcire a pietrişului
Icircn figura 518 se prezintă schema de lucru a unei asemenea instalaţii de prerăcire a betonului cu ajutorul apei folosită la construcţia barajului de la Detroit (SUA) Apa este răcită de la 16 la 15 ordmC şi transmisă apoi la instalaţia de preparare a betonului şi icircn cinci rezervoare a cacircte 90 m3 fiecare icircn care se răceşte pietrişul
Procesul de răcire a pietrişului cuprinde cinci faze
- faza I - introducerea apei icircn rezervor 10 minute
- fazele II şi III - introducerea simultană a apei şi a pietrişului 50 minute
- faza IV - evacuarea apei 15 minute
- faza V - evacuarea pietrişului 15 minute
Icircntregul proces de răcire a pietrişului durează 90 minute Pentru răcirea cimentului şi nisipului se utilizează schimbătoare de căldură cu ax elicoidal la care apa de răcire circulă prin arborele gol şi prin manta
Rezervoarele 12 pentru apa răcită au fiecare volumul de 114 m3
Beton 635oC
190 m3h
65oC
24oC
18oC
1
2
3
4
5
6
7
8
10
9
11
12
13
14
Apă 16oC
15oC
Cim
en
t
26 l
h
Nis
ip 1
12
lh
10
oC
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
55
42111 Aplicaţie numerică
Să se calculeze puterea frigorifică necesară prerăcirii betonului prin metode şi condiţiile prezentate mai sus Se cunosc următoarele date de calcul
mp = 1700 kgm3 beton
mc = 135 kgm3 beton
mn = 590 kgm3 beton
ma = 60 kgm3 beton
cc = cn = cp = 921 Jkg K
ca = 4180 Jkg K
map = 16 kgm3 beton
man = 38 kgm3 beton
tp = 18 ordmC
tc = 66 ordmC
tn = 21 ordmC tf = 635 ordmC
052803000
190Vb m3s
Se calculează componentele cantităţii de căldură Q01
3fcccc 10741735666921135ttcmQ Jm3
3fnnnn 10796135621921590ttcmQ Jm3
3fpppp 1024018356189211700ttcmQ Jm3
3faaaa 10420235616418060ttcmQ Jm3
3fpaapap 1077935618418016ttcmQ Jm3
3fnaaan 10232735621418038ttcmQ Jm3
Rezulta
3anapapnc1o 1039144QQQQQQQ Jm3
3o 10 206705280103914410VQ 33
b1o kW
4212 b) Instalaţii de prerăcire cu aer apă
Pentru răcirea componentelor betonului se utilizează icircn acest caz fie apa fie aerul ca agenţi intermediari răciţi cu ajutorul instalaţiilor frigorifice
Icircn figura 519 se prezintă schema unei asemenea instalaţii folosită la construcţia barajului de la Sariyar din Turcia
Răcirea aerului se poate face fie direct prin vaporizarea unui agent frigorific fie indirect cu un agent intermediar de răcire ca de exemplu saramura de clorură de calciu Aerul răcit pacircnă la -6 ordmC este suflat icircn silozurile cu pietriş de dimensiuni icircntre 4150 mm
Apa răcită icircn bazinul la pacircnă la 05 ordm este trimisă din colectorul 12 la staţia de preparare a betonului servind la scăderea temperaturii acestuia
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
56
Figura 419 Fig 519 Schema instalaţiei de prerăcire a betonului cu aer şi apă 1 - compresor 2 - condensator 3 - ventile de laminare 4 - vaporizatoare 5 - bazin de răcire a
saramurii 6 - pompă de saramură 7 - răcitor umed de aer 8 - ventilatoare 9 - silozuri de pietriş 10 - bazin de răcire a apei 11 - pompă 12 - colector de apă răcită
Figura 420 Fig 520 Schema instalaţiei de prerăcire cu aer şi apă 1 - siloz de pietriş şi nisip 2 - siloz de ciment 3 rezervor de apă 4 - răcitor de aer 5 - răcitor de apă
4 - răcitor de apă 6 - buncăr de sortare 7 - instalaţie de preparare beton
Pentru intensificarea procesului de răcire a pietrişului aerul este răcit sub 0 ordmC Acest procedeu are avantajul unei funcţionări fără icircntrerupere a procesului de preparare a betonului dar prezintă şi o serie de dezavantaje debite foarte mari de aer de răcire posibilitatea antrenării particulelor fine de agregat icircn răcitorul de aer şi depunerea acestora pe suprafaţa de schimb de căldură Ca urmare instalaţia se va curăţa la circa 14 zile Icircn figura 520 se prezintă o altă schemă de instalaţie de prerăcire a betonului cu aer şi apă folosită la construcţia unui baraj din India
Apă
295oC
Ciment
433oC
Pietriş şi nisip
378oC
Apă 6oC
Ciment 433oC
Aer
Pietriş
45oC Nisip 222oC
22oC
Ap
ă
45
oC
Ap
ă 2
2o
C
Ae
r 5
5o
C
Be
ton
12
8o
C
Apă 22oC
2
1
3 4 5
8
9
5 7
12
1oC
11
05oC 9oC 9oC
-9oC
-10oC -10oC
-10oC 2oC
6oC
10 4 4 6
8 8
8
8 8
9 9 9 9
1
2
3 3
7
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
57
Pietrişul şi nisipul se separă icircntre ele icircn buncărul de sortare 6 şi apoi fiecare circulă pe cacircte o bandă transportoare prin camera de răcire 7 Pietrişul este răcit cu ajutorul apei
Fig
ura
42
1 F
ig 5
21
Sc
he
ma
in
sta
laţi
ei
de
ră
cir
e icirc
n v
id a
co
mp
on
en
telo
r b
eto
nu
lui
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
58
reci icircncacirct ajunge la o temperatură mai scăzută decacirct nisipul răcit cu aer Prin camera 7 se circulă şi aer rece care se introduce la temperatura de 55 ordmC Cimentul se introduce la instalaţia de preparare a betonului 9 fără a fi răcit
O altă posibilitate de prerăcire a agregatelor (pietriş şi nisip) şi a apei utilizată mai recent la construirea barajelor icircntrebuinţează răcirea icircn vid la care agregatele uşor umezite icircn recipiente sub presiune se răcesc după nevoie (prin reglarea vacuumului) la o temperatură mai scăzută sau mai ridicată Căldura necesară evaporării umidităţii de pe agregate şi din ele (apa legată) este luată chiar de la corpurile respective (pietriş nisip) şi ca urmare acestea se răcesc
O asemenea instalaţie utilizată la Hortwell icircn SUA (figura 521) cuprinde 3 recipienţi de cacircte 150 m3 pentru răcirea pietrişului şi 3 recipienţi de cacircte 80 m3 pentru răcirea nisipului
Pietrişul şi nisipul cu temperatura maximă de 43 ordmC se pot răci pacircnă la temperatura necesară de 45 ordmC Pentru realizarea vidului necesar se folosesc două cazane de abur care produc 77 th fiecare
422 522 RĂCIREA INTERIOARĂ A MASIVULUI DE BETON
Prerăcirea betonului se recomandă icircn condiţiile unei zone tropicale sau temperate de amplasare a construcţiei masive nu se recomandă icircn cazul amplasării barajului icircn munţi unde temperatura aerului este scăzută Icircn asemenea situaţii se recomandă răcirea betonului prin conducte amplasate icircn masiv prin care circulă apă rece
La răcirea interioară cu conducte montate icircn beton are loc o eliminarea a căldurii simultan cu producerea ei icircn procesul de priză producacircndu-se şi o răcire pacircnă la temperatura necesară Pentru răcire se folosesc conducte de oţel cu diametre de 1525 mm montate la distanţe de 1223 m icircn plan orizontal şi de 153 m icircn plan vertical Lungimea conductelor icircntr-un m3 de beton este de 0204 şi a fiecărei serpentine de 140250 m
Debitul apei de răcire ce circulă prin 1 m3 de beton este de (0553) dm3h
Figura 422 Fig 522 Reţea de conducte de răcire a betonului icircn secţiunea unui baraj 1 - galerie pentru măsurători 2 - galerie de conducte de apă de răcire
Serpentinele se montează şi se fixează pe suprafaţă de beton (fig522) Capetele serpentinelor se leagă de o coloană verticală prin mufe metalice sau de cauciuc Diametrul distribuitorului şi al coloanei este cuprins icircntre 150200 mm După montaj aceste conducte se verifică la presiunea de lucru
1 2
Ax
a
ba
raju
lui
Izolaţii termice
7
Perete icircntre camere de congelare și depozite de produse congelate
046
Perete icircntre camere de congelare și depozite de produse refrigerate
035
Perete icircntre un depozit de produse congelare și un depozit de produse congelate
046
Pentru diverse construcții cu pereți executați din panouri mari de beton valorile coeficientului total de transfer de căldură sunt prezentate icircn Tabelul 18
Tabelul 18 Valori ale coeficientului total de transfer de căldură pentru pereți executați din panouri mari de beton
Material Greutate specifica ρ [kgm2]
Grosime perete δ [mm]
k [Wm2 middotK]
Perete interior
Perete exterior
Panouri mari icircn strat omogen tencuiți interior și exterior
1300 260 15119 13491
1350 300 14537 13142
Panouri mari icircn trei straturi avacircnd la interior și exterior beton armat iar la mijloc termoizolație
- plăci semirigide din vată minerală
1600 200 13374 12095
- sticlă spongioasă 1450 220 12793 11630
- plută minerală 1600 200 12793 11630
12 Izolarea termică a pereților cilindrici
Calculul termic al sistemelor de conducte reprezintă un caz particular al transferului de căldură icircntre două fluide despărțite de un perete format din unul sau mai multe straturi Icircn functie de temperatura fluidului transportat se deosebesc două categorii de conducte izolate termic
conducte care transportă fluide calde (Figura 13) la care izolația termică are drept scop reducerea pierderilor de căldură și de temperatură icircn mediul ambiant și asigurarea unor temperaturi pe suprafața exterioară icircn conformitate cu normele de protecție a muncii
conducte care transportă fluide reci (Figura 14) la care izolația termică are drept scop micșorarea absorbției de căldură din mediul ambiant și evitarea condensării umiditătii din aer pe suprafața conductelor
Figura 13 Variatia temperaturii icircn peretele conductelor care transportă fluide calde
r [mm]
iz sp p
tf f
tp1
te e
t
[oC]
di
de
diz
dsp
tp2
tp3 tp4
ФL
Izolaţii termice
8
Figura 14 Variatia temperaturii icircn peretele conductelor care transportă fluide reci
121 Calculul grosimii izolației termice pentru un flux termic liniar cunoscut (condiții la limită de speța a II-a)
Se consideră o conductă cu un strat de izolație de bază și un strat protector (Figura 13 pentru conducte care transportă fluide calde și Figura 14 pentru conducte care transportă fluide reci) Icircn vederea calculării grosimii izolației termice sunt necesare următoarele date
amplasarea conductei și temperatura mediului ambiant te [ordmC]
dimensiunile conductei di și de [m]
temperatura fluidului transportat tf [ordmC]
construcția și materialul izolației termice iz [WmK]
modul de susținere a conductei armăturile și compensatoarele de dilatație Fluxul termic liniar (unitar) transmis prin conducta izolată se calculează cu relația
LeLspLizLpLi
efL
RRRRR
tt
[Wm] (15)
unde
rezistența superficială liniară a fluidului transportat este
RLi = iid
1
[mmiddotgrdW] (16)
Rezistența superficială liniară RLi se ia icircn calcule icircn următoarele cazuri
- la diametre ale conductei di lt 50 mm dacă i lt 150 Wm2middotgrd
- la diametre ale conductei 50 lt di lt 500 mm dacă i lt 120 Wm2middotgrd
- la diametre ale conductei di gt 500 mm dacă i lt 90 Wm2middotgrd
Pentru unele fluide (abur supraicircncălzit de icircnaltă presiune abur saturat apă agenți frigorifici uleiuri) rezistența superficială RLi se poate neglija reprezentacircnd sub 1 din rezistența totală
rezistența termică liniară a peretelui conductei este
r [mm]
iz sp p
tff
tp1
tee
t
[oC]
di
de
diz
dsp
tp2
tp3
tp4 ФL
Izolaţii termice
9
RLp = id
edln
p2
1
[mmiddotgrdW] (17)
Pentru conductele metalice conductivitatea termică a materialului are valori ridicate ( gt 15 WmmiddotK) din care cauză rezistența termică RLp poate fi neglijată reprezentacircnd sub 1 din rezistența totală
rezistența termică liniară a stratului de izolație este
RLiz = ei
iz
iz d
d
2
1ln
[mmiddotgrdW] (18)
rezistența termică liniară a stratului protector este
RLsp = izi
sp
sp d
d
2
1ln
[mmiddotgrdW] (19)
Icircn general stratul protector este realizat sub forma unui inveliș metalic (tablă vopsită tablă zincată tablă din aluminiu) sau sub forma unui strat de tencuială cu grosimi de (10hellip20) mm Icircn Tabelul 19 este indicată conductivitatea termică λsp [WmmiddotK] pentru cacircteva materiale utilizate la realizarea stratului protector
Tabelul 19 Conductivitatea termică λsp
Material ρ [kgm3] λsp [WmmiddotK]
Ciment și gips 900hellip1000 023 la 50ordmC
Pastă bituminoasă și mastic asfaltos
1000hellip1150 030 la 50ordmC
Ciment 1600hellip1900 029 la 50ordmC
Strat anticoroziv 1000hellip1100 017hellip023 la 50ordmC
Icircn cazul icircnvelisului metalic rezistența termică RLsp poate fi neglijată
Icircn cazul stratului de tencuială rezistența termică RLsp reprezintă pacircnă la 20 din rezistența totală
rezistența superficială liniară a mediului ambiant este
RLe = espid
1
[mmiddotgrdW] (110)
Rezistența superficială liniară a mediului ambiant funcție de diametrul conductei și de amplasarea acesteia este data icircn Tabelul 110
Pentru calcule exacte valorile coeficientului de convecție la contactul intre stratul protector și mediu ambiant icircn funcție de amplasarea conductei sunt prezentate icircn Tabelul 111
Rezultă rezistența termică a stratului de izolație
e
iz
izLeLspLpLi
L
efLiz
d
d
2
1RRRR
Q
ttR ln
[mmiddotgrdW] (111)
Grosimea stratului de izolație termică
LeLpLi
L
efiz
e
iz RRRQ
tt2
d
d
ln [m] (112)
de unde
Izolaţii termice
10
1
d
dd50
e
izeiz [m] (113)
Tabelul 110 Rezistența superficială liniară a mediului ambiant
Dn [mm]
Conducte icircn icircncăperi Conducte icircn aer liber cu coeficient mic de
radiație a icircnvelișului cu coeficient mare de radiație a icircnvelișului
Temperatura fluidului transportat tf [ordmC]
100 300 500 100 300 500 100 300 500
32 050 035 030 033 022 017 012 009 007
40 045 030 025 029 020 015 010 007 005
50 040 025 020 025 017 013 009 006 004
100 025 019 015 015 011 010 007 005 004
125 021 017 013 013 010 009 005 004 003
150 018 015 011 012 009 008 005 004 003
200 016 013 010 010 008 007 004 003 003
250 013 010 009 009 007 006 003 003 002
300 011 009 008 008 007 006 003 002 002
350 010 008 007 007 006 005 003 002 002
400 009 007 006 006 005 004 002 002 002
500 0075 0065 006 005 0045 004 002 002 0016
600 0062 0055 005 0043 0038 0035 0017 0015 0014
700 0055 0051 0045 0038 0035 0032 0015 0013 0012
800 0048 0045 0042 0034 0031 0029 0013 0012 0011
900 0044 0041 0038 0031 0028 0026 0012 0011 0010
1000 0040 0037 0034 0028 0026 0024 0011 0010 0009
2000 0022 0020 0017 0015 0014 0013 0006 0006 0005
Observatii
Pentru temperaturi ale fluidului transportat tf lt 100ordmC se aleg valorile pentru tf = 100ordmC
Invelișurile cu coeficient mic de radiație sunt executate din tablă zincată tablă din aliaje de aluminiu și aluminiu oxidat tablă vopsită cu lacuri din aluminiu
Invelișurile cu coeficient mare de radiație sunt executate din tencuială plăci de sticlă diverse vopsele (exclusive din aluminiu)
Grosimea stratului de izolație termică se standardizează funcție de materialul ales
Tinacircnd seama de stratul protector din ciment și paste bituminoase cu diverse grosimi se calculează grosimea reală a stratului de izolație cu coeficientul de corecție ∆[mm] cu valori date icircn Tabelul 112
Tabelul 111 Valorile coeficientului de convecție la contactul intre stratul protector și mediu ambiant
Amplasarea conductei
Icircn icircncăperi Icircn aer liber la viteza
vacircntului w [ms] cu coeficient mic de radiație a icircnvelișului
cu coeficient mare de radiație a icircnvelișului
5 10 15
orizontală 6 10 20 25 35
verticală 7 11 25 35 50
Observatie Icircn absența datelor privind viteza vacircntului se admite w = 10 ms
Tabelul 112 Coeficientul de corecție ∆[mm]
δsp [mm]
λiz [WmmiddotK] 007 008 009 010 011 012
Izolaţii termice
11
10 2 2 2 3 3 3
15 3 3 4 4 5 5
20 4 4 5 6 6 7
La alegerea grosimii stratului de izolație termică trebuie să se țină seama și de tasarea materialului prin coeficientul de tasare Kt definit ca raportul dintre volumul construcției termoizolate icircn funcțiune și volumul contrucției la montaj Se recomandă Kt gt 1 pentru a preveni deprecierea izolației termice
Pentru cacircteva materiale termoizolatoare valorile coeficientului de tasare sunt recomandate icircn Tabelul 113
Tabelul 113 Valorile coeficientului de tasare Kt
Material Kt
Saltele din vată minerală perforată 12hellip13
Saltele din vată de sticlă cu legătură sintetică 16
Saltele și plăci din vată minerală moale cu legătură sintetică
15
Plăci semirigide din vată minerală cu legătură sintetică 12
Plăci semirigide din vată de sticlă cu legătură sintetică 115
Plăci moi din vată minerală cu legătură din bitum 15
Plăci semirigide din vată minerală cu legătură din bitum 12
Grosimea stratului de izolație termică la montaj va fi
ize
izetizo
2d
dK
[m] (114)
Valorile fluxului termic liniar (unitar) ФL [Wm] icircn funcție de diametrul exterior al conductei neizolate de [m] temperature fluidului transportat tf [ ordmC] și de amplasarea conductei sunt prezentate icircn Tabelul 114
Tabelul 114 Valorile fluxului termic liniar
de [mm]
tf [ ordmC]
80 100 180 200 250
a b a b a b a b a b
10 8 13 21 24 35 37 48 49 62 60
20 12 15 27 31 43 47 58 63 74 79
32 14 17 33 36 50 53 67 72 86 90
48 15 21 36 42 57 62 76 84 98 105
57 16 24 37 47 62 67 81 91 105 112
76 17 29 43 52 67 77 91 100 115 126
89 19 33 45 58 72 83 95 108 122 133
108 26 36 52 64 79 90 105 117 131 145
133 31 41 62 70 88 99 117 129 140 158
159 36 44 70 76 98 109 130 140 163 172
194 41 49 77 85 108 120 144 151 178 188
219 46 53 81 91 116 128 154 163 192 204
273 49 62 91 101 129 145 170 186 213 230
325 52 70 99 116 142 163 186 209 233 256
377 58 82 107 133 152 181 204 231 254 279
426 62 95 114 149 163 201 221 254 273 302
478 70 104 127 158 180 215 238 273 294 326
529 77 110 140 169 198 228 256 285 314 349
630 95 121 163 186 227 254 294 320 364 384
Izolaţii termice
12
720 110 134 186 205 256 277 326 345 395 416
830 128 157 209 233 291 309 366 384 442 463
920 157 180 238 262 320 344 401 430 483 512
1020 174 209 262 297 349 384 430 473 523 564
Observatii
a-conducte izolate amplasate icircn icircncăperi și canale cu temperatura medie a aerului te = (20hellip30) ordmC
b-conducte izolate amplasate icircn aer liber cu temperatura medie te = (0hellip15) ordmC și conducte subterane amplasate icircn canale nevizitabile cu temperatura medie a solului te = 5 ordmC
Fluxul termic total transmis prin suprafața conductei izolate va fi
Ф=ФLmiddotLC [W] (115)
unde
Lc [m] este lungimea de calcul (echivalentă) a conductei se calculează cu relația
Lc = KmiddotL+l [m] (116)
K - coefficient ce ține seama de pierderile suplimentare de căldură prin elementele de susținere a conductei (Tabelul 115)
L [m] - lungimea conductei
l [m] - lungimea de conductă izolată care echivalează pierderile de căldură prin armăturile de icircnchidere (vane ventile Tabelul 116 și prin icircmbinări (pentru icircmbinări cu flanșe se recomandă l = 1hellip15 m)
Tabelul 115 Valorile coeficientului K
Modul de susținere a conductei
Coeficientul K conducte amplasate icircn
icircncăperi conducte amplasate icircn
aer liber
prin agățare 110 115
prin rezemare 115 125
Tabelul 116 Lungimea de conductă izolată care echivalează pierderile de căldură prin armăturile de icircnchidere
di [mm]
Conducte icircn icircncăperi Conducte icircn aer liber
tf = 100 ordmC
tf = 400 ordmC tf = 100 ordmC tf = 400 ordmC
100 25 50 45 60
500 30 75 60 85
Dacă lungimea conductei nu este cunoscută se mărește valoarea coeficientului K astfel
pentru conducte amplasate icircn icircncăperi K = 12
pentru conducte amplasate icircn aer liberi K = 125
122 Calculul grosimii izolației termice pentru o temperatură dată pe suprafața acesteia
Normele de protecție a muncii impun temperatura pe suprafața exterioară a conductei izolate egală cu 50 ordmC pentru stratul protector din tencuială și 55 ordmC pentru stratul protector metalicTemperatura de 60 ordmC este limita maxima admisibilă peste care apare accidentarea prin arsură a personalului de exploatare
Conform notațiilor din Figura 13 (conductă care transportă fluide calde) fluxul termic liniar (unitar) se calculează cu relația
Izolaţii termice
13
e4pspeLpLizLspLi
4piL ttd
RRRR
tt
[Wm] (117)
Rezistențele termice RLi și RLp pot fi neglijate
Grosimea stratului de izolație termică se calculează icircn două etape
se neglijează rezistența termică a stratului protector RLsp = 0 și rezultă
24pee
4piiz
e
iz
e
iz
ttd
tt2
d
d
d
d
ln (118)
Ecuație de forma xmiddotlnx = const (x = dizde) rezolvarea ei făcacircndu-se grafic sau prin icircncercări
Rezultă
1
d
dd50
e
izeiz [m] (119)
ținacircnd seama de stratul protector se calculează grosimea reală a stratului de izolație termică cu coeficientul de corecție ∆ [mm] (Tabelul 112)
δizrsquo = δiz - ∆ [mm] (120)
Se calculează fluxul termic liniar (unitar) ΦL [Wm] și apoi modificacircnd grosimea stratului de izolație se verifică temperatura impusă tp4 [ ordmC]
Determinarea necesarului de căldură și apă caldă pentru un imobil
14
2 Determinarea necesarului de căldură și apă caldă pentru un imobil
Casa este situata icircn judetul Galati orasul Galati icircn partea de nord a orasului Este amplasata pe un teren cu suprafata de 300mp ea icircn sine avand o amprenta la sol de 123mp
Orasul Galati se situeaza icircn zona climatica numarul II Conform standardului ldquoSR1907 - 1 - 2014rdquo temperatura de referinta pentru aceasta zona este de -15 degC
Icircn figura de mai jos este reprezentat imobilul ce va trebui incalzit Este desenat icircn programul Archicad și prezinta urmatoarele vederi
Figura 21 Planul casei cu dimensiuni și orientare dupa punctele cardinala
Determinarea necesarului de căldură și apă caldă pentru un imobil
15
Figura 22
Figura 23 Vedere fata Nord
Determinarea necesarului de căldură și apă caldă pentru un imobil
16
Figura 24 Vedere fata Sud
Figura 25 Vdere fata Est
Determinarea necesarului de căldură și apă caldă pentru un imobil
17
Figura 26 Vedere fata Vest
Figura 27 Vedere de ansamblu
Determinarea necesarului de căldură și apă caldă pentru un imobil
18
Dimensiunile casei și a incaperilor sunt afisate icircn tabelul urmator
Incapere Suprafata mp
1 Hol intrare+ Living + Hol 3353
2 Dormitor mare 1804
3 Dromitor mic 12
4 Bucatarie 112
5 Baie mare 48
6 Baie mica 475
7 Camera tehnica 72
Total suprafata 9152
Total perimetru casa 444 m
21 22 Determinarea necesarului de căldură și apă caldă menajeră pentru imobil
Pentru studiul necesarului de flux termic este nevoie sa cunoastem posibilele pierderi de căldura cat si modul de utilizare al acesteia Ecuatia generala a bilantului termic ce se foloseste icircn calcularea fluxului de căldura
Q = Q1+ Q2+ Q3 [W]
Q1- fluxul de căldura pierdut prin transmisie
Q2- fluxul de căldura necesar incalzirii aerului ventilat
Q3- fluxul de căldura necesar prepararii apei calde
Fluxul termic pierdut prin transmisie este distribuit intre elementele constructive ale casei si anume Q11 - pereti Q12 - podea Q13 - tavan Q14 - geamuri
Q1= Q11+ Q12+ Q13+ Q14 [W]
Formula care se utilizeaza icircn calculul pentru fiecare fux termic icircn parte este comuna celor patru elemente
Q1i= Si middot Ki middot (tint - text) [W]
Unde Si - suprafata totala calculata a fiecarui element icircn parte se iau icircn considerare doar elementele care au legatura cu exteriorul [m2] ki - coeficientul global de transfer termic specific fiecarui element icircn parte [Wm2C] tint - temperatura din interiorul imobilului [degC] text - temperatura exterioara Icircn cazul podelei de utilizeaza temperatura solului șisau a pivnitei [degC]
Coeficientul global de transfer termic se calculeaza dupa formula
ki = 120783
120783
120514119842 + sum
120517119842
120524119842+
120783
120514119838119847119843=119842
[Wm2C]
Unde αi = coeficientul de transfer convectiv din interior αi = 8 Wm2C αe = coeficientul de transfer termic convective din exterior αe = 20 Wm2C λi - conductivitatea termica a stratului i pe care il aflam din fisa tehnica am materialului stratului respectiv [WmmiddotK] δi- grosimea stratului I [m]
Temperatura ce trebuie mentinuta icircn interiorul imobilului este de 22 degC
Coeficentul de convectie termica αi = 8
211 Mers de calcul pentru Q1
Q11 - flux termic pierdut prin pereti
Specificatii perete exeterior
Tencuiala δ 0025 m Grosime
Determinarea necesarului de căldură și apă caldă pentru un imobil
19
interioara λ 093 WmmiddotK Conductivitate termica
Rt 0026882 m2middotKW Rezistenta termica
Zidarie BCA δ 03 m Grosime
λ 014 WmmiddotK Conductivitate termica
Rt 2142857 m2middotKW Rezistenta termica
Tencuioala exterioara
δ 0025 m Grosime
λ 093 WmmiddotK Conductivitate termica
Rt 0026882 m2middotKW Rezistenta termica
Vata bazaltica δ 01 m Grosime
λ 0037 WmmiddotK Conductivitate termica
Rt 2702703 m2middotKW Rezistenta termica
Placa fibrocement
δ 001 m Grosime
λ 02 WmmiddotK Conductivitate termica
Rt 005 m2middotKW Rezistenta termica
Tencuiala decorativa
δ 0005 m Grosime
λ 093 WmmiddotK Conductivitate termica
Rt 0005376 m2middotKW Rezistenta termica
K11 = 1
1
120572119894+
1205751
1205821+
1205752
1205822+
1205753
1205823+
1205754
1205824+
1205755
1205825+
1205756
1205826+
1
120572119890 =
11
8 +
0025
093+
03
014+
0025
093+
01
0037+
001
02+
0005
093+
1
22
K11 = 0194943188 Wm2C
S11 = h middot lp = 3 middot 3901 = 11703 m2
h - inaltimea peretelui [m]
lp - lungimea perimetrala a peretelui [m] (din care s-au scazut suprafetele vitrate)
Δt = ti - te = 22 + 15 = 37degC
ti - temperatura interioara
te - temperatura exterior
Q11 = K11 middot S11 middot Δt = 0194943188 middot 11703 middot 37 = 8441254483 W
Perete exterior
ti 22 degC αi 8 Wm2 k
te -15 degC αe 22 Wm2 k
δ1 0025 m λ1 093 Wmk tp1 2109758812 degC
δ2 03 m λ2 014 Wmk tp2 2090352105 degC
δ3 0025 m λ3 093 Wmk tp3 5433603161 degC
δ4 01 m λ4 0037 Wmk tp4 523953609 degC
δ5 001 m λ5 02 Wmk tp5 -1427207206 degC
δ6 0005 m λ6 093 Wmk tp6 -1463303681 degC
tp7 -1467185023 degC
q 7219295 W
Determinarea necesarului de căldură și apă caldă pentru un imobil
20
Figura 28
Q12 - fluxul termic pierdut prin podea
Specificatii podea
Placa fibrocement
δ 001 m Grosime
λ 02 WmmiddotK Conductivitate termica
Rt 005 m2middotKW Rezistenta termica
Sapa δ 01 m Grosime
λ 0035 WmmiddotK Conductivitate termica
Rt 2857143 m2middotKW Rezistenta termica
Polistiren extrudat
δ 005 m Grosime
λ 0033 WmmiddotK Conductivitate termica
Rt 1515152 m2middotKW Rezistenta termica
K12 = 1
1
120572119894+
1205751
1205821+
1205752
1205822+
1205753
1205823+
1
120572119890 =
11
8 +
001
02+
01
0035 +
005
0033+
1
0
= 0219911 Wm2C
S12 - amprenta la sol a casei = 12296 m2
Δt = ti - te = 22 - 15 = 7degC
Temperature pentru podea este de 15degC
Q12 = K12 middot S12 middot Δt = 0219911 middot 12296 middot 7 = 1892818 W
Podea
ti 22 degC Αi 8 Wm2 k
te 15 degC Αe 0 Wm2 k
δ1 001 m λ1 02 Wmk tp1 2180757789 degC
Determinarea necesarului de căldură și apă caldă pentru un imobil
21
δ2 01 m λ2 0035 Wmk tp2 2173060904 degC
δ3 005 m λ3 0033 Wmk tp3 1733238927 degC
δ4 m λ4 Wmk tp4 15 degC
δ5 m λ5 Wmk tp5 degC
δ6 m λ6 Wmk tp6 degC
tp7 degC
q 1539377 W
Figura 29
Q13 - fluxul termic pierdut prin tavan
Specificatii tavan
Tencuiala δ 002 m Grosime
λ 093 WmmiddotK Conductivitate termica
Rt 0021505 m2middotKW Rezistenta termica
Placa beton armat
δ 013 m Grosime
λ 174 WmmiddotK Conductivitate termica
Rt 0074713 m2middotKW Rezistenta termica
Sapa δ 003 m Grosime
λ 026 WmmiddotK Conductivitate termica
Rt 0115385 m2middotKW Rezistenta termica
Vata bazaltica δ 015 m Grosime
λ 0037 WmmiddotK Conductivitate termica
Determinarea necesarului de căldură și apă caldă pentru un imobil
22
Rt 4054054 m2middotKW Rezistenta termica
Placa nivelanta δ 002 m Grosime
λ 026 WmmiddotK Conductivitate termica
Rt 0076923 m2middotKW Rezistenta termica
K13 = 1
1
120572119894+
1205751
1205821+
1205752
1205822+
1205753
1205823+
1205754
1205824+
1205755
1205825 +
1
120572119890 =
11
8+
002
093+
013
174+
003
026+
015
0037+
002
026+
1
22
K13 = 0219736 Wm2C
S13 = S12 = 12296 m2
Δt = ti - te = 22 + 15 = 37degC
Q13 = K13 middot S13 middot Δt = 0219736 middot 12296 middot 37 = 1000 W
Tavan
ti 22 degC αi 8 Wm2 k
te -15 degC αe 22 Wm2 k
δ1 002 m λ1 093 Wm k tp1 209751906 degC
δ2 013 m λ2 174 Wm k tp2 207988793 degC
δ3 003 m λ3 026 Wm k tp3 2018634954 degC
δ4 015 m λ4 0037 Wm k tp4 1924037163 degC
δ5 002 m λ5 026 Wm k tp5 -1399669009 degC
δ6 m λ6 Wm k tp6 -1462734204 degC
tp7 degC
q 8198475 W
Determinarea necesarului de căldură și apă caldă pentru un imobil
23
Figura 210
Q14 - fluxul temic pierdut prin suprafetele vitrate
Am ales un geam temopan cu trei randuri de sticla și cu tamplarie de lemn
K14 = 06 Wm2C
S14 = 2728 m2 suprafata ocupata de geamuri
Δt = ti - te = 22 + 15 = 37degC
Q14 = K14 middot S14 middot Δt = 06 middot 2728 middot 37 = 605616 W
Fereastra
ti 22 degC αi 8 Wmpk
te -15 degC αe 22 Wmpk
δ1 0005 m λ1 075 Wmk tp1 1992074356 degC
δ2 0018 m λ2 00177 Wmk tp2 1980984988 degC
δ3 0005 m λ3 075 Wmk tp3 2893865242 degC
δ4 0018 m λ4 00177 Wmk tp4 2782971565 degC
δ5 0005 m λ5 075 Wmk tp5 -1413301307 degC
δ6 m λ6 Wmk tp6 -1424390675 degC
tp7 degC
q 1663405 W
Determinarea necesarului de căldură și apă caldă pentru un imobil
24
Figura 211
Q1 = Q11 + Q12 + Q13 + Q14 = 8441254483 + 1892818 + 1000 + 605616
Q1 = 263871712 W
212 Mers de calcul pentru Q2
Q2 = n middot Q1
n - numarul de schimburi (07 08 1)
Q1 - fluxul de căldura pierdut prin transmisie
Q2 = 1 middot 263871712 =gt Q2 = 263871712 W
213 Mers de calcul pentru Q3
Q3 = 119898 middot119862119908 middot(119905119887minus119905119903)
120591 middot3600 [kW]
m - cantitatea de apa calda preparata [Kg]
m = n middot czn middot ρ [Kg]
ρ = 1000 Kgm3- densitatea apei [Kgm3] n = 4 - numarul de locatari =gt n
czn - consumul zilnic de persoana [l] gtgtgt czn = l middot 1000 = m3
Un consum de acm specific unui nivel de confort mediu la o temperature de 45degC vom avea un czn = 50 l de persoana
cw - căldura specifica a apei [KJKgC] =gt cw = 4186 KJKgmiddotC
tb - temperatura apei din boiler [C] =gt tb = 50degC
tr - temperatura apei de intrare [C] =gt tr = 10degC
Icircn general avem vara tr = 1217degC iar iarna tr = 5hellip10degC
120591 - timpul icircn care este incalzita apa [h] =gt 120591 = 4h
m = 4 middot (50 middot 1000) middot 1000 m = 200 Kg
Q3 = 200 ∙4186 ∙(50 ∙10)
4 ∙3600 =gt Q3 = 2325555556 W
Q = Q1 + Q2 + Q3 = 263871712 + 263871712 + 2325555556
Q = 7602989795 W =gt Q = 76 KW
Calculul necesarului de frig pentru depozit de fructe
25
3 Calculul necesarului de frig pentru depozit de fructe
31 31 Calculul grosimii izolatiilor
Regimul de funcţionare al spaţiilor frigorifice caracterizat prin valori coboracircte ale temperaturilor prin variaţia rapidă a acestora şi prin umiditatea mare a aerului icircncăperilor impune pentru izolaţiile termice ale pereţilor planşeelor şi pardoselilor condiţii deosebite Pereţii spaţiilor frigorifice despart două medii cu temperaturi diferite Fluxul de căldură ce pătrunde din exterior icircn camere care trebuie preluat de instalaţia frigorifică este direct proporţional cu diferenţa de temperatură dintre cele două feţe ale peretelui şi cu coeficientul global de transmitere a căldurii Izolarea se execută la spaţiile răcite atacirct la pereţi cacirct şi la tavan şi podea şi are ca rol icircmpiedicarea apariţiei condensului pe suprafaţa caldă a pereţilor incintelor frigorifice
Figura 31 Fig13 Variaţia de temperatură prin peretele termoizolant
Din exploatarea frigoriferelor se cunoaşte că prin icircnvelişul exterior al spaţiilor frigorifice trece icircn majoritatea cazurilor mai mult de jumătate din cantitatea totală de căldura ce pătrunde icircn icircncăperi Această cantitate de căldură se poate reduce prin majorarea grosimii stratului termoizolant Dar reducerea infiltraţiilor de căldură icircn acest tel nu se poate face nelimitat deoarece la o anumită grosime a stratului izolant adică la o anumită valoare a coeficientului k de transfer al căldurii costul construcţiei izolate va fi mai mare decacirct costul energiei ce reprezintă frigul economisit prin majorarea grosimii izolaţiei
De aceea se obişnuieşte a se folosi icircn calcule valori optime ale coeficientului k de transfer al căldurii calculacircndu-se astfel o grosime optimă a izolaţiei termice
Pentru izolarea pereţilor camerelor se vor folosi panouri tip sandwichFig15
Calculul necesarului de frig pentru depozit de fructe
26
Figura 32 Fig15 Construcţia panourilor de tip sandwich
Rolul panourilor plastifiate este de a preicircntacircmpina pătrunderea vaporilor icircn interiorul izolaţiei eliminacircnd necesitatea barierei de vapori Panourile folosesc metoda de icircmbinare nut-feder reducacircndu-se astfel transferul de căldură cu mediul extern
Deoarece avem un singur depozit vom adopta coeficienţii de transfer de căldură prin
convecţie funcţie de t
Aleg pentru t = = te - ti = 318 - 1 = 308 0C k = 023 Wm2K
Din catalogul de produse INCOLD Italia se alege poliuretan 100 mm = 0023 WmK
Tablă din oţel galvanizat plastifiat
Calculul necesarului de frig pentru depozit de fructe
27
Tabelul 317 Tabel24 Calculul grosimi izolației
ei
i
i
izizk
111
Coeficientul global de transfer de căldură se determină utilizand relaţia
eiz
iz
i
i
i
k
11
1
n
i i
i
1
- suma rezistenţelor termice ale tuturor straturilor din care este realizat
peretele[m2KW]
iz - grosimea stratului de izolaţie termică [m]
iz - conductivitatea termică a materialului izolator [WmK]
e - coeficient de convecţie pe partea exterioară a peretelui [WmK]
i - coeficient de convecţie pe partea interioară a peretelui [WmK]
32 32 Bilantul caloric al spatiului climatizat pe timp de vară Necesarul de frig pentru frigorifer
Se stabileşte consumul zilnic de frig pe icircntreg frigoriferul şi pentru fiecare icircncăpere icircn parte luacircndu-se icircn considerare cele mai nefavorabile condiţii de lucru
temperatura aerului exterior pentru luna cea mai caldă a anului
icircncărcarea maximă şi simultană a camerelor de refrigerare
Spaţiul frigorific
Perete k αi αe 1αi 1αe R 1k λiz
δiz
calc δiz
ales Kr
[Wm2K] [m2KW] [WmK] [m] [m]
N 0229 10 18 010 006 0590 4367 0023 0097 0100 023
E 0224 10 12 010 008 0618 4464 0023 0098 0100 023
DR S 0221 10 12 010 008 0618 4525 0023 0100 0100 023
V 0223 10 12 010 008 0618 4484 0023 0099 0100 023
T 0221 10 12 010 008 0618 4525 0023 0100 0100 023
P 0228 10 0 000 000 0435 4386 0023 0000 0100 023
N 0221 25 12 004 008 0558 4525 0023 0101 0100 023
E 0224 25 12 004 008 0558 4464 0023 0100 0100 023
CP S 0224 25 12 004 008 0558 4464 0023 0100 0100 023
V 0223 25 12 004 008 0558 4484 0023 0100 0100 023
T 0221 25 12 004 008 0558 4525 0023 0101 0100 023
P 0228 25 0 000 000 0435 4386 0023 0000 0100 023
Calculul necesarului de frig pentru depozit de fructe
28
camerele vecine celei căreia i se face calculul necesarului de frig sunt goale şi au temperatura vestibulului sau a sasului
Aceste calcule determină necesarul de frig pe categorii de consumatori grupaţi după temperatura cerută şi permit stabilirea puterilor frigorifice icircn vederea proiectării instalaţiei
Pentru calculele termice sunt necesare următoarele
planul frigoriferului care a fost stabilit
dimensiunile camerelor
temperaturile necesare icircn fiecare cameră
Se consideră
1degC icircn depozitele de refrigerate
orientarea frigoriferului după punctele cardinale
condiţii climatice icircn lunile cele mai călduroase pentru zona geografică respectivă
Consumul de frig se calculează pentru 24 ore cu relaţia
Qnec = Q1 + Q2 + Q3 + Q4 [kcal24h]
Q1 - neeesarul de frig pentru acoperirea pătrunderilor de căldură prin cenvecţie
conducţie şi radiaţie din mediul icircnconjurător prin pereţi pardosea și plafon
Q2 - necesarul de frig tehnologic pentru procesele de răcire refrigerere şi
congelare eliminarea căldurii de respiraţie seu pentru unele procese chimice şi
biochimice
Q3 - necesarul de frig pentru ventilarea camerelor frigorifice cu aer proaspat care
trebuie racit şi uscat
Q4 - necesarul de frig rezulticircnd din condiţii de exploatare acoperirea căldurii
provenite din iluminat din funcţionarea motoarelor căldura provenită de la persoanele ce
manipulează produsele datorită deschiderii uşilor etc
321 Consumul de frig Q1
Se determină pentru fiecare spaţiu icircn parte cu relaţia
RttkFQ1 [ W ]
F - reprezintă suprafaţa pereţilor a pardoselei şi a plafonului corespunzător fiecărui
spaţiu frigorific icircn parte icircn m2 Ca suprafaţă de transfer se va considera suprafaţa
exterioară a perimetrului izolat termic
k - reprezintă coeficientul global de transmitere a căldurii prin convecţie conducţie şi radiaţie
prin pereţi plafon şi pardoseală (toate izolate termic) icircn [W(m2 middot grd)] Valoarea coeficientului k a
fost calculată icircn tabelul 24 (kr)
Δt - reprezintă diferenţa de temperaturi dintre temperatura exterioară suprafeţei de
transfer termic considerată şi temperatura interioară spaţiului frigorific
Calculul necesarului de frig pentru depozit de fructe
29
Diferenţa de temperatură ΔtR se ia icircn consideraţie numai la pereţii exteriori şi la
plafoane care sunt şi acoperiş pentru clădire
ΔtR = 0degC pentru pereţi exteriori orientaţi spre N
ΔtR = (5 10)degC pentru pereţi exteriori orientaţi spre E V S-E S-V
ΔtR = 15 degC pentru pereţi exteriori orientaţi spre S
ΔtR = (15 18)degC pentru plafoane care sunt şi acoperiş (terasă)
Calculul valorilor mărimii sumQ1 se recomandă a se efectua tabelar conform tabelului 25
Valoarea mărimii sum Q1 la aparate se obţine prin icircnsumarea fluxurilor termice prin toate cele 6 suprafeţe delimitatoare
La stabilirea valorii mărimii sum Q1 se consideră doar unul dintre fluxurile termice prin suprafeţele ce separă spaţiile frigorifice vecine Pentru aparatele de răcire din spaţiile frigorifice se consideră situaţia cea mai grea pentru fiecare spaţiu icircn parte respectiv că spaţiile vecine nu sunt răcite
Spaţiul frigorifi
c
Perete
Dimensiuni
Supraf F
[m2]
Kr [Wm2K]
Δt [grd]
Δtr
Q1 [W] sumQ1 q a [m]
b [m]
N 15 4 60 023 308 42504
246068
708
E 7 4 28 023 308 8 24987 892
DR S 15 4 60 023 185 15 46202 770
V 7 4 28 023 308 19835 708
T 15 7 105 023 308 74382 708
P 15 7 105 023 158 38157 363
N 7 4 28 023 185 11914
133566
426
E 7 4 28 023 268 8 22411 800
CP S 7 4 28 023 268 15 26919 961
V 7 4 28 023 185 11914 426
T 7 7 49 023 268 30204 616
P 7 7 49 023 268 30204 616
Tabelul 318 Tebel25 Calculul valorilor mărimii Q1
322 Necesarul de frig Q2
sum Q2 - necesarul de frig tehnologic pentru procesele de răcire refrigerare şi
congelare
Q2d = mcp(tc-ti)=500003644 = 4186000(243600)= 842 kW
Q2c = 2600036419 = 1798160 = 208 KW
Q2 = 208 + 842 = 293 = 30kW
unde
Q2d - necesarul de frig tehnologic depozit
Q2c - necesarul de frig tehnologic camera de preracire
Calculul necesarului de frig pentru depozit de fructe
30
m - cantitatea de produse introduse icircn tunelul de congelare icircn kg
te ti - temperaturi specifice corespunzătoare temperaturii iniţiale a produsului cald
(24 ordmC) respectiv temperaturii finale a produsului refrigerat (1 ordmC)
Căldura specfifică mere cp = 364 [kJkgK]
323 Necesarul de frig Q3
Icircn funcţie de natura produselor din spaţiul frigorific este necesar uneori să se realizeze ventilarea spaţiului prin asigurarea unui anumit număr de schimburi ale aerului din incintă icircn 24h Ca exemplu icircntotdeauna va fi necesară ventilarea prin introducere de aer proaspăt icircn spaţiile de păstrare pentru legume fructe şi ouă refrigerate Aceste produse vii respiră icircn timpul păstrării şi necesită icircn consecinţă ventilarea spaţiilor de păstrare
Acest consum de frig se ia icircn considerare doar la depozitele de refrigerare care se ventilează Se stabilește cu relația
Q3 = V ∙ a ∙ ᵖi ∙ (hex - hi) [kJ24]
V - volumul camerelor ventilateicircn m3
a = 24 schimburi pe zi pentru depozitele de mere
ᵖi - reprezintă densitatea aerului la temperature interioară icircn kgm3
Pentru depozitele de refrigerare considerăm umiditatea relativă ᵠi = 95 și ti=1 ordmC
rezultacircnd icircn acest caz hi= 9 kJkg
Parametri aerului exterior pentru zona icircn care este amplasat depozitul sunt temp ex 318
și umiditatea ext 60 rezultand din diagram mollier entalpia aerului Calcul facut icircn
programul Coolpack
ρi = 12 kgm3
hex = 7519 kJkg
Q3 = 616 2 12 (7519 - 9) (243600)= 00025 kW
324 Necesarul de frig Q4
Q4 - frigul consumat pentru acoperirea pierderilor icircn timpul exploatarii datorat deschiderii
usilor a corpurilor de iluminat a motoarelor electrice a oamenilor Se admite Q4 =
(01hellip04)Q1
Q4 = 02 379617 = 759234 = 008 kW
Qtotal = sum 119824120783 + Q2 + Q3 + Q4 = 004 + 30 + 000025 + 008 = 3012 = 31 kW
33 33 Stabilirea directiei raportului de termoumiditate și trasarea procesului de conditionare a aerului pe diagrama i-X pe timp de vară
Icircn fig16 este reprezentat un agregat pentru condiţionarea aerului pe timp de vară cu recirculare parţială
Calculul necesarului de frig pentru depozit de fructe
31
Figura 33 Figura16 Schema aparatului de condiţionare a aerului pe timp de vară cu recirculare parţială
F - filtru V - vaporizator C - compressor K - condensator VL - ventil de laminare I - icircncălzitor Vt - ventilator
Procesele de lucru pot fi reprezentate icircn diagrama h-x ca icircn figura următore
Figura 34 Fig17
A reprezintă starea aerului recirculat provenit din spaţiul condiţionat iar E este starea aerului exterior
Aerul tratat icircn aparatul de condiţionare care se introduce icircn incintă avacircnd starea B
trebuie să preia degajările de căldură Qv [kW] şi de umiditate Wv [kgs]
Direcţia procesului suferit de aer icircn incintă este dată de raportul de termoumidificare εv
= Qv Wv
Prin punctul A se trasează dreapta avacircnd raportul de termoumidificare εv iar punctul B se fixează pe această dreaptă adoptacircndu-se o anumită diferenţă de temperatură faţă de starea A
Aerul recirculat A se amestecă cu aerul proaspăt E şi rezultă starea de amestec M De regulă xM gt xB deci aerul va trebui să fie uscat
Pe verticala din B se fixează starea D avacircnd xD= xB şi ᵩD = 90hellip98
Calculul necesarului de frig pentru depozit de fructe
32
Se uneşte M cu D iar apoi se prelungeşte acest segment pacircnă la intersecţia cu ϕ = 100 rezultacircnd starea P avacircnd temperatura tp
Circulacircnd aerul cu starea M peste o suprafaţă rece avacircnd temperatura tp se va obţine procesul de răcire şi uscare MD
Temperatura suprafeţei tp se asigură cu o instalaţie frigorifică a cărei temperature de vaporizare va fi t0 lt tp
Ultimul proces din aparatul de condiţionare va fi icircncălzirea finală DB
Calculul agregatului de condiţionare a aerului pe timp de vară se efectuează asemănător cu cel a agregatului de condiţionare a aerului pe timp de iarnă cu observaţia că pe timp de vară nu este necesară umidificarea
331 Date
Vtotal = 616 m3 tint = 1ᵒC tex = 318 φint = 90 φext = 60 ρaer = 12 [kgm3]
Starea A
tA = ti + 3 = 4deg xA = 00043[kj
kg] φA = 86 hA = 1489[
kj
kg]
Starea B
tB = 1degC xB = 00036 [kj
kg] φB = 90 hB = 1024[
kj
kg]
Starea E
tE = 318degC xE = 00171[kj
kg] φE = 60 hE = 7519[
kj
kg]
Starea M
hM =hE + n ∙ hA
n + 1=
7513 + 20 ∙ 1489
21= 1775[
kj
kg]
xM =xE + n ∙ xA
n + 1=
00171 + 20 ∙ 00043
21= 00049[
kj
kg]
Rezulta din diagrama Mollier
Starea D
hD = 108 [kj
kg] xD = 0003[
kj
kg] φD = 97
Raportul de recirculare n = 20
Debitul de aer ventilat V =Vtotal∙20
24h=
616lowast20
24= 513 [m3h]
Debitul masic m = V ∙ ρaer = 513 lowast 12 =
6156[kg
h]
3600= 0171 [kgs]
tp = minus3degC t0 = tp minus 9degC = minus3 minus 9 = minus12degC
Puterea termica a vaporizatorului ( puterea frigorifică )
ФV = Ф0
Puterea termica a icircncalzitorului
ФI = 119898 ∙ (hB - hD)
Cantitatea de apa condensată icircn unitatea de timp pe suprafața de racire este
Calculul necesarului de frig pentru depozit de fructe
33
ẆV = 119898 ∙ (XM - XD)
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
34
4 Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
Există două domenii principale icircn care se utilizează frigul artificial icircn lucrările de construcţii şi anume
icircngheţarea terenurilor acvifere icircn vederea săpării puţurilor de mină a barajelor a depozitelor de gaze lichefiate etc
prerăcirea componentelor betonului icircn cazul executării unor masive de beton ca de exemplu baraje
41 51 IcircNGHEŢAREA SOLULUI
411 511 CONSIDERAŢII GENERALE PRIVIND IcircNGHEŢAREA SOLULUI
Icircngheţarea artificială a solului reprezintă una dintre cele mai interesante şi icircn acelaşi timp şi importante aplicaţii practice a frigului artificial Totodată este una dintre primele aplicaţii industriale a tehnicii frigului şi care a asigurat o dezvoltare deosebită a industriei extractive Aşa se explică faptul că odată apărută maşina frigorifică cu absorbţie realizată icircn 1859 de către Ferdinand Carre este folosită la săparea primului puţ de mină prin icircngheţarea artificială a rocilor Dar nu numai industria minieră foloseşte icircn ultimul secol procedeul consolidării rocilor la săpararea unor lucrări subterane Lucrări inginereşti de tot genul ca metrouri staţii subterane de pompare rezervoare de gaze lichefiate poduri lucrări portuare şi altele asemănătoare amplasate icircn zone acvifere au fost realizate prin metoda consolidării prin frig a rocilor
Această metodă a consolidării rocilor prin frig artificial realizează icircn jurul lucrării inginereşti subterane un perete icircngheţat protector pe durata lucrărilor de construcţii Acest perete asigură o izolare hidraulică şi icircn acelaşi timp şi o protecţie mecanică Rezistenţa mecanică a rocilor creşte pe măsură ce temperatura lor scade icircncacirct metoda expusă mai sus prezintă avantajul reglării capacităţii portante a peretelui icircngheţat
Apa conţinută icircn terenuri prin icircngheţare capătă proprietăţile cimentului exprimate prin forţele de coeziune mari care apar icircntre cristalele de gheaţă şi grăunţii de rocă
Pentru obţinerea peretelui protector se folosesc sonde de icircngheţare forate pe conturul lucrării subterane şi prin care circulă agentul de răcire care poate fi un agent intermediar ca de exemplu saramura de clorură de calciu sau agentul frigorific de exemplu amoniacul Icircn funcţie de grosimea peretelui şi de rezistenţa mecanică pe care trebuie să o aibă se va alege temperatura agentului de răcire distanţa dintre sonde şi durata de icircngheţare
Instalaţia de consolidare prin frig a rocilor cuprinde trei părţi principale staţia frigorifică reţeaua de distribuţie a agentului de răcire (saramura) şi sondele de icircngheţare a solului
Staţia frigorifică cuprinde instalaţia frigorifică propriu-zisă cu comprimare mecanică de vapori sau prin absorbţie icircntr-o treaptă sau icircn două trepte Icircn funcţie de condiţiile de amplasament ale obiectivului staţia frigorifică poate fi de construcţie staţionară (icircn minerit) sau mobilă (la metrouri)
Reţeaua de distribuţie alcătuită din conducte metalice sau din mase plastice are rolul de a face legătura icircntre staţia frigorifică şi sondele de icircngheţare Pentru reducerea pierderilor de frig reţeaua de distribuţie se izolează termic
Sondele de icircngheţare constituie schimbătorul de căldură subteran prin care se extrage căldura de la terenul supus icircngheţării Icircn fig 51 se prezintă schiţa unei sonde de icircngheţare cu ajutorul saramurii Saramura rece cu temperatura icircntre -10 ordmC pacircnă la -35 ordmC
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
35
coboară prin ţeava interioară şi apoi se icircntoarce prin spaţiul inelar dintre cele două conducte concentrice
Figura 41 Fig 51 Sonda de icircngheţare 1 - şiu (tub scurt de oţel cu pereţi groşi rezistent) 2 - ţeava interioară 3 - ţeava exterioară (burlan de
icircngheţare) 4 - capul sondei
Circulaţia continuă a saramurii prin sonda de icircngheţare face ca rocile ce icircnconjoară sondele inclusiv apa conţinută icircn spaţiile libere să se răcească treptat Icircn jurul sondei icircncepe să se formeze stratul de rocă icircngheţată diametrul cilindrului de teren icircngheţat se măreşte icircn timp Aşa cum s-a arătat icircn capitolul 3 rezultă că dezvoltarea radială a cilindrului de rocă icircngheţată icircn jurul sondei se desfăşoară cu o viteza variabilă de icircnaintare la icircnceput viteza de icircnaintare a frontului de gheaţă este mai mare după care scade icircn timp Apoi se atinge stadiul staţionar de transfer de căldură cacircnd cilindrul nu mai creşte icircn dimensiuni Reiese că distanţa dintre sondele de icircngheţare este determinată de raza maximă a cilindrului de teren icircngheţat Pentru a realiza peretele icircngheţat care să reziste la solicitările la care este supus se impune ca distanţa dintre sondele vecine să fie mai mică decacirct raza maximă a terenului icircngheţat astfel icircncacirct cilindrii formaţi să se unească icircntre ei Icircn fig 52 se prezintă evoluţia icircn timp a icircngheţării terenului icircn jurul sondelor Icircn faza iniţială a icircnceput răcirea dar icircncă nu s-a format teren icircngheţat Icircn faza a II-a (după circa 20 zile) icircn jurul fiecărei sonde se formează cacircte un cilindru de teren icircngheţat fără ca aceştia să se unească Icircn faza a III-a (după circa 30 zile) cilindrii se icircntretaie şi formează peretele protector
Figura 42 Fig 52 Evoluţia cilindrilor individuali de rocă icircngheţată 1 - sonda de icircngheţare 2 - sonda de măsurători termice 3 - teren icircngheţat
Această evoluţie poate fi urmărită cu suficientă precizie prin măsurarea temperaturii masivului cu ajutorul unor sonde de măsurători termice 2 montate la distanţe bine stabilite de sondele vecine de icircngheţare Astfel icircn faza I-a temperatura este cea iniţială deci neafectată de prezenţa sondelor icircn faza a II-a temperatura este mai scăzută dar mai mare de 0 ordmC Cum icircn practică sondele de icircngheţare au o abatere de la poziţia verticală (sau de la cea impusă prin proiect) sondele de măsurători termice sunt prevăzute icircntre sondele
I II III
1
2 2 2
3 3
SARAMURĂ CALDĂ
IEŞIRE
INTRARE SARAMURĂ A E RECE
1
2
3
4
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
36
cele mai distanţate icircntre ele acolo unde evoluţia peretelui de protecţie este cea mai defavorabilă
Primele realizări inginereşti de consolidare prin frig artificial a terenurilor acvifere metodă prin care vor fi aduse la lumină multe bogăţii subterane sunt legate de numele inginerului de mine şi metalurgie Friederich Herman Poetsch El a obţinut icircn 27 februarie 1883 brevetul pentru procedeul său de adacircncire a puţurilor verticale icircn roci bogate icircn apă (şi curgătoare) Poetsch a reuşit să experimenteze procedeul său la adacircncirea unor puţuri de mină dar a avut şi multe insuccese icircncacirct la 9 iunie 1902 moare sărac şi dezamăgit Metoda de icircngheţare prin frig artificial a terenurilor a avut mare succes icircn Franţa Astfel numai icircn perioada 1892 - 1898 icircn bazinele carbonifere Nord şi Pas de Calais s-au săpat circa 20 puţuri pacircnă la o adacircncime de 100 m prin aplicarea metodei icircngheţării după planurile lui Poetsch
Desigur că nu ar putea fi omis numele lui Louis Gebhard care realizează numeroase lucrări de adacircncire a puţurilor prin icircngheţare atacirct icircn Germania cacirct şi icircn Franţa Anglia Olanda şi Polonia ceea ce face ca metoda propusă de Poetch să devină o tehnologie demnă de toată icircncrederea cu siguranţă absolută şi cu un mare randament
Gebhard un mare practician icircncepe sa folosească icircn locul instalaţiilor cu absorbţie realizate de F Carre pe cu cele cu comprimare mecanică de vapori realizate de Karl von Linde cu icircncepere din anul 1874
Poetsch icircn 1888 prevede extinderea procedeului de icircngheţare la construcţia podurilor la construcţii navale lucrări de fortificaţii la protecţia fundaţiilor subterane şi a bazinelor cu apă El susţine că poate să rezolve orice problemă sub apă chiar şi puţuri icircncepute şi abandonate
Icircn anul 1900 se depăşeşte bariera adacircncimii de 100 m Realizarea unor puţuri mai adacircnci (peste 100 m) ridică unele probleme icircn plus faţă de puţurile de mai mică adacircncime deoarece abaterile de la verticalitate pot conduce la formarea unor ferestre icircn peretele protector
Icircn ţara noastră această tehnologie de forare a unor puţuri de mină cacirct şi a galeriilor de metrou prin icircngheţarea solului a fost folosită cu icircncepere din anul 1961 aşa cum se prezintă icircn paragraful 513
412 512 CONSTRUCŢIA INSTALAŢIEI DE IcircNGHEŢARE A SOLULUI
Icircn funcţie de forma şi mărimea lucrării care se realizează la adăpostul terenului icircngheţat principial se pot utiliza următoarele tipuri de instalaţii
a) cu răcire indirectă denumită şi cu dublu schimb (fig53)
b)cu răcire directă icircn circuit icircnchis (fig 54)
c)răcire directă icircn circuit deschis (fig55)
a) Răcirea indirectă se utilizează icircn practică cel mai mult fiind cunoscută icircncă de la icircnceputurile metodei de icircngheţare a solului
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
37
Figura 43 Fig 53 Instalaţia frigorifică cu răcire indirectă 1 - compresor 2 - condensator3 - ventil de laminare 4 - vaporizator 5 - bazin de răcire a saramurii 6
- agitator 7 - pompă de saramură 8 - sonde de icircngheţare
Ca agent frigorific se poate folosi amoniacul sau freonii iar ca agent intermediar se utilizează soluţiile de clorură de calciu clorura de sodiu sau magneziu sărurile respective fiind relativ uşor de procurat
Instalaţiile frigorifice cuprind unul sau mai multe blocuri frigorifice Acest mod de compunere prezintă avantaje icircn ceea ce priveşte montarea cacirct şi exploatarea instalaţiilor se poate asigura o reducere icircn trepte a puterii frigorifice pe măsură ce creşte rezistenţa termică a stratului de teren icircngheţat
Componentele principale ale instalaţiei frigorifice se montează grupat pe cele trei secţiuni secţia de compresoare secţia condensatoarelor şi secţia vaporizatoarelor De regulă compresoarele se montează fie icircn aer liber atunci cacircnd tipul lor permite fie acoperite sub şarpante protectoare
Pe măsură ce se scot din funcţiune blocurile frigorifice se demontează şi se pot monta la un nou obiectiv
b) Răcirea directă icircn circuit icircnchis (fig 54) se utilizează icircn cazul icircn care adacircncimea de icircngheţare este mică
Figura 44 Fig 54 Instalaţia frigorifică cu răcire directă icircn circuit icircnchis 1 - compresor 2 - condensator 3 - ventil de laminare 4 - sonde de icircngheţare
Sondele de icircngheţare constituie vaporizatorul instalaţiei frigorifice Icircn cazul unor sonde de lungime mare icircnălţimea coloanei de agent frigorific este de asemenea mare Ca urmare a presiunii hidrostatice variabile şi temperatura de vaporizare este variabilă fiind mai mare
1
2
1111111 Apă
3
4
1
2
Apă 3
4
5
6
7
8
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
38
la capătul inferior şi mai mică la capătul superior Din acest motiv adacircncimea sondelor de icircngheţare nu poate depăşi anumite limite şi icircn plus se recurge la fragmentarea coloanei de lichid cu ajutorul unor pereţi despărţitori
Pierderile de agent frigorific mai mari decacirct icircn cazul răcirii indirecte reprezintă un alt inconvenient al acestui mod de răcire
c) Răcirea directă icircn circuit deschis constă icircn introducerea agentului frigorific (cel mai frecvent azot lichid) icircn sondele de icircngheţare fără ca acesta să mai fie folosit după vaporizare
La presiunea atmosferică azotul lichid fierbe la temperatura de -196 ordmC icircncacirct vaporii reci de azot icircnainte de a fi evacuaţi se folosesc de asemenea pentru congelarea solului fiind circulaţi prin sonde de icircngheţare (Fig 55)
Figura 45 Fig 55 Icircngheţarea cu azot lichid icircn două trepte 1 - ventil de laminare 2 - sonda de icircngheţare 3 - sonda de icircngheţare cu vapori de azot
Această metodă se foloseşte cacircnd se urmăreşte o icircngheţare rapidă şi volumul de teren icircngheţat este redus
Se vor prezenta icircn continuare unele elemente constructive ale instalaţiilor de icircngheţare
Reţeaua de saramură (fig 56) are rolul de a asigura transferul de căldură de la sol către agentul frigorific Cuprinde două schimbătoare de căldură cel subteran alcătuit din sondele de icircngheţare şi cel de suprafaţă reprezentat de vaporizatorul imersat icircn saramură Icircntre cele două schimbătoare de căldură există conducte magistrale distribuitoare - colectoare şi racorduri la sonde
Saramura răcită prin intermediul vaporizatorului 1 este circulată cu pompa 2 prin magistrala de tur a reţelei 3 Sondele de icircngheţare 5 se leagă prin vane la distribuitorul 4 şi colectorul 6 ambele de construcţie inelară Printr-o asemenea construcţie şi mod de legare a sondelor prezentate icircn figura 56 se asigură o echilibrare a căderilor de presiune pe sondele de icircngheţare şi ca urmare o alimentare uniformă cu agent intermediar şi deci şi o răcire uniformă pentru toate sondele
1
2
AZOT LICHID
VAPORI
AZOT -40OC
3
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
39
Figura 46 Fig 56 Schema reţelei de saramură 1- vaporizatorul 2 - pompa de saramură 3 - magistrala de tur 4 - distribuitorul inelar 5 -sondele de
icircngheţare 6 - colectorul inelar 7 - magistrale de retur M - manometru D - debitmetru T - termometru
Magistralele 3 şi 7 de acelaşi diametru şi lungime variabilă (determinată de o serie de factori) se pot monta atacirct la suprafaţă cacirct şi icircn canal
Magistralele se dimensionează icircn funcţie de puterea frigorifică a schimbătorului de căldură subteran alcătuit din sondele de icircngheţare
F0 qNHd [W] (51)
unde d - diametrul exterior al sondei de icircngheţare m
H - adacircncimea de icircngheţare m
N - numărul de sonde de icircngheţare
qF - densitatea fluxului termic raportat la suprafaţa exterioară a sondei La temperatura saramurii de - 20 ordmC se poate considera qF = (260290) Wm2
Debitul volumic V de agent intermediar icircn reţeaua de icircngheţare icircn funcţie de care se aleg
pompele se determină cu relaţia
tc
V o
(52)
icircn care este densitatea agentului intermediar kgm3
c - căldura specifică a agentului intermediar JkgK
t - creşterea temperaturii agentului (saramura) icircn sondele de icircngheţare K
La icircnceputul perioadei de răcire diferenţa de temperatură este t = 56 K ca apoi să scadă la 12 K
Icircn conductele magistrale se recomandă ca viteza saramurii să fie w = 0915ms
Icircn acest caz diametrul conductelor de transport a saramurii este dat de relaţia
w
V4D
[m] (53)
Icircn funcţie de valoarea determinată pentru D se aleg conducte metalice de diametru nominal cuprins icircntre 75200 mm Dacă rezultă D gt 200 mm se vor alege două conducte cu diametrul mai mic de 200 mm
2
T
T
M
M D
D
NH
3
3
4
6
5
7
1
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
40
Conductele magistrale se realizează prin icircmbinări cu flanşe sau sudate iar la lungimi mai mari de 100150 m se vor prevedea coturi compensatoare Pentru reducerea pierderilor de frig magistralele vor fi izolate termic
Distribuitorul de saramură răcită şi colectorul de saramură de la sonde sunt construcţii metalice identice
Icircn figura 57 se prezintă modul de racordare a sondelor de icircngheţare 5 la distribuitorul 1 şi colectorul 2 Vanele 3 asigură icircnchiderea deci oprirea circulaţiei şi reglajul debitului Prin aceste vane se poate izola o anumită sondă care nu funcţionează normal sau la care se observă o anumită defecţiune
Figura 47 Fig 57 Racordarea sondelor de icircngheţare la distribuitor şi colector 1 - distribuitor 2 - colector 3 - vane 4 - racord elastic 5 - sonda de icircngheţare
Poziţia distribuitorului şi colectorului faţă de racircndul sondelor de icircngheţare poate fi laterală de o singură parte sau laterală de ambele părţi ale sondelor Amplasamentul trebuie astfel făcut icircncacirct să fie posibilă vizitarea supravegherea şi eventual icircnlocuirea sondelor de icircngheţare
Racordarea sondelor la distribuitor şi colector se face prin cacircte un racord elastic (fig 57) Dimensionarea distribuitoarelor şi a colectoarelor se face din condiţia ca viteza saramurii să nu depăşească 0915 ms
Coloanele de distribuţie şi colectare urmăresc icircn teren forma şirului de sonde de icircngheţare şi pot avea acelaşi traseu sau trasee diferite Configuraţia traseului poate fi icircn linie sau circulară Icircn oricare din situaţiile prezentate distanţele dintre ştuţurile de racord şi sondele de icircngheţare sunt variabile astfel icircncacirct racordurile rigide prin flanşe şi sudură sunt greu de realizat Cea mai practică soluţie de racord icircn acest caz este furtunul de cauciuc (fig 57)
Icircn reţeaua de saramură poate pătrunde aer prin procesul de pompare ceea ce conduce la intensificarea acţiunii corosive a saramurii Icircn scopul icircndepărtării aerului nedorit pe partea superioară a conductelor icircn punctele cele mai ridicate ale acestora se montează robineţi de evacuare periodică a aerului şi eventual a altor gaze
Pe conductele magistrale se vor monta aparate de măsură şi control debitmetre termometre şi manometre (fig 56) Icircn acest caz se poate aprecia funcţionarea fiecărei sonde după depunerile exterioare de gheaţă pe racordul metalic sau de cauciuc lăsate neizolate termic tocmai icircn acest scop Icircn scopul urmăririi regimului de lucru sub aspect
5
4
1
2 3
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
41
hidraulic şi termic icircn mod individual se pot monta aparate de măsură şi control pe fiecare sondă de icircngheţare dar această soluţie este mai costisitoare
Sonda de icircngheţare realizează transferul de căldură de la terenul ce urmează a fi icircngheţat spre agentul frigorific (la răcirea directă) sau agentul intermediar (la răcirea indirectă)
Icircn figura 51 s-a prezentat schema de principiu a unei sonde de icircngheţare cu saramură activă pe toată lungimea Conducta exterioară sau burlanul de icircngheţare 3 este o conductă din oţel etanşă şi rezistentă la eforturile mecanice care apar datorită presiunii solului şi variaţiei de temperatură icircntre momentul fixării ei icircn sol şi cel al funcţionării la o temperatura sub 00C
Icircn procesul de icircngheţare coloana de burlane care poate atinge lungimi de sute de metri se contractă icircnsă nu liber deoarece ea este stracircnsă icircn masivul de roci La o variaţie de temperatură icircntre momentul iniţial (fără saramură) şi momentul pornirii circulaţiei de saramură de 400C conducta din oţel de 500 m adacircncime ar trebui să se contracte cu
tHH = 500 11 10-6 40 = 0220 m = 22 cm
Datorită fixării coloanei icircn gaura forată efortul unitar de icircntindere ce apare icircn urma scăderii temperaturii este
tE = 22 1010 11 10-10 40 = 968 105 Nm2 = 9680 Ncm2
La acest efort de icircntindere apărut datorită contracţiei coloanei se mai adaugă efortul de acelaşi semn provocat de dilatarea masivului de rocă acviferă icircngheţată Icircn scopul compensării eforturilor de icircntindere s-a propus icircmbinarea coloanei cu nipluri elastice O asemenea soluţie este mai scumpă şi icircn plus micşorează secţiunea liberă de curgere ceea ce conduce la icircncălzirea excedentară a saramurii
La lucrări subterane de mare adacircncime ca puţurile de mină depozite subterane se folosesc burlane de 1397 x 7 mm pentru a fi posibilă determinarea abaterii de la poziţie verticală
La tunelurile de metrou şi icircn general la lucrările la care adacircncimea de icircngheţare nu depăşeşte 50 - 60 m diametrul cel mai frecvent utilizat este 1143 x 7 mm
Ţeava interioară 2 (fig 51) numită şi tub de alimentare de regulă ţeava uşoară de instalaţii de 50 mm diametrul se introduce icircn burlanul exterior 3 fără icircnsă a atinge şiul de bază 1 al sondei Se asigură icircn acest mod un volum minimal de depuneri solide care circulă cu saramura icircn mod incidental Icircn scopul economisirii de metal tubul de alimentare poate fi din material plastic ceea ce prezintă marele avantaj al lipsei coroziunii şi al refolosirii materialului respectiv
Şiul de fund are rolul de a asigura icircnchiderea burlanului exterior icircn partea sa inferioară Cel mai adesea are formă conică pentru a asigura introducerea cu uşurinţă a coloanei metalice icircn gaura de sondă Această componentă a sondei de icircngheţare se execută fie prin turnare sau se confecţionează cu ajutorul sudurii
Corespunzător profilului geologic al terenului icircn care se lucrează se icircntacirclnesc şi cazuri cacircnd nu este nevoie să se icircngheţe terenul pe toată icircnălţimea sondelor ci numai la partea lor inferioară Icircn acest caz se folosesc sonde de icircngheţare zonală (fig 58) cu ajutorul cărora se asigură congelarea doar a zonei inferioare ceea ce prezintă avantaje economice deosebite nu se consumă energie pentru a icircngheţa icircn mod inutil formaţiuni geologice consistente şi uscate şi nu se reduce ritmul lucrărilor de săpare printr-o eventuală mărire a rezistenţei rocilor
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
42
Figura 48 Fig 58 Sonda de icircngheţare zonală
1 - burlan exterior 2 - tub de alimentare 3 - şiu 4 - tub de evacuare
Figura 49 Fig59 - Sonda de icircngheţare cu agent
frigorific 1 - tub exterior 2 - perete despărţitor 3 - şiu 4 -
ştuţ (ţeavă de preaplin) 5 - condensator - vaporizator
Icircn cazul răcirii directe sondele de icircngheţare cu agent frigorific sunt de construcţie specială (fig 59) Particularitatea acestor sonde este prezenţa pereţilor despărţitori 2 dispuşi unul sub celălalt la circa 3 m fiecare perete fiind prevăzut cu un ştuţ de preaplin O asemenea construcţie are rolul de a fracţiona coloane de lichid ceea ce asigură o răcire mai uniformă pe lungimea sondei
Fiecare sondă este prevăzută la partea superioară cu cacircte o cămaşă de răcire Sondele se umplu cu amoniac lichid icircntr-o asemenea cantitate icircncacirct fiecare secţie să fie icircnecată cu lichid respectiv pacircnă la partea superioară a ştuţurilor 4 Ca urmare a fluxurilor de căldură de la sol se produce fierberea amoniacului icircn toate secţiile sondei Vaporii formaţi se ridică prin ştuţurile 4 şi ajungacircnd la partea superioară a sondei se condensează cedacircnd căldură agentului (amoniac) din cămăşile de răcire
Ca urmare cămăşile de răcire de la partea superioară a sondelor constituie vaporizatorul instalaţiei frigorifice Amoniacul care se condensează la partea superioară a sondei curge icircnapoi (de sus icircn jos) prin ştuţurile 4 Folosirea pereţilor despărţitori şi a ştuţurilor micşorează influenţa presiunii hidrostatice a lichidului asupra temperaturii de vaporizare a amoniacului Asemenea sonde de icircngheţare se folosesc pentru lucrări de mică adacircncime
Amplasarea sondelor se face icircn funcţie de o serie de factori formă poziţia şi dimensiunile lucrării care se realizează structura terenului temperatura şi viteza agentului etc
Icircn cazul puţurilor de mină de secţiune circulară sondele se amplasează pe un cerc
concentric de diametru D mai mare decacirct diametrul de săpare Ds cu grosimea a peretelui icircngheţat
sDD (54)
Trebuie să se ţină seama şi de deviaţia sondelor de la poziţia verticală icircncacirct pentru adacircncimi mari se utilizează relaţia
3
2 4
1
VAPORI 5 LICHID
3
2
4 1
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
43
a21DD s (55)
unde a = 003 H este abaterea medie statistică de la verticală a sondelor
Distanţa dintre sonde se ia de obicei de 1014 m icircn terenuri rezistente şi de 0809 m icircn terenuri slabe
Pentru adacircncimi de peste 500 m se recomandă să se dispună sondele pe două cercuri concentrice pentru a se forma un perete de grosime mai mare şi deci mai rezistent
La icircngheţarea terenului icircn jurul puţurilor de secţiune dreptunghiulară sondele se pot dispune pe dreptunghi sau elipsă Icircn aceste situaţii centura de teren icircngheţat poate fi solicitată la icircntindere ceea ce este de nedorit deoarece limita de rezistenţa la icircntindere a terenurilor icircngheţate este de circa 3 ori mai mică decacirct limita rezistenţei la compresiune Din acest motiv chiar şi la puţurile de mină de secţiune dreptunghiulară sondele se dispun pe unul sau două cercuri (fig 510)
Pentru realizarea galeriilor icircnclinate icircngheţarea terenului se realizează cu sonde verticale (fig 511) sau combinat atacirct cu sonde verticale cacirct şi cu sonde icircnclinate (fig 512)
Distanţa dintre sondele verticale (fig 511) se ia de 23 m iar distanţa dintre racircnduri este de 1525 m
Se poate folosi cacircte un racircnd de sonde icircnclinate montate deasupra galeriei (fig 212 a) sau sonde icircnclinate sub galerie şi sonde verticale scurte deasupra galeriei (fig 512 b)
SONDA
154 m
16
6 m
226
262
85
SONDA
Figura 411 Fig 511 Amplasarea sondelor verticale pentru realizarea galeriei icircnclinate
Figura 411 Fig 510 Dispunerea sondelor icircn jurul puţurilor de mină de secţiune
dreptunghiulară
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
44
Figura 412 Fig 512 Realizarea galeriilor icircnclinate cu sonde verticale (1) şi sonde oblice (2)
I - secţiunea longitudinală II - secţiunea transversală a) sonde icircnclinate deasupra galeriei b) sonde icircnclinate sub galerie
413 513 UTILIZAREA METODEI DE IcircNGHEŢARE A SOLULUI IcircN ŢARA NOASTRĂ
a)Puţuri de mină
Aplicarea metodei de icircngheţare a solului pentru lucrări de minerit a avut loc la noi icircn ţară icircncepacircnd cu anul 1960 la puţul Godeni din bazinul carbonifer Cacircmpulung - Muscel Proiectul a fost elaborat icircn anul 1959 la IPROMIN Bucureşti iar lucrarea a fost executată cu Trustul Minier Argeş avacircnd icircn subantrepriză de specialitate Icircntreprinderea Frigotehnica Bucureşti şi Trustul de prospecţiuni explorări şi deschideri de mine noi Bucureşti
Adacircncimea de săpare a puţului Godeni a trebuit sa fie de 202 m Sondele de icircngheţare constituite din două ţevi concentrice (fig 51) cu diametrele exterioare de 146 mm şi respectiv 57 mm icircn număr de 27 au fost amplasate pe un cerc cu diametrul de 10 m la distanţa de 117 m una de alta
Instalaţia frigorifică a fost dimensionată cu mare precauţie pentru a avea o siguranţă mărită icircn funcţionarea ei Toate părţile componente ale instalaţiei frigorifice au fost proiectate şi executate icircn ţară
La proiectarea instalaţiei s-a avut icircn vedere funcţionarea de scurtă durată şi variaţia puterii frigorifice icircn timp S-a utilizat răcirea indirectă cu soluţie de clorură de calciu iar ca agent frigorific a fost folosit amoniacul Pentru a avea elasticitatea necesară icircn funcţionare la diferite puteri frigorifice au fost folosite grupuri de utilaje frigorifice şi anume
6 compresoare 4 AU - 20 (200000 kcal Nh =233 kW fiecare)
3 baterii de condensatoare atmosferice a cacircte 300 m2 (900 m2)
bazine pentru răcirea saramurii fiecare cu cacircte 2 vaporizatoare superintensive de 50 m2 (600 m2)
2 grupuri a cacircte 5 pompe pentru recircularea saramurii
Puterea frigorifică a instalaţiei montate a fost de 12106 kcal Nh =1395 kW şi s-a caracterizat prin următoarele date tehnice la exploatare
85
1
2
I 85
1
2
I
85
1
2
II
85
1
2 II
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
45
o suprafaţa de schimb de căldură a sondelor 2500 m2 o puterea instalaţiei 750 kW o debitul saramurii icircn
o icircn perioada activă 350 m3h o icircn perioada pasivă 70 m3h
o viteza de circulaţie a saramurii icircn sondă o tur 18 ms 036 ms o retur 029 ms 006 ms
o volumul rocilor icircngheţate circa 10000 m3 o consumul specific de frig mediu 50000 m3 o durata icircngheţării (perioada activă) 130 zile
Icircn timpul răcirii şi deci a icircngheţării solului puterea frigorifică scade icircn mod continuu icircncacirct treptat s-a scos din funcţiune cacircte un compresor icircn perioada pasivă (de săpare a puţului) s-a menţinut icircn lucru doar un singur compresor şi grupul de utilaje aferent
După terminarea lucrărilor de la puţul Godeni icircn anii următori aceeaşi instalaţie s-a montat la puţul Poenari din acelaşi bazin carbonifer unde sondele au fost amplasate pe un cerc cu diametrul de 11 m la distanţa de 128 m una de alta
Un alt puţ realizat prin această tehnologie de icircngheţare a solului a fost puţul Jugur de la acelaşi bazin carbonifer Centrala frigorifică a cuprins 15 compresoare 3 AV - 20 (150000 kcal Nh fiecare=175kW) repartizate icircn 5 linii tehnologice independente cu icircntreg utilajul aferent Fiecare linie este compusă din
o butelie de răcire intermediară BRI - 700 un condensator cu evaporare forţată CEF - 180 un bazin cu patru grupuri vaporizatoare intensive de cacircte 165 m2 (icircn total 66 m2)
Sondele de icircngheţare icircn număr de 27 bucăţi au fost prevăzute să se amplaseze pe un cerc cu diametrul de 104 m la distanţă de 121 m Sondele sunt de tipul celei indicată icircn figura 58 deci cu răcire zonală avacircnd următoarele caracteristici diametrul exterior al burlanului este de 146 mm iar tuburile interioare au 57 mm (la exterior) tubul de alimentare are lungimea de 430 m iar cel de evacuare este de 220 m Ca urmare sondele de icircngheţare trebuie să producă icircngheţarea solului numai pe adacircncimea de la 220 m la 430 m Prin proiect s-au prevăzut următoarele date temperatura saramurii - 35 ordmC viteza saramurii icircn conducte de tur 18 ms viteza icircn conducte de retur (pe adacircncimea de răcit) 06 ms durata icircngheţării (perioada activă) a fost de 75 zile
Au fost prevăzute temperaturi scăzute şi viteze mari de congelare deoarece cilindrul icircngheţat trebuie să preia presiuni de pacircnă la 56 bar
b)Tunelurile pentru metroul din Bucureşti
Icircncepacircnd cu anul 1976 pentru realizarea metroului din Bucureşti s-a procedat la aplicarea metodei de icircngheţare a solului icircntr-o zonă considerată experimentală dar cu realizări efective de galerii
Prin proiect s-a prevăzut consolidarea prin icircngheţare artificială a profilului de săpare a tunelurilor de metrou pe o lungime de circa 550 m pe ambele fire Amplasamentul sondelor s-a făcut icircn două variante (pentru experimentare) pentru un fir de tunel ambele racircnduri de sonde s-au fixat icircn profilul circular de săpare iar pentru cel de al doilea fir de tunel sondele au fost forate icircn afara profilului de icircnaintare (fig 513) Au fost folosite sonde cu saramură cu posibilitatea de icircngheţare pe toată icircnălţimea de 16 m cacirct şi sonde cu icircngheţare zonală icircntre adacircncimile de 7 m şi 16 m Distanţa dintre sonde a fost fixată la 14 m
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
46
Pentru a se icircmpiedica accesul apelor icircn frontul de săpare datorate unor eventuale zone neicircngheţate traseul de tunel icircngheţat a fost icircmpărţit icircn incinte icircnchise prin timpane transversale La distanţe de 3050 m icircn lungul traseului au fost montate sonde de icircngheţare aşezate icircn plan normal pe axul tunelului prin care să se icircnchidă accesul apelor spre frontul de săpare
Echipamentul frigorific principal cuprinde
- 8 compresoare frigorifice 3 AV - 20 funcţionacircnd icircntr-o treaptă pentru care
corespunde puterea frigorifică de 12 106 kcal Nh =1395 kW
- 4 condensatoare de evaporare forţată CEF - 250
- 3 bazine de răcire a saramurii echipate cu cacircte 4 grupuri de vaporizatoare superintensive de cacircte 51 m2 (total 612 m2)
- 3 grupuri de cacircte 2 pompe a 220 m3h pentru circulaţia saramurii pe traseele de distribuţie şi prin sonde
Figura 413 Fig513 Amplasamentul sondelor de icircngheţare
Centrala frigorifică este stabilă adăpostită icircntr-o baracă metalică demontabilă existacircnd posibilitatea de reamplasare rapidă a instalaţiei icircntr-un alt loc Agentul frigorific utilizat este amoniacul iar agentul intermediar este clorura de calciu
Icircn perioada principală de icircngheţare temperatura de vaporizare este to = -22 ordmC asiguracircnd răcirea saramurii la -17 ordmC iar pe retur saramura a avut temperatura cu 15 ordmC mai ridicată
La o asemenea lucrare realizată icircn oraş se impune protejarea contra icircngheţului a straturilor de deasupra galeriilor icircn care sunt amplasate instalaţiile de apă - canal ceea ce presupune folosirea sondelor cu icircngheţare zonală care să nu fie active la partea superioară
c) Puţuri pentru prospectarea balastierelor
Procedeul şi instalaţia frigorifică au avut caracter de noutate şi s-a aplicat icircncepacircnd cu anul 1966 la mai multe obiective icircn general pe văile racircurilor unde s-au construit hidrocentrale
A
A B
B
A-A
000 -300 -700 -1061 -1300
65
800
B-B
000 -300 -700 -1061 -1300
65
550
ARGILA
ARGILA
NISIP
NISIP
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
47
Echipamentul frigorific principal cuprinde un agregat frigorific pentru amoniac de 20000 kcal Nh = 233 kW rezervor de amoniac separator de lichid şi anexe - toate fiind montate pe o remorcă
S-au folosit sonde de icircngheţare cu agent frigorific icircn număr de 8 bucăţi cu diametrul exterior de 133 mm montate pe un cerc cu diametrul de 2 m la distanţa de 076 m lungimea lor fiind de 75 m Legarea sondelor la distribuitor şi colector s-a făcut cu racorduri flexibile
Sondele au o construcţie specială fiind prevăzute cu 4 pereţi transversali cu ştuţuri de preaplin formacircndu-se astfel 5 compartimente Agentul lichid se introduce icircn compartimentul cel mai de sus şi se scurge prin ştuţuri pacircnă la baza sondei Conducta de aspiraţie străbate toate compartimentele vaporii fiind aspiraţi din compartimentul cel mai de jos Circulaţia vaporilor formaţi se face ca şi a lichidului de sus icircn jos obţinacircndu-se astfel o răcire uniformă şi eficientă pe toată icircnălţimea sondei
Durata icircngheţării respectiv a formării centurii de teren icircngheţat la adăpostul căreia să se poată efectua săparea şi preluarea de probe de sol este de 10 zile
414 514 CAcircMPUL DE TEMPERATURĂ IcircN SOLUL IcircNGHEŢAT
Cacircnd prin sonda de icircngheţare circulă saramură a cărei temperatura este sub 0 ordmC practic - 20 ordmC-25 ordmC icircn jurul sondei se formează un cacircmp termic care icircn cazul unei singure sonde poate fi reprezentat prin suprafeţe cilindrice coaxiale de temperatură constantă (izoterme)
După distanţa radială se deosebesc icircn sol din punct de vedere termic trei zone zona cilindrică din imediata vecinătate a sondei care este icircn zona icircngheţată zona răcită cuprinsă icircntre suprafaţa cilindrică izotermă de 0 ordmC şi izoterma de temperatură naturală şi a treia zonă cea de temperatura naturală (fig 514)
Icircn zona icircngheţată temperatura masivului variază de la temperatura peretelui metalic al sondei pacircnă la 0 ordmC Icircn zona răcită temperatura masivului creşte de la 0 ordmC pacircnă la temperatura naturală a masivului
Figura 414 Fig 514 Cacircmpul de temperatură icircn jurul unei sonde de icircngheţare
Este important să se cunoască cacircmpul termic icircn terenul supus icircngheţării deoarece acesta oferă date privind zona de răspacircndire a consolidării rocilor prin solidificarea apei cacirct şi a
t [oC]
r [m]
t (r)
ZONA RACITA
ZONA INGHETAT
A
ts TEMPERATURA NATURALA A ROCII
-20
-10
40
10 0 20 30
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
48
rezistenţei mecanice a rocii icircngheţate Se cunoaşte faptul că rezistenţa mecanică depinde direct de temperatură
Studiul variaţiei temperaturii icircn zona de influenţă a unei sonde şi a tuturor sondelor simultan oferă posibilitatea calculării dimensiunilor la proiectarea construcţiei peretelui protector cacirct şi controlul procesului icircn timpul desfăşurării lucrărilor
Pentru a se stabili relaţia de variaţie a temperaturii icircn zona icircngheţată icircn funcţie de raza r se consideră ecuaţia diferenţială
dr
dtr2q (56)
icircn care q este fluxul unitar de căldură corespunzător lungimii de 1 m din sonda de icircngheţare Wm
- conductivitatea termica a terenului Wm
Integrarea directă a ecuaţiei analitice se poate face icircn ipoteze simplificatoare consideracircnd
= const şi q = const ceea ce este justificat la valori mari ale timpului de răcire
Se separa variabilele
r
dr
2
qdt
(57)
Se consideră cunoscute temperaturile t1 la suprafaţa sondei de raza r1 și t2 = 0 ordmC la raza r2 corespunzătoare suprafeţei exterioare a cilindrului icircngheţat Se integrează ecuaţia (6-7) și cunoscacircnd limitele de integrare se va determina constanta de integrare
Cr ln2
qt
(58)
pentru r = r1 t = t1 deci
11 rln2
qtC
(59)
1
1r
rln
2
qtt
(510)
Se pune condiţia ca pentru r = r2 t = t2
1
212
r
rln
2
qtt
(511)
Se elimina q intre relaţiile (510) și (511) şi se obţine
1
2
1121
r
rln
r
rln
tttt (512)
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
49
Figura 415 Fig 515 Schema schimbătorului de căldură subteran
Pentru t2 = 0 ordmC relaţia (5-12) devine
)rrln(
)rrln(tt
12
21 (513)
Icircn figura 515 se prezintă o secţiune axială printr-o sondă de icircngheţare şi variaţia temperaturii icircn limitele t0 - temperatura agentului de răcire şi ts - temperatura naturală a solului
Cantitatea de căldură transferată de la masivul neicircngheţat spre agentul de răcire prin unitatea de lungimea de conducta şi unitatea de timp se calculează cu expresia
221
2
1o
1
moo
os
d
1
d
dln
1
d
dln
2
1
d
1
ttq
(514)
Icircn calculele inginereşti cel mai frecvent se determină nu fluxul termic pe unitatea de lungime a conductei ci fluxul termic qF raportat la unitatea de suprafaţă a conductei metalice la 1 m2 de suprafaţa exterioară sau interioară Mărimea qF se calculează astfel
22
o
1
2
1
o
o
1
m
o
o
oS
o
F
d
d
d
dln
2
d
d
dln
2
d1
tt
d
(515)
Fluxul termic qF prin unitatea de suprafaţă a sondei de icircngheţare calculat pentru adacircncimea de 100 m icircn regim laminar de curgere a agentului de răcire prin spaţiul inelar al sondei cu viteza w = 01 ms la diametre ale cilindrului de rocă icircngheţata
de la 02 la 3 m pentru to = -20 ordmC do = 01 m 1 = 233 WmK variază de la 720 la 230 Wm2 aşa cum se poate observa din figura 516 şi tabelul 51
d2
d1
d0
t
qF
t0
t2
t1 2
m 1
m
ts
Conducta Teren icircngheţat Teren
neicircngheţat
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
50
Figura 416 Fig 516 Variaţia fluxului termic qF prin unitatea de suprafaţă a sondei de icircngheţare 1 - regim turbulent 2 regim laminar
Tabelul 51Variaţia fluxului termic qF [Wm2]
Diametrul cilindrului de rocă icircngheţată icircn m
02 04 05 08 10 15 20
qF regim laminar 1160 550 387 330 302
qF regim laminar 720 465 423 350 321 283 258
Se observă ca densitatea fluxului de căldura qF scade foarte mult de la 800900 Wm2 la icircnceputul operaţiei de consolidare prin frig a rocilor pacircnă la 230250 Wm2 cacircnd cilindrul de rocă icircngheţata atinge diametrul de 23 m Ca urmare a acestei situaţii şi puterea frigorifică a instalaţiei va scădea icircn decursul a 6080 zile tot cu raportul de 800230 = 35
Instalaţia frigorifică va fi constituită din grupuri de utilaje (module) ce vor fi scoase treptat din funcţiune pe măsură ce se reduce densitatea fluxului de căldură qF ca urmare a creşterii grosimii stratului de teren icircngheţat Icircn practică pentru calcule se va considera qF = (260290) Wm2
O mărime importanta pentru proiectarea instalaţiei şi aprecierea procesului de consolidare a rocilor este timpul de icircngheţare Pentru calculul duratei de icircngheţare se pot folosi relaţiile prezentate icircn capitolul 3 la formarea gheţii pe suprafeţe cilindrice exterioare La aprecierea valorii pentru ls - căldura latentă de solidificare se avea icircn vedere conţinutul de apă din terenul supus icircngheţării
Dacă icircntre relaţiile pentru dependenţele (r) şi qF(r) se elimină r se obţine dependenţa
qF() Eliminarea nu se poate face direct ci fie cu ajutorul calculatorului fie printr-o construcţie grafică prezentată icircn figura 517
Studiul variaţiei temperaturii icircn solul icircngheţat cacirct și variaţia icircn timp a densităţii fluxului de căldura se poate face cu ajutorul calculatorului electronic
1200
1000
800
600
400
200
0 05 1 15 2 25 3
qF [Wm2]
Diametrul cilindrului de rocă icircngheţată [m]
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
51
Figura 417 Fig 517 Stabilirea dependentei qF() pe baza dependentelor qF(r) și (r)
415 515 ELEMENTE DE PROIECTARE A INSTALAŢIEI FRIGORIFICE PENTRU IcircNGHEŢAREA SOLULUI
Pentru proiectarea instalaţiei frigorifice trebuie sa se stabilească la icircnceput elementele de baza și anume
- puterea frigorifică maximă care apare la icircnceputul perioadei de răcire cacircnd pătrunderile de căldura spre agentul de răcire din sondele de icircngheţare au valori mai mari temperatura de vaporizare a agentului frigorific plecacircnd de la temperatura minimă sau medie din solul icircngheţat şi avacircnd icircn vedere modul de răcire directă sau indirectă
Se calculează cantitatea totală de căldură ce trebuie extrasă din terenul supus răcirii şi icircngheţării Se cunoaşte structura terenului icircngheţat deci se cunosc icircnălţimile h1 h2hn ale diferitelor straturi componente cacirct şi proprietăţile termofizice ale acestora
Grosimea centurii de teren icircngheţat se stabileşte icircn urma calculelor de rezistenţa materialelor icircncacirct se pot calcula volumele ocupate de straturile componente V1 V2Vn
Cantitatea de căldură ce trebuie extrasă din zona icircngheţată cuprinde două componente și anume
cantitatea de căldura Qa corespunzătoare răcirii şi icircngheţării apei
cantitatea de căldura Qt necesara răcirii părţii solide a terenului
n
1kfgsikaakka tcltcVQ (516)
unde
k - reprezintă conţinutul icircn apă din stratul respectiv [m3m3]
a - densitatea apei [kgm3]
ca cg - căldura specifica a apei respectiv a gheţii Jkg K
tik - temperatura iniţiala a stratului respectiv (de ordinul k)
tf - temperatura medie finala a masivului icircngheţat
ls - căldura latentă de solidificare a apei
r
q
q
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
52
fik
n
1kkkkkt ttc1VQ
(517)
k - densitatea părţii de teren solid (uscat) din stratul k
ck - căldura specifică a terenului uscat din stratul k
Cantitatea de căldură extrasă din terenul răcit reprezintă circa 1018 din cantitatea de căldură extrasă din zona de teren icircngheţat
Deci cantitatea totală de căldură Q ce va trebui preluată de către instalaţia frigorifică se poate aprecia astfel
Q = (110118) (Qa + Qt) (518)
Cu relaţia (51) se calculează puterea frigorifica a instalaţiei adoptacircnd o valoare medie pentru densitatea fluxului de căldura qF
Se poate aprecia timpul de funcţionare a instalaţiei frigorifice
o
Q
(519)
La anumite grosimi ale cochiliei de teren icircngheţat icircn jurul sondei densitatea fluxului termic scade sub valoarea medie adoptată icircn calcule şi ca urmare icircncepacircnd de la acest moment se va putea reduce treptat puterea frigorifica a instalaţiei prin scoaterea din funcţiune a unor grupuri
La proiectare se pot avea icircn vedere unele recomandări practice pentru stabilirea necesarului de frig pentru icircngheţarea unui m3 la -10 ordmC este necesar un consum specific de frig de 66000 kJ la 10 umiditate de 155000 kJ la 35 umiditate și de 210000 kJ la 50 umiditate
42 52 RĂCIREA BETONULUI LA CONSTRUCŢIILE MASIVE
421 521 INSTALAŢII DE PRERĂCIRE A COMPONENTELOR BETONULUI
Formarea betonului din elementele sale componente (nisip pietriş ciment şi apă) este icircnsoţită de fenomene fizico - chimice icircn care se degajă căldură şi ca urmare temperatura acestuia creşte Icircn cazul unor masive din beton (baraje) dacă viteza de turnare (icircn sezonul cald cacircnd se efectuază construcţia) este mai mare şi nu se asigura evacuarea căldurii corpul rezultă la o temperatura medie mai mare decacirct temperatura medie anuală Răcirea naturală conduce la contracţia masivului şi ca urmare la apariţia sub acţiunea tensiunilor interne a unor fisuri
Pentru ca variaţiile de temperatura icircntre centrul barajului şi straturile exterioare să fie cacirct mai mici se impune ca masivul respectiv să fie turnat la temperatura medie anuală a zonei respective Icircn acest scop se pot folosi două metode prin prerăcirea componentelor betonului și prin răcirea masei barajului
Icircn vederea reducerii căldurii degajată icircn reacţia dintre ciment şi apă au fost realizate sortimente de ciment caracterizate prin călduri masice reduse ce se degajă icircn procesul de priză
Prin prerăcirea componentelor betonului se urmăreşte ca betonul sa aibă temperatura medie a locului de amplasament şi prin aceasta evitarea apariţiei unor diferenţe mari de temperatură ce pun icircn pericol construcţia
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
53
Icircn funcţie de valoarea diferenţei de temperatură care trebuie realizată se poate adopta o anumită schemă de răcire pentru fiecare component icircn parte sau numai pentru unele din aceste părţi componente
Se pot folosi instalaţii frigorifice cu comprimare mecanică de vapori pentru răcirea apei a aerului sau formarea gheţii mărunte utilizate la prerăcirea componentelor betonului Folosirea gheţii fulgi sau solzi este limitată atacirct din cauza conţinutului de apă impus cacirct şi ca urmare a pericolului ca gheaţa să nu se topească icircn procesul de malaxare ci la turnare sau icircn procesul de priză ceea ce duce la formarea de goluri icircn beton
De asemenea se pot folosi instalaţiile frigorifice cu ejecţie
Icircn vederea stabilirii necesarului de frig pentru preratildecirea componentelor betonului se calculează mai icircntacirci cantitatea de catildelduratilde Qo1 ce trebuie evacuatatilde dintr-un m3 de beton avacircndu-se icircn vedere proporţiile icircn care participatilde cimentul nisipul pietrişul şi apa Fiecare component are o temperatură iniţialatilde şi urmeazatilde a fi răcit pacircnatilde la o temperatura finalatilde tf aceeaşi pentru toţi componenţii
fpppfnnnfccc1o ttcmttcmttcmQ
fnaanfpaapfaaa ttcmttcmttcm Jm3 (520)
unde
mc mn mp ma - masele de ciment nisip pietriş şi apă conţinute icircntr-un m3 de beton [kgm3]
cc cn cp cw - căldurile specifice masice ale cimentului nisipului pietrişului şi nisipul dintr-un m3 de beton [kgm3]
Puterea frigorifică se determină cu relaţia
3b1oo 10VQ [kW] (521)
icircn care bV reprezintă fluxul de betonare icircn m3s
Se prezintă icircn continuare cele mai folosite metode de prerăcire a componentelor betonului
4211 a) Instalaţie de prerăcire cu apă
Staţia de preparare a betonului este deservită de o instalaţie frigorifică cu comprimare mecanică de vapori care asigură răcirea apei
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
54
Figura 418 Fig 518 Schema de lucru a instalaţiei de prerăcire a betonului cu ajutorul apei 1 - ciment 2 - vagon nisip 3 - vagon pietris 4 - tancuri de răcire a pietrişului 5 - sită 6 - siloz de
nisip 7 - siloz de ciment 8 - rezervor de distribuţie 9 - răcitor de nisip 10 - răcitor de ciment 11 - răcitor de apă 12 - rezervor de apă răcită 13 - răcitor de apă 14 - instalaţie de prepararea betonului
I II III IV V - fazele de răcire a pietrişului
Icircn figura 518 se prezintă schema de lucru a unei asemenea instalaţii de prerăcire a betonului cu ajutorul apei folosită la construcţia barajului de la Detroit (SUA) Apa este răcită de la 16 la 15 ordmC şi transmisă apoi la instalaţia de preparare a betonului şi icircn cinci rezervoare a cacircte 90 m3 fiecare icircn care se răceşte pietrişul
Procesul de răcire a pietrişului cuprinde cinci faze
- faza I - introducerea apei icircn rezervor 10 minute
- fazele II şi III - introducerea simultană a apei şi a pietrişului 50 minute
- faza IV - evacuarea apei 15 minute
- faza V - evacuarea pietrişului 15 minute
Icircntregul proces de răcire a pietrişului durează 90 minute Pentru răcirea cimentului şi nisipului se utilizează schimbătoare de căldură cu ax elicoidal la care apa de răcire circulă prin arborele gol şi prin manta
Rezervoarele 12 pentru apa răcită au fiecare volumul de 114 m3
Beton 635oC
190 m3h
65oC
24oC
18oC
1
2
3
4
5
6
7
8
10
9
11
12
13
14
Apă 16oC
15oC
Cim
en
t
26 l
h
Nis
ip 1
12
lh
10
oC
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
55
42111 Aplicaţie numerică
Să se calculeze puterea frigorifică necesară prerăcirii betonului prin metode şi condiţiile prezentate mai sus Se cunosc următoarele date de calcul
mp = 1700 kgm3 beton
mc = 135 kgm3 beton
mn = 590 kgm3 beton
ma = 60 kgm3 beton
cc = cn = cp = 921 Jkg K
ca = 4180 Jkg K
map = 16 kgm3 beton
man = 38 kgm3 beton
tp = 18 ordmC
tc = 66 ordmC
tn = 21 ordmC tf = 635 ordmC
052803000
190Vb m3s
Se calculează componentele cantităţii de căldură Q01
3fcccc 10741735666921135ttcmQ Jm3
3fnnnn 10796135621921590ttcmQ Jm3
3fpppp 1024018356189211700ttcmQ Jm3
3faaaa 10420235616418060ttcmQ Jm3
3fpaapap 1077935618418016ttcmQ Jm3
3fnaaan 10232735621418038ttcmQ Jm3
Rezulta
3anapapnc1o 1039144QQQQQQQ Jm3
3o 10 206705280103914410VQ 33
b1o kW
4212 b) Instalaţii de prerăcire cu aer apă
Pentru răcirea componentelor betonului se utilizează icircn acest caz fie apa fie aerul ca agenţi intermediari răciţi cu ajutorul instalaţiilor frigorifice
Icircn figura 519 se prezintă schema unei asemenea instalaţii folosită la construcţia barajului de la Sariyar din Turcia
Răcirea aerului se poate face fie direct prin vaporizarea unui agent frigorific fie indirect cu un agent intermediar de răcire ca de exemplu saramura de clorură de calciu Aerul răcit pacircnă la -6 ordmC este suflat icircn silozurile cu pietriş de dimensiuni icircntre 4150 mm
Apa răcită icircn bazinul la pacircnă la 05 ordm este trimisă din colectorul 12 la staţia de preparare a betonului servind la scăderea temperaturii acestuia
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
56
Figura 419 Fig 519 Schema instalaţiei de prerăcire a betonului cu aer şi apă 1 - compresor 2 - condensator 3 - ventile de laminare 4 - vaporizatoare 5 - bazin de răcire a
saramurii 6 - pompă de saramură 7 - răcitor umed de aer 8 - ventilatoare 9 - silozuri de pietriş 10 - bazin de răcire a apei 11 - pompă 12 - colector de apă răcită
Figura 420 Fig 520 Schema instalaţiei de prerăcire cu aer şi apă 1 - siloz de pietriş şi nisip 2 - siloz de ciment 3 rezervor de apă 4 - răcitor de aer 5 - răcitor de apă
4 - răcitor de apă 6 - buncăr de sortare 7 - instalaţie de preparare beton
Pentru intensificarea procesului de răcire a pietrişului aerul este răcit sub 0 ordmC Acest procedeu are avantajul unei funcţionări fără icircntrerupere a procesului de preparare a betonului dar prezintă şi o serie de dezavantaje debite foarte mari de aer de răcire posibilitatea antrenării particulelor fine de agregat icircn răcitorul de aer şi depunerea acestora pe suprafaţa de schimb de căldură Ca urmare instalaţia se va curăţa la circa 14 zile Icircn figura 520 se prezintă o altă schemă de instalaţie de prerăcire a betonului cu aer şi apă folosită la construcţia unui baraj din India
Apă
295oC
Ciment
433oC
Pietriş şi nisip
378oC
Apă 6oC
Ciment 433oC
Aer
Pietriş
45oC Nisip 222oC
22oC
Ap
ă
45
oC
Ap
ă 2
2o
C
Ae
r 5
5o
C
Be
ton
12
8o
C
Apă 22oC
2
1
3 4 5
8
9
5 7
12
1oC
11
05oC 9oC 9oC
-9oC
-10oC -10oC
-10oC 2oC
6oC
10 4 4 6
8 8
8
8 8
9 9 9 9
1
2
3 3
7
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
57
Pietrişul şi nisipul se separă icircntre ele icircn buncărul de sortare 6 şi apoi fiecare circulă pe cacircte o bandă transportoare prin camera de răcire 7 Pietrişul este răcit cu ajutorul apei
Fig
ura
42
1 F
ig 5
21
Sc
he
ma
in
sta
laţi
ei
de
ră
cir
e icirc
n v
id a
co
mp
on
en
telo
r b
eto
nu
lui
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
58
reci icircncacirct ajunge la o temperatură mai scăzută decacirct nisipul răcit cu aer Prin camera 7 se circulă şi aer rece care se introduce la temperatura de 55 ordmC Cimentul se introduce la instalaţia de preparare a betonului 9 fără a fi răcit
O altă posibilitate de prerăcire a agregatelor (pietriş şi nisip) şi a apei utilizată mai recent la construirea barajelor icircntrebuinţează răcirea icircn vid la care agregatele uşor umezite icircn recipiente sub presiune se răcesc după nevoie (prin reglarea vacuumului) la o temperatură mai scăzută sau mai ridicată Căldura necesară evaporării umidităţii de pe agregate şi din ele (apa legată) este luată chiar de la corpurile respective (pietriş nisip) şi ca urmare acestea se răcesc
O asemenea instalaţie utilizată la Hortwell icircn SUA (figura 521) cuprinde 3 recipienţi de cacircte 150 m3 pentru răcirea pietrişului şi 3 recipienţi de cacircte 80 m3 pentru răcirea nisipului
Pietrişul şi nisipul cu temperatura maximă de 43 ordmC se pot răci pacircnă la temperatura necesară de 45 ordmC Pentru realizarea vidului necesar se folosesc două cazane de abur care produc 77 th fiecare
422 522 RĂCIREA INTERIOARĂ A MASIVULUI DE BETON
Prerăcirea betonului se recomandă icircn condiţiile unei zone tropicale sau temperate de amplasare a construcţiei masive nu se recomandă icircn cazul amplasării barajului icircn munţi unde temperatura aerului este scăzută Icircn asemenea situaţii se recomandă răcirea betonului prin conducte amplasate icircn masiv prin care circulă apă rece
La răcirea interioară cu conducte montate icircn beton are loc o eliminarea a căldurii simultan cu producerea ei icircn procesul de priză producacircndu-se şi o răcire pacircnă la temperatura necesară Pentru răcire se folosesc conducte de oţel cu diametre de 1525 mm montate la distanţe de 1223 m icircn plan orizontal şi de 153 m icircn plan vertical Lungimea conductelor icircntr-un m3 de beton este de 0204 şi a fiecărei serpentine de 140250 m
Debitul apei de răcire ce circulă prin 1 m3 de beton este de (0553) dm3h
Figura 422 Fig 522 Reţea de conducte de răcire a betonului icircn secţiunea unui baraj 1 - galerie pentru măsurători 2 - galerie de conducte de apă de răcire
Serpentinele se montează şi se fixează pe suprafaţă de beton (fig522) Capetele serpentinelor se leagă de o coloană verticală prin mufe metalice sau de cauciuc Diametrul distribuitorului şi al coloanei este cuprins icircntre 150200 mm După montaj aceste conducte se verifică la presiunea de lucru
1 2
Ax
a
ba
raju
lui
Izolaţii termice
8
Figura 14 Variatia temperaturii icircn peretele conductelor care transportă fluide reci
121 Calculul grosimii izolației termice pentru un flux termic liniar cunoscut (condiții la limită de speța a II-a)
Se consideră o conductă cu un strat de izolație de bază și un strat protector (Figura 13 pentru conducte care transportă fluide calde și Figura 14 pentru conducte care transportă fluide reci) Icircn vederea calculării grosimii izolației termice sunt necesare următoarele date
amplasarea conductei și temperatura mediului ambiant te [ordmC]
dimensiunile conductei di și de [m]
temperatura fluidului transportat tf [ordmC]
construcția și materialul izolației termice iz [WmK]
modul de susținere a conductei armăturile și compensatoarele de dilatație Fluxul termic liniar (unitar) transmis prin conducta izolată se calculează cu relația
LeLspLizLpLi
efL
RRRRR
tt
[Wm] (15)
unde
rezistența superficială liniară a fluidului transportat este
RLi = iid
1
[mmiddotgrdW] (16)
Rezistența superficială liniară RLi se ia icircn calcule icircn următoarele cazuri
- la diametre ale conductei di lt 50 mm dacă i lt 150 Wm2middotgrd
- la diametre ale conductei 50 lt di lt 500 mm dacă i lt 120 Wm2middotgrd
- la diametre ale conductei di gt 500 mm dacă i lt 90 Wm2middotgrd
Pentru unele fluide (abur supraicircncălzit de icircnaltă presiune abur saturat apă agenți frigorifici uleiuri) rezistența superficială RLi se poate neglija reprezentacircnd sub 1 din rezistența totală
rezistența termică liniară a peretelui conductei este
r [mm]
iz sp p
tff
tp1
tee
t
[oC]
di
de
diz
dsp
tp2
tp3
tp4 ФL
Izolaţii termice
9
RLp = id
edln
p2
1
[mmiddotgrdW] (17)
Pentru conductele metalice conductivitatea termică a materialului are valori ridicate ( gt 15 WmmiddotK) din care cauză rezistența termică RLp poate fi neglijată reprezentacircnd sub 1 din rezistența totală
rezistența termică liniară a stratului de izolație este
RLiz = ei
iz
iz d
d
2
1ln
[mmiddotgrdW] (18)
rezistența termică liniară a stratului protector este
RLsp = izi
sp
sp d
d
2
1ln
[mmiddotgrdW] (19)
Icircn general stratul protector este realizat sub forma unui inveliș metalic (tablă vopsită tablă zincată tablă din aluminiu) sau sub forma unui strat de tencuială cu grosimi de (10hellip20) mm Icircn Tabelul 19 este indicată conductivitatea termică λsp [WmmiddotK] pentru cacircteva materiale utilizate la realizarea stratului protector
Tabelul 19 Conductivitatea termică λsp
Material ρ [kgm3] λsp [WmmiddotK]
Ciment și gips 900hellip1000 023 la 50ordmC
Pastă bituminoasă și mastic asfaltos
1000hellip1150 030 la 50ordmC
Ciment 1600hellip1900 029 la 50ordmC
Strat anticoroziv 1000hellip1100 017hellip023 la 50ordmC
Icircn cazul icircnvelisului metalic rezistența termică RLsp poate fi neglijată
Icircn cazul stratului de tencuială rezistența termică RLsp reprezintă pacircnă la 20 din rezistența totală
rezistența superficială liniară a mediului ambiant este
RLe = espid
1
[mmiddotgrdW] (110)
Rezistența superficială liniară a mediului ambiant funcție de diametrul conductei și de amplasarea acesteia este data icircn Tabelul 110
Pentru calcule exacte valorile coeficientului de convecție la contactul intre stratul protector și mediu ambiant icircn funcție de amplasarea conductei sunt prezentate icircn Tabelul 111
Rezultă rezistența termică a stratului de izolație
e
iz
izLeLspLpLi
L
efLiz
d
d
2
1RRRR
Q
ttR ln
[mmiddotgrdW] (111)
Grosimea stratului de izolație termică
LeLpLi
L
efiz
e
iz RRRQ
tt2
d
d
ln [m] (112)
de unde
Izolaţii termice
10
1
d
dd50
e
izeiz [m] (113)
Tabelul 110 Rezistența superficială liniară a mediului ambiant
Dn [mm]
Conducte icircn icircncăperi Conducte icircn aer liber cu coeficient mic de
radiație a icircnvelișului cu coeficient mare de radiație a icircnvelișului
Temperatura fluidului transportat tf [ordmC]
100 300 500 100 300 500 100 300 500
32 050 035 030 033 022 017 012 009 007
40 045 030 025 029 020 015 010 007 005
50 040 025 020 025 017 013 009 006 004
100 025 019 015 015 011 010 007 005 004
125 021 017 013 013 010 009 005 004 003
150 018 015 011 012 009 008 005 004 003
200 016 013 010 010 008 007 004 003 003
250 013 010 009 009 007 006 003 003 002
300 011 009 008 008 007 006 003 002 002
350 010 008 007 007 006 005 003 002 002
400 009 007 006 006 005 004 002 002 002
500 0075 0065 006 005 0045 004 002 002 0016
600 0062 0055 005 0043 0038 0035 0017 0015 0014
700 0055 0051 0045 0038 0035 0032 0015 0013 0012
800 0048 0045 0042 0034 0031 0029 0013 0012 0011
900 0044 0041 0038 0031 0028 0026 0012 0011 0010
1000 0040 0037 0034 0028 0026 0024 0011 0010 0009
2000 0022 0020 0017 0015 0014 0013 0006 0006 0005
Observatii
Pentru temperaturi ale fluidului transportat tf lt 100ordmC se aleg valorile pentru tf = 100ordmC
Invelișurile cu coeficient mic de radiație sunt executate din tablă zincată tablă din aliaje de aluminiu și aluminiu oxidat tablă vopsită cu lacuri din aluminiu
Invelișurile cu coeficient mare de radiație sunt executate din tencuială plăci de sticlă diverse vopsele (exclusive din aluminiu)
Grosimea stratului de izolație termică se standardizează funcție de materialul ales
Tinacircnd seama de stratul protector din ciment și paste bituminoase cu diverse grosimi se calculează grosimea reală a stratului de izolație cu coeficientul de corecție ∆[mm] cu valori date icircn Tabelul 112
Tabelul 111 Valorile coeficientului de convecție la contactul intre stratul protector și mediu ambiant
Amplasarea conductei
Icircn icircncăperi Icircn aer liber la viteza
vacircntului w [ms] cu coeficient mic de radiație a icircnvelișului
cu coeficient mare de radiație a icircnvelișului
5 10 15
orizontală 6 10 20 25 35
verticală 7 11 25 35 50
Observatie Icircn absența datelor privind viteza vacircntului se admite w = 10 ms
Tabelul 112 Coeficientul de corecție ∆[mm]
δsp [mm]
λiz [WmmiddotK] 007 008 009 010 011 012
Izolaţii termice
11
10 2 2 2 3 3 3
15 3 3 4 4 5 5
20 4 4 5 6 6 7
La alegerea grosimii stratului de izolație termică trebuie să se țină seama și de tasarea materialului prin coeficientul de tasare Kt definit ca raportul dintre volumul construcției termoizolate icircn funcțiune și volumul contrucției la montaj Se recomandă Kt gt 1 pentru a preveni deprecierea izolației termice
Pentru cacircteva materiale termoizolatoare valorile coeficientului de tasare sunt recomandate icircn Tabelul 113
Tabelul 113 Valorile coeficientului de tasare Kt
Material Kt
Saltele din vată minerală perforată 12hellip13
Saltele din vată de sticlă cu legătură sintetică 16
Saltele și plăci din vată minerală moale cu legătură sintetică
15
Plăci semirigide din vată minerală cu legătură sintetică 12
Plăci semirigide din vată de sticlă cu legătură sintetică 115
Plăci moi din vată minerală cu legătură din bitum 15
Plăci semirigide din vată minerală cu legătură din bitum 12
Grosimea stratului de izolație termică la montaj va fi
ize
izetizo
2d
dK
[m] (114)
Valorile fluxului termic liniar (unitar) ФL [Wm] icircn funcție de diametrul exterior al conductei neizolate de [m] temperature fluidului transportat tf [ ordmC] și de amplasarea conductei sunt prezentate icircn Tabelul 114
Tabelul 114 Valorile fluxului termic liniar
de [mm]
tf [ ordmC]
80 100 180 200 250
a b a b a b a b a b
10 8 13 21 24 35 37 48 49 62 60
20 12 15 27 31 43 47 58 63 74 79
32 14 17 33 36 50 53 67 72 86 90
48 15 21 36 42 57 62 76 84 98 105
57 16 24 37 47 62 67 81 91 105 112
76 17 29 43 52 67 77 91 100 115 126
89 19 33 45 58 72 83 95 108 122 133
108 26 36 52 64 79 90 105 117 131 145
133 31 41 62 70 88 99 117 129 140 158
159 36 44 70 76 98 109 130 140 163 172
194 41 49 77 85 108 120 144 151 178 188
219 46 53 81 91 116 128 154 163 192 204
273 49 62 91 101 129 145 170 186 213 230
325 52 70 99 116 142 163 186 209 233 256
377 58 82 107 133 152 181 204 231 254 279
426 62 95 114 149 163 201 221 254 273 302
478 70 104 127 158 180 215 238 273 294 326
529 77 110 140 169 198 228 256 285 314 349
630 95 121 163 186 227 254 294 320 364 384
Izolaţii termice
12
720 110 134 186 205 256 277 326 345 395 416
830 128 157 209 233 291 309 366 384 442 463
920 157 180 238 262 320 344 401 430 483 512
1020 174 209 262 297 349 384 430 473 523 564
Observatii
a-conducte izolate amplasate icircn icircncăperi și canale cu temperatura medie a aerului te = (20hellip30) ordmC
b-conducte izolate amplasate icircn aer liber cu temperatura medie te = (0hellip15) ordmC și conducte subterane amplasate icircn canale nevizitabile cu temperatura medie a solului te = 5 ordmC
Fluxul termic total transmis prin suprafața conductei izolate va fi
Ф=ФLmiddotLC [W] (115)
unde
Lc [m] este lungimea de calcul (echivalentă) a conductei se calculează cu relația
Lc = KmiddotL+l [m] (116)
K - coefficient ce ține seama de pierderile suplimentare de căldură prin elementele de susținere a conductei (Tabelul 115)
L [m] - lungimea conductei
l [m] - lungimea de conductă izolată care echivalează pierderile de căldură prin armăturile de icircnchidere (vane ventile Tabelul 116 și prin icircmbinări (pentru icircmbinări cu flanșe se recomandă l = 1hellip15 m)
Tabelul 115 Valorile coeficientului K
Modul de susținere a conductei
Coeficientul K conducte amplasate icircn
icircncăperi conducte amplasate icircn
aer liber
prin agățare 110 115
prin rezemare 115 125
Tabelul 116 Lungimea de conductă izolată care echivalează pierderile de căldură prin armăturile de icircnchidere
di [mm]
Conducte icircn icircncăperi Conducte icircn aer liber
tf = 100 ordmC
tf = 400 ordmC tf = 100 ordmC tf = 400 ordmC
100 25 50 45 60
500 30 75 60 85
Dacă lungimea conductei nu este cunoscută se mărește valoarea coeficientului K astfel
pentru conducte amplasate icircn icircncăperi K = 12
pentru conducte amplasate icircn aer liberi K = 125
122 Calculul grosimii izolației termice pentru o temperatură dată pe suprafața acesteia
Normele de protecție a muncii impun temperatura pe suprafața exterioară a conductei izolate egală cu 50 ordmC pentru stratul protector din tencuială și 55 ordmC pentru stratul protector metalicTemperatura de 60 ordmC este limita maxima admisibilă peste care apare accidentarea prin arsură a personalului de exploatare
Conform notațiilor din Figura 13 (conductă care transportă fluide calde) fluxul termic liniar (unitar) se calculează cu relația
Izolaţii termice
13
e4pspeLpLizLspLi
4piL ttd
RRRR
tt
[Wm] (117)
Rezistențele termice RLi și RLp pot fi neglijate
Grosimea stratului de izolație termică se calculează icircn două etape
se neglijează rezistența termică a stratului protector RLsp = 0 și rezultă
24pee
4piiz
e
iz
e
iz
ttd
tt2
d
d
d
d
ln (118)
Ecuație de forma xmiddotlnx = const (x = dizde) rezolvarea ei făcacircndu-se grafic sau prin icircncercări
Rezultă
1
d
dd50
e
izeiz [m] (119)
ținacircnd seama de stratul protector se calculează grosimea reală a stratului de izolație termică cu coeficientul de corecție ∆ [mm] (Tabelul 112)
δizrsquo = δiz - ∆ [mm] (120)
Se calculează fluxul termic liniar (unitar) ΦL [Wm] și apoi modificacircnd grosimea stratului de izolație se verifică temperatura impusă tp4 [ ordmC]
Determinarea necesarului de căldură și apă caldă pentru un imobil
14
2 Determinarea necesarului de căldură și apă caldă pentru un imobil
Casa este situata icircn judetul Galati orasul Galati icircn partea de nord a orasului Este amplasata pe un teren cu suprafata de 300mp ea icircn sine avand o amprenta la sol de 123mp
Orasul Galati se situeaza icircn zona climatica numarul II Conform standardului ldquoSR1907 - 1 - 2014rdquo temperatura de referinta pentru aceasta zona este de -15 degC
Icircn figura de mai jos este reprezentat imobilul ce va trebui incalzit Este desenat icircn programul Archicad și prezinta urmatoarele vederi
Figura 21 Planul casei cu dimensiuni și orientare dupa punctele cardinala
Determinarea necesarului de căldură și apă caldă pentru un imobil
15
Figura 22
Figura 23 Vedere fata Nord
Determinarea necesarului de căldură și apă caldă pentru un imobil
16
Figura 24 Vedere fata Sud
Figura 25 Vdere fata Est
Determinarea necesarului de căldură și apă caldă pentru un imobil
17
Figura 26 Vedere fata Vest
Figura 27 Vedere de ansamblu
Determinarea necesarului de căldură și apă caldă pentru un imobil
18
Dimensiunile casei și a incaperilor sunt afisate icircn tabelul urmator
Incapere Suprafata mp
1 Hol intrare+ Living + Hol 3353
2 Dormitor mare 1804
3 Dromitor mic 12
4 Bucatarie 112
5 Baie mare 48
6 Baie mica 475
7 Camera tehnica 72
Total suprafata 9152
Total perimetru casa 444 m
21 22 Determinarea necesarului de căldură și apă caldă menajeră pentru imobil
Pentru studiul necesarului de flux termic este nevoie sa cunoastem posibilele pierderi de căldura cat si modul de utilizare al acesteia Ecuatia generala a bilantului termic ce se foloseste icircn calcularea fluxului de căldura
Q = Q1+ Q2+ Q3 [W]
Q1- fluxul de căldura pierdut prin transmisie
Q2- fluxul de căldura necesar incalzirii aerului ventilat
Q3- fluxul de căldura necesar prepararii apei calde
Fluxul termic pierdut prin transmisie este distribuit intre elementele constructive ale casei si anume Q11 - pereti Q12 - podea Q13 - tavan Q14 - geamuri
Q1= Q11+ Q12+ Q13+ Q14 [W]
Formula care se utilizeaza icircn calculul pentru fiecare fux termic icircn parte este comuna celor patru elemente
Q1i= Si middot Ki middot (tint - text) [W]
Unde Si - suprafata totala calculata a fiecarui element icircn parte se iau icircn considerare doar elementele care au legatura cu exteriorul [m2] ki - coeficientul global de transfer termic specific fiecarui element icircn parte [Wm2C] tint - temperatura din interiorul imobilului [degC] text - temperatura exterioara Icircn cazul podelei de utilizeaza temperatura solului șisau a pivnitei [degC]
Coeficientul global de transfer termic se calculeaza dupa formula
ki = 120783
120783
120514119842 + sum
120517119842
120524119842+
120783
120514119838119847119843=119842
[Wm2C]
Unde αi = coeficientul de transfer convectiv din interior αi = 8 Wm2C αe = coeficientul de transfer termic convective din exterior αe = 20 Wm2C λi - conductivitatea termica a stratului i pe care il aflam din fisa tehnica am materialului stratului respectiv [WmmiddotK] δi- grosimea stratului I [m]
Temperatura ce trebuie mentinuta icircn interiorul imobilului este de 22 degC
Coeficentul de convectie termica αi = 8
211 Mers de calcul pentru Q1
Q11 - flux termic pierdut prin pereti
Specificatii perete exeterior
Tencuiala δ 0025 m Grosime
Determinarea necesarului de căldură și apă caldă pentru un imobil
19
interioara λ 093 WmmiddotK Conductivitate termica
Rt 0026882 m2middotKW Rezistenta termica
Zidarie BCA δ 03 m Grosime
λ 014 WmmiddotK Conductivitate termica
Rt 2142857 m2middotKW Rezistenta termica
Tencuioala exterioara
δ 0025 m Grosime
λ 093 WmmiddotK Conductivitate termica
Rt 0026882 m2middotKW Rezistenta termica
Vata bazaltica δ 01 m Grosime
λ 0037 WmmiddotK Conductivitate termica
Rt 2702703 m2middotKW Rezistenta termica
Placa fibrocement
δ 001 m Grosime
λ 02 WmmiddotK Conductivitate termica
Rt 005 m2middotKW Rezistenta termica
Tencuiala decorativa
δ 0005 m Grosime
λ 093 WmmiddotK Conductivitate termica
Rt 0005376 m2middotKW Rezistenta termica
K11 = 1
1
120572119894+
1205751
1205821+
1205752
1205822+
1205753
1205823+
1205754
1205824+
1205755
1205825+
1205756
1205826+
1
120572119890 =
11
8 +
0025
093+
03
014+
0025
093+
01
0037+
001
02+
0005
093+
1
22
K11 = 0194943188 Wm2C
S11 = h middot lp = 3 middot 3901 = 11703 m2
h - inaltimea peretelui [m]
lp - lungimea perimetrala a peretelui [m] (din care s-au scazut suprafetele vitrate)
Δt = ti - te = 22 + 15 = 37degC
ti - temperatura interioara
te - temperatura exterior
Q11 = K11 middot S11 middot Δt = 0194943188 middot 11703 middot 37 = 8441254483 W
Perete exterior
ti 22 degC αi 8 Wm2 k
te -15 degC αe 22 Wm2 k
δ1 0025 m λ1 093 Wmk tp1 2109758812 degC
δ2 03 m λ2 014 Wmk tp2 2090352105 degC
δ3 0025 m λ3 093 Wmk tp3 5433603161 degC
δ4 01 m λ4 0037 Wmk tp4 523953609 degC
δ5 001 m λ5 02 Wmk tp5 -1427207206 degC
δ6 0005 m λ6 093 Wmk tp6 -1463303681 degC
tp7 -1467185023 degC
q 7219295 W
Determinarea necesarului de căldură și apă caldă pentru un imobil
20
Figura 28
Q12 - fluxul termic pierdut prin podea
Specificatii podea
Placa fibrocement
δ 001 m Grosime
λ 02 WmmiddotK Conductivitate termica
Rt 005 m2middotKW Rezistenta termica
Sapa δ 01 m Grosime
λ 0035 WmmiddotK Conductivitate termica
Rt 2857143 m2middotKW Rezistenta termica
Polistiren extrudat
δ 005 m Grosime
λ 0033 WmmiddotK Conductivitate termica
Rt 1515152 m2middotKW Rezistenta termica
K12 = 1
1
120572119894+
1205751
1205821+
1205752
1205822+
1205753
1205823+
1
120572119890 =
11
8 +
001
02+
01
0035 +
005
0033+
1
0
= 0219911 Wm2C
S12 - amprenta la sol a casei = 12296 m2
Δt = ti - te = 22 - 15 = 7degC
Temperature pentru podea este de 15degC
Q12 = K12 middot S12 middot Δt = 0219911 middot 12296 middot 7 = 1892818 W
Podea
ti 22 degC Αi 8 Wm2 k
te 15 degC Αe 0 Wm2 k
δ1 001 m λ1 02 Wmk tp1 2180757789 degC
Determinarea necesarului de căldură și apă caldă pentru un imobil
21
δ2 01 m λ2 0035 Wmk tp2 2173060904 degC
δ3 005 m λ3 0033 Wmk tp3 1733238927 degC
δ4 m λ4 Wmk tp4 15 degC
δ5 m λ5 Wmk tp5 degC
δ6 m λ6 Wmk tp6 degC
tp7 degC
q 1539377 W
Figura 29
Q13 - fluxul termic pierdut prin tavan
Specificatii tavan
Tencuiala δ 002 m Grosime
λ 093 WmmiddotK Conductivitate termica
Rt 0021505 m2middotKW Rezistenta termica
Placa beton armat
δ 013 m Grosime
λ 174 WmmiddotK Conductivitate termica
Rt 0074713 m2middotKW Rezistenta termica
Sapa δ 003 m Grosime
λ 026 WmmiddotK Conductivitate termica
Rt 0115385 m2middotKW Rezistenta termica
Vata bazaltica δ 015 m Grosime
λ 0037 WmmiddotK Conductivitate termica
Determinarea necesarului de căldură și apă caldă pentru un imobil
22
Rt 4054054 m2middotKW Rezistenta termica
Placa nivelanta δ 002 m Grosime
λ 026 WmmiddotK Conductivitate termica
Rt 0076923 m2middotKW Rezistenta termica
K13 = 1
1
120572119894+
1205751
1205821+
1205752
1205822+
1205753
1205823+
1205754
1205824+
1205755
1205825 +
1
120572119890 =
11
8+
002
093+
013
174+
003
026+
015
0037+
002
026+
1
22
K13 = 0219736 Wm2C
S13 = S12 = 12296 m2
Δt = ti - te = 22 + 15 = 37degC
Q13 = K13 middot S13 middot Δt = 0219736 middot 12296 middot 37 = 1000 W
Tavan
ti 22 degC αi 8 Wm2 k
te -15 degC αe 22 Wm2 k
δ1 002 m λ1 093 Wm k tp1 209751906 degC
δ2 013 m λ2 174 Wm k tp2 207988793 degC
δ3 003 m λ3 026 Wm k tp3 2018634954 degC
δ4 015 m λ4 0037 Wm k tp4 1924037163 degC
δ5 002 m λ5 026 Wm k tp5 -1399669009 degC
δ6 m λ6 Wm k tp6 -1462734204 degC
tp7 degC
q 8198475 W
Determinarea necesarului de căldură și apă caldă pentru un imobil
23
Figura 210
Q14 - fluxul temic pierdut prin suprafetele vitrate
Am ales un geam temopan cu trei randuri de sticla și cu tamplarie de lemn
K14 = 06 Wm2C
S14 = 2728 m2 suprafata ocupata de geamuri
Δt = ti - te = 22 + 15 = 37degC
Q14 = K14 middot S14 middot Δt = 06 middot 2728 middot 37 = 605616 W
Fereastra
ti 22 degC αi 8 Wmpk
te -15 degC αe 22 Wmpk
δ1 0005 m λ1 075 Wmk tp1 1992074356 degC
δ2 0018 m λ2 00177 Wmk tp2 1980984988 degC
δ3 0005 m λ3 075 Wmk tp3 2893865242 degC
δ4 0018 m λ4 00177 Wmk tp4 2782971565 degC
δ5 0005 m λ5 075 Wmk tp5 -1413301307 degC
δ6 m λ6 Wmk tp6 -1424390675 degC
tp7 degC
q 1663405 W
Determinarea necesarului de căldură și apă caldă pentru un imobil
24
Figura 211
Q1 = Q11 + Q12 + Q13 + Q14 = 8441254483 + 1892818 + 1000 + 605616
Q1 = 263871712 W
212 Mers de calcul pentru Q2
Q2 = n middot Q1
n - numarul de schimburi (07 08 1)
Q1 - fluxul de căldura pierdut prin transmisie
Q2 = 1 middot 263871712 =gt Q2 = 263871712 W
213 Mers de calcul pentru Q3
Q3 = 119898 middot119862119908 middot(119905119887minus119905119903)
120591 middot3600 [kW]
m - cantitatea de apa calda preparata [Kg]
m = n middot czn middot ρ [Kg]
ρ = 1000 Kgm3- densitatea apei [Kgm3] n = 4 - numarul de locatari =gt n
czn - consumul zilnic de persoana [l] gtgtgt czn = l middot 1000 = m3
Un consum de acm specific unui nivel de confort mediu la o temperature de 45degC vom avea un czn = 50 l de persoana
cw - căldura specifica a apei [KJKgC] =gt cw = 4186 KJKgmiddotC
tb - temperatura apei din boiler [C] =gt tb = 50degC
tr - temperatura apei de intrare [C] =gt tr = 10degC
Icircn general avem vara tr = 1217degC iar iarna tr = 5hellip10degC
120591 - timpul icircn care este incalzita apa [h] =gt 120591 = 4h
m = 4 middot (50 middot 1000) middot 1000 m = 200 Kg
Q3 = 200 ∙4186 ∙(50 ∙10)
4 ∙3600 =gt Q3 = 2325555556 W
Q = Q1 + Q2 + Q3 = 263871712 + 263871712 + 2325555556
Q = 7602989795 W =gt Q = 76 KW
Calculul necesarului de frig pentru depozit de fructe
25
3 Calculul necesarului de frig pentru depozit de fructe
31 31 Calculul grosimii izolatiilor
Regimul de funcţionare al spaţiilor frigorifice caracterizat prin valori coboracircte ale temperaturilor prin variaţia rapidă a acestora şi prin umiditatea mare a aerului icircncăperilor impune pentru izolaţiile termice ale pereţilor planşeelor şi pardoselilor condiţii deosebite Pereţii spaţiilor frigorifice despart două medii cu temperaturi diferite Fluxul de căldură ce pătrunde din exterior icircn camere care trebuie preluat de instalaţia frigorifică este direct proporţional cu diferenţa de temperatură dintre cele două feţe ale peretelui şi cu coeficientul global de transmitere a căldurii Izolarea se execută la spaţiile răcite atacirct la pereţi cacirct şi la tavan şi podea şi are ca rol icircmpiedicarea apariţiei condensului pe suprafaţa caldă a pereţilor incintelor frigorifice
Figura 31 Fig13 Variaţia de temperatură prin peretele termoizolant
Din exploatarea frigoriferelor se cunoaşte că prin icircnvelişul exterior al spaţiilor frigorifice trece icircn majoritatea cazurilor mai mult de jumătate din cantitatea totală de căldura ce pătrunde icircn icircncăperi Această cantitate de căldură se poate reduce prin majorarea grosimii stratului termoizolant Dar reducerea infiltraţiilor de căldură icircn acest tel nu se poate face nelimitat deoarece la o anumită grosime a stratului izolant adică la o anumită valoare a coeficientului k de transfer al căldurii costul construcţiei izolate va fi mai mare decacirct costul energiei ce reprezintă frigul economisit prin majorarea grosimii izolaţiei
De aceea se obişnuieşte a se folosi icircn calcule valori optime ale coeficientului k de transfer al căldurii calculacircndu-se astfel o grosime optimă a izolaţiei termice
Pentru izolarea pereţilor camerelor se vor folosi panouri tip sandwichFig15
Calculul necesarului de frig pentru depozit de fructe
26
Figura 32 Fig15 Construcţia panourilor de tip sandwich
Rolul panourilor plastifiate este de a preicircntacircmpina pătrunderea vaporilor icircn interiorul izolaţiei eliminacircnd necesitatea barierei de vapori Panourile folosesc metoda de icircmbinare nut-feder reducacircndu-se astfel transferul de căldură cu mediul extern
Deoarece avem un singur depozit vom adopta coeficienţii de transfer de căldură prin
convecţie funcţie de t
Aleg pentru t = = te - ti = 318 - 1 = 308 0C k = 023 Wm2K
Din catalogul de produse INCOLD Italia se alege poliuretan 100 mm = 0023 WmK
Tablă din oţel galvanizat plastifiat
Calculul necesarului de frig pentru depozit de fructe
27
Tabelul 317 Tabel24 Calculul grosimi izolației
ei
i
i
izizk
111
Coeficientul global de transfer de căldură se determină utilizand relaţia
eiz
iz
i
i
i
k
11
1
n
i i
i
1
- suma rezistenţelor termice ale tuturor straturilor din care este realizat
peretele[m2KW]
iz - grosimea stratului de izolaţie termică [m]
iz - conductivitatea termică a materialului izolator [WmK]
e - coeficient de convecţie pe partea exterioară a peretelui [WmK]
i - coeficient de convecţie pe partea interioară a peretelui [WmK]
32 32 Bilantul caloric al spatiului climatizat pe timp de vară Necesarul de frig pentru frigorifer
Se stabileşte consumul zilnic de frig pe icircntreg frigoriferul şi pentru fiecare icircncăpere icircn parte luacircndu-se icircn considerare cele mai nefavorabile condiţii de lucru
temperatura aerului exterior pentru luna cea mai caldă a anului
icircncărcarea maximă şi simultană a camerelor de refrigerare
Spaţiul frigorific
Perete k αi αe 1αi 1αe R 1k λiz
δiz
calc δiz
ales Kr
[Wm2K] [m2KW] [WmK] [m] [m]
N 0229 10 18 010 006 0590 4367 0023 0097 0100 023
E 0224 10 12 010 008 0618 4464 0023 0098 0100 023
DR S 0221 10 12 010 008 0618 4525 0023 0100 0100 023
V 0223 10 12 010 008 0618 4484 0023 0099 0100 023
T 0221 10 12 010 008 0618 4525 0023 0100 0100 023
P 0228 10 0 000 000 0435 4386 0023 0000 0100 023
N 0221 25 12 004 008 0558 4525 0023 0101 0100 023
E 0224 25 12 004 008 0558 4464 0023 0100 0100 023
CP S 0224 25 12 004 008 0558 4464 0023 0100 0100 023
V 0223 25 12 004 008 0558 4484 0023 0100 0100 023
T 0221 25 12 004 008 0558 4525 0023 0101 0100 023
P 0228 25 0 000 000 0435 4386 0023 0000 0100 023
Calculul necesarului de frig pentru depozit de fructe
28
camerele vecine celei căreia i se face calculul necesarului de frig sunt goale şi au temperatura vestibulului sau a sasului
Aceste calcule determină necesarul de frig pe categorii de consumatori grupaţi după temperatura cerută şi permit stabilirea puterilor frigorifice icircn vederea proiectării instalaţiei
Pentru calculele termice sunt necesare următoarele
planul frigoriferului care a fost stabilit
dimensiunile camerelor
temperaturile necesare icircn fiecare cameră
Se consideră
1degC icircn depozitele de refrigerate
orientarea frigoriferului după punctele cardinale
condiţii climatice icircn lunile cele mai călduroase pentru zona geografică respectivă
Consumul de frig se calculează pentru 24 ore cu relaţia
Qnec = Q1 + Q2 + Q3 + Q4 [kcal24h]
Q1 - neeesarul de frig pentru acoperirea pătrunderilor de căldură prin cenvecţie
conducţie şi radiaţie din mediul icircnconjurător prin pereţi pardosea și plafon
Q2 - necesarul de frig tehnologic pentru procesele de răcire refrigerere şi
congelare eliminarea căldurii de respiraţie seu pentru unele procese chimice şi
biochimice
Q3 - necesarul de frig pentru ventilarea camerelor frigorifice cu aer proaspat care
trebuie racit şi uscat
Q4 - necesarul de frig rezulticircnd din condiţii de exploatare acoperirea căldurii
provenite din iluminat din funcţionarea motoarelor căldura provenită de la persoanele ce
manipulează produsele datorită deschiderii uşilor etc
321 Consumul de frig Q1
Se determină pentru fiecare spaţiu icircn parte cu relaţia
RttkFQ1 [ W ]
F - reprezintă suprafaţa pereţilor a pardoselei şi a plafonului corespunzător fiecărui
spaţiu frigorific icircn parte icircn m2 Ca suprafaţă de transfer se va considera suprafaţa
exterioară a perimetrului izolat termic
k - reprezintă coeficientul global de transmitere a căldurii prin convecţie conducţie şi radiaţie
prin pereţi plafon şi pardoseală (toate izolate termic) icircn [W(m2 middot grd)] Valoarea coeficientului k a
fost calculată icircn tabelul 24 (kr)
Δt - reprezintă diferenţa de temperaturi dintre temperatura exterioară suprafeţei de
transfer termic considerată şi temperatura interioară spaţiului frigorific
Calculul necesarului de frig pentru depozit de fructe
29
Diferenţa de temperatură ΔtR se ia icircn consideraţie numai la pereţii exteriori şi la
plafoane care sunt şi acoperiş pentru clădire
ΔtR = 0degC pentru pereţi exteriori orientaţi spre N
ΔtR = (5 10)degC pentru pereţi exteriori orientaţi spre E V S-E S-V
ΔtR = 15 degC pentru pereţi exteriori orientaţi spre S
ΔtR = (15 18)degC pentru plafoane care sunt şi acoperiş (terasă)
Calculul valorilor mărimii sumQ1 se recomandă a se efectua tabelar conform tabelului 25
Valoarea mărimii sum Q1 la aparate se obţine prin icircnsumarea fluxurilor termice prin toate cele 6 suprafeţe delimitatoare
La stabilirea valorii mărimii sum Q1 se consideră doar unul dintre fluxurile termice prin suprafeţele ce separă spaţiile frigorifice vecine Pentru aparatele de răcire din spaţiile frigorifice se consideră situaţia cea mai grea pentru fiecare spaţiu icircn parte respectiv că spaţiile vecine nu sunt răcite
Spaţiul frigorifi
c
Perete
Dimensiuni
Supraf F
[m2]
Kr [Wm2K]
Δt [grd]
Δtr
Q1 [W] sumQ1 q a [m]
b [m]
N 15 4 60 023 308 42504
246068
708
E 7 4 28 023 308 8 24987 892
DR S 15 4 60 023 185 15 46202 770
V 7 4 28 023 308 19835 708
T 15 7 105 023 308 74382 708
P 15 7 105 023 158 38157 363
N 7 4 28 023 185 11914
133566
426
E 7 4 28 023 268 8 22411 800
CP S 7 4 28 023 268 15 26919 961
V 7 4 28 023 185 11914 426
T 7 7 49 023 268 30204 616
P 7 7 49 023 268 30204 616
Tabelul 318 Tebel25 Calculul valorilor mărimii Q1
322 Necesarul de frig Q2
sum Q2 - necesarul de frig tehnologic pentru procesele de răcire refrigerare şi
congelare
Q2d = mcp(tc-ti)=500003644 = 4186000(243600)= 842 kW
Q2c = 2600036419 = 1798160 = 208 KW
Q2 = 208 + 842 = 293 = 30kW
unde
Q2d - necesarul de frig tehnologic depozit
Q2c - necesarul de frig tehnologic camera de preracire
Calculul necesarului de frig pentru depozit de fructe
30
m - cantitatea de produse introduse icircn tunelul de congelare icircn kg
te ti - temperaturi specifice corespunzătoare temperaturii iniţiale a produsului cald
(24 ordmC) respectiv temperaturii finale a produsului refrigerat (1 ordmC)
Căldura specfifică mere cp = 364 [kJkgK]
323 Necesarul de frig Q3
Icircn funcţie de natura produselor din spaţiul frigorific este necesar uneori să se realizeze ventilarea spaţiului prin asigurarea unui anumit număr de schimburi ale aerului din incintă icircn 24h Ca exemplu icircntotdeauna va fi necesară ventilarea prin introducere de aer proaspăt icircn spaţiile de păstrare pentru legume fructe şi ouă refrigerate Aceste produse vii respiră icircn timpul păstrării şi necesită icircn consecinţă ventilarea spaţiilor de păstrare
Acest consum de frig se ia icircn considerare doar la depozitele de refrigerare care se ventilează Se stabilește cu relația
Q3 = V ∙ a ∙ ᵖi ∙ (hex - hi) [kJ24]
V - volumul camerelor ventilateicircn m3
a = 24 schimburi pe zi pentru depozitele de mere
ᵖi - reprezintă densitatea aerului la temperature interioară icircn kgm3
Pentru depozitele de refrigerare considerăm umiditatea relativă ᵠi = 95 și ti=1 ordmC
rezultacircnd icircn acest caz hi= 9 kJkg
Parametri aerului exterior pentru zona icircn care este amplasat depozitul sunt temp ex 318
și umiditatea ext 60 rezultand din diagram mollier entalpia aerului Calcul facut icircn
programul Coolpack
ρi = 12 kgm3
hex = 7519 kJkg
Q3 = 616 2 12 (7519 - 9) (243600)= 00025 kW
324 Necesarul de frig Q4
Q4 - frigul consumat pentru acoperirea pierderilor icircn timpul exploatarii datorat deschiderii
usilor a corpurilor de iluminat a motoarelor electrice a oamenilor Se admite Q4 =
(01hellip04)Q1
Q4 = 02 379617 = 759234 = 008 kW
Qtotal = sum 119824120783 + Q2 + Q3 + Q4 = 004 + 30 + 000025 + 008 = 3012 = 31 kW
33 33 Stabilirea directiei raportului de termoumiditate și trasarea procesului de conditionare a aerului pe diagrama i-X pe timp de vară
Icircn fig16 este reprezentat un agregat pentru condiţionarea aerului pe timp de vară cu recirculare parţială
Calculul necesarului de frig pentru depozit de fructe
31
Figura 33 Figura16 Schema aparatului de condiţionare a aerului pe timp de vară cu recirculare parţială
F - filtru V - vaporizator C - compressor K - condensator VL - ventil de laminare I - icircncălzitor Vt - ventilator
Procesele de lucru pot fi reprezentate icircn diagrama h-x ca icircn figura următore
Figura 34 Fig17
A reprezintă starea aerului recirculat provenit din spaţiul condiţionat iar E este starea aerului exterior
Aerul tratat icircn aparatul de condiţionare care se introduce icircn incintă avacircnd starea B
trebuie să preia degajările de căldură Qv [kW] şi de umiditate Wv [kgs]
Direcţia procesului suferit de aer icircn incintă este dată de raportul de termoumidificare εv
= Qv Wv
Prin punctul A se trasează dreapta avacircnd raportul de termoumidificare εv iar punctul B se fixează pe această dreaptă adoptacircndu-se o anumită diferenţă de temperatură faţă de starea A
Aerul recirculat A se amestecă cu aerul proaspăt E şi rezultă starea de amestec M De regulă xM gt xB deci aerul va trebui să fie uscat
Pe verticala din B se fixează starea D avacircnd xD= xB şi ᵩD = 90hellip98
Calculul necesarului de frig pentru depozit de fructe
32
Se uneşte M cu D iar apoi se prelungeşte acest segment pacircnă la intersecţia cu ϕ = 100 rezultacircnd starea P avacircnd temperatura tp
Circulacircnd aerul cu starea M peste o suprafaţă rece avacircnd temperatura tp se va obţine procesul de răcire şi uscare MD
Temperatura suprafeţei tp se asigură cu o instalaţie frigorifică a cărei temperature de vaporizare va fi t0 lt tp
Ultimul proces din aparatul de condiţionare va fi icircncălzirea finală DB
Calculul agregatului de condiţionare a aerului pe timp de vară se efectuează asemănător cu cel a agregatului de condiţionare a aerului pe timp de iarnă cu observaţia că pe timp de vară nu este necesară umidificarea
331 Date
Vtotal = 616 m3 tint = 1ᵒC tex = 318 φint = 90 φext = 60 ρaer = 12 [kgm3]
Starea A
tA = ti + 3 = 4deg xA = 00043[kj
kg] φA = 86 hA = 1489[
kj
kg]
Starea B
tB = 1degC xB = 00036 [kj
kg] φB = 90 hB = 1024[
kj
kg]
Starea E
tE = 318degC xE = 00171[kj
kg] φE = 60 hE = 7519[
kj
kg]
Starea M
hM =hE + n ∙ hA
n + 1=
7513 + 20 ∙ 1489
21= 1775[
kj
kg]
xM =xE + n ∙ xA
n + 1=
00171 + 20 ∙ 00043
21= 00049[
kj
kg]
Rezulta din diagrama Mollier
Starea D
hD = 108 [kj
kg] xD = 0003[
kj
kg] φD = 97
Raportul de recirculare n = 20
Debitul de aer ventilat V =Vtotal∙20
24h=
616lowast20
24= 513 [m3h]
Debitul masic m = V ∙ ρaer = 513 lowast 12 =
6156[kg
h]
3600= 0171 [kgs]
tp = minus3degC t0 = tp minus 9degC = minus3 minus 9 = minus12degC
Puterea termica a vaporizatorului ( puterea frigorifică )
ФV = Ф0
Puterea termica a icircncalzitorului
ФI = 119898 ∙ (hB - hD)
Cantitatea de apa condensată icircn unitatea de timp pe suprafața de racire este
Calculul necesarului de frig pentru depozit de fructe
33
ẆV = 119898 ∙ (XM - XD)
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
34
4 Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
Există două domenii principale icircn care se utilizează frigul artificial icircn lucrările de construcţii şi anume
icircngheţarea terenurilor acvifere icircn vederea săpării puţurilor de mină a barajelor a depozitelor de gaze lichefiate etc
prerăcirea componentelor betonului icircn cazul executării unor masive de beton ca de exemplu baraje
41 51 IcircNGHEŢAREA SOLULUI
411 511 CONSIDERAŢII GENERALE PRIVIND IcircNGHEŢAREA SOLULUI
Icircngheţarea artificială a solului reprezintă una dintre cele mai interesante şi icircn acelaşi timp şi importante aplicaţii practice a frigului artificial Totodată este una dintre primele aplicaţii industriale a tehnicii frigului şi care a asigurat o dezvoltare deosebită a industriei extractive Aşa se explică faptul că odată apărută maşina frigorifică cu absorbţie realizată icircn 1859 de către Ferdinand Carre este folosită la săparea primului puţ de mină prin icircngheţarea artificială a rocilor Dar nu numai industria minieră foloseşte icircn ultimul secol procedeul consolidării rocilor la săpararea unor lucrări subterane Lucrări inginereşti de tot genul ca metrouri staţii subterane de pompare rezervoare de gaze lichefiate poduri lucrări portuare şi altele asemănătoare amplasate icircn zone acvifere au fost realizate prin metoda consolidării prin frig a rocilor
Această metodă a consolidării rocilor prin frig artificial realizează icircn jurul lucrării inginereşti subterane un perete icircngheţat protector pe durata lucrărilor de construcţii Acest perete asigură o izolare hidraulică şi icircn acelaşi timp şi o protecţie mecanică Rezistenţa mecanică a rocilor creşte pe măsură ce temperatura lor scade icircncacirct metoda expusă mai sus prezintă avantajul reglării capacităţii portante a peretelui icircngheţat
Apa conţinută icircn terenuri prin icircngheţare capătă proprietăţile cimentului exprimate prin forţele de coeziune mari care apar icircntre cristalele de gheaţă şi grăunţii de rocă
Pentru obţinerea peretelui protector se folosesc sonde de icircngheţare forate pe conturul lucrării subterane şi prin care circulă agentul de răcire care poate fi un agent intermediar ca de exemplu saramura de clorură de calciu sau agentul frigorific de exemplu amoniacul Icircn funcţie de grosimea peretelui şi de rezistenţa mecanică pe care trebuie să o aibă se va alege temperatura agentului de răcire distanţa dintre sonde şi durata de icircngheţare
Instalaţia de consolidare prin frig a rocilor cuprinde trei părţi principale staţia frigorifică reţeaua de distribuţie a agentului de răcire (saramura) şi sondele de icircngheţare a solului
Staţia frigorifică cuprinde instalaţia frigorifică propriu-zisă cu comprimare mecanică de vapori sau prin absorbţie icircntr-o treaptă sau icircn două trepte Icircn funcţie de condiţiile de amplasament ale obiectivului staţia frigorifică poate fi de construcţie staţionară (icircn minerit) sau mobilă (la metrouri)
Reţeaua de distribuţie alcătuită din conducte metalice sau din mase plastice are rolul de a face legătura icircntre staţia frigorifică şi sondele de icircngheţare Pentru reducerea pierderilor de frig reţeaua de distribuţie se izolează termic
Sondele de icircngheţare constituie schimbătorul de căldură subteran prin care se extrage căldura de la terenul supus icircngheţării Icircn fig 51 se prezintă schiţa unei sonde de icircngheţare cu ajutorul saramurii Saramura rece cu temperatura icircntre -10 ordmC pacircnă la -35 ordmC
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
35
coboară prin ţeava interioară şi apoi se icircntoarce prin spaţiul inelar dintre cele două conducte concentrice
Figura 41 Fig 51 Sonda de icircngheţare 1 - şiu (tub scurt de oţel cu pereţi groşi rezistent) 2 - ţeava interioară 3 - ţeava exterioară (burlan de
icircngheţare) 4 - capul sondei
Circulaţia continuă a saramurii prin sonda de icircngheţare face ca rocile ce icircnconjoară sondele inclusiv apa conţinută icircn spaţiile libere să se răcească treptat Icircn jurul sondei icircncepe să se formeze stratul de rocă icircngheţată diametrul cilindrului de teren icircngheţat se măreşte icircn timp Aşa cum s-a arătat icircn capitolul 3 rezultă că dezvoltarea radială a cilindrului de rocă icircngheţată icircn jurul sondei se desfăşoară cu o viteza variabilă de icircnaintare la icircnceput viteza de icircnaintare a frontului de gheaţă este mai mare după care scade icircn timp Apoi se atinge stadiul staţionar de transfer de căldură cacircnd cilindrul nu mai creşte icircn dimensiuni Reiese că distanţa dintre sondele de icircngheţare este determinată de raza maximă a cilindrului de teren icircngheţat Pentru a realiza peretele icircngheţat care să reziste la solicitările la care este supus se impune ca distanţa dintre sondele vecine să fie mai mică decacirct raza maximă a terenului icircngheţat astfel icircncacirct cilindrii formaţi să se unească icircntre ei Icircn fig 52 se prezintă evoluţia icircn timp a icircngheţării terenului icircn jurul sondelor Icircn faza iniţială a icircnceput răcirea dar icircncă nu s-a format teren icircngheţat Icircn faza a II-a (după circa 20 zile) icircn jurul fiecărei sonde se formează cacircte un cilindru de teren icircngheţat fără ca aceştia să se unească Icircn faza a III-a (după circa 30 zile) cilindrii se icircntretaie şi formează peretele protector
Figura 42 Fig 52 Evoluţia cilindrilor individuali de rocă icircngheţată 1 - sonda de icircngheţare 2 - sonda de măsurători termice 3 - teren icircngheţat
Această evoluţie poate fi urmărită cu suficientă precizie prin măsurarea temperaturii masivului cu ajutorul unor sonde de măsurători termice 2 montate la distanţe bine stabilite de sondele vecine de icircngheţare Astfel icircn faza I-a temperatura este cea iniţială deci neafectată de prezenţa sondelor icircn faza a II-a temperatura este mai scăzută dar mai mare de 0 ordmC Cum icircn practică sondele de icircngheţare au o abatere de la poziţia verticală (sau de la cea impusă prin proiect) sondele de măsurători termice sunt prevăzute icircntre sondele
I II III
1
2 2 2
3 3
SARAMURĂ CALDĂ
IEŞIRE
INTRARE SARAMURĂ A E RECE
1
2
3
4
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
36
cele mai distanţate icircntre ele acolo unde evoluţia peretelui de protecţie este cea mai defavorabilă
Primele realizări inginereşti de consolidare prin frig artificial a terenurilor acvifere metodă prin care vor fi aduse la lumină multe bogăţii subterane sunt legate de numele inginerului de mine şi metalurgie Friederich Herman Poetsch El a obţinut icircn 27 februarie 1883 brevetul pentru procedeul său de adacircncire a puţurilor verticale icircn roci bogate icircn apă (şi curgătoare) Poetsch a reuşit să experimenteze procedeul său la adacircncirea unor puţuri de mină dar a avut şi multe insuccese icircncacirct la 9 iunie 1902 moare sărac şi dezamăgit Metoda de icircngheţare prin frig artificial a terenurilor a avut mare succes icircn Franţa Astfel numai icircn perioada 1892 - 1898 icircn bazinele carbonifere Nord şi Pas de Calais s-au săpat circa 20 puţuri pacircnă la o adacircncime de 100 m prin aplicarea metodei icircngheţării după planurile lui Poetsch
Desigur că nu ar putea fi omis numele lui Louis Gebhard care realizează numeroase lucrări de adacircncire a puţurilor prin icircngheţare atacirct icircn Germania cacirct şi icircn Franţa Anglia Olanda şi Polonia ceea ce face ca metoda propusă de Poetch să devină o tehnologie demnă de toată icircncrederea cu siguranţă absolută şi cu un mare randament
Gebhard un mare practician icircncepe sa folosească icircn locul instalaţiilor cu absorbţie realizate de F Carre pe cu cele cu comprimare mecanică de vapori realizate de Karl von Linde cu icircncepere din anul 1874
Poetsch icircn 1888 prevede extinderea procedeului de icircngheţare la construcţia podurilor la construcţii navale lucrări de fortificaţii la protecţia fundaţiilor subterane şi a bazinelor cu apă El susţine că poate să rezolve orice problemă sub apă chiar şi puţuri icircncepute şi abandonate
Icircn anul 1900 se depăşeşte bariera adacircncimii de 100 m Realizarea unor puţuri mai adacircnci (peste 100 m) ridică unele probleme icircn plus faţă de puţurile de mai mică adacircncime deoarece abaterile de la verticalitate pot conduce la formarea unor ferestre icircn peretele protector
Icircn ţara noastră această tehnologie de forare a unor puţuri de mină cacirct şi a galeriilor de metrou prin icircngheţarea solului a fost folosită cu icircncepere din anul 1961 aşa cum se prezintă icircn paragraful 513
412 512 CONSTRUCŢIA INSTALAŢIEI DE IcircNGHEŢARE A SOLULUI
Icircn funcţie de forma şi mărimea lucrării care se realizează la adăpostul terenului icircngheţat principial se pot utiliza următoarele tipuri de instalaţii
a) cu răcire indirectă denumită şi cu dublu schimb (fig53)
b)cu răcire directă icircn circuit icircnchis (fig 54)
c)răcire directă icircn circuit deschis (fig55)
a) Răcirea indirectă se utilizează icircn practică cel mai mult fiind cunoscută icircncă de la icircnceputurile metodei de icircngheţare a solului
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
37
Figura 43 Fig 53 Instalaţia frigorifică cu răcire indirectă 1 - compresor 2 - condensator3 - ventil de laminare 4 - vaporizator 5 - bazin de răcire a saramurii 6
- agitator 7 - pompă de saramură 8 - sonde de icircngheţare
Ca agent frigorific se poate folosi amoniacul sau freonii iar ca agent intermediar se utilizează soluţiile de clorură de calciu clorura de sodiu sau magneziu sărurile respective fiind relativ uşor de procurat
Instalaţiile frigorifice cuprind unul sau mai multe blocuri frigorifice Acest mod de compunere prezintă avantaje icircn ceea ce priveşte montarea cacirct şi exploatarea instalaţiilor se poate asigura o reducere icircn trepte a puterii frigorifice pe măsură ce creşte rezistenţa termică a stratului de teren icircngheţat
Componentele principale ale instalaţiei frigorifice se montează grupat pe cele trei secţiuni secţia de compresoare secţia condensatoarelor şi secţia vaporizatoarelor De regulă compresoarele se montează fie icircn aer liber atunci cacircnd tipul lor permite fie acoperite sub şarpante protectoare
Pe măsură ce se scot din funcţiune blocurile frigorifice se demontează şi se pot monta la un nou obiectiv
b) Răcirea directă icircn circuit icircnchis (fig 54) se utilizează icircn cazul icircn care adacircncimea de icircngheţare este mică
Figura 44 Fig 54 Instalaţia frigorifică cu răcire directă icircn circuit icircnchis 1 - compresor 2 - condensator 3 - ventil de laminare 4 - sonde de icircngheţare
Sondele de icircngheţare constituie vaporizatorul instalaţiei frigorifice Icircn cazul unor sonde de lungime mare icircnălţimea coloanei de agent frigorific este de asemenea mare Ca urmare a presiunii hidrostatice variabile şi temperatura de vaporizare este variabilă fiind mai mare
1
2
1111111 Apă
3
4
1
2
Apă 3
4
5
6
7
8
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
38
la capătul inferior şi mai mică la capătul superior Din acest motiv adacircncimea sondelor de icircngheţare nu poate depăşi anumite limite şi icircn plus se recurge la fragmentarea coloanei de lichid cu ajutorul unor pereţi despărţitori
Pierderile de agent frigorific mai mari decacirct icircn cazul răcirii indirecte reprezintă un alt inconvenient al acestui mod de răcire
c) Răcirea directă icircn circuit deschis constă icircn introducerea agentului frigorific (cel mai frecvent azot lichid) icircn sondele de icircngheţare fără ca acesta să mai fie folosit după vaporizare
La presiunea atmosferică azotul lichid fierbe la temperatura de -196 ordmC icircncacirct vaporii reci de azot icircnainte de a fi evacuaţi se folosesc de asemenea pentru congelarea solului fiind circulaţi prin sonde de icircngheţare (Fig 55)
Figura 45 Fig 55 Icircngheţarea cu azot lichid icircn două trepte 1 - ventil de laminare 2 - sonda de icircngheţare 3 - sonda de icircngheţare cu vapori de azot
Această metodă se foloseşte cacircnd se urmăreşte o icircngheţare rapidă şi volumul de teren icircngheţat este redus
Se vor prezenta icircn continuare unele elemente constructive ale instalaţiilor de icircngheţare
Reţeaua de saramură (fig 56) are rolul de a asigura transferul de căldură de la sol către agentul frigorific Cuprinde două schimbătoare de căldură cel subteran alcătuit din sondele de icircngheţare şi cel de suprafaţă reprezentat de vaporizatorul imersat icircn saramură Icircntre cele două schimbătoare de căldură există conducte magistrale distribuitoare - colectoare şi racorduri la sonde
Saramura răcită prin intermediul vaporizatorului 1 este circulată cu pompa 2 prin magistrala de tur a reţelei 3 Sondele de icircngheţare 5 se leagă prin vane la distribuitorul 4 şi colectorul 6 ambele de construcţie inelară Printr-o asemenea construcţie şi mod de legare a sondelor prezentate icircn figura 56 se asigură o echilibrare a căderilor de presiune pe sondele de icircngheţare şi ca urmare o alimentare uniformă cu agent intermediar şi deci şi o răcire uniformă pentru toate sondele
1
2
AZOT LICHID
VAPORI
AZOT -40OC
3
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
39
Figura 46 Fig 56 Schema reţelei de saramură 1- vaporizatorul 2 - pompa de saramură 3 - magistrala de tur 4 - distribuitorul inelar 5 -sondele de
icircngheţare 6 - colectorul inelar 7 - magistrale de retur M - manometru D - debitmetru T - termometru
Magistralele 3 şi 7 de acelaşi diametru şi lungime variabilă (determinată de o serie de factori) se pot monta atacirct la suprafaţă cacirct şi icircn canal
Magistralele se dimensionează icircn funcţie de puterea frigorifică a schimbătorului de căldură subteran alcătuit din sondele de icircngheţare
F0 qNHd [W] (51)
unde d - diametrul exterior al sondei de icircngheţare m
H - adacircncimea de icircngheţare m
N - numărul de sonde de icircngheţare
qF - densitatea fluxului termic raportat la suprafaţa exterioară a sondei La temperatura saramurii de - 20 ordmC se poate considera qF = (260290) Wm2
Debitul volumic V de agent intermediar icircn reţeaua de icircngheţare icircn funcţie de care se aleg
pompele se determină cu relaţia
tc
V o
(52)
icircn care este densitatea agentului intermediar kgm3
c - căldura specifică a agentului intermediar JkgK
t - creşterea temperaturii agentului (saramura) icircn sondele de icircngheţare K
La icircnceputul perioadei de răcire diferenţa de temperatură este t = 56 K ca apoi să scadă la 12 K
Icircn conductele magistrale se recomandă ca viteza saramurii să fie w = 0915ms
Icircn acest caz diametrul conductelor de transport a saramurii este dat de relaţia
w
V4D
[m] (53)
Icircn funcţie de valoarea determinată pentru D se aleg conducte metalice de diametru nominal cuprins icircntre 75200 mm Dacă rezultă D gt 200 mm se vor alege două conducte cu diametrul mai mic de 200 mm
2
T
T
M
M D
D
NH
3
3
4
6
5
7
1
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
40
Conductele magistrale se realizează prin icircmbinări cu flanşe sau sudate iar la lungimi mai mari de 100150 m se vor prevedea coturi compensatoare Pentru reducerea pierderilor de frig magistralele vor fi izolate termic
Distribuitorul de saramură răcită şi colectorul de saramură de la sonde sunt construcţii metalice identice
Icircn figura 57 se prezintă modul de racordare a sondelor de icircngheţare 5 la distribuitorul 1 şi colectorul 2 Vanele 3 asigură icircnchiderea deci oprirea circulaţiei şi reglajul debitului Prin aceste vane se poate izola o anumită sondă care nu funcţionează normal sau la care se observă o anumită defecţiune
Figura 47 Fig 57 Racordarea sondelor de icircngheţare la distribuitor şi colector 1 - distribuitor 2 - colector 3 - vane 4 - racord elastic 5 - sonda de icircngheţare
Poziţia distribuitorului şi colectorului faţă de racircndul sondelor de icircngheţare poate fi laterală de o singură parte sau laterală de ambele părţi ale sondelor Amplasamentul trebuie astfel făcut icircncacirct să fie posibilă vizitarea supravegherea şi eventual icircnlocuirea sondelor de icircngheţare
Racordarea sondelor la distribuitor şi colector se face prin cacircte un racord elastic (fig 57) Dimensionarea distribuitoarelor şi a colectoarelor se face din condiţia ca viteza saramurii să nu depăşească 0915 ms
Coloanele de distribuţie şi colectare urmăresc icircn teren forma şirului de sonde de icircngheţare şi pot avea acelaşi traseu sau trasee diferite Configuraţia traseului poate fi icircn linie sau circulară Icircn oricare din situaţiile prezentate distanţele dintre ştuţurile de racord şi sondele de icircngheţare sunt variabile astfel icircncacirct racordurile rigide prin flanşe şi sudură sunt greu de realizat Cea mai practică soluţie de racord icircn acest caz este furtunul de cauciuc (fig 57)
Icircn reţeaua de saramură poate pătrunde aer prin procesul de pompare ceea ce conduce la intensificarea acţiunii corosive a saramurii Icircn scopul icircndepărtării aerului nedorit pe partea superioară a conductelor icircn punctele cele mai ridicate ale acestora se montează robineţi de evacuare periodică a aerului şi eventual a altor gaze
Pe conductele magistrale se vor monta aparate de măsură şi control debitmetre termometre şi manometre (fig 56) Icircn acest caz se poate aprecia funcţionarea fiecărei sonde după depunerile exterioare de gheaţă pe racordul metalic sau de cauciuc lăsate neizolate termic tocmai icircn acest scop Icircn scopul urmăririi regimului de lucru sub aspect
5
4
1
2 3
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
41
hidraulic şi termic icircn mod individual se pot monta aparate de măsură şi control pe fiecare sondă de icircngheţare dar această soluţie este mai costisitoare
Sonda de icircngheţare realizează transferul de căldură de la terenul ce urmează a fi icircngheţat spre agentul frigorific (la răcirea directă) sau agentul intermediar (la răcirea indirectă)
Icircn figura 51 s-a prezentat schema de principiu a unei sonde de icircngheţare cu saramură activă pe toată lungimea Conducta exterioară sau burlanul de icircngheţare 3 este o conductă din oţel etanşă şi rezistentă la eforturile mecanice care apar datorită presiunii solului şi variaţiei de temperatură icircntre momentul fixării ei icircn sol şi cel al funcţionării la o temperatura sub 00C
Icircn procesul de icircngheţare coloana de burlane care poate atinge lungimi de sute de metri se contractă icircnsă nu liber deoarece ea este stracircnsă icircn masivul de roci La o variaţie de temperatură icircntre momentul iniţial (fără saramură) şi momentul pornirii circulaţiei de saramură de 400C conducta din oţel de 500 m adacircncime ar trebui să se contracte cu
tHH = 500 11 10-6 40 = 0220 m = 22 cm
Datorită fixării coloanei icircn gaura forată efortul unitar de icircntindere ce apare icircn urma scăderii temperaturii este
tE = 22 1010 11 10-10 40 = 968 105 Nm2 = 9680 Ncm2
La acest efort de icircntindere apărut datorită contracţiei coloanei se mai adaugă efortul de acelaşi semn provocat de dilatarea masivului de rocă acviferă icircngheţată Icircn scopul compensării eforturilor de icircntindere s-a propus icircmbinarea coloanei cu nipluri elastice O asemenea soluţie este mai scumpă şi icircn plus micşorează secţiunea liberă de curgere ceea ce conduce la icircncălzirea excedentară a saramurii
La lucrări subterane de mare adacircncime ca puţurile de mină depozite subterane se folosesc burlane de 1397 x 7 mm pentru a fi posibilă determinarea abaterii de la poziţie verticală
La tunelurile de metrou şi icircn general la lucrările la care adacircncimea de icircngheţare nu depăşeşte 50 - 60 m diametrul cel mai frecvent utilizat este 1143 x 7 mm
Ţeava interioară 2 (fig 51) numită şi tub de alimentare de regulă ţeava uşoară de instalaţii de 50 mm diametrul se introduce icircn burlanul exterior 3 fără icircnsă a atinge şiul de bază 1 al sondei Se asigură icircn acest mod un volum minimal de depuneri solide care circulă cu saramura icircn mod incidental Icircn scopul economisirii de metal tubul de alimentare poate fi din material plastic ceea ce prezintă marele avantaj al lipsei coroziunii şi al refolosirii materialului respectiv
Şiul de fund are rolul de a asigura icircnchiderea burlanului exterior icircn partea sa inferioară Cel mai adesea are formă conică pentru a asigura introducerea cu uşurinţă a coloanei metalice icircn gaura de sondă Această componentă a sondei de icircngheţare se execută fie prin turnare sau se confecţionează cu ajutorul sudurii
Corespunzător profilului geologic al terenului icircn care se lucrează se icircntacirclnesc şi cazuri cacircnd nu este nevoie să se icircngheţe terenul pe toată icircnălţimea sondelor ci numai la partea lor inferioară Icircn acest caz se folosesc sonde de icircngheţare zonală (fig 58) cu ajutorul cărora se asigură congelarea doar a zonei inferioare ceea ce prezintă avantaje economice deosebite nu se consumă energie pentru a icircngheţa icircn mod inutil formaţiuni geologice consistente şi uscate şi nu se reduce ritmul lucrărilor de săpare printr-o eventuală mărire a rezistenţei rocilor
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
42
Figura 48 Fig 58 Sonda de icircngheţare zonală
1 - burlan exterior 2 - tub de alimentare 3 - şiu 4 - tub de evacuare
Figura 49 Fig59 - Sonda de icircngheţare cu agent
frigorific 1 - tub exterior 2 - perete despărţitor 3 - şiu 4 -
ştuţ (ţeavă de preaplin) 5 - condensator - vaporizator
Icircn cazul răcirii directe sondele de icircngheţare cu agent frigorific sunt de construcţie specială (fig 59) Particularitatea acestor sonde este prezenţa pereţilor despărţitori 2 dispuşi unul sub celălalt la circa 3 m fiecare perete fiind prevăzut cu un ştuţ de preaplin O asemenea construcţie are rolul de a fracţiona coloane de lichid ceea ce asigură o răcire mai uniformă pe lungimea sondei
Fiecare sondă este prevăzută la partea superioară cu cacircte o cămaşă de răcire Sondele se umplu cu amoniac lichid icircntr-o asemenea cantitate icircncacirct fiecare secţie să fie icircnecată cu lichid respectiv pacircnă la partea superioară a ştuţurilor 4 Ca urmare a fluxurilor de căldură de la sol se produce fierberea amoniacului icircn toate secţiile sondei Vaporii formaţi se ridică prin ştuţurile 4 şi ajungacircnd la partea superioară a sondei se condensează cedacircnd căldură agentului (amoniac) din cămăşile de răcire
Ca urmare cămăşile de răcire de la partea superioară a sondelor constituie vaporizatorul instalaţiei frigorifice Amoniacul care se condensează la partea superioară a sondei curge icircnapoi (de sus icircn jos) prin ştuţurile 4 Folosirea pereţilor despărţitori şi a ştuţurilor micşorează influenţa presiunii hidrostatice a lichidului asupra temperaturii de vaporizare a amoniacului Asemenea sonde de icircngheţare se folosesc pentru lucrări de mică adacircncime
Amplasarea sondelor se face icircn funcţie de o serie de factori formă poziţia şi dimensiunile lucrării care se realizează structura terenului temperatura şi viteza agentului etc
Icircn cazul puţurilor de mină de secţiune circulară sondele se amplasează pe un cerc
concentric de diametru D mai mare decacirct diametrul de săpare Ds cu grosimea a peretelui icircngheţat
sDD (54)
Trebuie să se ţină seama şi de deviaţia sondelor de la poziţia verticală icircncacirct pentru adacircncimi mari se utilizează relaţia
3
2 4
1
VAPORI 5 LICHID
3
2
4 1
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
43
a21DD s (55)
unde a = 003 H este abaterea medie statistică de la verticală a sondelor
Distanţa dintre sonde se ia de obicei de 1014 m icircn terenuri rezistente şi de 0809 m icircn terenuri slabe
Pentru adacircncimi de peste 500 m se recomandă să se dispună sondele pe două cercuri concentrice pentru a se forma un perete de grosime mai mare şi deci mai rezistent
La icircngheţarea terenului icircn jurul puţurilor de secţiune dreptunghiulară sondele se pot dispune pe dreptunghi sau elipsă Icircn aceste situaţii centura de teren icircngheţat poate fi solicitată la icircntindere ceea ce este de nedorit deoarece limita de rezistenţa la icircntindere a terenurilor icircngheţate este de circa 3 ori mai mică decacirct limita rezistenţei la compresiune Din acest motiv chiar şi la puţurile de mină de secţiune dreptunghiulară sondele se dispun pe unul sau două cercuri (fig 510)
Pentru realizarea galeriilor icircnclinate icircngheţarea terenului se realizează cu sonde verticale (fig 511) sau combinat atacirct cu sonde verticale cacirct şi cu sonde icircnclinate (fig 512)
Distanţa dintre sondele verticale (fig 511) se ia de 23 m iar distanţa dintre racircnduri este de 1525 m
Se poate folosi cacircte un racircnd de sonde icircnclinate montate deasupra galeriei (fig 212 a) sau sonde icircnclinate sub galerie şi sonde verticale scurte deasupra galeriei (fig 512 b)
SONDA
154 m
16
6 m
226
262
85
SONDA
Figura 411 Fig 511 Amplasarea sondelor verticale pentru realizarea galeriei icircnclinate
Figura 411 Fig 510 Dispunerea sondelor icircn jurul puţurilor de mină de secţiune
dreptunghiulară
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
44
Figura 412 Fig 512 Realizarea galeriilor icircnclinate cu sonde verticale (1) şi sonde oblice (2)
I - secţiunea longitudinală II - secţiunea transversală a) sonde icircnclinate deasupra galeriei b) sonde icircnclinate sub galerie
413 513 UTILIZAREA METODEI DE IcircNGHEŢARE A SOLULUI IcircN ŢARA NOASTRĂ
a)Puţuri de mină
Aplicarea metodei de icircngheţare a solului pentru lucrări de minerit a avut loc la noi icircn ţară icircncepacircnd cu anul 1960 la puţul Godeni din bazinul carbonifer Cacircmpulung - Muscel Proiectul a fost elaborat icircn anul 1959 la IPROMIN Bucureşti iar lucrarea a fost executată cu Trustul Minier Argeş avacircnd icircn subantrepriză de specialitate Icircntreprinderea Frigotehnica Bucureşti şi Trustul de prospecţiuni explorări şi deschideri de mine noi Bucureşti
Adacircncimea de săpare a puţului Godeni a trebuit sa fie de 202 m Sondele de icircngheţare constituite din două ţevi concentrice (fig 51) cu diametrele exterioare de 146 mm şi respectiv 57 mm icircn număr de 27 au fost amplasate pe un cerc cu diametrul de 10 m la distanţa de 117 m una de alta
Instalaţia frigorifică a fost dimensionată cu mare precauţie pentru a avea o siguranţă mărită icircn funcţionarea ei Toate părţile componente ale instalaţiei frigorifice au fost proiectate şi executate icircn ţară
La proiectarea instalaţiei s-a avut icircn vedere funcţionarea de scurtă durată şi variaţia puterii frigorifice icircn timp S-a utilizat răcirea indirectă cu soluţie de clorură de calciu iar ca agent frigorific a fost folosit amoniacul Pentru a avea elasticitatea necesară icircn funcţionare la diferite puteri frigorifice au fost folosite grupuri de utilaje frigorifice şi anume
6 compresoare 4 AU - 20 (200000 kcal Nh =233 kW fiecare)
3 baterii de condensatoare atmosferice a cacircte 300 m2 (900 m2)
bazine pentru răcirea saramurii fiecare cu cacircte 2 vaporizatoare superintensive de 50 m2 (600 m2)
2 grupuri a cacircte 5 pompe pentru recircularea saramurii
Puterea frigorifică a instalaţiei montate a fost de 12106 kcal Nh =1395 kW şi s-a caracterizat prin următoarele date tehnice la exploatare
85
1
2
I 85
1
2
I
85
1
2
II
85
1
2 II
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
45
o suprafaţa de schimb de căldură a sondelor 2500 m2 o puterea instalaţiei 750 kW o debitul saramurii icircn
o icircn perioada activă 350 m3h o icircn perioada pasivă 70 m3h
o viteza de circulaţie a saramurii icircn sondă o tur 18 ms 036 ms o retur 029 ms 006 ms
o volumul rocilor icircngheţate circa 10000 m3 o consumul specific de frig mediu 50000 m3 o durata icircngheţării (perioada activă) 130 zile
Icircn timpul răcirii şi deci a icircngheţării solului puterea frigorifică scade icircn mod continuu icircncacirct treptat s-a scos din funcţiune cacircte un compresor icircn perioada pasivă (de săpare a puţului) s-a menţinut icircn lucru doar un singur compresor şi grupul de utilaje aferent
După terminarea lucrărilor de la puţul Godeni icircn anii următori aceeaşi instalaţie s-a montat la puţul Poenari din acelaşi bazin carbonifer unde sondele au fost amplasate pe un cerc cu diametrul de 11 m la distanţa de 128 m una de alta
Un alt puţ realizat prin această tehnologie de icircngheţare a solului a fost puţul Jugur de la acelaşi bazin carbonifer Centrala frigorifică a cuprins 15 compresoare 3 AV - 20 (150000 kcal Nh fiecare=175kW) repartizate icircn 5 linii tehnologice independente cu icircntreg utilajul aferent Fiecare linie este compusă din
o butelie de răcire intermediară BRI - 700 un condensator cu evaporare forţată CEF - 180 un bazin cu patru grupuri vaporizatoare intensive de cacircte 165 m2 (icircn total 66 m2)
Sondele de icircngheţare icircn număr de 27 bucăţi au fost prevăzute să se amplaseze pe un cerc cu diametrul de 104 m la distanţă de 121 m Sondele sunt de tipul celei indicată icircn figura 58 deci cu răcire zonală avacircnd următoarele caracteristici diametrul exterior al burlanului este de 146 mm iar tuburile interioare au 57 mm (la exterior) tubul de alimentare are lungimea de 430 m iar cel de evacuare este de 220 m Ca urmare sondele de icircngheţare trebuie să producă icircngheţarea solului numai pe adacircncimea de la 220 m la 430 m Prin proiect s-au prevăzut următoarele date temperatura saramurii - 35 ordmC viteza saramurii icircn conducte de tur 18 ms viteza icircn conducte de retur (pe adacircncimea de răcit) 06 ms durata icircngheţării (perioada activă) a fost de 75 zile
Au fost prevăzute temperaturi scăzute şi viteze mari de congelare deoarece cilindrul icircngheţat trebuie să preia presiuni de pacircnă la 56 bar
b)Tunelurile pentru metroul din Bucureşti
Icircncepacircnd cu anul 1976 pentru realizarea metroului din Bucureşti s-a procedat la aplicarea metodei de icircngheţare a solului icircntr-o zonă considerată experimentală dar cu realizări efective de galerii
Prin proiect s-a prevăzut consolidarea prin icircngheţare artificială a profilului de săpare a tunelurilor de metrou pe o lungime de circa 550 m pe ambele fire Amplasamentul sondelor s-a făcut icircn două variante (pentru experimentare) pentru un fir de tunel ambele racircnduri de sonde s-au fixat icircn profilul circular de săpare iar pentru cel de al doilea fir de tunel sondele au fost forate icircn afara profilului de icircnaintare (fig 513) Au fost folosite sonde cu saramură cu posibilitatea de icircngheţare pe toată icircnălţimea de 16 m cacirct şi sonde cu icircngheţare zonală icircntre adacircncimile de 7 m şi 16 m Distanţa dintre sonde a fost fixată la 14 m
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
46
Pentru a se icircmpiedica accesul apelor icircn frontul de săpare datorate unor eventuale zone neicircngheţate traseul de tunel icircngheţat a fost icircmpărţit icircn incinte icircnchise prin timpane transversale La distanţe de 3050 m icircn lungul traseului au fost montate sonde de icircngheţare aşezate icircn plan normal pe axul tunelului prin care să se icircnchidă accesul apelor spre frontul de săpare
Echipamentul frigorific principal cuprinde
- 8 compresoare frigorifice 3 AV - 20 funcţionacircnd icircntr-o treaptă pentru care
corespunde puterea frigorifică de 12 106 kcal Nh =1395 kW
- 4 condensatoare de evaporare forţată CEF - 250
- 3 bazine de răcire a saramurii echipate cu cacircte 4 grupuri de vaporizatoare superintensive de cacircte 51 m2 (total 612 m2)
- 3 grupuri de cacircte 2 pompe a 220 m3h pentru circulaţia saramurii pe traseele de distribuţie şi prin sonde
Figura 413 Fig513 Amplasamentul sondelor de icircngheţare
Centrala frigorifică este stabilă adăpostită icircntr-o baracă metalică demontabilă existacircnd posibilitatea de reamplasare rapidă a instalaţiei icircntr-un alt loc Agentul frigorific utilizat este amoniacul iar agentul intermediar este clorura de calciu
Icircn perioada principală de icircngheţare temperatura de vaporizare este to = -22 ordmC asiguracircnd răcirea saramurii la -17 ordmC iar pe retur saramura a avut temperatura cu 15 ordmC mai ridicată
La o asemenea lucrare realizată icircn oraş se impune protejarea contra icircngheţului a straturilor de deasupra galeriilor icircn care sunt amplasate instalaţiile de apă - canal ceea ce presupune folosirea sondelor cu icircngheţare zonală care să nu fie active la partea superioară
c) Puţuri pentru prospectarea balastierelor
Procedeul şi instalaţia frigorifică au avut caracter de noutate şi s-a aplicat icircncepacircnd cu anul 1966 la mai multe obiective icircn general pe văile racircurilor unde s-au construit hidrocentrale
A
A B
B
A-A
000 -300 -700 -1061 -1300
65
800
B-B
000 -300 -700 -1061 -1300
65
550
ARGILA
ARGILA
NISIP
NISIP
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
47
Echipamentul frigorific principal cuprinde un agregat frigorific pentru amoniac de 20000 kcal Nh = 233 kW rezervor de amoniac separator de lichid şi anexe - toate fiind montate pe o remorcă
S-au folosit sonde de icircngheţare cu agent frigorific icircn număr de 8 bucăţi cu diametrul exterior de 133 mm montate pe un cerc cu diametrul de 2 m la distanţa de 076 m lungimea lor fiind de 75 m Legarea sondelor la distribuitor şi colector s-a făcut cu racorduri flexibile
Sondele au o construcţie specială fiind prevăzute cu 4 pereţi transversali cu ştuţuri de preaplin formacircndu-se astfel 5 compartimente Agentul lichid se introduce icircn compartimentul cel mai de sus şi se scurge prin ştuţuri pacircnă la baza sondei Conducta de aspiraţie străbate toate compartimentele vaporii fiind aspiraţi din compartimentul cel mai de jos Circulaţia vaporilor formaţi se face ca şi a lichidului de sus icircn jos obţinacircndu-se astfel o răcire uniformă şi eficientă pe toată icircnălţimea sondei
Durata icircngheţării respectiv a formării centurii de teren icircngheţat la adăpostul căreia să se poată efectua săparea şi preluarea de probe de sol este de 10 zile
414 514 CAcircMPUL DE TEMPERATURĂ IcircN SOLUL IcircNGHEŢAT
Cacircnd prin sonda de icircngheţare circulă saramură a cărei temperatura este sub 0 ordmC practic - 20 ordmC-25 ordmC icircn jurul sondei se formează un cacircmp termic care icircn cazul unei singure sonde poate fi reprezentat prin suprafeţe cilindrice coaxiale de temperatură constantă (izoterme)
După distanţa radială se deosebesc icircn sol din punct de vedere termic trei zone zona cilindrică din imediata vecinătate a sondei care este icircn zona icircngheţată zona răcită cuprinsă icircntre suprafaţa cilindrică izotermă de 0 ordmC şi izoterma de temperatură naturală şi a treia zonă cea de temperatura naturală (fig 514)
Icircn zona icircngheţată temperatura masivului variază de la temperatura peretelui metalic al sondei pacircnă la 0 ordmC Icircn zona răcită temperatura masivului creşte de la 0 ordmC pacircnă la temperatura naturală a masivului
Figura 414 Fig 514 Cacircmpul de temperatură icircn jurul unei sonde de icircngheţare
Este important să se cunoască cacircmpul termic icircn terenul supus icircngheţării deoarece acesta oferă date privind zona de răspacircndire a consolidării rocilor prin solidificarea apei cacirct şi a
t [oC]
r [m]
t (r)
ZONA RACITA
ZONA INGHETAT
A
ts TEMPERATURA NATURALA A ROCII
-20
-10
40
10 0 20 30
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
48
rezistenţei mecanice a rocii icircngheţate Se cunoaşte faptul că rezistenţa mecanică depinde direct de temperatură
Studiul variaţiei temperaturii icircn zona de influenţă a unei sonde şi a tuturor sondelor simultan oferă posibilitatea calculării dimensiunilor la proiectarea construcţiei peretelui protector cacirct şi controlul procesului icircn timpul desfăşurării lucrărilor
Pentru a se stabili relaţia de variaţie a temperaturii icircn zona icircngheţată icircn funcţie de raza r se consideră ecuaţia diferenţială
dr
dtr2q (56)
icircn care q este fluxul unitar de căldură corespunzător lungimii de 1 m din sonda de icircngheţare Wm
- conductivitatea termica a terenului Wm
Integrarea directă a ecuaţiei analitice se poate face icircn ipoteze simplificatoare consideracircnd
= const şi q = const ceea ce este justificat la valori mari ale timpului de răcire
Se separa variabilele
r
dr
2
qdt
(57)
Se consideră cunoscute temperaturile t1 la suprafaţa sondei de raza r1 și t2 = 0 ordmC la raza r2 corespunzătoare suprafeţei exterioare a cilindrului icircngheţat Se integrează ecuaţia (6-7) și cunoscacircnd limitele de integrare se va determina constanta de integrare
Cr ln2
qt
(58)
pentru r = r1 t = t1 deci
11 rln2
qtC
(59)
1
1r
rln
2
qtt
(510)
Se pune condiţia ca pentru r = r2 t = t2
1
212
r
rln
2
qtt
(511)
Se elimina q intre relaţiile (510) și (511) şi se obţine
1
2
1121
r
rln
r
rln
tttt (512)
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
49
Figura 415 Fig 515 Schema schimbătorului de căldură subteran
Pentru t2 = 0 ordmC relaţia (5-12) devine
)rrln(
)rrln(tt
12
21 (513)
Icircn figura 515 se prezintă o secţiune axială printr-o sondă de icircngheţare şi variaţia temperaturii icircn limitele t0 - temperatura agentului de răcire şi ts - temperatura naturală a solului
Cantitatea de căldură transferată de la masivul neicircngheţat spre agentul de răcire prin unitatea de lungimea de conducta şi unitatea de timp se calculează cu expresia
221
2
1o
1
moo
os
d
1
d
dln
1
d
dln
2
1
d
1
ttq
(514)
Icircn calculele inginereşti cel mai frecvent se determină nu fluxul termic pe unitatea de lungime a conductei ci fluxul termic qF raportat la unitatea de suprafaţă a conductei metalice la 1 m2 de suprafaţa exterioară sau interioară Mărimea qF se calculează astfel
22
o
1
2
1
o
o
1
m
o
o
oS
o
F
d
d
d
dln
2
d
d
dln
2
d1
tt
d
(515)
Fluxul termic qF prin unitatea de suprafaţă a sondei de icircngheţare calculat pentru adacircncimea de 100 m icircn regim laminar de curgere a agentului de răcire prin spaţiul inelar al sondei cu viteza w = 01 ms la diametre ale cilindrului de rocă icircngheţata
de la 02 la 3 m pentru to = -20 ordmC do = 01 m 1 = 233 WmK variază de la 720 la 230 Wm2 aşa cum se poate observa din figura 516 şi tabelul 51
d2
d1
d0
t
qF
t0
t2
t1 2
m 1
m
ts
Conducta Teren icircngheţat Teren
neicircngheţat
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
50
Figura 416 Fig 516 Variaţia fluxului termic qF prin unitatea de suprafaţă a sondei de icircngheţare 1 - regim turbulent 2 regim laminar
Tabelul 51Variaţia fluxului termic qF [Wm2]
Diametrul cilindrului de rocă icircngheţată icircn m
02 04 05 08 10 15 20
qF regim laminar 1160 550 387 330 302
qF regim laminar 720 465 423 350 321 283 258
Se observă ca densitatea fluxului de căldura qF scade foarte mult de la 800900 Wm2 la icircnceputul operaţiei de consolidare prin frig a rocilor pacircnă la 230250 Wm2 cacircnd cilindrul de rocă icircngheţata atinge diametrul de 23 m Ca urmare a acestei situaţii şi puterea frigorifică a instalaţiei va scădea icircn decursul a 6080 zile tot cu raportul de 800230 = 35
Instalaţia frigorifică va fi constituită din grupuri de utilaje (module) ce vor fi scoase treptat din funcţiune pe măsură ce se reduce densitatea fluxului de căldură qF ca urmare a creşterii grosimii stratului de teren icircngheţat Icircn practică pentru calcule se va considera qF = (260290) Wm2
O mărime importanta pentru proiectarea instalaţiei şi aprecierea procesului de consolidare a rocilor este timpul de icircngheţare Pentru calculul duratei de icircngheţare se pot folosi relaţiile prezentate icircn capitolul 3 la formarea gheţii pe suprafeţe cilindrice exterioare La aprecierea valorii pentru ls - căldura latentă de solidificare se avea icircn vedere conţinutul de apă din terenul supus icircngheţării
Dacă icircntre relaţiile pentru dependenţele (r) şi qF(r) se elimină r se obţine dependenţa
qF() Eliminarea nu se poate face direct ci fie cu ajutorul calculatorului fie printr-o construcţie grafică prezentată icircn figura 517
Studiul variaţiei temperaturii icircn solul icircngheţat cacirct și variaţia icircn timp a densităţii fluxului de căldura se poate face cu ajutorul calculatorului electronic
1200
1000
800
600
400
200
0 05 1 15 2 25 3
qF [Wm2]
Diametrul cilindrului de rocă icircngheţată [m]
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
51
Figura 417 Fig 517 Stabilirea dependentei qF() pe baza dependentelor qF(r) și (r)
415 515 ELEMENTE DE PROIECTARE A INSTALAŢIEI FRIGORIFICE PENTRU IcircNGHEŢAREA SOLULUI
Pentru proiectarea instalaţiei frigorifice trebuie sa se stabilească la icircnceput elementele de baza și anume
- puterea frigorifică maximă care apare la icircnceputul perioadei de răcire cacircnd pătrunderile de căldura spre agentul de răcire din sondele de icircngheţare au valori mai mari temperatura de vaporizare a agentului frigorific plecacircnd de la temperatura minimă sau medie din solul icircngheţat şi avacircnd icircn vedere modul de răcire directă sau indirectă
Se calculează cantitatea totală de căldură ce trebuie extrasă din terenul supus răcirii şi icircngheţării Se cunoaşte structura terenului icircngheţat deci se cunosc icircnălţimile h1 h2hn ale diferitelor straturi componente cacirct şi proprietăţile termofizice ale acestora
Grosimea centurii de teren icircngheţat se stabileşte icircn urma calculelor de rezistenţa materialelor icircncacirct se pot calcula volumele ocupate de straturile componente V1 V2Vn
Cantitatea de căldură ce trebuie extrasă din zona icircngheţată cuprinde două componente și anume
cantitatea de căldura Qa corespunzătoare răcirii şi icircngheţării apei
cantitatea de căldura Qt necesara răcirii părţii solide a terenului
n
1kfgsikaakka tcltcVQ (516)
unde
k - reprezintă conţinutul icircn apă din stratul respectiv [m3m3]
a - densitatea apei [kgm3]
ca cg - căldura specifica a apei respectiv a gheţii Jkg K
tik - temperatura iniţiala a stratului respectiv (de ordinul k)
tf - temperatura medie finala a masivului icircngheţat
ls - căldura latentă de solidificare a apei
r
q
q
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
52
fik
n
1kkkkkt ttc1VQ
(517)
k - densitatea părţii de teren solid (uscat) din stratul k
ck - căldura specifică a terenului uscat din stratul k
Cantitatea de căldură extrasă din terenul răcit reprezintă circa 1018 din cantitatea de căldură extrasă din zona de teren icircngheţat
Deci cantitatea totală de căldură Q ce va trebui preluată de către instalaţia frigorifică se poate aprecia astfel
Q = (110118) (Qa + Qt) (518)
Cu relaţia (51) se calculează puterea frigorifica a instalaţiei adoptacircnd o valoare medie pentru densitatea fluxului de căldura qF
Se poate aprecia timpul de funcţionare a instalaţiei frigorifice
o
Q
(519)
La anumite grosimi ale cochiliei de teren icircngheţat icircn jurul sondei densitatea fluxului termic scade sub valoarea medie adoptată icircn calcule şi ca urmare icircncepacircnd de la acest moment se va putea reduce treptat puterea frigorifica a instalaţiei prin scoaterea din funcţiune a unor grupuri
La proiectare se pot avea icircn vedere unele recomandări practice pentru stabilirea necesarului de frig pentru icircngheţarea unui m3 la -10 ordmC este necesar un consum specific de frig de 66000 kJ la 10 umiditate de 155000 kJ la 35 umiditate și de 210000 kJ la 50 umiditate
42 52 RĂCIREA BETONULUI LA CONSTRUCŢIILE MASIVE
421 521 INSTALAŢII DE PRERĂCIRE A COMPONENTELOR BETONULUI
Formarea betonului din elementele sale componente (nisip pietriş ciment şi apă) este icircnsoţită de fenomene fizico - chimice icircn care se degajă căldură şi ca urmare temperatura acestuia creşte Icircn cazul unor masive din beton (baraje) dacă viteza de turnare (icircn sezonul cald cacircnd se efectuază construcţia) este mai mare şi nu se asigura evacuarea căldurii corpul rezultă la o temperatura medie mai mare decacirct temperatura medie anuală Răcirea naturală conduce la contracţia masivului şi ca urmare la apariţia sub acţiunea tensiunilor interne a unor fisuri
Pentru ca variaţiile de temperatura icircntre centrul barajului şi straturile exterioare să fie cacirct mai mici se impune ca masivul respectiv să fie turnat la temperatura medie anuală a zonei respective Icircn acest scop se pot folosi două metode prin prerăcirea componentelor betonului și prin răcirea masei barajului
Icircn vederea reducerii căldurii degajată icircn reacţia dintre ciment şi apă au fost realizate sortimente de ciment caracterizate prin călduri masice reduse ce se degajă icircn procesul de priză
Prin prerăcirea componentelor betonului se urmăreşte ca betonul sa aibă temperatura medie a locului de amplasament şi prin aceasta evitarea apariţiei unor diferenţe mari de temperatură ce pun icircn pericol construcţia
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
53
Icircn funcţie de valoarea diferenţei de temperatură care trebuie realizată se poate adopta o anumită schemă de răcire pentru fiecare component icircn parte sau numai pentru unele din aceste părţi componente
Se pot folosi instalaţii frigorifice cu comprimare mecanică de vapori pentru răcirea apei a aerului sau formarea gheţii mărunte utilizate la prerăcirea componentelor betonului Folosirea gheţii fulgi sau solzi este limitată atacirct din cauza conţinutului de apă impus cacirct şi ca urmare a pericolului ca gheaţa să nu se topească icircn procesul de malaxare ci la turnare sau icircn procesul de priză ceea ce duce la formarea de goluri icircn beton
De asemenea se pot folosi instalaţiile frigorifice cu ejecţie
Icircn vederea stabilirii necesarului de frig pentru preratildecirea componentelor betonului se calculează mai icircntacirci cantitatea de catildelduratilde Qo1 ce trebuie evacuatatilde dintr-un m3 de beton avacircndu-se icircn vedere proporţiile icircn care participatilde cimentul nisipul pietrişul şi apa Fiecare component are o temperatură iniţialatilde şi urmeazatilde a fi răcit pacircnatilde la o temperatura finalatilde tf aceeaşi pentru toţi componenţii
fpppfnnnfccc1o ttcmttcmttcmQ
fnaanfpaapfaaa ttcmttcmttcm Jm3 (520)
unde
mc mn mp ma - masele de ciment nisip pietriş şi apă conţinute icircntr-un m3 de beton [kgm3]
cc cn cp cw - căldurile specifice masice ale cimentului nisipului pietrişului şi nisipul dintr-un m3 de beton [kgm3]
Puterea frigorifică se determină cu relaţia
3b1oo 10VQ [kW] (521)
icircn care bV reprezintă fluxul de betonare icircn m3s
Se prezintă icircn continuare cele mai folosite metode de prerăcire a componentelor betonului
4211 a) Instalaţie de prerăcire cu apă
Staţia de preparare a betonului este deservită de o instalaţie frigorifică cu comprimare mecanică de vapori care asigură răcirea apei
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
54
Figura 418 Fig 518 Schema de lucru a instalaţiei de prerăcire a betonului cu ajutorul apei 1 - ciment 2 - vagon nisip 3 - vagon pietris 4 - tancuri de răcire a pietrişului 5 - sită 6 - siloz de
nisip 7 - siloz de ciment 8 - rezervor de distribuţie 9 - răcitor de nisip 10 - răcitor de ciment 11 - răcitor de apă 12 - rezervor de apă răcită 13 - răcitor de apă 14 - instalaţie de prepararea betonului
I II III IV V - fazele de răcire a pietrişului
Icircn figura 518 se prezintă schema de lucru a unei asemenea instalaţii de prerăcire a betonului cu ajutorul apei folosită la construcţia barajului de la Detroit (SUA) Apa este răcită de la 16 la 15 ordmC şi transmisă apoi la instalaţia de preparare a betonului şi icircn cinci rezervoare a cacircte 90 m3 fiecare icircn care se răceşte pietrişul
Procesul de răcire a pietrişului cuprinde cinci faze
- faza I - introducerea apei icircn rezervor 10 minute
- fazele II şi III - introducerea simultană a apei şi a pietrişului 50 minute
- faza IV - evacuarea apei 15 minute
- faza V - evacuarea pietrişului 15 minute
Icircntregul proces de răcire a pietrişului durează 90 minute Pentru răcirea cimentului şi nisipului se utilizează schimbătoare de căldură cu ax elicoidal la care apa de răcire circulă prin arborele gol şi prin manta
Rezervoarele 12 pentru apa răcită au fiecare volumul de 114 m3
Beton 635oC
190 m3h
65oC
24oC
18oC
1
2
3
4
5
6
7
8
10
9
11
12
13
14
Apă 16oC
15oC
Cim
en
t
26 l
h
Nis
ip 1
12
lh
10
oC
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
55
42111 Aplicaţie numerică
Să se calculeze puterea frigorifică necesară prerăcirii betonului prin metode şi condiţiile prezentate mai sus Se cunosc următoarele date de calcul
mp = 1700 kgm3 beton
mc = 135 kgm3 beton
mn = 590 kgm3 beton
ma = 60 kgm3 beton
cc = cn = cp = 921 Jkg K
ca = 4180 Jkg K
map = 16 kgm3 beton
man = 38 kgm3 beton
tp = 18 ordmC
tc = 66 ordmC
tn = 21 ordmC tf = 635 ordmC
052803000
190Vb m3s
Se calculează componentele cantităţii de căldură Q01
3fcccc 10741735666921135ttcmQ Jm3
3fnnnn 10796135621921590ttcmQ Jm3
3fpppp 1024018356189211700ttcmQ Jm3
3faaaa 10420235616418060ttcmQ Jm3
3fpaapap 1077935618418016ttcmQ Jm3
3fnaaan 10232735621418038ttcmQ Jm3
Rezulta
3anapapnc1o 1039144QQQQQQQ Jm3
3o 10 206705280103914410VQ 33
b1o kW
4212 b) Instalaţii de prerăcire cu aer apă
Pentru răcirea componentelor betonului se utilizează icircn acest caz fie apa fie aerul ca agenţi intermediari răciţi cu ajutorul instalaţiilor frigorifice
Icircn figura 519 se prezintă schema unei asemenea instalaţii folosită la construcţia barajului de la Sariyar din Turcia
Răcirea aerului se poate face fie direct prin vaporizarea unui agent frigorific fie indirect cu un agent intermediar de răcire ca de exemplu saramura de clorură de calciu Aerul răcit pacircnă la -6 ordmC este suflat icircn silozurile cu pietriş de dimensiuni icircntre 4150 mm
Apa răcită icircn bazinul la pacircnă la 05 ordm este trimisă din colectorul 12 la staţia de preparare a betonului servind la scăderea temperaturii acestuia
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
56
Figura 419 Fig 519 Schema instalaţiei de prerăcire a betonului cu aer şi apă 1 - compresor 2 - condensator 3 - ventile de laminare 4 - vaporizatoare 5 - bazin de răcire a
saramurii 6 - pompă de saramură 7 - răcitor umed de aer 8 - ventilatoare 9 - silozuri de pietriş 10 - bazin de răcire a apei 11 - pompă 12 - colector de apă răcită
Figura 420 Fig 520 Schema instalaţiei de prerăcire cu aer şi apă 1 - siloz de pietriş şi nisip 2 - siloz de ciment 3 rezervor de apă 4 - răcitor de aer 5 - răcitor de apă
4 - răcitor de apă 6 - buncăr de sortare 7 - instalaţie de preparare beton
Pentru intensificarea procesului de răcire a pietrişului aerul este răcit sub 0 ordmC Acest procedeu are avantajul unei funcţionări fără icircntrerupere a procesului de preparare a betonului dar prezintă şi o serie de dezavantaje debite foarte mari de aer de răcire posibilitatea antrenării particulelor fine de agregat icircn răcitorul de aer şi depunerea acestora pe suprafaţa de schimb de căldură Ca urmare instalaţia se va curăţa la circa 14 zile Icircn figura 520 se prezintă o altă schemă de instalaţie de prerăcire a betonului cu aer şi apă folosită la construcţia unui baraj din India
Apă
295oC
Ciment
433oC
Pietriş şi nisip
378oC
Apă 6oC
Ciment 433oC
Aer
Pietriş
45oC Nisip 222oC
22oC
Ap
ă
45
oC
Ap
ă 2
2o
C
Ae
r 5
5o
C
Be
ton
12
8o
C
Apă 22oC
2
1
3 4 5
8
9
5 7
12
1oC
11
05oC 9oC 9oC
-9oC
-10oC -10oC
-10oC 2oC
6oC
10 4 4 6
8 8
8
8 8
9 9 9 9
1
2
3 3
7
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
57
Pietrişul şi nisipul se separă icircntre ele icircn buncărul de sortare 6 şi apoi fiecare circulă pe cacircte o bandă transportoare prin camera de răcire 7 Pietrişul este răcit cu ajutorul apei
Fig
ura
42
1 F
ig 5
21
Sc
he
ma
in
sta
laţi
ei
de
ră
cir
e icirc
n v
id a
co
mp
on
en
telo
r b
eto
nu
lui
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
58
reci icircncacirct ajunge la o temperatură mai scăzută decacirct nisipul răcit cu aer Prin camera 7 se circulă şi aer rece care se introduce la temperatura de 55 ordmC Cimentul se introduce la instalaţia de preparare a betonului 9 fără a fi răcit
O altă posibilitate de prerăcire a agregatelor (pietriş şi nisip) şi a apei utilizată mai recent la construirea barajelor icircntrebuinţează răcirea icircn vid la care agregatele uşor umezite icircn recipiente sub presiune se răcesc după nevoie (prin reglarea vacuumului) la o temperatură mai scăzută sau mai ridicată Căldura necesară evaporării umidităţii de pe agregate şi din ele (apa legată) este luată chiar de la corpurile respective (pietriş nisip) şi ca urmare acestea se răcesc
O asemenea instalaţie utilizată la Hortwell icircn SUA (figura 521) cuprinde 3 recipienţi de cacircte 150 m3 pentru răcirea pietrişului şi 3 recipienţi de cacircte 80 m3 pentru răcirea nisipului
Pietrişul şi nisipul cu temperatura maximă de 43 ordmC se pot răci pacircnă la temperatura necesară de 45 ordmC Pentru realizarea vidului necesar se folosesc două cazane de abur care produc 77 th fiecare
422 522 RĂCIREA INTERIOARĂ A MASIVULUI DE BETON
Prerăcirea betonului se recomandă icircn condiţiile unei zone tropicale sau temperate de amplasare a construcţiei masive nu se recomandă icircn cazul amplasării barajului icircn munţi unde temperatura aerului este scăzută Icircn asemenea situaţii se recomandă răcirea betonului prin conducte amplasate icircn masiv prin care circulă apă rece
La răcirea interioară cu conducte montate icircn beton are loc o eliminarea a căldurii simultan cu producerea ei icircn procesul de priză producacircndu-se şi o răcire pacircnă la temperatura necesară Pentru răcire se folosesc conducte de oţel cu diametre de 1525 mm montate la distanţe de 1223 m icircn plan orizontal şi de 153 m icircn plan vertical Lungimea conductelor icircntr-un m3 de beton este de 0204 şi a fiecărei serpentine de 140250 m
Debitul apei de răcire ce circulă prin 1 m3 de beton este de (0553) dm3h
Figura 422 Fig 522 Reţea de conducte de răcire a betonului icircn secţiunea unui baraj 1 - galerie pentru măsurători 2 - galerie de conducte de apă de răcire
Serpentinele se montează şi se fixează pe suprafaţă de beton (fig522) Capetele serpentinelor se leagă de o coloană verticală prin mufe metalice sau de cauciuc Diametrul distribuitorului şi al coloanei este cuprins icircntre 150200 mm După montaj aceste conducte se verifică la presiunea de lucru
1 2
Ax
a
ba
raju
lui
Izolaţii termice
9
RLp = id
edln
p2
1
[mmiddotgrdW] (17)
Pentru conductele metalice conductivitatea termică a materialului are valori ridicate ( gt 15 WmmiddotK) din care cauză rezistența termică RLp poate fi neglijată reprezentacircnd sub 1 din rezistența totală
rezistența termică liniară a stratului de izolație este
RLiz = ei
iz
iz d
d
2
1ln
[mmiddotgrdW] (18)
rezistența termică liniară a stratului protector este
RLsp = izi
sp
sp d
d
2
1ln
[mmiddotgrdW] (19)
Icircn general stratul protector este realizat sub forma unui inveliș metalic (tablă vopsită tablă zincată tablă din aluminiu) sau sub forma unui strat de tencuială cu grosimi de (10hellip20) mm Icircn Tabelul 19 este indicată conductivitatea termică λsp [WmmiddotK] pentru cacircteva materiale utilizate la realizarea stratului protector
Tabelul 19 Conductivitatea termică λsp
Material ρ [kgm3] λsp [WmmiddotK]
Ciment și gips 900hellip1000 023 la 50ordmC
Pastă bituminoasă și mastic asfaltos
1000hellip1150 030 la 50ordmC
Ciment 1600hellip1900 029 la 50ordmC
Strat anticoroziv 1000hellip1100 017hellip023 la 50ordmC
Icircn cazul icircnvelisului metalic rezistența termică RLsp poate fi neglijată
Icircn cazul stratului de tencuială rezistența termică RLsp reprezintă pacircnă la 20 din rezistența totală
rezistența superficială liniară a mediului ambiant este
RLe = espid
1
[mmiddotgrdW] (110)
Rezistența superficială liniară a mediului ambiant funcție de diametrul conductei și de amplasarea acesteia este data icircn Tabelul 110
Pentru calcule exacte valorile coeficientului de convecție la contactul intre stratul protector și mediu ambiant icircn funcție de amplasarea conductei sunt prezentate icircn Tabelul 111
Rezultă rezistența termică a stratului de izolație
e
iz
izLeLspLpLi
L
efLiz
d
d
2
1RRRR
Q
ttR ln
[mmiddotgrdW] (111)
Grosimea stratului de izolație termică
LeLpLi
L
efiz
e
iz RRRQ
tt2
d
d
ln [m] (112)
de unde
Izolaţii termice
10
1
d
dd50
e
izeiz [m] (113)
Tabelul 110 Rezistența superficială liniară a mediului ambiant
Dn [mm]
Conducte icircn icircncăperi Conducte icircn aer liber cu coeficient mic de
radiație a icircnvelișului cu coeficient mare de radiație a icircnvelișului
Temperatura fluidului transportat tf [ordmC]
100 300 500 100 300 500 100 300 500
32 050 035 030 033 022 017 012 009 007
40 045 030 025 029 020 015 010 007 005
50 040 025 020 025 017 013 009 006 004
100 025 019 015 015 011 010 007 005 004
125 021 017 013 013 010 009 005 004 003
150 018 015 011 012 009 008 005 004 003
200 016 013 010 010 008 007 004 003 003
250 013 010 009 009 007 006 003 003 002
300 011 009 008 008 007 006 003 002 002
350 010 008 007 007 006 005 003 002 002
400 009 007 006 006 005 004 002 002 002
500 0075 0065 006 005 0045 004 002 002 0016
600 0062 0055 005 0043 0038 0035 0017 0015 0014
700 0055 0051 0045 0038 0035 0032 0015 0013 0012
800 0048 0045 0042 0034 0031 0029 0013 0012 0011
900 0044 0041 0038 0031 0028 0026 0012 0011 0010
1000 0040 0037 0034 0028 0026 0024 0011 0010 0009
2000 0022 0020 0017 0015 0014 0013 0006 0006 0005
Observatii
Pentru temperaturi ale fluidului transportat tf lt 100ordmC se aleg valorile pentru tf = 100ordmC
Invelișurile cu coeficient mic de radiație sunt executate din tablă zincată tablă din aliaje de aluminiu și aluminiu oxidat tablă vopsită cu lacuri din aluminiu
Invelișurile cu coeficient mare de radiație sunt executate din tencuială plăci de sticlă diverse vopsele (exclusive din aluminiu)
Grosimea stratului de izolație termică se standardizează funcție de materialul ales
Tinacircnd seama de stratul protector din ciment și paste bituminoase cu diverse grosimi se calculează grosimea reală a stratului de izolație cu coeficientul de corecție ∆[mm] cu valori date icircn Tabelul 112
Tabelul 111 Valorile coeficientului de convecție la contactul intre stratul protector și mediu ambiant
Amplasarea conductei
Icircn icircncăperi Icircn aer liber la viteza
vacircntului w [ms] cu coeficient mic de radiație a icircnvelișului
cu coeficient mare de radiație a icircnvelișului
5 10 15
orizontală 6 10 20 25 35
verticală 7 11 25 35 50
Observatie Icircn absența datelor privind viteza vacircntului se admite w = 10 ms
Tabelul 112 Coeficientul de corecție ∆[mm]
δsp [mm]
λiz [WmmiddotK] 007 008 009 010 011 012
Izolaţii termice
11
10 2 2 2 3 3 3
15 3 3 4 4 5 5
20 4 4 5 6 6 7
La alegerea grosimii stratului de izolație termică trebuie să se țină seama și de tasarea materialului prin coeficientul de tasare Kt definit ca raportul dintre volumul construcției termoizolate icircn funcțiune și volumul contrucției la montaj Se recomandă Kt gt 1 pentru a preveni deprecierea izolației termice
Pentru cacircteva materiale termoizolatoare valorile coeficientului de tasare sunt recomandate icircn Tabelul 113
Tabelul 113 Valorile coeficientului de tasare Kt
Material Kt
Saltele din vată minerală perforată 12hellip13
Saltele din vată de sticlă cu legătură sintetică 16
Saltele și plăci din vată minerală moale cu legătură sintetică
15
Plăci semirigide din vată minerală cu legătură sintetică 12
Plăci semirigide din vată de sticlă cu legătură sintetică 115
Plăci moi din vată minerală cu legătură din bitum 15
Plăci semirigide din vată minerală cu legătură din bitum 12
Grosimea stratului de izolație termică la montaj va fi
ize
izetizo
2d
dK
[m] (114)
Valorile fluxului termic liniar (unitar) ФL [Wm] icircn funcție de diametrul exterior al conductei neizolate de [m] temperature fluidului transportat tf [ ordmC] și de amplasarea conductei sunt prezentate icircn Tabelul 114
Tabelul 114 Valorile fluxului termic liniar
de [mm]
tf [ ordmC]
80 100 180 200 250
a b a b a b a b a b
10 8 13 21 24 35 37 48 49 62 60
20 12 15 27 31 43 47 58 63 74 79
32 14 17 33 36 50 53 67 72 86 90
48 15 21 36 42 57 62 76 84 98 105
57 16 24 37 47 62 67 81 91 105 112
76 17 29 43 52 67 77 91 100 115 126
89 19 33 45 58 72 83 95 108 122 133
108 26 36 52 64 79 90 105 117 131 145
133 31 41 62 70 88 99 117 129 140 158
159 36 44 70 76 98 109 130 140 163 172
194 41 49 77 85 108 120 144 151 178 188
219 46 53 81 91 116 128 154 163 192 204
273 49 62 91 101 129 145 170 186 213 230
325 52 70 99 116 142 163 186 209 233 256
377 58 82 107 133 152 181 204 231 254 279
426 62 95 114 149 163 201 221 254 273 302
478 70 104 127 158 180 215 238 273 294 326
529 77 110 140 169 198 228 256 285 314 349
630 95 121 163 186 227 254 294 320 364 384
Izolaţii termice
12
720 110 134 186 205 256 277 326 345 395 416
830 128 157 209 233 291 309 366 384 442 463
920 157 180 238 262 320 344 401 430 483 512
1020 174 209 262 297 349 384 430 473 523 564
Observatii
a-conducte izolate amplasate icircn icircncăperi și canale cu temperatura medie a aerului te = (20hellip30) ordmC
b-conducte izolate amplasate icircn aer liber cu temperatura medie te = (0hellip15) ordmC și conducte subterane amplasate icircn canale nevizitabile cu temperatura medie a solului te = 5 ordmC
Fluxul termic total transmis prin suprafața conductei izolate va fi
Ф=ФLmiddotLC [W] (115)
unde
Lc [m] este lungimea de calcul (echivalentă) a conductei se calculează cu relația
Lc = KmiddotL+l [m] (116)
K - coefficient ce ține seama de pierderile suplimentare de căldură prin elementele de susținere a conductei (Tabelul 115)
L [m] - lungimea conductei
l [m] - lungimea de conductă izolată care echivalează pierderile de căldură prin armăturile de icircnchidere (vane ventile Tabelul 116 și prin icircmbinări (pentru icircmbinări cu flanșe se recomandă l = 1hellip15 m)
Tabelul 115 Valorile coeficientului K
Modul de susținere a conductei
Coeficientul K conducte amplasate icircn
icircncăperi conducte amplasate icircn
aer liber
prin agățare 110 115
prin rezemare 115 125
Tabelul 116 Lungimea de conductă izolată care echivalează pierderile de căldură prin armăturile de icircnchidere
di [mm]
Conducte icircn icircncăperi Conducte icircn aer liber
tf = 100 ordmC
tf = 400 ordmC tf = 100 ordmC tf = 400 ordmC
100 25 50 45 60
500 30 75 60 85
Dacă lungimea conductei nu este cunoscută se mărește valoarea coeficientului K astfel
pentru conducte amplasate icircn icircncăperi K = 12
pentru conducte amplasate icircn aer liberi K = 125
122 Calculul grosimii izolației termice pentru o temperatură dată pe suprafața acesteia
Normele de protecție a muncii impun temperatura pe suprafața exterioară a conductei izolate egală cu 50 ordmC pentru stratul protector din tencuială și 55 ordmC pentru stratul protector metalicTemperatura de 60 ordmC este limita maxima admisibilă peste care apare accidentarea prin arsură a personalului de exploatare
Conform notațiilor din Figura 13 (conductă care transportă fluide calde) fluxul termic liniar (unitar) se calculează cu relația
Izolaţii termice
13
e4pspeLpLizLspLi
4piL ttd
RRRR
tt
[Wm] (117)
Rezistențele termice RLi și RLp pot fi neglijate
Grosimea stratului de izolație termică se calculează icircn două etape
se neglijează rezistența termică a stratului protector RLsp = 0 și rezultă
24pee
4piiz
e
iz
e
iz
ttd
tt2
d
d
d
d
ln (118)
Ecuație de forma xmiddotlnx = const (x = dizde) rezolvarea ei făcacircndu-se grafic sau prin icircncercări
Rezultă
1
d
dd50
e
izeiz [m] (119)
ținacircnd seama de stratul protector se calculează grosimea reală a stratului de izolație termică cu coeficientul de corecție ∆ [mm] (Tabelul 112)
δizrsquo = δiz - ∆ [mm] (120)
Se calculează fluxul termic liniar (unitar) ΦL [Wm] și apoi modificacircnd grosimea stratului de izolație se verifică temperatura impusă tp4 [ ordmC]
Determinarea necesarului de căldură și apă caldă pentru un imobil
14
2 Determinarea necesarului de căldură și apă caldă pentru un imobil
Casa este situata icircn judetul Galati orasul Galati icircn partea de nord a orasului Este amplasata pe un teren cu suprafata de 300mp ea icircn sine avand o amprenta la sol de 123mp
Orasul Galati se situeaza icircn zona climatica numarul II Conform standardului ldquoSR1907 - 1 - 2014rdquo temperatura de referinta pentru aceasta zona este de -15 degC
Icircn figura de mai jos este reprezentat imobilul ce va trebui incalzit Este desenat icircn programul Archicad și prezinta urmatoarele vederi
Figura 21 Planul casei cu dimensiuni și orientare dupa punctele cardinala
Determinarea necesarului de căldură și apă caldă pentru un imobil
15
Figura 22
Figura 23 Vedere fata Nord
Determinarea necesarului de căldură și apă caldă pentru un imobil
16
Figura 24 Vedere fata Sud
Figura 25 Vdere fata Est
Determinarea necesarului de căldură și apă caldă pentru un imobil
17
Figura 26 Vedere fata Vest
Figura 27 Vedere de ansamblu
Determinarea necesarului de căldură și apă caldă pentru un imobil
18
Dimensiunile casei și a incaperilor sunt afisate icircn tabelul urmator
Incapere Suprafata mp
1 Hol intrare+ Living + Hol 3353
2 Dormitor mare 1804
3 Dromitor mic 12
4 Bucatarie 112
5 Baie mare 48
6 Baie mica 475
7 Camera tehnica 72
Total suprafata 9152
Total perimetru casa 444 m
21 22 Determinarea necesarului de căldură și apă caldă menajeră pentru imobil
Pentru studiul necesarului de flux termic este nevoie sa cunoastem posibilele pierderi de căldura cat si modul de utilizare al acesteia Ecuatia generala a bilantului termic ce se foloseste icircn calcularea fluxului de căldura
Q = Q1+ Q2+ Q3 [W]
Q1- fluxul de căldura pierdut prin transmisie
Q2- fluxul de căldura necesar incalzirii aerului ventilat
Q3- fluxul de căldura necesar prepararii apei calde
Fluxul termic pierdut prin transmisie este distribuit intre elementele constructive ale casei si anume Q11 - pereti Q12 - podea Q13 - tavan Q14 - geamuri
Q1= Q11+ Q12+ Q13+ Q14 [W]
Formula care se utilizeaza icircn calculul pentru fiecare fux termic icircn parte este comuna celor patru elemente
Q1i= Si middot Ki middot (tint - text) [W]
Unde Si - suprafata totala calculata a fiecarui element icircn parte se iau icircn considerare doar elementele care au legatura cu exteriorul [m2] ki - coeficientul global de transfer termic specific fiecarui element icircn parte [Wm2C] tint - temperatura din interiorul imobilului [degC] text - temperatura exterioara Icircn cazul podelei de utilizeaza temperatura solului șisau a pivnitei [degC]
Coeficientul global de transfer termic se calculeaza dupa formula
ki = 120783
120783
120514119842 + sum
120517119842
120524119842+
120783
120514119838119847119843=119842
[Wm2C]
Unde αi = coeficientul de transfer convectiv din interior αi = 8 Wm2C αe = coeficientul de transfer termic convective din exterior αe = 20 Wm2C λi - conductivitatea termica a stratului i pe care il aflam din fisa tehnica am materialului stratului respectiv [WmmiddotK] δi- grosimea stratului I [m]
Temperatura ce trebuie mentinuta icircn interiorul imobilului este de 22 degC
Coeficentul de convectie termica αi = 8
211 Mers de calcul pentru Q1
Q11 - flux termic pierdut prin pereti
Specificatii perete exeterior
Tencuiala δ 0025 m Grosime
Determinarea necesarului de căldură și apă caldă pentru un imobil
19
interioara λ 093 WmmiddotK Conductivitate termica
Rt 0026882 m2middotKW Rezistenta termica
Zidarie BCA δ 03 m Grosime
λ 014 WmmiddotK Conductivitate termica
Rt 2142857 m2middotKW Rezistenta termica
Tencuioala exterioara
δ 0025 m Grosime
λ 093 WmmiddotK Conductivitate termica
Rt 0026882 m2middotKW Rezistenta termica
Vata bazaltica δ 01 m Grosime
λ 0037 WmmiddotK Conductivitate termica
Rt 2702703 m2middotKW Rezistenta termica
Placa fibrocement
δ 001 m Grosime
λ 02 WmmiddotK Conductivitate termica
Rt 005 m2middotKW Rezistenta termica
Tencuiala decorativa
δ 0005 m Grosime
λ 093 WmmiddotK Conductivitate termica
Rt 0005376 m2middotKW Rezistenta termica
K11 = 1
1
120572119894+
1205751
1205821+
1205752
1205822+
1205753
1205823+
1205754
1205824+
1205755
1205825+
1205756
1205826+
1
120572119890 =
11
8 +
0025
093+
03
014+
0025
093+
01
0037+
001
02+
0005
093+
1
22
K11 = 0194943188 Wm2C
S11 = h middot lp = 3 middot 3901 = 11703 m2
h - inaltimea peretelui [m]
lp - lungimea perimetrala a peretelui [m] (din care s-au scazut suprafetele vitrate)
Δt = ti - te = 22 + 15 = 37degC
ti - temperatura interioara
te - temperatura exterior
Q11 = K11 middot S11 middot Δt = 0194943188 middot 11703 middot 37 = 8441254483 W
Perete exterior
ti 22 degC αi 8 Wm2 k
te -15 degC αe 22 Wm2 k
δ1 0025 m λ1 093 Wmk tp1 2109758812 degC
δ2 03 m λ2 014 Wmk tp2 2090352105 degC
δ3 0025 m λ3 093 Wmk tp3 5433603161 degC
δ4 01 m λ4 0037 Wmk tp4 523953609 degC
δ5 001 m λ5 02 Wmk tp5 -1427207206 degC
δ6 0005 m λ6 093 Wmk tp6 -1463303681 degC
tp7 -1467185023 degC
q 7219295 W
Determinarea necesarului de căldură și apă caldă pentru un imobil
20
Figura 28
Q12 - fluxul termic pierdut prin podea
Specificatii podea
Placa fibrocement
δ 001 m Grosime
λ 02 WmmiddotK Conductivitate termica
Rt 005 m2middotKW Rezistenta termica
Sapa δ 01 m Grosime
λ 0035 WmmiddotK Conductivitate termica
Rt 2857143 m2middotKW Rezistenta termica
Polistiren extrudat
δ 005 m Grosime
λ 0033 WmmiddotK Conductivitate termica
Rt 1515152 m2middotKW Rezistenta termica
K12 = 1
1
120572119894+
1205751
1205821+
1205752
1205822+
1205753
1205823+
1
120572119890 =
11
8 +
001
02+
01
0035 +
005
0033+
1
0
= 0219911 Wm2C
S12 - amprenta la sol a casei = 12296 m2
Δt = ti - te = 22 - 15 = 7degC
Temperature pentru podea este de 15degC
Q12 = K12 middot S12 middot Δt = 0219911 middot 12296 middot 7 = 1892818 W
Podea
ti 22 degC Αi 8 Wm2 k
te 15 degC Αe 0 Wm2 k
δ1 001 m λ1 02 Wmk tp1 2180757789 degC
Determinarea necesarului de căldură și apă caldă pentru un imobil
21
δ2 01 m λ2 0035 Wmk tp2 2173060904 degC
δ3 005 m λ3 0033 Wmk tp3 1733238927 degC
δ4 m λ4 Wmk tp4 15 degC
δ5 m λ5 Wmk tp5 degC
δ6 m λ6 Wmk tp6 degC
tp7 degC
q 1539377 W
Figura 29
Q13 - fluxul termic pierdut prin tavan
Specificatii tavan
Tencuiala δ 002 m Grosime
λ 093 WmmiddotK Conductivitate termica
Rt 0021505 m2middotKW Rezistenta termica
Placa beton armat
δ 013 m Grosime
λ 174 WmmiddotK Conductivitate termica
Rt 0074713 m2middotKW Rezistenta termica
Sapa δ 003 m Grosime
λ 026 WmmiddotK Conductivitate termica
Rt 0115385 m2middotKW Rezistenta termica
Vata bazaltica δ 015 m Grosime
λ 0037 WmmiddotK Conductivitate termica
Determinarea necesarului de căldură și apă caldă pentru un imobil
22
Rt 4054054 m2middotKW Rezistenta termica
Placa nivelanta δ 002 m Grosime
λ 026 WmmiddotK Conductivitate termica
Rt 0076923 m2middotKW Rezistenta termica
K13 = 1
1
120572119894+
1205751
1205821+
1205752
1205822+
1205753
1205823+
1205754
1205824+
1205755
1205825 +
1
120572119890 =
11
8+
002
093+
013
174+
003
026+
015
0037+
002
026+
1
22
K13 = 0219736 Wm2C
S13 = S12 = 12296 m2
Δt = ti - te = 22 + 15 = 37degC
Q13 = K13 middot S13 middot Δt = 0219736 middot 12296 middot 37 = 1000 W
Tavan
ti 22 degC αi 8 Wm2 k
te -15 degC αe 22 Wm2 k
δ1 002 m λ1 093 Wm k tp1 209751906 degC
δ2 013 m λ2 174 Wm k tp2 207988793 degC
δ3 003 m λ3 026 Wm k tp3 2018634954 degC
δ4 015 m λ4 0037 Wm k tp4 1924037163 degC
δ5 002 m λ5 026 Wm k tp5 -1399669009 degC
δ6 m λ6 Wm k tp6 -1462734204 degC
tp7 degC
q 8198475 W
Determinarea necesarului de căldură și apă caldă pentru un imobil
23
Figura 210
Q14 - fluxul temic pierdut prin suprafetele vitrate
Am ales un geam temopan cu trei randuri de sticla și cu tamplarie de lemn
K14 = 06 Wm2C
S14 = 2728 m2 suprafata ocupata de geamuri
Δt = ti - te = 22 + 15 = 37degC
Q14 = K14 middot S14 middot Δt = 06 middot 2728 middot 37 = 605616 W
Fereastra
ti 22 degC αi 8 Wmpk
te -15 degC αe 22 Wmpk
δ1 0005 m λ1 075 Wmk tp1 1992074356 degC
δ2 0018 m λ2 00177 Wmk tp2 1980984988 degC
δ3 0005 m λ3 075 Wmk tp3 2893865242 degC
δ4 0018 m λ4 00177 Wmk tp4 2782971565 degC
δ5 0005 m λ5 075 Wmk tp5 -1413301307 degC
δ6 m λ6 Wmk tp6 -1424390675 degC
tp7 degC
q 1663405 W
Determinarea necesarului de căldură și apă caldă pentru un imobil
24
Figura 211
Q1 = Q11 + Q12 + Q13 + Q14 = 8441254483 + 1892818 + 1000 + 605616
Q1 = 263871712 W
212 Mers de calcul pentru Q2
Q2 = n middot Q1
n - numarul de schimburi (07 08 1)
Q1 - fluxul de căldura pierdut prin transmisie
Q2 = 1 middot 263871712 =gt Q2 = 263871712 W
213 Mers de calcul pentru Q3
Q3 = 119898 middot119862119908 middot(119905119887minus119905119903)
120591 middot3600 [kW]
m - cantitatea de apa calda preparata [Kg]
m = n middot czn middot ρ [Kg]
ρ = 1000 Kgm3- densitatea apei [Kgm3] n = 4 - numarul de locatari =gt n
czn - consumul zilnic de persoana [l] gtgtgt czn = l middot 1000 = m3
Un consum de acm specific unui nivel de confort mediu la o temperature de 45degC vom avea un czn = 50 l de persoana
cw - căldura specifica a apei [KJKgC] =gt cw = 4186 KJKgmiddotC
tb - temperatura apei din boiler [C] =gt tb = 50degC
tr - temperatura apei de intrare [C] =gt tr = 10degC
Icircn general avem vara tr = 1217degC iar iarna tr = 5hellip10degC
120591 - timpul icircn care este incalzita apa [h] =gt 120591 = 4h
m = 4 middot (50 middot 1000) middot 1000 m = 200 Kg
Q3 = 200 ∙4186 ∙(50 ∙10)
4 ∙3600 =gt Q3 = 2325555556 W
Q = Q1 + Q2 + Q3 = 263871712 + 263871712 + 2325555556
Q = 7602989795 W =gt Q = 76 KW
Calculul necesarului de frig pentru depozit de fructe
25
3 Calculul necesarului de frig pentru depozit de fructe
31 31 Calculul grosimii izolatiilor
Regimul de funcţionare al spaţiilor frigorifice caracterizat prin valori coboracircte ale temperaturilor prin variaţia rapidă a acestora şi prin umiditatea mare a aerului icircncăperilor impune pentru izolaţiile termice ale pereţilor planşeelor şi pardoselilor condiţii deosebite Pereţii spaţiilor frigorifice despart două medii cu temperaturi diferite Fluxul de căldură ce pătrunde din exterior icircn camere care trebuie preluat de instalaţia frigorifică este direct proporţional cu diferenţa de temperatură dintre cele două feţe ale peretelui şi cu coeficientul global de transmitere a căldurii Izolarea se execută la spaţiile răcite atacirct la pereţi cacirct şi la tavan şi podea şi are ca rol icircmpiedicarea apariţiei condensului pe suprafaţa caldă a pereţilor incintelor frigorifice
Figura 31 Fig13 Variaţia de temperatură prin peretele termoizolant
Din exploatarea frigoriferelor se cunoaşte că prin icircnvelişul exterior al spaţiilor frigorifice trece icircn majoritatea cazurilor mai mult de jumătate din cantitatea totală de căldura ce pătrunde icircn icircncăperi Această cantitate de căldură se poate reduce prin majorarea grosimii stratului termoizolant Dar reducerea infiltraţiilor de căldură icircn acest tel nu se poate face nelimitat deoarece la o anumită grosime a stratului izolant adică la o anumită valoare a coeficientului k de transfer al căldurii costul construcţiei izolate va fi mai mare decacirct costul energiei ce reprezintă frigul economisit prin majorarea grosimii izolaţiei
De aceea se obişnuieşte a se folosi icircn calcule valori optime ale coeficientului k de transfer al căldurii calculacircndu-se astfel o grosime optimă a izolaţiei termice
Pentru izolarea pereţilor camerelor se vor folosi panouri tip sandwichFig15
Calculul necesarului de frig pentru depozit de fructe
26
Figura 32 Fig15 Construcţia panourilor de tip sandwich
Rolul panourilor plastifiate este de a preicircntacircmpina pătrunderea vaporilor icircn interiorul izolaţiei eliminacircnd necesitatea barierei de vapori Panourile folosesc metoda de icircmbinare nut-feder reducacircndu-se astfel transferul de căldură cu mediul extern
Deoarece avem un singur depozit vom adopta coeficienţii de transfer de căldură prin
convecţie funcţie de t
Aleg pentru t = = te - ti = 318 - 1 = 308 0C k = 023 Wm2K
Din catalogul de produse INCOLD Italia se alege poliuretan 100 mm = 0023 WmK
Tablă din oţel galvanizat plastifiat
Calculul necesarului de frig pentru depozit de fructe
27
Tabelul 317 Tabel24 Calculul grosimi izolației
ei
i
i
izizk
111
Coeficientul global de transfer de căldură se determină utilizand relaţia
eiz
iz
i
i
i
k
11
1
n
i i
i
1
- suma rezistenţelor termice ale tuturor straturilor din care este realizat
peretele[m2KW]
iz - grosimea stratului de izolaţie termică [m]
iz - conductivitatea termică a materialului izolator [WmK]
e - coeficient de convecţie pe partea exterioară a peretelui [WmK]
i - coeficient de convecţie pe partea interioară a peretelui [WmK]
32 32 Bilantul caloric al spatiului climatizat pe timp de vară Necesarul de frig pentru frigorifer
Se stabileşte consumul zilnic de frig pe icircntreg frigoriferul şi pentru fiecare icircncăpere icircn parte luacircndu-se icircn considerare cele mai nefavorabile condiţii de lucru
temperatura aerului exterior pentru luna cea mai caldă a anului
icircncărcarea maximă şi simultană a camerelor de refrigerare
Spaţiul frigorific
Perete k αi αe 1αi 1αe R 1k λiz
δiz
calc δiz
ales Kr
[Wm2K] [m2KW] [WmK] [m] [m]
N 0229 10 18 010 006 0590 4367 0023 0097 0100 023
E 0224 10 12 010 008 0618 4464 0023 0098 0100 023
DR S 0221 10 12 010 008 0618 4525 0023 0100 0100 023
V 0223 10 12 010 008 0618 4484 0023 0099 0100 023
T 0221 10 12 010 008 0618 4525 0023 0100 0100 023
P 0228 10 0 000 000 0435 4386 0023 0000 0100 023
N 0221 25 12 004 008 0558 4525 0023 0101 0100 023
E 0224 25 12 004 008 0558 4464 0023 0100 0100 023
CP S 0224 25 12 004 008 0558 4464 0023 0100 0100 023
V 0223 25 12 004 008 0558 4484 0023 0100 0100 023
T 0221 25 12 004 008 0558 4525 0023 0101 0100 023
P 0228 25 0 000 000 0435 4386 0023 0000 0100 023
Calculul necesarului de frig pentru depozit de fructe
28
camerele vecine celei căreia i se face calculul necesarului de frig sunt goale şi au temperatura vestibulului sau a sasului
Aceste calcule determină necesarul de frig pe categorii de consumatori grupaţi după temperatura cerută şi permit stabilirea puterilor frigorifice icircn vederea proiectării instalaţiei
Pentru calculele termice sunt necesare următoarele
planul frigoriferului care a fost stabilit
dimensiunile camerelor
temperaturile necesare icircn fiecare cameră
Se consideră
1degC icircn depozitele de refrigerate
orientarea frigoriferului după punctele cardinale
condiţii climatice icircn lunile cele mai călduroase pentru zona geografică respectivă
Consumul de frig se calculează pentru 24 ore cu relaţia
Qnec = Q1 + Q2 + Q3 + Q4 [kcal24h]
Q1 - neeesarul de frig pentru acoperirea pătrunderilor de căldură prin cenvecţie
conducţie şi radiaţie din mediul icircnconjurător prin pereţi pardosea și plafon
Q2 - necesarul de frig tehnologic pentru procesele de răcire refrigerere şi
congelare eliminarea căldurii de respiraţie seu pentru unele procese chimice şi
biochimice
Q3 - necesarul de frig pentru ventilarea camerelor frigorifice cu aer proaspat care
trebuie racit şi uscat
Q4 - necesarul de frig rezulticircnd din condiţii de exploatare acoperirea căldurii
provenite din iluminat din funcţionarea motoarelor căldura provenită de la persoanele ce
manipulează produsele datorită deschiderii uşilor etc
321 Consumul de frig Q1
Se determină pentru fiecare spaţiu icircn parte cu relaţia
RttkFQ1 [ W ]
F - reprezintă suprafaţa pereţilor a pardoselei şi a plafonului corespunzător fiecărui
spaţiu frigorific icircn parte icircn m2 Ca suprafaţă de transfer se va considera suprafaţa
exterioară a perimetrului izolat termic
k - reprezintă coeficientul global de transmitere a căldurii prin convecţie conducţie şi radiaţie
prin pereţi plafon şi pardoseală (toate izolate termic) icircn [W(m2 middot grd)] Valoarea coeficientului k a
fost calculată icircn tabelul 24 (kr)
Δt - reprezintă diferenţa de temperaturi dintre temperatura exterioară suprafeţei de
transfer termic considerată şi temperatura interioară spaţiului frigorific
Calculul necesarului de frig pentru depozit de fructe
29
Diferenţa de temperatură ΔtR se ia icircn consideraţie numai la pereţii exteriori şi la
plafoane care sunt şi acoperiş pentru clădire
ΔtR = 0degC pentru pereţi exteriori orientaţi spre N
ΔtR = (5 10)degC pentru pereţi exteriori orientaţi spre E V S-E S-V
ΔtR = 15 degC pentru pereţi exteriori orientaţi spre S
ΔtR = (15 18)degC pentru plafoane care sunt şi acoperiş (terasă)
Calculul valorilor mărimii sumQ1 se recomandă a se efectua tabelar conform tabelului 25
Valoarea mărimii sum Q1 la aparate se obţine prin icircnsumarea fluxurilor termice prin toate cele 6 suprafeţe delimitatoare
La stabilirea valorii mărimii sum Q1 se consideră doar unul dintre fluxurile termice prin suprafeţele ce separă spaţiile frigorifice vecine Pentru aparatele de răcire din spaţiile frigorifice se consideră situaţia cea mai grea pentru fiecare spaţiu icircn parte respectiv că spaţiile vecine nu sunt răcite
Spaţiul frigorifi
c
Perete
Dimensiuni
Supraf F
[m2]
Kr [Wm2K]
Δt [grd]
Δtr
Q1 [W] sumQ1 q a [m]
b [m]
N 15 4 60 023 308 42504
246068
708
E 7 4 28 023 308 8 24987 892
DR S 15 4 60 023 185 15 46202 770
V 7 4 28 023 308 19835 708
T 15 7 105 023 308 74382 708
P 15 7 105 023 158 38157 363
N 7 4 28 023 185 11914
133566
426
E 7 4 28 023 268 8 22411 800
CP S 7 4 28 023 268 15 26919 961
V 7 4 28 023 185 11914 426
T 7 7 49 023 268 30204 616
P 7 7 49 023 268 30204 616
Tabelul 318 Tebel25 Calculul valorilor mărimii Q1
322 Necesarul de frig Q2
sum Q2 - necesarul de frig tehnologic pentru procesele de răcire refrigerare şi
congelare
Q2d = mcp(tc-ti)=500003644 = 4186000(243600)= 842 kW
Q2c = 2600036419 = 1798160 = 208 KW
Q2 = 208 + 842 = 293 = 30kW
unde
Q2d - necesarul de frig tehnologic depozit
Q2c - necesarul de frig tehnologic camera de preracire
Calculul necesarului de frig pentru depozit de fructe
30
m - cantitatea de produse introduse icircn tunelul de congelare icircn kg
te ti - temperaturi specifice corespunzătoare temperaturii iniţiale a produsului cald
(24 ordmC) respectiv temperaturii finale a produsului refrigerat (1 ordmC)
Căldura specfifică mere cp = 364 [kJkgK]
323 Necesarul de frig Q3
Icircn funcţie de natura produselor din spaţiul frigorific este necesar uneori să se realizeze ventilarea spaţiului prin asigurarea unui anumit număr de schimburi ale aerului din incintă icircn 24h Ca exemplu icircntotdeauna va fi necesară ventilarea prin introducere de aer proaspăt icircn spaţiile de păstrare pentru legume fructe şi ouă refrigerate Aceste produse vii respiră icircn timpul păstrării şi necesită icircn consecinţă ventilarea spaţiilor de păstrare
Acest consum de frig se ia icircn considerare doar la depozitele de refrigerare care se ventilează Se stabilește cu relația
Q3 = V ∙ a ∙ ᵖi ∙ (hex - hi) [kJ24]
V - volumul camerelor ventilateicircn m3
a = 24 schimburi pe zi pentru depozitele de mere
ᵖi - reprezintă densitatea aerului la temperature interioară icircn kgm3
Pentru depozitele de refrigerare considerăm umiditatea relativă ᵠi = 95 și ti=1 ordmC
rezultacircnd icircn acest caz hi= 9 kJkg
Parametri aerului exterior pentru zona icircn care este amplasat depozitul sunt temp ex 318
și umiditatea ext 60 rezultand din diagram mollier entalpia aerului Calcul facut icircn
programul Coolpack
ρi = 12 kgm3
hex = 7519 kJkg
Q3 = 616 2 12 (7519 - 9) (243600)= 00025 kW
324 Necesarul de frig Q4
Q4 - frigul consumat pentru acoperirea pierderilor icircn timpul exploatarii datorat deschiderii
usilor a corpurilor de iluminat a motoarelor electrice a oamenilor Se admite Q4 =
(01hellip04)Q1
Q4 = 02 379617 = 759234 = 008 kW
Qtotal = sum 119824120783 + Q2 + Q3 + Q4 = 004 + 30 + 000025 + 008 = 3012 = 31 kW
33 33 Stabilirea directiei raportului de termoumiditate și trasarea procesului de conditionare a aerului pe diagrama i-X pe timp de vară
Icircn fig16 este reprezentat un agregat pentru condiţionarea aerului pe timp de vară cu recirculare parţială
Calculul necesarului de frig pentru depozit de fructe
31
Figura 33 Figura16 Schema aparatului de condiţionare a aerului pe timp de vară cu recirculare parţială
F - filtru V - vaporizator C - compressor K - condensator VL - ventil de laminare I - icircncălzitor Vt - ventilator
Procesele de lucru pot fi reprezentate icircn diagrama h-x ca icircn figura următore
Figura 34 Fig17
A reprezintă starea aerului recirculat provenit din spaţiul condiţionat iar E este starea aerului exterior
Aerul tratat icircn aparatul de condiţionare care se introduce icircn incintă avacircnd starea B
trebuie să preia degajările de căldură Qv [kW] şi de umiditate Wv [kgs]
Direcţia procesului suferit de aer icircn incintă este dată de raportul de termoumidificare εv
= Qv Wv
Prin punctul A se trasează dreapta avacircnd raportul de termoumidificare εv iar punctul B se fixează pe această dreaptă adoptacircndu-se o anumită diferenţă de temperatură faţă de starea A
Aerul recirculat A se amestecă cu aerul proaspăt E şi rezultă starea de amestec M De regulă xM gt xB deci aerul va trebui să fie uscat
Pe verticala din B se fixează starea D avacircnd xD= xB şi ᵩD = 90hellip98
Calculul necesarului de frig pentru depozit de fructe
32
Se uneşte M cu D iar apoi se prelungeşte acest segment pacircnă la intersecţia cu ϕ = 100 rezultacircnd starea P avacircnd temperatura tp
Circulacircnd aerul cu starea M peste o suprafaţă rece avacircnd temperatura tp se va obţine procesul de răcire şi uscare MD
Temperatura suprafeţei tp se asigură cu o instalaţie frigorifică a cărei temperature de vaporizare va fi t0 lt tp
Ultimul proces din aparatul de condiţionare va fi icircncălzirea finală DB
Calculul agregatului de condiţionare a aerului pe timp de vară se efectuează asemănător cu cel a agregatului de condiţionare a aerului pe timp de iarnă cu observaţia că pe timp de vară nu este necesară umidificarea
331 Date
Vtotal = 616 m3 tint = 1ᵒC tex = 318 φint = 90 φext = 60 ρaer = 12 [kgm3]
Starea A
tA = ti + 3 = 4deg xA = 00043[kj
kg] φA = 86 hA = 1489[
kj
kg]
Starea B
tB = 1degC xB = 00036 [kj
kg] φB = 90 hB = 1024[
kj
kg]
Starea E
tE = 318degC xE = 00171[kj
kg] φE = 60 hE = 7519[
kj
kg]
Starea M
hM =hE + n ∙ hA
n + 1=
7513 + 20 ∙ 1489
21= 1775[
kj
kg]
xM =xE + n ∙ xA
n + 1=
00171 + 20 ∙ 00043
21= 00049[
kj
kg]
Rezulta din diagrama Mollier
Starea D
hD = 108 [kj
kg] xD = 0003[
kj
kg] φD = 97
Raportul de recirculare n = 20
Debitul de aer ventilat V =Vtotal∙20
24h=
616lowast20
24= 513 [m3h]
Debitul masic m = V ∙ ρaer = 513 lowast 12 =
6156[kg
h]
3600= 0171 [kgs]
tp = minus3degC t0 = tp minus 9degC = minus3 minus 9 = minus12degC
Puterea termica a vaporizatorului ( puterea frigorifică )
ФV = Ф0
Puterea termica a icircncalzitorului
ФI = 119898 ∙ (hB - hD)
Cantitatea de apa condensată icircn unitatea de timp pe suprafața de racire este
Calculul necesarului de frig pentru depozit de fructe
33
ẆV = 119898 ∙ (XM - XD)
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
34
4 Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
Există două domenii principale icircn care se utilizează frigul artificial icircn lucrările de construcţii şi anume
icircngheţarea terenurilor acvifere icircn vederea săpării puţurilor de mină a barajelor a depozitelor de gaze lichefiate etc
prerăcirea componentelor betonului icircn cazul executării unor masive de beton ca de exemplu baraje
41 51 IcircNGHEŢAREA SOLULUI
411 511 CONSIDERAŢII GENERALE PRIVIND IcircNGHEŢAREA SOLULUI
Icircngheţarea artificială a solului reprezintă una dintre cele mai interesante şi icircn acelaşi timp şi importante aplicaţii practice a frigului artificial Totodată este una dintre primele aplicaţii industriale a tehnicii frigului şi care a asigurat o dezvoltare deosebită a industriei extractive Aşa se explică faptul că odată apărută maşina frigorifică cu absorbţie realizată icircn 1859 de către Ferdinand Carre este folosită la săparea primului puţ de mină prin icircngheţarea artificială a rocilor Dar nu numai industria minieră foloseşte icircn ultimul secol procedeul consolidării rocilor la săpararea unor lucrări subterane Lucrări inginereşti de tot genul ca metrouri staţii subterane de pompare rezervoare de gaze lichefiate poduri lucrări portuare şi altele asemănătoare amplasate icircn zone acvifere au fost realizate prin metoda consolidării prin frig a rocilor
Această metodă a consolidării rocilor prin frig artificial realizează icircn jurul lucrării inginereşti subterane un perete icircngheţat protector pe durata lucrărilor de construcţii Acest perete asigură o izolare hidraulică şi icircn acelaşi timp şi o protecţie mecanică Rezistenţa mecanică a rocilor creşte pe măsură ce temperatura lor scade icircncacirct metoda expusă mai sus prezintă avantajul reglării capacităţii portante a peretelui icircngheţat
Apa conţinută icircn terenuri prin icircngheţare capătă proprietăţile cimentului exprimate prin forţele de coeziune mari care apar icircntre cristalele de gheaţă şi grăunţii de rocă
Pentru obţinerea peretelui protector se folosesc sonde de icircngheţare forate pe conturul lucrării subterane şi prin care circulă agentul de răcire care poate fi un agent intermediar ca de exemplu saramura de clorură de calciu sau agentul frigorific de exemplu amoniacul Icircn funcţie de grosimea peretelui şi de rezistenţa mecanică pe care trebuie să o aibă se va alege temperatura agentului de răcire distanţa dintre sonde şi durata de icircngheţare
Instalaţia de consolidare prin frig a rocilor cuprinde trei părţi principale staţia frigorifică reţeaua de distribuţie a agentului de răcire (saramura) şi sondele de icircngheţare a solului
Staţia frigorifică cuprinde instalaţia frigorifică propriu-zisă cu comprimare mecanică de vapori sau prin absorbţie icircntr-o treaptă sau icircn două trepte Icircn funcţie de condiţiile de amplasament ale obiectivului staţia frigorifică poate fi de construcţie staţionară (icircn minerit) sau mobilă (la metrouri)
Reţeaua de distribuţie alcătuită din conducte metalice sau din mase plastice are rolul de a face legătura icircntre staţia frigorifică şi sondele de icircngheţare Pentru reducerea pierderilor de frig reţeaua de distribuţie se izolează termic
Sondele de icircngheţare constituie schimbătorul de căldură subteran prin care se extrage căldura de la terenul supus icircngheţării Icircn fig 51 se prezintă schiţa unei sonde de icircngheţare cu ajutorul saramurii Saramura rece cu temperatura icircntre -10 ordmC pacircnă la -35 ordmC
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
35
coboară prin ţeava interioară şi apoi se icircntoarce prin spaţiul inelar dintre cele două conducte concentrice
Figura 41 Fig 51 Sonda de icircngheţare 1 - şiu (tub scurt de oţel cu pereţi groşi rezistent) 2 - ţeava interioară 3 - ţeava exterioară (burlan de
icircngheţare) 4 - capul sondei
Circulaţia continuă a saramurii prin sonda de icircngheţare face ca rocile ce icircnconjoară sondele inclusiv apa conţinută icircn spaţiile libere să se răcească treptat Icircn jurul sondei icircncepe să se formeze stratul de rocă icircngheţată diametrul cilindrului de teren icircngheţat se măreşte icircn timp Aşa cum s-a arătat icircn capitolul 3 rezultă că dezvoltarea radială a cilindrului de rocă icircngheţată icircn jurul sondei se desfăşoară cu o viteza variabilă de icircnaintare la icircnceput viteza de icircnaintare a frontului de gheaţă este mai mare după care scade icircn timp Apoi se atinge stadiul staţionar de transfer de căldură cacircnd cilindrul nu mai creşte icircn dimensiuni Reiese că distanţa dintre sondele de icircngheţare este determinată de raza maximă a cilindrului de teren icircngheţat Pentru a realiza peretele icircngheţat care să reziste la solicitările la care este supus se impune ca distanţa dintre sondele vecine să fie mai mică decacirct raza maximă a terenului icircngheţat astfel icircncacirct cilindrii formaţi să se unească icircntre ei Icircn fig 52 se prezintă evoluţia icircn timp a icircngheţării terenului icircn jurul sondelor Icircn faza iniţială a icircnceput răcirea dar icircncă nu s-a format teren icircngheţat Icircn faza a II-a (după circa 20 zile) icircn jurul fiecărei sonde se formează cacircte un cilindru de teren icircngheţat fără ca aceştia să se unească Icircn faza a III-a (după circa 30 zile) cilindrii se icircntretaie şi formează peretele protector
Figura 42 Fig 52 Evoluţia cilindrilor individuali de rocă icircngheţată 1 - sonda de icircngheţare 2 - sonda de măsurători termice 3 - teren icircngheţat
Această evoluţie poate fi urmărită cu suficientă precizie prin măsurarea temperaturii masivului cu ajutorul unor sonde de măsurători termice 2 montate la distanţe bine stabilite de sondele vecine de icircngheţare Astfel icircn faza I-a temperatura este cea iniţială deci neafectată de prezenţa sondelor icircn faza a II-a temperatura este mai scăzută dar mai mare de 0 ordmC Cum icircn practică sondele de icircngheţare au o abatere de la poziţia verticală (sau de la cea impusă prin proiect) sondele de măsurători termice sunt prevăzute icircntre sondele
I II III
1
2 2 2
3 3
SARAMURĂ CALDĂ
IEŞIRE
INTRARE SARAMURĂ A E RECE
1
2
3
4
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
36
cele mai distanţate icircntre ele acolo unde evoluţia peretelui de protecţie este cea mai defavorabilă
Primele realizări inginereşti de consolidare prin frig artificial a terenurilor acvifere metodă prin care vor fi aduse la lumină multe bogăţii subterane sunt legate de numele inginerului de mine şi metalurgie Friederich Herman Poetsch El a obţinut icircn 27 februarie 1883 brevetul pentru procedeul său de adacircncire a puţurilor verticale icircn roci bogate icircn apă (şi curgătoare) Poetsch a reuşit să experimenteze procedeul său la adacircncirea unor puţuri de mină dar a avut şi multe insuccese icircncacirct la 9 iunie 1902 moare sărac şi dezamăgit Metoda de icircngheţare prin frig artificial a terenurilor a avut mare succes icircn Franţa Astfel numai icircn perioada 1892 - 1898 icircn bazinele carbonifere Nord şi Pas de Calais s-au săpat circa 20 puţuri pacircnă la o adacircncime de 100 m prin aplicarea metodei icircngheţării după planurile lui Poetsch
Desigur că nu ar putea fi omis numele lui Louis Gebhard care realizează numeroase lucrări de adacircncire a puţurilor prin icircngheţare atacirct icircn Germania cacirct şi icircn Franţa Anglia Olanda şi Polonia ceea ce face ca metoda propusă de Poetch să devină o tehnologie demnă de toată icircncrederea cu siguranţă absolută şi cu un mare randament
Gebhard un mare practician icircncepe sa folosească icircn locul instalaţiilor cu absorbţie realizate de F Carre pe cu cele cu comprimare mecanică de vapori realizate de Karl von Linde cu icircncepere din anul 1874
Poetsch icircn 1888 prevede extinderea procedeului de icircngheţare la construcţia podurilor la construcţii navale lucrări de fortificaţii la protecţia fundaţiilor subterane şi a bazinelor cu apă El susţine că poate să rezolve orice problemă sub apă chiar şi puţuri icircncepute şi abandonate
Icircn anul 1900 se depăşeşte bariera adacircncimii de 100 m Realizarea unor puţuri mai adacircnci (peste 100 m) ridică unele probleme icircn plus faţă de puţurile de mai mică adacircncime deoarece abaterile de la verticalitate pot conduce la formarea unor ferestre icircn peretele protector
Icircn ţara noastră această tehnologie de forare a unor puţuri de mină cacirct şi a galeriilor de metrou prin icircngheţarea solului a fost folosită cu icircncepere din anul 1961 aşa cum se prezintă icircn paragraful 513
412 512 CONSTRUCŢIA INSTALAŢIEI DE IcircNGHEŢARE A SOLULUI
Icircn funcţie de forma şi mărimea lucrării care se realizează la adăpostul terenului icircngheţat principial se pot utiliza următoarele tipuri de instalaţii
a) cu răcire indirectă denumită şi cu dublu schimb (fig53)
b)cu răcire directă icircn circuit icircnchis (fig 54)
c)răcire directă icircn circuit deschis (fig55)
a) Răcirea indirectă se utilizează icircn practică cel mai mult fiind cunoscută icircncă de la icircnceputurile metodei de icircngheţare a solului
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
37
Figura 43 Fig 53 Instalaţia frigorifică cu răcire indirectă 1 - compresor 2 - condensator3 - ventil de laminare 4 - vaporizator 5 - bazin de răcire a saramurii 6
- agitator 7 - pompă de saramură 8 - sonde de icircngheţare
Ca agent frigorific se poate folosi amoniacul sau freonii iar ca agent intermediar se utilizează soluţiile de clorură de calciu clorura de sodiu sau magneziu sărurile respective fiind relativ uşor de procurat
Instalaţiile frigorifice cuprind unul sau mai multe blocuri frigorifice Acest mod de compunere prezintă avantaje icircn ceea ce priveşte montarea cacirct şi exploatarea instalaţiilor se poate asigura o reducere icircn trepte a puterii frigorifice pe măsură ce creşte rezistenţa termică a stratului de teren icircngheţat
Componentele principale ale instalaţiei frigorifice se montează grupat pe cele trei secţiuni secţia de compresoare secţia condensatoarelor şi secţia vaporizatoarelor De regulă compresoarele se montează fie icircn aer liber atunci cacircnd tipul lor permite fie acoperite sub şarpante protectoare
Pe măsură ce se scot din funcţiune blocurile frigorifice se demontează şi se pot monta la un nou obiectiv
b) Răcirea directă icircn circuit icircnchis (fig 54) se utilizează icircn cazul icircn care adacircncimea de icircngheţare este mică
Figura 44 Fig 54 Instalaţia frigorifică cu răcire directă icircn circuit icircnchis 1 - compresor 2 - condensator 3 - ventil de laminare 4 - sonde de icircngheţare
Sondele de icircngheţare constituie vaporizatorul instalaţiei frigorifice Icircn cazul unor sonde de lungime mare icircnălţimea coloanei de agent frigorific este de asemenea mare Ca urmare a presiunii hidrostatice variabile şi temperatura de vaporizare este variabilă fiind mai mare
1
2
1111111 Apă
3
4
1
2
Apă 3
4
5
6
7
8
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
38
la capătul inferior şi mai mică la capătul superior Din acest motiv adacircncimea sondelor de icircngheţare nu poate depăşi anumite limite şi icircn plus se recurge la fragmentarea coloanei de lichid cu ajutorul unor pereţi despărţitori
Pierderile de agent frigorific mai mari decacirct icircn cazul răcirii indirecte reprezintă un alt inconvenient al acestui mod de răcire
c) Răcirea directă icircn circuit deschis constă icircn introducerea agentului frigorific (cel mai frecvent azot lichid) icircn sondele de icircngheţare fără ca acesta să mai fie folosit după vaporizare
La presiunea atmosferică azotul lichid fierbe la temperatura de -196 ordmC icircncacirct vaporii reci de azot icircnainte de a fi evacuaţi se folosesc de asemenea pentru congelarea solului fiind circulaţi prin sonde de icircngheţare (Fig 55)
Figura 45 Fig 55 Icircngheţarea cu azot lichid icircn două trepte 1 - ventil de laminare 2 - sonda de icircngheţare 3 - sonda de icircngheţare cu vapori de azot
Această metodă se foloseşte cacircnd se urmăreşte o icircngheţare rapidă şi volumul de teren icircngheţat este redus
Se vor prezenta icircn continuare unele elemente constructive ale instalaţiilor de icircngheţare
Reţeaua de saramură (fig 56) are rolul de a asigura transferul de căldură de la sol către agentul frigorific Cuprinde două schimbătoare de căldură cel subteran alcătuit din sondele de icircngheţare şi cel de suprafaţă reprezentat de vaporizatorul imersat icircn saramură Icircntre cele două schimbătoare de căldură există conducte magistrale distribuitoare - colectoare şi racorduri la sonde
Saramura răcită prin intermediul vaporizatorului 1 este circulată cu pompa 2 prin magistrala de tur a reţelei 3 Sondele de icircngheţare 5 se leagă prin vane la distribuitorul 4 şi colectorul 6 ambele de construcţie inelară Printr-o asemenea construcţie şi mod de legare a sondelor prezentate icircn figura 56 se asigură o echilibrare a căderilor de presiune pe sondele de icircngheţare şi ca urmare o alimentare uniformă cu agent intermediar şi deci şi o răcire uniformă pentru toate sondele
1
2
AZOT LICHID
VAPORI
AZOT -40OC
3
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
39
Figura 46 Fig 56 Schema reţelei de saramură 1- vaporizatorul 2 - pompa de saramură 3 - magistrala de tur 4 - distribuitorul inelar 5 -sondele de
icircngheţare 6 - colectorul inelar 7 - magistrale de retur M - manometru D - debitmetru T - termometru
Magistralele 3 şi 7 de acelaşi diametru şi lungime variabilă (determinată de o serie de factori) se pot monta atacirct la suprafaţă cacirct şi icircn canal
Magistralele se dimensionează icircn funcţie de puterea frigorifică a schimbătorului de căldură subteran alcătuit din sondele de icircngheţare
F0 qNHd [W] (51)
unde d - diametrul exterior al sondei de icircngheţare m
H - adacircncimea de icircngheţare m
N - numărul de sonde de icircngheţare
qF - densitatea fluxului termic raportat la suprafaţa exterioară a sondei La temperatura saramurii de - 20 ordmC se poate considera qF = (260290) Wm2
Debitul volumic V de agent intermediar icircn reţeaua de icircngheţare icircn funcţie de care se aleg
pompele se determină cu relaţia
tc
V o
(52)
icircn care este densitatea agentului intermediar kgm3
c - căldura specifică a agentului intermediar JkgK
t - creşterea temperaturii agentului (saramura) icircn sondele de icircngheţare K
La icircnceputul perioadei de răcire diferenţa de temperatură este t = 56 K ca apoi să scadă la 12 K
Icircn conductele magistrale se recomandă ca viteza saramurii să fie w = 0915ms
Icircn acest caz diametrul conductelor de transport a saramurii este dat de relaţia
w
V4D
[m] (53)
Icircn funcţie de valoarea determinată pentru D se aleg conducte metalice de diametru nominal cuprins icircntre 75200 mm Dacă rezultă D gt 200 mm se vor alege două conducte cu diametrul mai mic de 200 mm
2
T
T
M
M D
D
NH
3
3
4
6
5
7
1
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
40
Conductele magistrale se realizează prin icircmbinări cu flanşe sau sudate iar la lungimi mai mari de 100150 m se vor prevedea coturi compensatoare Pentru reducerea pierderilor de frig magistralele vor fi izolate termic
Distribuitorul de saramură răcită şi colectorul de saramură de la sonde sunt construcţii metalice identice
Icircn figura 57 se prezintă modul de racordare a sondelor de icircngheţare 5 la distribuitorul 1 şi colectorul 2 Vanele 3 asigură icircnchiderea deci oprirea circulaţiei şi reglajul debitului Prin aceste vane se poate izola o anumită sondă care nu funcţionează normal sau la care se observă o anumită defecţiune
Figura 47 Fig 57 Racordarea sondelor de icircngheţare la distribuitor şi colector 1 - distribuitor 2 - colector 3 - vane 4 - racord elastic 5 - sonda de icircngheţare
Poziţia distribuitorului şi colectorului faţă de racircndul sondelor de icircngheţare poate fi laterală de o singură parte sau laterală de ambele părţi ale sondelor Amplasamentul trebuie astfel făcut icircncacirct să fie posibilă vizitarea supravegherea şi eventual icircnlocuirea sondelor de icircngheţare
Racordarea sondelor la distribuitor şi colector se face prin cacircte un racord elastic (fig 57) Dimensionarea distribuitoarelor şi a colectoarelor se face din condiţia ca viteza saramurii să nu depăşească 0915 ms
Coloanele de distribuţie şi colectare urmăresc icircn teren forma şirului de sonde de icircngheţare şi pot avea acelaşi traseu sau trasee diferite Configuraţia traseului poate fi icircn linie sau circulară Icircn oricare din situaţiile prezentate distanţele dintre ştuţurile de racord şi sondele de icircngheţare sunt variabile astfel icircncacirct racordurile rigide prin flanşe şi sudură sunt greu de realizat Cea mai practică soluţie de racord icircn acest caz este furtunul de cauciuc (fig 57)
Icircn reţeaua de saramură poate pătrunde aer prin procesul de pompare ceea ce conduce la intensificarea acţiunii corosive a saramurii Icircn scopul icircndepărtării aerului nedorit pe partea superioară a conductelor icircn punctele cele mai ridicate ale acestora se montează robineţi de evacuare periodică a aerului şi eventual a altor gaze
Pe conductele magistrale se vor monta aparate de măsură şi control debitmetre termometre şi manometre (fig 56) Icircn acest caz se poate aprecia funcţionarea fiecărei sonde după depunerile exterioare de gheaţă pe racordul metalic sau de cauciuc lăsate neizolate termic tocmai icircn acest scop Icircn scopul urmăririi regimului de lucru sub aspect
5
4
1
2 3
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
41
hidraulic şi termic icircn mod individual se pot monta aparate de măsură şi control pe fiecare sondă de icircngheţare dar această soluţie este mai costisitoare
Sonda de icircngheţare realizează transferul de căldură de la terenul ce urmează a fi icircngheţat spre agentul frigorific (la răcirea directă) sau agentul intermediar (la răcirea indirectă)
Icircn figura 51 s-a prezentat schema de principiu a unei sonde de icircngheţare cu saramură activă pe toată lungimea Conducta exterioară sau burlanul de icircngheţare 3 este o conductă din oţel etanşă şi rezistentă la eforturile mecanice care apar datorită presiunii solului şi variaţiei de temperatură icircntre momentul fixării ei icircn sol şi cel al funcţionării la o temperatura sub 00C
Icircn procesul de icircngheţare coloana de burlane care poate atinge lungimi de sute de metri se contractă icircnsă nu liber deoarece ea este stracircnsă icircn masivul de roci La o variaţie de temperatură icircntre momentul iniţial (fără saramură) şi momentul pornirii circulaţiei de saramură de 400C conducta din oţel de 500 m adacircncime ar trebui să se contracte cu
tHH = 500 11 10-6 40 = 0220 m = 22 cm
Datorită fixării coloanei icircn gaura forată efortul unitar de icircntindere ce apare icircn urma scăderii temperaturii este
tE = 22 1010 11 10-10 40 = 968 105 Nm2 = 9680 Ncm2
La acest efort de icircntindere apărut datorită contracţiei coloanei se mai adaugă efortul de acelaşi semn provocat de dilatarea masivului de rocă acviferă icircngheţată Icircn scopul compensării eforturilor de icircntindere s-a propus icircmbinarea coloanei cu nipluri elastice O asemenea soluţie este mai scumpă şi icircn plus micşorează secţiunea liberă de curgere ceea ce conduce la icircncălzirea excedentară a saramurii
La lucrări subterane de mare adacircncime ca puţurile de mină depozite subterane se folosesc burlane de 1397 x 7 mm pentru a fi posibilă determinarea abaterii de la poziţie verticală
La tunelurile de metrou şi icircn general la lucrările la care adacircncimea de icircngheţare nu depăşeşte 50 - 60 m diametrul cel mai frecvent utilizat este 1143 x 7 mm
Ţeava interioară 2 (fig 51) numită şi tub de alimentare de regulă ţeava uşoară de instalaţii de 50 mm diametrul se introduce icircn burlanul exterior 3 fără icircnsă a atinge şiul de bază 1 al sondei Se asigură icircn acest mod un volum minimal de depuneri solide care circulă cu saramura icircn mod incidental Icircn scopul economisirii de metal tubul de alimentare poate fi din material plastic ceea ce prezintă marele avantaj al lipsei coroziunii şi al refolosirii materialului respectiv
Şiul de fund are rolul de a asigura icircnchiderea burlanului exterior icircn partea sa inferioară Cel mai adesea are formă conică pentru a asigura introducerea cu uşurinţă a coloanei metalice icircn gaura de sondă Această componentă a sondei de icircngheţare se execută fie prin turnare sau se confecţionează cu ajutorul sudurii
Corespunzător profilului geologic al terenului icircn care se lucrează se icircntacirclnesc şi cazuri cacircnd nu este nevoie să se icircngheţe terenul pe toată icircnălţimea sondelor ci numai la partea lor inferioară Icircn acest caz se folosesc sonde de icircngheţare zonală (fig 58) cu ajutorul cărora se asigură congelarea doar a zonei inferioare ceea ce prezintă avantaje economice deosebite nu se consumă energie pentru a icircngheţa icircn mod inutil formaţiuni geologice consistente şi uscate şi nu se reduce ritmul lucrărilor de săpare printr-o eventuală mărire a rezistenţei rocilor
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
42
Figura 48 Fig 58 Sonda de icircngheţare zonală
1 - burlan exterior 2 - tub de alimentare 3 - şiu 4 - tub de evacuare
Figura 49 Fig59 - Sonda de icircngheţare cu agent
frigorific 1 - tub exterior 2 - perete despărţitor 3 - şiu 4 -
ştuţ (ţeavă de preaplin) 5 - condensator - vaporizator
Icircn cazul răcirii directe sondele de icircngheţare cu agent frigorific sunt de construcţie specială (fig 59) Particularitatea acestor sonde este prezenţa pereţilor despărţitori 2 dispuşi unul sub celălalt la circa 3 m fiecare perete fiind prevăzut cu un ştuţ de preaplin O asemenea construcţie are rolul de a fracţiona coloane de lichid ceea ce asigură o răcire mai uniformă pe lungimea sondei
Fiecare sondă este prevăzută la partea superioară cu cacircte o cămaşă de răcire Sondele se umplu cu amoniac lichid icircntr-o asemenea cantitate icircncacirct fiecare secţie să fie icircnecată cu lichid respectiv pacircnă la partea superioară a ştuţurilor 4 Ca urmare a fluxurilor de căldură de la sol se produce fierberea amoniacului icircn toate secţiile sondei Vaporii formaţi se ridică prin ştuţurile 4 şi ajungacircnd la partea superioară a sondei se condensează cedacircnd căldură agentului (amoniac) din cămăşile de răcire
Ca urmare cămăşile de răcire de la partea superioară a sondelor constituie vaporizatorul instalaţiei frigorifice Amoniacul care se condensează la partea superioară a sondei curge icircnapoi (de sus icircn jos) prin ştuţurile 4 Folosirea pereţilor despărţitori şi a ştuţurilor micşorează influenţa presiunii hidrostatice a lichidului asupra temperaturii de vaporizare a amoniacului Asemenea sonde de icircngheţare se folosesc pentru lucrări de mică adacircncime
Amplasarea sondelor se face icircn funcţie de o serie de factori formă poziţia şi dimensiunile lucrării care se realizează structura terenului temperatura şi viteza agentului etc
Icircn cazul puţurilor de mină de secţiune circulară sondele se amplasează pe un cerc
concentric de diametru D mai mare decacirct diametrul de săpare Ds cu grosimea a peretelui icircngheţat
sDD (54)
Trebuie să se ţină seama şi de deviaţia sondelor de la poziţia verticală icircncacirct pentru adacircncimi mari se utilizează relaţia
3
2 4
1
VAPORI 5 LICHID
3
2
4 1
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
43
a21DD s (55)
unde a = 003 H este abaterea medie statistică de la verticală a sondelor
Distanţa dintre sonde se ia de obicei de 1014 m icircn terenuri rezistente şi de 0809 m icircn terenuri slabe
Pentru adacircncimi de peste 500 m se recomandă să se dispună sondele pe două cercuri concentrice pentru a se forma un perete de grosime mai mare şi deci mai rezistent
La icircngheţarea terenului icircn jurul puţurilor de secţiune dreptunghiulară sondele se pot dispune pe dreptunghi sau elipsă Icircn aceste situaţii centura de teren icircngheţat poate fi solicitată la icircntindere ceea ce este de nedorit deoarece limita de rezistenţa la icircntindere a terenurilor icircngheţate este de circa 3 ori mai mică decacirct limita rezistenţei la compresiune Din acest motiv chiar şi la puţurile de mină de secţiune dreptunghiulară sondele se dispun pe unul sau două cercuri (fig 510)
Pentru realizarea galeriilor icircnclinate icircngheţarea terenului se realizează cu sonde verticale (fig 511) sau combinat atacirct cu sonde verticale cacirct şi cu sonde icircnclinate (fig 512)
Distanţa dintre sondele verticale (fig 511) se ia de 23 m iar distanţa dintre racircnduri este de 1525 m
Se poate folosi cacircte un racircnd de sonde icircnclinate montate deasupra galeriei (fig 212 a) sau sonde icircnclinate sub galerie şi sonde verticale scurte deasupra galeriei (fig 512 b)
SONDA
154 m
16
6 m
226
262
85
SONDA
Figura 411 Fig 511 Amplasarea sondelor verticale pentru realizarea galeriei icircnclinate
Figura 411 Fig 510 Dispunerea sondelor icircn jurul puţurilor de mină de secţiune
dreptunghiulară
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
44
Figura 412 Fig 512 Realizarea galeriilor icircnclinate cu sonde verticale (1) şi sonde oblice (2)
I - secţiunea longitudinală II - secţiunea transversală a) sonde icircnclinate deasupra galeriei b) sonde icircnclinate sub galerie
413 513 UTILIZAREA METODEI DE IcircNGHEŢARE A SOLULUI IcircN ŢARA NOASTRĂ
a)Puţuri de mină
Aplicarea metodei de icircngheţare a solului pentru lucrări de minerit a avut loc la noi icircn ţară icircncepacircnd cu anul 1960 la puţul Godeni din bazinul carbonifer Cacircmpulung - Muscel Proiectul a fost elaborat icircn anul 1959 la IPROMIN Bucureşti iar lucrarea a fost executată cu Trustul Minier Argeş avacircnd icircn subantrepriză de specialitate Icircntreprinderea Frigotehnica Bucureşti şi Trustul de prospecţiuni explorări şi deschideri de mine noi Bucureşti
Adacircncimea de săpare a puţului Godeni a trebuit sa fie de 202 m Sondele de icircngheţare constituite din două ţevi concentrice (fig 51) cu diametrele exterioare de 146 mm şi respectiv 57 mm icircn număr de 27 au fost amplasate pe un cerc cu diametrul de 10 m la distanţa de 117 m una de alta
Instalaţia frigorifică a fost dimensionată cu mare precauţie pentru a avea o siguranţă mărită icircn funcţionarea ei Toate părţile componente ale instalaţiei frigorifice au fost proiectate şi executate icircn ţară
La proiectarea instalaţiei s-a avut icircn vedere funcţionarea de scurtă durată şi variaţia puterii frigorifice icircn timp S-a utilizat răcirea indirectă cu soluţie de clorură de calciu iar ca agent frigorific a fost folosit amoniacul Pentru a avea elasticitatea necesară icircn funcţionare la diferite puteri frigorifice au fost folosite grupuri de utilaje frigorifice şi anume
6 compresoare 4 AU - 20 (200000 kcal Nh =233 kW fiecare)
3 baterii de condensatoare atmosferice a cacircte 300 m2 (900 m2)
bazine pentru răcirea saramurii fiecare cu cacircte 2 vaporizatoare superintensive de 50 m2 (600 m2)
2 grupuri a cacircte 5 pompe pentru recircularea saramurii
Puterea frigorifică a instalaţiei montate a fost de 12106 kcal Nh =1395 kW şi s-a caracterizat prin următoarele date tehnice la exploatare
85
1
2
I 85
1
2
I
85
1
2
II
85
1
2 II
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
45
o suprafaţa de schimb de căldură a sondelor 2500 m2 o puterea instalaţiei 750 kW o debitul saramurii icircn
o icircn perioada activă 350 m3h o icircn perioada pasivă 70 m3h
o viteza de circulaţie a saramurii icircn sondă o tur 18 ms 036 ms o retur 029 ms 006 ms
o volumul rocilor icircngheţate circa 10000 m3 o consumul specific de frig mediu 50000 m3 o durata icircngheţării (perioada activă) 130 zile
Icircn timpul răcirii şi deci a icircngheţării solului puterea frigorifică scade icircn mod continuu icircncacirct treptat s-a scos din funcţiune cacircte un compresor icircn perioada pasivă (de săpare a puţului) s-a menţinut icircn lucru doar un singur compresor şi grupul de utilaje aferent
După terminarea lucrărilor de la puţul Godeni icircn anii următori aceeaşi instalaţie s-a montat la puţul Poenari din acelaşi bazin carbonifer unde sondele au fost amplasate pe un cerc cu diametrul de 11 m la distanţa de 128 m una de alta
Un alt puţ realizat prin această tehnologie de icircngheţare a solului a fost puţul Jugur de la acelaşi bazin carbonifer Centrala frigorifică a cuprins 15 compresoare 3 AV - 20 (150000 kcal Nh fiecare=175kW) repartizate icircn 5 linii tehnologice independente cu icircntreg utilajul aferent Fiecare linie este compusă din
o butelie de răcire intermediară BRI - 700 un condensator cu evaporare forţată CEF - 180 un bazin cu patru grupuri vaporizatoare intensive de cacircte 165 m2 (icircn total 66 m2)
Sondele de icircngheţare icircn număr de 27 bucăţi au fost prevăzute să se amplaseze pe un cerc cu diametrul de 104 m la distanţă de 121 m Sondele sunt de tipul celei indicată icircn figura 58 deci cu răcire zonală avacircnd următoarele caracteristici diametrul exterior al burlanului este de 146 mm iar tuburile interioare au 57 mm (la exterior) tubul de alimentare are lungimea de 430 m iar cel de evacuare este de 220 m Ca urmare sondele de icircngheţare trebuie să producă icircngheţarea solului numai pe adacircncimea de la 220 m la 430 m Prin proiect s-au prevăzut următoarele date temperatura saramurii - 35 ordmC viteza saramurii icircn conducte de tur 18 ms viteza icircn conducte de retur (pe adacircncimea de răcit) 06 ms durata icircngheţării (perioada activă) a fost de 75 zile
Au fost prevăzute temperaturi scăzute şi viteze mari de congelare deoarece cilindrul icircngheţat trebuie să preia presiuni de pacircnă la 56 bar
b)Tunelurile pentru metroul din Bucureşti
Icircncepacircnd cu anul 1976 pentru realizarea metroului din Bucureşti s-a procedat la aplicarea metodei de icircngheţare a solului icircntr-o zonă considerată experimentală dar cu realizări efective de galerii
Prin proiect s-a prevăzut consolidarea prin icircngheţare artificială a profilului de săpare a tunelurilor de metrou pe o lungime de circa 550 m pe ambele fire Amplasamentul sondelor s-a făcut icircn două variante (pentru experimentare) pentru un fir de tunel ambele racircnduri de sonde s-au fixat icircn profilul circular de săpare iar pentru cel de al doilea fir de tunel sondele au fost forate icircn afara profilului de icircnaintare (fig 513) Au fost folosite sonde cu saramură cu posibilitatea de icircngheţare pe toată icircnălţimea de 16 m cacirct şi sonde cu icircngheţare zonală icircntre adacircncimile de 7 m şi 16 m Distanţa dintre sonde a fost fixată la 14 m
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
46
Pentru a se icircmpiedica accesul apelor icircn frontul de săpare datorate unor eventuale zone neicircngheţate traseul de tunel icircngheţat a fost icircmpărţit icircn incinte icircnchise prin timpane transversale La distanţe de 3050 m icircn lungul traseului au fost montate sonde de icircngheţare aşezate icircn plan normal pe axul tunelului prin care să se icircnchidă accesul apelor spre frontul de săpare
Echipamentul frigorific principal cuprinde
- 8 compresoare frigorifice 3 AV - 20 funcţionacircnd icircntr-o treaptă pentru care
corespunde puterea frigorifică de 12 106 kcal Nh =1395 kW
- 4 condensatoare de evaporare forţată CEF - 250
- 3 bazine de răcire a saramurii echipate cu cacircte 4 grupuri de vaporizatoare superintensive de cacircte 51 m2 (total 612 m2)
- 3 grupuri de cacircte 2 pompe a 220 m3h pentru circulaţia saramurii pe traseele de distribuţie şi prin sonde
Figura 413 Fig513 Amplasamentul sondelor de icircngheţare
Centrala frigorifică este stabilă adăpostită icircntr-o baracă metalică demontabilă existacircnd posibilitatea de reamplasare rapidă a instalaţiei icircntr-un alt loc Agentul frigorific utilizat este amoniacul iar agentul intermediar este clorura de calciu
Icircn perioada principală de icircngheţare temperatura de vaporizare este to = -22 ordmC asiguracircnd răcirea saramurii la -17 ordmC iar pe retur saramura a avut temperatura cu 15 ordmC mai ridicată
La o asemenea lucrare realizată icircn oraş se impune protejarea contra icircngheţului a straturilor de deasupra galeriilor icircn care sunt amplasate instalaţiile de apă - canal ceea ce presupune folosirea sondelor cu icircngheţare zonală care să nu fie active la partea superioară
c) Puţuri pentru prospectarea balastierelor
Procedeul şi instalaţia frigorifică au avut caracter de noutate şi s-a aplicat icircncepacircnd cu anul 1966 la mai multe obiective icircn general pe văile racircurilor unde s-au construit hidrocentrale
A
A B
B
A-A
000 -300 -700 -1061 -1300
65
800
B-B
000 -300 -700 -1061 -1300
65
550
ARGILA
ARGILA
NISIP
NISIP
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
47
Echipamentul frigorific principal cuprinde un agregat frigorific pentru amoniac de 20000 kcal Nh = 233 kW rezervor de amoniac separator de lichid şi anexe - toate fiind montate pe o remorcă
S-au folosit sonde de icircngheţare cu agent frigorific icircn număr de 8 bucăţi cu diametrul exterior de 133 mm montate pe un cerc cu diametrul de 2 m la distanţa de 076 m lungimea lor fiind de 75 m Legarea sondelor la distribuitor şi colector s-a făcut cu racorduri flexibile
Sondele au o construcţie specială fiind prevăzute cu 4 pereţi transversali cu ştuţuri de preaplin formacircndu-se astfel 5 compartimente Agentul lichid se introduce icircn compartimentul cel mai de sus şi se scurge prin ştuţuri pacircnă la baza sondei Conducta de aspiraţie străbate toate compartimentele vaporii fiind aspiraţi din compartimentul cel mai de jos Circulaţia vaporilor formaţi se face ca şi a lichidului de sus icircn jos obţinacircndu-se astfel o răcire uniformă şi eficientă pe toată icircnălţimea sondei
Durata icircngheţării respectiv a formării centurii de teren icircngheţat la adăpostul căreia să se poată efectua săparea şi preluarea de probe de sol este de 10 zile
414 514 CAcircMPUL DE TEMPERATURĂ IcircN SOLUL IcircNGHEŢAT
Cacircnd prin sonda de icircngheţare circulă saramură a cărei temperatura este sub 0 ordmC practic - 20 ordmC-25 ordmC icircn jurul sondei se formează un cacircmp termic care icircn cazul unei singure sonde poate fi reprezentat prin suprafeţe cilindrice coaxiale de temperatură constantă (izoterme)
După distanţa radială se deosebesc icircn sol din punct de vedere termic trei zone zona cilindrică din imediata vecinătate a sondei care este icircn zona icircngheţată zona răcită cuprinsă icircntre suprafaţa cilindrică izotermă de 0 ordmC şi izoterma de temperatură naturală şi a treia zonă cea de temperatura naturală (fig 514)
Icircn zona icircngheţată temperatura masivului variază de la temperatura peretelui metalic al sondei pacircnă la 0 ordmC Icircn zona răcită temperatura masivului creşte de la 0 ordmC pacircnă la temperatura naturală a masivului
Figura 414 Fig 514 Cacircmpul de temperatură icircn jurul unei sonde de icircngheţare
Este important să se cunoască cacircmpul termic icircn terenul supus icircngheţării deoarece acesta oferă date privind zona de răspacircndire a consolidării rocilor prin solidificarea apei cacirct şi a
t [oC]
r [m]
t (r)
ZONA RACITA
ZONA INGHETAT
A
ts TEMPERATURA NATURALA A ROCII
-20
-10
40
10 0 20 30
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
48
rezistenţei mecanice a rocii icircngheţate Se cunoaşte faptul că rezistenţa mecanică depinde direct de temperatură
Studiul variaţiei temperaturii icircn zona de influenţă a unei sonde şi a tuturor sondelor simultan oferă posibilitatea calculării dimensiunilor la proiectarea construcţiei peretelui protector cacirct şi controlul procesului icircn timpul desfăşurării lucrărilor
Pentru a se stabili relaţia de variaţie a temperaturii icircn zona icircngheţată icircn funcţie de raza r se consideră ecuaţia diferenţială
dr
dtr2q (56)
icircn care q este fluxul unitar de căldură corespunzător lungimii de 1 m din sonda de icircngheţare Wm
- conductivitatea termica a terenului Wm
Integrarea directă a ecuaţiei analitice se poate face icircn ipoteze simplificatoare consideracircnd
= const şi q = const ceea ce este justificat la valori mari ale timpului de răcire
Se separa variabilele
r
dr
2
qdt
(57)
Se consideră cunoscute temperaturile t1 la suprafaţa sondei de raza r1 și t2 = 0 ordmC la raza r2 corespunzătoare suprafeţei exterioare a cilindrului icircngheţat Se integrează ecuaţia (6-7) și cunoscacircnd limitele de integrare se va determina constanta de integrare
Cr ln2
qt
(58)
pentru r = r1 t = t1 deci
11 rln2
qtC
(59)
1
1r
rln
2
qtt
(510)
Se pune condiţia ca pentru r = r2 t = t2
1
212
r
rln
2
qtt
(511)
Se elimina q intre relaţiile (510) și (511) şi se obţine
1
2
1121
r
rln
r
rln
tttt (512)
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
49
Figura 415 Fig 515 Schema schimbătorului de căldură subteran
Pentru t2 = 0 ordmC relaţia (5-12) devine
)rrln(
)rrln(tt
12
21 (513)
Icircn figura 515 se prezintă o secţiune axială printr-o sondă de icircngheţare şi variaţia temperaturii icircn limitele t0 - temperatura agentului de răcire şi ts - temperatura naturală a solului
Cantitatea de căldură transferată de la masivul neicircngheţat spre agentul de răcire prin unitatea de lungimea de conducta şi unitatea de timp se calculează cu expresia
221
2
1o
1
moo
os
d
1
d
dln
1
d
dln
2
1
d
1
ttq
(514)
Icircn calculele inginereşti cel mai frecvent se determină nu fluxul termic pe unitatea de lungime a conductei ci fluxul termic qF raportat la unitatea de suprafaţă a conductei metalice la 1 m2 de suprafaţa exterioară sau interioară Mărimea qF se calculează astfel
22
o
1
2
1
o
o
1
m
o
o
oS
o
F
d
d
d
dln
2
d
d
dln
2
d1
tt
d
(515)
Fluxul termic qF prin unitatea de suprafaţă a sondei de icircngheţare calculat pentru adacircncimea de 100 m icircn regim laminar de curgere a agentului de răcire prin spaţiul inelar al sondei cu viteza w = 01 ms la diametre ale cilindrului de rocă icircngheţata
de la 02 la 3 m pentru to = -20 ordmC do = 01 m 1 = 233 WmK variază de la 720 la 230 Wm2 aşa cum se poate observa din figura 516 şi tabelul 51
d2
d1
d0
t
qF
t0
t2
t1 2
m 1
m
ts
Conducta Teren icircngheţat Teren
neicircngheţat
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
50
Figura 416 Fig 516 Variaţia fluxului termic qF prin unitatea de suprafaţă a sondei de icircngheţare 1 - regim turbulent 2 regim laminar
Tabelul 51Variaţia fluxului termic qF [Wm2]
Diametrul cilindrului de rocă icircngheţată icircn m
02 04 05 08 10 15 20
qF regim laminar 1160 550 387 330 302
qF regim laminar 720 465 423 350 321 283 258
Se observă ca densitatea fluxului de căldura qF scade foarte mult de la 800900 Wm2 la icircnceputul operaţiei de consolidare prin frig a rocilor pacircnă la 230250 Wm2 cacircnd cilindrul de rocă icircngheţata atinge diametrul de 23 m Ca urmare a acestei situaţii şi puterea frigorifică a instalaţiei va scădea icircn decursul a 6080 zile tot cu raportul de 800230 = 35
Instalaţia frigorifică va fi constituită din grupuri de utilaje (module) ce vor fi scoase treptat din funcţiune pe măsură ce se reduce densitatea fluxului de căldură qF ca urmare a creşterii grosimii stratului de teren icircngheţat Icircn practică pentru calcule se va considera qF = (260290) Wm2
O mărime importanta pentru proiectarea instalaţiei şi aprecierea procesului de consolidare a rocilor este timpul de icircngheţare Pentru calculul duratei de icircngheţare se pot folosi relaţiile prezentate icircn capitolul 3 la formarea gheţii pe suprafeţe cilindrice exterioare La aprecierea valorii pentru ls - căldura latentă de solidificare se avea icircn vedere conţinutul de apă din terenul supus icircngheţării
Dacă icircntre relaţiile pentru dependenţele (r) şi qF(r) se elimină r se obţine dependenţa
qF() Eliminarea nu se poate face direct ci fie cu ajutorul calculatorului fie printr-o construcţie grafică prezentată icircn figura 517
Studiul variaţiei temperaturii icircn solul icircngheţat cacirct și variaţia icircn timp a densităţii fluxului de căldura se poate face cu ajutorul calculatorului electronic
1200
1000
800
600
400
200
0 05 1 15 2 25 3
qF [Wm2]
Diametrul cilindrului de rocă icircngheţată [m]
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
51
Figura 417 Fig 517 Stabilirea dependentei qF() pe baza dependentelor qF(r) și (r)
415 515 ELEMENTE DE PROIECTARE A INSTALAŢIEI FRIGORIFICE PENTRU IcircNGHEŢAREA SOLULUI
Pentru proiectarea instalaţiei frigorifice trebuie sa se stabilească la icircnceput elementele de baza și anume
- puterea frigorifică maximă care apare la icircnceputul perioadei de răcire cacircnd pătrunderile de căldura spre agentul de răcire din sondele de icircngheţare au valori mai mari temperatura de vaporizare a agentului frigorific plecacircnd de la temperatura minimă sau medie din solul icircngheţat şi avacircnd icircn vedere modul de răcire directă sau indirectă
Se calculează cantitatea totală de căldură ce trebuie extrasă din terenul supus răcirii şi icircngheţării Se cunoaşte structura terenului icircngheţat deci se cunosc icircnălţimile h1 h2hn ale diferitelor straturi componente cacirct şi proprietăţile termofizice ale acestora
Grosimea centurii de teren icircngheţat se stabileşte icircn urma calculelor de rezistenţa materialelor icircncacirct se pot calcula volumele ocupate de straturile componente V1 V2Vn
Cantitatea de căldură ce trebuie extrasă din zona icircngheţată cuprinde două componente și anume
cantitatea de căldura Qa corespunzătoare răcirii şi icircngheţării apei
cantitatea de căldura Qt necesara răcirii părţii solide a terenului
n
1kfgsikaakka tcltcVQ (516)
unde
k - reprezintă conţinutul icircn apă din stratul respectiv [m3m3]
a - densitatea apei [kgm3]
ca cg - căldura specifica a apei respectiv a gheţii Jkg K
tik - temperatura iniţiala a stratului respectiv (de ordinul k)
tf - temperatura medie finala a masivului icircngheţat
ls - căldura latentă de solidificare a apei
r
q
q
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
52
fik
n
1kkkkkt ttc1VQ
(517)
k - densitatea părţii de teren solid (uscat) din stratul k
ck - căldura specifică a terenului uscat din stratul k
Cantitatea de căldură extrasă din terenul răcit reprezintă circa 1018 din cantitatea de căldură extrasă din zona de teren icircngheţat
Deci cantitatea totală de căldură Q ce va trebui preluată de către instalaţia frigorifică se poate aprecia astfel
Q = (110118) (Qa + Qt) (518)
Cu relaţia (51) se calculează puterea frigorifica a instalaţiei adoptacircnd o valoare medie pentru densitatea fluxului de căldura qF
Se poate aprecia timpul de funcţionare a instalaţiei frigorifice
o
Q
(519)
La anumite grosimi ale cochiliei de teren icircngheţat icircn jurul sondei densitatea fluxului termic scade sub valoarea medie adoptată icircn calcule şi ca urmare icircncepacircnd de la acest moment se va putea reduce treptat puterea frigorifica a instalaţiei prin scoaterea din funcţiune a unor grupuri
La proiectare se pot avea icircn vedere unele recomandări practice pentru stabilirea necesarului de frig pentru icircngheţarea unui m3 la -10 ordmC este necesar un consum specific de frig de 66000 kJ la 10 umiditate de 155000 kJ la 35 umiditate și de 210000 kJ la 50 umiditate
42 52 RĂCIREA BETONULUI LA CONSTRUCŢIILE MASIVE
421 521 INSTALAŢII DE PRERĂCIRE A COMPONENTELOR BETONULUI
Formarea betonului din elementele sale componente (nisip pietriş ciment şi apă) este icircnsoţită de fenomene fizico - chimice icircn care se degajă căldură şi ca urmare temperatura acestuia creşte Icircn cazul unor masive din beton (baraje) dacă viteza de turnare (icircn sezonul cald cacircnd se efectuază construcţia) este mai mare şi nu se asigura evacuarea căldurii corpul rezultă la o temperatura medie mai mare decacirct temperatura medie anuală Răcirea naturală conduce la contracţia masivului şi ca urmare la apariţia sub acţiunea tensiunilor interne a unor fisuri
Pentru ca variaţiile de temperatura icircntre centrul barajului şi straturile exterioare să fie cacirct mai mici se impune ca masivul respectiv să fie turnat la temperatura medie anuală a zonei respective Icircn acest scop se pot folosi două metode prin prerăcirea componentelor betonului și prin răcirea masei barajului
Icircn vederea reducerii căldurii degajată icircn reacţia dintre ciment şi apă au fost realizate sortimente de ciment caracterizate prin călduri masice reduse ce se degajă icircn procesul de priză
Prin prerăcirea componentelor betonului se urmăreşte ca betonul sa aibă temperatura medie a locului de amplasament şi prin aceasta evitarea apariţiei unor diferenţe mari de temperatură ce pun icircn pericol construcţia
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
53
Icircn funcţie de valoarea diferenţei de temperatură care trebuie realizată se poate adopta o anumită schemă de răcire pentru fiecare component icircn parte sau numai pentru unele din aceste părţi componente
Se pot folosi instalaţii frigorifice cu comprimare mecanică de vapori pentru răcirea apei a aerului sau formarea gheţii mărunte utilizate la prerăcirea componentelor betonului Folosirea gheţii fulgi sau solzi este limitată atacirct din cauza conţinutului de apă impus cacirct şi ca urmare a pericolului ca gheaţa să nu se topească icircn procesul de malaxare ci la turnare sau icircn procesul de priză ceea ce duce la formarea de goluri icircn beton
De asemenea se pot folosi instalaţiile frigorifice cu ejecţie
Icircn vederea stabilirii necesarului de frig pentru preratildecirea componentelor betonului se calculează mai icircntacirci cantitatea de catildelduratilde Qo1 ce trebuie evacuatatilde dintr-un m3 de beton avacircndu-se icircn vedere proporţiile icircn care participatilde cimentul nisipul pietrişul şi apa Fiecare component are o temperatură iniţialatilde şi urmeazatilde a fi răcit pacircnatilde la o temperatura finalatilde tf aceeaşi pentru toţi componenţii
fpppfnnnfccc1o ttcmttcmttcmQ
fnaanfpaapfaaa ttcmttcmttcm Jm3 (520)
unde
mc mn mp ma - masele de ciment nisip pietriş şi apă conţinute icircntr-un m3 de beton [kgm3]
cc cn cp cw - căldurile specifice masice ale cimentului nisipului pietrişului şi nisipul dintr-un m3 de beton [kgm3]
Puterea frigorifică se determină cu relaţia
3b1oo 10VQ [kW] (521)
icircn care bV reprezintă fluxul de betonare icircn m3s
Se prezintă icircn continuare cele mai folosite metode de prerăcire a componentelor betonului
4211 a) Instalaţie de prerăcire cu apă
Staţia de preparare a betonului este deservită de o instalaţie frigorifică cu comprimare mecanică de vapori care asigură răcirea apei
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
54
Figura 418 Fig 518 Schema de lucru a instalaţiei de prerăcire a betonului cu ajutorul apei 1 - ciment 2 - vagon nisip 3 - vagon pietris 4 - tancuri de răcire a pietrişului 5 - sită 6 - siloz de
nisip 7 - siloz de ciment 8 - rezervor de distribuţie 9 - răcitor de nisip 10 - răcitor de ciment 11 - răcitor de apă 12 - rezervor de apă răcită 13 - răcitor de apă 14 - instalaţie de prepararea betonului
I II III IV V - fazele de răcire a pietrişului
Icircn figura 518 se prezintă schema de lucru a unei asemenea instalaţii de prerăcire a betonului cu ajutorul apei folosită la construcţia barajului de la Detroit (SUA) Apa este răcită de la 16 la 15 ordmC şi transmisă apoi la instalaţia de preparare a betonului şi icircn cinci rezervoare a cacircte 90 m3 fiecare icircn care se răceşte pietrişul
Procesul de răcire a pietrişului cuprinde cinci faze
- faza I - introducerea apei icircn rezervor 10 minute
- fazele II şi III - introducerea simultană a apei şi a pietrişului 50 minute
- faza IV - evacuarea apei 15 minute
- faza V - evacuarea pietrişului 15 minute
Icircntregul proces de răcire a pietrişului durează 90 minute Pentru răcirea cimentului şi nisipului se utilizează schimbătoare de căldură cu ax elicoidal la care apa de răcire circulă prin arborele gol şi prin manta
Rezervoarele 12 pentru apa răcită au fiecare volumul de 114 m3
Beton 635oC
190 m3h
65oC
24oC
18oC
1
2
3
4
5
6
7
8
10
9
11
12
13
14
Apă 16oC
15oC
Cim
en
t
26 l
h
Nis
ip 1
12
lh
10
oC
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
55
42111 Aplicaţie numerică
Să se calculeze puterea frigorifică necesară prerăcirii betonului prin metode şi condiţiile prezentate mai sus Se cunosc următoarele date de calcul
mp = 1700 kgm3 beton
mc = 135 kgm3 beton
mn = 590 kgm3 beton
ma = 60 kgm3 beton
cc = cn = cp = 921 Jkg K
ca = 4180 Jkg K
map = 16 kgm3 beton
man = 38 kgm3 beton
tp = 18 ordmC
tc = 66 ordmC
tn = 21 ordmC tf = 635 ordmC
052803000
190Vb m3s
Se calculează componentele cantităţii de căldură Q01
3fcccc 10741735666921135ttcmQ Jm3
3fnnnn 10796135621921590ttcmQ Jm3
3fpppp 1024018356189211700ttcmQ Jm3
3faaaa 10420235616418060ttcmQ Jm3
3fpaapap 1077935618418016ttcmQ Jm3
3fnaaan 10232735621418038ttcmQ Jm3
Rezulta
3anapapnc1o 1039144QQQQQQQ Jm3
3o 10 206705280103914410VQ 33
b1o kW
4212 b) Instalaţii de prerăcire cu aer apă
Pentru răcirea componentelor betonului se utilizează icircn acest caz fie apa fie aerul ca agenţi intermediari răciţi cu ajutorul instalaţiilor frigorifice
Icircn figura 519 se prezintă schema unei asemenea instalaţii folosită la construcţia barajului de la Sariyar din Turcia
Răcirea aerului se poate face fie direct prin vaporizarea unui agent frigorific fie indirect cu un agent intermediar de răcire ca de exemplu saramura de clorură de calciu Aerul răcit pacircnă la -6 ordmC este suflat icircn silozurile cu pietriş de dimensiuni icircntre 4150 mm
Apa răcită icircn bazinul la pacircnă la 05 ordm este trimisă din colectorul 12 la staţia de preparare a betonului servind la scăderea temperaturii acestuia
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
56
Figura 419 Fig 519 Schema instalaţiei de prerăcire a betonului cu aer şi apă 1 - compresor 2 - condensator 3 - ventile de laminare 4 - vaporizatoare 5 - bazin de răcire a
saramurii 6 - pompă de saramură 7 - răcitor umed de aer 8 - ventilatoare 9 - silozuri de pietriş 10 - bazin de răcire a apei 11 - pompă 12 - colector de apă răcită
Figura 420 Fig 520 Schema instalaţiei de prerăcire cu aer şi apă 1 - siloz de pietriş şi nisip 2 - siloz de ciment 3 rezervor de apă 4 - răcitor de aer 5 - răcitor de apă
4 - răcitor de apă 6 - buncăr de sortare 7 - instalaţie de preparare beton
Pentru intensificarea procesului de răcire a pietrişului aerul este răcit sub 0 ordmC Acest procedeu are avantajul unei funcţionări fără icircntrerupere a procesului de preparare a betonului dar prezintă şi o serie de dezavantaje debite foarte mari de aer de răcire posibilitatea antrenării particulelor fine de agregat icircn răcitorul de aer şi depunerea acestora pe suprafaţa de schimb de căldură Ca urmare instalaţia se va curăţa la circa 14 zile Icircn figura 520 se prezintă o altă schemă de instalaţie de prerăcire a betonului cu aer şi apă folosită la construcţia unui baraj din India
Apă
295oC
Ciment
433oC
Pietriş şi nisip
378oC
Apă 6oC
Ciment 433oC
Aer
Pietriş
45oC Nisip 222oC
22oC
Ap
ă
45
oC
Ap
ă 2
2o
C
Ae
r 5
5o
C
Be
ton
12
8o
C
Apă 22oC
2
1
3 4 5
8
9
5 7
12
1oC
11
05oC 9oC 9oC
-9oC
-10oC -10oC
-10oC 2oC
6oC
10 4 4 6
8 8
8
8 8
9 9 9 9
1
2
3 3
7
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
57
Pietrişul şi nisipul se separă icircntre ele icircn buncărul de sortare 6 şi apoi fiecare circulă pe cacircte o bandă transportoare prin camera de răcire 7 Pietrişul este răcit cu ajutorul apei
Fig
ura
42
1 F
ig 5
21
Sc
he
ma
in
sta
laţi
ei
de
ră
cir
e icirc
n v
id a
co
mp
on
en
telo
r b
eto
nu
lui
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
58
reci icircncacirct ajunge la o temperatură mai scăzută decacirct nisipul răcit cu aer Prin camera 7 se circulă şi aer rece care se introduce la temperatura de 55 ordmC Cimentul se introduce la instalaţia de preparare a betonului 9 fără a fi răcit
O altă posibilitate de prerăcire a agregatelor (pietriş şi nisip) şi a apei utilizată mai recent la construirea barajelor icircntrebuinţează răcirea icircn vid la care agregatele uşor umezite icircn recipiente sub presiune se răcesc după nevoie (prin reglarea vacuumului) la o temperatură mai scăzută sau mai ridicată Căldura necesară evaporării umidităţii de pe agregate şi din ele (apa legată) este luată chiar de la corpurile respective (pietriş nisip) şi ca urmare acestea se răcesc
O asemenea instalaţie utilizată la Hortwell icircn SUA (figura 521) cuprinde 3 recipienţi de cacircte 150 m3 pentru răcirea pietrişului şi 3 recipienţi de cacircte 80 m3 pentru răcirea nisipului
Pietrişul şi nisipul cu temperatura maximă de 43 ordmC se pot răci pacircnă la temperatura necesară de 45 ordmC Pentru realizarea vidului necesar se folosesc două cazane de abur care produc 77 th fiecare
422 522 RĂCIREA INTERIOARĂ A MASIVULUI DE BETON
Prerăcirea betonului se recomandă icircn condiţiile unei zone tropicale sau temperate de amplasare a construcţiei masive nu se recomandă icircn cazul amplasării barajului icircn munţi unde temperatura aerului este scăzută Icircn asemenea situaţii se recomandă răcirea betonului prin conducte amplasate icircn masiv prin care circulă apă rece
La răcirea interioară cu conducte montate icircn beton are loc o eliminarea a căldurii simultan cu producerea ei icircn procesul de priză producacircndu-se şi o răcire pacircnă la temperatura necesară Pentru răcire se folosesc conducte de oţel cu diametre de 1525 mm montate la distanţe de 1223 m icircn plan orizontal şi de 153 m icircn plan vertical Lungimea conductelor icircntr-un m3 de beton este de 0204 şi a fiecărei serpentine de 140250 m
Debitul apei de răcire ce circulă prin 1 m3 de beton este de (0553) dm3h
Figura 422 Fig 522 Reţea de conducte de răcire a betonului icircn secţiunea unui baraj 1 - galerie pentru măsurători 2 - galerie de conducte de apă de răcire
Serpentinele se montează şi se fixează pe suprafaţă de beton (fig522) Capetele serpentinelor se leagă de o coloană verticală prin mufe metalice sau de cauciuc Diametrul distribuitorului şi al coloanei este cuprins icircntre 150200 mm După montaj aceste conducte se verifică la presiunea de lucru
1 2
Ax
a
ba
raju
lui
Izolaţii termice
10
1
d
dd50
e
izeiz [m] (113)
Tabelul 110 Rezistența superficială liniară a mediului ambiant
Dn [mm]
Conducte icircn icircncăperi Conducte icircn aer liber cu coeficient mic de
radiație a icircnvelișului cu coeficient mare de radiație a icircnvelișului
Temperatura fluidului transportat tf [ordmC]
100 300 500 100 300 500 100 300 500
32 050 035 030 033 022 017 012 009 007
40 045 030 025 029 020 015 010 007 005
50 040 025 020 025 017 013 009 006 004
100 025 019 015 015 011 010 007 005 004
125 021 017 013 013 010 009 005 004 003
150 018 015 011 012 009 008 005 004 003
200 016 013 010 010 008 007 004 003 003
250 013 010 009 009 007 006 003 003 002
300 011 009 008 008 007 006 003 002 002
350 010 008 007 007 006 005 003 002 002
400 009 007 006 006 005 004 002 002 002
500 0075 0065 006 005 0045 004 002 002 0016
600 0062 0055 005 0043 0038 0035 0017 0015 0014
700 0055 0051 0045 0038 0035 0032 0015 0013 0012
800 0048 0045 0042 0034 0031 0029 0013 0012 0011
900 0044 0041 0038 0031 0028 0026 0012 0011 0010
1000 0040 0037 0034 0028 0026 0024 0011 0010 0009
2000 0022 0020 0017 0015 0014 0013 0006 0006 0005
Observatii
Pentru temperaturi ale fluidului transportat tf lt 100ordmC se aleg valorile pentru tf = 100ordmC
Invelișurile cu coeficient mic de radiație sunt executate din tablă zincată tablă din aliaje de aluminiu și aluminiu oxidat tablă vopsită cu lacuri din aluminiu
Invelișurile cu coeficient mare de radiație sunt executate din tencuială plăci de sticlă diverse vopsele (exclusive din aluminiu)
Grosimea stratului de izolație termică se standardizează funcție de materialul ales
Tinacircnd seama de stratul protector din ciment și paste bituminoase cu diverse grosimi se calculează grosimea reală a stratului de izolație cu coeficientul de corecție ∆[mm] cu valori date icircn Tabelul 112
Tabelul 111 Valorile coeficientului de convecție la contactul intre stratul protector și mediu ambiant
Amplasarea conductei
Icircn icircncăperi Icircn aer liber la viteza
vacircntului w [ms] cu coeficient mic de radiație a icircnvelișului
cu coeficient mare de radiație a icircnvelișului
5 10 15
orizontală 6 10 20 25 35
verticală 7 11 25 35 50
Observatie Icircn absența datelor privind viteza vacircntului se admite w = 10 ms
Tabelul 112 Coeficientul de corecție ∆[mm]
δsp [mm]
λiz [WmmiddotK] 007 008 009 010 011 012
Izolaţii termice
11
10 2 2 2 3 3 3
15 3 3 4 4 5 5
20 4 4 5 6 6 7
La alegerea grosimii stratului de izolație termică trebuie să se țină seama și de tasarea materialului prin coeficientul de tasare Kt definit ca raportul dintre volumul construcției termoizolate icircn funcțiune și volumul contrucției la montaj Se recomandă Kt gt 1 pentru a preveni deprecierea izolației termice
Pentru cacircteva materiale termoizolatoare valorile coeficientului de tasare sunt recomandate icircn Tabelul 113
Tabelul 113 Valorile coeficientului de tasare Kt
Material Kt
Saltele din vată minerală perforată 12hellip13
Saltele din vată de sticlă cu legătură sintetică 16
Saltele și plăci din vată minerală moale cu legătură sintetică
15
Plăci semirigide din vată minerală cu legătură sintetică 12
Plăci semirigide din vată de sticlă cu legătură sintetică 115
Plăci moi din vată minerală cu legătură din bitum 15
Plăci semirigide din vată minerală cu legătură din bitum 12
Grosimea stratului de izolație termică la montaj va fi
ize
izetizo
2d
dK
[m] (114)
Valorile fluxului termic liniar (unitar) ФL [Wm] icircn funcție de diametrul exterior al conductei neizolate de [m] temperature fluidului transportat tf [ ordmC] și de amplasarea conductei sunt prezentate icircn Tabelul 114
Tabelul 114 Valorile fluxului termic liniar
de [mm]
tf [ ordmC]
80 100 180 200 250
a b a b a b a b a b
10 8 13 21 24 35 37 48 49 62 60
20 12 15 27 31 43 47 58 63 74 79
32 14 17 33 36 50 53 67 72 86 90
48 15 21 36 42 57 62 76 84 98 105
57 16 24 37 47 62 67 81 91 105 112
76 17 29 43 52 67 77 91 100 115 126
89 19 33 45 58 72 83 95 108 122 133
108 26 36 52 64 79 90 105 117 131 145
133 31 41 62 70 88 99 117 129 140 158
159 36 44 70 76 98 109 130 140 163 172
194 41 49 77 85 108 120 144 151 178 188
219 46 53 81 91 116 128 154 163 192 204
273 49 62 91 101 129 145 170 186 213 230
325 52 70 99 116 142 163 186 209 233 256
377 58 82 107 133 152 181 204 231 254 279
426 62 95 114 149 163 201 221 254 273 302
478 70 104 127 158 180 215 238 273 294 326
529 77 110 140 169 198 228 256 285 314 349
630 95 121 163 186 227 254 294 320 364 384
Izolaţii termice
12
720 110 134 186 205 256 277 326 345 395 416
830 128 157 209 233 291 309 366 384 442 463
920 157 180 238 262 320 344 401 430 483 512
1020 174 209 262 297 349 384 430 473 523 564
Observatii
a-conducte izolate amplasate icircn icircncăperi și canale cu temperatura medie a aerului te = (20hellip30) ordmC
b-conducte izolate amplasate icircn aer liber cu temperatura medie te = (0hellip15) ordmC și conducte subterane amplasate icircn canale nevizitabile cu temperatura medie a solului te = 5 ordmC
Fluxul termic total transmis prin suprafața conductei izolate va fi
Ф=ФLmiddotLC [W] (115)
unde
Lc [m] este lungimea de calcul (echivalentă) a conductei se calculează cu relația
Lc = KmiddotL+l [m] (116)
K - coefficient ce ține seama de pierderile suplimentare de căldură prin elementele de susținere a conductei (Tabelul 115)
L [m] - lungimea conductei
l [m] - lungimea de conductă izolată care echivalează pierderile de căldură prin armăturile de icircnchidere (vane ventile Tabelul 116 și prin icircmbinări (pentru icircmbinări cu flanșe se recomandă l = 1hellip15 m)
Tabelul 115 Valorile coeficientului K
Modul de susținere a conductei
Coeficientul K conducte amplasate icircn
icircncăperi conducte amplasate icircn
aer liber
prin agățare 110 115
prin rezemare 115 125
Tabelul 116 Lungimea de conductă izolată care echivalează pierderile de căldură prin armăturile de icircnchidere
di [mm]
Conducte icircn icircncăperi Conducte icircn aer liber
tf = 100 ordmC
tf = 400 ordmC tf = 100 ordmC tf = 400 ordmC
100 25 50 45 60
500 30 75 60 85
Dacă lungimea conductei nu este cunoscută se mărește valoarea coeficientului K astfel
pentru conducte amplasate icircn icircncăperi K = 12
pentru conducte amplasate icircn aer liberi K = 125
122 Calculul grosimii izolației termice pentru o temperatură dată pe suprafața acesteia
Normele de protecție a muncii impun temperatura pe suprafața exterioară a conductei izolate egală cu 50 ordmC pentru stratul protector din tencuială și 55 ordmC pentru stratul protector metalicTemperatura de 60 ordmC este limita maxima admisibilă peste care apare accidentarea prin arsură a personalului de exploatare
Conform notațiilor din Figura 13 (conductă care transportă fluide calde) fluxul termic liniar (unitar) se calculează cu relația
Izolaţii termice
13
e4pspeLpLizLspLi
4piL ttd
RRRR
tt
[Wm] (117)
Rezistențele termice RLi și RLp pot fi neglijate
Grosimea stratului de izolație termică se calculează icircn două etape
se neglijează rezistența termică a stratului protector RLsp = 0 și rezultă
24pee
4piiz
e
iz
e
iz
ttd
tt2
d
d
d
d
ln (118)
Ecuație de forma xmiddotlnx = const (x = dizde) rezolvarea ei făcacircndu-se grafic sau prin icircncercări
Rezultă
1
d
dd50
e
izeiz [m] (119)
ținacircnd seama de stratul protector se calculează grosimea reală a stratului de izolație termică cu coeficientul de corecție ∆ [mm] (Tabelul 112)
δizrsquo = δiz - ∆ [mm] (120)
Se calculează fluxul termic liniar (unitar) ΦL [Wm] și apoi modificacircnd grosimea stratului de izolație se verifică temperatura impusă tp4 [ ordmC]
Determinarea necesarului de căldură și apă caldă pentru un imobil
14
2 Determinarea necesarului de căldură și apă caldă pentru un imobil
Casa este situata icircn judetul Galati orasul Galati icircn partea de nord a orasului Este amplasata pe un teren cu suprafata de 300mp ea icircn sine avand o amprenta la sol de 123mp
Orasul Galati se situeaza icircn zona climatica numarul II Conform standardului ldquoSR1907 - 1 - 2014rdquo temperatura de referinta pentru aceasta zona este de -15 degC
Icircn figura de mai jos este reprezentat imobilul ce va trebui incalzit Este desenat icircn programul Archicad și prezinta urmatoarele vederi
Figura 21 Planul casei cu dimensiuni și orientare dupa punctele cardinala
Determinarea necesarului de căldură și apă caldă pentru un imobil
15
Figura 22
Figura 23 Vedere fata Nord
Determinarea necesarului de căldură și apă caldă pentru un imobil
16
Figura 24 Vedere fata Sud
Figura 25 Vdere fata Est
Determinarea necesarului de căldură și apă caldă pentru un imobil
17
Figura 26 Vedere fata Vest
Figura 27 Vedere de ansamblu
Determinarea necesarului de căldură și apă caldă pentru un imobil
18
Dimensiunile casei și a incaperilor sunt afisate icircn tabelul urmator
Incapere Suprafata mp
1 Hol intrare+ Living + Hol 3353
2 Dormitor mare 1804
3 Dromitor mic 12
4 Bucatarie 112
5 Baie mare 48
6 Baie mica 475
7 Camera tehnica 72
Total suprafata 9152
Total perimetru casa 444 m
21 22 Determinarea necesarului de căldură și apă caldă menajeră pentru imobil
Pentru studiul necesarului de flux termic este nevoie sa cunoastem posibilele pierderi de căldura cat si modul de utilizare al acesteia Ecuatia generala a bilantului termic ce se foloseste icircn calcularea fluxului de căldura
Q = Q1+ Q2+ Q3 [W]
Q1- fluxul de căldura pierdut prin transmisie
Q2- fluxul de căldura necesar incalzirii aerului ventilat
Q3- fluxul de căldura necesar prepararii apei calde
Fluxul termic pierdut prin transmisie este distribuit intre elementele constructive ale casei si anume Q11 - pereti Q12 - podea Q13 - tavan Q14 - geamuri
Q1= Q11+ Q12+ Q13+ Q14 [W]
Formula care se utilizeaza icircn calculul pentru fiecare fux termic icircn parte este comuna celor patru elemente
Q1i= Si middot Ki middot (tint - text) [W]
Unde Si - suprafata totala calculata a fiecarui element icircn parte se iau icircn considerare doar elementele care au legatura cu exteriorul [m2] ki - coeficientul global de transfer termic specific fiecarui element icircn parte [Wm2C] tint - temperatura din interiorul imobilului [degC] text - temperatura exterioara Icircn cazul podelei de utilizeaza temperatura solului șisau a pivnitei [degC]
Coeficientul global de transfer termic se calculeaza dupa formula
ki = 120783
120783
120514119842 + sum
120517119842
120524119842+
120783
120514119838119847119843=119842
[Wm2C]
Unde αi = coeficientul de transfer convectiv din interior αi = 8 Wm2C αe = coeficientul de transfer termic convective din exterior αe = 20 Wm2C λi - conductivitatea termica a stratului i pe care il aflam din fisa tehnica am materialului stratului respectiv [WmmiddotK] δi- grosimea stratului I [m]
Temperatura ce trebuie mentinuta icircn interiorul imobilului este de 22 degC
Coeficentul de convectie termica αi = 8
211 Mers de calcul pentru Q1
Q11 - flux termic pierdut prin pereti
Specificatii perete exeterior
Tencuiala δ 0025 m Grosime
Determinarea necesarului de căldură și apă caldă pentru un imobil
19
interioara λ 093 WmmiddotK Conductivitate termica
Rt 0026882 m2middotKW Rezistenta termica
Zidarie BCA δ 03 m Grosime
λ 014 WmmiddotK Conductivitate termica
Rt 2142857 m2middotKW Rezistenta termica
Tencuioala exterioara
δ 0025 m Grosime
λ 093 WmmiddotK Conductivitate termica
Rt 0026882 m2middotKW Rezistenta termica
Vata bazaltica δ 01 m Grosime
λ 0037 WmmiddotK Conductivitate termica
Rt 2702703 m2middotKW Rezistenta termica
Placa fibrocement
δ 001 m Grosime
λ 02 WmmiddotK Conductivitate termica
Rt 005 m2middotKW Rezistenta termica
Tencuiala decorativa
δ 0005 m Grosime
λ 093 WmmiddotK Conductivitate termica
Rt 0005376 m2middotKW Rezistenta termica
K11 = 1
1
120572119894+
1205751
1205821+
1205752
1205822+
1205753
1205823+
1205754
1205824+
1205755
1205825+
1205756
1205826+
1
120572119890 =
11
8 +
0025
093+
03
014+
0025
093+
01
0037+
001
02+
0005
093+
1
22
K11 = 0194943188 Wm2C
S11 = h middot lp = 3 middot 3901 = 11703 m2
h - inaltimea peretelui [m]
lp - lungimea perimetrala a peretelui [m] (din care s-au scazut suprafetele vitrate)
Δt = ti - te = 22 + 15 = 37degC
ti - temperatura interioara
te - temperatura exterior
Q11 = K11 middot S11 middot Δt = 0194943188 middot 11703 middot 37 = 8441254483 W
Perete exterior
ti 22 degC αi 8 Wm2 k
te -15 degC αe 22 Wm2 k
δ1 0025 m λ1 093 Wmk tp1 2109758812 degC
δ2 03 m λ2 014 Wmk tp2 2090352105 degC
δ3 0025 m λ3 093 Wmk tp3 5433603161 degC
δ4 01 m λ4 0037 Wmk tp4 523953609 degC
δ5 001 m λ5 02 Wmk tp5 -1427207206 degC
δ6 0005 m λ6 093 Wmk tp6 -1463303681 degC
tp7 -1467185023 degC
q 7219295 W
Determinarea necesarului de căldură și apă caldă pentru un imobil
20
Figura 28
Q12 - fluxul termic pierdut prin podea
Specificatii podea
Placa fibrocement
δ 001 m Grosime
λ 02 WmmiddotK Conductivitate termica
Rt 005 m2middotKW Rezistenta termica
Sapa δ 01 m Grosime
λ 0035 WmmiddotK Conductivitate termica
Rt 2857143 m2middotKW Rezistenta termica
Polistiren extrudat
δ 005 m Grosime
λ 0033 WmmiddotK Conductivitate termica
Rt 1515152 m2middotKW Rezistenta termica
K12 = 1
1
120572119894+
1205751
1205821+
1205752
1205822+
1205753
1205823+
1
120572119890 =
11
8 +
001
02+
01
0035 +
005
0033+
1
0
= 0219911 Wm2C
S12 - amprenta la sol a casei = 12296 m2
Δt = ti - te = 22 - 15 = 7degC
Temperature pentru podea este de 15degC
Q12 = K12 middot S12 middot Δt = 0219911 middot 12296 middot 7 = 1892818 W
Podea
ti 22 degC Αi 8 Wm2 k
te 15 degC Αe 0 Wm2 k
δ1 001 m λ1 02 Wmk tp1 2180757789 degC
Determinarea necesarului de căldură și apă caldă pentru un imobil
21
δ2 01 m λ2 0035 Wmk tp2 2173060904 degC
δ3 005 m λ3 0033 Wmk tp3 1733238927 degC
δ4 m λ4 Wmk tp4 15 degC
δ5 m λ5 Wmk tp5 degC
δ6 m λ6 Wmk tp6 degC
tp7 degC
q 1539377 W
Figura 29
Q13 - fluxul termic pierdut prin tavan
Specificatii tavan
Tencuiala δ 002 m Grosime
λ 093 WmmiddotK Conductivitate termica
Rt 0021505 m2middotKW Rezistenta termica
Placa beton armat
δ 013 m Grosime
λ 174 WmmiddotK Conductivitate termica
Rt 0074713 m2middotKW Rezistenta termica
Sapa δ 003 m Grosime
λ 026 WmmiddotK Conductivitate termica
Rt 0115385 m2middotKW Rezistenta termica
Vata bazaltica δ 015 m Grosime
λ 0037 WmmiddotK Conductivitate termica
Determinarea necesarului de căldură și apă caldă pentru un imobil
22
Rt 4054054 m2middotKW Rezistenta termica
Placa nivelanta δ 002 m Grosime
λ 026 WmmiddotK Conductivitate termica
Rt 0076923 m2middotKW Rezistenta termica
K13 = 1
1
120572119894+
1205751
1205821+
1205752
1205822+
1205753
1205823+
1205754
1205824+
1205755
1205825 +
1
120572119890 =
11
8+
002
093+
013
174+
003
026+
015
0037+
002
026+
1
22
K13 = 0219736 Wm2C
S13 = S12 = 12296 m2
Δt = ti - te = 22 + 15 = 37degC
Q13 = K13 middot S13 middot Δt = 0219736 middot 12296 middot 37 = 1000 W
Tavan
ti 22 degC αi 8 Wm2 k
te -15 degC αe 22 Wm2 k
δ1 002 m λ1 093 Wm k tp1 209751906 degC
δ2 013 m λ2 174 Wm k tp2 207988793 degC
δ3 003 m λ3 026 Wm k tp3 2018634954 degC
δ4 015 m λ4 0037 Wm k tp4 1924037163 degC
δ5 002 m λ5 026 Wm k tp5 -1399669009 degC
δ6 m λ6 Wm k tp6 -1462734204 degC
tp7 degC
q 8198475 W
Determinarea necesarului de căldură și apă caldă pentru un imobil
23
Figura 210
Q14 - fluxul temic pierdut prin suprafetele vitrate
Am ales un geam temopan cu trei randuri de sticla și cu tamplarie de lemn
K14 = 06 Wm2C
S14 = 2728 m2 suprafata ocupata de geamuri
Δt = ti - te = 22 + 15 = 37degC
Q14 = K14 middot S14 middot Δt = 06 middot 2728 middot 37 = 605616 W
Fereastra
ti 22 degC αi 8 Wmpk
te -15 degC αe 22 Wmpk
δ1 0005 m λ1 075 Wmk tp1 1992074356 degC
δ2 0018 m λ2 00177 Wmk tp2 1980984988 degC
δ3 0005 m λ3 075 Wmk tp3 2893865242 degC
δ4 0018 m λ4 00177 Wmk tp4 2782971565 degC
δ5 0005 m λ5 075 Wmk tp5 -1413301307 degC
δ6 m λ6 Wmk tp6 -1424390675 degC
tp7 degC
q 1663405 W
Determinarea necesarului de căldură și apă caldă pentru un imobil
24
Figura 211
Q1 = Q11 + Q12 + Q13 + Q14 = 8441254483 + 1892818 + 1000 + 605616
Q1 = 263871712 W
212 Mers de calcul pentru Q2
Q2 = n middot Q1
n - numarul de schimburi (07 08 1)
Q1 - fluxul de căldura pierdut prin transmisie
Q2 = 1 middot 263871712 =gt Q2 = 263871712 W
213 Mers de calcul pentru Q3
Q3 = 119898 middot119862119908 middot(119905119887minus119905119903)
120591 middot3600 [kW]
m - cantitatea de apa calda preparata [Kg]
m = n middot czn middot ρ [Kg]
ρ = 1000 Kgm3- densitatea apei [Kgm3] n = 4 - numarul de locatari =gt n
czn - consumul zilnic de persoana [l] gtgtgt czn = l middot 1000 = m3
Un consum de acm specific unui nivel de confort mediu la o temperature de 45degC vom avea un czn = 50 l de persoana
cw - căldura specifica a apei [KJKgC] =gt cw = 4186 KJKgmiddotC
tb - temperatura apei din boiler [C] =gt tb = 50degC
tr - temperatura apei de intrare [C] =gt tr = 10degC
Icircn general avem vara tr = 1217degC iar iarna tr = 5hellip10degC
120591 - timpul icircn care este incalzita apa [h] =gt 120591 = 4h
m = 4 middot (50 middot 1000) middot 1000 m = 200 Kg
Q3 = 200 ∙4186 ∙(50 ∙10)
4 ∙3600 =gt Q3 = 2325555556 W
Q = Q1 + Q2 + Q3 = 263871712 + 263871712 + 2325555556
Q = 7602989795 W =gt Q = 76 KW
Calculul necesarului de frig pentru depozit de fructe
25
3 Calculul necesarului de frig pentru depozit de fructe
31 31 Calculul grosimii izolatiilor
Regimul de funcţionare al spaţiilor frigorifice caracterizat prin valori coboracircte ale temperaturilor prin variaţia rapidă a acestora şi prin umiditatea mare a aerului icircncăperilor impune pentru izolaţiile termice ale pereţilor planşeelor şi pardoselilor condiţii deosebite Pereţii spaţiilor frigorifice despart două medii cu temperaturi diferite Fluxul de căldură ce pătrunde din exterior icircn camere care trebuie preluat de instalaţia frigorifică este direct proporţional cu diferenţa de temperatură dintre cele două feţe ale peretelui şi cu coeficientul global de transmitere a căldurii Izolarea se execută la spaţiile răcite atacirct la pereţi cacirct şi la tavan şi podea şi are ca rol icircmpiedicarea apariţiei condensului pe suprafaţa caldă a pereţilor incintelor frigorifice
Figura 31 Fig13 Variaţia de temperatură prin peretele termoizolant
Din exploatarea frigoriferelor se cunoaşte că prin icircnvelişul exterior al spaţiilor frigorifice trece icircn majoritatea cazurilor mai mult de jumătate din cantitatea totală de căldura ce pătrunde icircn icircncăperi Această cantitate de căldură se poate reduce prin majorarea grosimii stratului termoizolant Dar reducerea infiltraţiilor de căldură icircn acest tel nu se poate face nelimitat deoarece la o anumită grosime a stratului izolant adică la o anumită valoare a coeficientului k de transfer al căldurii costul construcţiei izolate va fi mai mare decacirct costul energiei ce reprezintă frigul economisit prin majorarea grosimii izolaţiei
De aceea se obişnuieşte a se folosi icircn calcule valori optime ale coeficientului k de transfer al căldurii calculacircndu-se astfel o grosime optimă a izolaţiei termice
Pentru izolarea pereţilor camerelor se vor folosi panouri tip sandwichFig15
Calculul necesarului de frig pentru depozit de fructe
26
Figura 32 Fig15 Construcţia panourilor de tip sandwich
Rolul panourilor plastifiate este de a preicircntacircmpina pătrunderea vaporilor icircn interiorul izolaţiei eliminacircnd necesitatea barierei de vapori Panourile folosesc metoda de icircmbinare nut-feder reducacircndu-se astfel transferul de căldură cu mediul extern
Deoarece avem un singur depozit vom adopta coeficienţii de transfer de căldură prin
convecţie funcţie de t
Aleg pentru t = = te - ti = 318 - 1 = 308 0C k = 023 Wm2K
Din catalogul de produse INCOLD Italia se alege poliuretan 100 mm = 0023 WmK
Tablă din oţel galvanizat plastifiat
Calculul necesarului de frig pentru depozit de fructe
27
Tabelul 317 Tabel24 Calculul grosimi izolației
ei
i
i
izizk
111
Coeficientul global de transfer de căldură se determină utilizand relaţia
eiz
iz
i
i
i
k
11
1
n
i i
i
1
- suma rezistenţelor termice ale tuturor straturilor din care este realizat
peretele[m2KW]
iz - grosimea stratului de izolaţie termică [m]
iz - conductivitatea termică a materialului izolator [WmK]
e - coeficient de convecţie pe partea exterioară a peretelui [WmK]
i - coeficient de convecţie pe partea interioară a peretelui [WmK]
32 32 Bilantul caloric al spatiului climatizat pe timp de vară Necesarul de frig pentru frigorifer
Se stabileşte consumul zilnic de frig pe icircntreg frigoriferul şi pentru fiecare icircncăpere icircn parte luacircndu-se icircn considerare cele mai nefavorabile condiţii de lucru
temperatura aerului exterior pentru luna cea mai caldă a anului
icircncărcarea maximă şi simultană a camerelor de refrigerare
Spaţiul frigorific
Perete k αi αe 1αi 1αe R 1k λiz
δiz
calc δiz
ales Kr
[Wm2K] [m2KW] [WmK] [m] [m]
N 0229 10 18 010 006 0590 4367 0023 0097 0100 023
E 0224 10 12 010 008 0618 4464 0023 0098 0100 023
DR S 0221 10 12 010 008 0618 4525 0023 0100 0100 023
V 0223 10 12 010 008 0618 4484 0023 0099 0100 023
T 0221 10 12 010 008 0618 4525 0023 0100 0100 023
P 0228 10 0 000 000 0435 4386 0023 0000 0100 023
N 0221 25 12 004 008 0558 4525 0023 0101 0100 023
E 0224 25 12 004 008 0558 4464 0023 0100 0100 023
CP S 0224 25 12 004 008 0558 4464 0023 0100 0100 023
V 0223 25 12 004 008 0558 4484 0023 0100 0100 023
T 0221 25 12 004 008 0558 4525 0023 0101 0100 023
P 0228 25 0 000 000 0435 4386 0023 0000 0100 023
Calculul necesarului de frig pentru depozit de fructe
28
camerele vecine celei căreia i se face calculul necesarului de frig sunt goale şi au temperatura vestibulului sau a sasului
Aceste calcule determină necesarul de frig pe categorii de consumatori grupaţi după temperatura cerută şi permit stabilirea puterilor frigorifice icircn vederea proiectării instalaţiei
Pentru calculele termice sunt necesare următoarele
planul frigoriferului care a fost stabilit
dimensiunile camerelor
temperaturile necesare icircn fiecare cameră
Se consideră
1degC icircn depozitele de refrigerate
orientarea frigoriferului după punctele cardinale
condiţii climatice icircn lunile cele mai călduroase pentru zona geografică respectivă
Consumul de frig se calculează pentru 24 ore cu relaţia
Qnec = Q1 + Q2 + Q3 + Q4 [kcal24h]
Q1 - neeesarul de frig pentru acoperirea pătrunderilor de căldură prin cenvecţie
conducţie şi radiaţie din mediul icircnconjurător prin pereţi pardosea și plafon
Q2 - necesarul de frig tehnologic pentru procesele de răcire refrigerere şi
congelare eliminarea căldurii de respiraţie seu pentru unele procese chimice şi
biochimice
Q3 - necesarul de frig pentru ventilarea camerelor frigorifice cu aer proaspat care
trebuie racit şi uscat
Q4 - necesarul de frig rezulticircnd din condiţii de exploatare acoperirea căldurii
provenite din iluminat din funcţionarea motoarelor căldura provenită de la persoanele ce
manipulează produsele datorită deschiderii uşilor etc
321 Consumul de frig Q1
Se determină pentru fiecare spaţiu icircn parte cu relaţia
RttkFQ1 [ W ]
F - reprezintă suprafaţa pereţilor a pardoselei şi a plafonului corespunzător fiecărui
spaţiu frigorific icircn parte icircn m2 Ca suprafaţă de transfer se va considera suprafaţa
exterioară a perimetrului izolat termic
k - reprezintă coeficientul global de transmitere a căldurii prin convecţie conducţie şi radiaţie
prin pereţi plafon şi pardoseală (toate izolate termic) icircn [W(m2 middot grd)] Valoarea coeficientului k a
fost calculată icircn tabelul 24 (kr)
Δt - reprezintă diferenţa de temperaturi dintre temperatura exterioară suprafeţei de
transfer termic considerată şi temperatura interioară spaţiului frigorific
Calculul necesarului de frig pentru depozit de fructe
29
Diferenţa de temperatură ΔtR se ia icircn consideraţie numai la pereţii exteriori şi la
plafoane care sunt şi acoperiş pentru clădire
ΔtR = 0degC pentru pereţi exteriori orientaţi spre N
ΔtR = (5 10)degC pentru pereţi exteriori orientaţi spre E V S-E S-V
ΔtR = 15 degC pentru pereţi exteriori orientaţi spre S
ΔtR = (15 18)degC pentru plafoane care sunt şi acoperiş (terasă)
Calculul valorilor mărimii sumQ1 se recomandă a se efectua tabelar conform tabelului 25
Valoarea mărimii sum Q1 la aparate se obţine prin icircnsumarea fluxurilor termice prin toate cele 6 suprafeţe delimitatoare
La stabilirea valorii mărimii sum Q1 se consideră doar unul dintre fluxurile termice prin suprafeţele ce separă spaţiile frigorifice vecine Pentru aparatele de răcire din spaţiile frigorifice se consideră situaţia cea mai grea pentru fiecare spaţiu icircn parte respectiv că spaţiile vecine nu sunt răcite
Spaţiul frigorifi
c
Perete
Dimensiuni
Supraf F
[m2]
Kr [Wm2K]
Δt [grd]
Δtr
Q1 [W] sumQ1 q a [m]
b [m]
N 15 4 60 023 308 42504
246068
708
E 7 4 28 023 308 8 24987 892
DR S 15 4 60 023 185 15 46202 770
V 7 4 28 023 308 19835 708
T 15 7 105 023 308 74382 708
P 15 7 105 023 158 38157 363
N 7 4 28 023 185 11914
133566
426
E 7 4 28 023 268 8 22411 800
CP S 7 4 28 023 268 15 26919 961
V 7 4 28 023 185 11914 426
T 7 7 49 023 268 30204 616
P 7 7 49 023 268 30204 616
Tabelul 318 Tebel25 Calculul valorilor mărimii Q1
322 Necesarul de frig Q2
sum Q2 - necesarul de frig tehnologic pentru procesele de răcire refrigerare şi
congelare
Q2d = mcp(tc-ti)=500003644 = 4186000(243600)= 842 kW
Q2c = 2600036419 = 1798160 = 208 KW
Q2 = 208 + 842 = 293 = 30kW
unde
Q2d - necesarul de frig tehnologic depozit
Q2c - necesarul de frig tehnologic camera de preracire
Calculul necesarului de frig pentru depozit de fructe
30
m - cantitatea de produse introduse icircn tunelul de congelare icircn kg
te ti - temperaturi specifice corespunzătoare temperaturii iniţiale a produsului cald
(24 ordmC) respectiv temperaturii finale a produsului refrigerat (1 ordmC)
Căldura specfifică mere cp = 364 [kJkgK]
323 Necesarul de frig Q3
Icircn funcţie de natura produselor din spaţiul frigorific este necesar uneori să se realizeze ventilarea spaţiului prin asigurarea unui anumit număr de schimburi ale aerului din incintă icircn 24h Ca exemplu icircntotdeauna va fi necesară ventilarea prin introducere de aer proaspăt icircn spaţiile de păstrare pentru legume fructe şi ouă refrigerate Aceste produse vii respiră icircn timpul păstrării şi necesită icircn consecinţă ventilarea spaţiilor de păstrare
Acest consum de frig se ia icircn considerare doar la depozitele de refrigerare care se ventilează Se stabilește cu relația
Q3 = V ∙ a ∙ ᵖi ∙ (hex - hi) [kJ24]
V - volumul camerelor ventilateicircn m3
a = 24 schimburi pe zi pentru depozitele de mere
ᵖi - reprezintă densitatea aerului la temperature interioară icircn kgm3
Pentru depozitele de refrigerare considerăm umiditatea relativă ᵠi = 95 și ti=1 ordmC
rezultacircnd icircn acest caz hi= 9 kJkg
Parametri aerului exterior pentru zona icircn care este amplasat depozitul sunt temp ex 318
și umiditatea ext 60 rezultand din diagram mollier entalpia aerului Calcul facut icircn
programul Coolpack
ρi = 12 kgm3
hex = 7519 kJkg
Q3 = 616 2 12 (7519 - 9) (243600)= 00025 kW
324 Necesarul de frig Q4
Q4 - frigul consumat pentru acoperirea pierderilor icircn timpul exploatarii datorat deschiderii
usilor a corpurilor de iluminat a motoarelor electrice a oamenilor Se admite Q4 =
(01hellip04)Q1
Q4 = 02 379617 = 759234 = 008 kW
Qtotal = sum 119824120783 + Q2 + Q3 + Q4 = 004 + 30 + 000025 + 008 = 3012 = 31 kW
33 33 Stabilirea directiei raportului de termoumiditate și trasarea procesului de conditionare a aerului pe diagrama i-X pe timp de vară
Icircn fig16 este reprezentat un agregat pentru condiţionarea aerului pe timp de vară cu recirculare parţială
Calculul necesarului de frig pentru depozit de fructe
31
Figura 33 Figura16 Schema aparatului de condiţionare a aerului pe timp de vară cu recirculare parţială
F - filtru V - vaporizator C - compressor K - condensator VL - ventil de laminare I - icircncălzitor Vt - ventilator
Procesele de lucru pot fi reprezentate icircn diagrama h-x ca icircn figura următore
Figura 34 Fig17
A reprezintă starea aerului recirculat provenit din spaţiul condiţionat iar E este starea aerului exterior
Aerul tratat icircn aparatul de condiţionare care se introduce icircn incintă avacircnd starea B
trebuie să preia degajările de căldură Qv [kW] şi de umiditate Wv [kgs]
Direcţia procesului suferit de aer icircn incintă este dată de raportul de termoumidificare εv
= Qv Wv
Prin punctul A se trasează dreapta avacircnd raportul de termoumidificare εv iar punctul B se fixează pe această dreaptă adoptacircndu-se o anumită diferenţă de temperatură faţă de starea A
Aerul recirculat A se amestecă cu aerul proaspăt E şi rezultă starea de amestec M De regulă xM gt xB deci aerul va trebui să fie uscat
Pe verticala din B se fixează starea D avacircnd xD= xB şi ᵩD = 90hellip98
Calculul necesarului de frig pentru depozit de fructe
32
Se uneşte M cu D iar apoi se prelungeşte acest segment pacircnă la intersecţia cu ϕ = 100 rezultacircnd starea P avacircnd temperatura tp
Circulacircnd aerul cu starea M peste o suprafaţă rece avacircnd temperatura tp se va obţine procesul de răcire şi uscare MD
Temperatura suprafeţei tp se asigură cu o instalaţie frigorifică a cărei temperature de vaporizare va fi t0 lt tp
Ultimul proces din aparatul de condiţionare va fi icircncălzirea finală DB
Calculul agregatului de condiţionare a aerului pe timp de vară se efectuează asemănător cu cel a agregatului de condiţionare a aerului pe timp de iarnă cu observaţia că pe timp de vară nu este necesară umidificarea
331 Date
Vtotal = 616 m3 tint = 1ᵒC tex = 318 φint = 90 φext = 60 ρaer = 12 [kgm3]
Starea A
tA = ti + 3 = 4deg xA = 00043[kj
kg] φA = 86 hA = 1489[
kj
kg]
Starea B
tB = 1degC xB = 00036 [kj
kg] φB = 90 hB = 1024[
kj
kg]
Starea E
tE = 318degC xE = 00171[kj
kg] φE = 60 hE = 7519[
kj
kg]
Starea M
hM =hE + n ∙ hA
n + 1=
7513 + 20 ∙ 1489
21= 1775[
kj
kg]
xM =xE + n ∙ xA
n + 1=
00171 + 20 ∙ 00043
21= 00049[
kj
kg]
Rezulta din diagrama Mollier
Starea D
hD = 108 [kj
kg] xD = 0003[
kj
kg] φD = 97
Raportul de recirculare n = 20
Debitul de aer ventilat V =Vtotal∙20
24h=
616lowast20
24= 513 [m3h]
Debitul masic m = V ∙ ρaer = 513 lowast 12 =
6156[kg
h]
3600= 0171 [kgs]
tp = minus3degC t0 = tp minus 9degC = minus3 minus 9 = minus12degC
Puterea termica a vaporizatorului ( puterea frigorifică )
ФV = Ф0
Puterea termica a icircncalzitorului
ФI = 119898 ∙ (hB - hD)
Cantitatea de apa condensată icircn unitatea de timp pe suprafața de racire este
Calculul necesarului de frig pentru depozit de fructe
33
ẆV = 119898 ∙ (XM - XD)
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
34
4 Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
Există două domenii principale icircn care se utilizează frigul artificial icircn lucrările de construcţii şi anume
icircngheţarea terenurilor acvifere icircn vederea săpării puţurilor de mină a barajelor a depozitelor de gaze lichefiate etc
prerăcirea componentelor betonului icircn cazul executării unor masive de beton ca de exemplu baraje
41 51 IcircNGHEŢAREA SOLULUI
411 511 CONSIDERAŢII GENERALE PRIVIND IcircNGHEŢAREA SOLULUI
Icircngheţarea artificială a solului reprezintă una dintre cele mai interesante şi icircn acelaşi timp şi importante aplicaţii practice a frigului artificial Totodată este una dintre primele aplicaţii industriale a tehnicii frigului şi care a asigurat o dezvoltare deosebită a industriei extractive Aşa se explică faptul că odată apărută maşina frigorifică cu absorbţie realizată icircn 1859 de către Ferdinand Carre este folosită la săparea primului puţ de mină prin icircngheţarea artificială a rocilor Dar nu numai industria minieră foloseşte icircn ultimul secol procedeul consolidării rocilor la săpararea unor lucrări subterane Lucrări inginereşti de tot genul ca metrouri staţii subterane de pompare rezervoare de gaze lichefiate poduri lucrări portuare şi altele asemănătoare amplasate icircn zone acvifere au fost realizate prin metoda consolidării prin frig a rocilor
Această metodă a consolidării rocilor prin frig artificial realizează icircn jurul lucrării inginereşti subterane un perete icircngheţat protector pe durata lucrărilor de construcţii Acest perete asigură o izolare hidraulică şi icircn acelaşi timp şi o protecţie mecanică Rezistenţa mecanică a rocilor creşte pe măsură ce temperatura lor scade icircncacirct metoda expusă mai sus prezintă avantajul reglării capacităţii portante a peretelui icircngheţat
Apa conţinută icircn terenuri prin icircngheţare capătă proprietăţile cimentului exprimate prin forţele de coeziune mari care apar icircntre cristalele de gheaţă şi grăunţii de rocă
Pentru obţinerea peretelui protector se folosesc sonde de icircngheţare forate pe conturul lucrării subterane şi prin care circulă agentul de răcire care poate fi un agent intermediar ca de exemplu saramura de clorură de calciu sau agentul frigorific de exemplu amoniacul Icircn funcţie de grosimea peretelui şi de rezistenţa mecanică pe care trebuie să o aibă se va alege temperatura agentului de răcire distanţa dintre sonde şi durata de icircngheţare
Instalaţia de consolidare prin frig a rocilor cuprinde trei părţi principale staţia frigorifică reţeaua de distribuţie a agentului de răcire (saramura) şi sondele de icircngheţare a solului
Staţia frigorifică cuprinde instalaţia frigorifică propriu-zisă cu comprimare mecanică de vapori sau prin absorbţie icircntr-o treaptă sau icircn două trepte Icircn funcţie de condiţiile de amplasament ale obiectivului staţia frigorifică poate fi de construcţie staţionară (icircn minerit) sau mobilă (la metrouri)
Reţeaua de distribuţie alcătuită din conducte metalice sau din mase plastice are rolul de a face legătura icircntre staţia frigorifică şi sondele de icircngheţare Pentru reducerea pierderilor de frig reţeaua de distribuţie se izolează termic
Sondele de icircngheţare constituie schimbătorul de căldură subteran prin care se extrage căldura de la terenul supus icircngheţării Icircn fig 51 se prezintă schiţa unei sonde de icircngheţare cu ajutorul saramurii Saramura rece cu temperatura icircntre -10 ordmC pacircnă la -35 ordmC
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
35
coboară prin ţeava interioară şi apoi se icircntoarce prin spaţiul inelar dintre cele două conducte concentrice
Figura 41 Fig 51 Sonda de icircngheţare 1 - şiu (tub scurt de oţel cu pereţi groşi rezistent) 2 - ţeava interioară 3 - ţeava exterioară (burlan de
icircngheţare) 4 - capul sondei
Circulaţia continuă a saramurii prin sonda de icircngheţare face ca rocile ce icircnconjoară sondele inclusiv apa conţinută icircn spaţiile libere să se răcească treptat Icircn jurul sondei icircncepe să se formeze stratul de rocă icircngheţată diametrul cilindrului de teren icircngheţat se măreşte icircn timp Aşa cum s-a arătat icircn capitolul 3 rezultă că dezvoltarea radială a cilindrului de rocă icircngheţată icircn jurul sondei se desfăşoară cu o viteza variabilă de icircnaintare la icircnceput viteza de icircnaintare a frontului de gheaţă este mai mare după care scade icircn timp Apoi se atinge stadiul staţionar de transfer de căldură cacircnd cilindrul nu mai creşte icircn dimensiuni Reiese că distanţa dintre sondele de icircngheţare este determinată de raza maximă a cilindrului de teren icircngheţat Pentru a realiza peretele icircngheţat care să reziste la solicitările la care este supus se impune ca distanţa dintre sondele vecine să fie mai mică decacirct raza maximă a terenului icircngheţat astfel icircncacirct cilindrii formaţi să se unească icircntre ei Icircn fig 52 se prezintă evoluţia icircn timp a icircngheţării terenului icircn jurul sondelor Icircn faza iniţială a icircnceput răcirea dar icircncă nu s-a format teren icircngheţat Icircn faza a II-a (după circa 20 zile) icircn jurul fiecărei sonde se formează cacircte un cilindru de teren icircngheţat fără ca aceştia să se unească Icircn faza a III-a (după circa 30 zile) cilindrii se icircntretaie şi formează peretele protector
Figura 42 Fig 52 Evoluţia cilindrilor individuali de rocă icircngheţată 1 - sonda de icircngheţare 2 - sonda de măsurători termice 3 - teren icircngheţat
Această evoluţie poate fi urmărită cu suficientă precizie prin măsurarea temperaturii masivului cu ajutorul unor sonde de măsurători termice 2 montate la distanţe bine stabilite de sondele vecine de icircngheţare Astfel icircn faza I-a temperatura este cea iniţială deci neafectată de prezenţa sondelor icircn faza a II-a temperatura este mai scăzută dar mai mare de 0 ordmC Cum icircn practică sondele de icircngheţare au o abatere de la poziţia verticală (sau de la cea impusă prin proiect) sondele de măsurători termice sunt prevăzute icircntre sondele
I II III
1
2 2 2
3 3
SARAMURĂ CALDĂ
IEŞIRE
INTRARE SARAMURĂ A E RECE
1
2
3
4
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
36
cele mai distanţate icircntre ele acolo unde evoluţia peretelui de protecţie este cea mai defavorabilă
Primele realizări inginereşti de consolidare prin frig artificial a terenurilor acvifere metodă prin care vor fi aduse la lumină multe bogăţii subterane sunt legate de numele inginerului de mine şi metalurgie Friederich Herman Poetsch El a obţinut icircn 27 februarie 1883 brevetul pentru procedeul său de adacircncire a puţurilor verticale icircn roci bogate icircn apă (şi curgătoare) Poetsch a reuşit să experimenteze procedeul său la adacircncirea unor puţuri de mină dar a avut şi multe insuccese icircncacirct la 9 iunie 1902 moare sărac şi dezamăgit Metoda de icircngheţare prin frig artificial a terenurilor a avut mare succes icircn Franţa Astfel numai icircn perioada 1892 - 1898 icircn bazinele carbonifere Nord şi Pas de Calais s-au săpat circa 20 puţuri pacircnă la o adacircncime de 100 m prin aplicarea metodei icircngheţării după planurile lui Poetsch
Desigur că nu ar putea fi omis numele lui Louis Gebhard care realizează numeroase lucrări de adacircncire a puţurilor prin icircngheţare atacirct icircn Germania cacirct şi icircn Franţa Anglia Olanda şi Polonia ceea ce face ca metoda propusă de Poetch să devină o tehnologie demnă de toată icircncrederea cu siguranţă absolută şi cu un mare randament
Gebhard un mare practician icircncepe sa folosească icircn locul instalaţiilor cu absorbţie realizate de F Carre pe cu cele cu comprimare mecanică de vapori realizate de Karl von Linde cu icircncepere din anul 1874
Poetsch icircn 1888 prevede extinderea procedeului de icircngheţare la construcţia podurilor la construcţii navale lucrări de fortificaţii la protecţia fundaţiilor subterane şi a bazinelor cu apă El susţine că poate să rezolve orice problemă sub apă chiar şi puţuri icircncepute şi abandonate
Icircn anul 1900 se depăşeşte bariera adacircncimii de 100 m Realizarea unor puţuri mai adacircnci (peste 100 m) ridică unele probleme icircn plus faţă de puţurile de mai mică adacircncime deoarece abaterile de la verticalitate pot conduce la formarea unor ferestre icircn peretele protector
Icircn ţara noastră această tehnologie de forare a unor puţuri de mină cacirct şi a galeriilor de metrou prin icircngheţarea solului a fost folosită cu icircncepere din anul 1961 aşa cum se prezintă icircn paragraful 513
412 512 CONSTRUCŢIA INSTALAŢIEI DE IcircNGHEŢARE A SOLULUI
Icircn funcţie de forma şi mărimea lucrării care se realizează la adăpostul terenului icircngheţat principial se pot utiliza următoarele tipuri de instalaţii
a) cu răcire indirectă denumită şi cu dublu schimb (fig53)
b)cu răcire directă icircn circuit icircnchis (fig 54)
c)răcire directă icircn circuit deschis (fig55)
a) Răcirea indirectă se utilizează icircn practică cel mai mult fiind cunoscută icircncă de la icircnceputurile metodei de icircngheţare a solului
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
37
Figura 43 Fig 53 Instalaţia frigorifică cu răcire indirectă 1 - compresor 2 - condensator3 - ventil de laminare 4 - vaporizator 5 - bazin de răcire a saramurii 6
- agitator 7 - pompă de saramură 8 - sonde de icircngheţare
Ca agent frigorific se poate folosi amoniacul sau freonii iar ca agent intermediar se utilizează soluţiile de clorură de calciu clorura de sodiu sau magneziu sărurile respective fiind relativ uşor de procurat
Instalaţiile frigorifice cuprind unul sau mai multe blocuri frigorifice Acest mod de compunere prezintă avantaje icircn ceea ce priveşte montarea cacirct şi exploatarea instalaţiilor se poate asigura o reducere icircn trepte a puterii frigorifice pe măsură ce creşte rezistenţa termică a stratului de teren icircngheţat
Componentele principale ale instalaţiei frigorifice se montează grupat pe cele trei secţiuni secţia de compresoare secţia condensatoarelor şi secţia vaporizatoarelor De regulă compresoarele se montează fie icircn aer liber atunci cacircnd tipul lor permite fie acoperite sub şarpante protectoare
Pe măsură ce se scot din funcţiune blocurile frigorifice se demontează şi se pot monta la un nou obiectiv
b) Răcirea directă icircn circuit icircnchis (fig 54) se utilizează icircn cazul icircn care adacircncimea de icircngheţare este mică
Figura 44 Fig 54 Instalaţia frigorifică cu răcire directă icircn circuit icircnchis 1 - compresor 2 - condensator 3 - ventil de laminare 4 - sonde de icircngheţare
Sondele de icircngheţare constituie vaporizatorul instalaţiei frigorifice Icircn cazul unor sonde de lungime mare icircnălţimea coloanei de agent frigorific este de asemenea mare Ca urmare a presiunii hidrostatice variabile şi temperatura de vaporizare este variabilă fiind mai mare
1
2
1111111 Apă
3
4
1
2
Apă 3
4
5
6
7
8
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
38
la capătul inferior şi mai mică la capătul superior Din acest motiv adacircncimea sondelor de icircngheţare nu poate depăşi anumite limite şi icircn plus se recurge la fragmentarea coloanei de lichid cu ajutorul unor pereţi despărţitori
Pierderile de agent frigorific mai mari decacirct icircn cazul răcirii indirecte reprezintă un alt inconvenient al acestui mod de răcire
c) Răcirea directă icircn circuit deschis constă icircn introducerea agentului frigorific (cel mai frecvent azot lichid) icircn sondele de icircngheţare fără ca acesta să mai fie folosit după vaporizare
La presiunea atmosferică azotul lichid fierbe la temperatura de -196 ordmC icircncacirct vaporii reci de azot icircnainte de a fi evacuaţi se folosesc de asemenea pentru congelarea solului fiind circulaţi prin sonde de icircngheţare (Fig 55)
Figura 45 Fig 55 Icircngheţarea cu azot lichid icircn două trepte 1 - ventil de laminare 2 - sonda de icircngheţare 3 - sonda de icircngheţare cu vapori de azot
Această metodă se foloseşte cacircnd se urmăreşte o icircngheţare rapidă şi volumul de teren icircngheţat este redus
Se vor prezenta icircn continuare unele elemente constructive ale instalaţiilor de icircngheţare
Reţeaua de saramură (fig 56) are rolul de a asigura transferul de căldură de la sol către agentul frigorific Cuprinde două schimbătoare de căldură cel subteran alcătuit din sondele de icircngheţare şi cel de suprafaţă reprezentat de vaporizatorul imersat icircn saramură Icircntre cele două schimbătoare de căldură există conducte magistrale distribuitoare - colectoare şi racorduri la sonde
Saramura răcită prin intermediul vaporizatorului 1 este circulată cu pompa 2 prin magistrala de tur a reţelei 3 Sondele de icircngheţare 5 se leagă prin vane la distribuitorul 4 şi colectorul 6 ambele de construcţie inelară Printr-o asemenea construcţie şi mod de legare a sondelor prezentate icircn figura 56 se asigură o echilibrare a căderilor de presiune pe sondele de icircngheţare şi ca urmare o alimentare uniformă cu agent intermediar şi deci şi o răcire uniformă pentru toate sondele
1
2
AZOT LICHID
VAPORI
AZOT -40OC
3
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
39
Figura 46 Fig 56 Schema reţelei de saramură 1- vaporizatorul 2 - pompa de saramură 3 - magistrala de tur 4 - distribuitorul inelar 5 -sondele de
icircngheţare 6 - colectorul inelar 7 - magistrale de retur M - manometru D - debitmetru T - termometru
Magistralele 3 şi 7 de acelaşi diametru şi lungime variabilă (determinată de o serie de factori) se pot monta atacirct la suprafaţă cacirct şi icircn canal
Magistralele se dimensionează icircn funcţie de puterea frigorifică a schimbătorului de căldură subteran alcătuit din sondele de icircngheţare
F0 qNHd [W] (51)
unde d - diametrul exterior al sondei de icircngheţare m
H - adacircncimea de icircngheţare m
N - numărul de sonde de icircngheţare
qF - densitatea fluxului termic raportat la suprafaţa exterioară a sondei La temperatura saramurii de - 20 ordmC se poate considera qF = (260290) Wm2
Debitul volumic V de agent intermediar icircn reţeaua de icircngheţare icircn funcţie de care se aleg
pompele se determină cu relaţia
tc
V o
(52)
icircn care este densitatea agentului intermediar kgm3
c - căldura specifică a agentului intermediar JkgK
t - creşterea temperaturii agentului (saramura) icircn sondele de icircngheţare K
La icircnceputul perioadei de răcire diferenţa de temperatură este t = 56 K ca apoi să scadă la 12 K
Icircn conductele magistrale se recomandă ca viteza saramurii să fie w = 0915ms
Icircn acest caz diametrul conductelor de transport a saramurii este dat de relaţia
w
V4D
[m] (53)
Icircn funcţie de valoarea determinată pentru D se aleg conducte metalice de diametru nominal cuprins icircntre 75200 mm Dacă rezultă D gt 200 mm se vor alege două conducte cu diametrul mai mic de 200 mm
2
T
T
M
M D
D
NH
3
3
4
6
5
7
1
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
40
Conductele magistrale se realizează prin icircmbinări cu flanşe sau sudate iar la lungimi mai mari de 100150 m se vor prevedea coturi compensatoare Pentru reducerea pierderilor de frig magistralele vor fi izolate termic
Distribuitorul de saramură răcită şi colectorul de saramură de la sonde sunt construcţii metalice identice
Icircn figura 57 se prezintă modul de racordare a sondelor de icircngheţare 5 la distribuitorul 1 şi colectorul 2 Vanele 3 asigură icircnchiderea deci oprirea circulaţiei şi reglajul debitului Prin aceste vane se poate izola o anumită sondă care nu funcţionează normal sau la care se observă o anumită defecţiune
Figura 47 Fig 57 Racordarea sondelor de icircngheţare la distribuitor şi colector 1 - distribuitor 2 - colector 3 - vane 4 - racord elastic 5 - sonda de icircngheţare
Poziţia distribuitorului şi colectorului faţă de racircndul sondelor de icircngheţare poate fi laterală de o singură parte sau laterală de ambele părţi ale sondelor Amplasamentul trebuie astfel făcut icircncacirct să fie posibilă vizitarea supravegherea şi eventual icircnlocuirea sondelor de icircngheţare
Racordarea sondelor la distribuitor şi colector se face prin cacircte un racord elastic (fig 57) Dimensionarea distribuitoarelor şi a colectoarelor se face din condiţia ca viteza saramurii să nu depăşească 0915 ms
Coloanele de distribuţie şi colectare urmăresc icircn teren forma şirului de sonde de icircngheţare şi pot avea acelaşi traseu sau trasee diferite Configuraţia traseului poate fi icircn linie sau circulară Icircn oricare din situaţiile prezentate distanţele dintre ştuţurile de racord şi sondele de icircngheţare sunt variabile astfel icircncacirct racordurile rigide prin flanşe şi sudură sunt greu de realizat Cea mai practică soluţie de racord icircn acest caz este furtunul de cauciuc (fig 57)
Icircn reţeaua de saramură poate pătrunde aer prin procesul de pompare ceea ce conduce la intensificarea acţiunii corosive a saramurii Icircn scopul icircndepărtării aerului nedorit pe partea superioară a conductelor icircn punctele cele mai ridicate ale acestora se montează robineţi de evacuare periodică a aerului şi eventual a altor gaze
Pe conductele magistrale se vor monta aparate de măsură şi control debitmetre termometre şi manometre (fig 56) Icircn acest caz se poate aprecia funcţionarea fiecărei sonde după depunerile exterioare de gheaţă pe racordul metalic sau de cauciuc lăsate neizolate termic tocmai icircn acest scop Icircn scopul urmăririi regimului de lucru sub aspect
5
4
1
2 3
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
41
hidraulic şi termic icircn mod individual se pot monta aparate de măsură şi control pe fiecare sondă de icircngheţare dar această soluţie este mai costisitoare
Sonda de icircngheţare realizează transferul de căldură de la terenul ce urmează a fi icircngheţat spre agentul frigorific (la răcirea directă) sau agentul intermediar (la răcirea indirectă)
Icircn figura 51 s-a prezentat schema de principiu a unei sonde de icircngheţare cu saramură activă pe toată lungimea Conducta exterioară sau burlanul de icircngheţare 3 este o conductă din oţel etanşă şi rezistentă la eforturile mecanice care apar datorită presiunii solului şi variaţiei de temperatură icircntre momentul fixării ei icircn sol şi cel al funcţionării la o temperatura sub 00C
Icircn procesul de icircngheţare coloana de burlane care poate atinge lungimi de sute de metri se contractă icircnsă nu liber deoarece ea este stracircnsă icircn masivul de roci La o variaţie de temperatură icircntre momentul iniţial (fără saramură) şi momentul pornirii circulaţiei de saramură de 400C conducta din oţel de 500 m adacircncime ar trebui să se contracte cu
tHH = 500 11 10-6 40 = 0220 m = 22 cm
Datorită fixării coloanei icircn gaura forată efortul unitar de icircntindere ce apare icircn urma scăderii temperaturii este
tE = 22 1010 11 10-10 40 = 968 105 Nm2 = 9680 Ncm2
La acest efort de icircntindere apărut datorită contracţiei coloanei se mai adaugă efortul de acelaşi semn provocat de dilatarea masivului de rocă acviferă icircngheţată Icircn scopul compensării eforturilor de icircntindere s-a propus icircmbinarea coloanei cu nipluri elastice O asemenea soluţie este mai scumpă şi icircn plus micşorează secţiunea liberă de curgere ceea ce conduce la icircncălzirea excedentară a saramurii
La lucrări subterane de mare adacircncime ca puţurile de mină depozite subterane se folosesc burlane de 1397 x 7 mm pentru a fi posibilă determinarea abaterii de la poziţie verticală
La tunelurile de metrou şi icircn general la lucrările la care adacircncimea de icircngheţare nu depăşeşte 50 - 60 m diametrul cel mai frecvent utilizat este 1143 x 7 mm
Ţeava interioară 2 (fig 51) numită şi tub de alimentare de regulă ţeava uşoară de instalaţii de 50 mm diametrul se introduce icircn burlanul exterior 3 fără icircnsă a atinge şiul de bază 1 al sondei Se asigură icircn acest mod un volum minimal de depuneri solide care circulă cu saramura icircn mod incidental Icircn scopul economisirii de metal tubul de alimentare poate fi din material plastic ceea ce prezintă marele avantaj al lipsei coroziunii şi al refolosirii materialului respectiv
Şiul de fund are rolul de a asigura icircnchiderea burlanului exterior icircn partea sa inferioară Cel mai adesea are formă conică pentru a asigura introducerea cu uşurinţă a coloanei metalice icircn gaura de sondă Această componentă a sondei de icircngheţare se execută fie prin turnare sau se confecţionează cu ajutorul sudurii
Corespunzător profilului geologic al terenului icircn care se lucrează se icircntacirclnesc şi cazuri cacircnd nu este nevoie să se icircngheţe terenul pe toată icircnălţimea sondelor ci numai la partea lor inferioară Icircn acest caz se folosesc sonde de icircngheţare zonală (fig 58) cu ajutorul cărora se asigură congelarea doar a zonei inferioare ceea ce prezintă avantaje economice deosebite nu se consumă energie pentru a icircngheţa icircn mod inutil formaţiuni geologice consistente şi uscate şi nu se reduce ritmul lucrărilor de săpare printr-o eventuală mărire a rezistenţei rocilor
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
42
Figura 48 Fig 58 Sonda de icircngheţare zonală
1 - burlan exterior 2 - tub de alimentare 3 - şiu 4 - tub de evacuare
Figura 49 Fig59 - Sonda de icircngheţare cu agent
frigorific 1 - tub exterior 2 - perete despărţitor 3 - şiu 4 -
ştuţ (ţeavă de preaplin) 5 - condensator - vaporizator
Icircn cazul răcirii directe sondele de icircngheţare cu agent frigorific sunt de construcţie specială (fig 59) Particularitatea acestor sonde este prezenţa pereţilor despărţitori 2 dispuşi unul sub celălalt la circa 3 m fiecare perete fiind prevăzut cu un ştuţ de preaplin O asemenea construcţie are rolul de a fracţiona coloane de lichid ceea ce asigură o răcire mai uniformă pe lungimea sondei
Fiecare sondă este prevăzută la partea superioară cu cacircte o cămaşă de răcire Sondele se umplu cu amoniac lichid icircntr-o asemenea cantitate icircncacirct fiecare secţie să fie icircnecată cu lichid respectiv pacircnă la partea superioară a ştuţurilor 4 Ca urmare a fluxurilor de căldură de la sol se produce fierberea amoniacului icircn toate secţiile sondei Vaporii formaţi se ridică prin ştuţurile 4 şi ajungacircnd la partea superioară a sondei se condensează cedacircnd căldură agentului (amoniac) din cămăşile de răcire
Ca urmare cămăşile de răcire de la partea superioară a sondelor constituie vaporizatorul instalaţiei frigorifice Amoniacul care se condensează la partea superioară a sondei curge icircnapoi (de sus icircn jos) prin ştuţurile 4 Folosirea pereţilor despărţitori şi a ştuţurilor micşorează influenţa presiunii hidrostatice a lichidului asupra temperaturii de vaporizare a amoniacului Asemenea sonde de icircngheţare se folosesc pentru lucrări de mică adacircncime
Amplasarea sondelor se face icircn funcţie de o serie de factori formă poziţia şi dimensiunile lucrării care se realizează structura terenului temperatura şi viteza agentului etc
Icircn cazul puţurilor de mină de secţiune circulară sondele se amplasează pe un cerc
concentric de diametru D mai mare decacirct diametrul de săpare Ds cu grosimea a peretelui icircngheţat
sDD (54)
Trebuie să se ţină seama şi de deviaţia sondelor de la poziţia verticală icircncacirct pentru adacircncimi mari se utilizează relaţia
3
2 4
1
VAPORI 5 LICHID
3
2
4 1
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
43
a21DD s (55)
unde a = 003 H este abaterea medie statistică de la verticală a sondelor
Distanţa dintre sonde se ia de obicei de 1014 m icircn terenuri rezistente şi de 0809 m icircn terenuri slabe
Pentru adacircncimi de peste 500 m se recomandă să se dispună sondele pe două cercuri concentrice pentru a se forma un perete de grosime mai mare şi deci mai rezistent
La icircngheţarea terenului icircn jurul puţurilor de secţiune dreptunghiulară sondele se pot dispune pe dreptunghi sau elipsă Icircn aceste situaţii centura de teren icircngheţat poate fi solicitată la icircntindere ceea ce este de nedorit deoarece limita de rezistenţa la icircntindere a terenurilor icircngheţate este de circa 3 ori mai mică decacirct limita rezistenţei la compresiune Din acest motiv chiar şi la puţurile de mină de secţiune dreptunghiulară sondele se dispun pe unul sau două cercuri (fig 510)
Pentru realizarea galeriilor icircnclinate icircngheţarea terenului se realizează cu sonde verticale (fig 511) sau combinat atacirct cu sonde verticale cacirct şi cu sonde icircnclinate (fig 512)
Distanţa dintre sondele verticale (fig 511) se ia de 23 m iar distanţa dintre racircnduri este de 1525 m
Se poate folosi cacircte un racircnd de sonde icircnclinate montate deasupra galeriei (fig 212 a) sau sonde icircnclinate sub galerie şi sonde verticale scurte deasupra galeriei (fig 512 b)
SONDA
154 m
16
6 m
226
262
85
SONDA
Figura 411 Fig 511 Amplasarea sondelor verticale pentru realizarea galeriei icircnclinate
Figura 411 Fig 510 Dispunerea sondelor icircn jurul puţurilor de mină de secţiune
dreptunghiulară
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
44
Figura 412 Fig 512 Realizarea galeriilor icircnclinate cu sonde verticale (1) şi sonde oblice (2)
I - secţiunea longitudinală II - secţiunea transversală a) sonde icircnclinate deasupra galeriei b) sonde icircnclinate sub galerie
413 513 UTILIZAREA METODEI DE IcircNGHEŢARE A SOLULUI IcircN ŢARA NOASTRĂ
a)Puţuri de mină
Aplicarea metodei de icircngheţare a solului pentru lucrări de minerit a avut loc la noi icircn ţară icircncepacircnd cu anul 1960 la puţul Godeni din bazinul carbonifer Cacircmpulung - Muscel Proiectul a fost elaborat icircn anul 1959 la IPROMIN Bucureşti iar lucrarea a fost executată cu Trustul Minier Argeş avacircnd icircn subantrepriză de specialitate Icircntreprinderea Frigotehnica Bucureşti şi Trustul de prospecţiuni explorări şi deschideri de mine noi Bucureşti
Adacircncimea de săpare a puţului Godeni a trebuit sa fie de 202 m Sondele de icircngheţare constituite din două ţevi concentrice (fig 51) cu diametrele exterioare de 146 mm şi respectiv 57 mm icircn număr de 27 au fost amplasate pe un cerc cu diametrul de 10 m la distanţa de 117 m una de alta
Instalaţia frigorifică a fost dimensionată cu mare precauţie pentru a avea o siguranţă mărită icircn funcţionarea ei Toate părţile componente ale instalaţiei frigorifice au fost proiectate şi executate icircn ţară
La proiectarea instalaţiei s-a avut icircn vedere funcţionarea de scurtă durată şi variaţia puterii frigorifice icircn timp S-a utilizat răcirea indirectă cu soluţie de clorură de calciu iar ca agent frigorific a fost folosit amoniacul Pentru a avea elasticitatea necesară icircn funcţionare la diferite puteri frigorifice au fost folosite grupuri de utilaje frigorifice şi anume
6 compresoare 4 AU - 20 (200000 kcal Nh =233 kW fiecare)
3 baterii de condensatoare atmosferice a cacircte 300 m2 (900 m2)
bazine pentru răcirea saramurii fiecare cu cacircte 2 vaporizatoare superintensive de 50 m2 (600 m2)
2 grupuri a cacircte 5 pompe pentru recircularea saramurii
Puterea frigorifică a instalaţiei montate a fost de 12106 kcal Nh =1395 kW şi s-a caracterizat prin următoarele date tehnice la exploatare
85
1
2
I 85
1
2
I
85
1
2
II
85
1
2 II
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
45
o suprafaţa de schimb de căldură a sondelor 2500 m2 o puterea instalaţiei 750 kW o debitul saramurii icircn
o icircn perioada activă 350 m3h o icircn perioada pasivă 70 m3h
o viteza de circulaţie a saramurii icircn sondă o tur 18 ms 036 ms o retur 029 ms 006 ms
o volumul rocilor icircngheţate circa 10000 m3 o consumul specific de frig mediu 50000 m3 o durata icircngheţării (perioada activă) 130 zile
Icircn timpul răcirii şi deci a icircngheţării solului puterea frigorifică scade icircn mod continuu icircncacirct treptat s-a scos din funcţiune cacircte un compresor icircn perioada pasivă (de săpare a puţului) s-a menţinut icircn lucru doar un singur compresor şi grupul de utilaje aferent
După terminarea lucrărilor de la puţul Godeni icircn anii următori aceeaşi instalaţie s-a montat la puţul Poenari din acelaşi bazin carbonifer unde sondele au fost amplasate pe un cerc cu diametrul de 11 m la distanţa de 128 m una de alta
Un alt puţ realizat prin această tehnologie de icircngheţare a solului a fost puţul Jugur de la acelaşi bazin carbonifer Centrala frigorifică a cuprins 15 compresoare 3 AV - 20 (150000 kcal Nh fiecare=175kW) repartizate icircn 5 linii tehnologice independente cu icircntreg utilajul aferent Fiecare linie este compusă din
o butelie de răcire intermediară BRI - 700 un condensator cu evaporare forţată CEF - 180 un bazin cu patru grupuri vaporizatoare intensive de cacircte 165 m2 (icircn total 66 m2)
Sondele de icircngheţare icircn număr de 27 bucăţi au fost prevăzute să se amplaseze pe un cerc cu diametrul de 104 m la distanţă de 121 m Sondele sunt de tipul celei indicată icircn figura 58 deci cu răcire zonală avacircnd următoarele caracteristici diametrul exterior al burlanului este de 146 mm iar tuburile interioare au 57 mm (la exterior) tubul de alimentare are lungimea de 430 m iar cel de evacuare este de 220 m Ca urmare sondele de icircngheţare trebuie să producă icircngheţarea solului numai pe adacircncimea de la 220 m la 430 m Prin proiect s-au prevăzut următoarele date temperatura saramurii - 35 ordmC viteza saramurii icircn conducte de tur 18 ms viteza icircn conducte de retur (pe adacircncimea de răcit) 06 ms durata icircngheţării (perioada activă) a fost de 75 zile
Au fost prevăzute temperaturi scăzute şi viteze mari de congelare deoarece cilindrul icircngheţat trebuie să preia presiuni de pacircnă la 56 bar
b)Tunelurile pentru metroul din Bucureşti
Icircncepacircnd cu anul 1976 pentru realizarea metroului din Bucureşti s-a procedat la aplicarea metodei de icircngheţare a solului icircntr-o zonă considerată experimentală dar cu realizări efective de galerii
Prin proiect s-a prevăzut consolidarea prin icircngheţare artificială a profilului de săpare a tunelurilor de metrou pe o lungime de circa 550 m pe ambele fire Amplasamentul sondelor s-a făcut icircn două variante (pentru experimentare) pentru un fir de tunel ambele racircnduri de sonde s-au fixat icircn profilul circular de săpare iar pentru cel de al doilea fir de tunel sondele au fost forate icircn afara profilului de icircnaintare (fig 513) Au fost folosite sonde cu saramură cu posibilitatea de icircngheţare pe toată icircnălţimea de 16 m cacirct şi sonde cu icircngheţare zonală icircntre adacircncimile de 7 m şi 16 m Distanţa dintre sonde a fost fixată la 14 m
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
46
Pentru a se icircmpiedica accesul apelor icircn frontul de săpare datorate unor eventuale zone neicircngheţate traseul de tunel icircngheţat a fost icircmpărţit icircn incinte icircnchise prin timpane transversale La distanţe de 3050 m icircn lungul traseului au fost montate sonde de icircngheţare aşezate icircn plan normal pe axul tunelului prin care să se icircnchidă accesul apelor spre frontul de săpare
Echipamentul frigorific principal cuprinde
- 8 compresoare frigorifice 3 AV - 20 funcţionacircnd icircntr-o treaptă pentru care
corespunde puterea frigorifică de 12 106 kcal Nh =1395 kW
- 4 condensatoare de evaporare forţată CEF - 250
- 3 bazine de răcire a saramurii echipate cu cacircte 4 grupuri de vaporizatoare superintensive de cacircte 51 m2 (total 612 m2)
- 3 grupuri de cacircte 2 pompe a 220 m3h pentru circulaţia saramurii pe traseele de distribuţie şi prin sonde
Figura 413 Fig513 Amplasamentul sondelor de icircngheţare
Centrala frigorifică este stabilă adăpostită icircntr-o baracă metalică demontabilă existacircnd posibilitatea de reamplasare rapidă a instalaţiei icircntr-un alt loc Agentul frigorific utilizat este amoniacul iar agentul intermediar este clorura de calciu
Icircn perioada principală de icircngheţare temperatura de vaporizare este to = -22 ordmC asiguracircnd răcirea saramurii la -17 ordmC iar pe retur saramura a avut temperatura cu 15 ordmC mai ridicată
La o asemenea lucrare realizată icircn oraş se impune protejarea contra icircngheţului a straturilor de deasupra galeriilor icircn care sunt amplasate instalaţiile de apă - canal ceea ce presupune folosirea sondelor cu icircngheţare zonală care să nu fie active la partea superioară
c) Puţuri pentru prospectarea balastierelor
Procedeul şi instalaţia frigorifică au avut caracter de noutate şi s-a aplicat icircncepacircnd cu anul 1966 la mai multe obiective icircn general pe văile racircurilor unde s-au construit hidrocentrale
A
A B
B
A-A
000 -300 -700 -1061 -1300
65
800
B-B
000 -300 -700 -1061 -1300
65
550
ARGILA
ARGILA
NISIP
NISIP
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
47
Echipamentul frigorific principal cuprinde un agregat frigorific pentru amoniac de 20000 kcal Nh = 233 kW rezervor de amoniac separator de lichid şi anexe - toate fiind montate pe o remorcă
S-au folosit sonde de icircngheţare cu agent frigorific icircn număr de 8 bucăţi cu diametrul exterior de 133 mm montate pe un cerc cu diametrul de 2 m la distanţa de 076 m lungimea lor fiind de 75 m Legarea sondelor la distribuitor şi colector s-a făcut cu racorduri flexibile
Sondele au o construcţie specială fiind prevăzute cu 4 pereţi transversali cu ştuţuri de preaplin formacircndu-se astfel 5 compartimente Agentul lichid se introduce icircn compartimentul cel mai de sus şi se scurge prin ştuţuri pacircnă la baza sondei Conducta de aspiraţie străbate toate compartimentele vaporii fiind aspiraţi din compartimentul cel mai de jos Circulaţia vaporilor formaţi se face ca şi a lichidului de sus icircn jos obţinacircndu-se astfel o răcire uniformă şi eficientă pe toată icircnălţimea sondei
Durata icircngheţării respectiv a formării centurii de teren icircngheţat la adăpostul căreia să se poată efectua săparea şi preluarea de probe de sol este de 10 zile
414 514 CAcircMPUL DE TEMPERATURĂ IcircN SOLUL IcircNGHEŢAT
Cacircnd prin sonda de icircngheţare circulă saramură a cărei temperatura este sub 0 ordmC practic - 20 ordmC-25 ordmC icircn jurul sondei se formează un cacircmp termic care icircn cazul unei singure sonde poate fi reprezentat prin suprafeţe cilindrice coaxiale de temperatură constantă (izoterme)
După distanţa radială se deosebesc icircn sol din punct de vedere termic trei zone zona cilindrică din imediata vecinătate a sondei care este icircn zona icircngheţată zona răcită cuprinsă icircntre suprafaţa cilindrică izotermă de 0 ordmC şi izoterma de temperatură naturală şi a treia zonă cea de temperatura naturală (fig 514)
Icircn zona icircngheţată temperatura masivului variază de la temperatura peretelui metalic al sondei pacircnă la 0 ordmC Icircn zona răcită temperatura masivului creşte de la 0 ordmC pacircnă la temperatura naturală a masivului
Figura 414 Fig 514 Cacircmpul de temperatură icircn jurul unei sonde de icircngheţare
Este important să se cunoască cacircmpul termic icircn terenul supus icircngheţării deoarece acesta oferă date privind zona de răspacircndire a consolidării rocilor prin solidificarea apei cacirct şi a
t [oC]
r [m]
t (r)
ZONA RACITA
ZONA INGHETAT
A
ts TEMPERATURA NATURALA A ROCII
-20
-10
40
10 0 20 30
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
48
rezistenţei mecanice a rocii icircngheţate Se cunoaşte faptul că rezistenţa mecanică depinde direct de temperatură
Studiul variaţiei temperaturii icircn zona de influenţă a unei sonde şi a tuturor sondelor simultan oferă posibilitatea calculării dimensiunilor la proiectarea construcţiei peretelui protector cacirct şi controlul procesului icircn timpul desfăşurării lucrărilor
Pentru a se stabili relaţia de variaţie a temperaturii icircn zona icircngheţată icircn funcţie de raza r se consideră ecuaţia diferenţială
dr
dtr2q (56)
icircn care q este fluxul unitar de căldură corespunzător lungimii de 1 m din sonda de icircngheţare Wm
- conductivitatea termica a terenului Wm
Integrarea directă a ecuaţiei analitice se poate face icircn ipoteze simplificatoare consideracircnd
= const şi q = const ceea ce este justificat la valori mari ale timpului de răcire
Se separa variabilele
r
dr
2
qdt
(57)
Se consideră cunoscute temperaturile t1 la suprafaţa sondei de raza r1 și t2 = 0 ordmC la raza r2 corespunzătoare suprafeţei exterioare a cilindrului icircngheţat Se integrează ecuaţia (6-7) și cunoscacircnd limitele de integrare se va determina constanta de integrare
Cr ln2
qt
(58)
pentru r = r1 t = t1 deci
11 rln2
qtC
(59)
1
1r
rln
2
qtt
(510)
Se pune condiţia ca pentru r = r2 t = t2
1
212
r
rln
2
qtt
(511)
Se elimina q intre relaţiile (510) și (511) şi se obţine
1
2
1121
r
rln
r
rln
tttt (512)
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
49
Figura 415 Fig 515 Schema schimbătorului de căldură subteran
Pentru t2 = 0 ordmC relaţia (5-12) devine
)rrln(
)rrln(tt
12
21 (513)
Icircn figura 515 se prezintă o secţiune axială printr-o sondă de icircngheţare şi variaţia temperaturii icircn limitele t0 - temperatura agentului de răcire şi ts - temperatura naturală a solului
Cantitatea de căldură transferată de la masivul neicircngheţat spre agentul de răcire prin unitatea de lungimea de conducta şi unitatea de timp se calculează cu expresia
221
2
1o
1
moo
os
d
1
d
dln
1
d
dln
2
1
d
1
ttq
(514)
Icircn calculele inginereşti cel mai frecvent se determină nu fluxul termic pe unitatea de lungime a conductei ci fluxul termic qF raportat la unitatea de suprafaţă a conductei metalice la 1 m2 de suprafaţa exterioară sau interioară Mărimea qF se calculează astfel
22
o
1
2
1
o
o
1
m
o
o
oS
o
F
d
d
d
dln
2
d
d
dln
2
d1
tt
d
(515)
Fluxul termic qF prin unitatea de suprafaţă a sondei de icircngheţare calculat pentru adacircncimea de 100 m icircn regim laminar de curgere a agentului de răcire prin spaţiul inelar al sondei cu viteza w = 01 ms la diametre ale cilindrului de rocă icircngheţata
de la 02 la 3 m pentru to = -20 ordmC do = 01 m 1 = 233 WmK variază de la 720 la 230 Wm2 aşa cum se poate observa din figura 516 şi tabelul 51
d2
d1
d0
t
qF
t0
t2
t1 2
m 1
m
ts
Conducta Teren icircngheţat Teren
neicircngheţat
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
50
Figura 416 Fig 516 Variaţia fluxului termic qF prin unitatea de suprafaţă a sondei de icircngheţare 1 - regim turbulent 2 regim laminar
Tabelul 51Variaţia fluxului termic qF [Wm2]
Diametrul cilindrului de rocă icircngheţată icircn m
02 04 05 08 10 15 20
qF regim laminar 1160 550 387 330 302
qF regim laminar 720 465 423 350 321 283 258
Se observă ca densitatea fluxului de căldura qF scade foarte mult de la 800900 Wm2 la icircnceputul operaţiei de consolidare prin frig a rocilor pacircnă la 230250 Wm2 cacircnd cilindrul de rocă icircngheţata atinge diametrul de 23 m Ca urmare a acestei situaţii şi puterea frigorifică a instalaţiei va scădea icircn decursul a 6080 zile tot cu raportul de 800230 = 35
Instalaţia frigorifică va fi constituită din grupuri de utilaje (module) ce vor fi scoase treptat din funcţiune pe măsură ce se reduce densitatea fluxului de căldură qF ca urmare a creşterii grosimii stratului de teren icircngheţat Icircn practică pentru calcule se va considera qF = (260290) Wm2
O mărime importanta pentru proiectarea instalaţiei şi aprecierea procesului de consolidare a rocilor este timpul de icircngheţare Pentru calculul duratei de icircngheţare se pot folosi relaţiile prezentate icircn capitolul 3 la formarea gheţii pe suprafeţe cilindrice exterioare La aprecierea valorii pentru ls - căldura latentă de solidificare se avea icircn vedere conţinutul de apă din terenul supus icircngheţării
Dacă icircntre relaţiile pentru dependenţele (r) şi qF(r) se elimină r se obţine dependenţa
qF() Eliminarea nu se poate face direct ci fie cu ajutorul calculatorului fie printr-o construcţie grafică prezentată icircn figura 517
Studiul variaţiei temperaturii icircn solul icircngheţat cacirct și variaţia icircn timp a densităţii fluxului de căldura se poate face cu ajutorul calculatorului electronic
1200
1000
800
600
400
200
0 05 1 15 2 25 3
qF [Wm2]
Diametrul cilindrului de rocă icircngheţată [m]
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
51
Figura 417 Fig 517 Stabilirea dependentei qF() pe baza dependentelor qF(r) și (r)
415 515 ELEMENTE DE PROIECTARE A INSTALAŢIEI FRIGORIFICE PENTRU IcircNGHEŢAREA SOLULUI
Pentru proiectarea instalaţiei frigorifice trebuie sa se stabilească la icircnceput elementele de baza și anume
- puterea frigorifică maximă care apare la icircnceputul perioadei de răcire cacircnd pătrunderile de căldura spre agentul de răcire din sondele de icircngheţare au valori mai mari temperatura de vaporizare a agentului frigorific plecacircnd de la temperatura minimă sau medie din solul icircngheţat şi avacircnd icircn vedere modul de răcire directă sau indirectă
Se calculează cantitatea totală de căldură ce trebuie extrasă din terenul supus răcirii şi icircngheţării Se cunoaşte structura terenului icircngheţat deci se cunosc icircnălţimile h1 h2hn ale diferitelor straturi componente cacirct şi proprietăţile termofizice ale acestora
Grosimea centurii de teren icircngheţat se stabileşte icircn urma calculelor de rezistenţa materialelor icircncacirct se pot calcula volumele ocupate de straturile componente V1 V2Vn
Cantitatea de căldură ce trebuie extrasă din zona icircngheţată cuprinde două componente și anume
cantitatea de căldura Qa corespunzătoare răcirii şi icircngheţării apei
cantitatea de căldura Qt necesara răcirii părţii solide a terenului
n
1kfgsikaakka tcltcVQ (516)
unde
k - reprezintă conţinutul icircn apă din stratul respectiv [m3m3]
a - densitatea apei [kgm3]
ca cg - căldura specifica a apei respectiv a gheţii Jkg K
tik - temperatura iniţiala a stratului respectiv (de ordinul k)
tf - temperatura medie finala a masivului icircngheţat
ls - căldura latentă de solidificare a apei
r
q
q
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
52
fik
n
1kkkkkt ttc1VQ
(517)
k - densitatea părţii de teren solid (uscat) din stratul k
ck - căldura specifică a terenului uscat din stratul k
Cantitatea de căldură extrasă din terenul răcit reprezintă circa 1018 din cantitatea de căldură extrasă din zona de teren icircngheţat
Deci cantitatea totală de căldură Q ce va trebui preluată de către instalaţia frigorifică se poate aprecia astfel
Q = (110118) (Qa + Qt) (518)
Cu relaţia (51) se calculează puterea frigorifica a instalaţiei adoptacircnd o valoare medie pentru densitatea fluxului de căldura qF
Se poate aprecia timpul de funcţionare a instalaţiei frigorifice
o
Q
(519)
La anumite grosimi ale cochiliei de teren icircngheţat icircn jurul sondei densitatea fluxului termic scade sub valoarea medie adoptată icircn calcule şi ca urmare icircncepacircnd de la acest moment se va putea reduce treptat puterea frigorifica a instalaţiei prin scoaterea din funcţiune a unor grupuri
La proiectare se pot avea icircn vedere unele recomandări practice pentru stabilirea necesarului de frig pentru icircngheţarea unui m3 la -10 ordmC este necesar un consum specific de frig de 66000 kJ la 10 umiditate de 155000 kJ la 35 umiditate și de 210000 kJ la 50 umiditate
42 52 RĂCIREA BETONULUI LA CONSTRUCŢIILE MASIVE
421 521 INSTALAŢII DE PRERĂCIRE A COMPONENTELOR BETONULUI
Formarea betonului din elementele sale componente (nisip pietriş ciment şi apă) este icircnsoţită de fenomene fizico - chimice icircn care se degajă căldură şi ca urmare temperatura acestuia creşte Icircn cazul unor masive din beton (baraje) dacă viteza de turnare (icircn sezonul cald cacircnd se efectuază construcţia) este mai mare şi nu se asigura evacuarea căldurii corpul rezultă la o temperatura medie mai mare decacirct temperatura medie anuală Răcirea naturală conduce la contracţia masivului şi ca urmare la apariţia sub acţiunea tensiunilor interne a unor fisuri
Pentru ca variaţiile de temperatura icircntre centrul barajului şi straturile exterioare să fie cacirct mai mici se impune ca masivul respectiv să fie turnat la temperatura medie anuală a zonei respective Icircn acest scop se pot folosi două metode prin prerăcirea componentelor betonului și prin răcirea masei barajului
Icircn vederea reducerii căldurii degajată icircn reacţia dintre ciment şi apă au fost realizate sortimente de ciment caracterizate prin călduri masice reduse ce se degajă icircn procesul de priză
Prin prerăcirea componentelor betonului se urmăreşte ca betonul sa aibă temperatura medie a locului de amplasament şi prin aceasta evitarea apariţiei unor diferenţe mari de temperatură ce pun icircn pericol construcţia
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
53
Icircn funcţie de valoarea diferenţei de temperatură care trebuie realizată se poate adopta o anumită schemă de răcire pentru fiecare component icircn parte sau numai pentru unele din aceste părţi componente
Se pot folosi instalaţii frigorifice cu comprimare mecanică de vapori pentru răcirea apei a aerului sau formarea gheţii mărunte utilizate la prerăcirea componentelor betonului Folosirea gheţii fulgi sau solzi este limitată atacirct din cauza conţinutului de apă impus cacirct şi ca urmare a pericolului ca gheaţa să nu se topească icircn procesul de malaxare ci la turnare sau icircn procesul de priză ceea ce duce la formarea de goluri icircn beton
De asemenea se pot folosi instalaţiile frigorifice cu ejecţie
Icircn vederea stabilirii necesarului de frig pentru preratildecirea componentelor betonului se calculează mai icircntacirci cantitatea de catildelduratilde Qo1 ce trebuie evacuatatilde dintr-un m3 de beton avacircndu-se icircn vedere proporţiile icircn care participatilde cimentul nisipul pietrişul şi apa Fiecare component are o temperatură iniţialatilde şi urmeazatilde a fi răcit pacircnatilde la o temperatura finalatilde tf aceeaşi pentru toţi componenţii
fpppfnnnfccc1o ttcmttcmttcmQ
fnaanfpaapfaaa ttcmttcmttcm Jm3 (520)
unde
mc mn mp ma - masele de ciment nisip pietriş şi apă conţinute icircntr-un m3 de beton [kgm3]
cc cn cp cw - căldurile specifice masice ale cimentului nisipului pietrişului şi nisipul dintr-un m3 de beton [kgm3]
Puterea frigorifică se determină cu relaţia
3b1oo 10VQ [kW] (521)
icircn care bV reprezintă fluxul de betonare icircn m3s
Se prezintă icircn continuare cele mai folosite metode de prerăcire a componentelor betonului
4211 a) Instalaţie de prerăcire cu apă
Staţia de preparare a betonului este deservită de o instalaţie frigorifică cu comprimare mecanică de vapori care asigură răcirea apei
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
54
Figura 418 Fig 518 Schema de lucru a instalaţiei de prerăcire a betonului cu ajutorul apei 1 - ciment 2 - vagon nisip 3 - vagon pietris 4 - tancuri de răcire a pietrişului 5 - sită 6 - siloz de
nisip 7 - siloz de ciment 8 - rezervor de distribuţie 9 - răcitor de nisip 10 - răcitor de ciment 11 - răcitor de apă 12 - rezervor de apă răcită 13 - răcitor de apă 14 - instalaţie de prepararea betonului
I II III IV V - fazele de răcire a pietrişului
Icircn figura 518 se prezintă schema de lucru a unei asemenea instalaţii de prerăcire a betonului cu ajutorul apei folosită la construcţia barajului de la Detroit (SUA) Apa este răcită de la 16 la 15 ordmC şi transmisă apoi la instalaţia de preparare a betonului şi icircn cinci rezervoare a cacircte 90 m3 fiecare icircn care se răceşte pietrişul
Procesul de răcire a pietrişului cuprinde cinci faze
- faza I - introducerea apei icircn rezervor 10 minute
- fazele II şi III - introducerea simultană a apei şi a pietrişului 50 minute
- faza IV - evacuarea apei 15 minute
- faza V - evacuarea pietrişului 15 minute
Icircntregul proces de răcire a pietrişului durează 90 minute Pentru răcirea cimentului şi nisipului se utilizează schimbătoare de căldură cu ax elicoidal la care apa de răcire circulă prin arborele gol şi prin manta
Rezervoarele 12 pentru apa răcită au fiecare volumul de 114 m3
Beton 635oC
190 m3h
65oC
24oC
18oC
1
2
3
4
5
6
7
8
10
9
11
12
13
14
Apă 16oC
15oC
Cim
en
t
26 l
h
Nis
ip 1
12
lh
10
oC
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
55
42111 Aplicaţie numerică
Să se calculeze puterea frigorifică necesară prerăcirii betonului prin metode şi condiţiile prezentate mai sus Se cunosc următoarele date de calcul
mp = 1700 kgm3 beton
mc = 135 kgm3 beton
mn = 590 kgm3 beton
ma = 60 kgm3 beton
cc = cn = cp = 921 Jkg K
ca = 4180 Jkg K
map = 16 kgm3 beton
man = 38 kgm3 beton
tp = 18 ordmC
tc = 66 ordmC
tn = 21 ordmC tf = 635 ordmC
052803000
190Vb m3s
Se calculează componentele cantităţii de căldură Q01
3fcccc 10741735666921135ttcmQ Jm3
3fnnnn 10796135621921590ttcmQ Jm3
3fpppp 1024018356189211700ttcmQ Jm3
3faaaa 10420235616418060ttcmQ Jm3
3fpaapap 1077935618418016ttcmQ Jm3
3fnaaan 10232735621418038ttcmQ Jm3
Rezulta
3anapapnc1o 1039144QQQQQQQ Jm3
3o 10 206705280103914410VQ 33
b1o kW
4212 b) Instalaţii de prerăcire cu aer apă
Pentru răcirea componentelor betonului se utilizează icircn acest caz fie apa fie aerul ca agenţi intermediari răciţi cu ajutorul instalaţiilor frigorifice
Icircn figura 519 se prezintă schema unei asemenea instalaţii folosită la construcţia barajului de la Sariyar din Turcia
Răcirea aerului se poate face fie direct prin vaporizarea unui agent frigorific fie indirect cu un agent intermediar de răcire ca de exemplu saramura de clorură de calciu Aerul răcit pacircnă la -6 ordmC este suflat icircn silozurile cu pietriş de dimensiuni icircntre 4150 mm
Apa răcită icircn bazinul la pacircnă la 05 ordm este trimisă din colectorul 12 la staţia de preparare a betonului servind la scăderea temperaturii acestuia
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
56
Figura 419 Fig 519 Schema instalaţiei de prerăcire a betonului cu aer şi apă 1 - compresor 2 - condensator 3 - ventile de laminare 4 - vaporizatoare 5 - bazin de răcire a
saramurii 6 - pompă de saramură 7 - răcitor umed de aer 8 - ventilatoare 9 - silozuri de pietriş 10 - bazin de răcire a apei 11 - pompă 12 - colector de apă răcită
Figura 420 Fig 520 Schema instalaţiei de prerăcire cu aer şi apă 1 - siloz de pietriş şi nisip 2 - siloz de ciment 3 rezervor de apă 4 - răcitor de aer 5 - răcitor de apă
4 - răcitor de apă 6 - buncăr de sortare 7 - instalaţie de preparare beton
Pentru intensificarea procesului de răcire a pietrişului aerul este răcit sub 0 ordmC Acest procedeu are avantajul unei funcţionări fără icircntrerupere a procesului de preparare a betonului dar prezintă şi o serie de dezavantaje debite foarte mari de aer de răcire posibilitatea antrenării particulelor fine de agregat icircn răcitorul de aer şi depunerea acestora pe suprafaţa de schimb de căldură Ca urmare instalaţia se va curăţa la circa 14 zile Icircn figura 520 se prezintă o altă schemă de instalaţie de prerăcire a betonului cu aer şi apă folosită la construcţia unui baraj din India
Apă
295oC
Ciment
433oC
Pietriş şi nisip
378oC
Apă 6oC
Ciment 433oC
Aer
Pietriş
45oC Nisip 222oC
22oC
Ap
ă
45
oC
Ap
ă 2
2o
C
Ae
r 5
5o
C
Be
ton
12
8o
C
Apă 22oC
2
1
3 4 5
8
9
5 7
12
1oC
11
05oC 9oC 9oC
-9oC
-10oC -10oC
-10oC 2oC
6oC
10 4 4 6
8 8
8
8 8
9 9 9 9
1
2
3 3
7
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
57
Pietrişul şi nisipul se separă icircntre ele icircn buncărul de sortare 6 şi apoi fiecare circulă pe cacircte o bandă transportoare prin camera de răcire 7 Pietrişul este răcit cu ajutorul apei
Fig
ura
42
1 F
ig 5
21
Sc
he
ma
in
sta
laţi
ei
de
ră
cir
e icirc
n v
id a
co
mp
on
en
telo
r b
eto
nu
lui
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
58
reci icircncacirct ajunge la o temperatură mai scăzută decacirct nisipul răcit cu aer Prin camera 7 se circulă şi aer rece care se introduce la temperatura de 55 ordmC Cimentul se introduce la instalaţia de preparare a betonului 9 fără a fi răcit
O altă posibilitate de prerăcire a agregatelor (pietriş şi nisip) şi a apei utilizată mai recent la construirea barajelor icircntrebuinţează răcirea icircn vid la care agregatele uşor umezite icircn recipiente sub presiune se răcesc după nevoie (prin reglarea vacuumului) la o temperatură mai scăzută sau mai ridicată Căldura necesară evaporării umidităţii de pe agregate şi din ele (apa legată) este luată chiar de la corpurile respective (pietriş nisip) şi ca urmare acestea se răcesc
O asemenea instalaţie utilizată la Hortwell icircn SUA (figura 521) cuprinde 3 recipienţi de cacircte 150 m3 pentru răcirea pietrişului şi 3 recipienţi de cacircte 80 m3 pentru răcirea nisipului
Pietrişul şi nisipul cu temperatura maximă de 43 ordmC se pot răci pacircnă la temperatura necesară de 45 ordmC Pentru realizarea vidului necesar se folosesc două cazane de abur care produc 77 th fiecare
422 522 RĂCIREA INTERIOARĂ A MASIVULUI DE BETON
Prerăcirea betonului se recomandă icircn condiţiile unei zone tropicale sau temperate de amplasare a construcţiei masive nu se recomandă icircn cazul amplasării barajului icircn munţi unde temperatura aerului este scăzută Icircn asemenea situaţii se recomandă răcirea betonului prin conducte amplasate icircn masiv prin care circulă apă rece
La răcirea interioară cu conducte montate icircn beton are loc o eliminarea a căldurii simultan cu producerea ei icircn procesul de priză producacircndu-se şi o răcire pacircnă la temperatura necesară Pentru răcire se folosesc conducte de oţel cu diametre de 1525 mm montate la distanţe de 1223 m icircn plan orizontal şi de 153 m icircn plan vertical Lungimea conductelor icircntr-un m3 de beton este de 0204 şi a fiecărei serpentine de 140250 m
Debitul apei de răcire ce circulă prin 1 m3 de beton este de (0553) dm3h
Figura 422 Fig 522 Reţea de conducte de răcire a betonului icircn secţiunea unui baraj 1 - galerie pentru măsurători 2 - galerie de conducte de apă de răcire
Serpentinele se montează şi se fixează pe suprafaţă de beton (fig522) Capetele serpentinelor se leagă de o coloană verticală prin mufe metalice sau de cauciuc Diametrul distribuitorului şi al coloanei este cuprins icircntre 150200 mm După montaj aceste conducte se verifică la presiunea de lucru
1 2
Ax
a
ba
raju
lui
Izolaţii termice
11
10 2 2 2 3 3 3
15 3 3 4 4 5 5
20 4 4 5 6 6 7
La alegerea grosimii stratului de izolație termică trebuie să se țină seama și de tasarea materialului prin coeficientul de tasare Kt definit ca raportul dintre volumul construcției termoizolate icircn funcțiune și volumul contrucției la montaj Se recomandă Kt gt 1 pentru a preveni deprecierea izolației termice
Pentru cacircteva materiale termoizolatoare valorile coeficientului de tasare sunt recomandate icircn Tabelul 113
Tabelul 113 Valorile coeficientului de tasare Kt
Material Kt
Saltele din vată minerală perforată 12hellip13
Saltele din vată de sticlă cu legătură sintetică 16
Saltele și plăci din vată minerală moale cu legătură sintetică
15
Plăci semirigide din vată minerală cu legătură sintetică 12
Plăci semirigide din vată de sticlă cu legătură sintetică 115
Plăci moi din vată minerală cu legătură din bitum 15
Plăci semirigide din vată minerală cu legătură din bitum 12
Grosimea stratului de izolație termică la montaj va fi
ize
izetizo
2d
dK
[m] (114)
Valorile fluxului termic liniar (unitar) ФL [Wm] icircn funcție de diametrul exterior al conductei neizolate de [m] temperature fluidului transportat tf [ ordmC] și de amplasarea conductei sunt prezentate icircn Tabelul 114
Tabelul 114 Valorile fluxului termic liniar
de [mm]
tf [ ordmC]
80 100 180 200 250
a b a b a b a b a b
10 8 13 21 24 35 37 48 49 62 60
20 12 15 27 31 43 47 58 63 74 79
32 14 17 33 36 50 53 67 72 86 90
48 15 21 36 42 57 62 76 84 98 105
57 16 24 37 47 62 67 81 91 105 112
76 17 29 43 52 67 77 91 100 115 126
89 19 33 45 58 72 83 95 108 122 133
108 26 36 52 64 79 90 105 117 131 145
133 31 41 62 70 88 99 117 129 140 158
159 36 44 70 76 98 109 130 140 163 172
194 41 49 77 85 108 120 144 151 178 188
219 46 53 81 91 116 128 154 163 192 204
273 49 62 91 101 129 145 170 186 213 230
325 52 70 99 116 142 163 186 209 233 256
377 58 82 107 133 152 181 204 231 254 279
426 62 95 114 149 163 201 221 254 273 302
478 70 104 127 158 180 215 238 273 294 326
529 77 110 140 169 198 228 256 285 314 349
630 95 121 163 186 227 254 294 320 364 384
Izolaţii termice
12
720 110 134 186 205 256 277 326 345 395 416
830 128 157 209 233 291 309 366 384 442 463
920 157 180 238 262 320 344 401 430 483 512
1020 174 209 262 297 349 384 430 473 523 564
Observatii
a-conducte izolate amplasate icircn icircncăperi și canale cu temperatura medie a aerului te = (20hellip30) ordmC
b-conducte izolate amplasate icircn aer liber cu temperatura medie te = (0hellip15) ordmC și conducte subterane amplasate icircn canale nevizitabile cu temperatura medie a solului te = 5 ordmC
Fluxul termic total transmis prin suprafața conductei izolate va fi
Ф=ФLmiddotLC [W] (115)
unde
Lc [m] este lungimea de calcul (echivalentă) a conductei se calculează cu relația
Lc = KmiddotL+l [m] (116)
K - coefficient ce ține seama de pierderile suplimentare de căldură prin elementele de susținere a conductei (Tabelul 115)
L [m] - lungimea conductei
l [m] - lungimea de conductă izolată care echivalează pierderile de căldură prin armăturile de icircnchidere (vane ventile Tabelul 116 și prin icircmbinări (pentru icircmbinări cu flanșe se recomandă l = 1hellip15 m)
Tabelul 115 Valorile coeficientului K
Modul de susținere a conductei
Coeficientul K conducte amplasate icircn
icircncăperi conducte amplasate icircn
aer liber
prin agățare 110 115
prin rezemare 115 125
Tabelul 116 Lungimea de conductă izolată care echivalează pierderile de căldură prin armăturile de icircnchidere
di [mm]
Conducte icircn icircncăperi Conducte icircn aer liber
tf = 100 ordmC
tf = 400 ordmC tf = 100 ordmC tf = 400 ordmC
100 25 50 45 60
500 30 75 60 85
Dacă lungimea conductei nu este cunoscută se mărește valoarea coeficientului K astfel
pentru conducte amplasate icircn icircncăperi K = 12
pentru conducte amplasate icircn aer liberi K = 125
122 Calculul grosimii izolației termice pentru o temperatură dată pe suprafața acesteia
Normele de protecție a muncii impun temperatura pe suprafața exterioară a conductei izolate egală cu 50 ordmC pentru stratul protector din tencuială și 55 ordmC pentru stratul protector metalicTemperatura de 60 ordmC este limita maxima admisibilă peste care apare accidentarea prin arsură a personalului de exploatare
Conform notațiilor din Figura 13 (conductă care transportă fluide calde) fluxul termic liniar (unitar) se calculează cu relația
Izolaţii termice
13
e4pspeLpLizLspLi
4piL ttd
RRRR
tt
[Wm] (117)
Rezistențele termice RLi și RLp pot fi neglijate
Grosimea stratului de izolație termică se calculează icircn două etape
se neglijează rezistența termică a stratului protector RLsp = 0 și rezultă
24pee
4piiz
e
iz
e
iz
ttd
tt2
d
d
d
d
ln (118)
Ecuație de forma xmiddotlnx = const (x = dizde) rezolvarea ei făcacircndu-se grafic sau prin icircncercări
Rezultă
1
d
dd50
e
izeiz [m] (119)
ținacircnd seama de stratul protector se calculează grosimea reală a stratului de izolație termică cu coeficientul de corecție ∆ [mm] (Tabelul 112)
δizrsquo = δiz - ∆ [mm] (120)
Se calculează fluxul termic liniar (unitar) ΦL [Wm] și apoi modificacircnd grosimea stratului de izolație se verifică temperatura impusă tp4 [ ordmC]
Determinarea necesarului de căldură și apă caldă pentru un imobil
14
2 Determinarea necesarului de căldură și apă caldă pentru un imobil
Casa este situata icircn judetul Galati orasul Galati icircn partea de nord a orasului Este amplasata pe un teren cu suprafata de 300mp ea icircn sine avand o amprenta la sol de 123mp
Orasul Galati se situeaza icircn zona climatica numarul II Conform standardului ldquoSR1907 - 1 - 2014rdquo temperatura de referinta pentru aceasta zona este de -15 degC
Icircn figura de mai jos este reprezentat imobilul ce va trebui incalzit Este desenat icircn programul Archicad și prezinta urmatoarele vederi
Figura 21 Planul casei cu dimensiuni și orientare dupa punctele cardinala
Determinarea necesarului de căldură și apă caldă pentru un imobil
15
Figura 22
Figura 23 Vedere fata Nord
Determinarea necesarului de căldură și apă caldă pentru un imobil
16
Figura 24 Vedere fata Sud
Figura 25 Vdere fata Est
Determinarea necesarului de căldură și apă caldă pentru un imobil
17
Figura 26 Vedere fata Vest
Figura 27 Vedere de ansamblu
Determinarea necesarului de căldură și apă caldă pentru un imobil
18
Dimensiunile casei și a incaperilor sunt afisate icircn tabelul urmator
Incapere Suprafata mp
1 Hol intrare+ Living + Hol 3353
2 Dormitor mare 1804
3 Dromitor mic 12
4 Bucatarie 112
5 Baie mare 48
6 Baie mica 475
7 Camera tehnica 72
Total suprafata 9152
Total perimetru casa 444 m
21 22 Determinarea necesarului de căldură și apă caldă menajeră pentru imobil
Pentru studiul necesarului de flux termic este nevoie sa cunoastem posibilele pierderi de căldura cat si modul de utilizare al acesteia Ecuatia generala a bilantului termic ce se foloseste icircn calcularea fluxului de căldura
Q = Q1+ Q2+ Q3 [W]
Q1- fluxul de căldura pierdut prin transmisie
Q2- fluxul de căldura necesar incalzirii aerului ventilat
Q3- fluxul de căldura necesar prepararii apei calde
Fluxul termic pierdut prin transmisie este distribuit intre elementele constructive ale casei si anume Q11 - pereti Q12 - podea Q13 - tavan Q14 - geamuri
Q1= Q11+ Q12+ Q13+ Q14 [W]
Formula care se utilizeaza icircn calculul pentru fiecare fux termic icircn parte este comuna celor patru elemente
Q1i= Si middot Ki middot (tint - text) [W]
Unde Si - suprafata totala calculata a fiecarui element icircn parte se iau icircn considerare doar elementele care au legatura cu exteriorul [m2] ki - coeficientul global de transfer termic specific fiecarui element icircn parte [Wm2C] tint - temperatura din interiorul imobilului [degC] text - temperatura exterioara Icircn cazul podelei de utilizeaza temperatura solului șisau a pivnitei [degC]
Coeficientul global de transfer termic se calculeaza dupa formula
ki = 120783
120783
120514119842 + sum
120517119842
120524119842+
120783
120514119838119847119843=119842
[Wm2C]
Unde αi = coeficientul de transfer convectiv din interior αi = 8 Wm2C αe = coeficientul de transfer termic convective din exterior αe = 20 Wm2C λi - conductivitatea termica a stratului i pe care il aflam din fisa tehnica am materialului stratului respectiv [WmmiddotK] δi- grosimea stratului I [m]
Temperatura ce trebuie mentinuta icircn interiorul imobilului este de 22 degC
Coeficentul de convectie termica αi = 8
211 Mers de calcul pentru Q1
Q11 - flux termic pierdut prin pereti
Specificatii perete exeterior
Tencuiala δ 0025 m Grosime
Determinarea necesarului de căldură și apă caldă pentru un imobil
19
interioara λ 093 WmmiddotK Conductivitate termica
Rt 0026882 m2middotKW Rezistenta termica
Zidarie BCA δ 03 m Grosime
λ 014 WmmiddotK Conductivitate termica
Rt 2142857 m2middotKW Rezistenta termica
Tencuioala exterioara
δ 0025 m Grosime
λ 093 WmmiddotK Conductivitate termica
Rt 0026882 m2middotKW Rezistenta termica
Vata bazaltica δ 01 m Grosime
λ 0037 WmmiddotK Conductivitate termica
Rt 2702703 m2middotKW Rezistenta termica
Placa fibrocement
δ 001 m Grosime
λ 02 WmmiddotK Conductivitate termica
Rt 005 m2middotKW Rezistenta termica
Tencuiala decorativa
δ 0005 m Grosime
λ 093 WmmiddotK Conductivitate termica
Rt 0005376 m2middotKW Rezistenta termica
K11 = 1
1
120572119894+
1205751
1205821+
1205752
1205822+
1205753
1205823+
1205754
1205824+
1205755
1205825+
1205756
1205826+
1
120572119890 =
11
8 +
0025
093+
03
014+
0025
093+
01
0037+
001
02+
0005
093+
1
22
K11 = 0194943188 Wm2C
S11 = h middot lp = 3 middot 3901 = 11703 m2
h - inaltimea peretelui [m]
lp - lungimea perimetrala a peretelui [m] (din care s-au scazut suprafetele vitrate)
Δt = ti - te = 22 + 15 = 37degC
ti - temperatura interioara
te - temperatura exterior
Q11 = K11 middot S11 middot Δt = 0194943188 middot 11703 middot 37 = 8441254483 W
Perete exterior
ti 22 degC αi 8 Wm2 k
te -15 degC αe 22 Wm2 k
δ1 0025 m λ1 093 Wmk tp1 2109758812 degC
δ2 03 m λ2 014 Wmk tp2 2090352105 degC
δ3 0025 m λ3 093 Wmk tp3 5433603161 degC
δ4 01 m λ4 0037 Wmk tp4 523953609 degC
δ5 001 m λ5 02 Wmk tp5 -1427207206 degC
δ6 0005 m λ6 093 Wmk tp6 -1463303681 degC
tp7 -1467185023 degC
q 7219295 W
Determinarea necesarului de căldură și apă caldă pentru un imobil
20
Figura 28
Q12 - fluxul termic pierdut prin podea
Specificatii podea
Placa fibrocement
δ 001 m Grosime
λ 02 WmmiddotK Conductivitate termica
Rt 005 m2middotKW Rezistenta termica
Sapa δ 01 m Grosime
λ 0035 WmmiddotK Conductivitate termica
Rt 2857143 m2middotKW Rezistenta termica
Polistiren extrudat
δ 005 m Grosime
λ 0033 WmmiddotK Conductivitate termica
Rt 1515152 m2middotKW Rezistenta termica
K12 = 1
1
120572119894+
1205751
1205821+
1205752
1205822+
1205753
1205823+
1
120572119890 =
11
8 +
001
02+
01
0035 +
005
0033+
1
0
= 0219911 Wm2C
S12 - amprenta la sol a casei = 12296 m2
Δt = ti - te = 22 - 15 = 7degC
Temperature pentru podea este de 15degC
Q12 = K12 middot S12 middot Δt = 0219911 middot 12296 middot 7 = 1892818 W
Podea
ti 22 degC Αi 8 Wm2 k
te 15 degC Αe 0 Wm2 k
δ1 001 m λ1 02 Wmk tp1 2180757789 degC
Determinarea necesarului de căldură și apă caldă pentru un imobil
21
δ2 01 m λ2 0035 Wmk tp2 2173060904 degC
δ3 005 m λ3 0033 Wmk tp3 1733238927 degC
δ4 m λ4 Wmk tp4 15 degC
δ5 m λ5 Wmk tp5 degC
δ6 m λ6 Wmk tp6 degC
tp7 degC
q 1539377 W
Figura 29
Q13 - fluxul termic pierdut prin tavan
Specificatii tavan
Tencuiala δ 002 m Grosime
λ 093 WmmiddotK Conductivitate termica
Rt 0021505 m2middotKW Rezistenta termica
Placa beton armat
δ 013 m Grosime
λ 174 WmmiddotK Conductivitate termica
Rt 0074713 m2middotKW Rezistenta termica
Sapa δ 003 m Grosime
λ 026 WmmiddotK Conductivitate termica
Rt 0115385 m2middotKW Rezistenta termica
Vata bazaltica δ 015 m Grosime
λ 0037 WmmiddotK Conductivitate termica
Determinarea necesarului de căldură și apă caldă pentru un imobil
22
Rt 4054054 m2middotKW Rezistenta termica
Placa nivelanta δ 002 m Grosime
λ 026 WmmiddotK Conductivitate termica
Rt 0076923 m2middotKW Rezistenta termica
K13 = 1
1
120572119894+
1205751
1205821+
1205752
1205822+
1205753
1205823+
1205754
1205824+
1205755
1205825 +
1
120572119890 =
11
8+
002
093+
013
174+
003
026+
015
0037+
002
026+
1
22
K13 = 0219736 Wm2C
S13 = S12 = 12296 m2
Δt = ti - te = 22 + 15 = 37degC
Q13 = K13 middot S13 middot Δt = 0219736 middot 12296 middot 37 = 1000 W
Tavan
ti 22 degC αi 8 Wm2 k
te -15 degC αe 22 Wm2 k
δ1 002 m λ1 093 Wm k tp1 209751906 degC
δ2 013 m λ2 174 Wm k tp2 207988793 degC
δ3 003 m λ3 026 Wm k tp3 2018634954 degC
δ4 015 m λ4 0037 Wm k tp4 1924037163 degC
δ5 002 m λ5 026 Wm k tp5 -1399669009 degC
δ6 m λ6 Wm k tp6 -1462734204 degC
tp7 degC
q 8198475 W
Determinarea necesarului de căldură și apă caldă pentru un imobil
23
Figura 210
Q14 - fluxul temic pierdut prin suprafetele vitrate
Am ales un geam temopan cu trei randuri de sticla și cu tamplarie de lemn
K14 = 06 Wm2C
S14 = 2728 m2 suprafata ocupata de geamuri
Δt = ti - te = 22 + 15 = 37degC
Q14 = K14 middot S14 middot Δt = 06 middot 2728 middot 37 = 605616 W
Fereastra
ti 22 degC αi 8 Wmpk
te -15 degC αe 22 Wmpk
δ1 0005 m λ1 075 Wmk tp1 1992074356 degC
δ2 0018 m λ2 00177 Wmk tp2 1980984988 degC
δ3 0005 m λ3 075 Wmk tp3 2893865242 degC
δ4 0018 m λ4 00177 Wmk tp4 2782971565 degC
δ5 0005 m λ5 075 Wmk tp5 -1413301307 degC
δ6 m λ6 Wmk tp6 -1424390675 degC
tp7 degC
q 1663405 W
Determinarea necesarului de căldură și apă caldă pentru un imobil
24
Figura 211
Q1 = Q11 + Q12 + Q13 + Q14 = 8441254483 + 1892818 + 1000 + 605616
Q1 = 263871712 W
212 Mers de calcul pentru Q2
Q2 = n middot Q1
n - numarul de schimburi (07 08 1)
Q1 - fluxul de căldura pierdut prin transmisie
Q2 = 1 middot 263871712 =gt Q2 = 263871712 W
213 Mers de calcul pentru Q3
Q3 = 119898 middot119862119908 middot(119905119887minus119905119903)
120591 middot3600 [kW]
m - cantitatea de apa calda preparata [Kg]
m = n middot czn middot ρ [Kg]
ρ = 1000 Kgm3- densitatea apei [Kgm3] n = 4 - numarul de locatari =gt n
czn - consumul zilnic de persoana [l] gtgtgt czn = l middot 1000 = m3
Un consum de acm specific unui nivel de confort mediu la o temperature de 45degC vom avea un czn = 50 l de persoana
cw - căldura specifica a apei [KJKgC] =gt cw = 4186 KJKgmiddotC
tb - temperatura apei din boiler [C] =gt tb = 50degC
tr - temperatura apei de intrare [C] =gt tr = 10degC
Icircn general avem vara tr = 1217degC iar iarna tr = 5hellip10degC
120591 - timpul icircn care este incalzita apa [h] =gt 120591 = 4h
m = 4 middot (50 middot 1000) middot 1000 m = 200 Kg
Q3 = 200 ∙4186 ∙(50 ∙10)
4 ∙3600 =gt Q3 = 2325555556 W
Q = Q1 + Q2 + Q3 = 263871712 + 263871712 + 2325555556
Q = 7602989795 W =gt Q = 76 KW
Calculul necesarului de frig pentru depozit de fructe
25
3 Calculul necesarului de frig pentru depozit de fructe
31 31 Calculul grosimii izolatiilor
Regimul de funcţionare al spaţiilor frigorifice caracterizat prin valori coboracircte ale temperaturilor prin variaţia rapidă a acestora şi prin umiditatea mare a aerului icircncăperilor impune pentru izolaţiile termice ale pereţilor planşeelor şi pardoselilor condiţii deosebite Pereţii spaţiilor frigorifice despart două medii cu temperaturi diferite Fluxul de căldură ce pătrunde din exterior icircn camere care trebuie preluat de instalaţia frigorifică este direct proporţional cu diferenţa de temperatură dintre cele două feţe ale peretelui şi cu coeficientul global de transmitere a căldurii Izolarea se execută la spaţiile răcite atacirct la pereţi cacirct şi la tavan şi podea şi are ca rol icircmpiedicarea apariţiei condensului pe suprafaţa caldă a pereţilor incintelor frigorifice
Figura 31 Fig13 Variaţia de temperatură prin peretele termoizolant
Din exploatarea frigoriferelor se cunoaşte că prin icircnvelişul exterior al spaţiilor frigorifice trece icircn majoritatea cazurilor mai mult de jumătate din cantitatea totală de căldura ce pătrunde icircn icircncăperi Această cantitate de căldură se poate reduce prin majorarea grosimii stratului termoizolant Dar reducerea infiltraţiilor de căldură icircn acest tel nu se poate face nelimitat deoarece la o anumită grosime a stratului izolant adică la o anumită valoare a coeficientului k de transfer al căldurii costul construcţiei izolate va fi mai mare decacirct costul energiei ce reprezintă frigul economisit prin majorarea grosimii izolaţiei
De aceea se obişnuieşte a se folosi icircn calcule valori optime ale coeficientului k de transfer al căldurii calculacircndu-se astfel o grosime optimă a izolaţiei termice
Pentru izolarea pereţilor camerelor se vor folosi panouri tip sandwichFig15
Calculul necesarului de frig pentru depozit de fructe
26
Figura 32 Fig15 Construcţia panourilor de tip sandwich
Rolul panourilor plastifiate este de a preicircntacircmpina pătrunderea vaporilor icircn interiorul izolaţiei eliminacircnd necesitatea barierei de vapori Panourile folosesc metoda de icircmbinare nut-feder reducacircndu-se astfel transferul de căldură cu mediul extern
Deoarece avem un singur depozit vom adopta coeficienţii de transfer de căldură prin
convecţie funcţie de t
Aleg pentru t = = te - ti = 318 - 1 = 308 0C k = 023 Wm2K
Din catalogul de produse INCOLD Italia se alege poliuretan 100 mm = 0023 WmK
Tablă din oţel galvanizat plastifiat
Calculul necesarului de frig pentru depozit de fructe
27
Tabelul 317 Tabel24 Calculul grosimi izolației
ei
i
i
izizk
111
Coeficientul global de transfer de căldură se determină utilizand relaţia
eiz
iz
i
i
i
k
11
1
n
i i
i
1
- suma rezistenţelor termice ale tuturor straturilor din care este realizat
peretele[m2KW]
iz - grosimea stratului de izolaţie termică [m]
iz - conductivitatea termică a materialului izolator [WmK]
e - coeficient de convecţie pe partea exterioară a peretelui [WmK]
i - coeficient de convecţie pe partea interioară a peretelui [WmK]
32 32 Bilantul caloric al spatiului climatizat pe timp de vară Necesarul de frig pentru frigorifer
Se stabileşte consumul zilnic de frig pe icircntreg frigoriferul şi pentru fiecare icircncăpere icircn parte luacircndu-se icircn considerare cele mai nefavorabile condiţii de lucru
temperatura aerului exterior pentru luna cea mai caldă a anului
icircncărcarea maximă şi simultană a camerelor de refrigerare
Spaţiul frigorific
Perete k αi αe 1αi 1αe R 1k λiz
δiz
calc δiz
ales Kr
[Wm2K] [m2KW] [WmK] [m] [m]
N 0229 10 18 010 006 0590 4367 0023 0097 0100 023
E 0224 10 12 010 008 0618 4464 0023 0098 0100 023
DR S 0221 10 12 010 008 0618 4525 0023 0100 0100 023
V 0223 10 12 010 008 0618 4484 0023 0099 0100 023
T 0221 10 12 010 008 0618 4525 0023 0100 0100 023
P 0228 10 0 000 000 0435 4386 0023 0000 0100 023
N 0221 25 12 004 008 0558 4525 0023 0101 0100 023
E 0224 25 12 004 008 0558 4464 0023 0100 0100 023
CP S 0224 25 12 004 008 0558 4464 0023 0100 0100 023
V 0223 25 12 004 008 0558 4484 0023 0100 0100 023
T 0221 25 12 004 008 0558 4525 0023 0101 0100 023
P 0228 25 0 000 000 0435 4386 0023 0000 0100 023
Calculul necesarului de frig pentru depozit de fructe
28
camerele vecine celei căreia i se face calculul necesarului de frig sunt goale şi au temperatura vestibulului sau a sasului
Aceste calcule determină necesarul de frig pe categorii de consumatori grupaţi după temperatura cerută şi permit stabilirea puterilor frigorifice icircn vederea proiectării instalaţiei
Pentru calculele termice sunt necesare următoarele
planul frigoriferului care a fost stabilit
dimensiunile camerelor
temperaturile necesare icircn fiecare cameră
Se consideră
1degC icircn depozitele de refrigerate
orientarea frigoriferului după punctele cardinale
condiţii climatice icircn lunile cele mai călduroase pentru zona geografică respectivă
Consumul de frig se calculează pentru 24 ore cu relaţia
Qnec = Q1 + Q2 + Q3 + Q4 [kcal24h]
Q1 - neeesarul de frig pentru acoperirea pătrunderilor de căldură prin cenvecţie
conducţie şi radiaţie din mediul icircnconjurător prin pereţi pardosea și plafon
Q2 - necesarul de frig tehnologic pentru procesele de răcire refrigerere şi
congelare eliminarea căldurii de respiraţie seu pentru unele procese chimice şi
biochimice
Q3 - necesarul de frig pentru ventilarea camerelor frigorifice cu aer proaspat care
trebuie racit şi uscat
Q4 - necesarul de frig rezulticircnd din condiţii de exploatare acoperirea căldurii
provenite din iluminat din funcţionarea motoarelor căldura provenită de la persoanele ce
manipulează produsele datorită deschiderii uşilor etc
321 Consumul de frig Q1
Se determină pentru fiecare spaţiu icircn parte cu relaţia
RttkFQ1 [ W ]
F - reprezintă suprafaţa pereţilor a pardoselei şi a plafonului corespunzător fiecărui
spaţiu frigorific icircn parte icircn m2 Ca suprafaţă de transfer se va considera suprafaţa
exterioară a perimetrului izolat termic
k - reprezintă coeficientul global de transmitere a căldurii prin convecţie conducţie şi radiaţie
prin pereţi plafon şi pardoseală (toate izolate termic) icircn [W(m2 middot grd)] Valoarea coeficientului k a
fost calculată icircn tabelul 24 (kr)
Δt - reprezintă diferenţa de temperaturi dintre temperatura exterioară suprafeţei de
transfer termic considerată şi temperatura interioară spaţiului frigorific
Calculul necesarului de frig pentru depozit de fructe
29
Diferenţa de temperatură ΔtR se ia icircn consideraţie numai la pereţii exteriori şi la
plafoane care sunt şi acoperiş pentru clădire
ΔtR = 0degC pentru pereţi exteriori orientaţi spre N
ΔtR = (5 10)degC pentru pereţi exteriori orientaţi spre E V S-E S-V
ΔtR = 15 degC pentru pereţi exteriori orientaţi spre S
ΔtR = (15 18)degC pentru plafoane care sunt şi acoperiş (terasă)
Calculul valorilor mărimii sumQ1 se recomandă a se efectua tabelar conform tabelului 25
Valoarea mărimii sum Q1 la aparate se obţine prin icircnsumarea fluxurilor termice prin toate cele 6 suprafeţe delimitatoare
La stabilirea valorii mărimii sum Q1 se consideră doar unul dintre fluxurile termice prin suprafeţele ce separă spaţiile frigorifice vecine Pentru aparatele de răcire din spaţiile frigorifice se consideră situaţia cea mai grea pentru fiecare spaţiu icircn parte respectiv că spaţiile vecine nu sunt răcite
Spaţiul frigorifi
c
Perete
Dimensiuni
Supraf F
[m2]
Kr [Wm2K]
Δt [grd]
Δtr
Q1 [W] sumQ1 q a [m]
b [m]
N 15 4 60 023 308 42504
246068
708
E 7 4 28 023 308 8 24987 892
DR S 15 4 60 023 185 15 46202 770
V 7 4 28 023 308 19835 708
T 15 7 105 023 308 74382 708
P 15 7 105 023 158 38157 363
N 7 4 28 023 185 11914
133566
426
E 7 4 28 023 268 8 22411 800
CP S 7 4 28 023 268 15 26919 961
V 7 4 28 023 185 11914 426
T 7 7 49 023 268 30204 616
P 7 7 49 023 268 30204 616
Tabelul 318 Tebel25 Calculul valorilor mărimii Q1
322 Necesarul de frig Q2
sum Q2 - necesarul de frig tehnologic pentru procesele de răcire refrigerare şi
congelare
Q2d = mcp(tc-ti)=500003644 = 4186000(243600)= 842 kW
Q2c = 2600036419 = 1798160 = 208 KW
Q2 = 208 + 842 = 293 = 30kW
unde
Q2d - necesarul de frig tehnologic depozit
Q2c - necesarul de frig tehnologic camera de preracire
Calculul necesarului de frig pentru depozit de fructe
30
m - cantitatea de produse introduse icircn tunelul de congelare icircn kg
te ti - temperaturi specifice corespunzătoare temperaturii iniţiale a produsului cald
(24 ordmC) respectiv temperaturii finale a produsului refrigerat (1 ordmC)
Căldura specfifică mere cp = 364 [kJkgK]
323 Necesarul de frig Q3
Icircn funcţie de natura produselor din spaţiul frigorific este necesar uneori să se realizeze ventilarea spaţiului prin asigurarea unui anumit număr de schimburi ale aerului din incintă icircn 24h Ca exemplu icircntotdeauna va fi necesară ventilarea prin introducere de aer proaspăt icircn spaţiile de păstrare pentru legume fructe şi ouă refrigerate Aceste produse vii respiră icircn timpul păstrării şi necesită icircn consecinţă ventilarea spaţiilor de păstrare
Acest consum de frig se ia icircn considerare doar la depozitele de refrigerare care se ventilează Se stabilește cu relația
Q3 = V ∙ a ∙ ᵖi ∙ (hex - hi) [kJ24]
V - volumul camerelor ventilateicircn m3
a = 24 schimburi pe zi pentru depozitele de mere
ᵖi - reprezintă densitatea aerului la temperature interioară icircn kgm3
Pentru depozitele de refrigerare considerăm umiditatea relativă ᵠi = 95 și ti=1 ordmC
rezultacircnd icircn acest caz hi= 9 kJkg
Parametri aerului exterior pentru zona icircn care este amplasat depozitul sunt temp ex 318
și umiditatea ext 60 rezultand din diagram mollier entalpia aerului Calcul facut icircn
programul Coolpack
ρi = 12 kgm3
hex = 7519 kJkg
Q3 = 616 2 12 (7519 - 9) (243600)= 00025 kW
324 Necesarul de frig Q4
Q4 - frigul consumat pentru acoperirea pierderilor icircn timpul exploatarii datorat deschiderii
usilor a corpurilor de iluminat a motoarelor electrice a oamenilor Se admite Q4 =
(01hellip04)Q1
Q4 = 02 379617 = 759234 = 008 kW
Qtotal = sum 119824120783 + Q2 + Q3 + Q4 = 004 + 30 + 000025 + 008 = 3012 = 31 kW
33 33 Stabilirea directiei raportului de termoumiditate și trasarea procesului de conditionare a aerului pe diagrama i-X pe timp de vară
Icircn fig16 este reprezentat un agregat pentru condiţionarea aerului pe timp de vară cu recirculare parţială
Calculul necesarului de frig pentru depozit de fructe
31
Figura 33 Figura16 Schema aparatului de condiţionare a aerului pe timp de vară cu recirculare parţială
F - filtru V - vaporizator C - compressor K - condensator VL - ventil de laminare I - icircncălzitor Vt - ventilator
Procesele de lucru pot fi reprezentate icircn diagrama h-x ca icircn figura următore
Figura 34 Fig17
A reprezintă starea aerului recirculat provenit din spaţiul condiţionat iar E este starea aerului exterior
Aerul tratat icircn aparatul de condiţionare care se introduce icircn incintă avacircnd starea B
trebuie să preia degajările de căldură Qv [kW] şi de umiditate Wv [kgs]
Direcţia procesului suferit de aer icircn incintă este dată de raportul de termoumidificare εv
= Qv Wv
Prin punctul A se trasează dreapta avacircnd raportul de termoumidificare εv iar punctul B se fixează pe această dreaptă adoptacircndu-se o anumită diferenţă de temperatură faţă de starea A
Aerul recirculat A se amestecă cu aerul proaspăt E şi rezultă starea de amestec M De regulă xM gt xB deci aerul va trebui să fie uscat
Pe verticala din B se fixează starea D avacircnd xD= xB şi ᵩD = 90hellip98
Calculul necesarului de frig pentru depozit de fructe
32
Se uneşte M cu D iar apoi se prelungeşte acest segment pacircnă la intersecţia cu ϕ = 100 rezultacircnd starea P avacircnd temperatura tp
Circulacircnd aerul cu starea M peste o suprafaţă rece avacircnd temperatura tp se va obţine procesul de răcire şi uscare MD
Temperatura suprafeţei tp se asigură cu o instalaţie frigorifică a cărei temperature de vaporizare va fi t0 lt tp
Ultimul proces din aparatul de condiţionare va fi icircncălzirea finală DB
Calculul agregatului de condiţionare a aerului pe timp de vară se efectuează asemănător cu cel a agregatului de condiţionare a aerului pe timp de iarnă cu observaţia că pe timp de vară nu este necesară umidificarea
331 Date
Vtotal = 616 m3 tint = 1ᵒC tex = 318 φint = 90 φext = 60 ρaer = 12 [kgm3]
Starea A
tA = ti + 3 = 4deg xA = 00043[kj
kg] φA = 86 hA = 1489[
kj
kg]
Starea B
tB = 1degC xB = 00036 [kj
kg] φB = 90 hB = 1024[
kj
kg]
Starea E
tE = 318degC xE = 00171[kj
kg] φE = 60 hE = 7519[
kj
kg]
Starea M
hM =hE + n ∙ hA
n + 1=
7513 + 20 ∙ 1489
21= 1775[
kj
kg]
xM =xE + n ∙ xA
n + 1=
00171 + 20 ∙ 00043
21= 00049[
kj
kg]
Rezulta din diagrama Mollier
Starea D
hD = 108 [kj
kg] xD = 0003[
kj
kg] φD = 97
Raportul de recirculare n = 20
Debitul de aer ventilat V =Vtotal∙20
24h=
616lowast20
24= 513 [m3h]
Debitul masic m = V ∙ ρaer = 513 lowast 12 =
6156[kg
h]
3600= 0171 [kgs]
tp = minus3degC t0 = tp minus 9degC = minus3 minus 9 = minus12degC
Puterea termica a vaporizatorului ( puterea frigorifică )
ФV = Ф0
Puterea termica a icircncalzitorului
ФI = 119898 ∙ (hB - hD)
Cantitatea de apa condensată icircn unitatea de timp pe suprafața de racire este
Calculul necesarului de frig pentru depozit de fructe
33
ẆV = 119898 ∙ (XM - XD)
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
34
4 Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
Există două domenii principale icircn care se utilizează frigul artificial icircn lucrările de construcţii şi anume
icircngheţarea terenurilor acvifere icircn vederea săpării puţurilor de mină a barajelor a depozitelor de gaze lichefiate etc
prerăcirea componentelor betonului icircn cazul executării unor masive de beton ca de exemplu baraje
41 51 IcircNGHEŢAREA SOLULUI
411 511 CONSIDERAŢII GENERALE PRIVIND IcircNGHEŢAREA SOLULUI
Icircngheţarea artificială a solului reprezintă una dintre cele mai interesante şi icircn acelaşi timp şi importante aplicaţii practice a frigului artificial Totodată este una dintre primele aplicaţii industriale a tehnicii frigului şi care a asigurat o dezvoltare deosebită a industriei extractive Aşa se explică faptul că odată apărută maşina frigorifică cu absorbţie realizată icircn 1859 de către Ferdinand Carre este folosită la săparea primului puţ de mină prin icircngheţarea artificială a rocilor Dar nu numai industria minieră foloseşte icircn ultimul secol procedeul consolidării rocilor la săpararea unor lucrări subterane Lucrări inginereşti de tot genul ca metrouri staţii subterane de pompare rezervoare de gaze lichefiate poduri lucrări portuare şi altele asemănătoare amplasate icircn zone acvifere au fost realizate prin metoda consolidării prin frig a rocilor
Această metodă a consolidării rocilor prin frig artificial realizează icircn jurul lucrării inginereşti subterane un perete icircngheţat protector pe durata lucrărilor de construcţii Acest perete asigură o izolare hidraulică şi icircn acelaşi timp şi o protecţie mecanică Rezistenţa mecanică a rocilor creşte pe măsură ce temperatura lor scade icircncacirct metoda expusă mai sus prezintă avantajul reglării capacităţii portante a peretelui icircngheţat
Apa conţinută icircn terenuri prin icircngheţare capătă proprietăţile cimentului exprimate prin forţele de coeziune mari care apar icircntre cristalele de gheaţă şi grăunţii de rocă
Pentru obţinerea peretelui protector se folosesc sonde de icircngheţare forate pe conturul lucrării subterane şi prin care circulă agentul de răcire care poate fi un agent intermediar ca de exemplu saramura de clorură de calciu sau agentul frigorific de exemplu amoniacul Icircn funcţie de grosimea peretelui şi de rezistenţa mecanică pe care trebuie să o aibă se va alege temperatura agentului de răcire distanţa dintre sonde şi durata de icircngheţare
Instalaţia de consolidare prin frig a rocilor cuprinde trei părţi principale staţia frigorifică reţeaua de distribuţie a agentului de răcire (saramura) şi sondele de icircngheţare a solului
Staţia frigorifică cuprinde instalaţia frigorifică propriu-zisă cu comprimare mecanică de vapori sau prin absorbţie icircntr-o treaptă sau icircn două trepte Icircn funcţie de condiţiile de amplasament ale obiectivului staţia frigorifică poate fi de construcţie staţionară (icircn minerit) sau mobilă (la metrouri)
Reţeaua de distribuţie alcătuită din conducte metalice sau din mase plastice are rolul de a face legătura icircntre staţia frigorifică şi sondele de icircngheţare Pentru reducerea pierderilor de frig reţeaua de distribuţie se izolează termic
Sondele de icircngheţare constituie schimbătorul de căldură subteran prin care se extrage căldura de la terenul supus icircngheţării Icircn fig 51 se prezintă schiţa unei sonde de icircngheţare cu ajutorul saramurii Saramura rece cu temperatura icircntre -10 ordmC pacircnă la -35 ordmC
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
35
coboară prin ţeava interioară şi apoi se icircntoarce prin spaţiul inelar dintre cele două conducte concentrice
Figura 41 Fig 51 Sonda de icircngheţare 1 - şiu (tub scurt de oţel cu pereţi groşi rezistent) 2 - ţeava interioară 3 - ţeava exterioară (burlan de
icircngheţare) 4 - capul sondei
Circulaţia continuă a saramurii prin sonda de icircngheţare face ca rocile ce icircnconjoară sondele inclusiv apa conţinută icircn spaţiile libere să se răcească treptat Icircn jurul sondei icircncepe să se formeze stratul de rocă icircngheţată diametrul cilindrului de teren icircngheţat se măreşte icircn timp Aşa cum s-a arătat icircn capitolul 3 rezultă că dezvoltarea radială a cilindrului de rocă icircngheţată icircn jurul sondei se desfăşoară cu o viteza variabilă de icircnaintare la icircnceput viteza de icircnaintare a frontului de gheaţă este mai mare după care scade icircn timp Apoi se atinge stadiul staţionar de transfer de căldură cacircnd cilindrul nu mai creşte icircn dimensiuni Reiese că distanţa dintre sondele de icircngheţare este determinată de raza maximă a cilindrului de teren icircngheţat Pentru a realiza peretele icircngheţat care să reziste la solicitările la care este supus se impune ca distanţa dintre sondele vecine să fie mai mică decacirct raza maximă a terenului icircngheţat astfel icircncacirct cilindrii formaţi să se unească icircntre ei Icircn fig 52 se prezintă evoluţia icircn timp a icircngheţării terenului icircn jurul sondelor Icircn faza iniţială a icircnceput răcirea dar icircncă nu s-a format teren icircngheţat Icircn faza a II-a (după circa 20 zile) icircn jurul fiecărei sonde se formează cacircte un cilindru de teren icircngheţat fără ca aceştia să se unească Icircn faza a III-a (după circa 30 zile) cilindrii se icircntretaie şi formează peretele protector
Figura 42 Fig 52 Evoluţia cilindrilor individuali de rocă icircngheţată 1 - sonda de icircngheţare 2 - sonda de măsurători termice 3 - teren icircngheţat
Această evoluţie poate fi urmărită cu suficientă precizie prin măsurarea temperaturii masivului cu ajutorul unor sonde de măsurători termice 2 montate la distanţe bine stabilite de sondele vecine de icircngheţare Astfel icircn faza I-a temperatura este cea iniţială deci neafectată de prezenţa sondelor icircn faza a II-a temperatura este mai scăzută dar mai mare de 0 ordmC Cum icircn practică sondele de icircngheţare au o abatere de la poziţia verticală (sau de la cea impusă prin proiect) sondele de măsurători termice sunt prevăzute icircntre sondele
I II III
1
2 2 2
3 3
SARAMURĂ CALDĂ
IEŞIRE
INTRARE SARAMURĂ A E RECE
1
2
3
4
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
36
cele mai distanţate icircntre ele acolo unde evoluţia peretelui de protecţie este cea mai defavorabilă
Primele realizări inginereşti de consolidare prin frig artificial a terenurilor acvifere metodă prin care vor fi aduse la lumină multe bogăţii subterane sunt legate de numele inginerului de mine şi metalurgie Friederich Herman Poetsch El a obţinut icircn 27 februarie 1883 brevetul pentru procedeul său de adacircncire a puţurilor verticale icircn roci bogate icircn apă (şi curgătoare) Poetsch a reuşit să experimenteze procedeul său la adacircncirea unor puţuri de mină dar a avut şi multe insuccese icircncacirct la 9 iunie 1902 moare sărac şi dezamăgit Metoda de icircngheţare prin frig artificial a terenurilor a avut mare succes icircn Franţa Astfel numai icircn perioada 1892 - 1898 icircn bazinele carbonifere Nord şi Pas de Calais s-au săpat circa 20 puţuri pacircnă la o adacircncime de 100 m prin aplicarea metodei icircngheţării după planurile lui Poetsch
Desigur că nu ar putea fi omis numele lui Louis Gebhard care realizează numeroase lucrări de adacircncire a puţurilor prin icircngheţare atacirct icircn Germania cacirct şi icircn Franţa Anglia Olanda şi Polonia ceea ce face ca metoda propusă de Poetch să devină o tehnologie demnă de toată icircncrederea cu siguranţă absolută şi cu un mare randament
Gebhard un mare practician icircncepe sa folosească icircn locul instalaţiilor cu absorbţie realizate de F Carre pe cu cele cu comprimare mecanică de vapori realizate de Karl von Linde cu icircncepere din anul 1874
Poetsch icircn 1888 prevede extinderea procedeului de icircngheţare la construcţia podurilor la construcţii navale lucrări de fortificaţii la protecţia fundaţiilor subterane şi a bazinelor cu apă El susţine că poate să rezolve orice problemă sub apă chiar şi puţuri icircncepute şi abandonate
Icircn anul 1900 se depăşeşte bariera adacircncimii de 100 m Realizarea unor puţuri mai adacircnci (peste 100 m) ridică unele probleme icircn plus faţă de puţurile de mai mică adacircncime deoarece abaterile de la verticalitate pot conduce la formarea unor ferestre icircn peretele protector
Icircn ţara noastră această tehnologie de forare a unor puţuri de mină cacirct şi a galeriilor de metrou prin icircngheţarea solului a fost folosită cu icircncepere din anul 1961 aşa cum se prezintă icircn paragraful 513
412 512 CONSTRUCŢIA INSTALAŢIEI DE IcircNGHEŢARE A SOLULUI
Icircn funcţie de forma şi mărimea lucrării care se realizează la adăpostul terenului icircngheţat principial se pot utiliza următoarele tipuri de instalaţii
a) cu răcire indirectă denumită şi cu dublu schimb (fig53)
b)cu răcire directă icircn circuit icircnchis (fig 54)
c)răcire directă icircn circuit deschis (fig55)
a) Răcirea indirectă se utilizează icircn practică cel mai mult fiind cunoscută icircncă de la icircnceputurile metodei de icircngheţare a solului
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
37
Figura 43 Fig 53 Instalaţia frigorifică cu răcire indirectă 1 - compresor 2 - condensator3 - ventil de laminare 4 - vaporizator 5 - bazin de răcire a saramurii 6
- agitator 7 - pompă de saramură 8 - sonde de icircngheţare
Ca agent frigorific se poate folosi amoniacul sau freonii iar ca agent intermediar se utilizează soluţiile de clorură de calciu clorura de sodiu sau magneziu sărurile respective fiind relativ uşor de procurat
Instalaţiile frigorifice cuprind unul sau mai multe blocuri frigorifice Acest mod de compunere prezintă avantaje icircn ceea ce priveşte montarea cacirct şi exploatarea instalaţiilor se poate asigura o reducere icircn trepte a puterii frigorifice pe măsură ce creşte rezistenţa termică a stratului de teren icircngheţat
Componentele principale ale instalaţiei frigorifice se montează grupat pe cele trei secţiuni secţia de compresoare secţia condensatoarelor şi secţia vaporizatoarelor De regulă compresoarele se montează fie icircn aer liber atunci cacircnd tipul lor permite fie acoperite sub şarpante protectoare
Pe măsură ce se scot din funcţiune blocurile frigorifice se demontează şi se pot monta la un nou obiectiv
b) Răcirea directă icircn circuit icircnchis (fig 54) se utilizează icircn cazul icircn care adacircncimea de icircngheţare este mică
Figura 44 Fig 54 Instalaţia frigorifică cu răcire directă icircn circuit icircnchis 1 - compresor 2 - condensator 3 - ventil de laminare 4 - sonde de icircngheţare
Sondele de icircngheţare constituie vaporizatorul instalaţiei frigorifice Icircn cazul unor sonde de lungime mare icircnălţimea coloanei de agent frigorific este de asemenea mare Ca urmare a presiunii hidrostatice variabile şi temperatura de vaporizare este variabilă fiind mai mare
1
2
1111111 Apă
3
4
1
2
Apă 3
4
5
6
7
8
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
38
la capătul inferior şi mai mică la capătul superior Din acest motiv adacircncimea sondelor de icircngheţare nu poate depăşi anumite limite şi icircn plus se recurge la fragmentarea coloanei de lichid cu ajutorul unor pereţi despărţitori
Pierderile de agent frigorific mai mari decacirct icircn cazul răcirii indirecte reprezintă un alt inconvenient al acestui mod de răcire
c) Răcirea directă icircn circuit deschis constă icircn introducerea agentului frigorific (cel mai frecvent azot lichid) icircn sondele de icircngheţare fără ca acesta să mai fie folosit după vaporizare
La presiunea atmosferică azotul lichid fierbe la temperatura de -196 ordmC icircncacirct vaporii reci de azot icircnainte de a fi evacuaţi se folosesc de asemenea pentru congelarea solului fiind circulaţi prin sonde de icircngheţare (Fig 55)
Figura 45 Fig 55 Icircngheţarea cu azot lichid icircn două trepte 1 - ventil de laminare 2 - sonda de icircngheţare 3 - sonda de icircngheţare cu vapori de azot
Această metodă se foloseşte cacircnd se urmăreşte o icircngheţare rapidă şi volumul de teren icircngheţat este redus
Se vor prezenta icircn continuare unele elemente constructive ale instalaţiilor de icircngheţare
Reţeaua de saramură (fig 56) are rolul de a asigura transferul de căldură de la sol către agentul frigorific Cuprinde două schimbătoare de căldură cel subteran alcătuit din sondele de icircngheţare şi cel de suprafaţă reprezentat de vaporizatorul imersat icircn saramură Icircntre cele două schimbătoare de căldură există conducte magistrale distribuitoare - colectoare şi racorduri la sonde
Saramura răcită prin intermediul vaporizatorului 1 este circulată cu pompa 2 prin magistrala de tur a reţelei 3 Sondele de icircngheţare 5 se leagă prin vane la distribuitorul 4 şi colectorul 6 ambele de construcţie inelară Printr-o asemenea construcţie şi mod de legare a sondelor prezentate icircn figura 56 se asigură o echilibrare a căderilor de presiune pe sondele de icircngheţare şi ca urmare o alimentare uniformă cu agent intermediar şi deci şi o răcire uniformă pentru toate sondele
1
2
AZOT LICHID
VAPORI
AZOT -40OC
3
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
39
Figura 46 Fig 56 Schema reţelei de saramură 1- vaporizatorul 2 - pompa de saramură 3 - magistrala de tur 4 - distribuitorul inelar 5 -sondele de
icircngheţare 6 - colectorul inelar 7 - magistrale de retur M - manometru D - debitmetru T - termometru
Magistralele 3 şi 7 de acelaşi diametru şi lungime variabilă (determinată de o serie de factori) se pot monta atacirct la suprafaţă cacirct şi icircn canal
Magistralele se dimensionează icircn funcţie de puterea frigorifică a schimbătorului de căldură subteran alcătuit din sondele de icircngheţare
F0 qNHd [W] (51)
unde d - diametrul exterior al sondei de icircngheţare m
H - adacircncimea de icircngheţare m
N - numărul de sonde de icircngheţare
qF - densitatea fluxului termic raportat la suprafaţa exterioară a sondei La temperatura saramurii de - 20 ordmC se poate considera qF = (260290) Wm2
Debitul volumic V de agent intermediar icircn reţeaua de icircngheţare icircn funcţie de care se aleg
pompele se determină cu relaţia
tc
V o
(52)
icircn care este densitatea agentului intermediar kgm3
c - căldura specifică a agentului intermediar JkgK
t - creşterea temperaturii agentului (saramura) icircn sondele de icircngheţare K
La icircnceputul perioadei de răcire diferenţa de temperatură este t = 56 K ca apoi să scadă la 12 K
Icircn conductele magistrale se recomandă ca viteza saramurii să fie w = 0915ms
Icircn acest caz diametrul conductelor de transport a saramurii este dat de relaţia
w
V4D
[m] (53)
Icircn funcţie de valoarea determinată pentru D se aleg conducte metalice de diametru nominal cuprins icircntre 75200 mm Dacă rezultă D gt 200 mm se vor alege două conducte cu diametrul mai mic de 200 mm
2
T
T
M
M D
D
NH
3
3
4
6
5
7
1
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
40
Conductele magistrale se realizează prin icircmbinări cu flanşe sau sudate iar la lungimi mai mari de 100150 m se vor prevedea coturi compensatoare Pentru reducerea pierderilor de frig magistralele vor fi izolate termic
Distribuitorul de saramură răcită şi colectorul de saramură de la sonde sunt construcţii metalice identice
Icircn figura 57 se prezintă modul de racordare a sondelor de icircngheţare 5 la distribuitorul 1 şi colectorul 2 Vanele 3 asigură icircnchiderea deci oprirea circulaţiei şi reglajul debitului Prin aceste vane se poate izola o anumită sondă care nu funcţionează normal sau la care se observă o anumită defecţiune
Figura 47 Fig 57 Racordarea sondelor de icircngheţare la distribuitor şi colector 1 - distribuitor 2 - colector 3 - vane 4 - racord elastic 5 - sonda de icircngheţare
Poziţia distribuitorului şi colectorului faţă de racircndul sondelor de icircngheţare poate fi laterală de o singură parte sau laterală de ambele părţi ale sondelor Amplasamentul trebuie astfel făcut icircncacirct să fie posibilă vizitarea supravegherea şi eventual icircnlocuirea sondelor de icircngheţare
Racordarea sondelor la distribuitor şi colector se face prin cacircte un racord elastic (fig 57) Dimensionarea distribuitoarelor şi a colectoarelor se face din condiţia ca viteza saramurii să nu depăşească 0915 ms
Coloanele de distribuţie şi colectare urmăresc icircn teren forma şirului de sonde de icircngheţare şi pot avea acelaşi traseu sau trasee diferite Configuraţia traseului poate fi icircn linie sau circulară Icircn oricare din situaţiile prezentate distanţele dintre ştuţurile de racord şi sondele de icircngheţare sunt variabile astfel icircncacirct racordurile rigide prin flanşe şi sudură sunt greu de realizat Cea mai practică soluţie de racord icircn acest caz este furtunul de cauciuc (fig 57)
Icircn reţeaua de saramură poate pătrunde aer prin procesul de pompare ceea ce conduce la intensificarea acţiunii corosive a saramurii Icircn scopul icircndepărtării aerului nedorit pe partea superioară a conductelor icircn punctele cele mai ridicate ale acestora se montează robineţi de evacuare periodică a aerului şi eventual a altor gaze
Pe conductele magistrale se vor monta aparate de măsură şi control debitmetre termometre şi manometre (fig 56) Icircn acest caz se poate aprecia funcţionarea fiecărei sonde după depunerile exterioare de gheaţă pe racordul metalic sau de cauciuc lăsate neizolate termic tocmai icircn acest scop Icircn scopul urmăririi regimului de lucru sub aspect
5
4
1
2 3
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
41
hidraulic şi termic icircn mod individual se pot monta aparate de măsură şi control pe fiecare sondă de icircngheţare dar această soluţie este mai costisitoare
Sonda de icircngheţare realizează transferul de căldură de la terenul ce urmează a fi icircngheţat spre agentul frigorific (la răcirea directă) sau agentul intermediar (la răcirea indirectă)
Icircn figura 51 s-a prezentat schema de principiu a unei sonde de icircngheţare cu saramură activă pe toată lungimea Conducta exterioară sau burlanul de icircngheţare 3 este o conductă din oţel etanşă şi rezistentă la eforturile mecanice care apar datorită presiunii solului şi variaţiei de temperatură icircntre momentul fixării ei icircn sol şi cel al funcţionării la o temperatura sub 00C
Icircn procesul de icircngheţare coloana de burlane care poate atinge lungimi de sute de metri se contractă icircnsă nu liber deoarece ea este stracircnsă icircn masivul de roci La o variaţie de temperatură icircntre momentul iniţial (fără saramură) şi momentul pornirii circulaţiei de saramură de 400C conducta din oţel de 500 m adacircncime ar trebui să se contracte cu
tHH = 500 11 10-6 40 = 0220 m = 22 cm
Datorită fixării coloanei icircn gaura forată efortul unitar de icircntindere ce apare icircn urma scăderii temperaturii este
tE = 22 1010 11 10-10 40 = 968 105 Nm2 = 9680 Ncm2
La acest efort de icircntindere apărut datorită contracţiei coloanei se mai adaugă efortul de acelaşi semn provocat de dilatarea masivului de rocă acviferă icircngheţată Icircn scopul compensării eforturilor de icircntindere s-a propus icircmbinarea coloanei cu nipluri elastice O asemenea soluţie este mai scumpă şi icircn plus micşorează secţiunea liberă de curgere ceea ce conduce la icircncălzirea excedentară a saramurii
La lucrări subterane de mare adacircncime ca puţurile de mină depozite subterane se folosesc burlane de 1397 x 7 mm pentru a fi posibilă determinarea abaterii de la poziţie verticală
La tunelurile de metrou şi icircn general la lucrările la care adacircncimea de icircngheţare nu depăşeşte 50 - 60 m diametrul cel mai frecvent utilizat este 1143 x 7 mm
Ţeava interioară 2 (fig 51) numită şi tub de alimentare de regulă ţeava uşoară de instalaţii de 50 mm diametrul se introduce icircn burlanul exterior 3 fără icircnsă a atinge şiul de bază 1 al sondei Se asigură icircn acest mod un volum minimal de depuneri solide care circulă cu saramura icircn mod incidental Icircn scopul economisirii de metal tubul de alimentare poate fi din material plastic ceea ce prezintă marele avantaj al lipsei coroziunii şi al refolosirii materialului respectiv
Şiul de fund are rolul de a asigura icircnchiderea burlanului exterior icircn partea sa inferioară Cel mai adesea are formă conică pentru a asigura introducerea cu uşurinţă a coloanei metalice icircn gaura de sondă Această componentă a sondei de icircngheţare se execută fie prin turnare sau se confecţionează cu ajutorul sudurii
Corespunzător profilului geologic al terenului icircn care se lucrează se icircntacirclnesc şi cazuri cacircnd nu este nevoie să se icircngheţe terenul pe toată icircnălţimea sondelor ci numai la partea lor inferioară Icircn acest caz se folosesc sonde de icircngheţare zonală (fig 58) cu ajutorul cărora se asigură congelarea doar a zonei inferioare ceea ce prezintă avantaje economice deosebite nu se consumă energie pentru a icircngheţa icircn mod inutil formaţiuni geologice consistente şi uscate şi nu se reduce ritmul lucrărilor de săpare printr-o eventuală mărire a rezistenţei rocilor
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
42
Figura 48 Fig 58 Sonda de icircngheţare zonală
1 - burlan exterior 2 - tub de alimentare 3 - şiu 4 - tub de evacuare
Figura 49 Fig59 - Sonda de icircngheţare cu agent
frigorific 1 - tub exterior 2 - perete despărţitor 3 - şiu 4 -
ştuţ (ţeavă de preaplin) 5 - condensator - vaporizator
Icircn cazul răcirii directe sondele de icircngheţare cu agent frigorific sunt de construcţie specială (fig 59) Particularitatea acestor sonde este prezenţa pereţilor despărţitori 2 dispuşi unul sub celălalt la circa 3 m fiecare perete fiind prevăzut cu un ştuţ de preaplin O asemenea construcţie are rolul de a fracţiona coloane de lichid ceea ce asigură o răcire mai uniformă pe lungimea sondei
Fiecare sondă este prevăzută la partea superioară cu cacircte o cămaşă de răcire Sondele se umplu cu amoniac lichid icircntr-o asemenea cantitate icircncacirct fiecare secţie să fie icircnecată cu lichid respectiv pacircnă la partea superioară a ştuţurilor 4 Ca urmare a fluxurilor de căldură de la sol se produce fierberea amoniacului icircn toate secţiile sondei Vaporii formaţi se ridică prin ştuţurile 4 şi ajungacircnd la partea superioară a sondei se condensează cedacircnd căldură agentului (amoniac) din cămăşile de răcire
Ca urmare cămăşile de răcire de la partea superioară a sondelor constituie vaporizatorul instalaţiei frigorifice Amoniacul care se condensează la partea superioară a sondei curge icircnapoi (de sus icircn jos) prin ştuţurile 4 Folosirea pereţilor despărţitori şi a ştuţurilor micşorează influenţa presiunii hidrostatice a lichidului asupra temperaturii de vaporizare a amoniacului Asemenea sonde de icircngheţare se folosesc pentru lucrări de mică adacircncime
Amplasarea sondelor se face icircn funcţie de o serie de factori formă poziţia şi dimensiunile lucrării care se realizează structura terenului temperatura şi viteza agentului etc
Icircn cazul puţurilor de mină de secţiune circulară sondele se amplasează pe un cerc
concentric de diametru D mai mare decacirct diametrul de săpare Ds cu grosimea a peretelui icircngheţat
sDD (54)
Trebuie să se ţină seama şi de deviaţia sondelor de la poziţia verticală icircncacirct pentru adacircncimi mari se utilizează relaţia
3
2 4
1
VAPORI 5 LICHID
3
2
4 1
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
43
a21DD s (55)
unde a = 003 H este abaterea medie statistică de la verticală a sondelor
Distanţa dintre sonde se ia de obicei de 1014 m icircn terenuri rezistente şi de 0809 m icircn terenuri slabe
Pentru adacircncimi de peste 500 m se recomandă să se dispună sondele pe două cercuri concentrice pentru a se forma un perete de grosime mai mare şi deci mai rezistent
La icircngheţarea terenului icircn jurul puţurilor de secţiune dreptunghiulară sondele se pot dispune pe dreptunghi sau elipsă Icircn aceste situaţii centura de teren icircngheţat poate fi solicitată la icircntindere ceea ce este de nedorit deoarece limita de rezistenţa la icircntindere a terenurilor icircngheţate este de circa 3 ori mai mică decacirct limita rezistenţei la compresiune Din acest motiv chiar şi la puţurile de mină de secţiune dreptunghiulară sondele se dispun pe unul sau două cercuri (fig 510)
Pentru realizarea galeriilor icircnclinate icircngheţarea terenului se realizează cu sonde verticale (fig 511) sau combinat atacirct cu sonde verticale cacirct şi cu sonde icircnclinate (fig 512)
Distanţa dintre sondele verticale (fig 511) se ia de 23 m iar distanţa dintre racircnduri este de 1525 m
Se poate folosi cacircte un racircnd de sonde icircnclinate montate deasupra galeriei (fig 212 a) sau sonde icircnclinate sub galerie şi sonde verticale scurte deasupra galeriei (fig 512 b)
SONDA
154 m
16
6 m
226
262
85
SONDA
Figura 411 Fig 511 Amplasarea sondelor verticale pentru realizarea galeriei icircnclinate
Figura 411 Fig 510 Dispunerea sondelor icircn jurul puţurilor de mină de secţiune
dreptunghiulară
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
44
Figura 412 Fig 512 Realizarea galeriilor icircnclinate cu sonde verticale (1) şi sonde oblice (2)
I - secţiunea longitudinală II - secţiunea transversală a) sonde icircnclinate deasupra galeriei b) sonde icircnclinate sub galerie
413 513 UTILIZAREA METODEI DE IcircNGHEŢARE A SOLULUI IcircN ŢARA NOASTRĂ
a)Puţuri de mină
Aplicarea metodei de icircngheţare a solului pentru lucrări de minerit a avut loc la noi icircn ţară icircncepacircnd cu anul 1960 la puţul Godeni din bazinul carbonifer Cacircmpulung - Muscel Proiectul a fost elaborat icircn anul 1959 la IPROMIN Bucureşti iar lucrarea a fost executată cu Trustul Minier Argeş avacircnd icircn subantrepriză de specialitate Icircntreprinderea Frigotehnica Bucureşti şi Trustul de prospecţiuni explorări şi deschideri de mine noi Bucureşti
Adacircncimea de săpare a puţului Godeni a trebuit sa fie de 202 m Sondele de icircngheţare constituite din două ţevi concentrice (fig 51) cu diametrele exterioare de 146 mm şi respectiv 57 mm icircn număr de 27 au fost amplasate pe un cerc cu diametrul de 10 m la distanţa de 117 m una de alta
Instalaţia frigorifică a fost dimensionată cu mare precauţie pentru a avea o siguranţă mărită icircn funcţionarea ei Toate părţile componente ale instalaţiei frigorifice au fost proiectate şi executate icircn ţară
La proiectarea instalaţiei s-a avut icircn vedere funcţionarea de scurtă durată şi variaţia puterii frigorifice icircn timp S-a utilizat răcirea indirectă cu soluţie de clorură de calciu iar ca agent frigorific a fost folosit amoniacul Pentru a avea elasticitatea necesară icircn funcţionare la diferite puteri frigorifice au fost folosite grupuri de utilaje frigorifice şi anume
6 compresoare 4 AU - 20 (200000 kcal Nh =233 kW fiecare)
3 baterii de condensatoare atmosferice a cacircte 300 m2 (900 m2)
bazine pentru răcirea saramurii fiecare cu cacircte 2 vaporizatoare superintensive de 50 m2 (600 m2)
2 grupuri a cacircte 5 pompe pentru recircularea saramurii
Puterea frigorifică a instalaţiei montate a fost de 12106 kcal Nh =1395 kW şi s-a caracterizat prin următoarele date tehnice la exploatare
85
1
2
I 85
1
2
I
85
1
2
II
85
1
2 II
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
45
o suprafaţa de schimb de căldură a sondelor 2500 m2 o puterea instalaţiei 750 kW o debitul saramurii icircn
o icircn perioada activă 350 m3h o icircn perioada pasivă 70 m3h
o viteza de circulaţie a saramurii icircn sondă o tur 18 ms 036 ms o retur 029 ms 006 ms
o volumul rocilor icircngheţate circa 10000 m3 o consumul specific de frig mediu 50000 m3 o durata icircngheţării (perioada activă) 130 zile
Icircn timpul răcirii şi deci a icircngheţării solului puterea frigorifică scade icircn mod continuu icircncacirct treptat s-a scos din funcţiune cacircte un compresor icircn perioada pasivă (de săpare a puţului) s-a menţinut icircn lucru doar un singur compresor şi grupul de utilaje aferent
După terminarea lucrărilor de la puţul Godeni icircn anii următori aceeaşi instalaţie s-a montat la puţul Poenari din acelaşi bazin carbonifer unde sondele au fost amplasate pe un cerc cu diametrul de 11 m la distanţa de 128 m una de alta
Un alt puţ realizat prin această tehnologie de icircngheţare a solului a fost puţul Jugur de la acelaşi bazin carbonifer Centrala frigorifică a cuprins 15 compresoare 3 AV - 20 (150000 kcal Nh fiecare=175kW) repartizate icircn 5 linii tehnologice independente cu icircntreg utilajul aferent Fiecare linie este compusă din
o butelie de răcire intermediară BRI - 700 un condensator cu evaporare forţată CEF - 180 un bazin cu patru grupuri vaporizatoare intensive de cacircte 165 m2 (icircn total 66 m2)
Sondele de icircngheţare icircn număr de 27 bucăţi au fost prevăzute să se amplaseze pe un cerc cu diametrul de 104 m la distanţă de 121 m Sondele sunt de tipul celei indicată icircn figura 58 deci cu răcire zonală avacircnd următoarele caracteristici diametrul exterior al burlanului este de 146 mm iar tuburile interioare au 57 mm (la exterior) tubul de alimentare are lungimea de 430 m iar cel de evacuare este de 220 m Ca urmare sondele de icircngheţare trebuie să producă icircngheţarea solului numai pe adacircncimea de la 220 m la 430 m Prin proiect s-au prevăzut următoarele date temperatura saramurii - 35 ordmC viteza saramurii icircn conducte de tur 18 ms viteza icircn conducte de retur (pe adacircncimea de răcit) 06 ms durata icircngheţării (perioada activă) a fost de 75 zile
Au fost prevăzute temperaturi scăzute şi viteze mari de congelare deoarece cilindrul icircngheţat trebuie să preia presiuni de pacircnă la 56 bar
b)Tunelurile pentru metroul din Bucureşti
Icircncepacircnd cu anul 1976 pentru realizarea metroului din Bucureşti s-a procedat la aplicarea metodei de icircngheţare a solului icircntr-o zonă considerată experimentală dar cu realizări efective de galerii
Prin proiect s-a prevăzut consolidarea prin icircngheţare artificială a profilului de săpare a tunelurilor de metrou pe o lungime de circa 550 m pe ambele fire Amplasamentul sondelor s-a făcut icircn două variante (pentru experimentare) pentru un fir de tunel ambele racircnduri de sonde s-au fixat icircn profilul circular de săpare iar pentru cel de al doilea fir de tunel sondele au fost forate icircn afara profilului de icircnaintare (fig 513) Au fost folosite sonde cu saramură cu posibilitatea de icircngheţare pe toată icircnălţimea de 16 m cacirct şi sonde cu icircngheţare zonală icircntre adacircncimile de 7 m şi 16 m Distanţa dintre sonde a fost fixată la 14 m
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
46
Pentru a se icircmpiedica accesul apelor icircn frontul de săpare datorate unor eventuale zone neicircngheţate traseul de tunel icircngheţat a fost icircmpărţit icircn incinte icircnchise prin timpane transversale La distanţe de 3050 m icircn lungul traseului au fost montate sonde de icircngheţare aşezate icircn plan normal pe axul tunelului prin care să se icircnchidă accesul apelor spre frontul de săpare
Echipamentul frigorific principal cuprinde
- 8 compresoare frigorifice 3 AV - 20 funcţionacircnd icircntr-o treaptă pentru care
corespunde puterea frigorifică de 12 106 kcal Nh =1395 kW
- 4 condensatoare de evaporare forţată CEF - 250
- 3 bazine de răcire a saramurii echipate cu cacircte 4 grupuri de vaporizatoare superintensive de cacircte 51 m2 (total 612 m2)
- 3 grupuri de cacircte 2 pompe a 220 m3h pentru circulaţia saramurii pe traseele de distribuţie şi prin sonde
Figura 413 Fig513 Amplasamentul sondelor de icircngheţare
Centrala frigorifică este stabilă adăpostită icircntr-o baracă metalică demontabilă existacircnd posibilitatea de reamplasare rapidă a instalaţiei icircntr-un alt loc Agentul frigorific utilizat este amoniacul iar agentul intermediar este clorura de calciu
Icircn perioada principală de icircngheţare temperatura de vaporizare este to = -22 ordmC asiguracircnd răcirea saramurii la -17 ordmC iar pe retur saramura a avut temperatura cu 15 ordmC mai ridicată
La o asemenea lucrare realizată icircn oraş se impune protejarea contra icircngheţului a straturilor de deasupra galeriilor icircn care sunt amplasate instalaţiile de apă - canal ceea ce presupune folosirea sondelor cu icircngheţare zonală care să nu fie active la partea superioară
c) Puţuri pentru prospectarea balastierelor
Procedeul şi instalaţia frigorifică au avut caracter de noutate şi s-a aplicat icircncepacircnd cu anul 1966 la mai multe obiective icircn general pe văile racircurilor unde s-au construit hidrocentrale
A
A B
B
A-A
000 -300 -700 -1061 -1300
65
800
B-B
000 -300 -700 -1061 -1300
65
550
ARGILA
ARGILA
NISIP
NISIP
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
47
Echipamentul frigorific principal cuprinde un agregat frigorific pentru amoniac de 20000 kcal Nh = 233 kW rezervor de amoniac separator de lichid şi anexe - toate fiind montate pe o remorcă
S-au folosit sonde de icircngheţare cu agent frigorific icircn număr de 8 bucăţi cu diametrul exterior de 133 mm montate pe un cerc cu diametrul de 2 m la distanţa de 076 m lungimea lor fiind de 75 m Legarea sondelor la distribuitor şi colector s-a făcut cu racorduri flexibile
Sondele au o construcţie specială fiind prevăzute cu 4 pereţi transversali cu ştuţuri de preaplin formacircndu-se astfel 5 compartimente Agentul lichid se introduce icircn compartimentul cel mai de sus şi se scurge prin ştuţuri pacircnă la baza sondei Conducta de aspiraţie străbate toate compartimentele vaporii fiind aspiraţi din compartimentul cel mai de jos Circulaţia vaporilor formaţi se face ca şi a lichidului de sus icircn jos obţinacircndu-se astfel o răcire uniformă şi eficientă pe toată icircnălţimea sondei
Durata icircngheţării respectiv a formării centurii de teren icircngheţat la adăpostul căreia să se poată efectua săparea şi preluarea de probe de sol este de 10 zile
414 514 CAcircMPUL DE TEMPERATURĂ IcircN SOLUL IcircNGHEŢAT
Cacircnd prin sonda de icircngheţare circulă saramură a cărei temperatura este sub 0 ordmC practic - 20 ordmC-25 ordmC icircn jurul sondei se formează un cacircmp termic care icircn cazul unei singure sonde poate fi reprezentat prin suprafeţe cilindrice coaxiale de temperatură constantă (izoterme)
După distanţa radială se deosebesc icircn sol din punct de vedere termic trei zone zona cilindrică din imediata vecinătate a sondei care este icircn zona icircngheţată zona răcită cuprinsă icircntre suprafaţa cilindrică izotermă de 0 ordmC şi izoterma de temperatură naturală şi a treia zonă cea de temperatura naturală (fig 514)
Icircn zona icircngheţată temperatura masivului variază de la temperatura peretelui metalic al sondei pacircnă la 0 ordmC Icircn zona răcită temperatura masivului creşte de la 0 ordmC pacircnă la temperatura naturală a masivului
Figura 414 Fig 514 Cacircmpul de temperatură icircn jurul unei sonde de icircngheţare
Este important să se cunoască cacircmpul termic icircn terenul supus icircngheţării deoarece acesta oferă date privind zona de răspacircndire a consolidării rocilor prin solidificarea apei cacirct şi a
t [oC]
r [m]
t (r)
ZONA RACITA
ZONA INGHETAT
A
ts TEMPERATURA NATURALA A ROCII
-20
-10
40
10 0 20 30
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
48
rezistenţei mecanice a rocii icircngheţate Se cunoaşte faptul că rezistenţa mecanică depinde direct de temperatură
Studiul variaţiei temperaturii icircn zona de influenţă a unei sonde şi a tuturor sondelor simultan oferă posibilitatea calculării dimensiunilor la proiectarea construcţiei peretelui protector cacirct şi controlul procesului icircn timpul desfăşurării lucrărilor
Pentru a se stabili relaţia de variaţie a temperaturii icircn zona icircngheţată icircn funcţie de raza r se consideră ecuaţia diferenţială
dr
dtr2q (56)
icircn care q este fluxul unitar de căldură corespunzător lungimii de 1 m din sonda de icircngheţare Wm
- conductivitatea termica a terenului Wm
Integrarea directă a ecuaţiei analitice se poate face icircn ipoteze simplificatoare consideracircnd
= const şi q = const ceea ce este justificat la valori mari ale timpului de răcire
Se separa variabilele
r
dr
2
qdt
(57)
Se consideră cunoscute temperaturile t1 la suprafaţa sondei de raza r1 și t2 = 0 ordmC la raza r2 corespunzătoare suprafeţei exterioare a cilindrului icircngheţat Se integrează ecuaţia (6-7) și cunoscacircnd limitele de integrare se va determina constanta de integrare
Cr ln2
qt
(58)
pentru r = r1 t = t1 deci
11 rln2
qtC
(59)
1
1r
rln
2
qtt
(510)
Se pune condiţia ca pentru r = r2 t = t2
1
212
r
rln
2
qtt
(511)
Se elimina q intre relaţiile (510) și (511) şi se obţine
1
2
1121
r
rln
r
rln
tttt (512)
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
49
Figura 415 Fig 515 Schema schimbătorului de căldură subteran
Pentru t2 = 0 ordmC relaţia (5-12) devine
)rrln(
)rrln(tt
12
21 (513)
Icircn figura 515 se prezintă o secţiune axială printr-o sondă de icircngheţare şi variaţia temperaturii icircn limitele t0 - temperatura agentului de răcire şi ts - temperatura naturală a solului
Cantitatea de căldură transferată de la masivul neicircngheţat spre agentul de răcire prin unitatea de lungimea de conducta şi unitatea de timp se calculează cu expresia
221
2
1o
1
moo
os
d
1
d
dln
1
d
dln
2
1
d
1
ttq
(514)
Icircn calculele inginereşti cel mai frecvent se determină nu fluxul termic pe unitatea de lungime a conductei ci fluxul termic qF raportat la unitatea de suprafaţă a conductei metalice la 1 m2 de suprafaţa exterioară sau interioară Mărimea qF se calculează astfel
22
o
1
2
1
o
o
1
m
o
o
oS
o
F
d
d
d
dln
2
d
d
dln
2
d1
tt
d
(515)
Fluxul termic qF prin unitatea de suprafaţă a sondei de icircngheţare calculat pentru adacircncimea de 100 m icircn regim laminar de curgere a agentului de răcire prin spaţiul inelar al sondei cu viteza w = 01 ms la diametre ale cilindrului de rocă icircngheţata
de la 02 la 3 m pentru to = -20 ordmC do = 01 m 1 = 233 WmK variază de la 720 la 230 Wm2 aşa cum se poate observa din figura 516 şi tabelul 51
d2
d1
d0
t
qF
t0
t2
t1 2
m 1
m
ts
Conducta Teren icircngheţat Teren
neicircngheţat
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
50
Figura 416 Fig 516 Variaţia fluxului termic qF prin unitatea de suprafaţă a sondei de icircngheţare 1 - regim turbulent 2 regim laminar
Tabelul 51Variaţia fluxului termic qF [Wm2]
Diametrul cilindrului de rocă icircngheţată icircn m
02 04 05 08 10 15 20
qF regim laminar 1160 550 387 330 302
qF regim laminar 720 465 423 350 321 283 258
Se observă ca densitatea fluxului de căldura qF scade foarte mult de la 800900 Wm2 la icircnceputul operaţiei de consolidare prin frig a rocilor pacircnă la 230250 Wm2 cacircnd cilindrul de rocă icircngheţata atinge diametrul de 23 m Ca urmare a acestei situaţii şi puterea frigorifică a instalaţiei va scădea icircn decursul a 6080 zile tot cu raportul de 800230 = 35
Instalaţia frigorifică va fi constituită din grupuri de utilaje (module) ce vor fi scoase treptat din funcţiune pe măsură ce se reduce densitatea fluxului de căldură qF ca urmare a creşterii grosimii stratului de teren icircngheţat Icircn practică pentru calcule se va considera qF = (260290) Wm2
O mărime importanta pentru proiectarea instalaţiei şi aprecierea procesului de consolidare a rocilor este timpul de icircngheţare Pentru calculul duratei de icircngheţare se pot folosi relaţiile prezentate icircn capitolul 3 la formarea gheţii pe suprafeţe cilindrice exterioare La aprecierea valorii pentru ls - căldura latentă de solidificare se avea icircn vedere conţinutul de apă din terenul supus icircngheţării
Dacă icircntre relaţiile pentru dependenţele (r) şi qF(r) se elimină r se obţine dependenţa
qF() Eliminarea nu se poate face direct ci fie cu ajutorul calculatorului fie printr-o construcţie grafică prezentată icircn figura 517
Studiul variaţiei temperaturii icircn solul icircngheţat cacirct și variaţia icircn timp a densităţii fluxului de căldura se poate face cu ajutorul calculatorului electronic
1200
1000
800
600
400
200
0 05 1 15 2 25 3
qF [Wm2]
Diametrul cilindrului de rocă icircngheţată [m]
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
51
Figura 417 Fig 517 Stabilirea dependentei qF() pe baza dependentelor qF(r) și (r)
415 515 ELEMENTE DE PROIECTARE A INSTALAŢIEI FRIGORIFICE PENTRU IcircNGHEŢAREA SOLULUI
Pentru proiectarea instalaţiei frigorifice trebuie sa se stabilească la icircnceput elementele de baza și anume
- puterea frigorifică maximă care apare la icircnceputul perioadei de răcire cacircnd pătrunderile de căldura spre agentul de răcire din sondele de icircngheţare au valori mai mari temperatura de vaporizare a agentului frigorific plecacircnd de la temperatura minimă sau medie din solul icircngheţat şi avacircnd icircn vedere modul de răcire directă sau indirectă
Se calculează cantitatea totală de căldură ce trebuie extrasă din terenul supus răcirii şi icircngheţării Se cunoaşte structura terenului icircngheţat deci se cunosc icircnălţimile h1 h2hn ale diferitelor straturi componente cacirct şi proprietăţile termofizice ale acestora
Grosimea centurii de teren icircngheţat se stabileşte icircn urma calculelor de rezistenţa materialelor icircncacirct se pot calcula volumele ocupate de straturile componente V1 V2Vn
Cantitatea de căldură ce trebuie extrasă din zona icircngheţată cuprinde două componente și anume
cantitatea de căldura Qa corespunzătoare răcirii şi icircngheţării apei
cantitatea de căldura Qt necesara răcirii părţii solide a terenului
n
1kfgsikaakka tcltcVQ (516)
unde
k - reprezintă conţinutul icircn apă din stratul respectiv [m3m3]
a - densitatea apei [kgm3]
ca cg - căldura specifica a apei respectiv a gheţii Jkg K
tik - temperatura iniţiala a stratului respectiv (de ordinul k)
tf - temperatura medie finala a masivului icircngheţat
ls - căldura latentă de solidificare a apei
r
q
q
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
52
fik
n
1kkkkkt ttc1VQ
(517)
k - densitatea părţii de teren solid (uscat) din stratul k
ck - căldura specifică a terenului uscat din stratul k
Cantitatea de căldură extrasă din terenul răcit reprezintă circa 1018 din cantitatea de căldură extrasă din zona de teren icircngheţat
Deci cantitatea totală de căldură Q ce va trebui preluată de către instalaţia frigorifică se poate aprecia astfel
Q = (110118) (Qa + Qt) (518)
Cu relaţia (51) se calculează puterea frigorifica a instalaţiei adoptacircnd o valoare medie pentru densitatea fluxului de căldura qF
Se poate aprecia timpul de funcţionare a instalaţiei frigorifice
o
Q
(519)
La anumite grosimi ale cochiliei de teren icircngheţat icircn jurul sondei densitatea fluxului termic scade sub valoarea medie adoptată icircn calcule şi ca urmare icircncepacircnd de la acest moment se va putea reduce treptat puterea frigorifica a instalaţiei prin scoaterea din funcţiune a unor grupuri
La proiectare se pot avea icircn vedere unele recomandări practice pentru stabilirea necesarului de frig pentru icircngheţarea unui m3 la -10 ordmC este necesar un consum specific de frig de 66000 kJ la 10 umiditate de 155000 kJ la 35 umiditate și de 210000 kJ la 50 umiditate
42 52 RĂCIREA BETONULUI LA CONSTRUCŢIILE MASIVE
421 521 INSTALAŢII DE PRERĂCIRE A COMPONENTELOR BETONULUI
Formarea betonului din elementele sale componente (nisip pietriş ciment şi apă) este icircnsoţită de fenomene fizico - chimice icircn care se degajă căldură şi ca urmare temperatura acestuia creşte Icircn cazul unor masive din beton (baraje) dacă viteza de turnare (icircn sezonul cald cacircnd se efectuază construcţia) este mai mare şi nu se asigura evacuarea căldurii corpul rezultă la o temperatura medie mai mare decacirct temperatura medie anuală Răcirea naturală conduce la contracţia masivului şi ca urmare la apariţia sub acţiunea tensiunilor interne a unor fisuri
Pentru ca variaţiile de temperatura icircntre centrul barajului şi straturile exterioare să fie cacirct mai mici se impune ca masivul respectiv să fie turnat la temperatura medie anuală a zonei respective Icircn acest scop se pot folosi două metode prin prerăcirea componentelor betonului și prin răcirea masei barajului
Icircn vederea reducerii căldurii degajată icircn reacţia dintre ciment şi apă au fost realizate sortimente de ciment caracterizate prin călduri masice reduse ce se degajă icircn procesul de priză
Prin prerăcirea componentelor betonului se urmăreşte ca betonul sa aibă temperatura medie a locului de amplasament şi prin aceasta evitarea apariţiei unor diferenţe mari de temperatură ce pun icircn pericol construcţia
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
53
Icircn funcţie de valoarea diferenţei de temperatură care trebuie realizată se poate adopta o anumită schemă de răcire pentru fiecare component icircn parte sau numai pentru unele din aceste părţi componente
Se pot folosi instalaţii frigorifice cu comprimare mecanică de vapori pentru răcirea apei a aerului sau formarea gheţii mărunte utilizate la prerăcirea componentelor betonului Folosirea gheţii fulgi sau solzi este limitată atacirct din cauza conţinutului de apă impus cacirct şi ca urmare a pericolului ca gheaţa să nu se topească icircn procesul de malaxare ci la turnare sau icircn procesul de priză ceea ce duce la formarea de goluri icircn beton
De asemenea se pot folosi instalaţiile frigorifice cu ejecţie
Icircn vederea stabilirii necesarului de frig pentru preratildecirea componentelor betonului se calculează mai icircntacirci cantitatea de catildelduratilde Qo1 ce trebuie evacuatatilde dintr-un m3 de beton avacircndu-se icircn vedere proporţiile icircn care participatilde cimentul nisipul pietrişul şi apa Fiecare component are o temperatură iniţialatilde şi urmeazatilde a fi răcit pacircnatilde la o temperatura finalatilde tf aceeaşi pentru toţi componenţii
fpppfnnnfccc1o ttcmttcmttcmQ
fnaanfpaapfaaa ttcmttcmttcm Jm3 (520)
unde
mc mn mp ma - masele de ciment nisip pietriş şi apă conţinute icircntr-un m3 de beton [kgm3]
cc cn cp cw - căldurile specifice masice ale cimentului nisipului pietrişului şi nisipul dintr-un m3 de beton [kgm3]
Puterea frigorifică se determină cu relaţia
3b1oo 10VQ [kW] (521)
icircn care bV reprezintă fluxul de betonare icircn m3s
Se prezintă icircn continuare cele mai folosite metode de prerăcire a componentelor betonului
4211 a) Instalaţie de prerăcire cu apă
Staţia de preparare a betonului este deservită de o instalaţie frigorifică cu comprimare mecanică de vapori care asigură răcirea apei
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
54
Figura 418 Fig 518 Schema de lucru a instalaţiei de prerăcire a betonului cu ajutorul apei 1 - ciment 2 - vagon nisip 3 - vagon pietris 4 - tancuri de răcire a pietrişului 5 - sită 6 - siloz de
nisip 7 - siloz de ciment 8 - rezervor de distribuţie 9 - răcitor de nisip 10 - răcitor de ciment 11 - răcitor de apă 12 - rezervor de apă răcită 13 - răcitor de apă 14 - instalaţie de prepararea betonului
I II III IV V - fazele de răcire a pietrişului
Icircn figura 518 se prezintă schema de lucru a unei asemenea instalaţii de prerăcire a betonului cu ajutorul apei folosită la construcţia barajului de la Detroit (SUA) Apa este răcită de la 16 la 15 ordmC şi transmisă apoi la instalaţia de preparare a betonului şi icircn cinci rezervoare a cacircte 90 m3 fiecare icircn care se răceşte pietrişul
Procesul de răcire a pietrişului cuprinde cinci faze
- faza I - introducerea apei icircn rezervor 10 minute
- fazele II şi III - introducerea simultană a apei şi a pietrişului 50 minute
- faza IV - evacuarea apei 15 minute
- faza V - evacuarea pietrişului 15 minute
Icircntregul proces de răcire a pietrişului durează 90 minute Pentru răcirea cimentului şi nisipului se utilizează schimbătoare de căldură cu ax elicoidal la care apa de răcire circulă prin arborele gol şi prin manta
Rezervoarele 12 pentru apa răcită au fiecare volumul de 114 m3
Beton 635oC
190 m3h
65oC
24oC
18oC
1
2
3
4
5
6
7
8
10
9
11
12
13
14
Apă 16oC
15oC
Cim
en
t
26 l
h
Nis
ip 1
12
lh
10
oC
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
55
42111 Aplicaţie numerică
Să se calculeze puterea frigorifică necesară prerăcirii betonului prin metode şi condiţiile prezentate mai sus Se cunosc următoarele date de calcul
mp = 1700 kgm3 beton
mc = 135 kgm3 beton
mn = 590 kgm3 beton
ma = 60 kgm3 beton
cc = cn = cp = 921 Jkg K
ca = 4180 Jkg K
map = 16 kgm3 beton
man = 38 kgm3 beton
tp = 18 ordmC
tc = 66 ordmC
tn = 21 ordmC tf = 635 ordmC
052803000
190Vb m3s
Se calculează componentele cantităţii de căldură Q01
3fcccc 10741735666921135ttcmQ Jm3
3fnnnn 10796135621921590ttcmQ Jm3
3fpppp 1024018356189211700ttcmQ Jm3
3faaaa 10420235616418060ttcmQ Jm3
3fpaapap 1077935618418016ttcmQ Jm3
3fnaaan 10232735621418038ttcmQ Jm3
Rezulta
3anapapnc1o 1039144QQQQQQQ Jm3
3o 10 206705280103914410VQ 33
b1o kW
4212 b) Instalaţii de prerăcire cu aer apă
Pentru răcirea componentelor betonului se utilizează icircn acest caz fie apa fie aerul ca agenţi intermediari răciţi cu ajutorul instalaţiilor frigorifice
Icircn figura 519 se prezintă schema unei asemenea instalaţii folosită la construcţia barajului de la Sariyar din Turcia
Răcirea aerului se poate face fie direct prin vaporizarea unui agent frigorific fie indirect cu un agent intermediar de răcire ca de exemplu saramura de clorură de calciu Aerul răcit pacircnă la -6 ordmC este suflat icircn silozurile cu pietriş de dimensiuni icircntre 4150 mm
Apa răcită icircn bazinul la pacircnă la 05 ordm este trimisă din colectorul 12 la staţia de preparare a betonului servind la scăderea temperaturii acestuia
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
56
Figura 419 Fig 519 Schema instalaţiei de prerăcire a betonului cu aer şi apă 1 - compresor 2 - condensator 3 - ventile de laminare 4 - vaporizatoare 5 - bazin de răcire a
saramurii 6 - pompă de saramură 7 - răcitor umed de aer 8 - ventilatoare 9 - silozuri de pietriş 10 - bazin de răcire a apei 11 - pompă 12 - colector de apă răcită
Figura 420 Fig 520 Schema instalaţiei de prerăcire cu aer şi apă 1 - siloz de pietriş şi nisip 2 - siloz de ciment 3 rezervor de apă 4 - răcitor de aer 5 - răcitor de apă
4 - răcitor de apă 6 - buncăr de sortare 7 - instalaţie de preparare beton
Pentru intensificarea procesului de răcire a pietrişului aerul este răcit sub 0 ordmC Acest procedeu are avantajul unei funcţionări fără icircntrerupere a procesului de preparare a betonului dar prezintă şi o serie de dezavantaje debite foarte mari de aer de răcire posibilitatea antrenării particulelor fine de agregat icircn răcitorul de aer şi depunerea acestora pe suprafaţa de schimb de căldură Ca urmare instalaţia se va curăţa la circa 14 zile Icircn figura 520 se prezintă o altă schemă de instalaţie de prerăcire a betonului cu aer şi apă folosită la construcţia unui baraj din India
Apă
295oC
Ciment
433oC
Pietriş şi nisip
378oC
Apă 6oC
Ciment 433oC
Aer
Pietriş
45oC Nisip 222oC
22oC
Ap
ă
45
oC
Ap
ă 2
2o
C
Ae
r 5
5o
C
Be
ton
12
8o
C
Apă 22oC
2
1
3 4 5
8
9
5 7
12
1oC
11
05oC 9oC 9oC
-9oC
-10oC -10oC
-10oC 2oC
6oC
10 4 4 6
8 8
8
8 8
9 9 9 9
1
2
3 3
7
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
57
Pietrişul şi nisipul se separă icircntre ele icircn buncărul de sortare 6 şi apoi fiecare circulă pe cacircte o bandă transportoare prin camera de răcire 7 Pietrişul este răcit cu ajutorul apei
Fig
ura
42
1 F
ig 5
21
Sc
he
ma
in
sta
laţi
ei
de
ră
cir
e icirc
n v
id a
co
mp
on
en
telo
r b
eto
nu
lui
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
58
reci icircncacirct ajunge la o temperatură mai scăzută decacirct nisipul răcit cu aer Prin camera 7 se circulă şi aer rece care se introduce la temperatura de 55 ordmC Cimentul se introduce la instalaţia de preparare a betonului 9 fără a fi răcit
O altă posibilitate de prerăcire a agregatelor (pietriş şi nisip) şi a apei utilizată mai recent la construirea barajelor icircntrebuinţează răcirea icircn vid la care agregatele uşor umezite icircn recipiente sub presiune se răcesc după nevoie (prin reglarea vacuumului) la o temperatură mai scăzută sau mai ridicată Căldura necesară evaporării umidităţii de pe agregate şi din ele (apa legată) este luată chiar de la corpurile respective (pietriş nisip) şi ca urmare acestea se răcesc
O asemenea instalaţie utilizată la Hortwell icircn SUA (figura 521) cuprinde 3 recipienţi de cacircte 150 m3 pentru răcirea pietrişului şi 3 recipienţi de cacircte 80 m3 pentru răcirea nisipului
Pietrişul şi nisipul cu temperatura maximă de 43 ordmC se pot răci pacircnă la temperatura necesară de 45 ordmC Pentru realizarea vidului necesar se folosesc două cazane de abur care produc 77 th fiecare
422 522 RĂCIREA INTERIOARĂ A MASIVULUI DE BETON
Prerăcirea betonului se recomandă icircn condiţiile unei zone tropicale sau temperate de amplasare a construcţiei masive nu se recomandă icircn cazul amplasării barajului icircn munţi unde temperatura aerului este scăzută Icircn asemenea situaţii se recomandă răcirea betonului prin conducte amplasate icircn masiv prin care circulă apă rece
La răcirea interioară cu conducte montate icircn beton are loc o eliminarea a căldurii simultan cu producerea ei icircn procesul de priză producacircndu-se şi o răcire pacircnă la temperatura necesară Pentru răcire se folosesc conducte de oţel cu diametre de 1525 mm montate la distanţe de 1223 m icircn plan orizontal şi de 153 m icircn plan vertical Lungimea conductelor icircntr-un m3 de beton este de 0204 şi a fiecărei serpentine de 140250 m
Debitul apei de răcire ce circulă prin 1 m3 de beton este de (0553) dm3h
Figura 422 Fig 522 Reţea de conducte de răcire a betonului icircn secţiunea unui baraj 1 - galerie pentru măsurători 2 - galerie de conducte de apă de răcire
Serpentinele se montează şi se fixează pe suprafaţă de beton (fig522) Capetele serpentinelor se leagă de o coloană verticală prin mufe metalice sau de cauciuc Diametrul distribuitorului şi al coloanei este cuprins icircntre 150200 mm După montaj aceste conducte se verifică la presiunea de lucru
1 2
Ax
a
ba
raju
lui
Izolaţii termice
12
720 110 134 186 205 256 277 326 345 395 416
830 128 157 209 233 291 309 366 384 442 463
920 157 180 238 262 320 344 401 430 483 512
1020 174 209 262 297 349 384 430 473 523 564
Observatii
a-conducte izolate amplasate icircn icircncăperi și canale cu temperatura medie a aerului te = (20hellip30) ordmC
b-conducte izolate amplasate icircn aer liber cu temperatura medie te = (0hellip15) ordmC și conducte subterane amplasate icircn canale nevizitabile cu temperatura medie a solului te = 5 ordmC
Fluxul termic total transmis prin suprafața conductei izolate va fi
Ф=ФLmiddotLC [W] (115)
unde
Lc [m] este lungimea de calcul (echivalentă) a conductei se calculează cu relația
Lc = KmiddotL+l [m] (116)
K - coefficient ce ține seama de pierderile suplimentare de căldură prin elementele de susținere a conductei (Tabelul 115)
L [m] - lungimea conductei
l [m] - lungimea de conductă izolată care echivalează pierderile de căldură prin armăturile de icircnchidere (vane ventile Tabelul 116 și prin icircmbinări (pentru icircmbinări cu flanșe se recomandă l = 1hellip15 m)
Tabelul 115 Valorile coeficientului K
Modul de susținere a conductei
Coeficientul K conducte amplasate icircn
icircncăperi conducte amplasate icircn
aer liber
prin agățare 110 115
prin rezemare 115 125
Tabelul 116 Lungimea de conductă izolată care echivalează pierderile de căldură prin armăturile de icircnchidere
di [mm]
Conducte icircn icircncăperi Conducte icircn aer liber
tf = 100 ordmC
tf = 400 ordmC tf = 100 ordmC tf = 400 ordmC
100 25 50 45 60
500 30 75 60 85
Dacă lungimea conductei nu este cunoscută se mărește valoarea coeficientului K astfel
pentru conducte amplasate icircn icircncăperi K = 12
pentru conducte amplasate icircn aer liberi K = 125
122 Calculul grosimii izolației termice pentru o temperatură dată pe suprafața acesteia
Normele de protecție a muncii impun temperatura pe suprafața exterioară a conductei izolate egală cu 50 ordmC pentru stratul protector din tencuială și 55 ordmC pentru stratul protector metalicTemperatura de 60 ordmC este limita maxima admisibilă peste care apare accidentarea prin arsură a personalului de exploatare
Conform notațiilor din Figura 13 (conductă care transportă fluide calde) fluxul termic liniar (unitar) se calculează cu relația
Izolaţii termice
13
e4pspeLpLizLspLi
4piL ttd
RRRR
tt
[Wm] (117)
Rezistențele termice RLi și RLp pot fi neglijate
Grosimea stratului de izolație termică se calculează icircn două etape
se neglijează rezistența termică a stratului protector RLsp = 0 și rezultă
24pee
4piiz
e
iz
e
iz
ttd
tt2
d
d
d
d
ln (118)
Ecuație de forma xmiddotlnx = const (x = dizde) rezolvarea ei făcacircndu-se grafic sau prin icircncercări
Rezultă
1
d
dd50
e
izeiz [m] (119)
ținacircnd seama de stratul protector se calculează grosimea reală a stratului de izolație termică cu coeficientul de corecție ∆ [mm] (Tabelul 112)
δizrsquo = δiz - ∆ [mm] (120)
Se calculează fluxul termic liniar (unitar) ΦL [Wm] și apoi modificacircnd grosimea stratului de izolație se verifică temperatura impusă tp4 [ ordmC]
Determinarea necesarului de căldură și apă caldă pentru un imobil
14
2 Determinarea necesarului de căldură și apă caldă pentru un imobil
Casa este situata icircn judetul Galati orasul Galati icircn partea de nord a orasului Este amplasata pe un teren cu suprafata de 300mp ea icircn sine avand o amprenta la sol de 123mp
Orasul Galati se situeaza icircn zona climatica numarul II Conform standardului ldquoSR1907 - 1 - 2014rdquo temperatura de referinta pentru aceasta zona este de -15 degC
Icircn figura de mai jos este reprezentat imobilul ce va trebui incalzit Este desenat icircn programul Archicad și prezinta urmatoarele vederi
Figura 21 Planul casei cu dimensiuni și orientare dupa punctele cardinala
Determinarea necesarului de căldură și apă caldă pentru un imobil
15
Figura 22
Figura 23 Vedere fata Nord
Determinarea necesarului de căldură și apă caldă pentru un imobil
16
Figura 24 Vedere fata Sud
Figura 25 Vdere fata Est
Determinarea necesarului de căldură și apă caldă pentru un imobil
17
Figura 26 Vedere fata Vest
Figura 27 Vedere de ansamblu
Determinarea necesarului de căldură și apă caldă pentru un imobil
18
Dimensiunile casei și a incaperilor sunt afisate icircn tabelul urmator
Incapere Suprafata mp
1 Hol intrare+ Living + Hol 3353
2 Dormitor mare 1804
3 Dromitor mic 12
4 Bucatarie 112
5 Baie mare 48
6 Baie mica 475
7 Camera tehnica 72
Total suprafata 9152
Total perimetru casa 444 m
21 22 Determinarea necesarului de căldură și apă caldă menajeră pentru imobil
Pentru studiul necesarului de flux termic este nevoie sa cunoastem posibilele pierderi de căldura cat si modul de utilizare al acesteia Ecuatia generala a bilantului termic ce se foloseste icircn calcularea fluxului de căldura
Q = Q1+ Q2+ Q3 [W]
Q1- fluxul de căldura pierdut prin transmisie
Q2- fluxul de căldura necesar incalzirii aerului ventilat
Q3- fluxul de căldura necesar prepararii apei calde
Fluxul termic pierdut prin transmisie este distribuit intre elementele constructive ale casei si anume Q11 - pereti Q12 - podea Q13 - tavan Q14 - geamuri
Q1= Q11+ Q12+ Q13+ Q14 [W]
Formula care se utilizeaza icircn calculul pentru fiecare fux termic icircn parte este comuna celor patru elemente
Q1i= Si middot Ki middot (tint - text) [W]
Unde Si - suprafata totala calculata a fiecarui element icircn parte se iau icircn considerare doar elementele care au legatura cu exteriorul [m2] ki - coeficientul global de transfer termic specific fiecarui element icircn parte [Wm2C] tint - temperatura din interiorul imobilului [degC] text - temperatura exterioara Icircn cazul podelei de utilizeaza temperatura solului șisau a pivnitei [degC]
Coeficientul global de transfer termic se calculeaza dupa formula
ki = 120783
120783
120514119842 + sum
120517119842
120524119842+
120783
120514119838119847119843=119842
[Wm2C]
Unde αi = coeficientul de transfer convectiv din interior αi = 8 Wm2C αe = coeficientul de transfer termic convective din exterior αe = 20 Wm2C λi - conductivitatea termica a stratului i pe care il aflam din fisa tehnica am materialului stratului respectiv [WmmiddotK] δi- grosimea stratului I [m]
Temperatura ce trebuie mentinuta icircn interiorul imobilului este de 22 degC
Coeficentul de convectie termica αi = 8
211 Mers de calcul pentru Q1
Q11 - flux termic pierdut prin pereti
Specificatii perete exeterior
Tencuiala δ 0025 m Grosime
Determinarea necesarului de căldură și apă caldă pentru un imobil
19
interioara λ 093 WmmiddotK Conductivitate termica
Rt 0026882 m2middotKW Rezistenta termica
Zidarie BCA δ 03 m Grosime
λ 014 WmmiddotK Conductivitate termica
Rt 2142857 m2middotKW Rezistenta termica
Tencuioala exterioara
δ 0025 m Grosime
λ 093 WmmiddotK Conductivitate termica
Rt 0026882 m2middotKW Rezistenta termica
Vata bazaltica δ 01 m Grosime
λ 0037 WmmiddotK Conductivitate termica
Rt 2702703 m2middotKW Rezistenta termica
Placa fibrocement
δ 001 m Grosime
λ 02 WmmiddotK Conductivitate termica
Rt 005 m2middotKW Rezistenta termica
Tencuiala decorativa
δ 0005 m Grosime
λ 093 WmmiddotK Conductivitate termica
Rt 0005376 m2middotKW Rezistenta termica
K11 = 1
1
120572119894+
1205751
1205821+
1205752
1205822+
1205753
1205823+
1205754
1205824+
1205755
1205825+
1205756
1205826+
1
120572119890 =
11
8 +
0025
093+
03
014+
0025
093+
01
0037+
001
02+
0005
093+
1
22
K11 = 0194943188 Wm2C
S11 = h middot lp = 3 middot 3901 = 11703 m2
h - inaltimea peretelui [m]
lp - lungimea perimetrala a peretelui [m] (din care s-au scazut suprafetele vitrate)
Δt = ti - te = 22 + 15 = 37degC
ti - temperatura interioara
te - temperatura exterior
Q11 = K11 middot S11 middot Δt = 0194943188 middot 11703 middot 37 = 8441254483 W
Perete exterior
ti 22 degC αi 8 Wm2 k
te -15 degC αe 22 Wm2 k
δ1 0025 m λ1 093 Wmk tp1 2109758812 degC
δ2 03 m λ2 014 Wmk tp2 2090352105 degC
δ3 0025 m λ3 093 Wmk tp3 5433603161 degC
δ4 01 m λ4 0037 Wmk tp4 523953609 degC
δ5 001 m λ5 02 Wmk tp5 -1427207206 degC
δ6 0005 m λ6 093 Wmk tp6 -1463303681 degC
tp7 -1467185023 degC
q 7219295 W
Determinarea necesarului de căldură și apă caldă pentru un imobil
20
Figura 28
Q12 - fluxul termic pierdut prin podea
Specificatii podea
Placa fibrocement
δ 001 m Grosime
λ 02 WmmiddotK Conductivitate termica
Rt 005 m2middotKW Rezistenta termica
Sapa δ 01 m Grosime
λ 0035 WmmiddotK Conductivitate termica
Rt 2857143 m2middotKW Rezistenta termica
Polistiren extrudat
δ 005 m Grosime
λ 0033 WmmiddotK Conductivitate termica
Rt 1515152 m2middotKW Rezistenta termica
K12 = 1
1
120572119894+
1205751
1205821+
1205752
1205822+
1205753
1205823+
1
120572119890 =
11
8 +
001
02+
01
0035 +
005
0033+
1
0
= 0219911 Wm2C
S12 - amprenta la sol a casei = 12296 m2
Δt = ti - te = 22 - 15 = 7degC
Temperature pentru podea este de 15degC
Q12 = K12 middot S12 middot Δt = 0219911 middot 12296 middot 7 = 1892818 W
Podea
ti 22 degC Αi 8 Wm2 k
te 15 degC Αe 0 Wm2 k
δ1 001 m λ1 02 Wmk tp1 2180757789 degC
Determinarea necesarului de căldură și apă caldă pentru un imobil
21
δ2 01 m λ2 0035 Wmk tp2 2173060904 degC
δ3 005 m λ3 0033 Wmk tp3 1733238927 degC
δ4 m λ4 Wmk tp4 15 degC
δ5 m λ5 Wmk tp5 degC
δ6 m λ6 Wmk tp6 degC
tp7 degC
q 1539377 W
Figura 29
Q13 - fluxul termic pierdut prin tavan
Specificatii tavan
Tencuiala δ 002 m Grosime
λ 093 WmmiddotK Conductivitate termica
Rt 0021505 m2middotKW Rezistenta termica
Placa beton armat
δ 013 m Grosime
λ 174 WmmiddotK Conductivitate termica
Rt 0074713 m2middotKW Rezistenta termica
Sapa δ 003 m Grosime
λ 026 WmmiddotK Conductivitate termica
Rt 0115385 m2middotKW Rezistenta termica
Vata bazaltica δ 015 m Grosime
λ 0037 WmmiddotK Conductivitate termica
Determinarea necesarului de căldură și apă caldă pentru un imobil
22
Rt 4054054 m2middotKW Rezistenta termica
Placa nivelanta δ 002 m Grosime
λ 026 WmmiddotK Conductivitate termica
Rt 0076923 m2middotKW Rezistenta termica
K13 = 1
1
120572119894+
1205751
1205821+
1205752
1205822+
1205753
1205823+
1205754
1205824+
1205755
1205825 +
1
120572119890 =
11
8+
002
093+
013
174+
003
026+
015
0037+
002
026+
1
22
K13 = 0219736 Wm2C
S13 = S12 = 12296 m2
Δt = ti - te = 22 + 15 = 37degC
Q13 = K13 middot S13 middot Δt = 0219736 middot 12296 middot 37 = 1000 W
Tavan
ti 22 degC αi 8 Wm2 k
te -15 degC αe 22 Wm2 k
δ1 002 m λ1 093 Wm k tp1 209751906 degC
δ2 013 m λ2 174 Wm k tp2 207988793 degC
δ3 003 m λ3 026 Wm k tp3 2018634954 degC
δ4 015 m λ4 0037 Wm k tp4 1924037163 degC
δ5 002 m λ5 026 Wm k tp5 -1399669009 degC
δ6 m λ6 Wm k tp6 -1462734204 degC
tp7 degC
q 8198475 W
Determinarea necesarului de căldură și apă caldă pentru un imobil
23
Figura 210
Q14 - fluxul temic pierdut prin suprafetele vitrate
Am ales un geam temopan cu trei randuri de sticla și cu tamplarie de lemn
K14 = 06 Wm2C
S14 = 2728 m2 suprafata ocupata de geamuri
Δt = ti - te = 22 + 15 = 37degC
Q14 = K14 middot S14 middot Δt = 06 middot 2728 middot 37 = 605616 W
Fereastra
ti 22 degC αi 8 Wmpk
te -15 degC αe 22 Wmpk
δ1 0005 m λ1 075 Wmk tp1 1992074356 degC
δ2 0018 m λ2 00177 Wmk tp2 1980984988 degC
δ3 0005 m λ3 075 Wmk tp3 2893865242 degC
δ4 0018 m λ4 00177 Wmk tp4 2782971565 degC
δ5 0005 m λ5 075 Wmk tp5 -1413301307 degC
δ6 m λ6 Wmk tp6 -1424390675 degC
tp7 degC
q 1663405 W
Determinarea necesarului de căldură și apă caldă pentru un imobil
24
Figura 211
Q1 = Q11 + Q12 + Q13 + Q14 = 8441254483 + 1892818 + 1000 + 605616
Q1 = 263871712 W
212 Mers de calcul pentru Q2
Q2 = n middot Q1
n - numarul de schimburi (07 08 1)
Q1 - fluxul de căldura pierdut prin transmisie
Q2 = 1 middot 263871712 =gt Q2 = 263871712 W
213 Mers de calcul pentru Q3
Q3 = 119898 middot119862119908 middot(119905119887minus119905119903)
120591 middot3600 [kW]
m - cantitatea de apa calda preparata [Kg]
m = n middot czn middot ρ [Kg]
ρ = 1000 Kgm3- densitatea apei [Kgm3] n = 4 - numarul de locatari =gt n
czn - consumul zilnic de persoana [l] gtgtgt czn = l middot 1000 = m3
Un consum de acm specific unui nivel de confort mediu la o temperature de 45degC vom avea un czn = 50 l de persoana
cw - căldura specifica a apei [KJKgC] =gt cw = 4186 KJKgmiddotC
tb - temperatura apei din boiler [C] =gt tb = 50degC
tr - temperatura apei de intrare [C] =gt tr = 10degC
Icircn general avem vara tr = 1217degC iar iarna tr = 5hellip10degC
120591 - timpul icircn care este incalzita apa [h] =gt 120591 = 4h
m = 4 middot (50 middot 1000) middot 1000 m = 200 Kg
Q3 = 200 ∙4186 ∙(50 ∙10)
4 ∙3600 =gt Q3 = 2325555556 W
Q = Q1 + Q2 + Q3 = 263871712 + 263871712 + 2325555556
Q = 7602989795 W =gt Q = 76 KW
Calculul necesarului de frig pentru depozit de fructe
25
3 Calculul necesarului de frig pentru depozit de fructe
31 31 Calculul grosimii izolatiilor
Regimul de funcţionare al spaţiilor frigorifice caracterizat prin valori coboracircte ale temperaturilor prin variaţia rapidă a acestora şi prin umiditatea mare a aerului icircncăperilor impune pentru izolaţiile termice ale pereţilor planşeelor şi pardoselilor condiţii deosebite Pereţii spaţiilor frigorifice despart două medii cu temperaturi diferite Fluxul de căldură ce pătrunde din exterior icircn camere care trebuie preluat de instalaţia frigorifică este direct proporţional cu diferenţa de temperatură dintre cele două feţe ale peretelui şi cu coeficientul global de transmitere a căldurii Izolarea se execută la spaţiile răcite atacirct la pereţi cacirct şi la tavan şi podea şi are ca rol icircmpiedicarea apariţiei condensului pe suprafaţa caldă a pereţilor incintelor frigorifice
Figura 31 Fig13 Variaţia de temperatură prin peretele termoizolant
Din exploatarea frigoriferelor se cunoaşte că prin icircnvelişul exterior al spaţiilor frigorifice trece icircn majoritatea cazurilor mai mult de jumătate din cantitatea totală de căldura ce pătrunde icircn icircncăperi Această cantitate de căldură se poate reduce prin majorarea grosimii stratului termoizolant Dar reducerea infiltraţiilor de căldură icircn acest tel nu se poate face nelimitat deoarece la o anumită grosime a stratului izolant adică la o anumită valoare a coeficientului k de transfer al căldurii costul construcţiei izolate va fi mai mare decacirct costul energiei ce reprezintă frigul economisit prin majorarea grosimii izolaţiei
De aceea se obişnuieşte a se folosi icircn calcule valori optime ale coeficientului k de transfer al căldurii calculacircndu-se astfel o grosime optimă a izolaţiei termice
Pentru izolarea pereţilor camerelor se vor folosi panouri tip sandwichFig15
Calculul necesarului de frig pentru depozit de fructe
26
Figura 32 Fig15 Construcţia panourilor de tip sandwich
Rolul panourilor plastifiate este de a preicircntacircmpina pătrunderea vaporilor icircn interiorul izolaţiei eliminacircnd necesitatea barierei de vapori Panourile folosesc metoda de icircmbinare nut-feder reducacircndu-se astfel transferul de căldură cu mediul extern
Deoarece avem un singur depozit vom adopta coeficienţii de transfer de căldură prin
convecţie funcţie de t
Aleg pentru t = = te - ti = 318 - 1 = 308 0C k = 023 Wm2K
Din catalogul de produse INCOLD Italia se alege poliuretan 100 mm = 0023 WmK
Tablă din oţel galvanizat plastifiat
Calculul necesarului de frig pentru depozit de fructe
27
Tabelul 317 Tabel24 Calculul grosimi izolației
ei
i
i
izizk
111
Coeficientul global de transfer de căldură se determină utilizand relaţia
eiz
iz
i
i
i
k
11
1
n
i i
i
1
- suma rezistenţelor termice ale tuturor straturilor din care este realizat
peretele[m2KW]
iz - grosimea stratului de izolaţie termică [m]
iz - conductivitatea termică a materialului izolator [WmK]
e - coeficient de convecţie pe partea exterioară a peretelui [WmK]
i - coeficient de convecţie pe partea interioară a peretelui [WmK]
32 32 Bilantul caloric al spatiului climatizat pe timp de vară Necesarul de frig pentru frigorifer
Se stabileşte consumul zilnic de frig pe icircntreg frigoriferul şi pentru fiecare icircncăpere icircn parte luacircndu-se icircn considerare cele mai nefavorabile condiţii de lucru
temperatura aerului exterior pentru luna cea mai caldă a anului
icircncărcarea maximă şi simultană a camerelor de refrigerare
Spaţiul frigorific
Perete k αi αe 1αi 1αe R 1k λiz
δiz
calc δiz
ales Kr
[Wm2K] [m2KW] [WmK] [m] [m]
N 0229 10 18 010 006 0590 4367 0023 0097 0100 023
E 0224 10 12 010 008 0618 4464 0023 0098 0100 023
DR S 0221 10 12 010 008 0618 4525 0023 0100 0100 023
V 0223 10 12 010 008 0618 4484 0023 0099 0100 023
T 0221 10 12 010 008 0618 4525 0023 0100 0100 023
P 0228 10 0 000 000 0435 4386 0023 0000 0100 023
N 0221 25 12 004 008 0558 4525 0023 0101 0100 023
E 0224 25 12 004 008 0558 4464 0023 0100 0100 023
CP S 0224 25 12 004 008 0558 4464 0023 0100 0100 023
V 0223 25 12 004 008 0558 4484 0023 0100 0100 023
T 0221 25 12 004 008 0558 4525 0023 0101 0100 023
P 0228 25 0 000 000 0435 4386 0023 0000 0100 023
Calculul necesarului de frig pentru depozit de fructe
28
camerele vecine celei căreia i se face calculul necesarului de frig sunt goale şi au temperatura vestibulului sau a sasului
Aceste calcule determină necesarul de frig pe categorii de consumatori grupaţi după temperatura cerută şi permit stabilirea puterilor frigorifice icircn vederea proiectării instalaţiei
Pentru calculele termice sunt necesare următoarele
planul frigoriferului care a fost stabilit
dimensiunile camerelor
temperaturile necesare icircn fiecare cameră
Se consideră
1degC icircn depozitele de refrigerate
orientarea frigoriferului după punctele cardinale
condiţii climatice icircn lunile cele mai călduroase pentru zona geografică respectivă
Consumul de frig se calculează pentru 24 ore cu relaţia
Qnec = Q1 + Q2 + Q3 + Q4 [kcal24h]
Q1 - neeesarul de frig pentru acoperirea pătrunderilor de căldură prin cenvecţie
conducţie şi radiaţie din mediul icircnconjurător prin pereţi pardosea și plafon
Q2 - necesarul de frig tehnologic pentru procesele de răcire refrigerere şi
congelare eliminarea căldurii de respiraţie seu pentru unele procese chimice şi
biochimice
Q3 - necesarul de frig pentru ventilarea camerelor frigorifice cu aer proaspat care
trebuie racit şi uscat
Q4 - necesarul de frig rezulticircnd din condiţii de exploatare acoperirea căldurii
provenite din iluminat din funcţionarea motoarelor căldura provenită de la persoanele ce
manipulează produsele datorită deschiderii uşilor etc
321 Consumul de frig Q1
Se determină pentru fiecare spaţiu icircn parte cu relaţia
RttkFQ1 [ W ]
F - reprezintă suprafaţa pereţilor a pardoselei şi a plafonului corespunzător fiecărui
spaţiu frigorific icircn parte icircn m2 Ca suprafaţă de transfer se va considera suprafaţa
exterioară a perimetrului izolat termic
k - reprezintă coeficientul global de transmitere a căldurii prin convecţie conducţie şi radiaţie
prin pereţi plafon şi pardoseală (toate izolate termic) icircn [W(m2 middot grd)] Valoarea coeficientului k a
fost calculată icircn tabelul 24 (kr)
Δt - reprezintă diferenţa de temperaturi dintre temperatura exterioară suprafeţei de
transfer termic considerată şi temperatura interioară spaţiului frigorific
Calculul necesarului de frig pentru depozit de fructe
29
Diferenţa de temperatură ΔtR se ia icircn consideraţie numai la pereţii exteriori şi la
plafoane care sunt şi acoperiş pentru clădire
ΔtR = 0degC pentru pereţi exteriori orientaţi spre N
ΔtR = (5 10)degC pentru pereţi exteriori orientaţi spre E V S-E S-V
ΔtR = 15 degC pentru pereţi exteriori orientaţi spre S
ΔtR = (15 18)degC pentru plafoane care sunt şi acoperiş (terasă)
Calculul valorilor mărimii sumQ1 se recomandă a se efectua tabelar conform tabelului 25
Valoarea mărimii sum Q1 la aparate se obţine prin icircnsumarea fluxurilor termice prin toate cele 6 suprafeţe delimitatoare
La stabilirea valorii mărimii sum Q1 se consideră doar unul dintre fluxurile termice prin suprafeţele ce separă spaţiile frigorifice vecine Pentru aparatele de răcire din spaţiile frigorifice se consideră situaţia cea mai grea pentru fiecare spaţiu icircn parte respectiv că spaţiile vecine nu sunt răcite
Spaţiul frigorifi
c
Perete
Dimensiuni
Supraf F
[m2]
Kr [Wm2K]
Δt [grd]
Δtr
Q1 [W] sumQ1 q a [m]
b [m]
N 15 4 60 023 308 42504
246068
708
E 7 4 28 023 308 8 24987 892
DR S 15 4 60 023 185 15 46202 770
V 7 4 28 023 308 19835 708
T 15 7 105 023 308 74382 708
P 15 7 105 023 158 38157 363
N 7 4 28 023 185 11914
133566
426
E 7 4 28 023 268 8 22411 800
CP S 7 4 28 023 268 15 26919 961
V 7 4 28 023 185 11914 426
T 7 7 49 023 268 30204 616
P 7 7 49 023 268 30204 616
Tabelul 318 Tebel25 Calculul valorilor mărimii Q1
322 Necesarul de frig Q2
sum Q2 - necesarul de frig tehnologic pentru procesele de răcire refrigerare şi
congelare
Q2d = mcp(tc-ti)=500003644 = 4186000(243600)= 842 kW
Q2c = 2600036419 = 1798160 = 208 KW
Q2 = 208 + 842 = 293 = 30kW
unde
Q2d - necesarul de frig tehnologic depozit
Q2c - necesarul de frig tehnologic camera de preracire
Calculul necesarului de frig pentru depozit de fructe
30
m - cantitatea de produse introduse icircn tunelul de congelare icircn kg
te ti - temperaturi specifice corespunzătoare temperaturii iniţiale a produsului cald
(24 ordmC) respectiv temperaturii finale a produsului refrigerat (1 ordmC)
Căldura specfifică mere cp = 364 [kJkgK]
323 Necesarul de frig Q3
Icircn funcţie de natura produselor din spaţiul frigorific este necesar uneori să se realizeze ventilarea spaţiului prin asigurarea unui anumit număr de schimburi ale aerului din incintă icircn 24h Ca exemplu icircntotdeauna va fi necesară ventilarea prin introducere de aer proaspăt icircn spaţiile de păstrare pentru legume fructe şi ouă refrigerate Aceste produse vii respiră icircn timpul păstrării şi necesită icircn consecinţă ventilarea spaţiilor de păstrare
Acest consum de frig se ia icircn considerare doar la depozitele de refrigerare care se ventilează Se stabilește cu relația
Q3 = V ∙ a ∙ ᵖi ∙ (hex - hi) [kJ24]
V - volumul camerelor ventilateicircn m3
a = 24 schimburi pe zi pentru depozitele de mere
ᵖi - reprezintă densitatea aerului la temperature interioară icircn kgm3
Pentru depozitele de refrigerare considerăm umiditatea relativă ᵠi = 95 și ti=1 ordmC
rezultacircnd icircn acest caz hi= 9 kJkg
Parametri aerului exterior pentru zona icircn care este amplasat depozitul sunt temp ex 318
și umiditatea ext 60 rezultand din diagram mollier entalpia aerului Calcul facut icircn
programul Coolpack
ρi = 12 kgm3
hex = 7519 kJkg
Q3 = 616 2 12 (7519 - 9) (243600)= 00025 kW
324 Necesarul de frig Q4
Q4 - frigul consumat pentru acoperirea pierderilor icircn timpul exploatarii datorat deschiderii
usilor a corpurilor de iluminat a motoarelor electrice a oamenilor Se admite Q4 =
(01hellip04)Q1
Q4 = 02 379617 = 759234 = 008 kW
Qtotal = sum 119824120783 + Q2 + Q3 + Q4 = 004 + 30 + 000025 + 008 = 3012 = 31 kW
33 33 Stabilirea directiei raportului de termoumiditate și trasarea procesului de conditionare a aerului pe diagrama i-X pe timp de vară
Icircn fig16 este reprezentat un agregat pentru condiţionarea aerului pe timp de vară cu recirculare parţială
Calculul necesarului de frig pentru depozit de fructe
31
Figura 33 Figura16 Schema aparatului de condiţionare a aerului pe timp de vară cu recirculare parţială
F - filtru V - vaporizator C - compressor K - condensator VL - ventil de laminare I - icircncălzitor Vt - ventilator
Procesele de lucru pot fi reprezentate icircn diagrama h-x ca icircn figura următore
Figura 34 Fig17
A reprezintă starea aerului recirculat provenit din spaţiul condiţionat iar E este starea aerului exterior
Aerul tratat icircn aparatul de condiţionare care se introduce icircn incintă avacircnd starea B
trebuie să preia degajările de căldură Qv [kW] şi de umiditate Wv [kgs]
Direcţia procesului suferit de aer icircn incintă este dată de raportul de termoumidificare εv
= Qv Wv
Prin punctul A se trasează dreapta avacircnd raportul de termoumidificare εv iar punctul B se fixează pe această dreaptă adoptacircndu-se o anumită diferenţă de temperatură faţă de starea A
Aerul recirculat A se amestecă cu aerul proaspăt E şi rezultă starea de amestec M De regulă xM gt xB deci aerul va trebui să fie uscat
Pe verticala din B se fixează starea D avacircnd xD= xB şi ᵩD = 90hellip98
Calculul necesarului de frig pentru depozit de fructe
32
Se uneşte M cu D iar apoi se prelungeşte acest segment pacircnă la intersecţia cu ϕ = 100 rezultacircnd starea P avacircnd temperatura tp
Circulacircnd aerul cu starea M peste o suprafaţă rece avacircnd temperatura tp se va obţine procesul de răcire şi uscare MD
Temperatura suprafeţei tp se asigură cu o instalaţie frigorifică a cărei temperature de vaporizare va fi t0 lt tp
Ultimul proces din aparatul de condiţionare va fi icircncălzirea finală DB
Calculul agregatului de condiţionare a aerului pe timp de vară se efectuează asemănător cu cel a agregatului de condiţionare a aerului pe timp de iarnă cu observaţia că pe timp de vară nu este necesară umidificarea
331 Date
Vtotal = 616 m3 tint = 1ᵒC tex = 318 φint = 90 φext = 60 ρaer = 12 [kgm3]
Starea A
tA = ti + 3 = 4deg xA = 00043[kj
kg] φA = 86 hA = 1489[
kj
kg]
Starea B
tB = 1degC xB = 00036 [kj
kg] φB = 90 hB = 1024[
kj
kg]
Starea E
tE = 318degC xE = 00171[kj
kg] φE = 60 hE = 7519[
kj
kg]
Starea M
hM =hE + n ∙ hA
n + 1=
7513 + 20 ∙ 1489
21= 1775[
kj
kg]
xM =xE + n ∙ xA
n + 1=
00171 + 20 ∙ 00043
21= 00049[
kj
kg]
Rezulta din diagrama Mollier
Starea D
hD = 108 [kj
kg] xD = 0003[
kj
kg] φD = 97
Raportul de recirculare n = 20
Debitul de aer ventilat V =Vtotal∙20
24h=
616lowast20
24= 513 [m3h]
Debitul masic m = V ∙ ρaer = 513 lowast 12 =
6156[kg
h]
3600= 0171 [kgs]
tp = minus3degC t0 = tp minus 9degC = minus3 minus 9 = minus12degC
Puterea termica a vaporizatorului ( puterea frigorifică )
ФV = Ф0
Puterea termica a icircncalzitorului
ФI = 119898 ∙ (hB - hD)
Cantitatea de apa condensată icircn unitatea de timp pe suprafața de racire este
Calculul necesarului de frig pentru depozit de fructe
33
ẆV = 119898 ∙ (XM - XD)
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
34
4 Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
Există două domenii principale icircn care se utilizează frigul artificial icircn lucrările de construcţii şi anume
icircngheţarea terenurilor acvifere icircn vederea săpării puţurilor de mină a barajelor a depozitelor de gaze lichefiate etc
prerăcirea componentelor betonului icircn cazul executării unor masive de beton ca de exemplu baraje
41 51 IcircNGHEŢAREA SOLULUI
411 511 CONSIDERAŢII GENERALE PRIVIND IcircNGHEŢAREA SOLULUI
Icircngheţarea artificială a solului reprezintă una dintre cele mai interesante şi icircn acelaşi timp şi importante aplicaţii practice a frigului artificial Totodată este una dintre primele aplicaţii industriale a tehnicii frigului şi care a asigurat o dezvoltare deosebită a industriei extractive Aşa se explică faptul că odată apărută maşina frigorifică cu absorbţie realizată icircn 1859 de către Ferdinand Carre este folosită la săparea primului puţ de mină prin icircngheţarea artificială a rocilor Dar nu numai industria minieră foloseşte icircn ultimul secol procedeul consolidării rocilor la săpararea unor lucrări subterane Lucrări inginereşti de tot genul ca metrouri staţii subterane de pompare rezervoare de gaze lichefiate poduri lucrări portuare şi altele asemănătoare amplasate icircn zone acvifere au fost realizate prin metoda consolidării prin frig a rocilor
Această metodă a consolidării rocilor prin frig artificial realizează icircn jurul lucrării inginereşti subterane un perete icircngheţat protector pe durata lucrărilor de construcţii Acest perete asigură o izolare hidraulică şi icircn acelaşi timp şi o protecţie mecanică Rezistenţa mecanică a rocilor creşte pe măsură ce temperatura lor scade icircncacirct metoda expusă mai sus prezintă avantajul reglării capacităţii portante a peretelui icircngheţat
Apa conţinută icircn terenuri prin icircngheţare capătă proprietăţile cimentului exprimate prin forţele de coeziune mari care apar icircntre cristalele de gheaţă şi grăunţii de rocă
Pentru obţinerea peretelui protector se folosesc sonde de icircngheţare forate pe conturul lucrării subterane şi prin care circulă agentul de răcire care poate fi un agent intermediar ca de exemplu saramura de clorură de calciu sau agentul frigorific de exemplu amoniacul Icircn funcţie de grosimea peretelui şi de rezistenţa mecanică pe care trebuie să o aibă se va alege temperatura agentului de răcire distanţa dintre sonde şi durata de icircngheţare
Instalaţia de consolidare prin frig a rocilor cuprinde trei părţi principale staţia frigorifică reţeaua de distribuţie a agentului de răcire (saramura) şi sondele de icircngheţare a solului
Staţia frigorifică cuprinde instalaţia frigorifică propriu-zisă cu comprimare mecanică de vapori sau prin absorbţie icircntr-o treaptă sau icircn două trepte Icircn funcţie de condiţiile de amplasament ale obiectivului staţia frigorifică poate fi de construcţie staţionară (icircn minerit) sau mobilă (la metrouri)
Reţeaua de distribuţie alcătuită din conducte metalice sau din mase plastice are rolul de a face legătura icircntre staţia frigorifică şi sondele de icircngheţare Pentru reducerea pierderilor de frig reţeaua de distribuţie se izolează termic
Sondele de icircngheţare constituie schimbătorul de căldură subteran prin care se extrage căldura de la terenul supus icircngheţării Icircn fig 51 se prezintă schiţa unei sonde de icircngheţare cu ajutorul saramurii Saramura rece cu temperatura icircntre -10 ordmC pacircnă la -35 ordmC
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
35
coboară prin ţeava interioară şi apoi se icircntoarce prin spaţiul inelar dintre cele două conducte concentrice
Figura 41 Fig 51 Sonda de icircngheţare 1 - şiu (tub scurt de oţel cu pereţi groşi rezistent) 2 - ţeava interioară 3 - ţeava exterioară (burlan de
icircngheţare) 4 - capul sondei
Circulaţia continuă a saramurii prin sonda de icircngheţare face ca rocile ce icircnconjoară sondele inclusiv apa conţinută icircn spaţiile libere să se răcească treptat Icircn jurul sondei icircncepe să se formeze stratul de rocă icircngheţată diametrul cilindrului de teren icircngheţat se măreşte icircn timp Aşa cum s-a arătat icircn capitolul 3 rezultă că dezvoltarea radială a cilindrului de rocă icircngheţată icircn jurul sondei se desfăşoară cu o viteza variabilă de icircnaintare la icircnceput viteza de icircnaintare a frontului de gheaţă este mai mare după care scade icircn timp Apoi se atinge stadiul staţionar de transfer de căldură cacircnd cilindrul nu mai creşte icircn dimensiuni Reiese că distanţa dintre sondele de icircngheţare este determinată de raza maximă a cilindrului de teren icircngheţat Pentru a realiza peretele icircngheţat care să reziste la solicitările la care este supus se impune ca distanţa dintre sondele vecine să fie mai mică decacirct raza maximă a terenului icircngheţat astfel icircncacirct cilindrii formaţi să se unească icircntre ei Icircn fig 52 se prezintă evoluţia icircn timp a icircngheţării terenului icircn jurul sondelor Icircn faza iniţială a icircnceput răcirea dar icircncă nu s-a format teren icircngheţat Icircn faza a II-a (după circa 20 zile) icircn jurul fiecărei sonde se formează cacircte un cilindru de teren icircngheţat fără ca aceştia să se unească Icircn faza a III-a (după circa 30 zile) cilindrii se icircntretaie şi formează peretele protector
Figura 42 Fig 52 Evoluţia cilindrilor individuali de rocă icircngheţată 1 - sonda de icircngheţare 2 - sonda de măsurători termice 3 - teren icircngheţat
Această evoluţie poate fi urmărită cu suficientă precizie prin măsurarea temperaturii masivului cu ajutorul unor sonde de măsurători termice 2 montate la distanţe bine stabilite de sondele vecine de icircngheţare Astfel icircn faza I-a temperatura este cea iniţială deci neafectată de prezenţa sondelor icircn faza a II-a temperatura este mai scăzută dar mai mare de 0 ordmC Cum icircn practică sondele de icircngheţare au o abatere de la poziţia verticală (sau de la cea impusă prin proiect) sondele de măsurători termice sunt prevăzute icircntre sondele
I II III
1
2 2 2
3 3
SARAMURĂ CALDĂ
IEŞIRE
INTRARE SARAMURĂ A E RECE
1
2
3
4
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
36
cele mai distanţate icircntre ele acolo unde evoluţia peretelui de protecţie este cea mai defavorabilă
Primele realizări inginereşti de consolidare prin frig artificial a terenurilor acvifere metodă prin care vor fi aduse la lumină multe bogăţii subterane sunt legate de numele inginerului de mine şi metalurgie Friederich Herman Poetsch El a obţinut icircn 27 februarie 1883 brevetul pentru procedeul său de adacircncire a puţurilor verticale icircn roci bogate icircn apă (şi curgătoare) Poetsch a reuşit să experimenteze procedeul său la adacircncirea unor puţuri de mină dar a avut şi multe insuccese icircncacirct la 9 iunie 1902 moare sărac şi dezamăgit Metoda de icircngheţare prin frig artificial a terenurilor a avut mare succes icircn Franţa Astfel numai icircn perioada 1892 - 1898 icircn bazinele carbonifere Nord şi Pas de Calais s-au săpat circa 20 puţuri pacircnă la o adacircncime de 100 m prin aplicarea metodei icircngheţării după planurile lui Poetsch
Desigur că nu ar putea fi omis numele lui Louis Gebhard care realizează numeroase lucrări de adacircncire a puţurilor prin icircngheţare atacirct icircn Germania cacirct şi icircn Franţa Anglia Olanda şi Polonia ceea ce face ca metoda propusă de Poetch să devină o tehnologie demnă de toată icircncrederea cu siguranţă absolută şi cu un mare randament
Gebhard un mare practician icircncepe sa folosească icircn locul instalaţiilor cu absorbţie realizate de F Carre pe cu cele cu comprimare mecanică de vapori realizate de Karl von Linde cu icircncepere din anul 1874
Poetsch icircn 1888 prevede extinderea procedeului de icircngheţare la construcţia podurilor la construcţii navale lucrări de fortificaţii la protecţia fundaţiilor subterane şi a bazinelor cu apă El susţine că poate să rezolve orice problemă sub apă chiar şi puţuri icircncepute şi abandonate
Icircn anul 1900 se depăşeşte bariera adacircncimii de 100 m Realizarea unor puţuri mai adacircnci (peste 100 m) ridică unele probleme icircn plus faţă de puţurile de mai mică adacircncime deoarece abaterile de la verticalitate pot conduce la formarea unor ferestre icircn peretele protector
Icircn ţara noastră această tehnologie de forare a unor puţuri de mină cacirct şi a galeriilor de metrou prin icircngheţarea solului a fost folosită cu icircncepere din anul 1961 aşa cum se prezintă icircn paragraful 513
412 512 CONSTRUCŢIA INSTALAŢIEI DE IcircNGHEŢARE A SOLULUI
Icircn funcţie de forma şi mărimea lucrării care se realizează la adăpostul terenului icircngheţat principial se pot utiliza următoarele tipuri de instalaţii
a) cu răcire indirectă denumită şi cu dublu schimb (fig53)
b)cu răcire directă icircn circuit icircnchis (fig 54)
c)răcire directă icircn circuit deschis (fig55)
a) Răcirea indirectă se utilizează icircn practică cel mai mult fiind cunoscută icircncă de la icircnceputurile metodei de icircngheţare a solului
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
37
Figura 43 Fig 53 Instalaţia frigorifică cu răcire indirectă 1 - compresor 2 - condensator3 - ventil de laminare 4 - vaporizator 5 - bazin de răcire a saramurii 6
- agitator 7 - pompă de saramură 8 - sonde de icircngheţare
Ca agent frigorific se poate folosi amoniacul sau freonii iar ca agent intermediar se utilizează soluţiile de clorură de calciu clorura de sodiu sau magneziu sărurile respective fiind relativ uşor de procurat
Instalaţiile frigorifice cuprind unul sau mai multe blocuri frigorifice Acest mod de compunere prezintă avantaje icircn ceea ce priveşte montarea cacirct şi exploatarea instalaţiilor se poate asigura o reducere icircn trepte a puterii frigorifice pe măsură ce creşte rezistenţa termică a stratului de teren icircngheţat
Componentele principale ale instalaţiei frigorifice se montează grupat pe cele trei secţiuni secţia de compresoare secţia condensatoarelor şi secţia vaporizatoarelor De regulă compresoarele se montează fie icircn aer liber atunci cacircnd tipul lor permite fie acoperite sub şarpante protectoare
Pe măsură ce se scot din funcţiune blocurile frigorifice se demontează şi se pot monta la un nou obiectiv
b) Răcirea directă icircn circuit icircnchis (fig 54) se utilizează icircn cazul icircn care adacircncimea de icircngheţare este mică
Figura 44 Fig 54 Instalaţia frigorifică cu răcire directă icircn circuit icircnchis 1 - compresor 2 - condensator 3 - ventil de laminare 4 - sonde de icircngheţare
Sondele de icircngheţare constituie vaporizatorul instalaţiei frigorifice Icircn cazul unor sonde de lungime mare icircnălţimea coloanei de agent frigorific este de asemenea mare Ca urmare a presiunii hidrostatice variabile şi temperatura de vaporizare este variabilă fiind mai mare
1
2
1111111 Apă
3
4
1
2
Apă 3
4
5
6
7
8
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
38
la capătul inferior şi mai mică la capătul superior Din acest motiv adacircncimea sondelor de icircngheţare nu poate depăşi anumite limite şi icircn plus se recurge la fragmentarea coloanei de lichid cu ajutorul unor pereţi despărţitori
Pierderile de agent frigorific mai mari decacirct icircn cazul răcirii indirecte reprezintă un alt inconvenient al acestui mod de răcire
c) Răcirea directă icircn circuit deschis constă icircn introducerea agentului frigorific (cel mai frecvent azot lichid) icircn sondele de icircngheţare fără ca acesta să mai fie folosit după vaporizare
La presiunea atmosferică azotul lichid fierbe la temperatura de -196 ordmC icircncacirct vaporii reci de azot icircnainte de a fi evacuaţi se folosesc de asemenea pentru congelarea solului fiind circulaţi prin sonde de icircngheţare (Fig 55)
Figura 45 Fig 55 Icircngheţarea cu azot lichid icircn două trepte 1 - ventil de laminare 2 - sonda de icircngheţare 3 - sonda de icircngheţare cu vapori de azot
Această metodă se foloseşte cacircnd se urmăreşte o icircngheţare rapidă şi volumul de teren icircngheţat este redus
Se vor prezenta icircn continuare unele elemente constructive ale instalaţiilor de icircngheţare
Reţeaua de saramură (fig 56) are rolul de a asigura transferul de căldură de la sol către agentul frigorific Cuprinde două schimbătoare de căldură cel subteran alcătuit din sondele de icircngheţare şi cel de suprafaţă reprezentat de vaporizatorul imersat icircn saramură Icircntre cele două schimbătoare de căldură există conducte magistrale distribuitoare - colectoare şi racorduri la sonde
Saramura răcită prin intermediul vaporizatorului 1 este circulată cu pompa 2 prin magistrala de tur a reţelei 3 Sondele de icircngheţare 5 se leagă prin vane la distribuitorul 4 şi colectorul 6 ambele de construcţie inelară Printr-o asemenea construcţie şi mod de legare a sondelor prezentate icircn figura 56 se asigură o echilibrare a căderilor de presiune pe sondele de icircngheţare şi ca urmare o alimentare uniformă cu agent intermediar şi deci şi o răcire uniformă pentru toate sondele
1
2
AZOT LICHID
VAPORI
AZOT -40OC
3
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
39
Figura 46 Fig 56 Schema reţelei de saramură 1- vaporizatorul 2 - pompa de saramură 3 - magistrala de tur 4 - distribuitorul inelar 5 -sondele de
icircngheţare 6 - colectorul inelar 7 - magistrale de retur M - manometru D - debitmetru T - termometru
Magistralele 3 şi 7 de acelaşi diametru şi lungime variabilă (determinată de o serie de factori) se pot monta atacirct la suprafaţă cacirct şi icircn canal
Magistralele se dimensionează icircn funcţie de puterea frigorifică a schimbătorului de căldură subteran alcătuit din sondele de icircngheţare
F0 qNHd [W] (51)
unde d - diametrul exterior al sondei de icircngheţare m
H - adacircncimea de icircngheţare m
N - numărul de sonde de icircngheţare
qF - densitatea fluxului termic raportat la suprafaţa exterioară a sondei La temperatura saramurii de - 20 ordmC se poate considera qF = (260290) Wm2
Debitul volumic V de agent intermediar icircn reţeaua de icircngheţare icircn funcţie de care se aleg
pompele se determină cu relaţia
tc
V o
(52)
icircn care este densitatea agentului intermediar kgm3
c - căldura specifică a agentului intermediar JkgK
t - creşterea temperaturii agentului (saramura) icircn sondele de icircngheţare K
La icircnceputul perioadei de răcire diferenţa de temperatură este t = 56 K ca apoi să scadă la 12 K
Icircn conductele magistrale se recomandă ca viteza saramurii să fie w = 0915ms
Icircn acest caz diametrul conductelor de transport a saramurii este dat de relaţia
w
V4D
[m] (53)
Icircn funcţie de valoarea determinată pentru D se aleg conducte metalice de diametru nominal cuprins icircntre 75200 mm Dacă rezultă D gt 200 mm se vor alege două conducte cu diametrul mai mic de 200 mm
2
T
T
M
M D
D
NH
3
3
4
6
5
7
1
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
40
Conductele magistrale se realizează prin icircmbinări cu flanşe sau sudate iar la lungimi mai mari de 100150 m se vor prevedea coturi compensatoare Pentru reducerea pierderilor de frig magistralele vor fi izolate termic
Distribuitorul de saramură răcită şi colectorul de saramură de la sonde sunt construcţii metalice identice
Icircn figura 57 se prezintă modul de racordare a sondelor de icircngheţare 5 la distribuitorul 1 şi colectorul 2 Vanele 3 asigură icircnchiderea deci oprirea circulaţiei şi reglajul debitului Prin aceste vane se poate izola o anumită sondă care nu funcţionează normal sau la care se observă o anumită defecţiune
Figura 47 Fig 57 Racordarea sondelor de icircngheţare la distribuitor şi colector 1 - distribuitor 2 - colector 3 - vane 4 - racord elastic 5 - sonda de icircngheţare
Poziţia distribuitorului şi colectorului faţă de racircndul sondelor de icircngheţare poate fi laterală de o singură parte sau laterală de ambele părţi ale sondelor Amplasamentul trebuie astfel făcut icircncacirct să fie posibilă vizitarea supravegherea şi eventual icircnlocuirea sondelor de icircngheţare
Racordarea sondelor la distribuitor şi colector se face prin cacircte un racord elastic (fig 57) Dimensionarea distribuitoarelor şi a colectoarelor se face din condiţia ca viteza saramurii să nu depăşească 0915 ms
Coloanele de distribuţie şi colectare urmăresc icircn teren forma şirului de sonde de icircngheţare şi pot avea acelaşi traseu sau trasee diferite Configuraţia traseului poate fi icircn linie sau circulară Icircn oricare din situaţiile prezentate distanţele dintre ştuţurile de racord şi sondele de icircngheţare sunt variabile astfel icircncacirct racordurile rigide prin flanşe şi sudură sunt greu de realizat Cea mai practică soluţie de racord icircn acest caz este furtunul de cauciuc (fig 57)
Icircn reţeaua de saramură poate pătrunde aer prin procesul de pompare ceea ce conduce la intensificarea acţiunii corosive a saramurii Icircn scopul icircndepărtării aerului nedorit pe partea superioară a conductelor icircn punctele cele mai ridicate ale acestora se montează robineţi de evacuare periodică a aerului şi eventual a altor gaze
Pe conductele magistrale se vor monta aparate de măsură şi control debitmetre termometre şi manometre (fig 56) Icircn acest caz se poate aprecia funcţionarea fiecărei sonde după depunerile exterioare de gheaţă pe racordul metalic sau de cauciuc lăsate neizolate termic tocmai icircn acest scop Icircn scopul urmăririi regimului de lucru sub aspect
5
4
1
2 3
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
41
hidraulic şi termic icircn mod individual se pot monta aparate de măsură şi control pe fiecare sondă de icircngheţare dar această soluţie este mai costisitoare
Sonda de icircngheţare realizează transferul de căldură de la terenul ce urmează a fi icircngheţat spre agentul frigorific (la răcirea directă) sau agentul intermediar (la răcirea indirectă)
Icircn figura 51 s-a prezentat schema de principiu a unei sonde de icircngheţare cu saramură activă pe toată lungimea Conducta exterioară sau burlanul de icircngheţare 3 este o conductă din oţel etanşă şi rezistentă la eforturile mecanice care apar datorită presiunii solului şi variaţiei de temperatură icircntre momentul fixării ei icircn sol şi cel al funcţionării la o temperatura sub 00C
Icircn procesul de icircngheţare coloana de burlane care poate atinge lungimi de sute de metri se contractă icircnsă nu liber deoarece ea este stracircnsă icircn masivul de roci La o variaţie de temperatură icircntre momentul iniţial (fără saramură) şi momentul pornirii circulaţiei de saramură de 400C conducta din oţel de 500 m adacircncime ar trebui să se contracte cu
tHH = 500 11 10-6 40 = 0220 m = 22 cm
Datorită fixării coloanei icircn gaura forată efortul unitar de icircntindere ce apare icircn urma scăderii temperaturii este
tE = 22 1010 11 10-10 40 = 968 105 Nm2 = 9680 Ncm2
La acest efort de icircntindere apărut datorită contracţiei coloanei se mai adaugă efortul de acelaşi semn provocat de dilatarea masivului de rocă acviferă icircngheţată Icircn scopul compensării eforturilor de icircntindere s-a propus icircmbinarea coloanei cu nipluri elastice O asemenea soluţie este mai scumpă şi icircn plus micşorează secţiunea liberă de curgere ceea ce conduce la icircncălzirea excedentară a saramurii
La lucrări subterane de mare adacircncime ca puţurile de mină depozite subterane se folosesc burlane de 1397 x 7 mm pentru a fi posibilă determinarea abaterii de la poziţie verticală
La tunelurile de metrou şi icircn general la lucrările la care adacircncimea de icircngheţare nu depăşeşte 50 - 60 m diametrul cel mai frecvent utilizat este 1143 x 7 mm
Ţeava interioară 2 (fig 51) numită şi tub de alimentare de regulă ţeava uşoară de instalaţii de 50 mm diametrul se introduce icircn burlanul exterior 3 fără icircnsă a atinge şiul de bază 1 al sondei Se asigură icircn acest mod un volum minimal de depuneri solide care circulă cu saramura icircn mod incidental Icircn scopul economisirii de metal tubul de alimentare poate fi din material plastic ceea ce prezintă marele avantaj al lipsei coroziunii şi al refolosirii materialului respectiv
Şiul de fund are rolul de a asigura icircnchiderea burlanului exterior icircn partea sa inferioară Cel mai adesea are formă conică pentru a asigura introducerea cu uşurinţă a coloanei metalice icircn gaura de sondă Această componentă a sondei de icircngheţare se execută fie prin turnare sau se confecţionează cu ajutorul sudurii
Corespunzător profilului geologic al terenului icircn care se lucrează se icircntacirclnesc şi cazuri cacircnd nu este nevoie să se icircngheţe terenul pe toată icircnălţimea sondelor ci numai la partea lor inferioară Icircn acest caz se folosesc sonde de icircngheţare zonală (fig 58) cu ajutorul cărora se asigură congelarea doar a zonei inferioare ceea ce prezintă avantaje economice deosebite nu se consumă energie pentru a icircngheţa icircn mod inutil formaţiuni geologice consistente şi uscate şi nu se reduce ritmul lucrărilor de săpare printr-o eventuală mărire a rezistenţei rocilor
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
42
Figura 48 Fig 58 Sonda de icircngheţare zonală
1 - burlan exterior 2 - tub de alimentare 3 - şiu 4 - tub de evacuare
Figura 49 Fig59 - Sonda de icircngheţare cu agent
frigorific 1 - tub exterior 2 - perete despărţitor 3 - şiu 4 -
ştuţ (ţeavă de preaplin) 5 - condensator - vaporizator
Icircn cazul răcirii directe sondele de icircngheţare cu agent frigorific sunt de construcţie specială (fig 59) Particularitatea acestor sonde este prezenţa pereţilor despărţitori 2 dispuşi unul sub celălalt la circa 3 m fiecare perete fiind prevăzut cu un ştuţ de preaplin O asemenea construcţie are rolul de a fracţiona coloane de lichid ceea ce asigură o răcire mai uniformă pe lungimea sondei
Fiecare sondă este prevăzută la partea superioară cu cacircte o cămaşă de răcire Sondele se umplu cu amoniac lichid icircntr-o asemenea cantitate icircncacirct fiecare secţie să fie icircnecată cu lichid respectiv pacircnă la partea superioară a ştuţurilor 4 Ca urmare a fluxurilor de căldură de la sol se produce fierberea amoniacului icircn toate secţiile sondei Vaporii formaţi se ridică prin ştuţurile 4 şi ajungacircnd la partea superioară a sondei se condensează cedacircnd căldură agentului (amoniac) din cămăşile de răcire
Ca urmare cămăşile de răcire de la partea superioară a sondelor constituie vaporizatorul instalaţiei frigorifice Amoniacul care se condensează la partea superioară a sondei curge icircnapoi (de sus icircn jos) prin ştuţurile 4 Folosirea pereţilor despărţitori şi a ştuţurilor micşorează influenţa presiunii hidrostatice a lichidului asupra temperaturii de vaporizare a amoniacului Asemenea sonde de icircngheţare se folosesc pentru lucrări de mică adacircncime
Amplasarea sondelor se face icircn funcţie de o serie de factori formă poziţia şi dimensiunile lucrării care se realizează structura terenului temperatura şi viteza agentului etc
Icircn cazul puţurilor de mină de secţiune circulară sondele se amplasează pe un cerc
concentric de diametru D mai mare decacirct diametrul de săpare Ds cu grosimea a peretelui icircngheţat
sDD (54)
Trebuie să se ţină seama şi de deviaţia sondelor de la poziţia verticală icircncacirct pentru adacircncimi mari se utilizează relaţia
3
2 4
1
VAPORI 5 LICHID
3
2
4 1
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
43
a21DD s (55)
unde a = 003 H este abaterea medie statistică de la verticală a sondelor
Distanţa dintre sonde se ia de obicei de 1014 m icircn terenuri rezistente şi de 0809 m icircn terenuri slabe
Pentru adacircncimi de peste 500 m se recomandă să se dispună sondele pe două cercuri concentrice pentru a se forma un perete de grosime mai mare şi deci mai rezistent
La icircngheţarea terenului icircn jurul puţurilor de secţiune dreptunghiulară sondele se pot dispune pe dreptunghi sau elipsă Icircn aceste situaţii centura de teren icircngheţat poate fi solicitată la icircntindere ceea ce este de nedorit deoarece limita de rezistenţa la icircntindere a terenurilor icircngheţate este de circa 3 ori mai mică decacirct limita rezistenţei la compresiune Din acest motiv chiar şi la puţurile de mină de secţiune dreptunghiulară sondele se dispun pe unul sau două cercuri (fig 510)
Pentru realizarea galeriilor icircnclinate icircngheţarea terenului se realizează cu sonde verticale (fig 511) sau combinat atacirct cu sonde verticale cacirct şi cu sonde icircnclinate (fig 512)
Distanţa dintre sondele verticale (fig 511) se ia de 23 m iar distanţa dintre racircnduri este de 1525 m
Se poate folosi cacircte un racircnd de sonde icircnclinate montate deasupra galeriei (fig 212 a) sau sonde icircnclinate sub galerie şi sonde verticale scurte deasupra galeriei (fig 512 b)
SONDA
154 m
16
6 m
226
262
85
SONDA
Figura 411 Fig 511 Amplasarea sondelor verticale pentru realizarea galeriei icircnclinate
Figura 411 Fig 510 Dispunerea sondelor icircn jurul puţurilor de mină de secţiune
dreptunghiulară
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
44
Figura 412 Fig 512 Realizarea galeriilor icircnclinate cu sonde verticale (1) şi sonde oblice (2)
I - secţiunea longitudinală II - secţiunea transversală a) sonde icircnclinate deasupra galeriei b) sonde icircnclinate sub galerie
413 513 UTILIZAREA METODEI DE IcircNGHEŢARE A SOLULUI IcircN ŢARA NOASTRĂ
a)Puţuri de mină
Aplicarea metodei de icircngheţare a solului pentru lucrări de minerit a avut loc la noi icircn ţară icircncepacircnd cu anul 1960 la puţul Godeni din bazinul carbonifer Cacircmpulung - Muscel Proiectul a fost elaborat icircn anul 1959 la IPROMIN Bucureşti iar lucrarea a fost executată cu Trustul Minier Argeş avacircnd icircn subantrepriză de specialitate Icircntreprinderea Frigotehnica Bucureşti şi Trustul de prospecţiuni explorări şi deschideri de mine noi Bucureşti
Adacircncimea de săpare a puţului Godeni a trebuit sa fie de 202 m Sondele de icircngheţare constituite din două ţevi concentrice (fig 51) cu diametrele exterioare de 146 mm şi respectiv 57 mm icircn număr de 27 au fost amplasate pe un cerc cu diametrul de 10 m la distanţa de 117 m una de alta
Instalaţia frigorifică a fost dimensionată cu mare precauţie pentru a avea o siguranţă mărită icircn funcţionarea ei Toate părţile componente ale instalaţiei frigorifice au fost proiectate şi executate icircn ţară
La proiectarea instalaţiei s-a avut icircn vedere funcţionarea de scurtă durată şi variaţia puterii frigorifice icircn timp S-a utilizat răcirea indirectă cu soluţie de clorură de calciu iar ca agent frigorific a fost folosit amoniacul Pentru a avea elasticitatea necesară icircn funcţionare la diferite puteri frigorifice au fost folosite grupuri de utilaje frigorifice şi anume
6 compresoare 4 AU - 20 (200000 kcal Nh =233 kW fiecare)
3 baterii de condensatoare atmosferice a cacircte 300 m2 (900 m2)
bazine pentru răcirea saramurii fiecare cu cacircte 2 vaporizatoare superintensive de 50 m2 (600 m2)
2 grupuri a cacircte 5 pompe pentru recircularea saramurii
Puterea frigorifică a instalaţiei montate a fost de 12106 kcal Nh =1395 kW şi s-a caracterizat prin următoarele date tehnice la exploatare
85
1
2
I 85
1
2
I
85
1
2
II
85
1
2 II
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
45
o suprafaţa de schimb de căldură a sondelor 2500 m2 o puterea instalaţiei 750 kW o debitul saramurii icircn
o icircn perioada activă 350 m3h o icircn perioada pasivă 70 m3h
o viteza de circulaţie a saramurii icircn sondă o tur 18 ms 036 ms o retur 029 ms 006 ms
o volumul rocilor icircngheţate circa 10000 m3 o consumul specific de frig mediu 50000 m3 o durata icircngheţării (perioada activă) 130 zile
Icircn timpul răcirii şi deci a icircngheţării solului puterea frigorifică scade icircn mod continuu icircncacirct treptat s-a scos din funcţiune cacircte un compresor icircn perioada pasivă (de săpare a puţului) s-a menţinut icircn lucru doar un singur compresor şi grupul de utilaje aferent
După terminarea lucrărilor de la puţul Godeni icircn anii următori aceeaşi instalaţie s-a montat la puţul Poenari din acelaşi bazin carbonifer unde sondele au fost amplasate pe un cerc cu diametrul de 11 m la distanţa de 128 m una de alta
Un alt puţ realizat prin această tehnologie de icircngheţare a solului a fost puţul Jugur de la acelaşi bazin carbonifer Centrala frigorifică a cuprins 15 compresoare 3 AV - 20 (150000 kcal Nh fiecare=175kW) repartizate icircn 5 linii tehnologice independente cu icircntreg utilajul aferent Fiecare linie este compusă din
o butelie de răcire intermediară BRI - 700 un condensator cu evaporare forţată CEF - 180 un bazin cu patru grupuri vaporizatoare intensive de cacircte 165 m2 (icircn total 66 m2)
Sondele de icircngheţare icircn număr de 27 bucăţi au fost prevăzute să se amplaseze pe un cerc cu diametrul de 104 m la distanţă de 121 m Sondele sunt de tipul celei indicată icircn figura 58 deci cu răcire zonală avacircnd următoarele caracteristici diametrul exterior al burlanului este de 146 mm iar tuburile interioare au 57 mm (la exterior) tubul de alimentare are lungimea de 430 m iar cel de evacuare este de 220 m Ca urmare sondele de icircngheţare trebuie să producă icircngheţarea solului numai pe adacircncimea de la 220 m la 430 m Prin proiect s-au prevăzut următoarele date temperatura saramurii - 35 ordmC viteza saramurii icircn conducte de tur 18 ms viteza icircn conducte de retur (pe adacircncimea de răcit) 06 ms durata icircngheţării (perioada activă) a fost de 75 zile
Au fost prevăzute temperaturi scăzute şi viteze mari de congelare deoarece cilindrul icircngheţat trebuie să preia presiuni de pacircnă la 56 bar
b)Tunelurile pentru metroul din Bucureşti
Icircncepacircnd cu anul 1976 pentru realizarea metroului din Bucureşti s-a procedat la aplicarea metodei de icircngheţare a solului icircntr-o zonă considerată experimentală dar cu realizări efective de galerii
Prin proiect s-a prevăzut consolidarea prin icircngheţare artificială a profilului de săpare a tunelurilor de metrou pe o lungime de circa 550 m pe ambele fire Amplasamentul sondelor s-a făcut icircn două variante (pentru experimentare) pentru un fir de tunel ambele racircnduri de sonde s-au fixat icircn profilul circular de săpare iar pentru cel de al doilea fir de tunel sondele au fost forate icircn afara profilului de icircnaintare (fig 513) Au fost folosite sonde cu saramură cu posibilitatea de icircngheţare pe toată icircnălţimea de 16 m cacirct şi sonde cu icircngheţare zonală icircntre adacircncimile de 7 m şi 16 m Distanţa dintre sonde a fost fixată la 14 m
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
46
Pentru a se icircmpiedica accesul apelor icircn frontul de săpare datorate unor eventuale zone neicircngheţate traseul de tunel icircngheţat a fost icircmpărţit icircn incinte icircnchise prin timpane transversale La distanţe de 3050 m icircn lungul traseului au fost montate sonde de icircngheţare aşezate icircn plan normal pe axul tunelului prin care să se icircnchidă accesul apelor spre frontul de săpare
Echipamentul frigorific principal cuprinde
- 8 compresoare frigorifice 3 AV - 20 funcţionacircnd icircntr-o treaptă pentru care
corespunde puterea frigorifică de 12 106 kcal Nh =1395 kW
- 4 condensatoare de evaporare forţată CEF - 250
- 3 bazine de răcire a saramurii echipate cu cacircte 4 grupuri de vaporizatoare superintensive de cacircte 51 m2 (total 612 m2)
- 3 grupuri de cacircte 2 pompe a 220 m3h pentru circulaţia saramurii pe traseele de distribuţie şi prin sonde
Figura 413 Fig513 Amplasamentul sondelor de icircngheţare
Centrala frigorifică este stabilă adăpostită icircntr-o baracă metalică demontabilă existacircnd posibilitatea de reamplasare rapidă a instalaţiei icircntr-un alt loc Agentul frigorific utilizat este amoniacul iar agentul intermediar este clorura de calciu
Icircn perioada principală de icircngheţare temperatura de vaporizare este to = -22 ordmC asiguracircnd răcirea saramurii la -17 ordmC iar pe retur saramura a avut temperatura cu 15 ordmC mai ridicată
La o asemenea lucrare realizată icircn oraş se impune protejarea contra icircngheţului a straturilor de deasupra galeriilor icircn care sunt amplasate instalaţiile de apă - canal ceea ce presupune folosirea sondelor cu icircngheţare zonală care să nu fie active la partea superioară
c) Puţuri pentru prospectarea balastierelor
Procedeul şi instalaţia frigorifică au avut caracter de noutate şi s-a aplicat icircncepacircnd cu anul 1966 la mai multe obiective icircn general pe văile racircurilor unde s-au construit hidrocentrale
A
A B
B
A-A
000 -300 -700 -1061 -1300
65
800
B-B
000 -300 -700 -1061 -1300
65
550
ARGILA
ARGILA
NISIP
NISIP
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
47
Echipamentul frigorific principal cuprinde un agregat frigorific pentru amoniac de 20000 kcal Nh = 233 kW rezervor de amoniac separator de lichid şi anexe - toate fiind montate pe o remorcă
S-au folosit sonde de icircngheţare cu agent frigorific icircn număr de 8 bucăţi cu diametrul exterior de 133 mm montate pe un cerc cu diametrul de 2 m la distanţa de 076 m lungimea lor fiind de 75 m Legarea sondelor la distribuitor şi colector s-a făcut cu racorduri flexibile
Sondele au o construcţie specială fiind prevăzute cu 4 pereţi transversali cu ştuţuri de preaplin formacircndu-se astfel 5 compartimente Agentul lichid se introduce icircn compartimentul cel mai de sus şi se scurge prin ştuţuri pacircnă la baza sondei Conducta de aspiraţie străbate toate compartimentele vaporii fiind aspiraţi din compartimentul cel mai de jos Circulaţia vaporilor formaţi se face ca şi a lichidului de sus icircn jos obţinacircndu-se astfel o răcire uniformă şi eficientă pe toată icircnălţimea sondei
Durata icircngheţării respectiv a formării centurii de teren icircngheţat la adăpostul căreia să se poată efectua săparea şi preluarea de probe de sol este de 10 zile
414 514 CAcircMPUL DE TEMPERATURĂ IcircN SOLUL IcircNGHEŢAT
Cacircnd prin sonda de icircngheţare circulă saramură a cărei temperatura este sub 0 ordmC practic - 20 ordmC-25 ordmC icircn jurul sondei se formează un cacircmp termic care icircn cazul unei singure sonde poate fi reprezentat prin suprafeţe cilindrice coaxiale de temperatură constantă (izoterme)
După distanţa radială se deosebesc icircn sol din punct de vedere termic trei zone zona cilindrică din imediata vecinătate a sondei care este icircn zona icircngheţată zona răcită cuprinsă icircntre suprafaţa cilindrică izotermă de 0 ordmC şi izoterma de temperatură naturală şi a treia zonă cea de temperatura naturală (fig 514)
Icircn zona icircngheţată temperatura masivului variază de la temperatura peretelui metalic al sondei pacircnă la 0 ordmC Icircn zona răcită temperatura masivului creşte de la 0 ordmC pacircnă la temperatura naturală a masivului
Figura 414 Fig 514 Cacircmpul de temperatură icircn jurul unei sonde de icircngheţare
Este important să se cunoască cacircmpul termic icircn terenul supus icircngheţării deoarece acesta oferă date privind zona de răspacircndire a consolidării rocilor prin solidificarea apei cacirct şi a
t [oC]
r [m]
t (r)
ZONA RACITA
ZONA INGHETAT
A
ts TEMPERATURA NATURALA A ROCII
-20
-10
40
10 0 20 30
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
48
rezistenţei mecanice a rocii icircngheţate Se cunoaşte faptul că rezistenţa mecanică depinde direct de temperatură
Studiul variaţiei temperaturii icircn zona de influenţă a unei sonde şi a tuturor sondelor simultan oferă posibilitatea calculării dimensiunilor la proiectarea construcţiei peretelui protector cacirct şi controlul procesului icircn timpul desfăşurării lucrărilor
Pentru a se stabili relaţia de variaţie a temperaturii icircn zona icircngheţată icircn funcţie de raza r se consideră ecuaţia diferenţială
dr
dtr2q (56)
icircn care q este fluxul unitar de căldură corespunzător lungimii de 1 m din sonda de icircngheţare Wm
- conductivitatea termica a terenului Wm
Integrarea directă a ecuaţiei analitice se poate face icircn ipoteze simplificatoare consideracircnd
= const şi q = const ceea ce este justificat la valori mari ale timpului de răcire
Se separa variabilele
r
dr
2
qdt
(57)
Se consideră cunoscute temperaturile t1 la suprafaţa sondei de raza r1 și t2 = 0 ordmC la raza r2 corespunzătoare suprafeţei exterioare a cilindrului icircngheţat Se integrează ecuaţia (6-7) și cunoscacircnd limitele de integrare se va determina constanta de integrare
Cr ln2
qt
(58)
pentru r = r1 t = t1 deci
11 rln2
qtC
(59)
1
1r
rln
2
qtt
(510)
Se pune condiţia ca pentru r = r2 t = t2
1
212
r
rln
2
qtt
(511)
Se elimina q intre relaţiile (510) și (511) şi se obţine
1
2
1121
r
rln
r
rln
tttt (512)
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
49
Figura 415 Fig 515 Schema schimbătorului de căldură subteran
Pentru t2 = 0 ordmC relaţia (5-12) devine
)rrln(
)rrln(tt
12
21 (513)
Icircn figura 515 se prezintă o secţiune axială printr-o sondă de icircngheţare şi variaţia temperaturii icircn limitele t0 - temperatura agentului de răcire şi ts - temperatura naturală a solului
Cantitatea de căldură transferată de la masivul neicircngheţat spre agentul de răcire prin unitatea de lungimea de conducta şi unitatea de timp se calculează cu expresia
221
2
1o
1
moo
os
d
1
d
dln
1
d
dln
2
1
d
1
ttq
(514)
Icircn calculele inginereşti cel mai frecvent se determină nu fluxul termic pe unitatea de lungime a conductei ci fluxul termic qF raportat la unitatea de suprafaţă a conductei metalice la 1 m2 de suprafaţa exterioară sau interioară Mărimea qF se calculează astfel
22
o
1
2
1
o
o
1
m
o
o
oS
o
F
d
d
d
dln
2
d
d
dln
2
d1
tt
d
(515)
Fluxul termic qF prin unitatea de suprafaţă a sondei de icircngheţare calculat pentru adacircncimea de 100 m icircn regim laminar de curgere a agentului de răcire prin spaţiul inelar al sondei cu viteza w = 01 ms la diametre ale cilindrului de rocă icircngheţata
de la 02 la 3 m pentru to = -20 ordmC do = 01 m 1 = 233 WmK variază de la 720 la 230 Wm2 aşa cum se poate observa din figura 516 şi tabelul 51
d2
d1
d0
t
qF
t0
t2
t1 2
m 1
m
ts
Conducta Teren icircngheţat Teren
neicircngheţat
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
50
Figura 416 Fig 516 Variaţia fluxului termic qF prin unitatea de suprafaţă a sondei de icircngheţare 1 - regim turbulent 2 regim laminar
Tabelul 51Variaţia fluxului termic qF [Wm2]
Diametrul cilindrului de rocă icircngheţată icircn m
02 04 05 08 10 15 20
qF regim laminar 1160 550 387 330 302
qF regim laminar 720 465 423 350 321 283 258
Se observă ca densitatea fluxului de căldura qF scade foarte mult de la 800900 Wm2 la icircnceputul operaţiei de consolidare prin frig a rocilor pacircnă la 230250 Wm2 cacircnd cilindrul de rocă icircngheţata atinge diametrul de 23 m Ca urmare a acestei situaţii şi puterea frigorifică a instalaţiei va scădea icircn decursul a 6080 zile tot cu raportul de 800230 = 35
Instalaţia frigorifică va fi constituită din grupuri de utilaje (module) ce vor fi scoase treptat din funcţiune pe măsură ce se reduce densitatea fluxului de căldură qF ca urmare a creşterii grosimii stratului de teren icircngheţat Icircn practică pentru calcule se va considera qF = (260290) Wm2
O mărime importanta pentru proiectarea instalaţiei şi aprecierea procesului de consolidare a rocilor este timpul de icircngheţare Pentru calculul duratei de icircngheţare se pot folosi relaţiile prezentate icircn capitolul 3 la formarea gheţii pe suprafeţe cilindrice exterioare La aprecierea valorii pentru ls - căldura latentă de solidificare se avea icircn vedere conţinutul de apă din terenul supus icircngheţării
Dacă icircntre relaţiile pentru dependenţele (r) şi qF(r) se elimină r se obţine dependenţa
qF() Eliminarea nu se poate face direct ci fie cu ajutorul calculatorului fie printr-o construcţie grafică prezentată icircn figura 517
Studiul variaţiei temperaturii icircn solul icircngheţat cacirct și variaţia icircn timp a densităţii fluxului de căldura se poate face cu ajutorul calculatorului electronic
1200
1000
800
600
400
200
0 05 1 15 2 25 3
qF [Wm2]
Diametrul cilindrului de rocă icircngheţată [m]
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
51
Figura 417 Fig 517 Stabilirea dependentei qF() pe baza dependentelor qF(r) și (r)
415 515 ELEMENTE DE PROIECTARE A INSTALAŢIEI FRIGORIFICE PENTRU IcircNGHEŢAREA SOLULUI
Pentru proiectarea instalaţiei frigorifice trebuie sa se stabilească la icircnceput elementele de baza și anume
- puterea frigorifică maximă care apare la icircnceputul perioadei de răcire cacircnd pătrunderile de căldura spre agentul de răcire din sondele de icircngheţare au valori mai mari temperatura de vaporizare a agentului frigorific plecacircnd de la temperatura minimă sau medie din solul icircngheţat şi avacircnd icircn vedere modul de răcire directă sau indirectă
Se calculează cantitatea totală de căldură ce trebuie extrasă din terenul supus răcirii şi icircngheţării Se cunoaşte structura terenului icircngheţat deci se cunosc icircnălţimile h1 h2hn ale diferitelor straturi componente cacirct şi proprietăţile termofizice ale acestora
Grosimea centurii de teren icircngheţat se stabileşte icircn urma calculelor de rezistenţa materialelor icircncacirct se pot calcula volumele ocupate de straturile componente V1 V2Vn
Cantitatea de căldură ce trebuie extrasă din zona icircngheţată cuprinde două componente și anume
cantitatea de căldura Qa corespunzătoare răcirii şi icircngheţării apei
cantitatea de căldura Qt necesara răcirii părţii solide a terenului
n
1kfgsikaakka tcltcVQ (516)
unde
k - reprezintă conţinutul icircn apă din stratul respectiv [m3m3]
a - densitatea apei [kgm3]
ca cg - căldura specifica a apei respectiv a gheţii Jkg K
tik - temperatura iniţiala a stratului respectiv (de ordinul k)
tf - temperatura medie finala a masivului icircngheţat
ls - căldura latentă de solidificare a apei
r
q
q
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
52
fik
n
1kkkkkt ttc1VQ
(517)
k - densitatea părţii de teren solid (uscat) din stratul k
ck - căldura specifică a terenului uscat din stratul k
Cantitatea de căldură extrasă din terenul răcit reprezintă circa 1018 din cantitatea de căldură extrasă din zona de teren icircngheţat
Deci cantitatea totală de căldură Q ce va trebui preluată de către instalaţia frigorifică se poate aprecia astfel
Q = (110118) (Qa + Qt) (518)
Cu relaţia (51) se calculează puterea frigorifica a instalaţiei adoptacircnd o valoare medie pentru densitatea fluxului de căldura qF
Se poate aprecia timpul de funcţionare a instalaţiei frigorifice
o
Q
(519)
La anumite grosimi ale cochiliei de teren icircngheţat icircn jurul sondei densitatea fluxului termic scade sub valoarea medie adoptată icircn calcule şi ca urmare icircncepacircnd de la acest moment se va putea reduce treptat puterea frigorifica a instalaţiei prin scoaterea din funcţiune a unor grupuri
La proiectare se pot avea icircn vedere unele recomandări practice pentru stabilirea necesarului de frig pentru icircngheţarea unui m3 la -10 ordmC este necesar un consum specific de frig de 66000 kJ la 10 umiditate de 155000 kJ la 35 umiditate și de 210000 kJ la 50 umiditate
42 52 RĂCIREA BETONULUI LA CONSTRUCŢIILE MASIVE
421 521 INSTALAŢII DE PRERĂCIRE A COMPONENTELOR BETONULUI
Formarea betonului din elementele sale componente (nisip pietriş ciment şi apă) este icircnsoţită de fenomene fizico - chimice icircn care se degajă căldură şi ca urmare temperatura acestuia creşte Icircn cazul unor masive din beton (baraje) dacă viteza de turnare (icircn sezonul cald cacircnd se efectuază construcţia) este mai mare şi nu se asigura evacuarea căldurii corpul rezultă la o temperatura medie mai mare decacirct temperatura medie anuală Răcirea naturală conduce la contracţia masivului şi ca urmare la apariţia sub acţiunea tensiunilor interne a unor fisuri
Pentru ca variaţiile de temperatura icircntre centrul barajului şi straturile exterioare să fie cacirct mai mici se impune ca masivul respectiv să fie turnat la temperatura medie anuală a zonei respective Icircn acest scop se pot folosi două metode prin prerăcirea componentelor betonului și prin răcirea masei barajului
Icircn vederea reducerii căldurii degajată icircn reacţia dintre ciment şi apă au fost realizate sortimente de ciment caracterizate prin călduri masice reduse ce se degajă icircn procesul de priză
Prin prerăcirea componentelor betonului se urmăreşte ca betonul sa aibă temperatura medie a locului de amplasament şi prin aceasta evitarea apariţiei unor diferenţe mari de temperatură ce pun icircn pericol construcţia
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
53
Icircn funcţie de valoarea diferenţei de temperatură care trebuie realizată se poate adopta o anumită schemă de răcire pentru fiecare component icircn parte sau numai pentru unele din aceste părţi componente
Se pot folosi instalaţii frigorifice cu comprimare mecanică de vapori pentru răcirea apei a aerului sau formarea gheţii mărunte utilizate la prerăcirea componentelor betonului Folosirea gheţii fulgi sau solzi este limitată atacirct din cauza conţinutului de apă impus cacirct şi ca urmare a pericolului ca gheaţa să nu se topească icircn procesul de malaxare ci la turnare sau icircn procesul de priză ceea ce duce la formarea de goluri icircn beton
De asemenea se pot folosi instalaţiile frigorifice cu ejecţie
Icircn vederea stabilirii necesarului de frig pentru preratildecirea componentelor betonului se calculează mai icircntacirci cantitatea de catildelduratilde Qo1 ce trebuie evacuatatilde dintr-un m3 de beton avacircndu-se icircn vedere proporţiile icircn care participatilde cimentul nisipul pietrişul şi apa Fiecare component are o temperatură iniţialatilde şi urmeazatilde a fi răcit pacircnatilde la o temperatura finalatilde tf aceeaşi pentru toţi componenţii
fpppfnnnfccc1o ttcmttcmttcmQ
fnaanfpaapfaaa ttcmttcmttcm Jm3 (520)
unde
mc mn mp ma - masele de ciment nisip pietriş şi apă conţinute icircntr-un m3 de beton [kgm3]
cc cn cp cw - căldurile specifice masice ale cimentului nisipului pietrişului şi nisipul dintr-un m3 de beton [kgm3]
Puterea frigorifică se determină cu relaţia
3b1oo 10VQ [kW] (521)
icircn care bV reprezintă fluxul de betonare icircn m3s
Se prezintă icircn continuare cele mai folosite metode de prerăcire a componentelor betonului
4211 a) Instalaţie de prerăcire cu apă
Staţia de preparare a betonului este deservită de o instalaţie frigorifică cu comprimare mecanică de vapori care asigură răcirea apei
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
54
Figura 418 Fig 518 Schema de lucru a instalaţiei de prerăcire a betonului cu ajutorul apei 1 - ciment 2 - vagon nisip 3 - vagon pietris 4 - tancuri de răcire a pietrişului 5 - sită 6 - siloz de
nisip 7 - siloz de ciment 8 - rezervor de distribuţie 9 - răcitor de nisip 10 - răcitor de ciment 11 - răcitor de apă 12 - rezervor de apă răcită 13 - răcitor de apă 14 - instalaţie de prepararea betonului
I II III IV V - fazele de răcire a pietrişului
Icircn figura 518 se prezintă schema de lucru a unei asemenea instalaţii de prerăcire a betonului cu ajutorul apei folosită la construcţia barajului de la Detroit (SUA) Apa este răcită de la 16 la 15 ordmC şi transmisă apoi la instalaţia de preparare a betonului şi icircn cinci rezervoare a cacircte 90 m3 fiecare icircn care se răceşte pietrişul
Procesul de răcire a pietrişului cuprinde cinci faze
- faza I - introducerea apei icircn rezervor 10 minute
- fazele II şi III - introducerea simultană a apei şi a pietrişului 50 minute
- faza IV - evacuarea apei 15 minute
- faza V - evacuarea pietrişului 15 minute
Icircntregul proces de răcire a pietrişului durează 90 minute Pentru răcirea cimentului şi nisipului se utilizează schimbătoare de căldură cu ax elicoidal la care apa de răcire circulă prin arborele gol şi prin manta
Rezervoarele 12 pentru apa răcită au fiecare volumul de 114 m3
Beton 635oC
190 m3h
65oC
24oC
18oC
1
2
3
4
5
6
7
8
10
9
11
12
13
14
Apă 16oC
15oC
Cim
en
t
26 l
h
Nis
ip 1
12
lh
10
oC
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
55
42111 Aplicaţie numerică
Să se calculeze puterea frigorifică necesară prerăcirii betonului prin metode şi condiţiile prezentate mai sus Se cunosc următoarele date de calcul
mp = 1700 kgm3 beton
mc = 135 kgm3 beton
mn = 590 kgm3 beton
ma = 60 kgm3 beton
cc = cn = cp = 921 Jkg K
ca = 4180 Jkg K
map = 16 kgm3 beton
man = 38 kgm3 beton
tp = 18 ordmC
tc = 66 ordmC
tn = 21 ordmC tf = 635 ordmC
052803000
190Vb m3s
Se calculează componentele cantităţii de căldură Q01
3fcccc 10741735666921135ttcmQ Jm3
3fnnnn 10796135621921590ttcmQ Jm3
3fpppp 1024018356189211700ttcmQ Jm3
3faaaa 10420235616418060ttcmQ Jm3
3fpaapap 1077935618418016ttcmQ Jm3
3fnaaan 10232735621418038ttcmQ Jm3
Rezulta
3anapapnc1o 1039144QQQQQQQ Jm3
3o 10 206705280103914410VQ 33
b1o kW
4212 b) Instalaţii de prerăcire cu aer apă
Pentru răcirea componentelor betonului se utilizează icircn acest caz fie apa fie aerul ca agenţi intermediari răciţi cu ajutorul instalaţiilor frigorifice
Icircn figura 519 se prezintă schema unei asemenea instalaţii folosită la construcţia barajului de la Sariyar din Turcia
Răcirea aerului se poate face fie direct prin vaporizarea unui agent frigorific fie indirect cu un agent intermediar de răcire ca de exemplu saramura de clorură de calciu Aerul răcit pacircnă la -6 ordmC este suflat icircn silozurile cu pietriş de dimensiuni icircntre 4150 mm
Apa răcită icircn bazinul la pacircnă la 05 ordm este trimisă din colectorul 12 la staţia de preparare a betonului servind la scăderea temperaturii acestuia
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
56
Figura 419 Fig 519 Schema instalaţiei de prerăcire a betonului cu aer şi apă 1 - compresor 2 - condensator 3 - ventile de laminare 4 - vaporizatoare 5 - bazin de răcire a
saramurii 6 - pompă de saramură 7 - răcitor umed de aer 8 - ventilatoare 9 - silozuri de pietriş 10 - bazin de răcire a apei 11 - pompă 12 - colector de apă răcită
Figura 420 Fig 520 Schema instalaţiei de prerăcire cu aer şi apă 1 - siloz de pietriş şi nisip 2 - siloz de ciment 3 rezervor de apă 4 - răcitor de aer 5 - răcitor de apă
4 - răcitor de apă 6 - buncăr de sortare 7 - instalaţie de preparare beton
Pentru intensificarea procesului de răcire a pietrişului aerul este răcit sub 0 ordmC Acest procedeu are avantajul unei funcţionări fără icircntrerupere a procesului de preparare a betonului dar prezintă şi o serie de dezavantaje debite foarte mari de aer de răcire posibilitatea antrenării particulelor fine de agregat icircn răcitorul de aer şi depunerea acestora pe suprafaţa de schimb de căldură Ca urmare instalaţia se va curăţa la circa 14 zile Icircn figura 520 se prezintă o altă schemă de instalaţie de prerăcire a betonului cu aer şi apă folosită la construcţia unui baraj din India
Apă
295oC
Ciment
433oC
Pietriş şi nisip
378oC
Apă 6oC
Ciment 433oC
Aer
Pietriş
45oC Nisip 222oC
22oC
Ap
ă
45
oC
Ap
ă 2
2o
C
Ae
r 5
5o
C
Be
ton
12
8o
C
Apă 22oC
2
1
3 4 5
8
9
5 7
12
1oC
11
05oC 9oC 9oC
-9oC
-10oC -10oC
-10oC 2oC
6oC
10 4 4 6
8 8
8
8 8
9 9 9 9
1
2
3 3
7
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
57
Pietrişul şi nisipul se separă icircntre ele icircn buncărul de sortare 6 şi apoi fiecare circulă pe cacircte o bandă transportoare prin camera de răcire 7 Pietrişul este răcit cu ajutorul apei
Fig
ura
42
1 F
ig 5
21
Sc
he
ma
in
sta
laţi
ei
de
ră
cir
e icirc
n v
id a
co
mp
on
en
telo
r b
eto
nu
lui
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
58
reci icircncacirct ajunge la o temperatură mai scăzută decacirct nisipul răcit cu aer Prin camera 7 se circulă şi aer rece care se introduce la temperatura de 55 ordmC Cimentul se introduce la instalaţia de preparare a betonului 9 fără a fi răcit
O altă posibilitate de prerăcire a agregatelor (pietriş şi nisip) şi a apei utilizată mai recent la construirea barajelor icircntrebuinţează răcirea icircn vid la care agregatele uşor umezite icircn recipiente sub presiune se răcesc după nevoie (prin reglarea vacuumului) la o temperatură mai scăzută sau mai ridicată Căldura necesară evaporării umidităţii de pe agregate şi din ele (apa legată) este luată chiar de la corpurile respective (pietriş nisip) şi ca urmare acestea se răcesc
O asemenea instalaţie utilizată la Hortwell icircn SUA (figura 521) cuprinde 3 recipienţi de cacircte 150 m3 pentru răcirea pietrişului şi 3 recipienţi de cacircte 80 m3 pentru răcirea nisipului
Pietrişul şi nisipul cu temperatura maximă de 43 ordmC se pot răci pacircnă la temperatura necesară de 45 ordmC Pentru realizarea vidului necesar se folosesc două cazane de abur care produc 77 th fiecare
422 522 RĂCIREA INTERIOARĂ A MASIVULUI DE BETON
Prerăcirea betonului se recomandă icircn condiţiile unei zone tropicale sau temperate de amplasare a construcţiei masive nu se recomandă icircn cazul amplasării barajului icircn munţi unde temperatura aerului este scăzută Icircn asemenea situaţii se recomandă răcirea betonului prin conducte amplasate icircn masiv prin care circulă apă rece
La răcirea interioară cu conducte montate icircn beton are loc o eliminarea a căldurii simultan cu producerea ei icircn procesul de priză producacircndu-se şi o răcire pacircnă la temperatura necesară Pentru răcire se folosesc conducte de oţel cu diametre de 1525 mm montate la distanţe de 1223 m icircn plan orizontal şi de 153 m icircn plan vertical Lungimea conductelor icircntr-un m3 de beton este de 0204 şi a fiecărei serpentine de 140250 m
Debitul apei de răcire ce circulă prin 1 m3 de beton este de (0553) dm3h
Figura 422 Fig 522 Reţea de conducte de răcire a betonului icircn secţiunea unui baraj 1 - galerie pentru măsurători 2 - galerie de conducte de apă de răcire
Serpentinele se montează şi se fixează pe suprafaţă de beton (fig522) Capetele serpentinelor se leagă de o coloană verticală prin mufe metalice sau de cauciuc Diametrul distribuitorului şi al coloanei este cuprins icircntre 150200 mm După montaj aceste conducte se verifică la presiunea de lucru
1 2
Ax
a
ba
raju
lui
Izolaţii termice
13
e4pspeLpLizLspLi
4piL ttd
RRRR
tt
[Wm] (117)
Rezistențele termice RLi și RLp pot fi neglijate
Grosimea stratului de izolație termică se calculează icircn două etape
se neglijează rezistența termică a stratului protector RLsp = 0 și rezultă
24pee
4piiz
e
iz
e
iz
ttd
tt2
d
d
d
d
ln (118)
Ecuație de forma xmiddotlnx = const (x = dizde) rezolvarea ei făcacircndu-se grafic sau prin icircncercări
Rezultă
1
d
dd50
e
izeiz [m] (119)
ținacircnd seama de stratul protector se calculează grosimea reală a stratului de izolație termică cu coeficientul de corecție ∆ [mm] (Tabelul 112)
δizrsquo = δiz - ∆ [mm] (120)
Se calculează fluxul termic liniar (unitar) ΦL [Wm] și apoi modificacircnd grosimea stratului de izolație se verifică temperatura impusă tp4 [ ordmC]
Determinarea necesarului de căldură și apă caldă pentru un imobil
14
2 Determinarea necesarului de căldură și apă caldă pentru un imobil
Casa este situata icircn judetul Galati orasul Galati icircn partea de nord a orasului Este amplasata pe un teren cu suprafata de 300mp ea icircn sine avand o amprenta la sol de 123mp
Orasul Galati se situeaza icircn zona climatica numarul II Conform standardului ldquoSR1907 - 1 - 2014rdquo temperatura de referinta pentru aceasta zona este de -15 degC
Icircn figura de mai jos este reprezentat imobilul ce va trebui incalzit Este desenat icircn programul Archicad și prezinta urmatoarele vederi
Figura 21 Planul casei cu dimensiuni și orientare dupa punctele cardinala
Determinarea necesarului de căldură și apă caldă pentru un imobil
15
Figura 22
Figura 23 Vedere fata Nord
Determinarea necesarului de căldură și apă caldă pentru un imobil
16
Figura 24 Vedere fata Sud
Figura 25 Vdere fata Est
Determinarea necesarului de căldură și apă caldă pentru un imobil
17
Figura 26 Vedere fata Vest
Figura 27 Vedere de ansamblu
Determinarea necesarului de căldură și apă caldă pentru un imobil
18
Dimensiunile casei și a incaperilor sunt afisate icircn tabelul urmator
Incapere Suprafata mp
1 Hol intrare+ Living + Hol 3353
2 Dormitor mare 1804
3 Dromitor mic 12
4 Bucatarie 112
5 Baie mare 48
6 Baie mica 475
7 Camera tehnica 72
Total suprafata 9152
Total perimetru casa 444 m
21 22 Determinarea necesarului de căldură și apă caldă menajeră pentru imobil
Pentru studiul necesarului de flux termic este nevoie sa cunoastem posibilele pierderi de căldura cat si modul de utilizare al acesteia Ecuatia generala a bilantului termic ce se foloseste icircn calcularea fluxului de căldura
Q = Q1+ Q2+ Q3 [W]
Q1- fluxul de căldura pierdut prin transmisie
Q2- fluxul de căldura necesar incalzirii aerului ventilat
Q3- fluxul de căldura necesar prepararii apei calde
Fluxul termic pierdut prin transmisie este distribuit intre elementele constructive ale casei si anume Q11 - pereti Q12 - podea Q13 - tavan Q14 - geamuri
Q1= Q11+ Q12+ Q13+ Q14 [W]
Formula care se utilizeaza icircn calculul pentru fiecare fux termic icircn parte este comuna celor patru elemente
Q1i= Si middot Ki middot (tint - text) [W]
Unde Si - suprafata totala calculata a fiecarui element icircn parte se iau icircn considerare doar elementele care au legatura cu exteriorul [m2] ki - coeficientul global de transfer termic specific fiecarui element icircn parte [Wm2C] tint - temperatura din interiorul imobilului [degC] text - temperatura exterioara Icircn cazul podelei de utilizeaza temperatura solului șisau a pivnitei [degC]
Coeficientul global de transfer termic se calculeaza dupa formula
ki = 120783
120783
120514119842 + sum
120517119842
120524119842+
120783
120514119838119847119843=119842
[Wm2C]
Unde αi = coeficientul de transfer convectiv din interior αi = 8 Wm2C αe = coeficientul de transfer termic convective din exterior αe = 20 Wm2C λi - conductivitatea termica a stratului i pe care il aflam din fisa tehnica am materialului stratului respectiv [WmmiddotK] δi- grosimea stratului I [m]
Temperatura ce trebuie mentinuta icircn interiorul imobilului este de 22 degC
Coeficentul de convectie termica αi = 8
211 Mers de calcul pentru Q1
Q11 - flux termic pierdut prin pereti
Specificatii perete exeterior
Tencuiala δ 0025 m Grosime
Determinarea necesarului de căldură și apă caldă pentru un imobil
19
interioara λ 093 WmmiddotK Conductivitate termica
Rt 0026882 m2middotKW Rezistenta termica
Zidarie BCA δ 03 m Grosime
λ 014 WmmiddotK Conductivitate termica
Rt 2142857 m2middotKW Rezistenta termica
Tencuioala exterioara
δ 0025 m Grosime
λ 093 WmmiddotK Conductivitate termica
Rt 0026882 m2middotKW Rezistenta termica
Vata bazaltica δ 01 m Grosime
λ 0037 WmmiddotK Conductivitate termica
Rt 2702703 m2middotKW Rezistenta termica
Placa fibrocement
δ 001 m Grosime
λ 02 WmmiddotK Conductivitate termica
Rt 005 m2middotKW Rezistenta termica
Tencuiala decorativa
δ 0005 m Grosime
λ 093 WmmiddotK Conductivitate termica
Rt 0005376 m2middotKW Rezistenta termica
K11 = 1
1
120572119894+
1205751
1205821+
1205752
1205822+
1205753
1205823+
1205754
1205824+
1205755
1205825+
1205756
1205826+
1
120572119890 =
11
8 +
0025
093+
03
014+
0025
093+
01
0037+
001
02+
0005
093+
1
22
K11 = 0194943188 Wm2C
S11 = h middot lp = 3 middot 3901 = 11703 m2
h - inaltimea peretelui [m]
lp - lungimea perimetrala a peretelui [m] (din care s-au scazut suprafetele vitrate)
Δt = ti - te = 22 + 15 = 37degC
ti - temperatura interioara
te - temperatura exterior
Q11 = K11 middot S11 middot Δt = 0194943188 middot 11703 middot 37 = 8441254483 W
Perete exterior
ti 22 degC αi 8 Wm2 k
te -15 degC αe 22 Wm2 k
δ1 0025 m λ1 093 Wmk tp1 2109758812 degC
δ2 03 m λ2 014 Wmk tp2 2090352105 degC
δ3 0025 m λ3 093 Wmk tp3 5433603161 degC
δ4 01 m λ4 0037 Wmk tp4 523953609 degC
δ5 001 m λ5 02 Wmk tp5 -1427207206 degC
δ6 0005 m λ6 093 Wmk tp6 -1463303681 degC
tp7 -1467185023 degC
q 7219295 W
Determinarea necesarului de căldură și apă caldă pentru un imobil
20
Figura 28
Q12 - fluxul termic pierdut prin podea
Specificatii podea
Placa fibrocement
δ 001 m Grosime
λ 02 WmmiddotK Conductivitate termica
Rt 005 m2middotKW Rezistenta termica
Sapa δ 01 m Grosime
λ 0035 WmmiddotK Conductivitate termica
Rt 2857143 m2middotKW Rezistenta termica
Polistiren extrudat
δ 005 m Grosime
λ 0033 WmmiddotK Conductivitate termica
Rt 1515152 m2middotKW Rezistenta termica
K12 = 1
1
120572119894+
1205751
1205821+
1205752
1205822+
1205753
1205823+
1
120572119890 =
11
8 +
001
02+
01
0035 +
005
0033+
1
0
= 0219911 Wm2C
S12 - amprenta la sol a casei = 12296 m2
Δt = ti - te = 22 - 15 = 7degC
Temperature pentru podea este de 15degC
Q12 = K12 middot S12 middot Δt = 0219911 middot 12296 middot 7 = 1892818 W
Podea
ti 22 degC Αi 8 Wm2 k
te 15 degC Αe 0 Wm2 k
δ1 001 m λ1 02 Wmk tp1 2180757789 degC
Determinarea necesarului de căldură și apă caldă pentru un imobil
21
δ2 01 m λ2 0035 Wmk tp2 2173060904 degC
δ3 005 m λ3 0033 Wmk tp3 1733238927 degC
δ4 m λ4 Wmk tp4 15 degC
δ5 m λ5 Wmk tp5 degC
δ6 m λ6 Wmk tp6 degC
tp7 degC
q 1539377 W
Figura 29
Q13 - fluxul termic pierdut prin tavan
Specificatii tavan
Tencuiala δ 002 m Grosime
λ 093 WmmiddotK Conductivitate termica
Rt 0021505 m2middotKW Rezistenta termica
Placa beton armat
δ 013 m Grosime
λ 174 WmmiddotK Conductivitate termica
Rt 0074713 m2middotKW Rezistenta termica
Sapa δ 003 m Grosime
λ 026 WmmiddotK Conductivitate termica
Rt 0115385 m2middotKW Rezistenta termica
Vata bazaltica δ 015 m Grosime
λ 0037 WmmiddotK Conductivitate termica
Determinarea necesarului de căldură și apă caldă pentru un imobil
22
Rt 4054054 m2middotKW Rezistenta termica
Placa nivelanta δ 002 m Grosime
λ 026 WmmiddotK Conductivitate termica
Rt 0076923 m2middotKW Rezistenta termica
K13 = 1
1
120572119894+
1205751
1205821+
1205752
1205822+
1205753
1205823+
1205754
1205824+
1205755
1205825 +
1
120572119890 =
11
8+
002
093+
013
174+
003
026+
015
0037+
002
026+
1
22
K13 = 0219736 Wm2C
S13 = S12 = 12296 m2
Δt = ti - te = 22 + 15 = 37degC
Q13 = K13 middot S13 middot Δt = 0219736 middot 12296 middot 37 = 1000 W
Tavan
ti 22 degC αi 8 Wm2 k
te -15 degC αe 22 Wm2 k
δ1 002 m λ1 093 Wm k tp1 209751906 degC
δ2 013 m λ2 174 Wm k tp2 207988793 degC
δ3 003 m λ3 026 Wm k tp3 2018634954 degC
δ4 015 m λ4 0037 Wm k tp4 1924037163 degC
δ5 002 m λ5 026 Wm k tp5 -1399669009 degC
δ6 m λ6 Wm k tp6 -1462734204 degC
tp7 degC
q 8198475 W
Determinarea necesarului de căldură și apă caldă pentru un imobil
23
Figura 210
Q14 - fluxul temic pierdut prin suprafetele vitrate
Am ales un geam temopan cu trei randuri de sticla și cu tamplarie de lemn
K14 = 06 Wm2C
S14 = 2728 m2 suprafata ocupata de geamuri
Δt = ti - te = 22 + 15 = 37degC
Q14 = K14 middot S14 middot Δt = 06 middot 2728 middot 37 = 605616 W
Fereastra
ti 22 degC αi 8 Wmpk
te -15 degC αe 22 Wmpk
δ1 0005 m λ1 075 Wmk tp1 1992074356 degC
δ2 0018 m λ2 00177 Wmk tp2 1980984988 degC
δ3 0005 m λ3 075 Wmk tp3 2893865242 degC
δ4 0018 m λ4 00177 Wmk tp4 2782971565 degC
δ5 0005 m λ5 075 Wmk tp5 -1413301307 degC
δ6 m λ6 Wmk tp6 -1424390675 degC
tp7 degC
q 1663405 W
Determinarea necesarului de căldură și apă caldă pentru un imobil
24
Figura 211
Q1 = Q11 + Q12 + Q13 + Q14 = 8441254483 + 1892818 + 1000 + 605616
Q1 = 263871712 W
212 Mers de calcul pentru Q2
Q2 = n middot Q1
n - numarul de schimburi (07 08 1)
Q1 - fluxul de căldura pierdut prin transmisie
Q2 = 1 middot 263871712 =gt Q2 = 263871712 W
213 Mers de calcul pentru Q3
Q3 = 119898 middot119862119908 middot(119905119887minus119905119903)
120591 middot3600 [kW]
m - cantitatea de apa calda preparata [Kg]
m = n middot czn middot ρ [Kg]
ρ = 1000 Kgm3- densitatea apei [Kgm3] n = 4 - numarul de locatari =gt n
czn - consumul zilnic de persoana [l] gtgtgt czn = l middot 1000 = m3
Un consum de acm specific unui nivel de confort mediu la o temperature de 45degC vom avea un czn = 50 l de persoana
cw - căldura specifica a apei [KJKgC] =gt cw = 4186 KJKgmiddotC
tb - temperatura apei din boiler [C] =gt tb = 50degC
tr - temperatura apei de intrare [C] =gt tr = 10degC
Icircn general avem vara tr = 1217degC iar iarna tr = 5hellip10degC
120591 - timpul icircn care este incalzita apa [h] =gt 120591 = 4h
m = 4 middot (50 middot 1000) middot 1000 m = 200 Kg
Q3 = 200 ∙4186 ∙(50 ∙10)
4 ∙3600 =gt Q3 = 2325555556 W
Q = Q1 + Q2 + Q3 = 263871712 + 263871712 + 2325555556
Q = 7602989795 W =gt Q = 76 KW
Calculul necesarului de frig pentru depozit de fructe
25
3 Calculul necesarului de frig pentru depozit de fructe
31 31 Calculul grosimii izolatiilor
Regimul de funcţionare al spaţiilor frigorifice caracterizat prin valori coboracircte ale temperaturilor prin variaţia rapidă a acestora şi prin umiditatea mare a aerului icircncăperilor impune pentru izolaţiile termice ale pereţilor planşeelor şi pardoselilor condiţii deosebite Pereţii spaţiilor frigorifice despart două medii cu temperaturi diferite Fluxul de căldură ce pătrunde din exterior icircn camere care trebuie preluat de instalaţia frigorifică este direct proporţional cu diferenţa de temperatură dintre cele două feţe ale peretelui şi cu coeficientul global de transmitere a căldurii Izolarea se execută la spaţiile răcite atacirct la pereţi cacirct şi la tavan şi podea şi are ca rol icircmpiedicarea apariţiei condensului pe suprafaţa caldă a pereţilor incintelor frigorifice
Figura 31 Fig13 Variaţia de temperatură prin peretele termoizolant
Din exploatarea frigoriferelor se cunoaşte că prin icircnvelişul exterior al spaţiilor frigorifice trece icircn majoritatea cazurilor mai mult de jumătate din cantitatea totală de căldura ce pătrunde icircn icircncăperi Această cantitate de căldură se poate reduce prin majorarea grosimii stratului termoizolant Dar reducerea infiltraţiilor de căldură icircn acest tel nu se poate face nelimitat deoarece la o anumită grosime a stratului izolant adică la o anumită valoare a coeficientului k de transfer al căldurii costul construcţiei izolate va fi mai mare decacirct costul energiei ce reprezintă frigul economisit prin majorarea grosimii izolaţiei
De aceea se obişnuieşte a se folosi icircn calcule valori optime ale coeficientului k de transfer al căldurii calculacircndu-se astfel o grosime optimă a izolaţiei termice
Pentru izolarea pereţilor camerelor se vor folosi panouri tip sandwichFig15
Calculul necesarului de frig pentru depozit de fructe
26
Figura 32 Fig15 Construcţia panourilor de tip sandwich
Rolul panourilor plastifiate este de a preicircntacircmpina pătrunderea vaporilor icircn interiorul izolaţiei eliminacircnd necesitatea barierei de vapori Panourile folosesc metoda de icircmbinare nut-feder reducacircndu-se astfel transferul de căldură cu mediul extern
Deoarece avem un singur depozit vom adopta coeficienţii de transfer de căldură prin
convecţie funcţie de t
Aleg pentru t = = te - ti = 318 - 1 = 308 0C k = 023 Wm2K
Din catalogul de produse INCOLD Italia se alege poliuretan 100 mm = 0023 WmK
Tablă din oţel galvanizat plastifiat
Calculul necesarului de frig pentru depozit de fructe
27
Tabelul 317 Tabel24 Calculul grosimi izolației
ei
i
i
izizk
111
Coeficientul global de transfer de căldură se determină utilizand relaţia
eiz
iz
i
i
i
k
11
1
n
i i
i
1
- suma rezistenţelor termice ale tuturor straturilor din care este realizat
peretele[m2KW]
iz - grosimea stratului de izolaţie termică [m]
iz - conductivitatea termică a materialului izolator [WmK]
e - coeficient de convecţie pe partea exterioară a peretelui [WmK]
i - coeficient de convecţie pe partea interioară a peretelui [WmK]
32 32 Bilantul caloric al spatiului climatizat pe timp de vară Necesarul de frig pentru frigorifer
Se stabileşte consumul zilnic de frig pe icircntreg frigoriferul şi pentru fiecare icircncăpere icircn parte luacircndu-se icircn considerare cele mai nefavorabile condiţii de lucru
temperatura aerului exterior pentru luna cea mai caldă a anului
icircncărcarea maximă şi simultană a camerelor de refrigerare
Spaţiul frigorific
Perete k αi αe 1αi 1αe R 1k λiz
δiz
calc δiz
ales Kr
[Wm2K] [m2KW] [WmK] [m] [m]
N 0229 10 18 010 006 0590 4367 0023 0097 0100 023
E 0224 10 12 010 008 0618 4464 0023 0098 0100 023
DR S 0221 10 12 010 008 0618 4525 0023 0100 0100 023
V 0223 10 12 010 008 0618 4484 0023 0099 0100 023
T 0221 10 12 010 008 0618 4525 0023 0100 0100 023
P 0228 10 0 000 000 0435 4386 0023 0000 0100 023
N 0221 25 12 004 008 0558 4525 0023 0101 0100 023
E 0224 25 12 004 008 0558 4464 0023 0100 0100 023
CP S 0224 25 12 004 008 0558 4464 0023 0100 0100 023
V 0223 25 12 004 008 0558 4484 0023 0100 0100 023
T 0221 25 12 004 008 0558 4525 0023 0101 0100 023
P 0228 25 0 000 000 0435 4386 0023 0000 0100 023
Calculul necesarului de frig pentru depozit de fructe
28
camerele vecine celei căreia i se face calculul necesarului de frig sunt goale şi au temperatura vestibulului sau a sasului
Aceste calcule determină necesarul de frig pe categorii de consumatori grupaţi după temperatura cerută şi permit stabilirea puterilor frigorifice icircn vederea proiectării instalaţiei
Pentru calculele termice sunt necesare următoarele
planul frigoriferului care a fost stabilit
dimensiunile camerelor
temperaturile necesare icircn fiecare cameră
Se consideră
1degC icircn depozitele de refrigerate
orientarea frigoriferului după punctele cardinale
condiţii climatice icircn lunile cele mai călduroase pentru zona geografică respectivă
Consumul de frig se calculează pentru 24 ore cu relaţia
Qnec = Q1 + Q2 + Q3 + Q4 [kcal24h]
Q1 - neeesarul de frig pentru acoperirea pătrunderilor de căldură prin cenvecţie
conducţie şi radiaţie din mediul icircnconjurător prin pereţi pardosea și plafon
Q2 - necesarul de frig tehnologic pentru procesele de răcire refrigerere şi
congelare eliminarea căldurii de respiraţie seu pentru unele procese chimice şi
biochimice
Q3 - necesarul de frig pentru ventilarea camerelor frigorifice cu aer proaspat care
trebuie racit şi uscat
Q4 - necesarul de frig rezulticircnd din condiţii de exploatare acoperirea căldurii
provenite din iluminat din funcţionarea motoarelor căldura provenită de la persoanele ce
manipulează produsele datorită deschiderii uşilor etc
321 Consumul de frig Q1
Se determină pentru fiecare spaţiu icircn parte cu relaţia
RttkFQ1 [ W ]
F - reprezintă suprafaţa pereţilor a pardoselei şi a plafonului corespunzător fiecărui
spaţiu frigorific icircn parte icircn m2 Ca suprafaţă de transfer se va considera suprafaţa
exterioară a perimetrului izolat termic
k - reprezintă coeficientul global de transmitere a căldurii prin convecţie conducţie şi radiaţie
prin pereţi plafon şi pardoseală (toate izolate termic) icircn [W(m2 middot grd)] Valoarea coeficientului k a
fost calculată icircn tabelul 24 (kr)
Δt - reprezintă diferenţa de temperaturi dintre temperatura exterioară suprafeţei de
transfer termic considerată şi temperatura interioară spaţiului frigorific
Calculul necesarului de frig pentru depozit de fructe
29
Diferenţa de temperatură ΔtR se ia icircn consideraţie numai la pereţii exteriori şi la
plafoane care sunt şi acoperiş pentru clădire
ΔtR = 0degC pentru pereţi exteriori orientaţi spre N
ΔtR = (5 10)degC pentru pereţi exteriori orientaţi spre E V S-E S-V
ΔtR = 15 degC pentru pereţi exteriori orientaţi spre S
ΔtR = (15 18)degC pentru plafoane care sunt şi acoperiş (terasă)
Calculul valorilor mărimii sumQ1 se recomandă a se efectua tabelar conform tabelului 25
Valoarea mărimii sum Q1 la aparate se obţine prin icircnsumarea fluxurilor termice prin toate cele 6 suprafeţe delimitatoare
La stabilirea valorii mărimii sum Q1 se consideră doar unul dintre fluxurile termice prin suprafeţele ce separă spaţiile frigorifice vecine Pentru aparatele de răcire din spaţiile frigorifice se consideră situaţia cea mai grea pentru fiecare spaţiu icircn parte respectiv că spaţiile vecine nu sunt răcite
Spaţiul frigorifi
c
Perete
Dimensiuni
Supraf F
[m2]
Kr [Wm2K]
Δt [grd]
Δtr
Q1 [W] sumQ1 q a [m]
b [m]
N 15 4 60 023 308 42504
246068
708
E 7 4 28 023 308 8 24987 892
DR S 15 4 60 023 185 15 46202 770
V 7 4 28 023 308 19835 708
T 15 7 105 023 308 74382 708
P 15 7 105 023 158 38157 363
N 7 4 28 023 185 11914
133566
426
E 7 4 28 023 268 8 22411 800
CP S 7 4 28 023 268 15 26919 961
V 7 4 28 023 185 11914 426
T 7 7 49 023 268 30204 616
P 7 7 49 023 268 30204 616
Tabelul 318 Tebel25 Calculul valorilor mărimii Q1
322 Necesarul de frig Q2
sum Q2 - necesarul de frig tehnologic pentru procesele de răcire refrigerare şi
congelare
Q2d = mcp(tc-ti)=500003644 = 4186000(243600)= 842 kW
Q2c = 2600036419 = 1798160 = 208 KW
Q2 = 208 + 842 = 293 = 30kW
unde
Q2d - necesarul de frig tehnologic depozit
Q2c - necesarul de frig tehnologic camera de preracire
Calculul necesarului de frig pentru depozit de fructe
30
m - cantitatea de produse introduse icircn tunelul de congelare icircn kg
te ti - temperaturi specifice corespunzătoare temperaturii iniţiale a produsului cald
(24 ordmC) respectiv temperaturii finale a produsului refrigerat (1 ordmC)
Căldura specfifică mere cp = 364 [kJkgK]
323 Necesarul de frig Q3
Icircn funcţie de natura produselor din spaţiul frigorific este necesar uneori să se realizeze ventilarea spaţiului prin asigurarea unui anumit număr de schimburi ale aerului din incintă icircn 24h Ca exemplu icircntotdeauna va fi necesară ventilarea prin introducere de aer proaspăt icircn spaţiile de păstrare pentru legume fructe şi ouă refrigerate Aceste produse vii respiră icircn timpul păstrării şi necesită icircn consecinţă ventilarea spaţiilor de păstrare
Acest consum de frig se ia icircn considerare doar la depozitele de refrigerare care se ventilează Se stabilește cu relația
Q3 = V ∙ a ∙ ᵖi ∙ (hex - hi) [kJ24]
V - volumul camerelor ventilateicircn m3
a = 24 schimburi pe zi pentru depozitele de mere
ᵖi - reprezintă densitatea aerului la temperature interioară icircn kgm3
Pentru depozitele de refrigerare considerăm umiditatea relativă ᵠi = 95 și ti=1 ordmC
rezultacircnd icircn acest caz hi= 9 kJkg
Parametri aerului exterior pentru zona icircn care este amplasat depozitul sunt temp ex 318
și umiditatea ext 60 rezultand din diagram mollier entalpia aerului Calcul facut icircn
programul Coolpack
ρi = 12 kgm3
hex = 7519 kJkg
Q3 = 616 2 12 (7519 - 9) (243600)= 00025 kW
324 Necesarul de frig Q4
Q4 - frigul consumat pentru acoperirea pierderilor icircn timpul exploatarii datorat deschiderii
usilor a corpurilor de iluminat a motoarelor electrice a oamenilor Se admite Q4 =
(01hellip04)Q1
Q4 = 02 379617 = 759234 = 008 kW
Qtotal = sum 119824120783 + Q2 + Q3 + Q4 = 004 + 30 + 000025 + 008 = 3012 = 31 kW
33 33 Stabilirea directiei raportului de termoumiditate și trasarea procesului de conditionare a aerului pe diagrama i-X pe timp de vară
Icircn fig16 este reprezentat un agregat pentru condiţionarea aerului pe timp de vară cu recirculare parţială
Calculul necesarului de frig pentru depozit de fructe
31
Figura 33 Figura16 Schema aparatului de condiţionare a aerului pe timp de vară cu recirculare parţială
F - filtru V - vaporizator C - compressor K - condensator VL - ventil de laminare I - icircncălzitor Vt - ventilator
Procesele de lucru pot fi reprezentate icircn diagrama h-x ca icircn figura următore
Figura 34 Fig17
A reprezintă starea aerului recirculat provenit din spaţiul condiţionat iar E este starea aerului exterior
Aerul tratat icircn aparatul de condiţionare care se introduce icircn incintă avacircnd starea B
trebuie să preia degajările de căldură Qv [kW] şi de umiditate Wv [kgs]
Direcţia procesului suferit de aer icircn incintă este dată de raportul de termoumidificare εv
= Qv Wv
Prin punctul A se trasează dreapta avacircnd raportul de termoumidificare εv iar punctul B se fixează pe această dreaptă adoptacircndu-se o anumită diferenţă de temperatură faţă de starea A
Aerul recirculat A se amestecă cu aerul proaspăt E şi rezultă starea de amestec M De regulă xM gt xB deci aerul va trebui să fie uscat
Pe verticala din B se fixează starea D avacircnd xD= xB şi ᵩD = 90hellip98
Calculul necesarului de frig pentru depozit de fructe
32
Se uneşte M cu D iar apoi se prelungeşte acest segment pacircnă la intersecţia cu ϕ = 100 rezultacircnd starea P avacircnd temperatura tp
Circulacircnd aerul cu starea M peste o suprafaţă rece avacircnd temperatura tp se va obţine procesul de răcire şi uscare MD
Temperatura suprafeţei tp se asigură cu o instalaţie frigorifică a cărei temperature de vaporizare va fi t0 lt tp
Ultimul proces din aparatul de condiţionare va fi icircncălzirea finală DB
Calculul agregatului de condiţionare a aerului pe timp de vară se efectuează asemănător cu cel a agregatului de condiţionare a aerului pe timp de iarnă cu observaţia că pe timp de vară nu este necesară umidificarea
331 Date
Vtotal = 616 m3 tint = 1ᵒC tex = 318 φint = 90 φext = 60 ρaer = 12 [kgm3]
Starea A
tA = ti + 3 = 4deg xA = 00043[kj
kg] φA = 86 hA = 1489[
kj
kg]
Starea B
tB = 1degC xB = 00036 [kj
kg] φB = 90 hB = 1024[
kj
kg]
Starea E
tE = 318degC xE = 00171[kj
kg] φE = 60 hE = 7519[
kj
kg]
Starea M
hM =hE + n ∙ hA
n + 1=
7513 + 20 ∙ 1489
21= 1775[
kj
kg]
xM =xE + n ∙ xA
n + 1=
00171 + 20 ∙ 00043
21= 00049[
kj
kg]
Rezulta din diagrama Mollier
Starea D
hD = 108 [kj
kg] xD = 0003[
kj
kg] φD = 97
Raportul de recirculare n = 20
Debitul de aer ventilat V =Vtotal∙20
24h=
616lowast20
24= 513 [m3h]
Debitul masic m = V ∙ ρaer = 513 lowast 12 =
6156[kg
h]
3600= 0171 [kgs]
tp = minus3degC t0 = tp minus 9degC = minus3 minus 9 = minus12degC
Puterea termica a vaporizatorului ( puterea frigorifică )
ФV = Ф0
Puterea termica a icircncalzitorului
ФI = 119898 ∙ (hB - hD)
Cantitatea de apa condensată icircn unitatea de timp pe suprafața de racire este
Calculul necesarului de frig pentru depozit de fructe
33
ẆV = 119898 ∙ (XM - XD)
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
34
4 Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
Există două domenii principale icircn care se utilizează frigul artificial icircn lucrările de construcţii şi anume
icircngheţarea terenurilor acvifere icircn vederea săpării puţurilor de mină a barajelor a depozitelor de gaze lichefiate etc
prerăcirea componentelor betonului icircn cazul executării unor masive de beton ca de exemplu baraje
41 51 IcircNGHEŢAREA SOLULUI
411 511 CONSIDERAŢII GENERALE PRIVIND IcircNGHEŢAREA SOLULUI
Icircngheţarea artificială a solului reprezintă una dintre cele mai interesante şi icircn acelaşi timp şi importante aplicaţii practice a frigului artificial Totodată este una dintre primele aplicaţii industriale a tehnicii frigului şi care a asigurat o dezvoltare deosebită a industriei extractive Aşa se explică faptul că odată apărută maşina frigorifică cu absorbţie realizată icircn 1859 de către Ferdinand Carre este folosită la săparea primului puţ de mină prin icircngheţarea artificială a rocilor Dar nu numai industria minieră foloseşte icircn ultimul secol procedeul consolidării rocilor la săpararea unor lucrări subterane Lucrări inginereşti de tot genul ca metrouri staţii subterane de pompare rezervoare de gaze lichefiate poduri lucrări portuare şi altele asemănătoare amplasate icircn zone acvifere au fost realizate prin metoda consolidării prin frig a rocilor
Această metodă a consolidării rocilor prin frig artificial realizează icircn jurul lucrării inginereşti subterane un perete icircngheţat protector pe durata lucrărilor de construcţii Acest perete asigură o izolare hidraulică şi icircn acelaşi timp şi o protecţie mecanică Rezistenţa mecanică a rocilor creşte pe măsură ce temperatura lor scade icircncacirct metoda expusă mai sus prezintă avantajul reglării capacităţii portante a peretelui icircngheţat
Apa conţinută icircn terenuri prin icircngheţare capătă proprietăţile cimentului exprimate prin forţele de coeziune mari care apar icircntre cristalele de gheaţă şi grăunţii de rocă
Pentru obţinerea peretelui protector se folosesc sonde de icircngheţare forate pe conturul lucrării subterane şi prin care circulă agentul de răcire care poate fi un agent intermediar ca de exemplu saramura de clorură de calciu sau agentul frigorific de exemplu amoniacul Icircn funcţie de grosimea peretelui şi de rezistenţa mecanică pe care trebuie să o aibă se va alege temperatura agentului de răcire distanţa dintre sonde şi durata de icircngheţare
Instalaţia de consolidare prin frig a rocilor cuprinde trei părţi principale staţia frigorifică reţeaua de distribuţie a agentului de răcire (saramura) şi sondele de icircngheţare a solului
Staţia frigorifică cuprinde instalaţia frigorifică propriu-zisă cu comprimare mecanică de vapori sau prin absorbţie icircntr-o treaptă sau icircn două trepte Icircn funcţie de condiţiile de amplasament ale obiectivului staţia frigorifică poate fi de construcţie staţionară (icircn minerit) sau mobilă (la metrouri)
Reţeaua de distribuţie alcătuită din conducte metalice sau din mase plastice are rolul de a face legătura icircntre staţia frigorifică şi sondele de icircngheţare Pentru reducerea pierderilor de frig reţeaua de distribuţie se izolează termic
Sondele de icircngheţare constituie schimbătorul de căldură subteran prin care se extrage căldura de la terenul supus icircngheţării Icircn fig 51 se prezintă schiţa unei sonde de icircngheţare cu ajutorul saramurii Saramura rece cu temperatura icircntre -10 ordmC pacircnă la -35 ordmC
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
35
coboară prin ţeava interioară şi apoi se icircntoarce prin spaţiul inelar dintre cele două conducte concentrice
Figura 41 Fig 51 Sonda de icircngheţare 1 - şiu (tub scurt de oţel cu pereţi groşi rezistent) 2 - ţeava interioară 3 - ţeava exterioară (burlan de
icircngheţare) 4 - capul sondei
Circulaţia continuă a saramurii prin sonda de icircngheţare face ca rocile ce icircnconjoară sondele inclusiv apa conţinută icircn spaţiile libere să se răcească treptat Icircn jurul sondei icircncepe să se formeze stratul de rocă icircngheţată diametrul cilindrului de teren icircngheţat se măreşte icircn timp Aşa cum s-a arătat icircn capitolul 3 rezultă că dezvoltarea radială a cilindrului de rocă icircngheţată icircn jurul sondei se desfăşoară cu o viteza variabilă de icircnaintare la icircnceput viteza de icircnaintare a frontului de gheaţă este mai mare după care scade icircn timp Apoi se atinge stadiul staţionar de transfer de căldură cacircnd cilindrul nu mai creşte icircn dimensiuni Reiese că distanţa dintre sondele de icircngheţare este determinată de raza maximă a cilindrului de teren icircngheţat Pentru a realiza peretele icircngheţat care să reziste la solicitările la care este supus se impune ca distanţa dintre sondele vecine să fie mai mică decacirct raza maximă a terenului icircngheţat astfel icircncacirct cilindrii formaţi să se unească icircntre ei Icircn fig 52 se prezintă evoluţia icircn timp a icircngheţării terenului icircn jurul sondelor Icircn faza iniţială a icircnceput răcirea dar icircncă nu s-a format teren icircngheţat Icircn faza a II-a (după circa 20 zile) icircn jurul fiecărei sonde se formează cacircte un cilindru de teren icircngheţat fără ca aceştia să se unească Icircn faza a III-a (după circa 30 zile) cilindrii se icircntretaie şi formează peretele protector
Figura 42 Fig 52 Evoluţia cilindrilor individuali de rocă icircngheţată 1 - sonda de icircngheţare 2 - sonda de măsurători termice 3 - teren icircngheţat
Această evoluţie poate fi urmărită cu suficientă precizie prin măsurarea temperaturii masivului cu ajutorul unor sonde de măsurători termice 2 montate la distanţe bine stabilite de sondele vecine de icircngheţare Astfel icircn faza I-a temperatura este cea iniţială deci neafectată de prezenţa sondelor icircn faza a II-a temperatura este mai scăzută dar mai mare de 0 ordmC Cum icircn practică sondele de icircngheţare au o abatere de la poziţia verticală (sau de la cea impusă prin proiect) sondele de măsurători termice sunt prevăzute icircntre sondele
I II III
1
2 2 2
3 3
SARAMURĂ CALDĂ
IEŞIRE
INTRARE SARAMURĂ A E RECE
1
2
3
4
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
36
cele mai distanţate icircntre ele acolo unde evoluţia peretelui de protecţie este cea mai defavorabilă
Primele realizări inginereşti de consolidare prin frig artificial a terenurilor acvifere metodă prin care vor fi aduse la lumină multe bogăţii subterane sunt legate de numele inginerului de mine şi metalurgie Friederich Herman Poetsch El a obţinut icircn 27 februarie 1883 brevetul pentru procedeul său de adacircncire a puţurilor verticale icircn roci bogate icircn apă (şi curgătoare) Poetsch a reuşit să experimenteze procedeul său la adacircncirea unor puţuri de mină dar a avut şi multe insuccese icircncacirct la 9 iunie 1902 moare sărac şi dezamăgit Metoda de icircngheţare prin frig artificial a terenurilor a avut mare succes icircn Franţa Astfel numai icircn perioada 1892 - 1898 icircn bazinele carbonifere Nord şi Pas de Calais s-au săpat circa 20 puţuri pacircnă la o adacircncime de 100 m prin aplicarea metodei icircngheţării după planurile lui Poetsch
Desigur că nu ar putea fi omis numele lui Louis Gebhard care realizează numeroase lucrări de adacircncire a puţurilor prin icircngheţare atacirct icircn Germania cacirct şi icircn Franţa Anglia Olanda şi Polonia ceea ce face ca metoda propusă de Poetch să devină o tehnologie demnă de toată icircncrederea cu siguranţă absolută şi cu un mare randament
Gebhard un mare practician icircncepe sa folosească icircn locul instalaţiilor cu absorbţie realizate de F Carre pe cu cele cu comprimare mecanică de vapori realizate de Karl von Linde cu icircncepere din anul 1874
Poetsch icircn 1888 prevede extinderea procedeului de icircngheţare la construcţia podurilor la construcţii navale lucrări de fortificaţii la protecţia fundaţiilor subterane şi a bazinelor cu apă El susţine că poate să rezolve orice problemă sub apă chiar şi puţuri icircncepute şi abandonate
Icircn anul 1900 se depăşeşte bariera adacircncimii de 100 m Realizarea unor puţuri mai adacircnci (peste 100 m) ridică unele probleme icircn plus faţă de puţurile de mai mică adacircncime deoarece abaterile de la verticalitate pot conduce la formarea unor ferestre icircn peretele protector
Icircn ţara noastră această tehnologie de forare a unor puţuri de mină cacirct şi a galeriilor de metrou prin icircngheţarea solului a fost folosită cu icircncepere din anul 1961 aşa cum se prezintă icircn paragraful 513
412 512 CONSTRUCŢIA INSTALAŢIEI DE IcircNGHEŢARE A SOLULUI
Icircn funcţie de forma şi mărimea lucrării care se realizează la adăpostul terenului icircngheţat principial se pot utiliza următoarele tipuri de instalaţii
a) cu răcire indirectă denumită şi cu dublu schimb (fig53)
b)cu răcire directă icircn circuit icircnchis (fig 54)
c)răcire directă icircn circuit deschis (fig55)
a) Răcirea indirectă se utilizează icircn practică cel mai mult fiind cunoscută icircncă de la icircnceputurile metodei de icircngheţare a solului
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
37
Figura 43 Fig 53 Instalaţia frigorifică cu răcire indirectă 1 - compresor 2 - condensator3 - ventil de laminare 4 - vaporizator 5 - bazin de răcire a saramurii 6
- agitator 7 - pompă de saramură 8 - sonde de icircngheţare
Ca agent frigorific se poate folosi amoniacul sau freonii iar ca agent intermediar se utilizează soluţiile de clorură de calciu clorura de sodiu sau magneziu sărurile respective fiind relativ uşor de procurat
Instalaţiile frigorifice cuprind unul sau mai multe blocuri frigorifice Acest mod de compunere prezintă avantaje icircn ceea ce priveşte montarea cacirct şi exploatarea instalaţiilor se poate asigura o reducere icircn trepte a puterii frigorifice pe măsură ce creşte rezistenţa termică a stratului de teren icircngheţat
Componentele principale ale instalaţiei frigorifice se montează grupat pe cele trei secţiuni secţia de compresoare secţia condensatoarelor şi secţia vaporizatoarelor De regulă compresoarele se montează fie icircn aer liber atunci cacircnd tipul lor permite fie acoperite sub şarpante protectoare
Pe măsură ce se scot din funcţiune blocurile frigorifice se demontează şi se pot monta la un nou obiectiv
b) Răcirea directă icircn circuit icircnchis (fig 54) se utilizează icircn cazul icircn care adacircncimea de icircngheţare este mică
Figura 44 Fig 54 Instalaţia frigorifică cu răcire directă icircn circuit icircnchis 1 - compresor 2 - condensator 3 - ventil de laminare 4 - sonde de icircngheţare
Sondele de icircngheţare constituie vaporizatorul instalaţiei frigorifice Icircn cazul unor sonde de lungime mare icircnălţimea coloanei de agent frigorific este de asemenea mare Ca urmare a presiunii hidrostatice variabile şi temperatura de vaporizare este variabilă fiind mai mare
1
2
1111111 Apă
3
4
1
2
Apă 3
4
5
6
7
8
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
38
la capătul inferior şi mai mică la capătul superior Din acest motiv adacircncimea sondelor de icircngheţare nu poate depăşi anumite limite şi icircn plus se recurge la fragmentarea coloanei de lichid cu ajutorul unor pereţi despărţitori
Pierderile de agent frigorific mai mari decacirct icircn cazul răcirii indirecte reprezintă un alt inconvenient al acestui mod de răcire
c) Răcirea directă icircn circuit deschis constă icircn introducerea agentului frigorific (cel mai frecvent azot lichid) icircn sondele de icircngheţare fără ca acesta să mai fie folosit după vaporizare
La presiunea atmosferică azotul lichid fierbe la temperatura de -196 ordmC icircncacirct vaporii reci de azot icircnainte de a fi evacuaţi se folosesc de asemenea pentru congelarea solului fiind circulaţi prin sonde de icircngheţare (Fig 55)
Figura 45 Fig 55 Icircngheţarea cu azot lichid icircn două trepte 1 - ventil de laminare 2 - sonda de icircngheţare 3 - sonda de icircngheţare cu vapori de azot
Această metodă se foloseşte cacircnd se urmăreşte o icircngheţare rapidă şi volumul de teren icircngheţat este redus
Se vor prezenta icircn continuare unele elemente constructive ale instalaţiilor de icircngheţare
Reţeaua de saramură (fig 56) are rolul de a asigura transferul de căldură de la sol către agentul frigorific Cuprinde două schimbătoare de căldură cel subteran alcătuit din sondele de icircngheţare şi cel de suprafaţă reprezentat de vaporizatorul imersat icircn saramură Icircntre cele două schimbătoare de căldură există conducte magistrale distribuitoare - colectoare şi racorduri la sonde
Saramura răcită prin intermediul vaporizatorului 1 este circulată cu pompa 2 prin magistrala de tur a reţelei 3 Sondele de icircngheţare 5 se leagă prin vane la distribuitorul 4 şi colectorul 6 ambele de construcţie inelară Printr-o asemenea construcţie şi mod de legare a sondelor prezentate icircn figura 56 se asigură o echilibrare a căderilor de presiune pe sondele de icircngheţare şi ca urmare o alimentare uniformă cu agent intermediar şi deci şi o răcire uniformă pentru toate sondele
1
2
AZOT LICHID
VAPORI
AZOT -40OC
3
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
39
Figura 46 Fig 56 Schema reţelei de saramură 1- vaporizatorul 2 - pompa de saramură 3 - magistrala de tur 4 - distribuitorul inelar 5 -sondele de
icircngheţare 6 - colectorul inelar 7 - magistrale de retur M - manometru D - debitmetru T - termometru
Magistralele 3 şi 7 de acelaşi diametru şi lungime variabilă (determinată de o serie de factori) se pot monta atacirct la suprafaţă cacirct şi icircn canal
Magistralele se dimensionează icircn funcţie de puterea frigorifică a schimbătorului de căldură subteran alcătuit din sondele de icircngheţare
F0 qNHd [W] (51)
unde d - diametrul exterior al sondei de icircngheţare m
H - adacircncimea de icircngheţare m
N - numărul de sonde de icircngheţare
qF - densitatea fluxului termic raportat la suprafaţa exterioară a sondei La temperatura saramurii de - 20 ordmC se poate considera qF = (260290) Wm2
Debitul volumic V de agent intermediar icircn reţeaua de icircngheţare icircn funcţie de care se aleg
pompele se determină cu relaţia
tc
V o
(52)
icircn care este densitatea agentului intermediar kgm3
c - căldura specifică a agentului intermediar JkgK
t - creşterea temperaturii agentului (saramura) icircn sondele de icircngheţare K
La icircnceputul perioadei de răcire diferenţa de temperatură este t = 56 K ca apoi să scadă la 12 K
Icircn conductele magistrale se recomandă ca viteza saramurii să fie w = 0915ms
Icircn acest caz diametrul conductelor de transport a saramurii este dat de relaţia
w
V4D
[m] (53)
Icircn funcţie de valoarea determinată pentru D se aleg conducte metalice de diametru nominal cuprins icircntre 75200 mm Dacă rezultă D gt 200 mm se vor alege două conducte cu diametrul mai mic de 200 mm
2
T
T
M
M D
D
NH
3
3
4
6
5
7
1
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
40
Conductele magistrale se realizează prin icircmbinări cu flanşe sau sudate iar la lungimi mai mari de 100150 m se vor prevedea coturi compensatoare Pentru reducerea pierderilor de frig magistralele vor fi izolate termic
Distribuitorul de saramură răcită şi colectorul de saramură de la sonde sunt construcţii metalice identice
Icircn figura 57 se prezintă modul de racordare a sondelor de icircngheţare 5 la distribuitorul 1 şi colectorul 2 Vanele 3 asigură icircnchiderea deci oprirea circulaţiei şi reglajul debitului Prin aceste vane se poate izola o anumită sondă care nu funcţionează normal sau la care se observă o anumită defecţiune
Figura 47 Fig 57 Racordarea sondelor de icircngheţare la distribuitor şi colector 1 - distribuitor 2 - colector 3 - vane 4 - racord elastic 5 - sonda de icircngheţare
Poziţia distribuitorului şi colectorului faţă de racircndul sondelor de icircngheţare poate fi laterală de o singură parte sau laterală de ambele părţi ale sondelor Amplasamentul trebuie astfel făcut icircncacirct să fie posibilă vizitarea supravegherea şi eventual icircnlocuirea sondelor de icircngheţare
Racordarea sondelor la distribuitor şi colector se face prin cacircte un racord elastic (fig 57) Dimensionarea distribuitoarelor şi a colectoarelor se face din condiţia ca viteza saramurii să nu depăşească 0915 ms
Coloanele de distribuţie şi colectare urmăresc icircn teren forma şirului de sonde de icircngheţare şi pot avea acelaşi traseu sau trasee diferite Configuraţia traseului poate fi icircn linie sau circulară Icircn oricare din situaţiile prezentate distanţele dintre ştuţurile de racord şi sondele de icircngheţare sunt variabile astfel icircncacirct racordurile rigide prin flanşe şi sudură sunt greu de realizat Cea mai practică soluţie de racord icircn acest caz este furtunul de cauciuc (fig 57)
Icircn reţeaua de saramură poate pătrunde aer prin procesul de pompare ceea ce conduce la intensificarea acţiunii corosive a saramurii Icircn scopul icircndepărtării aerului nedorit pe partea superioară a conductelor icircn punctele cele mai ridicate ale acestora se montează robineţi de evacuare periodică a aerului şi eventual a altor gaze
Pe conductele magistrale se vor monta aparate de măsură şi control debitmetre termometre şi manometre (fig 56) Icircn acest caz se poate aprecia funcţionarea fiecărei sonde după depunerile exterioare de gheaţă pe racordul metalic sau de cauciuc lăsate neizolate termic tocmai icircn acest scop Icircn scopul urmăririi regimului de lucru sub aspect
5
4
1
2 3
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
41
hidraulic şi termic icircn mod individual se pot monta aparate de măsură şi control pe fiecare sondă de icircngheţare dar această soluţie este mai costisitoare
Sonda de icircngheţare realizează transferul de căldură de la terenul ce urmează a fi icircngheţat spre agentul frigorific (la răcirea directă) sau agentul intermediar (la răcirea indirectă)
Icircn figura 51 s-a prezentat schema de principiu a unei sonde de icircngheţare cu saramură activă pe toată lungimea Conducta exterioară sau burlanul de icircngheţare 3 este o conductă din oţel etanşă şi rezistentă la eforturile mecanice care apar datorită presiunii solului şi variaţiei de temperatură icircntre momentul fixării ei icircn sol şi cel al funcţionării la o temperatura sub 00C
Icircn procesul de icircngheţare coloana de burlane care poate atinge lungimi de sute de metri se contractă icircnsă nu liber deoarece ea este stracircnsă icircn masivul de roci La o variaţie de temperatură icircntre momentul iniţial (fără saramură) şi momentul pornirii circulaţiei de saramură de 400C conducta din oţel de 500 m adacircncime ar trebui să se contracte cu
tHH = 500 11 10-6 40 = 0220 m = 22 cm
Datorită fixării coloanei icircn gaura forată efortul unitar de icircntindere ce apare icircn urma scăderii temperaturii este
tE = 22 1010 11 10-10 40 = 968 105 Nm2 = 9680 Ncm2
La acest efort de icircntindere apărut datorită contracţiei coloanei se mai adaugă efortul de acelaşi semn provocat de dilatarea masivului de rocă acviferă icircngheţată Icircn scopul compensării eforturilor de icircntindere s-a propus icircmbinarea coloanei cu nipluri elastice O asemenea soluţie este mai scumpă şi icircn plus micşorează secţiunea liberă de curgere ceea ce conduce la icircncălzirea excedentară a saramurii
La lucrări subterane de mare adacircncime ca puţurile de mină depozite subterane se folosesc burlane de 1397 x 7 mm pentru a fi posibilă determinarea abaterii de la poziţie verticală
La tunelurile de metrou şi icircn general la lucrările la care adacircncimea de icircngheţare nu depăşeşte 50 - 60 m diametrul cel mai frecvent utilizat este 1143 x 7 mm
Ţeava interioară 2 (fig 51) numită şi tub de alimentare de regulă ţeava uşoară de instalaţii de 50 mm diametrul se introduce icircn burlanul exterior 3 fără icircnsă a atinge şiul de bază 1 al sondei Se asigură icircn acest mod un volum minimal de depuneri solide care circulă cu saramura icircn mod incidental Icircn scopul economisirii de metal tubul de alimentare poate fi din material plastic ceea ce prezintă marele avantaj al lipsei coroziunii şi al refolosirii materialului respectiv
Şiul de fund are rolul de a asigura icircnchiderea burlanului exterior icircn partea sa inferioară Cel mai adesea are formă conică pentru a asigura introducerea cu uşurinţă a coloanei metalice icircn gaura de sondă Această componentă a sondei de icircngheţare se execută fie prin turnare sau se confecţionează cu ajutorul sudurii
Corespunzător profilului geologic al terenului icircn care se lucrează se icircntacirclnesc şi cazuri cacircnd nu este nevoie să se icircngheţe terenul pe toată icircnălţimea sondelor ci numai la partea lor inferioară Icircn acest caz se folosesc sonde de icircngheţare zonală (fig 58) cu ajutorul cărora se asigură congelarea doar a zonei inferioare ceea ce prezintă avantaje economice deosebite nu se consumă energie pentru a icircngheţa icircn mod inutil formaţiuni geologice consistente şi uscate şi nu se reduce ritmul lucrărilor de săpare printr-o eventuală mărire a rezistenţei rocilor
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
42
Figura 48 Fig 58 Sonda de icircngheţare zonală
1 - burlan exterior 2 - tub de alimentare 3 - şiu 4 - tub de evacuare
Figura 49 Fig59 - Sonda de icircngheţare cu agent
frigorific 1 - tub exterior 2 - perete despărţitor 3 - şiu 4 -
ştuţ (ţeavă de preaplin) 5 - condensator - vaporizator
Icircn cazul răcirii directe sondele de icircngheţare cu agent frigorific sunt de construcţie specială (fig 59) Particularitatea acestor sonde este prezenţa pereţilor despărţitori 2 dispuşi unul sub celălalt la circa 3 m fiecare perete fiind prevăzut cu un ştuţ de preaplin O asemenea construcţie are rolul de a fracţiona coloane de lichid ceea ce asigură o răcire mai uniformă pe lungimea sondei
Fiecare sondă este prevăzută la partea superioară cu cacircte o cămaşă de răcire Sondele se umplu cu amoniac lichid icircntr-o asemenea cantitate icircncacirct fiecare secţie să fie icircnecată cu lichid respectiv pacircnă la partea superioară a ştuţurilor 4 Ca urmare a fluxurilor de căldură de la sol se produce fierberea amoniacului icircn toate secţiile sondei Vaporii formaţi se ridică prin ştuţurile 4 şi ajungacircnd la partea superioară a sondei se condensează cedacircnd căldură agentului (amoniac) din cămăşile de răcire
Ca urmare cămăşile de răcire de la partea superioară a sondelor constituie vaporizatorul instalaţiei frigorifice Amoniacul care se condensează la partea superioară a sondei curge icircnapoi (de sus icircn jos) prin ştuţurile 4 Folosirea pereţilor despărţitori şi a ştuţurilor micşorează influenţa presiunii hidrostatice a lichidului asupra temperaturii de vaporizare a amoniacului Asemenea sonde de icircngheţare se folosesc pentru lucrări de mică adacircncime
Amplasarea sondelor se face icircn funcţie de o serie de factori formă poziţia şi dimensiunile lucrării care se realizează structura terenului temperatura şi viteza agentului etc
Icircn cazul puţurilor de mină de secţiune circulară sondele se amplasează pe un cerc
concentric de diametru D mai mare decacirct diametrul de săpare Ds cu grosimea a peretelui icircngheţat
sDD (54)
Trebuie să se ţină seama şi de deviaţia sondelor de la poziţia verticală icircncacirct pentru adacircncimi mari se utilizează relaţia
3
2 4
1
VAPORI 5 LICHID
3
2
4 1
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
43
a21DD s (55)
unde a = 003 H este abaterea medie statistică de la verticală a sondelor
Distanţa dintre sonde se ia de obicei de 1014 m icircn terenuri rezistente şi de 0809 m icircn terenuri slabe
Pentru adacircncimi de peste 500 m se recomandă să se dispună sondele pe două cercuri concentrice pentru a se forma un perete de grosime mai mare şi deci mai rezistent
La icircngheţarea terenului icircn jurul puţurilor de secţiune dreptunghiulară sondele se pot dispune pe dreptunghi sau elipsă Icircn aceste situaţii centura de teren icircngheţat poate fi solicitată la icircntindere ceea ce este de nedorit deoarece limita de rezistenţa la icircntindere a terenurilor icircngheţate este de circa 3 ori mai mică decacirct limita rezistenţei la compresiune Din acest motiv chiar şi la puţurile de mină de secţiune dreptunghiulară sondele se dispun pe unul sau două cercuri (fig 510)
Pentru realizarea galeriilor icircnclinate icircngheţarea terenului se realizează cu sonde verticale (fig 511) sau combinat atacirct cu sonde verticale cacirct şi cu sonde icircnclinate (fig 512)
Distanţa dintre sondele verticale (fig 511) se ia de 23 m iar distanţa dintre racircnduri este de 1525 m
Se poate folosi cacircte un racircnd de sonde icircnclinate montate deasupra galeriei (fig 212 a) sau sonde icircnclinate sub galerie şi sonde verticale scurte deasupra galeriei (fig 512 b)
SONDA
154 m
16
6 m
226
262
85
SONDA
Figura 411 Fig 511 Amplasarea sondelor verticale pentru realizarea galeriei icircnclinate
Figura 411 Fig 510 Dispunerea sondelor icircn jurul puţurilor de mină de secţiune
dreptunghiulară
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
44
Figura 412 Fig 512 Realizarea galeriilor icircnclinate cu sonde verticale (1) şi sonde oblice (2)
I - secţiunea longitudinală II - secţiunea transversală a) sonde icircnclinate deasupra galeriei b) sonde icircnclinate sub galerie
413 513 UTILIZAREA METODEI DE IcircNGHEŢARE A SOLULUI IcircN ŢARA NOASTRĂ
a)Puţuri de mină
Aplicarea metodei de icircngheţare a solului pentru lucrări de minerit a avut loc la noi icircn ţară icircncepacircnd cu anul 1960 la puţul Godeni din bazinul carbonifer Cacircmpulung - Muscel Proiectul a fost elaborat icircn anul 1959 la IPROMIN Bucureşti iar lucrarea a fost executată cu Trustul Minier Argeş avacircnd icircn subantrepriză de specialitate Icircntreprinderea Frigotehnica Bucureşti şi Trustul de prospecţiuni explorări şi deschideri de mine noi Bucureşti
Adacircncimea de săpare a puţului Godeni a trebuit sa fie de 202 m Sondele de icircngheţare constituite din două ţevi concentrice (fig 51) cu diametrele exterioare de 146 mm şi respectiv 57 mm icircn număr de 27 au fost amplasate pe un cerc cu diametrul de 10 m la distanţa de 117 m una de alta
Instalaţia frigorifică a fost dimensionată cu mare precauţie pentru a avea o siguranţă mărită icircn funcţionarea ei Toate părţile componente ale instalaţiei frigorifice au fost proiectate şi executate icircn ţară
La proiectarea instalaţiei s-a avut icircn vedere funcţionarea de scurtă durată şi variaţia puterii frigorifice icircn timp S-a utilizat răcirea indirectă cu soluţie de clorură de calciu iar ca agent frigorific a fost folosit amoniacul Pentru a avea elasticitatea necesară icircn funcţionare la diferite puteri frigorifice au fost folosite grupuri de utilaje frigorifice şi anume
6 compresoare 4 AU - 20 (200000 kcal Nh =233 kW fiecare)
3 baterii de condensatoare atmosferice a cacircte 300 m2 (900 m2)
bazine pentru răcirea saramurii fiecare cu cacircte 2 vaporizatoare superintensive de 50 m2 (600 m2)
2 grupuri a cacircte 5 pompe pentru recircularea saramurii
Puterea frigorifică a instalaţiei montate a fost de 12106 kcal Nh =1395 kW şi s-a caracterizat prin următoarele date tehnice la exploatare
85
1
2
I 85
1
2
I
85
1
2
II
85
1
2 II
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
45
o suprafaţa de schimb de căldură a sondelor 2500 m2 o puterea instalaţiei 750 kW o debitul saramurii icircn
o icircn perioada activă 350 m3h o icircn perioada pasivă 70 m3h
o viteza de circulaţie a saramurii icircn sondă o tur 18 ms 036 ms o retur 029 ms 006 ms
o volumul rocilor icircngheţate circa 10000 m3 o consumul specific de frig mediu 50000 m3 o durata icircngheţării (perioada activă) 130 zile
Icircn timpul răcirii şi deci a icircngheţării solului puterea frigorifică scade icircn mod continuu icircncacirct treptat s-a scos din funcţiune cacircte un compresor icircn perioada pasivă (de săpare a puţului) s-a menţinut icircn lucru doar un singur compresor şi grupul de utilaje aferent
După terminarea lucrărilor de la puţul Godeni icircn anii următori aceeaşi instalaţie s-a montat la puţul Poenari din acelaşi bazin carbonifer unde sondele au fost amplasate pe un cerc cu diametrul de 11 m la distanţa de 128 m una de alta
Un alt puţ realizat prin această tehnologie de icircngheţare a solului a fost puţul Jugur de la acelaşi bazin carbonifer Centrala frigorifică a cuprins 15 compresoare 3 AV - 20 (150000 kcal Nh fiecare=175kW) repartizate icircn 5 linii tehnologice independente cu icircntreg utilajul aferent Fiecare linie este compusă din
o butelie de răcire intermediară BRI - 700 un condensator cu evaporare forţată CEF - 180 un bazin cu patru grupuri vaporizatoare intensive de cacircte 165 m2 (icircn total 66 m2)
Sondele de icircngheţare icircn număr de 27 bucăţi au fost prevăzute să se amplaseze pe un cerc cu diametrul de 104 m la distanţă de 121 m Sondele sunt de tipul celei indicată icircn figura 58 deci cu răcire zonală avacircnd următoarele caracteristici diametrul exterior al burlanului este de 146 mm iar tuburile interioare au 57 mm (la exterior) tubul de alimentare are lungimea de 430 m iar cel de evacuare este de 220 m Ca urmare sondele de icircngheţare trebuie să producă icircngheţarea solului numai pe adacircncimea de la 220 m la 430 m Prin proiect s-au prevăzut următoarele date temperatura saramurii - 35 ordmC viteza saramurii icircn conducte de tur 18 ms viteza icircn conducte de retur (pe adacircncimea de răcit) 06 ms durata icircngheţării (perioada activă) a fost de 75 zile
Au fost prevăzute temperaturi scăzute şi viteze mari de congelare deoarece cilindrul icircngheţat trebuie să preia presiuni de pacircnă la 56 bar
b)Tunelurile pentru metroul din Bucureşti
Icircncepacircnd cu anul 1976 pentru realizarea metroului din Bucureşti s-a procedat la aplicarea metodei de icircngheţare a solului icircntr-o zonă considerată experimentală dar cu realizări efective de galerii
Prin proiect s-a prevăzut consolidarea prin icircngheţare artificială a profilului de săpare a tunelurilor de metrou pe o lungime de circa 550 m pe ambele fire Amplasamentul sondelor s-a făcut icircn două variante (pentru experimentare) pentru un fir de tunel ambele racircnduri de sonde s-au fixat icircn profilul circular de săpare iar pentru cel de al doilea fir de tunel sondele au fost forate icircn afara profilului de icircnaintare (fig 513) Au fost folosite sonde cu saramură cu posibilitatea de icircngheţare pe toată icircnălţimea de 16 m cacirct şi sonde cu icircngheţare zonală icircntre adacircncimile de 7 m şi 16 m Distanţa dintre sonde a fost fixată la 14 m
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
46
Pentru a se icircmpiedica accesul apelor icircn frontul de săpare datorate unor eventuale zone neicircngheţate traseul de tunel icircngheţat a fost icircmpărţit icircn incinte icircnchise prin timpane transversale La distanţe de 3050 m icircn lungul traseului au fost montate sonde de icircngheţare aşezate icircn plan normal pe axul tunelului prin care să se icircnchidă accesul apelor spre frontul de săpare
Echipamentul frigorific principal cuprinde
- 8 compresoare frigorifice 3 AV - 20 funcţionacircnd icircntr-o treaptă pentru care
corespunde puterea frigorifică de 12 106 kcal Nh =1395 kW
- 4 condensatoare de evaporare forţată CEF - 250
- 3 bazine de răcire a saramurii echipate cu cacircte 4 grupuri de vaporizatoare superintensive de cacircte 51 m2 (total 612 m2)
- 3 grupuri de cacircte 2 pompe a 220 m3h pentru circulaţia saramurii pe traseele de distribuţie şi prin sonde
Figura 413 Fig513 Amplasamentul sondelor de icircngheţare
Centrala frigorifică este stabilă adăpostită icircntr-o baracă metalică demontabilă existacircnd posibilitatea de reamplasare rapidă a instalaţiei icircntr-un alt loc Agentul frigorific utilizat este amoniacul iar agentul intermediar este clorura de calciu
Icircn perioada principală de icircngheţare temperatura de vaporizare este to = -22 ordmC asiguracircnd răcirea saramurii la -17 ordmC iar pe retur saramura a avut temperatura cu 15 ordmC mai ridicată
La o asemenea lucrare realizată icircn oraş se impune protejarea contra icircngheţului a straturilor de deasupra galeriilor icircn care sunt amplasate instalaţiile de apă - canal ceea ce presupune folosirea sondelor cu icircngheţare zonală care să nu fie active la partea superioară
c) Puţuri pentru prospectarea balastierelor
Procedeul şi instalaţia frigorifică au avut caracter de noutate şi s-a aplicat icircncepacircnd cu anul 1966 la mai multe obiective icircn general pe văile racircurilor unde s-au construit hidrocentrale
A
A B
B
A-A
000 -300 -700 -1061 -1300
65
800
B-B
000 -300 -700 -1061 -1300
65
550
ARGILA
ARGILA
NISIP
NISIP
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
47
Echipamentul frigorific principal cuprinde un agregat frigorific pentru amoniac de 20000 kcal Nh = 233 kW rezervor de amoniac separator de lichid şi anexe - toate fiind montate pe o remorcă
S-au folosit sonde de icircngheţare cu agent frigorific icircn număr de 8 bucăţi cu diametrul exterior de 133 mm montate pe un cerc cu diametrul de 2 m la distanţa de 076 m lungimea lor fiind de 75 m Legarea sondelor la distribuitor şi colector s-a făcut cu racorduri flexibile
Sondele au o construcţie specială fiind prevăzute cu 4 pereţi transversali cu ştuţuri de preaplin formacircndu-se astfel 5 compartimente Agentul lichid se introduce icircn compartimentul cel mai de sus şi se scurge prin ştuţuri pacircnă la baza sondei Conducta de aspiraţie străbate toate compartimentele vaporii fiind aspiraţi din compartimentul cel mai de jos Circulaţia vaporilor formaţi se face ca şi a lichidului de sus icircn jos obţinacircndu-se astfel o răcire uniformă şi eficientă pe toată icircnălţimea sondei
Durata icircngheţării respectiv a formării centurii de teren icircngheţat la adăpostul căreia să se poată efectua săparea şi preluarea de probe de sol este de 10 zile
414 514 CAcircMPUL DE TEMPERATURĂ IcircN SOLUL IcircNGHEŢAT
Cacircnd prin sonda de icircngheţare circulă saramură a cărei temperatura este sub 0 ordmC practic - 20 ordmC-25 ordmC icircn jurul sondei se formează un cacircmp termic care icircn cazul unei singure sonde poate fi reprezentat prin suprafeţe cilindrice coaxiale de temperatură constantă (izoterme)
După distanţa radială se deosebesc icircn sol din punct de vedere termic trei zone zona cilindrică din imediata vecinătate a sondei care este icircn zona icircngheţată zona răcită cuprinsă icircntre suprafaţa cilindrică izotermă de 0 ordmC şi izoterma de temperatură naturală şi a treia zonă cea de temperatura naturală (fig 514)
Icircn zona icircngheţată temperatura masivului variază de la temperatura peretelui metalic al sondei pacircnă la 0 ordmC Icircn zona răcită temperatura masivului creşte de la 0 ordmC pacircnă la temperatura naturală a masivului
Figura 414 Fig 514 Cacircmpul de temperatură icircn jurul unei sonde de icircngheţare
Este important să se cunoască cacircmpul termic icircn terenul supus icircngheţării deoarece acesta oferă date privind zona de răspacircndire a consolidării rocilor prin solidificarea apei cacirct şi a
t [oC]
r [m]
t (r)
ZONA RACITA
ZONA INGHETAT
A
ts TEMPERATURA NATURALA A ROCII
-20
-10
40
10 0 20 30
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
48
rezistenţei mecanice a rocii icircngheţate Se cunoaşte faptul că rezistenţa mecanică depinde direct de temperatură
Studiul variaţiei temperaturii icircn zona de influenţă a unei sonde şi a tuturor sondelor simultan oferă posibilitatea calculării dimensiunilor la proiectarea construcţiei peretelui protector cacirct şi controlul procesului icircn timpul desfăşurării lucrărilor
Pentru a se stabili relaţia de variaţie a temperaturii icircn zona icircngheţată icircn funcţie de raza r se consideră ecuaţia diferenţială
dr
dtr2q (56)
icircn care q este fluxul unitar de căldură corespunzător lungimii de 1 m din sonda de icircngheţare Wm
- conductivitatea termica a terenului Wm
Integrarea directă a ecuaţiei analitice se poate face icircn ipoteze simplificatoare consideracircnd
= const şi q = const ceea ce este justificat la valori mari ale timpului de răcire
Se separa variabilele
r
dr
2
qdt
(57)
Se consideră cunoscute temperaturile t1 la suprafaţa sondei de raza r1 și t2 = 0 ordmC la raza r2 corespunzătoare suprafeţei exterioare a cilindrului icircngheţat Se integrează ecuaţia (6-7) și cunoscacircnd limitele de integrare se va determina constanta de integrare
Cr ln2
qt
(58)
pentru r = r1 t = t1 deci
11 rln2
qtC
(59)
1
1r
rln
2
qtt
(510)
Se pune condiţia ca pentru r = r2 t = t2
1
212
r
rln
2
qtt
(511)
Se elimina q intre relaţiile (510) și (511) şi se obţine
1
2
1121
r
rln
r
rln
tttt (512)
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
49
Figura 415 Fig 515 Schema schimbătorului de căldură subteran
Pentru t2 = 0 ordmC relaţia (5-12) devine
)rrln(
)rrln(tt
12
21 (513)
Icircn figura 515 se prezintă o secţiune axială printr-o sondă de icircngheţare şi variaţia temperaturii icircn limitele t0 - temperatura agentului de răcire şi ts - temperatura naturală a solului
Cantitatea de căldură transferată de la masivul neicircngheţat spre agentul de răcire prin unitatea de lungimea de conducta şi unitatea de timp se calculează cu expresia
221
2
1o
1
moo
os
d
1
d
dln
1
d
dln
2
1
d
1
ttq
(514)
Icircn calculele inginereşti cel mai frecvent se determină nu fluxul termic pe unitatea de lungime a conductei ci fluxul termic qF raportat la unitatea de suprafaţă a conductei metalice la 1 m2 de suprafaţa exterioară sau interioară Mărimea qF se calculează astfel
22
o
1
2
1
o
o
1
m
o
o
oS
o
F
d
d
d
dln
2
d
d
dln
2
d1
tt
d
(515)
Fluxul termic qF prin unitatea de suprafaţă a sondei de icircngheţare calculat pentru adacircncimea de 100 m icircn regim laminar de curgere a agentului de răcire prin spaţiul inelar al sondei cu viteza w = 01 ms la diametre ale cilindrului de rocă icircngheţata
de la 02 la 3 m pentru to = -20 ordmC do = 01 m 1 = 233 WmK variază de la 720 la 230 Wm2 aşa cum se poate observa din figura 516 şi tabelul 51
d2
d1
d0
t
qF
t0
t2
t1 2
m 1
m
ts
Conducta Teren icircngheţat Teren
neicircngheţat
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
50
Figura 416 Fig 516 Variaţia fluxului termic qF prin unitatea de suprafaţă a sondei de icircngheţare 1 - regim turbulent 2 regim laminar
Tabelul 51Variaţia fluxului termic qF [Wm2]
Diametrul cilindrului de rocă icircngheţată icircn m
02 04 05 08 10 15 20
qF regim laminar 1160 550 387 330 302
qF regim laminar 720 465 423 350 321 283 258
Se observă ca densitatea fluxului de căldura qF scade foarte mult de la 800900 Wm2 la icircnceputul operaţiei de consolidare prin frig a rocilor pacircnă la 230250 Wm2 cacircnd cilindrul de rocă icircngheţata atinge diametrul de 23 m Ca urmare a acestei situaţii şi puterea frigorifică a instalaţiei va scădea icircn decursul a 6080 zile tot cu raportul de 800230 = 35
Instalaţia frigorifică va fi constituită din grupuri de utilaje (module) ce vor fi scoase treptat din funcţiune pe măsură ce se reduce densitatea fluxului de căldură qF ca urmare a creşterii grosimii stratului de teren icircngheţat Icircn practică pentru calcule se va considera qF = (260290) Wm2
O mărime importanta pentru proiectarea instalaţiei şi aprecierea procesului de consolidare a rocilor este timpul de icircngheţare Pentru calculul duratei de icircngheţare se pot folosi relaţiile prezentate icircn capitolul 3 la formarea gheţii pe suprafeţe cilindrice exterioare La aprecierea valorii pentru ls - căldura latentă de solidificare se avea icircn vedere conţinutul de apă din terenul supus icircngheţării
Dacă icircntre relaţiile pentru dependenţele (r) şi qF(r) se elimină r se obţine dependenţa
qF() Eliminarea nu se poate face direct ci fie cu ajutorul calculatorului fie printr-o construcţie grafică prezentată icircn figura 517
Studiul variaţiei temperaturii icircn solul icircngheţat cacirct și variaţia icircn timp a densităţii fluxului de căldura se poate face cu ajutorul calculatorului electronic
1200
1000
800
600
400
200
0 05 1 15 2 25 3
qF [Wm2]
Diametrul cilindrului de rocă icircngheţată [m]
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
51
Figura 417 Fig 517 Stabilirea dependentei qF() pe baza dependentelor qF(r) și (r)
415 515 ELEMENTE DE PROIECTARE A INSTALAŢIEI FRIGORIFICE PENTRU IcircNGHEŢAREA SOLULUI
Pentru proiectarea instalaţiei frigorifice trebuie sa se stabilească la icircnceput elementele de baza și anume
- puterea frigorifică maximă care apare la icircnceputul perioadei de răcire cacircnd pătrunderile de căldura spre agentul de răcire din sondele de icircngheţare au valori mai mari temperatura de vaporizare a agentului frigorific plecacircnd de la temperatura minimă sau medie din solul icircngheţat şi avacircnd icircn vedere modul de răcire directă sau indirectă
Se calculează cantitatea totală de căldură ce trebuie extrasă din terenul supus răcirii şi icircngheţării Se cunoaşte structura terenului icircngheţat deci se cunosc icircnălţimile h1 h2hn ale diferitelor straturi componente cacirct şi proprietăţile termofizice ale acestora
Grosimea centurii de teren icircngheţat se stabileşte icircn urma calculelor de rezistenţa materialelor icircncacirct se pot calcula volumele ocupate de straturile componente V1 V2Vn
Cantitatea de căldură ce trebuie extrasă din zona icircngheţată cuprinde două componente și anume
cantitatea de căldura Qa corespunzătoare răcirii şi icircngheţării apei
cantitatea de căldura Qt necesara răcirii părţii solide a terenului
n
1kfgsikaakka tcltcVQ (516)
unde
k - reprezintă conţinutul icircn apă din stratul respectiv [m3m3]
a - densitatea apei [kgm3]
ca cg - căldura specifica a apei respectiv a gheţii Jkg K
tik - temperatura iniţiala a stratului respectiv (de ordinul k)
tf - temperatura medie finala a masivului icircngheţat
ls - căldura latentă de solidificare a apei
r
q
q
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
52
fik
n
1kkkkkt ttc1VQ
(517)
k - densitatea părţii de teren solid (uscat) din stratul k
ck - căldura specifică a terenului uscat din stratul k
Cantitatea de căldură extrasă din terenul răcit reprezintă circa 1018 din cantitatea de căldură extrasă din zona de teren icircngheţat
Deci cantitatea totală de căldură Q ce va trebui preluată de către instalaţia frigorifică se poate aprecia astfel
Q = (110118) (Qa + Qt) (518)
Cu relaţia (51) se calculează puterea frigorifica a instalaţiei adoptacircnd o valoare medie pentru densitatea fluxului de căldura qF
Se poate aprecia timpul de funcţionare a instalaţiei frigorifice
o
Q
(519)
La anumite grosimi ale cochiliei de teren icircngheţat icircn jurul sondei densitatea fluxului termic scade sub valoarea medie adoptată icircn calcule şi ca urmare icircncepacircnd de la acest moment se va putea reduce treptat puterea frigorifica a instalaţiei prin scoaterea din funcţiune a unor grupuri
La proiectare se pot avea icircn vedere unele recomandări practice pentru stabilirea necesarului de frig pentru icircngheţarea unui m3 la -10 ordmC este necesar un consum specific de frig de 66000 kJ la 10 umiditate de 155000 kJ la 35 umiditate și de 210000 kJ la 50 umiditate
42 52 RĂCIREA BETONULUI LA CONSTRUCŢIILE MASIVE
421 521 INSTALAŢII DE PRERĂCIRE A COMPONENTELOR BETONULUI
Formarea betonului din elementele sale componente (nisip pietriş ciment şi apă) este icircnsoţită de fenomene fizico - chimice icircn care se degajă căldură şi ca urmare temperatura acestuia creşte Icircn cazul unor masive din beton (baraje) dacă viteza de turnare (icircn sezonul cald cacircnd se efectuază construcţia) este mai mare şi nu se asigura evacuarea căldurii corpul rezultă la o temperatura medie mai mare decacirct temperatura medie anuală Răcirea naturală conduce la contracţia masivului şi ca urmare la apariţia sub acţiunea tensiunilor interne a unor fisuri
Pentru ca variaţiile de temperatura icircntre centrul barajului şi straturile exterioare să fie cacirct mai mici se impune ca masivul respectiv să fie turnat la temperatura medie anuală a zonei respective Icircn acest scop se pot folosi două metode prin prerăcirea componentelor betonului și prin răcirea masei barajului
Icircn vederea reducerii căldurii degajată icircn reacţia dintre ciment şi apă au fost realizate sortimente de ciment caracterizate prin călduri masice reduse ce se degajă icircn procesul de priză
Prin prerăcirea componentelor betonului se urmăreşte ca betonul sa aibă temperatura medie a locului de amplasament şi prin aceasta evitarea apariţiei unor diferenţe mari de temperatură ce pun icircn pericol construcţia
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
53
Icircn funcţie de valoarea diferenţei de temperatură care trebuie realizată se poate adopta o anumită schemă de răcire pentru fiecare component icircn parte sau numai pentru unele din aceste părţi componente
Se pot folosi instalaţii frigorifice cu comprimare mecanică de vapori pentru răcirea apei a aerului sau formarea gheţii mărunte utilizate la prerăcirea componentelor betonului Folosirea gheţii fulgi sau solzi este limitată atacirct din cauza conţinutului de apă impus cacirct şi ca urmare a pericolului ca gheaţa să nu se topească icircn procesul de malaxare ci la turnare sau icircn procesul de priză ceea ce duce la formarea de goluri icircn beton
De asemenea se pot folosi instalaţiile frigorifice cu ejecţie
Icircn vederea stabilirii necesarului de frig pentru preratildecirea componentelor betonului se calculează mai icircntacirci cantitatea de catildelduratilde Qo1 ce trebuie evacuatatilde dintr-un m3 de beton avacircndu-se icircn vedere proporţiile icircn care participatilde cimentul nisipul pietrişul şi apa Fiecare component are o temperatură iniţialatilde şi urmeazatilde a fi răcit pacircnatilde la o temperatura finalatilde tf aceeaşi pentru toţi componenţii
fpppfnnnfccc1o ttcmttcmttcmQ
fnaanfpaapfaaa ttcmttcmttcm Jm3 (520)
unde
mc mn mp ma - masele de ciment nisip pietriş şi apă conţinute icircntr-un m3 de beton [kgm3]
cc cn cp cw - căldurile specifice masice ale cimentului nisipului pietrişului şi nisipul dintr-un m3 de beton [kgm3]
Puterea frigorifică se determină cu relaţia
3b1oo 10VQ [kW] (521)
icircn care bV reprezintă fluxul de betonare icircn m3s
Se prezintă icircn continuare cele mai folosite metode de prerăcire a componentelor betonului
4211 a) Instalaţie de prerăcire cu apă
Staţia de preparare a betonului este deservită de o instalaţie frigorifică cu comprimare mecanică de vapori care asigură răcirea apei
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
54
Figura 418 Fig 518 Schema de lucru a instalaţiei de prerăcire a betonului cu ajutorul apei 1 - ciment 2 - vagon nisip 3 - vagon pietris 4 - tancuri de răcire a pietrişului 5 - sită 6 - siloz de
nisip 7 - siloz de ciment 8 - rezervor de distribuţie 9 - răcitor de nisip 10 - răcitor de ciment 11 - răcitor de apă 12 - rezervor de apă răcită 13 - răcitor de apă 14 - instalaţie de prepararea betonului
I II III IV V - fazele de răcire a pietrişului
Icircn figura 518 se prezintă schema de lucru a unei asemenea instalaţii de prerăcire a betonului cu ajutorul apei folosită la construcţia barajului de la Detroit (SUA) Apa este răcită de la 16 la 15 ordmC şi transmisă apoi la instalaţia de preparare a betonului şi icircn cinci rezervoare a cacircte 90 m3 fiecare icircn care se răceşte pietrişul
Procesul de răcire a pietrişului cuprinde cinci faze
- faza I - introducerea apei icircn rezervor 10 minute
- fazele II şi III - introducerea simultană a apei şi a pietrişului 50 minute
- faza IV - evacuarea apei 15 minute
- faza V - evacuarea pietrişului 15 minute
Icircntregul proces de răcire a pietrişului durează 90 minute Pentru răcirea cimentului şi nisipului se utilizează schimbătoare de căldură cu ax elicoidal la care apa de răcire circulă prin arborele gol şi prin manta
Rezervoarele 12 pentru apa răcită au fiecare volumul de 114 m3
Beton 635oC
190 m3h
65oC
24oC
18oC
1
2
3
4
5
6
7
8
10
9
11
12
13
14
Apă 16oC
15oC
Cim
en
t
26 l
h
Nis
ip 1
12
lh
10
oC
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
55
42111 Aplicaţie numerică
Să se calculeze puterea frigorifică necesară prerăcirii betonului prin metode şi condiţiile prezentate mai sus Se cunosc următoarele date de calcul
mp = 1700 kgm3 beton
mc = 135 kgm3 beton
mn = 590 kgm3 beton
ma = 60 kgm3 beton
cc = cn = cp = 921 Jkg K
ca = 4180 Jkg K
map = 16 kgm3 beton
man = 38 kgm3 beton
tp = 18 ordmC
tc = 66 ordmC
tn = 21 ordmC tf = 635 ordmC
052803000
190Vb m3s
Se calculează componentele cantităţii de căldură Q01
3fcccc 10741735666921135ttcmQ Jm3
3fnnnn 10796135621921590ttcmQ Jm3
3fpppp 1024018356189211700ttcmQ Jm3
3faaaa 10420235616418060ttcmQ Jm3
3fpaapap 1077935618418016ttcmQ Jm3
3fnaaan 10232735621418038ttcmQ Jm3
Rezulta
3anapapnc1o 1039144QQQQQQQ Jm3
3o 10 206705280103914410VQ 33
b1o kW
4212 b) Instalaţii de prerăcire cu aer apă
Pentru răcirea componentelor betonului se utilizează icircn acest caz fie apa fie aerul ca agenţi intermediari răciţi cu ajutorul instalaţiilor frigorifice
Icircn figura 519 se prezintă schema unei asemenea instalaţii folosită la construcţia barajului de la Sariyar din Turcia
Răcirea aerului se poate face fie direct prin vaporizarea unui agent frigorific fie indirect cu un agent intermediar de răcire ca de exemplu saramura de clorură de calciu Aerul răcit pacircnă la -6 ordmC este suflat icircn silozurile cu pietriş de dimensiuni icircntre 4150 mm
Apa răcită icircn bazinul la pacircnă la 05 ordm este trimisă din colectorul 12 la staţia de preparare a betonului servind la scăderea temperaturii acestuia
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
56
Figura 419 Fig 519 Schema instalaţiei de prerăcire a betonului cu aer şi apă 1 - compresor 2 - condensator 3 - ventile de laminare 4 - vaporizatoare 5 - bazin de răcire a
saramurii 6 - pompă de saramură 7 - răcitor umed de aer 8 - ventilatoare 9 - silozuri de pietriş 10 - bazin de răcire a apei 11 - pompă 12 - colector de apă răcită
Figura 420 Fig 520 Schema instalaţiei de prerăcire cu aer şi apă 1 - siloz de pietriş şi nisip 2 - siloz de ciment 3 rezervor de apă 4 - răcitor de aer 5 - răcitor de apă
4 - răcitor de apă 6 - buncăr de sortare 7 - instalaţie de preparare beton
Pentru intensificarea procesului de răcire a pietrişului aerul este răcit sub 0 ordmC Acest procedeu are avantajul unei funcţionări fără icircntrerupere a procesului de preparare a betonului dar prezintă şi o serie de dezavantaje debite foarte mari de aer de răcire posibilitatea antrenării particulelor fine de agregat icircn răcitorul de aer şi depunerea acestora pe suprafaţa de schimb de căldură Ca urmare instalaţia se va curăţa la circa 14 zile Icircn figura 520 se prezintă o altă schemă de instalaţie de prerăcire a betonului cu aer şi apă folosită la construcţia unui baraj din India
Apă
295oC
Ciment
433oC
Pietriş şi nisip
378oC
Apă 6oC
Ciment 433oC
Aer
Pietriş
45oC Nisip 222oC
22oC
Ap
ă
45
oC
Ap
ă 2
2o
C
Ae
r 5
5o
C
Be
ton
12
8o
C
Apă 22oC
2
1
3 4 5
8
9
5 7
12
1oC
11
05oC 9oC 9oC
-9oC
-10oC -10oC
-10oC 2oC
6oC
10 4 4 6
8 8
8
8 8
9 9 9 9
1
2
3 3
7
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
57
Pietrişul şi nisipul se separă icircntre ele icircn buncărul de sortare 6 şi apoi fiecare circulă pe cacircte o bandă transportoare prin camera de răcire 7 Pietrişul este răcit cu ajutorul apei
Fig
ura
42
1 F
ig 5
21
Sc
he
ma
in
sta
laţi
ei
de
ră
cir
e icirc
n v
id a
co
mp
on
en
telo
r b
eto
nu
lui
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
58
reci icircncacirct ajunge la o temperatură mai scăzută decacirct nisipul răcit cu aer Prin camera 7 se circulă şi aer rece care se introduce la temperatura de 55 ordmC Cimentul se introduce la instalaţia de preparare a betonului 9 fără a fi răcit
O altă posibilitate de prerăcire a agregatelor (pietriş şi nisip) şi a apei utilizată mai recent la construirea barajelor icircntrebuinţează răcirea icircn vid la care agregatele uşor umezite icircn recipiente sub presiune se răcesc după nevoie (prin reglarea vacuumului) la o temperatură mai scăzută sau mai ridicată Căldura necesară evaporării umidităţii de pe agregate şi din ele (apa legată) este luată chiar de la corpurile respective (pietriş nisip) şi ca urmare acestea se răcesc
O asemenea instalaţie utilizată la Hortwell icircn SUA (figura 521) cuprinde 3 recipienţi de cacircte 150 m3 pentru răcirea pietrişului şi 3 recipienţi de cacircte 80 m3 pentru răcirea nisipului
Pietrişul şi nisipul cu temperatura maximă de 43 ordmC se pot răci pacircnă la temperatura necesară de 45 ordmC Pentru realizarea vidului necesar se folosesc două cazane de abur care produc 77 th fiecare
422 522 RĂCIREA INTERIOARĂ A MASIVULUI DE BETON
Prerăcirea betonului se recomandă icircn condiţiile unei zone tropicale sau temperate de amplasare a construcţiei masive nu se recomandă icircn cazul amplasării barajului icircn munţi unde temperatura aerului este scăzută Icircn asemenea situaţii se recomandă răcirea betonului prin conducte amplasate icircn masiv prin care circulă apă rece
La răcirea interioară cu conducte montate icircn beton are loc o eliminarea a căldurii simultan cu producerea ei icircn procesul de priză producacircndu-se şi o răcire pacircnă la temperatura necesară Pentru răcire se folosesc conducte de oţel cu diametre de 1525 mm montate la distanţe de 1223 m icircn plan orizontal şi de 153 m icircn plan vertical Lungimea conductelor icircntr-un m3 de beton este de 0204 şi a fiecărei serpentine de 140250 m
Debitul apei de răcire ce circulă prin 1 m3 de beton este de (0553) dm3h
Figura 422 Fig 522 Reţea de conducte de răcire a betonului icircn secţiunea unui baraj 1 - galerie pentru măsurători 2 - galerie de conducte de apă de răcire
Serpentinele se montează şi se fixează pe suprafaţă de beton (fig522) Capetele serpentinelor se leagă de o coloană verticală prin mufe metalice sau de cauciuc Diametrul distribuitorului şi al coloanei este cuprins icircntre 150200 mm După montaj aceste conducte se verifică la presiunea de lucru
1 2
Ax
a
ba
raju
lui
Determinarea necesarului de căldură și apă caldă pentru un imobil
14
2 Determinarea necesarului de căldură și apă caldă pentru un imobil
Casa este situata icircn judetul Galati orasul Galati icircn partea de nord a orasului Este amplasata pe un teren cu suprafata de 300mp ea icircn sine avand o amprenta la sol de 123mp
Orasul Galati se situeaza icircn zona climatica numarul II Conform standardului ldquoSR1907 - 1 - 2014rdquo temperatura de referinta pentru aceasta zona este de -15 degC
Icircn figura de mai jos este reprezentat imobilul ce va trebui incalzit Este desenat icircn programul Archicad și prezinta urmatoarele vederi
Figura 21 Planul casei cu dimensiuni și orientare dupa punctele cardinala
Determinarea necesarului de căldură și apă caldă pentru un imobil
15
Figura 22
Figura 23 Vedere fata Nord
Determinarea necesarului de căldură și apă caldă pentru un imobil
16
Figura 24 Vedere fata Sud
Figura 25 Vdere fata Est
Determinarea necesarului de căldură și apă caldă pentru un imobil
17
Figura 26 Vedere fata Vest
Figura 27 Vedere de ansamblu
Determinarea necesarului de căldură și apă caldă pentru un imobil
18
Dimensiunile casei și a incaperilor sunt afisate icircn tabelul urmator
Incapere Suprafata mp
1 Hol intrare+ Living + Hol 3353
2 Dormitor mare 1804
3 Dromitor mic 12
4 Bucatarie 112
5 Baie mare 48
6 Baie mica 475
7 Camera tehnica 72
Total suprafata 9152
Total perimetru casa 444 m
21 22 Determinarea necesarului de căldură și apă caldă menajeră pentru imobil
Pentru studiul necesarului de flux termic este nevoie sa cunoastem posibilele pierderi de căldura cat si modul de utilizare al acesteia Ecuatia generala a bilantului termic ce se foloseste icircn calcularea fluxului de căldura
Q = Q1+ Q2+ Q3 [W]
Q1- fluxul de căldura pierdut prin transmisie
Q2- fluxul de căldura necesar incalzirii aerului ventilat
Q3- fluxul de căldura necesar prepararii apei calde
Fluxul termic pierdut prin transmisie este distribuit intre elementele constructive ale casei si anume Q11 - pereti Q12 - podea Q13 - tavan Q14 - geamuri
Q1= Q11+ Q12+ Q13+ Q14 [W]
Formula care se utilizeaza icircn calculul pentru fiecare fux termic icircn parte este comuna celor patru elemente
Q1i= Si middot Ki middot (tint - text) [W]
Unde Si - suprafata totala calculata a fiecarui element icircn parte se iau icircn considerare doar elementele care au legatura cu exteriorul [m2] ki - coeficientul global de transfer termic specific fiecarui element icircn parte [Wm2C] tint - temperatura din interiorul imobilului [degC] text - temperatura exterioara Icircn cazul podelei de utilizeaza temperatura solului șisau a pivnitei [degC]
Coeficientul global de transfer termic se calculeaza dupa formula
ki = 120783
120783
120514119842 + sum
120517119842
120524119842+
120783
120514119838119847119843=119842
[Wm2C]
Unde αi = coeficientul de transfer convectiv din interior αi = 8 Wm2C αe = coeficientul de transfer termic convective din exterior αe = 20 Wm2C λi - conductivitatea termica a stratului i pe care il aflam din fisa tehnica am materialului stratului respectiv [WmmiddotK] δi- grosimea stratului I [m]
Temperatura ce trebuie mentinuta icircn interiorul imobilului este de 22 degC
Coeficentul de convectie termica αi = 8
211 Mers de calcul pentru Q1
Q11 - flux termic pierdut prin pereti
Specificatii perete exeterior
Tencuiala δ 0025 m Grosime
Determinarea necesarului de căldură și apă caldă pentru un imobil
19
interioara λ 093 WmmiddotK Conductivitate termica
Rt 0026882 m2middotKW Rezistenta termica
Zidarie BCA δ 03 m Grosime
λ 014 WmmiddotK Conductivitate termica
Rt 2142857 m2middotKW Rezistenta termica
Tencuioala exterioara
δ 0025 m Grosime
λ 093 WmmiddotK Conductivitate termica
Rt 0026882 m2middotKW Rezistenta termica
Vata bazaltica δ 01 m Grosime
λ 0037 WmmiddotK Conductivitate termica
Rt 2702703 m2middotKW Rezistenta termica
Placa fibrocement
δ 001 m Grosime
λ 02 WmmiddotK Conductivitate termica
Rt 005 m2middotKW Rezistenta termica
Tencuiala decorativa
δ 0005 m Grosime
λ 093 WmmiddotK Conductivitate termica
Rt 0005376 m2middotKW Rezistenta termica
K11 = 1
1
120572119894+
1205751
1205821+
1205752
1205822+
1205753
1205823+
1205754
1205824+
1205755
1205825+
1205756
1205826+
1
120572119890 =
11
8 +
0025
093+
03
014+
0025
093+
01
0037+
001
02+
0005
093+
1
22
K11 = 0194943188 Wm2C
S11 = h middot lp = 3 middot 3901 = 11703 m2
h - inaltimea peretelui [m]
lp - lungimea perimetrala a peretelui [m] (din care s-au scazut suprafetele vitrate)
Δt = ti - te = 22 + 15 = 37degC
ti - temperatura interioara
te - temperatura exterior
Q11 = K11 middot S11 middot Δt = 0194943188 middot 11703 middot 37 = 8441254483 W
Perete exterior
ti 22 degC αi 8 Wm2 k
te -15 degC αe 22 Wm2 k
δ1 0025 m λ1 093 Wmk tp1 2109758812 degC
δ2 03 m λ2 014 Wmk tp2 2090352105 degC
δ3 0025 m λ3 093 Wmk tp3 5433603161 degC
δ4 01 m λ4 0037 Wmk tp4 523953609 degC
δ5 001 m λ5 02 Wmk tp5 -1427207206 degC
δ6 0005 m λ6 093 Wmk tp6 -1463303681 degC
tp7 -1467185023 degC
q 7219295 W
Determinarea necesarului de căldură și apă caldă pentru un imobil
20
Figura 28
Q12 - fluxul termic pierdut prin podea
Specificatii podea
Placa fibrocement
δ 001 m Grosime
λ 02 WmmiddotK Conductivitate termica
Rt 005 m2middotKW Rezistenta termica
Sapa δ 01 m Grosime
λ 0035 WmmiddotK Conductivitate termica
Rt 2857143 m2middotKW Rezistenta termica
Polistiren extrudat
δ 005 m Grosime
λ 0033 WmmiddotK Conductivitate termica
Rt 1515152 m2middotKW Rezistenta termica
K12 = 1
1
120572119894+
1205751
1205821+
1205752
1205822+
1205753
1205823+
1
120572119890 =
11
8 +
001
02+
01
0035 +
005
0033+
1
0
= 0219911 Wm2C
S12 - amprenta la sol a casei = 12296 m2
Δt = ti - te = 22 - 15 = 7degC
Temperature pentru podea este de 15degC
Q12 = K12 middot S12 middot Δt = 0219911 middot 12296 middot 7 = 1892818 W
Podea
ti 22 degC Αi 8 Wm2 k
te 15 degC Αe 0 Wm2 k
δ1 001 m λ1 02 Wmk tp1 2180757789 degC
Determinarea necesarului de căldură și apă caldă pentru un imobil
21
δ2 01 m λ2 0035 Wmk tp2 2173060904 degC
δ3 005 m λ3 0033 Wmk tp3 1733238927 degC
δ4 m λ4 Wmk tp4 15 degC
δ5 m λ5 Wmk tp5 degC
δ6 m λ6 Wmk tp6 degC
tp7 degC
q 1539377 W
Figura 29
Q13 - fluxul termic pierdut prin tavan
Specificatii tavan
Tencuiala δ 002 m Grosime
λ 093 WmmiddotK Conductivitate termica
Rt 0021505 m2middotKW Rezistenta termica
Placa beton armat
δ 013 m Grosime
λ 174 WmmiddotK Conductivitate termica
Rt 0074713 m2middotKW Rezistenta termica
Sapa δ 003 m Grosime
λ 026 WmmiddotK Conductivitate termica
Rt 0115385 m2middotKW Rezistenta termica
Vata bazaltica δ 015 m Grosime
λ 0037 WmmiddotK Conductivitate termica
Determinarea necesarului de căldură și apă caldă pentru un imobil
22
Rt 4054054 m2middotKW Rezistenta termica
Placa nivelanta δ 002 m Grosime
λ 026 WmmiddotK Conductivitate termica
Rt 0076923 m2middotKW Rezistenta termica
K13 = 1
1
120572119894+
1205751
1205821+
1205752
1205822+
1205753
1205823+
1205754
1205824+
1205755
1205825 +
1
120572119890 =
11
8+
002
093+
013
174+
003
026+
015
0037+
002
026+
1
22
K13 = 0219736 Wm2C
S13 = S12 = 12296 m2
Δt = ti - te = 22 + 15 = 37degC
Q13 = K13 middot S13 middot Δt = 0219736 middot 12296 middot 37 = 1000 W
Tavan
ti 22 degC αi 8 Wm2 k
te -15 degC αe 22 Wm2 k
δ1 002 m λ1 093 Wm k tp1 209751906 degC
δ2 013 m λ2 174 Wm k tp2 207988793 degC
δ3 003 m λ3 026 Wm k tp3 2018634954 degC
δ4 015 m λ4 0037 Wm k tp4 1924037163 degC
δ5 002 m λ5 026 Wm k tp5 -1399669009 degC
δ6 m λ6 Wm k tp6 -1462734204 degC
tp7 degC
q 8198475 W
Determinarea necesarului de căldură și apă caldă pentru un imobil
23
Figura 210
Q14 - fluxul temic pierdut prin suprafetele vitrate
Am ales un geam temopan cu trei randuri de sticla și cu tamplarie de lemn
K14 = 06 Wm2C
S14 = 2728 m2 suprafata ocupata de geamuri
Δt = ti - te = 22 + 15 = 37degC
Q14 = K14 middot S14 middot Δt = 06 middot 2728 middot 37 = 605616 W
Fereastra
ti 22 degC αi 8 Wmpk
te -15 degC αe 22 Wmpk
δ1 0005 m λ1 075 Wmk tp1 1992074356 degC
δ2 0018 m λ2 00177 Wmk tp2 1980984988 degC
δ3 0005 m λ3 075 Wmk tp3 2893865242 degC
δ4 0018 m λ4 00177 Wmk tp4 2782971565 degC
δ5 0005 m λ5 075 Wmk tp5 -1413301307 degC
δ6 m λ6 Wmk tp6 -1424390675 degC
tp7 degC
q 1663405 W
Determinarea necesarului de căldură și apă caldă pentru un imobil
24
Figura 211
Q1 = Q11 + Q12 + Q13 + Q14 = 8441254483 + 1892818 + 1000 + 605616
Q1 = 263871712 W
212 Mers de calcul pentru Q2
Q2 = n middot Q1
n - numarul de schimburi (07 08 1)
Q1 - fluxul de căldura pierdut prin transmisie
Q2 = 1 middot 263871712 =gt Q2 = 263871712 W
213 Mers de calcul pentru Q3
Q3 = 119898 middot119862119908 middot(119905119887minus119905119903)
120591 middot3600 [kW]
m - cantitatea de apa calda preparata [Kg]
m = n middot czn middot ρ [Kg]
ρ = 1000 Kgm3- densitatea apei [Kgm3] n = 4 - numarul de locatari =gt n
czn - consumul zilnic de persoana [l] gtgtgt czn = l middot 1000 = m3
Un consum de acm specific unui nivel de confort mediu la o temperature de 45degC vom avea un czn = 50 l de persoana
cw - căldura specifica a apei [KJKgC] =gt cw = 4186 KJKgmiddotC
tb - temperatura apei din boiler [C] =gt tb = 50degC
tr - temperatura apei de intrare [C] =gt tr = 10degC
Icircn general avem vara tr = 1217degC iar iarna tr = 5hellip10degC
120591 - timpul icircn care este incalzita apa [h] =gt 120591 = 4h
m = 4 middot (50 middot 1000) middot 1000 m = 200 Kg
Q3 = 200 ∙4186 ∙(50 ∙10)
4 ∙3600 =gt Q3 = 2325555556 W
Q = Q1 + Q2 + Q3 = 263871712 + 263871712 + 2325555556
Q = 7602989795 W =gt Q = 76 KW
Calculul necesarului de frig pentru depozit de fructe
25
3 Calculul necesarului de frig pentru depozit de fructe
31 31 Calculul grosimii izolatiilor
Regimul de funcţionare al spaţiilor frigorifice caracterizat prin valori coboracircte ale temperaturilor prin variaţia rapidă a acestora şi prin umiditatea mare a aerului icircncăperilor impune pentru izolaţiile termice ale pereţilor planşeelor şi pardoselilor condiţii deosebite Pereţii spaţiilor frigorifice despart două medii cu temperaturi diferite Fluxul de căldură ce pătrunde din exterior icircn camere care trebuie preluat de instalaţia frigorifică este direct proporţional cu diferenţa de temperatură dintre cele două feţe ale peretelui şi cu coeficientul global de transmitere a căldurii Izolarea se execută la spaţiile răcite atacirct la pereţi cacirct şi la tavan şi podea şi are ca rol icircmpiedicarea apariţiei condensului pe suprafaţa caldă a pereţilor incintelor frigorifice
Figura 31 Fig13 Variaţia de temperatură prin peretele termoizolant
Din exploatarea frigoriferelor se cunoaşte că prin icircnvelişul exterior al spaţiilor frigorifice trece icircn majoritatea cazurilor mai mult de jumătate din cantitatea totală de căldura ce pătrunde icircn icircncăperi Această cantitate de căldură se poate reduce prin majorarea grosimii stratului termoizolant Dar reducerea infiltraţiilor de căldură icircn acest tel nu se poate face nelimitat deoarece la o anumită grosime a stratului izolant adică la o anumită valoare a coeficientului k de transfer al căldurii costul construcţiei izolate va fi mai mare decacirct costul energiei ce reprezintă frigul economisit prin majorarea grosimii izolaţiei
De aceea se obişnuieşte a se folosi icircn calcule valori optime ale coeficientului k de transfer al căldurii calculacircndu-se astfel o grosime optimă a izolaţiei termice
Pentru izolarea pereţilor camerelor se vor folosi panouri tip sandwichFig15
Calculul necesarului de frig pentru depozit de fructe
26
Figura 32 Fig15 Construcţia panourilor de tip sandwich
Rolul panourilor plastifiate este de a preicircntacircmpina pătrunderea vaporilor icircn interiorul izolaţiei eliminacircnd necesitatea barierei de vapori Panourile folosesc metoda de icircmbinare nut-feder reducacircndu-se astfel transferul de căldură cu mediul extern
Deoarece avem un singur depozit vom adopta coeficienţii de transfer de căldură prin
convecţie funcţie de t
Aleg pentru t = = te - ti = 318 - 1 = 308 0C k = 023 Wm2K
Din catalogul de produse INCOLD Italia se alege poliuretan 100 mm = 0023 WmK
Tablă din oţel galvanizat plastifiat
Calculul necesarului de frig pentru depozit de fructe
27
Tabelul 317 Tabel24 Calculul grosimi izolației
ei
i
i
izizk
111
Coeficientul global de transfer de căldură se determină utilizand relaţia
eiz
iz
i
i
i
k
11
1
n
i i
i
1
- suma rezistenţelor termice ale tuturor straturilor din care este realizat
peretele[m2KW]
iz - grosimea stratului de izolaţie termică [m]
iz - conductivitatea termică a materialului izolator [WmK]
e - coeficient de convecţie pe partea exterioară a peretelui [WmK]
i - coeficient de convecţie pe partea interioară a peretelui [WmK]
32 32 Bilantul caloric al spatiului climatizat pe timp de vară Necesarul de frig pentru frigorifer
Se stabileşte consumul zilnic de frig pe icircntreg frigoriferul şi pentru fiecare icircncăpere icircn parte luacircndu-se icircn considerare cele mai nefavorabile condiţii de lucru
temperatura aerului exterior pentru luna cea mai caldă a anului
icircncărcarea maximă şi simultană a camerelor de refrigerare
Spaţiul frigorific
Perete k αi αe 1αi 1αe R 1k λiz
δiz
calc δiz
ales Kr
[Wm2K] [m2KW] [WmK] [m] [m]
N 0229 10 18 010 006 0590 4367 0023 0097 0100 023
E 0224 10 12 010 008 0618 4464 0023 0098 0100 023
DR S 0221 10 12 010 008 0618 4525 0023 0100 0100 023
V 0223 10 12 010 008 0618 4484 0023 0099 0100 023
T 0221 10 12 010 008 0618 4525 0023 0100 0100 023
P 0228 10 0 000 000 0435 4386 0023 0000 0100 023
N 0221 25 12 004 008 0558 4525 0023 0101 0100 023
E 0224 25 12 004 008 0558 4464 0023 0100 0100 023
CP S 0224 25 12 004 008 0558 4464 0023 0100 0100 023
V 0223 25 12 004 008 0558 4484 0023 0100 0100 023
T 0221 25 12 004 008 0558 4525 0023 0101 0100 023
P 0228 25 0 000 000 0435 4386 0023 0000 0100 023
Calculul necesarului de frig pentru depozit de fructe
28
camerele vecine celei căreia i se face calculul necesarului de frig sunt goale şi au temperatura vestibulului sau a sasului
Aceste calcule determină necesarul de frig pe categorii de consumatori grupaţi după temperatura cerută şi permit stabilirea puterilor frigorifice icircn vederea proiectării instalaţiei
Pentru calculele termice sunt necesare următoarele
planul frigoriferului care a fost stabilit
dimensiunile camerelor
temperaturile necesare icircn fiecare cameră
Se consideră
1degC icircn depozitele de refrigerate
orientarea frigoriferului după punctele cardinale
condiţii climatice icircn lunile cele mai călduroase pentru zona geografică respectivă
Consumul de frig se calculează pentru 24 ore cu relaţia
Qnec = Q1 + Q2 + Q3 + Q4 [kcal24h]
Q1 - neeesarul de frig pentru acoperirea pătrunderilor de căldură prin cenvecţie
conducţie şi radiaţie din mediul icircnconjurător prin pereţi pardosea și plafon
Q2 - necesarul de frig tehnologic pentru procesele de răcire refrigerere şi
congelare eliminarea căldurii de respiraţie seu pentru unele procese chimice şi
biochimice
Q3 - necesarul de frig pentru ventilarea camerelor frigorifice cu aer proaspat care
trebuie racit şi uscat
Q4 - necesarul de frig rezulticircnd din condiţii de exploatare acoperirea căldurii
provenite din iluminat din funcţionarea motoarelor căldura provenită de la persoanele ce
manipulează produsele datorită deschiderii uşilor etc
321 Consumul de frig Q1
Se determină pentru fiecare spaţiu icircn parte cu relaţia
RttkFQ1 [ W ]
F - reprezintă suprafaţa pereţilor a pardoselei şi a plafonului corespunzător fiecărui
spaţiu frigorific icircn parte icircn m2 Ca suprafaţă de transfer se va considera suprafaţa
exterioară a perimetrului izolat termic
k - reprezintă coeficientul global de transmitere a căldurii prin convecţie conducţie şi radiaţie
prin pereţi plafon şi pardoseală (toate izolate termic) icircn [W(m2 middot grd)] Valoarea coeficientului k a
fost calculată icircn tabelul 24 (kr)
Δt - reprezintă diferenţa de temperaturi dintre temperatura exterioară suprafeţei de
transfer termic considerată şi temperatura interioară spaţiului frigorific
Calculul necesarului de frig pentru depozit de fructe
29
Diferenţa de temperatură ΔtR se ia icircn consideraţie numai la pereţii exteriori şi la
plafoane care sunt şi acoperiş pentru clădire
ΔtR = 0degC pentru pereţi exteriori orientaţi spre N
ΔtR = (5 10)degC pentru pereţi exteriori orientaţi spre E V S-E S-V
ΔtR = 15 degC pentru pereţi exteriori orientaţi spre S
ΔtR = (15 18)degC pentru plafoane care sunt şi acoperiş (terasă)
Calculul valorilor mărimii sumQ1 se recomandă a se efectua tabelar conform tabelului 25
Valoarea mărimii sum Q1 la aparate se obţine prin icircnsumarea fluxurilor termice prin toate cele 6 suprafeţe delimitatoare
La stabilirea valorii mărimii sum Q1 se consideră doar unul dintre fluxurile termice prin suprafeţele ce separă spaţiile frigorifice vecine Pentru aparatele de răcire din spaţiile frigorifice se consideră situaţia cea mai grea pentru fiecare spaţiu icircn parte respectiv că spaţiile vecine nu sunt răcite
Spaţiul frigorifi
c
Perete
Dimensiuni
Supraf F
[m2]
Kr [Wm2K]
Δt [grd]
Δtr
Q1 [W] sumQ1 q a [m]
b [m]
N 15 4 60 023 308 42504
246068
708
E 7 4 28 023 308 8 24987 892
DR S 15 4 60 023 185 15 46202 770
V 7 4 28 023 308 19835 708
T 15 7 105 023 308 74382 708
P 15 7 105 023 158 38157 363
N 7 4 28 023 185 11914
133566
426
E 7 4 28 023 268 8 22411 800
CP S 7 4 28 023 268 15 26919 961
V 7 4 28 023 185 11914 426
T 7 7 49 023 268 30204 616
P 7 7 49 023 268 30204 616
Tabelul 318 Tebel25 Calculul valorilor mărimii Q1
322 Necesarul de frig Q2
sum Q2 - necesarul de frig tehnologic pentru procesele de răcire refrigerare şi
congelare
Q2d = mcp(tc-ti)=500003644 = 4186000(243600)= 842 kW
Q2c = 2600036419 = 1798160 = 208 KW
Q2 = 208 + 842 = 293 = 30kW
unde
Q2d - necesarul de frig tehnologic depozit
Q2c - necesarul de frig tehnologic camera de preracire
Calculul necesarului de frig pentru depozit de fructe
30
m - cantitatea de produse introduse icircn tunelul de congelare icircn kg
te ti - temperaturi specifice corespunzătoare temperaturii iniţiale a produsului cald
(24 ordmC) respectiv temperaturii finale a produsului refrigerat (1 ordmC)
Căldura specfifică mere cp = 364 [kJkgK]
323 Necesarul de frig Q3
Icircn funcţie de natura produselor din spaţiul frigorific este necesar uneori să se realizeze ventilarea spaţiului prin asigurarea unui anumit număr de schimburi ale aerului din incintă icircn 24h Ca exemplu icircntotdeauna va fi necesară ventilarea prin introducere de aer proaspăt icircn spaţiile de păstrare pentru legume fructe şi ouă refrigerate Aceste produse vii respiră icircn timpul păstrării şi necesită icircn consecinţă ventilarea spaţiilor de păstrare
Acest consum de frig se ia icircn considerare doar la depozitele de refrigerare care se ventilează Se stabilește cu relația
Q3 = V ∙ a ∙ ᵖi ∙ (hex - hi) [kJ24]
V - volumul camerelor ventilateicircn m3
a = 24 schimburi pe zi pentru depozitele de mere
ᵖi - reprezintă densitatea aerului la temperature interioară icircn kgm3
Pentru depozitele de refrigerare considerăm umiditatea relativă ᵠi = 95 și ti=1 ordmC
rezultacircnd icircn acest caz hi= 9 kJkg
Parametri aerului exterior pentru zona icircn care este amplasat depozitul sunt temp ex 318
și umiditatea ext 60 rezultand din diagram mollier entalpia aerului Calcul facut icircn
programul Coolpack
ρi = 12 kgm3
hex = 7519 kJkg
Q3 = 616 2 12 (7519 - 9) (243600)= 00025 kW
324 Necesarul de frig Q4
Q4 - frigul consumat pentru acoperirea pierderilor icircn timpul exploatarii datorat deschiderii
usilor a corpurilor de iluminat a motoarelor electrice a oamenilor Se admite Q4 =
(01hellip04)Q1
Q4 = 02 379617 = 759234 = 008 kW
Qtotal = sum 119824120783 + Q2 + Q3 + Q4 = 004 + 30 + 000025 + 008 = 3012 = 31 kW
33 33 Stabilirea directiei raportului de termoumiditate și trasarea procesului de conditionare a aerului pe diagrama i-X pe timp de vară
Icircn fig16 este reprezentat un agregat pentru condiţionarea aerului pe timp de vară cu recirculare parţială
Calculul necesarului de frig pentru depozit de fructe
31
Figura 33 Figura16 Schema aparatului de condiţionare a aerului pe timp de vară cu recirculare parţială
F - filtru V - vaporizator C - compressor K - condensator VL - ventil de laminare I - icircncălzitor Vt - ventilator
Procesele de lucru pot fi reprezentate icircn diagrama h-x ca icircn figura următore
Figura 34 Fig17
A reprezintă starea aerului recirculat provenit din spaţiul condiţionat iar E este starea aerului exterior
Aerul tratat icircn aparatul de condiţionare care se introduce icircn incintă avacircnd starea B
trebuie să preia degajările de căldură Qv [kW] şi de umiditate Wv [kgs]
Direcţia procesului suferit de aer icircn incintă este dată de raportul de termoumidificare εv
= Qv Wv
Prin punctul A se trasează dreapta avacircnd raportul de termoumidificare εv iar punctul B se fixează pe această dreaptă adoptacircndu-se o anumită diferenţă de temperatură faţă de starea A
Aerul recirculat A se amestecă cu aerul proaspăt E şi rezultă starea de amestec M De regulă xM gt xB deci aerul va trebui să fie uscat
Pe verticala din B se fixează starea D avacircnd xD= xB şi ᵩD = 90hellip98
Calculul necesarului de frig pentru depozit de fructe
32
Se uneşte M cu D iar apoi se prelungeşte acest segment pacircnă la intersecţia cu ϕ = 100 rezultacircnd starea P avacircnd temperatura tp
Circulacircnd aerul cu starea M peste o suprafaţă rece avacircnd temperatura tp se va obţine procesul de răcire şi uscare MD
Temperatura suprafeţei tp se asigură cu o instalaţie frigorifică a cărei temperature de vaporizare va fi t0 lt tp
Ultimul proces din aparatul de condiţionare va fi icircncălzirea finală DB
Calculul agregatului de condiţionare a aerului pe timp de vară se efectuează asemănător cu cel a agregatului de condiţionare a aerului pe timp de iarnă cu observaţia că pe timp de vară nu este necesară umidificarea
331 Date
Vtotal = 616 m3 tint = 1ᵒC tex = 318 φint = 90 φext = 60 ρaer = 12 [kgm3]
Starea A
tA = ti + 3 = 4deg xA = 00043[kj
kg] φA = 86 hA = 1489[
kj
kg]
Starea B
tB = 1degC xB = 00036 [kj
kg] φB = 90 hB = 1024[
kj
kg]
Starea E
tE = 318degC xE = 00171[kj
kg] φE = 60 hE = 7519[
kj
kg]
Starea M
hM =hE + n ∙ hA
n + 1=
7513 + 20 ∙ 1489
21= 1775[
kj
kg]
xM =xE + n ∙ xA
n + 1=
00171 + 20 ∙ 00043
21= 00049[
kj
kg]
Rezulta din diagrama Mollier
Starea D
hD = 108 [kj
kg] xD = 0003[
kj
kg] φD = 97
Raportul de recirculare n = 20
Debitul de aer ventilat V =Vtotal∙20
24h=
616lowast20
24= 513 [m3h]
Debitul masic m = V ∙ ρaer = 513 lowast 12 =
6156[kg
h]
3600= 0171 [kgs]
tp = minus3degC t0 = tp minus 9degC = minus3 minus 9 = minus12degC
Puterea termica a vaporizatorului ( puterea frigorifică )
ФV = Ф0
Puterea termica a icircncalzitorului
ФI = 119898 ∙ (hB - hD)
Cantitatea de apa condensată icircn unitatea de timp pe suprafața de racire este
Calculul necesarului de frig pentru depozit de fructe
33
ẆV = 119898 ∙ (XM - XD)
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
34
4 Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
Există două domenii principale icircn care se utilizează frigul artificial icircn lucrările de construcţii şi anume
icircngheţarea terenurilor acvifere icircn vederea săpării puţurilor de mină a barajelor a depozitelor de gaze lichefiate etc
prerăcirea componentelor betonului icircn cazul executării unor masive de beton ca de exemplu baraje
41 51 IcircNGHEŢAREA SOLULUI
411 511 CONSIDERAŢII GENERALE PRIVIND IcircNGHEŢAREA SOLULUI
Icircngheţarea artificială a solului reprezintă una dintre cele mai interesante şi icircn acelaşi timp şi importante aplicaţii practice a frigului artificial Totodată este una dintre primele aplicaţii industriale a tehnicii frigului şi care a asigurat o dezvoltare deosebită a industriei extractive Aşa se explică faptul că odată apărută maşina frigorifică cu absorbţie realizată icircn 1859 de către Ferdinand Carre este folosită la săparea primului puţ de mină prin icircngheţarea artificială a rocilor Dar nu numai industria minieră foloseşte icircn ultimul secol procedeul consolidării rocilor la săpararea unor lucrări subterane Lucrări inginereşti de tot genul ca metrouri staţii subterane de pompare rezervoare de gaze lichefiate poduri lucrări portuare şi altele asemănătoare amplasate icircn zone acvifere au fost realizate prin metoda consolidării prin frig a rocilor
Această metodă a consolidării rocilor prin frig artificial realizează icircn jurul lucrării inginereşti subterane un perete icircngheţat protector pe durata lucrărilor de construcţii Acest perete asigură o izolare hidraulică şi icircn acelaşi timp şi o protecţie mecanică Rezistenţa mecanică a rocilor creşte pe măsură ce temperatura lor scade icircncacirct metoda expusă mai sus prezintă avantajul reglării capacităţii portante a peretelui icircngheţat
Apa conţinută icircn terenuri prin icircngheţare capătă proprietăţile cimentului exprimate prin forţele de coeziune mari care apar icircntre cristalele de gheaţă şi grăunţii de rocă
Pentru obţinerea peretelui protector se folosesc sonde de icircngheţare forate pe conturul lucrării subterane şi prin care circulă agentul de răcire care poate fi un agent intermediar ca de exemplu saramura de clorură de calciu sau agentul frigorific de exemplu amoniacul Icircn funcţie de grosimea peretelui şi de rezistenţa mecanică pe care trebuie să o aibă se va alege temperatura agentului de răcire distanţa dintre sonde şi durata de icircngheţare
Instalaţia de consolidare prin frig a rocilor cuprinde trei părţi principale staţia frigorifică reţeaua de distribuţie a agentului de răcire (saramura) şi sondele de icircngheţare a solului
Staţia frigorifică cuprinde instalaţia frigorifică propriu-zisă cu comprimare mecanică de vapori sau prin absorbţie icircntr-o treaptă sau icircn două trepte Icircn funcţie de condiţiile de amplasament ale obiectivului staţia frigorifică poate fi de construcţie staţionară (icircn minerit) sau mobilă (la metrouri)
Reţeaua de distribuţie alcătuită din conducte metalice sau din mase plastice are rolul de a face legătura icircntre staţia frigorifică şi sondele de icircngheţare Pentru reducerea pierderilor de frig reţeaua de distribuţie se izolează termic
Sondele de icircngheţare constituie schimbătorul de căldură subteran prin care se extrage căldura de la terenul supus icircngheţării Icircn fig 51 se prezintă schiţa unei sonde de icircngheţare cu ajutorul saramurii Saramura rece cu temperatura icircntre -10 ordmC pacircnă la -35 ordmC
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
35
coboară prin ţeava interioară şi apoi se icircntoarce prin spaţiul inelar dintre cele două conducte concentrice
Figura 41 Fig 51 Sonda de icircngheţare 1 - şiu (tub scurt de oţel cu pereţi groşi rezistent) 2 - ţeava interioară 3 - ţeava exterioară (burlan de
icircngheţare) 4 - capul sondei
Circulaţia continuă a saramurii prin sonda de icircngheţare face ca rocile ce icircnconjoară sondele inclusiv apa conţinută icircn spaţiile libere să se răcească treptat Icircn jurul sondei icircncepe să se formeze stratul de rocă icircngheţată diametrul cilindrului de teren icircngheţat se măreşte icircn timp Aşa cum s-a arătat icircn capitolul 3 rezultă că dezvoltarea radială a cilindrului de rocă icircngheţată icircn jurul sondei se desfăşoară cu o viteza variabilă de icircnaintare la icircnceput viteza de icircnaintare a frontului de gheaţă este mai mare după care scade icircn timp Apoi se atinge stadiul staţionar de transfer de căldură cacircnd cilindrul nu mai creşte icircn dimensiuni Reiese că distanţa dintre sondele de icircngheţare este determinată de raza maximă a cilindrului de teren icircngheţat Pentru a realiza peretele icircngheţat care să reziste la solicitările la care este supus se impune ca distanţa dintre sondele vecine să fie mai mică decacirct raza maximă a terenului icircngheţat astfel icircncacirct cilindrii formaţi să se unească icircntre ei Icircn fig 52 se prezintă evoluţia icircn timp a icircngheţării terenului icircn jurul sondelor Icircn faza iniţială a icircnceput răcirea dar icircncă nu s-a format teren icircngheţat Icircn faza a II-a (după circa 20 zile) icircn jurul fiecărei sonde se formează cacircte un cilindru de teren icircngheţat fără ca aceştia să se unească Icircn faza a III-a (după circa 30 zile) cilindrii se icircntretaie şi formează peretele protector
Figura 42 Fig 52 Evoluţia cilindrilor individuali de rocă icircngheţată 1 - sonda de icircngheţare 2 - sonda de măsurători termice 3 - teren icircngheţat
Această evoluţie poate fi urmărită cu suficientă precizie prin măsurarea temperaturii masivului cu ajutorul unor sonde de măsurători termice 2 montate la distanţe bine stabilite de sondele vecine de icircngheţare Astfel icircn faza I-a temperatura este cea iniţială deci neafectată de prezenţa sondelor icircn faza a II-a temperatura este mai scăzută dar mai mare de 0 ordmC Cum icircn practică sondele de icircngheţare au o abatere de la poziţia verticală (sau de la cea impusă prin proiect) sondele de măsurători termice sunt prevăzute icircntre sondele
I II III
1
2 2 2
3 3
SARAMURĂ CALDĂ
IEŞIRE
INTRARE SARAMURĂ A E RECE
1
2
3
4
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
36
cele mai distanţate icircntre ele acolo unde evoluţia peretelui de protecţie este cea mai defavorabilă
Primele realizări inginereşti de consolidare prin frig artificial a terenurilor acvifere metodă prin care vor fi aduse la lumină multe bogăţii subterane sunt legate de numele inginerului de mine şi metalurgie Friederich Herman Poetsch El a obţinut icircn 27 februarie 1883 brevetul pentru procedeul său de adacircncire a puţurilor verticale icircn roci bogate icircn apă (şi curgătoare) Poetsch a reuşit să experimenteze procedeul său la adacircncirea unor puţuri de mină dar a avut şi multe insuccese icircncacirct la 9 iunie 1902 moare sărac şi dezamăgit Metoda de icircngheţare prin frig artificial a terenurilor a avut mare succes icircn Franţa Astfel numai icircn perioada 1892 - 1898 icircn bazinele carbonifere Nord şi Pas de Calais s-au săpat circa 20 puţuri pacircnă la o adacircncime de 100 m prin aplicarea metodei icircngheţării după planurile lui Poetsch
Desigur că nu ar putea fi omis numele lui Louis Gebhard care realizează numeroase lucrări de adacircncire a puţurilor prin icircngheţare atacirct icircn Germania cacirct şi icircn Franţa Anglia Olanda şi Polonia ceea ce face ca metoda propusă de Poetch să devină o tehnologie demnă de toată icircncrederea cu siguranţă absolută şi cu un mare randament
Gebhard un mare practician icircncepe sa folosească icircn locul instalaţiilor cu absorbţie realizate de F Carre pe cu cele cu comprimare mecanică de vapori realizate de Karl von Linde cu icircncepere din anul 1874
Poetsch icircn 1888 prevede extinderea procedeului de icircngheţare la construcţia podurilor la construcţii navale lucrări de fortificaţii la protecţia fundaţiilor subterane şi a bazinelor cu apă El susţine că poate să rezolve orice problemă sub apă chiar şi puţuri icircncepute şi abandonate
Icircn anul 1900 se depăşeşte bariera adacircncimii de 100 m Realizarea unor puţuri mai adacircnci (peste 100 m) ridică unele probleme icircn plus faţă de puţurile de mai mică adacircncime deoarece abaterile de la verticalitate pot conduce la formarea unor ferestre icircn peretele protector
Icircn ţara noastră această tehnologie de forare a unor puţuri de mină cacirct şi a galeriilor de metrou prin icircngheţarea solului a fost folosită cu icircncepere din anul 1961 aşa cum se prezintă icircn paragraful 513
412 512 CONSTRUCŢIA INSTALAŢIEI DE IcircNGHEŢARE A SOLULUI
Icircn funcţie de forma şi mărimea lucrării care se realizează la adăpostul terenului icircngheţat principial se pot utiliza următoarele tipuri de instalaţii
a) cu răcire indirectă denumită şi cu dublu schimb (fig53)
b)cu răcire directă icircn circuit icircnchis (fig 54)
c)răcire directă icircn circuit deschis (fig55)
a) Răcirea indirectă se utilizează icircn practică cel mai mult fiind cunoscută icircncă de la icircnceputurile metodei de icircngheţare a solului
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
37
Figura 43 Fig 53 Instalaţia frigorifică cu răcire indirectă 1 - compresor 2 - condensator3 - ventil de laminare 4 - vaporizator 5 - bazin de răcire a saramurii 6
- agitator 7 - pompă de saramură 8 - sonde de icircngheţare
Ca agent frigorific se poate folosi amoniacul sau freonii iar ca agent intermediar se utilizează soluţiile de clorură de calciu clorura de sodiu sau magneziu sărurile respective fiind relativ uşor de procurat
Instalaţiile frigorifice cuprind unul sau mai multe blocuri frigorifice Acest mod de compunere prezintă avantaje icircn ceea ce priveşte montarea cacirct şi exploatarea instalaţiilor se poate asigura o reducere icircn trepte a puterii frigorifice pe măsură ce creşte rezistenţa termică a stratului de teren icircngheţat
Componentele principale ale instalaţiei frigorifice se montează grupat pe cele trei secţiuni secţia de compresoare secţia condensatoarelor şi secţia vaporizatoarelor De regulă compresoarele se montează fie icircn aer liber atunci cacircnd tipul lor permite fie acoperite sub şarpante protectoare
Pe măsură ce se scot din funcţiune blocurile frigorifice se demontează şi se pot monta la un nou obiectiv
b) Răcirea directă icircn circuit icircnchis (fig 54) se utilizează icircn cazul icircn care adacircncimea de icircngheţare este mică
Figura 44 Fig 54 Instalaţia frigorifică cu răcire directă icircn circuit icircnchis 1 - compresor 2 - condensator 3 - ventil de laminare 4 - sonde de icircngheţare
Sondele de icircngheţare constituie vaporizatorul instalaţiei frigorifice Icircn cazul unor sonde de lungime mare icircnălţimea coloanei de agent frigorific este de asemenea mare Ca urmare a presiunii hidrostatice variabile şi temperatura de vaporizare este variabilă fiind mai mare
1
2
1111111 Apă
3
4
1
2
Apă 3
4
5
6
7
8
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
38
la capătul inferior şi mai mică la capătul superior Din acest motiv adacircncimea sondelor de icircngheţare nu poate depăşi anumite limite şi icircn plus se recurge la fragmentarea coloanei de lichid cu ajutorul unor pereţi despărţitori
Pierderile de agent frigorific mai mari decacirct icircn cazul răcirii indirecte reprezintă un alt inconvenient al acestui mod de răcire
c) Răcirea directă icircn circuit deschis constă icircn introducerea agentului frigorific (cel mai frecvent azot lichid) icircn sondele de icircngheţare fără ca acesta să mai fie folosit după vaporizare
La presiunea atmosferică azotul lichid fierbe la temperatura de -196 ordmC icircncacirct vaporii reci de azot icircnainte de a fi evacuaţi se folosesc de asemenea pentru congelarea solului fiind circulaţi prin sonde de icircngheţare (Fig 55)
Figura 45 Fig 55 Icircngheţarea cu azot lichid icircn două trepte 1 - ventil de laminare 2 - sonda de icircngheţare 3 - sonda de icircngheţare cu vapori de azot
Această metodă se foloseşte cacircnd se urmăreşte o icircngheţare rapidă şi volumul de teren icircngheţat este redus
Se vor prezenta icircn continuare unele elemente constructive ale instalaţiilor de icircngheţare
Reţeaua de saramură (fig 56) are rolul de a asigura transferul de căldură de la sol către agentul frigorific Cuprinde două schimbătoare de căldură cel subteran alcătuit din sondele de icircngheţare şi cel de suprafaţă reprezentat de vaporizatorul imersat icircn saramură Icircntre cele două schimbătoare de căldură există conducte magistrale distribuitoare - colectoare şi racorduri la sonde
Saramura răcită prin intermediul vaporizatorului 1 este circulată cu pompa 2 prin magistrala de tur a reţelei 3 Sondele de icircngheţare 5 se leagă prin vane la distribuitorul 4 şi colectorul 6 ambele de construcţie inelară Printr-o asemenea construcţie şi mod de legare a sondelor prezentate icircn figura 56 se asigură o echilibrare a căderilor de presiune pe sondele de icircngheţare şi ca urmare o alimentare uniformă cu agent intermediar şi deci şi o răcire uniformă pentru toate sondele
1
2
AZOT LICHID
VAPORI
AZOT -40OC
3
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
39
Figura 46 Fig 56 Schema reţelei de saramură 1- vaporizatorul 2 - pompa de saramură 3 - magistrala de tur 4 - distribuitorul inelar 5 -sondele de
icircngheţare 6 - colectorul inelar 7 - magistrale de retur M - manometru D - debitmetru T - termometru
Magistralele 3 şi 7 de acelaşi diametru şi lungime variabilă (determinată de o serie de factori) se pot monta atacirct la suprafaţă cacirct şi icircn canal
Magistralele se dimensionează icircn funcţie de puterea frigorifică a schimbătorului de căldură subteran alcătuit din sondele de icircngheţare
F0 qNHd [W] (51)
unde d - diametrul exterior al sondei de icircngheţare m
H - adacircncimea de icircngheţare m
N - numărul de sonde de icircngheţare
qF - densitatea fluxului termic raportat la suprafaţa exterioară a sondei La temperatura saramurii de - 20 ordmC se poate considera qF = (260290) Wm2
Debitul volumic V de agent intermediar icircn reţeaua de icircngheţare icircn funcţie de care se aleg
pompele se determină cu relaţia
tc
V o
(52)
icircn care este densitatea agentului intermediar kgm3
c - căldura specifică a agentului intermediar JkgK
t - creşterea temperaturii agentului (saramura) icircn sondele de icircngheţare K
La icircnceputul perioadei de răcire diferenţa de temperatură este t = 56 K ca apoi să scadă la 12 K
Icircn conductele magistrale se recomandă ca viteza saramurii să fie w = 0915ms
Icircn acest caz diametrul conductelor de transport a saramurii este dat de relaţia
w
V4D
[m] (53)
Icircn funcţie de valoarea determinată pentru D se aleg conducte metalice de diametru nominal cuprins icircntre 75200 mm Dacă rezultă D gt 200 mm se vor alege două conducte cu diametrul mai mic de 200 mm
2
T
T
M
M D
D
NH
3
3
4
6
5
7
1
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
40
Conductele magistrale se realizează prin icircmbinări cu flanşe sau sudate iar la lungimi mai mari de 100150 m se vor prevedea coturi compensatoare Pentru reducerea pierderilor de frig magistralele vor fi izolate termic
Distribuitorul de saramură răcită şi colectorul de saramură de la sonde sunt construcţii metalice identice
Icircn figura 57 se prezintă modul de racordare a sondelor de icircngheţare 5 la distribuitorul 1 şi colectorul 2 Vanele 3 asigură icircnchiderea deci oprirea circulaţiei şi reglajul debitului Prin aceste vane se poate izola o anumită sondă care nu funcţionează normal sau la care se observă o anumită defecţiune
Figura 47 Fig 57 Racordarea sondelor de icircngheţare la distribuitor şi colector 1 - distribuitor 2 - colector 3 - vane 4 - racord elastic 5 - sonda de icircngheţare
Poziţia distribuitorului şi colectorului faţă de racircndul sondelor de icircngheţare poate fi laterală de o singură parte sau laterală de ambele părţi ale sondelor Amplasamentul trebuie astfel făcut icircncacirct să fie posibilă vizitarea supravegherea şi eventual icircnlocuirea sondelor de icircngheţare
Racordarea sondelor la distribuitor şi colector se face prin cacircte un racord elastic (fig 57) Dimensionarea distribuitoarelor şi a colectoarelor se face din condiţia ca viteza saramurii să nu depăşească 0915 ms
Coloanele de distribuţie şi colectare urmăresc icircn teren forma şirului de sonde de icircngheţare şi pot avea acelaşi traseu sau trasee diferite Configuraţia traseului poate fi icircn linie sau circulară Icircn oricare din situaţiile prezentate distanţele dintre ştuţurile de racord şi sondele de icircngheţare sunt variabile astfel icircncacirct racordurile rigide prin flanşe şi sudură sunt greu de realizat Cea mai practică soluţie de racord icircn acest caz este furtunul de cauciuc (fig 57)
Icircn reţeaua de saramură poate pătrunde aer prin procesul de pompare ceea ce conduce la intensificarea acţiunii corosive a saramurii Icircn scopul icircndepărtării aerului nedorit pe partea superioară a conductelor icircn punctele cele mai ridicate ale acestora se montează robineţi de evacuare periodică a aerului şi eventual a altor gaze
Pe conductele magistrale se vor monta aparate de măsură şi control debitmetre termometre şi manometre (fig 56) Icircn acest caz se poate aprecia funcţionarea fiecărei sonde după depunerile exterioare de gheaţă pe racordul metalic sau de cauciuc lăsate neizolate termic tocmai icircn acest scop Icircn scopul urmăririi regimului de lucru sub aspect
5
4
1
2 3
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
41
hidraulic şi termic icircn mod individual se pot monta aparate de măsură şi control pe fiecare sondă de icircngheţare dar această soluţie este mai costisitoare
Sonda de icircngheţare realizează transferul de căldură de la terenul ce urmează a fi icircngheţat spre agentul frigorific (la răcirea directă) sau agentul intermediar (la răcirea indirectă)
Icircn figura 51 s-a prezentat schema de principiu a unei sonde de icircngheţare cu saramură activă pe toată lungimea Conducta exterioară sau burlanul de icircngheţare 3 este o conductă din oţel etanşă şi rezistentă la eforturile mecanice care apar datorită presiunii solului şi variaţiei de temperatură icircntre momentul fixării ei icircn sol şi cel al funcţionării la o temperatura sub 00C
Icircn procesul de icircngheţare coloana de burlane care poate atinge lungimi de sute de metri se contractă icircnsă nu liber deoarece ea este stracircnsă icircn masivul de roci La o variaţie de temperatură icircntre momentul iniţial (fără saramură) şi momentul pornirii circulaţiei de saramură de 400C conducta din oţel de 500 m adacircncime ar trebui să se contracte cu
tHH = 500 11 10-6 40 = 0220 m = 22 cm
Datorită fixării coloanei icircn gaura forată efortul unitar de icircntindere ce apare icircn urma scăderii temperaturii este
tE = 22 1010 11 10-10 40 = 968 105 Nm2 = 9680 Ncm2
La acest efort de icircntindere apărut datorită contracţiei coloanei se mai adaugă efortul de acelaşi semn provocat de dilatarea masivului de rocă acviferă icircngheţată Icircn scopul compensării eforturilor de icircntindere s-a propus icircmbinarea coloanei cu nipluri elastice O asemenea soluţie este mai scumpă şi icircn plus micşorează secţiunea liberă de curgere ceea ce conduce la icircncălzirea excedentară a saramurii
La lucrări subterane de mare adacircncime ca puţurile de mină depozite subterane se folosesc burlane de 1397 x 7 mm pentru a fi posibilă determinarea abaterii de la poziţie verticală
La tunelurile de metrou şi icircn general la lucrările la care adacircncimea de icircngheţare nu depăşeşte 50 - 60 m diametrul cel mai frecvent utilizat este 1143 x 7 mm
Ţeava interioară 2 (fig 51) numită şi tub de alimentare de regulă ţeava uşoară de instalaţii de 50 mm diametrul se introduce icircn burlanul exterior 3 fără icircnsă a atinge şiul de bază 1 al sondei Se asigură icircn acest mod un volum minimal de depuneri solide care circulă cu saramura icircn mod incidental Icircn scopul economisirii de metal tubul de alimentare poate fi din material plastic ceea ce prezintă marele avantaj al lipsei coroziunii şi al refolosirii materialului respectiv
Şiul de fund are rolul de a asigura icircnchiderea burlanului exterior icircn partea sa inferioară Cel mai adesea are formă conică pentru a asigura introducerea cu uşurinţă a coloanei metalice icircn gaura de sondă Această componentă a sondei de icircngheţare se execută fie prin turnare sau se confecţionează cu ajutorul sudurii
Corespunzător profilului geologic al terenului icircn care se lucrează se icircntacirclnesc şi cazuri cacircnd nu este nevoie să se icircngheţe terenul pe toată icircnălţimea sondelor ci numai la partea lor inferioară Icircn acest caz se folosesc sonde de icircngheţare zonală (fig 58) cu ajutorul cărora se asigură congelarea doar a zonei inferioare ceea ce prezintă avantaje economice deosebite nu se consumă energie pentru a icircngheţa icircn mod inutil formaţiuni geologice consistente şi uscate şi nu se reduce ritmul lucrărilor de săpare printr-o eventuală mărire a rezistenţei rocilor
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
42
Figura 48 Fig 58 Sonda de icircngheţare zonală
1 - burlan exterior 2 - tub de alimentare 3 - şiu 4 - tub de evacuare
Figura 49 Fig59 - Sonda de icircngheţare cu agent
frigorific 1 - tub exterior 2 - perete despărţitor 3 - şiu 4 -
ştuţ (ţeavă de preaplin) 5 - condensator - vaporizator
Icircn cazul răcirii directe sondele de icircngheţare cu agent frigorific sunt de construcţie specială (fig 59) Particularitatea acestor sonde este prezenţa pereţilor despărţitori 2 dispuşi unul sub celălalt la circa 3 m fiecare perete fiind prevăzut cu un ştuţ de preaplin O asemenea construcţie are rolul de a fracţiona coloane de lichid ceea ce asigură o răcire mai uniformă pe lungimea sondei
Fiecare sondă este prevăzută la partea superioară cu cacircte o cămaşă de răcire Sondele se umplu cu amoniac lichid icircntr-o asemenea cantitate icircncacirct fiecare secţie să fie icircnecată cu lichid respectiv pacircnă la partea superioară a ştuţurilor 4 Ca urmare a fluxurilor de căldură de la sol se produce fierberea amoniacului icircn toate secţiile sondei Vaporii formaţi se ridică prin ştuţurile 4 şi ajungacircnd la partea superioară a sondei se condensează cedacircnd căldură agentului (amoniac) din cămăşile de răcire
Ca urmare cămăşile de răcire de la partea superioară a sondelor constituie vaporizatorul instalaţiei frigorifice Amoniacul care se condensează la partea superioară a sondei curge icircnapoi (de sus icircn jos) prin ştuţurile 4 Folosirea pereţilor despărţitori şi a ştuţurilor micşorează influenţa presiunii hidrostatice a lichidului asupra temperaturii de vaporizare a amoniacului Asemenea sonde de icircngheţare se folosesc pentru lucrări de mică adacircncime
Amplasarea sondelor se face icircn funcţie de o serie de factori formă poziţia şi dimensiunile lucrării care se realizează structura terenului temperatura şi viteza agentului etc
Icircn cazul puţurilor de mină de secţiune circulară sondele se amplasează pe un cerc
concentric de diametru D mai mare decacirct diametrul de săpare Ds cu grosimea a peretelui icircngheţat
sDD (54)
Trebuie să se ţină seama şi de deviaţia sondelor de la poziţia verticală icircncacirct pentru adacircncimi mari se utilizează relaţia
3
2 4
1
VAPORI 5 LICHID
3
2
4 1
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
43
a21DD s (55)
unde a = 003 H este abaterea medie statistică de la verticală a sondelor
Distanţa dintre sonde se ia de obicei de 1014 m icircn terenuri rezistente şi de 0809 m icircn terenuri slabe
Pentru adacircncimi de peste 500 m se recomandă să se dispună sondele pe două cercuri concentrice pentru a se forma un perete de grosime mai mare şi deci mai rezistent
La icircngheţarea terenului icircn jurul puţurilor de secţiune dreptunghiulară sondele se pot dispune pe dreptunghi sau elipsă Icircn aceste situaţii centura de teren icircngheţat poate fi solicitată la icircntindere ceea ce este de nedorit deoarece limita de rezistenţa la icircntindere a terenurilor icircngheţate este de circa 3 ori mai mică decacirct limita rezistenţei la compresiune Din acest motiv chiar şi la puţurile de mină de secţiune dreptunghiulară sondele se dispun pe unul sau două cercuri (fig 510)
Pentru realizarea galeriilor icircnclinate icircngheţarea terenului se realizează cu sonde verticale (fig 511) sau combinat atacirct cu sonde verticale cacirct şi cu sonde icircnclinate (fig 512)
Distanţa dintre sondele verticale (fig 511) se ia de 23 m iar distanţa dintre racircnduri este de 1525 m
Se poate folosi cacircte un racircnd de sonde icircnclinate montate deasupra galeriei (fig 212 a) sau sonde icircnclinate sub galerie şi sonde verticale scurte deasupra galeriei (fig 512 b)
SONDA
154 m
16
6 m
226
262
85
SONDA
Figura 411 Fig 511 Amplasarea sondelor verticale pentru realizarea galeriei icircnclinate
Figura 411 Fig 510 Dispunerea sondelor icircn jurul puţurilor de mină de secţiune
dreptunghiulară
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
44
Figura 412 Fig 512 Realizarea galeriilor icircnclinate cu sonde verticale (1) şi sonde oblice (2)
I - secţiunea longitudinală II - secţiunea transversală a) sonde icircnclinate deasupra galeriei b) sonde icircnclinate sub galerie
413 513 UTILIZAREA METODEI DE IcircNGHEŢARE A SOLULUI IcircN ŢARA NOASTRĂ
a)Puţuri de mină
Aplicarea metodei de icircngheţare a solului pentru lucrări de minerit a avut loc la noi icircn ţară icircncepacircnd cu anul 1960 la puţul Godeni din bazinul carbonifer Cacircmpulung - Muscel Proiectul a fost elaborat icircn anul 1959 la IPROMIN Bucureşti iar lucrarea a fost executată cu Trustul Minier Argeş avacircnd icircn subantrepriză de specialitate Icircntreprinderea Frigotehnica Bucureşti şi Trustul de prospecţiuni explorări şi deschideri de mine noi Bucureşti
Adacircncimea de săpare a puţului Godeni a trebuit sa fie de 202 m Sondele de icircngheţare constituite din două ţevi concentrice (fig 51) cu diametrele exterioare de 146 mm şi respectiv 57 mm icircn număr de 27 au fost amplasate pe un cerc cu diametrul de 10 m la distanţa de 117 m una de alta
Instalaţia frigorifică a fost dimensionată cu mare precauţie pentru a avea o siguranţă mărită icircn funcţionarea ei Toate părţile componente ale instalaţiei frigorifice au fost proiectate şi executate icircn ţară
La proiectarea instalaţiei s-a avut icircn vedere funcţionarea de scurtă durată şi variaţia puterii frigorifice icircn timp S-a utilizat răcirea indirectă cu soluţie de clorură de calciu iar ca agent frigorific a fost folosit amoniacul Pentru a avea elasticitatea necesară icircn funcţionare la diferite puteri frigorifice au fost folosite grupuri de utilaje frigorifice şi anume
6 compresoare 4 AU - 20 (200000 kcal Nh =233 kW fiecare)
3 baterii de condensatoare atmosferice a cacircte 300 m2 (900 m2)
bazine pentru răcirea saramurii fiecare cu cacircte 2 vaporizatoare superintensive de 50 m2 (600 m2)
2 grupuri a cacircte 5 pompe pentru recircularea saramurii
Puterea frigorifică a instalaţiei montate a fost de 12106 kcal Nh =1395 kW şi s-a caracterizat prin următoarele date tehnice la exploatare
85
1
2
I 85
1
2
I
85
1
2
II
85
1
2 II
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
45
o suprafaţa de schimb de căldură a sondelor 2500 m2 o puterea instalaţiei 750 kW o debitul saramurii icircn
o icircn perioada activă 350 m3h o icircn perioada pasivă 70 m3h
o viteza de circulaţie a saramurii icircn sondă o tur 18 ms 036 ms o retur 029 ms 006 ms
o volumul rocilor icircngheţate circa 10000 m3 o consumul specific de frig mediu 50000 m3 o durata icircngheţării (perioada activă) 130 zile
Icircn timpul răcirii şi deci a icircngheţării solului puterea frigorifică scade icircn mod continuu icircncacirct treptat s-a scos din funcţiune cacircte un compresor icircn perioada pasivă (de săpare a puţului) s-a menţinut icircn lucru doar un singur compresor şi grupul de utilaje aferent
După terminarea lucrărilor de la puţul Godeni icircn anii următori aceeaşi instalaţie s-a montat la puţul Poenari din acelaşi bazin carbonifer unde sondele au fost amplasate pe un cerc cu diametrul de 11 m la distanţa de 128 m una de alta
Un alt puţ realizat prin această tehnologie de icircngheţare a solului a fost puţul Jugur de la acelaşi bazin carbonifer Centrala frigorifică a cuprins 15 compresoare 3 AV - 20 (150000 kcal Nh fiecare=175kW) repartizate icircn 5 linii tehnologice independente cu icircntreg utilajul aferent Fiecare linie este compusă din
o butelie de răcire intermediară BRI - 700 un condensator cu evaporare forţată CEF - 180 un bazin cu patru grupuri vaporizatoare intensive de cacircte 165 m2 (icircn total 66 m2)
Sondele de icircngheţare icircn număr de 27 bucăţi au fost prevăzute să se amplaseze pe un cerc cu diametrul de 104 m la distanţă de 121 m Sondele sunt de tipul celei indicată icircn figura 58 deci cu răcire zonală avacircnd următoarele caracteristici diametrul exterior al burlanului este de 146 mm iar tuburile interioare au 57 mm (la exterior) tubul de alimentare are lungimea de 430 m iar cel de evacuare este de 220 m Ca urmare sondele de icircngheţare trebuie să producă icircngheţarea solului numai pe adacircncimea de la 220 m la 430 m Prin proiect s-au prevăzut următoarele date temperatura saramurii - 35 ordmC viteza saramurii icircn conducte de tur 18 ms viteza icircn conducte de retur (pe adacircncimea de răcit) 06 ms durata icircngheţării (perioada activă) a fost de 75 zile
Au fost prevăzute temperaturi scăzute şi viteze mari de congelare deoarece cilindrul icircngheţat trebuie să preia presiuni de pacircnă la 56 bar
b)Tunelurile pentru metroul din Bucureşti
Icircncepacircnd cu anul 1976 pentru realizarea metroului din Bucureşti s-a procedat la aplicarea metodei de icircngheţare a solului icircntr-o zonă considerată experimentală dar cu realizări efective de galerii
Prin proiect s-a prevăzut consolidarea prin icircngheţare artificială a profilului de săpare a tunelurilor de metrou pe o lungime de circa 550 m pe ambele fire Amplasamentul sondelor s-a făcut icircn două variante (pentru experimentare) pentru un fir de tunel ambele racircnduri de sonde s-au fixat icircn profilul circular de săpare iar pentru cel de al doilea fir de tunel sondele au fost forate icircn afara profilului de icircnaintare (fig 513) Au fost folosite sonde cu saramură cu posibilitatea de icircngheţare pe toată icircnălţimea de 16 m cacirct şi sonde cu icircngheţare zonală icircntre adacircncimile de 7 m şi 16 m Distanţa dintre sonde a fost fixată la 14 m
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
46
Pentru a se icircmpiedica accesul apelor icircn frontul de săpare datorate unor eventuale zone neicircngheţate traseul de tunel icircngheţat a fost icircmpărţit icircn incinte icircnchise prin timpane transversale La distanţe de 3050 m icircn lungul traseului au fost montate sonde de icircngheţare aşezate icircn plan normal pe axul tunelului prin care să se icircnchidă accesul apelor spre frontul de săpare
Echipamentul frigorific principal cuprinde
- 8 compresoare frigorifice 3 AV - 20 funcţionacircnd icircntr-o treaptă pentru care
corespunde puterea frigorifică de 12 106 kcal Nh =1395 kW
- 4 condensatoare de evaporare forţată CEF - 250
- 3 bazine de răcire a saramurii echipate cu cacircte 4 grupuri de vaporizatoare superintensive de cacircte 51 m2 (total 612 m2)
- 3 grupuri de cacircte 2 pompe a 220 m3h pentru circulaţia saramurii pe traseele de distribuţie şi prin sonde
Figura 413 Fig513 Amplasamentul sondelor de icircngheţare
Centrala frigorifică este stabilă adăpostită icircntr-o baracă metalică demontabilă existacircnd posibilitatea de reamplasare rapidă a instalaţiei icircntr-un alt loc Agentul frigorific utilizat este amoniacul iar agentul intermediar este clorura de calciu
Icircn perioada principală de icircngheţare temperatura de vaporizare este to = -22 ordmC asiguracircnd răcirea saramurii la -17 ordmC iar pe retur saramura a avut temperatura cu 15 ordmC mai ridicată
La o asemenea lucrare realizată icircn oraş se impune protejarea contra icircngheţului a straturilor de deasupra galeriilor icircn care sunt amplasate instalaţiile de apă - canal ceea ce presupune folosirea sondelor cu icircngheţare zonală care să nu fie active la partea superioară
c) Puţuri pentru prospectarea balastierelor
Procedeul şi instalaţia frigorifică au avut caracter de noutate şi s-a aplicat icircncepacircnd cu anul 1966 la mai multe obiective icircn general pe văile racircurilor unde s-au construit hidrocentrale
A
A B
B
A-A
000 -300 -700 -1061 -1300
65
800
B-B
000 -300 -700 -1061 -1300
65
550
ARGILA
ARGILA
NISIP
NISIP
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
47
Echipamentul frigorific principal cuprinde un agregat frigorific pentru amoniac de 20000 kcal Nh = 233 kW rezervor de amoniac separator de lichid şi anexe - toate fiind montate pe o remorcă
S-au folosit sonde de icircngheţare cu agent frigorific icircn număr de 8 bucăţi cu diametrul exterior de 133 mm montate pe un cerc cu diametrul de 2 m la distanţa de 076 m lungimea lor fiind de 75 m Legarea sondelor la distribuitor şi colector s-a făcut cu racorduri flexibile
Sondele au o construcţie specială fiind prevăzute cu 4 pereţi transversali cu ştuţuri de preaplin formacircndu-se astfel 5 compartimente Agentul lichid se introduce icircn compartimentul cel mai de sus şi se scurge prin ştuţuri pacircnă la baza sondei Conducta de aspiraţie străbate toate compartimentele vaporii fiind aspiraţi din compartimentul cel mai de jos Circulaţia vaporilor formaţi se face ca şi a lichidului de sus icircn jos obţinacircndu-se astfel o răcire uniformă şi eficientă pe toată icircnălţimea sondei
Durata icircngheţării respectiv a formării centurii de teren icircngheţat la adăpostul căreia să se poată efectua săparea şi preluarea de probe de sol este de 10 zile
414 514 CAcircMPUL DE TEMPERATURĂ IcircN SOLUL IcircNGHEŢAT
Cacircnd prin sonda de icircngheţare circulă saramură a cărei temperatura este sub 0 ordmC practic - 20 ordmC-25 ordmC icircn jurul sondei se formează un cacircmp termic care icircn cazul unei singure sonde poate fi reprezentat prin suprafeţe cilindrice coaxiale de temperatură constantă (izoterme)
După distanţa radială se deosebesc icircn sol din punct de vedere termic trei zone zona cilindrică din imediata vecinătate a sondei care este icircn zona icircngheţată zona răcită cuprinsă icircntre suprafaţa cilindrică izotermă de 0 ordmC şi izoterma de temperatură naturală şi a treia zonă cea de temperatura naturală (fig 514)
Icircn zona icircngheţată temperatura masivului variază de la temperatura peretelui metalic al sondei pacircnă la 0 ordmC Icircn zona răcită temperatura masivului creşte de la 0 ordmC pacircnă la temperatura naturală a masivului
Figura 414 Fig 514 Cacircmpul de temperatură icircn jurul unei sonde de icircngheţare
Este important să se cunoască cacircmpul termic icircn terenul supus icircngheţării deoarece acesta oferă date privind zona de răspacircndire a consolidării rocilor prin solidificarea apei cacirct şi a
t [oC]
r [m]
t (r)
ZONA RACITA
ZONA INGHETAT
A
ts TEMPERATURA NATURALA A ROCII
-20
-10
40
10 0 20 30
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
48
rezistenţei mecanice a rocii icircngheţate Se cunoaşte faptul că rezistenţa mecanică depinde direct de temperatură
Studiul variaţiei temperaturii icircn zona de influenţă a unei sonde şi a tuturor sondelor simultan oferă posibilitatea calculării dimensiunilor la proiectarea construcţiei peretelui protector cacirct şi controlul procesului icircn timpul desfăşurării lucrărilor
Pentru a se stabili relaţia de variaţie a temperaturii icircn zona icircngheţată icircn funcţie de raza r se consideră ecuaţia diferenţială
dr
dtr2q (56)
icircn care q este fluxul unitar de căldură corespunzător lungimii de 1 m din sonda de icircngheţare Wm
- conductivitatea termica a terenului Wm
Integrarea directă a ecuaţiei analitice se poate face icircn ipoteze simplificatoare consideracircnd
= const şi q = const ceea ce este justificat la valori mari ale timpului de răcire
Se separa variabilele
r
dr
2
qdt
(57)
Se consideră cunoscute temperaturile t1 la suprafaţa sondei de raza r1 și t2 = 0 ordmC la raza r2 corespunzătoare suprafeţei exterioare a cilindrului icircngheţat Se integrează ecuaţia (6-7) și cunoscacircnd limitele de integrare se va determina constanta de integrare
Cr ln2
qt
(58)
pentru r = r1 t = t1 deci
11 rln2
qtC
(59)
1
1r
rln
2
qtt
(510)
Se pune condiţia ca pentru r = r2 t = t2
1
212
r
rln
2
qtt
(511)
Se elimina q intre relaţiile (510) și (511) şi se obţine
1
2
1121
r
rln
r
rln
tttt (512)
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
49
Figura 415 Fig 515 Schema schimbătorului de căldură subteran
Pentru t2 = 0 ordmC relaţia (5-12) devine
)rrln(
)rrln(tt
12
21 (513)
Icircn figura 515 se prezintă o secţiune axială printr-o sondă de icircngheţare şi variaţia temperaturii icircn limitele t0 - temperatura agentului de răcire şi ts - temperatura naturală a solului
Cantitatea de căldură transferată de la masivul neicircngheţat spre agentul de răcire prin unitatea de lungimea de conducta şi unitatea de timp se calculează cu expresia
221
2
1o
1
moo
os
d
1
d
dln
1
d
dln
2
1
d
1
ttq
(514)
Icircn calculele inginereşti cel mai frecvent se determină nu fluxul termic pe unitatea de lungime a conductei ci fluxul termic qF raportat la unitatea de suprafaţă a conductei metalice la 1 m2 de suprafaţa exterioară sau interioară Mărimea qF se calculează astfel
22
o
1
2
1
o
o
1
m
o
o
oS
o
F
d
d
d
dln
2
d
d
dln
2
d1
tt
d
(515)
Fluxul termic qF prin unitatea de suprafaţă a sondei de icircngheţare calculat pentru adacircncimea de 100 m icircn regim laminar de curgere a agentului de răcire prin spaţiul inelar al sondei cu viteza w = 01 ms la diametre ale cilindrului de rocă icircngheţata
de la 02 la 3 m pentru to = -20 ordmC do = 01 m 1 = 233 WmK variază de la 720 la 230 Wm2 aşa cum se poate observa din figura 516 şi tabelul 51
d2
d1
d0
t
qF
t0
t2
t1 2
m 1
m
ts
Conducta Teren icircngheţat Teren
neicircngheţat
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
50
Figura 416 Fig 516 Variaţia fluxului termic qF prin unitatea de suprafaţă a sondei de icircngheţare 1 - regim turbulent 2 regim laminar
Tabelul 51Variaţia fluxului termic qF [Wm2]
Diametrul cilindrului de rocă icircngheţată icircn m
02 04 05 08 10 15 20
qF regim laminar 1160 550 387 330 302
qF regim laminar 720 465 423 350 321 283 258
Se observă ca densitatea fluxului de căldura qF scade foarte mult de la 800900 Wm2 la icircnceputul operaţiei de consolidare prin frig a rocilor pacircnă la 230250 Wm2 cacircnd cilindrul de rocă icircngheţata atinge diametrul de 23 m Ca urmare a acestei situaţii şi puterea frigorifică a instalaţiei va scădea icircn decursul a 6080 zile tot cu raportul de 800230 = 35
Instalaţia frigorifică va fi constituită din grupuri de utilaje (module) ce vor fi scoase treptat din funcţiune pe măsură ce se reduce densitatea fluxului de căldură qF ca urmare a creşterii grosimii stratului de teren icircngheţat Icircn practică pentru calcule se va considera qF = (260290) Wm2
O mărime importanta pentru proiectarea instalaţiei şi aprecierea procesului de consolidare a rocilor este timpul de icircngheţare Pentru calculul duratei de icircngheţare se pot folosi relaţiile prezentate icircn capitolul 3 la formarea gheţii pe suprafeţe cilindrice exterioare La aprecierea valorii pentru ls - căldura latentă de solidificare se avea icircn vedere conţinutul de apă din terenul supus icircngheţării
Dacă icircntre relaţiile pentru dependenţele (r) şi qF(r) se elimină r se obţine dependenţa
qF() Eliminarea nu se poate face direct ci fie cu ajutorul calculatorului fie printr-o construcţie grafică prezentată icircn figura 517
Studiul variaţiei temperaturii icircn solul icircngheţat cacirct și variaţia icircn timp a densităţii fluxului de căldura se poate face cu ajutorul calculatorului electronic
1200
1000
800
600
400
200
0 05 1 15 2 25 3
qF [Wm2]
Diametrul cilindrului de rocă icircngheţată [m]
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
51
Figura 417 Fig 517 Stabilirea dependentei qF() pe baza dependentelor qF(r) și (r)
415 515 ELEMENTE DE PROIECTARE A INSTALAŢIEI FRIGORIFICE PENTRU IcircNGHEŢAREA SOLULUI
Pentru proiectarea instalaţiei frigorifice trebuie sa se stabilească la icircnceput elementele de baza și anume
- puterea frigorifică maximă care apare la icircnceputul perioadei de răcire cacircnd pătrunderile de căldura spre agentul de răcire din sondele de icircngheţare au valori mai mari temperatura de vaporizare a agentului frigorific plecacircnd de la temperatura minimă sau medie din solul icircngheţat şi avacircnd icircn vedere modul de răcire directă sau indirectă
Se calculează cantitatea totală de căldură ce trebuie extrasă din terenul supus răcirii şi icircngheţării Se cunoaşte structura terenului icircngheţat deci se cunosc icircnălţimile h1 h2hn ale diferitelor straturi componente cacirct şi proprietăţile termofizice ale acestora
Grosimea centurii de teren icircngheţat se stabileşte icircn urma calculelor de rezistenţa materialelor icircncacirct se pot calcula volumele ocupate de straturile componente V1 V2Vn
Cantitatea de căldură ce trebuie extrasă din zona icircngheţată cuprinde două componente și anume
cantitatea de căldura Qa corespunzătoare răcirii şi icircngheţării apei
cantitatea de căldura Qt necesara răcirii părţii solide a terenului
n
1kfgsikaakka tcltcVQ (516)
unde
k - reprezintă conţinutul icircn apă din stratul respectiv [m3m3]
a - densitatea apei [kgm3]
ca cg - căldura specifica a apei respectiv a gheţii Jkg K
tik - temperatura iniţiala a stratului respectiv (de ordinul k)
tf - temperatura medie finala a masivului icircngheţat
ls - căldura latentă de solidificare a apei
r
q
q
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
52
fik
n
1kkkkkt ttc1VQ
(517)
k - densitatea părţii de teren solid (uscat) din stratul k
ck - căldura specifică a terenului uscat din stratul k
Cantitatea de căldură extrasă din terenul răcit reprezintă circa 1018 din cantitatea de căldură extrasă din zona de teren icircngheţat
Deci cantitatea totală de căldură Q ce va trebui preluată de către instalaţia frigorifică se poate aprecia astfel
Q = (110118) (Qa + Qt) (518)
Cu relaţia (51) se calculează puterea frigorifica a instalaţiei adoptacircnd o valoare medie pentru densitatea fluxului de căldura qF
Se poate aprecia timpul de funcţionare a instalaţiei frigorifice
o
Q
(519)
La anumite grosimi ale cochiliei de teren icircngheţat icircn jurul sondei densitatea fluxului termic scade sub valoarea medie adoptată icircn calcule şi ca urmare icircncepacircnd de la acest moment se va putea reduce treptat puterea frigorifica a instalaţiei prin scoaterea din funcţiune a unor grupuri
La proiectare se pot avea icircn vedere unele recomandări practice pentru stabilirea necesarului de frig pentru icircngheţarea unui m3 la -10 ordmC este necesar un consum specific de frig de 66000 kJ la 10 umiditate de 155000 kJ la 35 umiditate și de 210000 kJ la 50 umiditate
42 52 RĂCIREA BETONULUI LA CONSTRUCŢIILE MASIVE
421 521 INSTALAŢII DE PRERĂCIRE A COMPONENTELOR BETONULUI
Formarea betonului din elementele sale componente (nisip pietriş ciment şi apă) este icircnsoţită de fenomene fizico - chimice icircn care se degajă căldură şi ca urmare temperatura acestuia creşte Icircn cazul unor masive din beton (baraje) dacă viteza de turnare (icircn sezonul cald cacircnd se efectuază construcţia) este mai mare şi nu se asigura evacuarea căldurii corpul rezultă la o temperatura medie mai mare decacirct temperatura medie anuală Răcirea naturală conduce la contracţia masivului şi ca urmare la apariţia sub acţiunea tensiunilor interne a unor fisuri
Pentru ca variaţiile de temperatura icircntre centrul barajului şi straturile exterioare să fie cacirct mai mici se impune ca masivul respectiv să fie turnat la temperatura medie anuală a zonei respective Icircn acest scop se pot folosi două metode prin prerăcirea componentelor betonului și prin răcirea masei barajului
Icircn vederea reducerii căldurii degajată icircn reacţia dintre ciment şi apă au fost realizate sortimente de ciment caracterizate prin călduri masice reduse ce se degajă icircn procesul de priză
Prin prerăcirea componentelor betonului se urmăreşte ca betonul sa aibă temperatura medie a locului de amplasament şi prin aceasta evitarea apariţiei unor diferenţe mari de temperatură ce pun icircn pericol construcţia
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
53
Icircn funcţie de valoarea diferenţei de temperatură care trebuie realizată se poate adopta o anumită schemă de răcire pentru fiecare component icircn parte sau numai pentru unele din aceste părţi componente
Se pot folosi instalaţii frigorifice cu comprimare mecanică de vapori pentru răcirea apei a aerului sau formarea gheţii mărunte utilizate la prerăcirea componentelor betonului Folosirea gheţii fulgi sau solzi este limitată atacirct din cauza conţinutului de apă impus cacirct şi ca urmare a pericolului ca gheaţa să nu se topească icircn procesul de malaxare ci la turnare sau icircn procesul de priză ceea ce duce la formarea de goluri icircn beton
De asemenea se pot folosi instalaţiile frigorifice cu ejecţie
Icircn vederea stabilirii necesarului de frig pentru preratildecirea componentelor betonului se calculează mai icircntacirci cantitatea de catildelduratilde Qo1 ce trebuie evacuatatilde dintr-un m3 de beton avacircndu-se icircn vedere proporţiile icircn care participatilde cimentul nisipul pietrişul şi apa Fiecare component are o temperatură iniţialatilde şi urmeazatilde a fi răcit pacircnatilde la o temperatura finalatilde tf aceeaşi pentru toţi componenţii
fpppfnnnfccc1o ttcmttcmttcmQ
fnaanfpaapfaaa ttcmttcmttcm Jm3 (520)
unde
mc mn mp ma - masele de ciment nisip pietriş şi apă conţinute icircntr-un m3 de beton [kgm3]
cc cn cp cw - căldurile specifice masice ale cimentului nisipului pietrişului şi nisipul dintr-un m3 de beton [kgm3]
Puterea frigorifică se determină cu relaţia
3b1oo 10VQ [kW] (521)
icircn care bV reprezintă fluxul de betonare icircn m3s
Se prezintă icircn continuare cele mai folosite metode de prerăcire a componentelor betonului
4211 a) Instalaţie de prerăcire cu apă
Staţia de preparare a betonului este deservită de o instalaţie frigorifică cu comprimare mecanică de vapori care asigură răcirea apei
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
54
Figura 418 Fig 518 Schema de lucru a instalaţiei de prerăcire a betonului cu ajutorul apei 1 - ciment 2 - vagon nisip 3 - vagon pietris 4 - tancuri de răcire a pietrişului 5 - sită 6 - siloz de
nisip 7 - siloz de ciment 8 - rezervor de distribuţie 9 - răcitor de nisip 10 - răcitor de ciment 11 - răcitor de apă 12 - rezervor de apă răcită 13 - răcitor de apă 14 - instalaţie de prepararea betonului
I II III IV V - fazele de răcire a pietrişului
Icircn figura 518 se prezintă schema de lucru a unei asemenea instalaţii de prerăcire a betonului cu ajutorul apei folosită la construcţia barajului de la Detroit (SUA) Apa este răcită de la 16 la 15 ordmC şi transmisă apoi la instalaţia de preparare a betonului şi icircn cinci rezervoare a cacircte 90 m3 fiecare icircn care se răceşte pietrişul
Procesul de răcire a pietrişului cuprinde cinci faze
- faza I - introducerea apei icircn rezervor 10 minute
- fazele II şi III - introducerea simultană a apei şi a pietrişului 50 minute
- faza IV - evacuarea apei 15 minute
- faza V - evacuarea pietrişului 15 minute
Icircntregul proces de răcire a pietrişului durează 90 minute Pentru răcirea cimentului şi nisipului se utilizează schimbătoare de căldură cu ax elicoidal la care apa de răcire circulă prin arborele gol şi prin manta
Rezervoarele 12 pentru apa răcită au fiecare volumul de 114 m3
Beton 635oC
190 m3h
65oC
24oC
18oC
1
2
3
4
5
6
7
8
10
9
11
12
13
14
Apă 16oC
15oC
Cim
en
t
26 l
h
Nis
ip 1
12
lh
10
oC
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
55
42111 Aplicaţie numerică
Să se calculeze puterea frigorifică necesară prerăcirii betonului prin metode şi condiţiile prezentate mai sus Se cunosc următoarele date de calcul
mp = 1700 kgm3 beton
mc = 135 kgm3 beton
mn = 590 kgm3 beton
ma = 60 kgm3 beton
cc = cn = cp = 921 Jkg K
ca = 4180 Jkg K
map = 16 kgm3 beton
man = 38 kgm3 beton
tp = 18 ordmC
tc = 66 ordmC
tn = 21 ordmC tf = 635 ordmC
052803000
190Vb m3s
Se calculează componentele cantităţii de căldură Q01
3fcccc 10741735666921135ttcmQ Jm3
3fnnnn 10796135621921590ttcmQ Jm3
3fpppp 1024018356189211700ttcmQ Jm3
3faaaa 10420235616418060ttcmQ Jm3
3fpaapap 1077935618418016ttcmQ Jm3
3fnaaan 10232735621418038ttcmQ Jm3
Rezulta
3anapapnc1o 1039144QQQQQQQ Jm3
3o 10 206705280103914410VQ 33
b1o kW
4212 b) Instalaţii de prerăcire cu aer apă
Pentru răcirea componentelor betonului se utilizează icircn acest caz fie apa fie aerul ca agenţi intermediari răciţi cu ajutorul instalaţiilor frigorifice
Icircn figura 519 se prezintă schema unei asemenea instalaţii folosită la construcţia barajului de la Sariyar din Turcia
Răcirea aerului se poate face fie direct prin vaporizarea unui agent frigorific fie indirect cu un agent intermediar de răcire ca de exemplu saramura de clorură de calciu Aerul răcit pacircnă la -6 ordmC este suflat icircn silozurile cu pietriş de dimensiuni icircntre 4150 mm
Apa răcită icircn bazinul la pacircnă la 05 ordm este trimisă din colectorul 12 la staţia de preparare a betonului servind la scăderea temperaturii acestuia
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
56
Figura 419 Fig 519 Schema instalaţiei de prerăcire a betonului cu aer şi apă 1 - compresor 2 - condensator 3 - ventile de laminare 4 - vaporizatoare 5 - bazin de răcire a
saramurii 6 - pompă de saramură 7 - răcitor umed de aer 8 - ventilatoare 9 - silozuri de pietriş 10 - bazin de răcire a apei 11 - pompă 12 - colector de apă răcită
Figura 420 Fig 520 Schema instalaţiei de prerăcire cu aer şi apă 1 - siloz de pietriş şi nisip 2 - siloz de ciment 3 rezervor de apă 4 - răcitor de aer 5 - răcitor de apă
4 - răcitor de apă 6 - buncăr de sortare 7 - instalaţie de preparare beton
Pentru intensificarea procesului de răcire a pietrişului aerul este răcit sub 0 ordmC Acest procedeu are avantajul unei funcţionări fără icircntrerupere a procesului de preparare a betonului dar prezintă şi o serie de dezavantaje debite foarte mari de aer de răcire posibilitatea antrenării particulelor fine de agregat icircn răcitorul de aer şi depunerea acestora pe suprafaţa de schimb de căldură Ca urmare instalaţia se va curăţa la circa 14 zile Icircn figura 520 se prezintă o altă schemă de instalaţie de prerăcire a betonului cu aer şi apă folosită la construcţia unui baraj din India
Apă
295oC
Ciment
433oC
Pietriş şi nisip
378oC
Apă 6oC
Ciment 433oC
Aer
Pietriş
45oC Nisip 222oC
22oC
Ap
ă
45
oC
Ap
ă 2
2o
C
Ae
r 5
5o
C
Be
ton
12
8o
C
Apă 22oC
2
1
3 4 5
8
9
5 7
12
1oC
11
05oC 9oC 9oC
-9oC
-10oC -10oC
-10oC 2oC
6oC
10 4 4 6
8 8
8
8 8
9 9 9 9
1
2
3 3
7
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
57
Pietrişul şi nisipul se separă icircntre ele icircn buncărul de sortare 6 şi apoi fiecare circulă pe cacircte o bandă transportoare prin camera de răcire 7 Pietrişul este răcit cu ajutorul apei
Fig
ura
42
1 F
ig 5
21
Sc
he
ma
in
sta
laţi
ei
de
ră
cir
e icirc
n v
id a
co
mp
on
en
telo
r b
eto
nu
lui
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
58
reci icircncacirct ajunge la o temperatură mai scăzută decacirct nisipul răcit cu aer Prin camera 7 se circulă şi aer rece care se introduce la temperatura de 55 ordmC Cimentul se introduce la instalaţia de preparare a betonului 9 fără a fi răcit
O altă posibilitate de prerăcire a agregatelor (pietriş şi nisip) şi a apei utilizată mai recent la construirea barajelor icircntrebuinţează răcirea icircn vid la care agregatele uşor umezite icircn recipiente sub presiune se răcesc după nevoie (prin reglarea vacuumului) la o temperatură mai scăzută sau mai ridicată Căldura necesară evaporării umidităţii de pe agregate şi din ele (apa legată) este luată chiar de la corpurile respective (pietriş nisip) şi ca urmare acestea se răcesc
O asemenea instalaţie utilizată la Hortwell icircn SUA (figura 521) cuprinde 3 recipienţi de cacircte 150 m3 pentru răcirea pietrişului şi 3 recipienţi de cacircte 80 m3 pentru răcirea nisipului
Pietrişul şi nisipul cu temperatura maximă de 43 ordmC se pot răci pacircnă la temperatura necesară de 45 ordmC Pentru realizarea vidului necesar se folosesc două cazane de abur care produc 77 th fiecare
422 522 RĂCIREA INTERIOARĂ A MASIVULUI DE BETON
Prerăcirea betonului se recomandă icircn condiţiile unei zone tropicale sau temperate de amplasare a construcţiei masive nu se recomandă icircn cazul amplasării barajului icircn munţi unde temperatura aerului este scăzută Icircn asemenea situaţii se recomandă răcirea betonului prin conducte amplasate icircn masiv prin care circulă apă rece
La răcirea interioară cu conducte montate icircn beton are loc o eliminarea a căldurii simultan cu producerea ei icircn procesul de priză producacircndu-se şi o răcire pacircnă la temperatura necesară Pentru răcire se folosesc conducte de oţel cu diametre de 1525 mm montate la distanţe de 1223 m icircn plan orizontal şi de 153 m icircn plan vertical Lungimea conductelor icircntr-un m3 de beton este de 0204 şi a fiecărei serpentine de 140250 m
Debitul apei de răcire ce circulă prin 1 m3 de beton este de (0553) dm3h
Figura 422 Fig 522 Reţea de conducte de răcire a betonului icircn secţiunea unui baraj 1 - galerie pentru măsurători 2 - galerie de conducte de apă de răcire
Serpentinele se montează şi se fixează pe suprafaţă de beton (fig522) Capetele serpentinelor se leagă de o coloană verticală prin mufe metalice sau de cauciuc Diametrul distribuitorului şi al coloanei este cuprins icircntre 150200 mm După montaj aceste conducte se verifică la presiunea de lucru
1 2
Ax
a
ba
raju
lui
Determinarea necesarului de căldură și apă caldă pentru un imobil
15
Figura 22
Figura 23 Vedere fata Nord
Determinarea necesarului de căldură și apă caldă pentru un imobil
16
Figura 24 Vedere fata Sud
Figura 25 Vdere fata Est
Determinarea necesarului de căldură și apă caldă pentru un imobil
17
Figura 26 Vedere fata Vest
Figura 27 Vedere de ansamblu
Determinarea necesarului de căldură și apă caldă pentru un imobil
18
Dimensiunile casei și a incaperilor sunt afisate icircn tabelul urmator
Incapere Suprafata mp
1 Hol intrare+ Living + Hol 3353
2 Dormitor mare 1804
3 Dromitor mic 12
4 Bucatarie 112
5 Baie mare 48
6 Baie mica 475
7 Camera tehnica 72
Total suprafata 9152
Total perimetru casa 444 m
21 22 Determinarea necesarului de căldură și apă caldă menajeră pentru imobil
Pentru studiul necesarului de flux termic este nevoie sa cunoastem posibilele pierderi de căldura cat si modul de utilizare al acesteia Ecuatia generala a bilantului termic ce se foloseste icircn calcularea fluxului de căldura
Q = Q1+ Q2+ Q3 [W]
Q1- fluxul de căldura pierdut prin transmisie
Q2- fluxul de căldura necesar incalzirii aerului ventilat
Q3- fluxul de căldura necesar prepararii apei calde
Fluxul termic pierdut prin transmisie este distribuit intre elementele constructive ale casei si anume Q11 - pereti Q12 - podea Q13 - tavan Q14 - geamuri
Q1= Q11+ Q12+ Q13+ Q14 [W]
Formula care se utilizeaza icircn calculul pentru fiecare fux termic icircn parte este comuna celor patru elemente
Q1i= Si middot Ki middot (tint - text) [W]
Unde Si - suprafata totala calculata a fiecarui element icircn parte se iau icircn considerare doar elementele care au legatura cu exteriorul [m2] ki - coeficientul global de transfer termic specific fiecarui element icircn parte [Wm2C] tint - temperatura din interiorul imobilului [degC] text - temperatura exterioara Icircn cazul podelei de utilizeaza temperatura solului șisau a pivnitei [degC]
Coeficientul global de transfer termic se calculeaza dupa formula
ki = 120783
120783
120514119842 + sum
120517119842
120524119842+
120783
120514119838119847119843=119842
[Wm2C]
Unde αi = coeficientul de transfer convectiv din interior αi = 8 Wm2C αe = coeficientul de transfer termic convective din exterior αe = 20 Wm2C λi - conductivitatea termica a stratului i pe care il aflam din fisa tehnica am materialului stratului respectiv [WmmiddotK] δi- grosimea stratului I [m]
Temperatura ce trebuie mentinuta icircn interiorul imobilului este de 22 degC
Coeficentul de convectie termica αi = 8
211 Mers de calcul pentru Q1
Q11 - flux termic pierdut prin pereti
Specificatii perete exeterior
Tencuiala δ 0025 m Grosime
Determinarea necesarului de căldură și apă caldă pentru un imobil
19
interioara λ 093 WmmiddotK Conductivitate termica
Rt 0026882 m2middotKW Rezistenta termica
Zidarie BCA δ 03 m Grosime
λ 014 WmmiddotK Conductivitate termica
Rt 2142857 m2middotKW Rezistenta termica
Tencuioala exterioara
δ 0025 m Grosime
λ 093 WmmiddotK Conductivitate termica
Rt 0026882 m2middotKW Rezistenta termica
Vata bazaltica δ 01 m Grosime
λ 0037 WmmiddotK Conductivitate termica
Rt 2702703 m2middotKW Rezistenta termica
Placa fibrocement
δ 001 m Grosime
λ 02 WmmiddotK Conductivitate termica
Rt 005 m2middotKW Rezistenta termica
Tencuiala decorativa
δ 0005 m Grosime
λ 093 WmmiddotK Conductivitate termica
Rt 0005376 m2middotKW Rezistenta termica
K11 = 1
1
120572119894+
1205751
1205821+
1205752
1205822+
1205753
1205823+
1205754
1205824+
1205755
1205825+
1205756
1205826+
1
120572119890 =
11
8 +
0025
093+
03
014+
0025
093+
01
0037+
001
02+
0005
093+
1
22
K11 = 0194943188 Wm2C
S11 = h middot lp = 3 middot 3901 = 11703 m2
h - inaltimea peretelui [m]
lp - lungimea perimetrala a peretelui [m] (din care s-au scazut suprafetele vitrate)
Δt = ti - te = 22 + 15 = 37degC
ti - temperatura interioara
te - temperatura exterior
Q11 = K11 middot S11 middot Δt = 0194943188 middot 11703 middot 37 = 8441254483 W
Perete exterior
ti 22 degC αi 8 Wm2 k
te -15 degC αe 22 Wm2 k
δ1 0025 m λ1 093 Wmk tp1 2109758812 degC
δ2 03 m λ2 014 Wmk tp2 2090352105 degC
δ3 0025 m λ3 093 Wmk tp3 5433603161 degC
δ4 01 m λ4 0037 Wmk tp4 523953609 degC
δ5 001 m λ5 02 Wmk tp5 -1427207206 degC
δ6 0005 m λ6 093 Wmk tp6 -1463303681 degC
tp7 -1467185023 degC
q 7219295 W
Determinarea necesarului de căldură și apă caldă pentru un imobil
20
Figura 28
Q12 - fluxul termic pierdut prin podea
Specificatii podea
Placa fibrocement
δ 001 m Grosime
λ 02 WmmiddotK Conductivitate termica
Rt 005 m2middotKW Rezistenta termica
Sapa δ 01 m Grosime
λ 0035 WmmiddotK Conductivitate termica
Rt 2857143 m2middotKW Rezistenta termica
Polistiren extrudat
δ 005 m Grosime
λ 0033 WmmiddotK Conductivitate termica
Rt 1515152 m2middotKW Rezistenta termica
K12 = 1
1
120572119894+
1205751
1205821+
1205752
1205822+
1205753
1205823+
1
120572119890 =
11
8 +
001
02+
01
0035 +
005
0033+
1
0
= 0219911 Wm2C
S12 - amprenta la sol a casei = 12296 m2
Δt = ti - te = 22 - 15 = 7degC
Temperature pentru podea este de 15degC
Q12 = K12 middot S12 middot Δt = 0219911 middot 12296 middot 7 = 1892818 W
Podea
ti 22 degC Αi 8 Wm2 k
te 15 degC Αe 0 Wm2 k
δ1 001 m λ1 02 Wmk tp1 2180757789 degC
Determinarea necesarului de căldură și apă caldă pentru un imobil
21
δ2 01 m λ2 0035 Wmk tp2 2173060904 degC
δ3 005 m λ3 0033 Wmk tp3 1733238927 degC
δ4 m λ4 Wmk tp4 15 degC
δ5 m λ5 Wmk tp5 degC
δ6 m λ6 Wmk tp6 degC
tp7 degC
q 1539377 W
Figura 29
Q13 - fluxul termic pierdut prin tavan
Specificatii tavan
Tencuiala δ 002 m Grosime
λ 093 WmmiddotK Conductivitate termica
Rt 0021505 m2middotKW Rezistenta termica
Placa beton armat
δ 013 m Grosime
λ 174 WmmiddotK Conductivitate termica
Rt 0074713 m2middotKW Rezistenta termica
Sapa δ 003 m Grosime
λ 026 WmmiddotK Conductivitate termica
Rt 0115385 m2middotKW Rezistenta termica
Vata bazaltica δ 015 m Grosime
λ 0037 WmmiddotK Conductivitate termica
Determinarea necesarului de căldură și apă caldă pentru un imobil
22
Rt 4054054 m2middotKW Rezistenta termica
Placa nivelanta δ 002 m Grosime
λ 026 WmmiddotK Conductivitate termica
Rt 0076923 m2middotKW Rezistenta termica
K13 = 1
1
120572119894+
1205751
1205821+
1205752
1205822+
1205753
1205823+
1205754
1205824+
1205755
1205825 +
1
120572119890 =
11
8+
002
093+
013
174+
003
026+
015
0037+
002
026+
1
22
K13 = 0219736 Wm2C
S13 = S12 = 12296 m2
Δt = ti - te = 22 + 15 = 37degC
Q13 = K13 middot S13 middot Δt = 0219736 middot 12296 middot 37 = 1000 W
Tavan
ti 22 degC αi 8 Wm2 k
te -15 degC αe 22 Wm2 k
δ1 002 m λ1 093 Wm k tp1 209751906 degC
δ2 013 m λ2 174 Wm k tp2 207988793 degC
δ3 003 m λ3 026 Wm k tp3 2018634954 degC
δ4 015 m λ4 0037 Wm k tp4 1924037163 degC
δ5 002 m λ5 026 Wm k tp5 -1399669009 degC
δ6 m λ6 Wm k tp6 -1462734204 degC
tp7 degC
q 8198475 W
Determinarea necesarului de căldură și apă caldă pentru un imobil
23
Figura 210
Q14 - fluxul temic pierdut prin suprafetele vitrate
Am ales un geam temopan cu trei randuri de sticla și cu tamplarie de lemn
K14 = 06 Wm2C
S14 = 2728 m2 suprafata ocupata de geamuri
Δt = ti - te = 22 + 15 = 37degC
Q14 = K14 middot S14 middot Δt = 06 middot 2728 middot 37 = 605616 W
Fereastra
ti 22 degC αi 8 Wmpk
te -15 degC αe 22 Wmpk
δ1 0005 m λ1 075 Wmk tp1 1992074356 degC
δ2 0018 m λ2 00177 Wmk tp2 1980984988 degC
δ3 0005 m λ3 075 Wmk tp3 2893865242 degC
δ4 0018 m λ4 00177 Wmk tp4 2782971565 degC
δ5 0005 m λ5 075 Wmk tp5 -1413301307 degC
δ6 m λ6 Wmk tp6 -1424390675 degC
tp7 degC
q 1663405 W
Determinarea necesarului de căldură și apă caldă pentru un imobil
24
Figura 211
Q1 = Q11 + Q12 + Q13 + Q14 = 8441254483 + 1892818 + 1000 + 605616
Q1 = 263871712 W
212 Mers de calcul pentru Q2
Q2 = n middot Q1
n - numarul de schimburi (07 08 1)
Q1 - fluxul de căldura pierdut prin transmisie
Q2 = 1 middot 263871712 =gt Q2 = 263871712 W
213 Mers de calcul pentru Q3
Q3 = 119898 middot119862119908 middot(119905119887minus119905119903)
120591 middot3600 [kW]
m - cantitatea de apa calda preparata [Kg]
m = n middot czn middot ρ [Kg]
ρ = 1000 Kgm3- densitatea apei [Kgm3] n = 4 - numarul de locatari =gt n
czn - consumul zilnic de persoana [l] gtgtgt czn = l middot 1000 = m3
Un consum de acm specific unui nivel de confort mediu la o temperature de 45degC vom avea un czn = 50 l de persoana
cw - căldura specifica a apei [KJKgC] =gt cw = 4186 KJKgmiddotC
tb - temperatura apei din boiler [C] =gt tb = 50degC
tr - temperatura apei de intrare [C] =gt tr = 10degC
Icircn general avem vara tr = 1217degC iar iarna tr = 5hellip10degC
120591 - timpul icircn care este incalzita apa [h] =gt 120591 = 4h
m = 4 middot (50 middot 1000) middot 1000 m = 200 Kg
Q3 = 200 ∙4186 ∙(50 ∙10)
4 ∙3600 =gt Q3 = 2325555556 W
Q = Q1 + Q2 + Q3 = 263871712 + 263871712 + 2325555556
Q = 7602989795 W =gt Q = 76 KW
Calculul necesarului de frig pentru depozit de fructe
25
3 Calculul necesarului de frig pentru depozit de fructe
31 31 Calculul grosimii izolatiilor
Regimul de funcţionare al spaţiilor frigorifice caracterizat prin valori coboracircte ale temperaturilor prin variaţia rapidă a acestora şi prin umiditatea mare a aerului icircncăperilor impune pentru izolaţiile termice ale pereţilor planşeelor şi pardoselilor condiţii deosebite Pereţii spaţiilor frigorifice despart două medii cu temperaturi diferite Fluxul de căldură ce pătrunde din exterior icircn camere care trebuie preluat de instalaţia frigorifică este direct proporţional cu diferenţa de temperatură dintre cele două feţe ale peretelui şi cu coeficientul global de transmitere a căldurii Izolarea se execută la spaţiile răcite atacirct la pereţi cacirct şi la tavan şi podea şi are ca rol icircmpiedicarea apariţiei condensului pe suprafaţa caldă a pereţilor incintelor frigorifice
Figura 31 Fig13 Variaţia de temperatură prin peretele termoizolant
Din exploatarea frigoriferelor se cunoaşte că prin icircnvelişul exterior al spaţiilor frigorifice trece icircn majoritatea cazurilor mai mult de jumătate din cantitatea totală de căldura ce pătrunde icircn icircncăperi Această cantitate de căldură se poate reduce prin majorarea grosimii stratului termoizolant Dar reducerea infiltraţiilor de căldură icircn acest tel nu se poate face nelimitat deoarece la o anumită grosime a stratului izolant adică la o anumită valoare a coeficientului k de transfer al căldurii costul construcţiei izolate va fi mai mare decacirct costul energiei ce reprezintă frigul economisit prin majorarea grosimii izolaţiei
De aceea se obişnuieşte a se folosi icircn calcule valori optime ale coeficientului k de transfer al căldurii calculacircndu-se astfel o grosime optimă a izolaţiei termice
Pentru izolarea pereţilor camerelor se vor folosi panouri tip sandwichFig15
Calculul necesarului de frig pentru depozit de fructe
26
Figura 32 Fig15 Construcţia panourilor de tip sandwich
Rolul panourilor plastifiate este de a preicircntacircmpina pătrunderea vaporilor icircn interiorul izolaţiei eliminacircnd necesitatea barierei de vapori Panourile folosesc metoda de icircmbinare nut-feder reducacircndu-se astfel transferul de căldură cu mediul extern
Deoarece avem un singur depozit vom adopta coeficienţii de transfer de căldură prin
convecţie funcţie de t
Aleg pentru t = = te - ti = 318 - 1 = 308 0C k = 023 Wm2K
Din catalogul de produse INCOLD Italia se alege poliuretan 100 mm = 0023 WmK
Tablă din oţel galvanizat plastifiat
Calculul necesarului de frig pentru depozit de fructe
27
Tabelul 317 Tabel24 Calculul grosimi izolației
ei
i
i
izizk
111
Coeficientul global de transfer de căldură se determină utilizand relaţia
eiz
iz
i
i
i
k
11
1
n
i i
i
1
- suma rezistenţelor termice ale tuturor straturilor din care este realizat
peretele[m2KW]
iz - grosimea stratului de izolaţie termică [m]
iz - conductivitatea termică a materialului izolator [WmK]
e - coeficient de convecţie pe partea exterioară a peretelui [WmK]
i - coeficient de convecţie pe partea interioară a peretelui [WmK]
32 32 Bilantul caloric al spatiului climatizat pe timp de vară Necesarul de frig pentru frigorifer
Se stabileşte consumul zilnic de frig pe icircntreg frigoriferul şi pentru fiecare icircncăpere icircn parte luacircndu-se icircn considerare cele mai nefavorabile condiţii de lucru
temperatura aerului exterior pentru luna cea mai caldă a anului
icircncărcarea maximă şi simultană a camerelor de refrigerare
Spaţiul frigorific
Perete k αi αe 1αi 1αe R 1k λiz
δiz
calc δiz
ales Kr
[Wm2K] [m2KW] [WmK] [m] [m]
N 0229 10 18 010 006 0590 4367 0023 0097 0100 023
E 0224 10 12 010 008 0618 4464 0023 0098 0100 023
DR S 0221 10 12 010 008 0618 4525 0023 0100 0100 023
V 0223 10 12 010 008 0618 4484 0023 0099 0100 023
T 0221 10 12 010 008 0618 4525 0023 0100 0100 023
P 0228 10 0 000 000 0435 4386 0023 0000 0100 023
N 0221 25 12 004 008 0558 4525 0023 0101 0100 023
E 0224 25 12 004 008 0558 4464 0023 0100 0100 023
CP S 0224 25 12 004 008 0558 4464 0023 0100 0100 023
V 0223 25 12 004 008 0558 4484 0023 0100 0100 023
T 0221 25 12 004 008 0558 4525 0023 0101 0100 023
P 0228 25 0 000 000 0435 4386 0023 0000 0100 023
Calculul necesarului de frig pentru depozit de fructe
28
camerele vecine celei căreia i se face calculul necesarului de frig sunt goale şi au temperatura vestibulului sau a sasului
Aceste calcule determină necesarul de frig pe categorii de consumatori grupaţi după temperatura cerută şi permit stabilirea puterilor frigorifice icircn vederea proiectării instalaţiei
Pentru calculele termice sunt necesare următoarele
planul frigoriferului care a fost stabilit
dimensiunile camerelor
temperaturile necesare icircn fiecare cameră
Se consideră
1degC icircn depozitele de refrigerate
orientarea frigoriferului după punctele cardinale
condiţii climatice icircn lunile cele mai călduroase pentru zona geografică respectivă
Consumul de frig se calculează pentru 24 ore cu relaţia
Qnec = Q1 + Q2 + Q3 + Q4 [kcal24h]
Q1 - neeesarul de frig pentru acoperirea pătrunderilor de căldură prin cenvecţie
conducţie şi radiaţie din mediul icircnconjurător prin pereţi pardosea și plafon
Q2 - necesarul de frig tehnologic pentru procesele de răcire refrigerere şi
congelare eliminarea căldurii de respiraţie seu pentru unele procese chimice şi
biochimice
Q3 - necesarul de frig pentru ventilarea camerelor frigorifice cu aer proaspat care
trebuie racit şi uscat
Q4 - necesarul de frig rezulticircnd din condiţii de exploatare acoperirea căldurii
provenite din iluminat din funcţionarea motoarelor căldura provenită de la persoanele ce
manipulează produsele datorită deschiderii uşilor etc
321 Consumul de frig Q1
Se determină pentru fiecare spaţiu icircn parte cu relaţia
RttkFQ1 [ W ]
F - reprezintă suprafaţa pereţilor a pardoselei şi a plafonului corespunzător fiecărui
spaţiu frigorific icircn parte icircn m2 Ca suprafaţă de transfer se va considera suprafaţa
exterioară a perimetrului izolat termic
k - reprezintă coeficientul global de transmitere a căldurii prin convecţie conducţie şi radiaţie
prin pereţi plafon şi pardoseală (toate izolate termic) icircn [W(m2 middot grd)] Valoarea coeficientului k a
fost calculată icircn tabelul 24 (kr)
Δt - reprezintă diferenţa de temperaturi dintre temperatura exterioară suprafeţei de
transfer termic considerată şi temperatura interioară spaţiului frigorific
Calculul necesarului de frig pentru depozit de fructe
29
Diferenţa de temperatură ΔtR se ia icircn consideraţie numai la pereţii exteriori şi la
plafoane care sunt şi acoperiş pentru clădire
ΔtR = 0degC pentru pereţi exteriori orientaţi spre N
ΔtR = (5 10)degC pentru pereţi exteriori orientaţi spre E V S-E S-V
ΔtR = 15 degC pentru pereţi exteriori orientaţi spre S
ΔtR = (15 18)degC pentru plafoane care sunt şi acoperiş (terasă)
Calculul valorilor mărimii sumQ1 se recomandă a se efectua tabelar conform tabelului 25
Valoarea mărimii sum Q1 la aparate se obţine prin icircnsumarea fluxurilor termice prin toate cele 6 suprafeţe delimitatoare
La stabilirea valorii mărimii sum Q1 se consideră doar unul dintre fluxurile termice prin suprafeţele ce separă spaţiile frigorifice vecine Pentru aparatele de răcire din spaţiile frigorifice se consideră situaţia cea mai grea pentru fiecare spaţiu icircn parte respectiv că spaţiile vecine nu sunt răcite
Spaţiul frigorifi
c
Perete
Dimensiuni
Supraf F
[m2]
Kr [Wm2K]
Δt [grd]
Δtr
Q1 [W] sumQ1 q a [m]
b [m]
N 15 4 60 023 308 42504
246068
708
E 7 4 28 023 308 8 24987 892
DR S 15 4 60 023 185 15 46202 770
V 7 4 28 023 308 19835 708
T 15 7 105 023 308 74382 708
P 15 7 105 023 158 38157 363
N 7 4 28 023 185 11914
133566
426
E 7 4 28 023 268 8 22411 800
CP S 7 4 28 023 268 15 26919 961
V 7 4 28 023 185 11914 426
T 7 7 49 023 268 30204 616
P 7 7 49 023 268 30204 616
Tabelul 318 Tebel25 Calculul valorilor mărimii Q1
322 Necesarul de frig Q2
sum Q2 - necesarul de frig tehnologic pentru procesele de răcire refrigerare şi
congelare
Q2d = mcp(tc-ti)=500003644 = 4186000(243600)= 842 kW
Q2c = 2600036419 = 1798160 = 208 KW
Q2 = 208 + 842 = 293 = 30kW
unde
Q2d - necesarul de frig tehnologic depozit
Q2c - necesarul de frig tehnologic camera de preracire
Calculul necesarului de frig pentru depozit de fructe
30
m - cantitatea de produse introduse icircn tunelul de congelare icircn kg
te ti - temperaturi specifice corespunzătoare temperaturii iniţiale a produsului cald
(24 ordmC) respectiv temperaturii finale a produsului refrigerat (1 ordmC)
Căldura specfifică mere cp = 364 [kJkgK]
323 Necesarul de frig Q3
Icircn funcţie de natura produselor din spaţiul frigorific este necesar uneori să se realizeze ventilarea spaţiului prin asigurarea unui anumit număr de schimburi ale aerului din incintă icircn 24h Ca exemplu icircntotdeauna va fi necesară ventilarea prin introducere de aer proaspăt icircn spaţiile de păstrare pentru legume fructe şi ouă refrigerate Aceste produse vii respiră icircn timpul păstrării şi necesită icircn consecinţă ventilarea spaţiilor de păstrare
Acest consum de frig se ia icircn considerare doar la depozitele de refrigerare care se ventilează Se stabilește cu relația
Q3 = V ∙ a ∙ ᵖi ∙ (hex - hi) [kJ24]
V - volumul camerelor ventilateicircn m3
a = 24 schimburi pe zi pentru depozitele de mere
ᵖi - reprezintă densitatea aerului la temperature interioară icircn kgm3
Pentru depozitele de refrigerare considerăm umiditatea relativă ᵠi = 95 și ti=1 ordmC
rezultacircnd icircn acest caz hi= 9 kJkg
Parametri aerului exterior pentru zona icircn care este amplasat depozitul sunt temp ex 318
și umiditatea ext 60 rezultand din diagram mollier entalpia aerului Calcul facut icircn
programul Coolpack
ρi = 12 kgm3
hex = 7519 kJkg
Q3 = 616 2 12 (7519 - 9) (243600)= 00025 kW
324 Necesarul de frig Q4
Q4 - frigul consumat pentru acoperirea pierderilor icircn timpul exploatarii datorat deschiderii
usilor a corpurilor de iluminat a motoarelor electrice a oamenilor Se admite Q4 =
(01hellip04)Q1
Q4 = 02 379617 = 759234 = 008 kW
Qtotal = sum 119824120783 + Q2 + Q3 + Q4 = 004 + 30 + 000025 + 008 = 3012 = 31 kW
33 33 Stabilirea directiei raportului de termoumiditate și trasarea procesului de conditionare a aerului pe diagrama i-X pe timp de vară
Icircn fig16 este reprezentat un agregat pentru condiţionarea aerului pe timp de vară cu recirculare parţială
Calculul necesarului de frig pentru depozit de fructe
31
Figura 33 Figura16 Schema aparatului de condiţionare a aerului pe timp de vară cu recirculare parţială
F - filtru V - vaporizator C - compressor K - condensator VL - ventil de laminare I - icircncălzitor Vt - ventilator
Procesele de lucru pot fi reprezentate icircn diagrama h-x ca icircn figura următore
Figura 34 Fig17
A reprezintă starea aerului recirculat provenit din spaţiul condiţionat iar E este starea aerului exterior
Aerul tratat icircn aparatul de condiţionare care se introduce icircn incintă avacircnd starea B
trebuie să preia degajările de căldură Qv [kW] şi de umiditate Wv [kgs]
Direcţia procesului suferit de aer icircn incintă este dată de raportul de termoumidificare εv
= Qv Wv
Prin punctul A se trasează dreapta avacircnd raportul de termoumidificare εv iar punctul B se fixează pe această dreaptă adoptacircndu-se o anumită diferenţă de temperatură faţă de starea A
Aerul recirculat A se amestecă cu aerul proaspăt E şi rezultă starea de amestec M De regulă xM gt xB deci aerul va trebui să fie uscat
Pe verticala din B se fixează starea D avacircnd xD= xB şi ᵩD = 90hellip98
Calculul necesarului de frig pentru depozit de fructe
32
Se uneşte M cu D iar apoi se prelungeşte acest segment pacircnă la intersecţia cu ϕ = 100 rezultacircnd starea P avacircnd temperatura tp
Circulacircnd aerul cu starea M peste o suprafaţă rece avacircnd temperatura tp se va obţine procesul de răcire şi uscare MD
Temperatura suprafeţei tp se asigură cu o instalaţie frigorifică a cărei temperature de vaporizare va fi t0 lt tp
Ultimul proces din aparatul de condiţionare va fi icircncălzirea finală DB
Calculul agregatului de condiţionare a aerului pe timp de vară se efectuează asemănător cu cel a agregatului de condiţionare a aerului pe timp de iarnă cu observaţia că pe timp de vară nu este necesară umidificarea
331 Date
Vtotal = 616 m3 tint = 1ᵒC tex = 318 φint = 90 φext = 60 ρaer = 12 [kgm3]
Starea A
tA = ti + 3 = 4deg xA = 00043[kj
kg] φA = 86 hA = 1489[
kj
kg]
Starea B
tB = 1degC xB = 00036 [kj
kg] φB = 90 hB = 1024[
kj
kg]
Starea E
tE = 318degC xE = 00171[kj
kg] φE = 60 hE = 7519[
kj
kg]
Starea M
hM =hE + n ∙ hA
n + 1=
7513 + 20 ∙ 1489
21= 1775[
kj
kg]
xM =xE + n ∙ xA
n + 1=
00171 + 20 ∙ 00043
21= 00049[
kj
kg]
Rezulta din diagrama Mollier
Starea D
hD = 108 [kj
kg] xD = 0003[
kj
kg] φD = 97
Raportul de recirculare n = 20
Debitul de aer ventilat V =Vtotal∙20
24h=
616lowast20
24= 513 [m3h]
Debitul masic m = V ∙ ρaer = 513 lowast 12 =
6156[kg
h]
3600= 0171 [kgs]
tp = minus3degC t0 = tp minus 9degC = minus3 minus 9 = minus12degC
Puterea termica a vaporizatorului ( puterea frigorifică )
ФV = Ф0
Puterea termica a icircncalzitorului
ФI = 119898 ∙ (hB - hD)
Cantitatea de apa condensată icircn unitatea de timp pe suprafața de racire este
Calculul necesarului de frig pentru depozit de fructe
33
ẆV = 119898 ∙ (XM - XD)
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
34
4 Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
Există două domenii principale icircn care se utilizează frigul artificial icircn lucrările de construcţii şi anume
icircngheţarea terenurilor acvifere icircn vederea săpării puţurilor de mină a barajelor a depozitelor de gaze lichefiate etc
prerăcirea componentelor betonului icircn cazul executării unor masive de beton ca de exemplu baraje
41 51 IcircNGHEŢAREA SOLULUI
411 511 CONSIDERAŢII GENERALE PRIVIND IcircNGHEŢAREA SOLULUI
Icircngheţarea artificială a solului reprezintă una dintre cele mai interesante şi icircn acelaşi timp şi importante aplicaţii practice a frigului artificial Totodată este una dintre primele aplicaţii industriale a tehnicii frigului şi care a asigurat o dezvoltare deosebită a industriei extractive Aşa se explică faptul că odată apărută maşina frigorifică cu absorbţie realizată icircn 1859 de către Ferdinand Carre este folosită la săparea primului puţ de mină prin icircngheţarea artificială a rocilor Dar nu numai industria minieră foloseşte icircn ultimul secol procedeul consolidării rocilor la săpararea unor lucrări subterane Lucrări inginereşti de tot genul ca metrouri staţii subterane de pompare rezervoare de gaze lichefiate poduri lucrări portuare şi altele asemănătoare amplasate icircn zone acvifere au fost realizate prin metoda consolidării prin frig a rocilor
Această metodă a consolidării rocilor prin frig artificial realizează icircn jurul lucrării inginereşti subterane un perete icircngheţat protector pe durata lucrărilor de construcţii Acest perete asigură o izolare hidraulică şi icircn acelaşi timp şi o protecţie mecanică Rezistenţa mecanică a rocilor creşte pe măsură ce temperatura lor scade icircncacirct metoda expusă mai sus prezintă avantajul reglării capacităţii portante a peretelui icircngheţat
Apa conţinută icircn terenuri prin icircngheţare capătă proprietăţile cimentului exprimate prin forţele de coeziune mari care apar icircntre cristalele de gheaţă şi grăunţii de rocă
Pentru obţinerea peretelui protector se folosesc sonde de icircngheţare forate pe conturul lucrării subterane şi prin care circulă agentul de răcire care poate fi un agent intermediar ca de exemplu saramura de clorură de calciu sau agentul frigorific de exemplu amoniacul Icircn funcţie de grosimea peretelui şi de rezistenţa mecanică pe care trebuie să o aibă se va alege temperatura agentului de răcire distanţa dintre sonde şi durata de icircngheţare
Instalaţia de consolidare prin frig a rocilor cuprinde trei părţi principale staţia frigorifică reţeaua de distribuţie a agentului de răcire (saramura) şi sondele de icircngheţare a solului
Staţia frigorifică cuprinde instalaţia frigorifică propriu-zisă cu comprimare mecanică de vapori sau prin absorbţie icircntr-o treaptă sau icircn două trepte Icircn funcţie de condiţiile de amplasament ale obiectivului staţia frigorifică poate fi de construcţie staţionară (icircn minerit) sau mobilă (la metrouri)
Reţeaua de distribuţie alcătuită din conducte metalice sau din mase plastice are rolul de a face legătura icircntre staţia frigorifică şi sondele de icircngheţare Pentru reducerea pierderilor de frig reţeaua de distribuţie se izolează termic
Sondele de icircngheţare constituie schimbătorul de căldură subteran prin care se extrage căldura de la terenul supus icircngheţării Icircn fig 51 se prezintă schiţa unei sonde de icircngheţare cu ajutorul saramurii Saramura rece cu temperatura icircntre -10 ordmC pacircnă la -35 ordmC
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
35
coboară prin ţeava interioară şi apoi se icircntoarce prin spaţiul inelar dintre cele două conducte concentrice
Figura 41 Fig 51 Sonda de icircngheţare 1 - şiu (tub scurt de oţel cu pereţi groşi rezistent) 2 - ţeava interioară 3 - ţeava exterioară (burlan de
icircngheţare) 4 - capul sondei
Circulaţia continuă a saramurii prin sonda de icircngheţare face ca rocile ce icircnconjoară sondele inclusiv apa conţinută icircn spaţiile libere să se răcească treptat Icircn jurul sondei icircncepe să se formeze stratul de rocă icircngheţată diametrul cilindrului de teren icircngheţat se măreşte icircn timp Aşa cum s-a arătat icircn capitolul 3 rezultă că dezvoltarea radială a cilindrului de rocă icircngheţată icircn jurul sondei se desfăşoară cu o viteza variabilă de icircnaintare la icircnceput viteza de icircnaintare a frontului de gheaţă este mai mare după care scade icircn timp Apoi se atinge stadiul staţionar de transfer de căldură cacircnd cilindrul nu mai creşte icircn dimensiuni Reiese că distanţa dintre sondele de icircngheţare este determinată de raza maximă a cilindrului de teren icircngheţat Pentru a realiza peretele icircngheţat care să reziste la solicitările la care este supus se impune ca distanţa dintre sondele vecine să fie mai mică decacirct raza maximă a terenului icircngheţat astfel icircncacirct cilindrii formaţi să se unească icircntre ei Icircn fig 52 se prezintă evoluţia icircn timp a icircngheţării terenului icircn jurul sondelor Icircn faza iniţială a icircnceput răcirea dar icircncă nu s-a format teren icircngheţat Icircn faza a II-a (după circa 20 zile) icircn jurul fiecărei sonde se formează cacircte un cilindru de teren icircngheţat fără ca aceştia să se unească Icircn faza a III-a (după circa 30 zile) cilindrii se icircntretaie şi formează peretele protector
Figura 42 Fig 52 Evoluţia cilindrilor individuali de rocă icircngheţată 1 - sonda de icircngheţare 2 - sonda de măsurători termice 3 - teren icircngheţat
Această evoluţie poate fi urmărită cu suficientă precizie prin măsurarea temperaturii masivului cu ajutorul unor sonde de măsurători termice 2 montate la distanţe bine stabilite de sondele vecine de icircngheţare Astfel icircn faza I-a temperatura este cea iniţială deci neafectată de prezenţa sondelor icircn faza a II-a temperatura este mai scăzută dar mai mare de 0 ordmC Cum icircn practică sondele de icircngheţare au o abatere de la poziţia verticală (sau de la cea impusă prin proiect) sondele de măsurători termice sunt prevăzute icircntre sondele
I II III
1
2 2 2
3 3
SARAMURĂ CALDĂ
IEŞIRE
INTRARE SARAMURĂ A E RECE
1
2
3
4
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
36
cele mai distanţate icircntre ele acolo unde evoluţia peretelui de protecţie este cea mai defavorabilă
Primele realizări inginereşti de consolidare prin frig artificial a terenurilor acvifere metodă prin care vor fi aduse la lumină multe bogăţii subterane sunt legate de numele inginerului de mine şi metalurgie Friederich Herman Poetsch El a obţinut icircn 27 februarie 1883 brevetul pentru procedeul său de adacircncire a puţurilor verticale icircn roci bogate icircn apă (şi curgătoare) Poetsch a reuşit să experimenteze procedeul său la adacircncirea unor puţuri de mină dar a avut şi multe insuccese icircncacirct la 9 iunie 1902 moare sărac şi dezamăgit Metoda de icircngheţare prin frig artificial a terenurilor a avut mare succes icircn Franţa Astfel numai icircn perioada 1892 - 1898 icircn bazinele carbonifere Nord şi Pas de Calais s-au săpat circa 20 puţuri pacircnă la o adacircncime de 100 m prin aplicarea metodei icircngheţării după planurile lui Poetsch
Desigur că nu ar putea fi omis numele lui Louis Gebhard care realizează numeroase lucrări de adacircncire a puţurilor prin icircngheţare atacirct icircn Germania cacirct şi icircn Franţa Anglia Olanda şi Polonia ceea ce face ca metoda propusă de Poetch să devină o tehnologie demnă de toată icircncrederea cu siguranţă absolută şi cu un mare randament
Gebhard un mare practician icircncepe sa folosească icircn locul instalaţiilor cu absorbţie realizate de F Carre pe cu cele cu comprimare mecanică de vapori realizate de Karl von Linde cu icircncepere din anul 1874
Poetsch icircn 1888 prevede extinderea procedeului de icircngheţare la construcţia podurilor la construcţii navale lucrări de fortificaţii la protecţia fundaţiilor subterane şi a bazinelor cu apă El susţine că poate să rezolve orice problemă sub apă chiar şi puţuri icircncepute şi abandonate
Icircn anul 1900 se depăşeşte bariera adacircncimii de 100 m Realizarea unor puţuri mai adacircnci (peste 100 m) ridică unele probleme icircn plus faţă de puţurile de mai mică adacircncime deoarece abaterile de la verticalitate pot conduce la formarea unor ferestre icircn peretele protector
Icircn ţara noastră această tehnologie de forare a unor puţuri de mină cacirct şi a galeriilor de metrou prin icircngheţarea solului a fost folosită cu icircncepere din anul 1961 aşa cum se prezintă icircn paragraful 513
412 512 CONSTRUCŢIA INSTALAŢIEI DE IcircNGHEŢARE A SOLULUI
Icircn funcţie de forma şi mărimea lucrării care se realizează la adăpostul terenului icircngheţat principial se pot utiliza următoarele tipuri de instalaţii
a) cu răcire indirectă denumită şi cu dublu schimb (fig53)
b)cu răcire directă icircn circuit icircnchis (fig 54)
c)răcire directă icircn circuit deschis (fig55)
a) Răcirea indirectă se utilizează icircn practică cel mai mult fiind cunoscută icircncă de la icircnceputurile metodei de icircngheţare a solului
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
37
Figura 43 Fig 53 Instalaţia frigorifică cu răcire indirectă 1 - compresor 2 - condensator3 - ventil de laminare 4 - vaporizator 5 - bazin de răcire a saramurii 6
- agitator 7 - pompă de saramură 8 - sonde de icircngheţare
Ca agent frigorific se poate folosi amoniacul sau freonii iar ca agent intermediar se utilizează soluţiile de clorură de calciu clorura de sodiu sau magneziu sărurile respective fiind relativ uşor de procurat
Instalaţiile frigorifice cuprind unul sau mai multe blocuri frigorifice Acest mod de compunere prezintă avantaje icircn ceea ce priveşte montarea cacirct şi exploatarea instalaţiilor se poate asigura o reducere icircn trepte a puterii frigorifice pe măsură ce creşte rezistenţa termică a stratului de teren icircngheţat
Componentele principale ale instalaţiei frigorifice se montează grupat pe cele trei secţiuni secţia de compresoare secţia condensatoarelor şi secţia vaporizatoarelor De regulă compresoarele se montează fie icircn aer liber atunci cacircnd tipul lor permite fie acoperite sub şarpante protectoare
Pe măsură ce se scot din funcţiune blocurile frigorifice se demontează şi se pot monta la un nou obiectiv
b) Răcirea directă icircn circuit icircnchis (fig 54) se utilizează icircn cazul icircn care adacircncimea de icircngheţare este mică
Figura 44 Fig 54 Instalaţia frigorifică cu răcire directă icircn circuit icircnchis 1 - compresor 2 - condensator 3 - ventil de laminare 4 - sonde de icircngheţare
Sondele de icircngheţare constituie vaporizatorul instalaţiei frigorifice Icircn cazul unor sonde de lungime mare icircnălţimea coloanei de agent frigorific este de asemenea mare Ca urmare a presiunii hidrostatice variabile şi temperatura de vaporizare este variabilă fiind mai mare
1
2
1111111 Apă
3
4
1
2
Apă 3
4
5
6
7
8
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
38
la capătul inferior şi mai mică la capătul superior Din acest motiv adacircncimea sondelor de icircngheţare nu poate depăşi anumite limite şi icircn plus se recurge la fragmentarea coloanei de lichid cu ajutorul unor pereţi despărţitori
Pierderile de agent frigorific mai mari decacirct icircn cazul răcirii indirecte reprezintă un alt inconvenient al acestui mod de răcire
c) Răcirea directă icircn circuit deschis constă icircn introducerea agentului frigorific (cel mai frecvent azot lichid) icircn sondele de icircngheţare fără ca acesta să mai fie folosit după vaporizare
La presiunea atmosferică azotul lichid fierbe la temperatura de -196 ordmC icircncacirct vaporii reci de azot icircnainte de a fi evacuaţi se folosesc de asemenea pentru congelarea solului fiind circulaţi prin sonde de icircngheţare (Fig 55)
Figura 45 Fig 55 Icircngheţarea cu azot lichid icircn două trepte 1 - ventil de laminare 2 - sonda de icircngheţare 3 - sonda de icircngheţare cu vapori de azot
Această metodă se foloseşte cacircnd se urmăreşte o icircngheţare rapidă şi volumul de teren icircngheţat este redus
Se vor prezenta icircn continuare unele elemente constructive ale instalaţiilor de icircngheţare
Reţeaua de saramură (fig 56) are rolul de a asigura transferul de căldură de la sol către agentul frigorific Cuprinde două schimbătoare de căldură cel subteran alcătuit din sondele de icircngheţare şi cel de suprafaţă reprezentat de vaporizatorul imersat icircn saramură Icircntre cele două schimbătoare de căldură există conducte magistrale distribuitoare - colectoare şi racorduri la sonde
Saramura răcită prin intermediul vaporizatorului 1 este circulată cu pompa 2 prin magistrala de tur a reţelei 3 Sondele de icircngheţare 5 se leagă prin vane la distribuitorul 4 şi colectorul 6 ambele de construcţie inelară Printr-o asemenea construcţie şi mod de legare a sondelor prezentate icircn figura 56 se asigură o echilibrare a căderilor de presiune pe sondele de icircngheţare şi ca urmare o alimentare uniformă cu agent intermediar şi deci şi o răcire uniformă pentru toate sondele
1
2
AZOT LICHID
VAPORI
AZOT -40OC
3
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
39
Figura 46 Fig 56 Schema reţelei de saramură 1- vaporizatorul 2 - pompa de saramură 3 - magistrala de tur 4 - distribuitorul inelar 5 -sondele de
icircngheţare 6 - colectorul inelar 7 - magistrale de retur M - manometru D - debitmetru T - termometru
Magistralele 3 şi 7 de acelaşi diametru şi lungime variabilă (determinată de o serie de factori) se pot monta atacirct la suprafaţă cacirct şi icircn canal
Magistralele se dimensionează icircn funcţie de puterea frigorifică a schimbătorului de căldură subteran alcătuit din sondele de icircngheţare
F0 qNHd [W] (51)
unde d - diametrul exterior al sondei de icircngheţare m
H - adacircncimea de icircngheţare m
N - numărul de sonde de icircngheţare
qF - densitatea fluxului termic raportat la suprafaţa exterioară a sondei La temperatura saramurii de - 20 ordmC se poate considera qF = (260290) Wm2
Debitul volumic V de agent intermediar icircn reţeaua de icircngheţare icircn funcţie de care se aleg
pompele se determină cu relaţia
tc
V o
(52)
icircn care este densitatea agentului intermediar kgm3
c - căldura specifică a agentului intermediar JkgK
t - creşterea temperaturii agentului (saramura) icircn sondele de icircngheţare K
La icircnceputul perioadei de răcire diferenţa de temperatură este t = 56 K ca apoi să scadă la 12 K
Icircn conductele magistrale se recomandă ca viteza saramurii să fie w = 0915ms
Icircn acest caz diametrul conductelor de transport a saramurii este dat de relaţia
w
V4D
[m] (53)
Icircn funcţie de valoarea determinată pentru D se aleg conducte metalice de diametru nominal cuprins icircntre 75200 mm Dacă rezultă D gt 200 mm se vor alege două conducte cu diametrul mai mic de 200 mm
2
T
T
M
M D
D
NH
3
3
4
6
5
7
1
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
40
Conductele magistrale se realizează prin icircmbinări cu flanşe sau sudate iar la lungimi mai mari de 100150 m se vor prevedea coturi compensatoare Pentru reducerea pierderilor de frig magistralele vor fi izolate termic
Distribuitorul de saramură răcită şi colectorul de saramură de la sonde sunt construcţii metalice identice
Icircn figura 57 se prezintă modul de racordare a sondelor de icircngheţare 5 la distribuitorul 1 şi colectorul 2 Vanele 3 asigură icircnchiderea deci oprirea circulaţiei şi reglajul debitului Prin aceste vane se poate izola o anumită sondă care nu funcţionează normal sau la care se observă o anumită defecţiune
Figura 47 Fig 57 Racordarea sondelor de icircngheţare la distribuitor şi colector 1 - distribuitor 2 - colector 3 - vane 4 - racord elastic 5 - sonda de icircngheţare
Poziţia distribuitorului şi colectorului faţă de racircndul sondelor de icircngheţare poate fi laterală de o singură parte sau laterală de ambele părţi ale sondelor Amplasamentul trebuie astfel făcut icircncacirct să fie posibilă vizitarea supravegherea şi eventual icircnlocuirea sondelor de icircngheţare
Racordarea sondelor la distribuitor şi colector se face prin cacircte un racord elastic (fig 57) Dimensionarea distribuitoarelor şi a colectoarelor se face din condiţia ca viteza saramurii să nu depăşească 0915 ms
Coloanele de distribuţie şi colectare urmăresc icircn teren forma şirului de sonde de icircngheţare şi pot avea acelaşi traseu sau trasee diferite Configuraţia traseului poate fi icircn linie sau circulară Icircn oricare din situaţiile prezentate distanţele dintre ştuţurile de racord şi sondele de icircngheţare sunt variabile astfel icircncacirct racordurile rigide prin flanşe şi sudură sunt greu de realizat Cea mai practică soluţie de racord icircn acest caz este furtunul de cauciuc (fig 57)
Icircn reţeaua de saramură poate pătrunde aer prin procesul de pompare ceea ce conduce la intensificarea acţiunii corosive a saramurii Icircn scopul icircndepărtării aerului nedorit pe partea superioară a conductelor icircn punctele cele mai ridicate ale acestora se montează robineţi de evacuare periodică a aerului şi eventual a altor gaze
Pe conductele magistrale se vor monta aparate de măsură şi control debitmetre termometre şi manometre (fig 56) Icircn acest caz se poate aprecia funcţionarea fiecărei sonde după depunerile exterioare de gheaţă pe racordul metalic sau de cauciuc lăsate neizolate termic tocmai icircn acest scop Icircn scopul urmăririi regimului de lucru sub aspect
5
4
1
2 3
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
41
hidraulic şi termic icircn mod individual se pot monta aparate de măsură şi control pe fiecare sondă de icircngheţare dar această soluţie este mai costisitoare
Sonda de icircngheţare realizează transferul de căldură de la terenul ce urmează a fi icircngheţat spre agentul frigorific (la răcirea directă) sau agentul intermediar (la răcirea indirectă)
Icircn figura 51 s-a prezentat schema de principiu a unei sonde de icircngheţare cu saramură activă pe toată lungimea Conducta exterioară sau burlanul de icircngheţare 3 este o conductă din oţel etanşă şi rezistentă la eforturile mecanice care apar datorită presiunii solului şi variaţiei de temperatură icircntre momentul fixării ei icircn sol şi cel al funcţionării la o temperatura sub 00C
Icircn procesul de icircngheţare coloana de burlane care poate atinge lungimi de sute de metri se contractă icircnsă nu liber deoarece ea este stracircnsă icircn masivul de roci La o variaţie de temperatură icircntre momentul iniţial (fără saramură) şi momentul pornirii circulaţiei de saramură de 400C conducta din oţel de 500 m adacircncime ar trebui să se contracte cu
tHH = 500 11 10-6 40 = 0220 m = 22 cm
Datorită fixării coloanei icircn gaura forată efortul unitar de icircntindere ce apare icircn urma scăderii temperaturii este
tE = 22 1010 11 10-10 40 = 968 105 Nm2 = 9680 Ncm2
La acest efort de icircntindere apărut datorită contracţiei coloanei se mai adaugă efortul de acelaşi semn provocat de dilatarea masivului de rocă acviferă icircngheţată Icircn scopul compensării eforturilor de icircntindere s-a propus icircmbinarea coloanei cu nipluri elastice O asemenea soluţie este mai scumpă şi icircn plus micşorează secţiunea liberă de curgere ceea ce conduce la icircncălzirea excedentară a saramurii
La lucrări subterane de mare adacircncime ca puţurile de mină depozite subterane se folosesc burlane de 1397 x 7 mm pentru a fi posibilă determinarea abaterii de la poziţie verticală
La tunelurile de metrou şi icircn general la lucrările la care adacircncimea de icircngheţare nu depăşeşte 50 - 60 m diametrul cel mai frecvent utilizat este 1143 x 7 mm
Ţeava interioară 2 (fig 51) numită şi tub de alimentare de regulă ţeava uşoară de instalaţii de 50 mm diametrul se introduce icircn burlanul exterior 3 fără icircnsă a atinge şiul de bază 1 al sondei Se asigură icircn acest mod un volum minimal de depuneri solide care circulă cu saramura icircn mod incidental Icircn scopul economisirii de metal tubul de alimentare poate fi din material plastic ceea ce prezintă marele avantaj al lipsei coroziunii şi al refolosirii materialului respectiv
Şiul de fund are rolul de a asigura icircnchiderea burlanului exterior icircn partea sa inferioară Cel mai adesea are formă conică pentru a asigura introducerea cu uşurinţă a coloanei metalice icircn gaura de sondă Această componentă a sondei de icircngheţare se execută fie prin turnare sau se confecţionează cu ajutorul sudurii
Corespunzător profilului geologic al terenului icircn care se lucrează se icircntacirclnesc şi cazuri cacircnd nu este nevoie să se icircngheţe terenul pe toată icircnălţimea sondelor ci numai la partea lor inferioară Icircn acest caz se folosesc sonde de icircngheţare zonală (fig 58) cu ajutorul cărora se asigură congelarea doar a zonei inferioare ceea ce prezintă avantaje economice deosebite nu se consumă energie pentru a icircngheţa icircn mod inutil formaţiuni geologice consistente şi uscate şi nu se reduce ritmul lucrărilor de săpare printr-o eventuală mărire a rezistenţei rocilor
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
42
Figura 48 Fig 58 Sonda de icircngheţare zonală
1 - burlan exterior 2 - tub de alimentare 3 - şiu 4 - tub de evacuare
Figura 49 Fig59 - Sonda de icircngheţare cu agent
frigorific 1 - tub exterior 2 - perete despărţitor 3 - şiu 4 -
ştuţ (ţeavă de preaplin) 5 - condensator - vaporizator
Icircn cazul răcirii directe sondele de icircngheţare cu agent frigorific sunt de construcţie specială (fig 59) Particularitatea acestor sonde este prezenţa pereţilor despărţitori 2 dispuşi unul sub celălalt la circa 3 m fiecare perete fiind prevăzut cu un ştuţ de preaplin O asemenea construcţie are rolul de a fracţiona coloane de lichid ceea ce asigură o răcire mai uniformă pe lungimea sondei
Fiecare sondă este prevăzută la partea superioară cu cacircte o cămaşă de răcire Sondele se umplu cu amoniac lichid icircntr-o asemenea cantitate icircncacirct fiecare secţie să fie icircnecată cu lichid respectiv pacircnă la partea superioară a ştuţurilor 4 Ca urmare a fluxurilor de căldură de la sol se produce fierberea amoniacului icircn toate secţiile sondei Vaporii formaţi se ridică prin ştuţurile 4 şi ajungacircnd la partea superioară a sondei se condensează cedacircnd căldură agentului (amoniac) din cămăşile de răcire
Ca urmare cămăşile de răcire de la partea superioară a sondelor constituie vaporizatorul instalaţiei frigorifice Amoniacul care se condensează la partea superioară a sondei curge icircnapoi (de sus icircn jos) prin ştuţurile 4 Folosirea pereţilor despărţitori şi a ştuţurilor micşorează influenţa presiunii hidrostatice a lichidului asupra temperaturii de vaporizare a amoniacului Asemenea sonde de icircngheţare se folosesc pentru lucrări de mică adacircncime
Amplasarea sondelor se face icircn funcţie de o serie de factori formă poziţia şi dimensiunile lucrării care se realizează structura terenului temperatura şi viteza agentului etc
Icircn cazul puţurilor de mină de secţiune circulară sondele se amplasează pe un cerc
concentric de diametru D mai mare decacirct diametrul de săpare Ds cu grosimea a peretelui icircngheţat
sDD (54)
Trebuie să se ţină seama şi de deviaţia sondelor de la poziţia verticală icircncacirct pentru adacircncimi mari se utilizează relaţia
3
2 4
1
VAPORI 5 LICHID
3
2
4 1
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
43
a21DD s (55)
unde a = 003 H este abaterea medie statistică de la verticală a sondelor
Distanţa dintre sonde se ia de obicei de 1014 m icircn terenuri rezistente şi de 0809 m icircn terenuri slabe
Pentru adacircncimi de peste 500 m se recomandă să se dispună sondele pe două cercuri concentrice pentru a se forma un perete de grosime mai mare şi deci mai rezistent
La icircngheţarea terenului icircn jurul puţurilor de secţiune dreptunghiulară sondele se pot dispune pe dreptunghi sau elipsă Icircn aceste situaţii centura de teren icircngheţat poate fi solicitată la icircntindere ceea ce este de nedorit deoarece limita de rezistenţa la icircntindere a terenurilor icircngheţate este de circa 3 ori mai mică decacirct limita rezistenţei la compresiune Din acest motiv chiar şi la puţurile de mină de secţiune dreptunghiulară sondele se dispun pe unul sau două cercuri (fig 510)
Pentru realizarea galeriilor icircnclinate icircngheţarea terenului se realizează cu sonde verticale (fig 511) sau combinat atacirct cu sonde verticale cacirct şi cu sonde icircnclinate (fig 512)
Distanţa dintre sondele verticale (fig 511) se ia de 23 m iar distanţa dintre racircnduri este de 1525 m
Se poate folosi cacircte un racircnd de sonde icircnclinate montate deasupra galeriei (fig 212 a) sau sonde icircnclinate sub galerie şi sonde verticale scurte deasupra galeriei (fig 512 b)
SONDA
154 m
16
6 m
226
262
85
SONDA
Figura 411 Fig 511 Amplasarea sondelor verticale pentru realizarea galeriei icircnclinate
Figura 411 Fig 510 Dispunerea sondelor icircn jurul puţurilor de mină de secţiune
dreptunghiulară
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
44
Figura 412 Fig 512 Realizarea galeriilor icircnclinate cu sonde verticale (1) şi sonde oblice (2)
I - secţiunea longitudinală II - secţiunea transversală a) sonde icircnclinate deasupra galeriei b) sonde icircnclinate sub galerie
413 513 UTILIZAREA METODEI DE IcircNGHEŢARE A SOLULUI IcircN ŢARA NOASTRĂ
a)Puţuri de mină
Aplicarea metodei de icircngheţare a solului pentru lucrări de minerit a avut loc la noi icircn ţară icircncepacircnd cu anul 1960 la puţul Godeni din bazinul carbonifer Cacircmpulung - Muscel Proiectul a fost elaborat icircn anul 1959 la IPROMIN Bucureşti iar lucrarea a fost executată cu Trustul Minier Argeş avacircnd icircn subantrepriză de specialitate Icircntreprinderea Frigotehnica Bucureşti şi Trustul de prospecţiuni explorări şi deschideri de mine noi Bucureşti
Adacircncimea de săpare a puţului Godeni a trebuit sa fie de 202 m Sondele de icircngheţare constituite din două ţevi concentrice (fig 51) cu diametrele exterioare de 146 mm şi respectiv 57 mm icircn număr de 27 au fost amplasate pe un cerc cu diametrul de 10 m la distanţa de 117 m una de alta
Instalaţia frigorifică a fost dimensionată cu mare precauţie pentru a avea o siguranţă mărită icircn funcţionarea ei Toate părţile componente ale instalaţiei frigorifice au fost proiectate şi executate icircn ţară
La proiectarea instalaţiei s-a avut icircn vedere funcţionarea de scurtă durată şi variaţia puterii frigorifice icircn timp S-a utilizat răcirea indirectă cu soluţie de clorură de calciu iar ca agent frigorific a fost folosit amoniacul Pentru a avea elasticitatea necesară icircn funcţionare la diferite puteri frigorifice au fost folosite grupuri de utilaje frigorifice şi anume
6 compresoare 4 AU - 20 (200000 kcal Nh =233 kW fiecare)
3 baterii de condensatoare atmosferice a cacircte 300 m2 (900 m2)
bazine pentru răcirea saramurii fiecare cu cacircte 2 vaporizatoare superintensive de 50 m2 (600 m2)
2 grupuri a cacircte 5 pompe pentru recircularea saramurii
Puterea frigorifică a instalaţiei montate a fost de 12106 kcal Nh =1395 kW şi s-a caracterizat prin următoarele date tehnice la exploatare
85
1
2
I 85
1
2
I
85
1
2
II
85
1
2 II
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
45
o suprafaţa de schimb de căldură a sondelor 2500 m2 o puterea instalaţiei 750 kW o debitul saramurii icircn
o icircn perioada activă 350 m3h o icircn perioada pasivă 70 m3h
o viteza de circulaţie a saramurii icircn sondă o tur 18 ms 036 ms o retur 029 ms 006 ms
o volumul rocilor icircngheţate circa 10000 m3 o consumul specific de frig mediu 50000 m3 o durata icircngheţării (perioada activă) 130 zile
Icircn timpul răcirii şi deci a icircngheţării solului puterea frigorifică scade icircn mod continuu icircncacirct treptat s-a scos din funcţiune cacircte un compresor icircn perioada pasivă (de săpare a puţului) s-a menţinut icircn lucru doar un singur compresor şi grupul de utilaje aferent
După terminarea lucrărilor de la puţul Godeni icircn anii următori aceeaşi instalaţie s-a montat la puţul Poenari din acelaşi bazin carbonifer unde sondele au fost amplasate pe un cerc cu diametrul de 11 m la distanţa de 128 m una de alta
Un alt puţ realizat prin această tehnologie de icircngheţare a solului a fost puţul Jugur de la acelaşi bazin carbonifer Centrala frigorifică a cuprins 15 compresoare 3 AV - 20 (150000 kcal Nh fiecare=175kW) repartizate icircn 5 linii tehnologice independente cu icircntreg utilajul aferent Fiecare linie este compusă din
o butelie de răcire intermediară BRI - 700 un condensator cu evaporare forţată CEF - 180 un bazin cu patru grupuri vaporizatoare intensive de cacircte 165 m2 (icircn total 66 m2)
Sondele de icircngheţare icircn număr de 27 bucăţi au fost prevăzute să se amplaseze pe un cerc cu diametrul de 104 m la distanţă de 121 m Sondele sunt de tipul celei indicată icircn figura 58 deci cu răcire zonală avacircnd următoarele caracteristici diametrul exterior al burlanului este de 146 mm iar tuburile interioare au 57 mm (la exterior) tubul de alimentare are lungimea de 430 m iar cel de evacuare este de 220 m Ca urmare sondele de icircngheţare trebuie să producă icircngheţarea solului numai pe adacircncimea de la 220 m la 430 m Prin proiect s-au prevăzut următoarele date temperatura saramurii - 35 ordmC viteza saramurii icircn conducte de tur 18 ms viteza icircn conducte de retur (pe adacircncimea de răcit) 06 ms durata icircngheţării (perioada activă) a fost de 75 zile
Au fost prevăzute temperaturi scăzute şi viteze mari de congelare deoarece cilindrul icircngheţat trebuie să preia presiuni de pacircnă la 56 bar
b)Tunelurile pentru metroul din Bucureşti
Icircncepacircnd cu anul 1976 pentru realizarea metroului din Bucureşti s-a procedat la aplicarea metodei de icircngheţare a solului icircntr-o zonă considerată experimentală dar cu realizări efective de galerii
Prin proiect s-a prevăzut consolidarea prin icircngheţare artificială a profilului de săpare a tunelurilor de metrou pe o lungime de circa 550 m pe ambele fire Amplasamentul sondelor s-a făcut icircn două variante (pentru experimentare) pentru un fir de tunel ambele racircnduri de sonde s-au fixat icircn profilul circular de săpare iar pentru cel de al doilea fir de tunel sondele au fost forate icircn afara profilului de icircnaintare (fig 513) Au fost folosite sonde cu saramură cu posibilitatea de icircngheţare pe toată icircnălţimea de 16 m cacirct şi sonde cu icircngheţare zonală icircntre adacircncimile de 7 m şi 16 m Distanţa dintre sonde a fost fixată la 14 m
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
46
Pentru a se icircmpiedica accesul apelor icircn frontul de săpare datorate unor eventuale zone neicircngheţate traseul de tunel icircngheţat a fost icircmpărţit icircn incinte icircnchise prin timpane transversale La distanţe de 3050 m icircn lungul traseului au fost montate sonde de icircngheţare aşezate icircn plan normal pe axul tunelului prin care să se icircnchidă accesul apelor spre frontul de săpare
Echipamentul frigorific principal cuprinde
- 8 compresoare frigorifice 3 AV - 20 funcţionacircnd icircntr-o treaptă pentru care
corespunde puterea frigorifică de 12 106 kcal Nh =1395 kW
- 4 condensatoare de evaporare forţată CEF - 250
- 3 bazine de răcire a saramurii echipate cu cacircte 4 grupuri de vaporizatoare superintensive de cacircte 51 m2 (total 612 m2)
- 3 grupuri de cacircte 2 pompe a 220 m3h pentru circulaţia saramurii pe traseele de distribuţie şi prin sonde
Figura 413 Fig513 Amplasamentul sondelor de icircngheţare
Centrala frigorifică este stabilă adăpostită icircntr-o baracă metalică demontabilă existacircnd posibilitatea de reamplasare rapidă a instalaţiei icircntr-un alt loc Agentul frigorific utilizat este amoniacul iar agentul intermediar este clorura de calciu
Icircn perioada principală de icircngheţare temperatura de vaporizare este to = -22 ordmC asiguracircnd răcirea saramurii la -17 ordmC iar pe retur saramura a avut temperatura cu 15 ordmC mai ridicată
La o asemenea lucrare realizată icircn oraş se impune protejarea contra icircngheţului a straturilor de deasupra galeriilor icircn care sunt amplasate instalaţiile de apă - canal ceea ce presupune folosirea sondelor cu icircngheţare zonală care să nu fie active la partea superioară
c) Puţuri pentru prospectarea balastierelor
Procedeul şi instalaţia frigorifică au avut caracter de noutate şi s-a aplicat icircncepacircnd cu anul 1966 la mai multe obiective icircn general pe văile racircurilor unde s-au construit hidrocentrale
A
A B
B
A-A
000 -300 -700 -1061 -1300
65
800
B-B
000 -300 -700 -1061 -1300
65
550
ARGILA
ARGILA
NISIP
NISIP
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
47
Echipamentul frigorific principal cuprinde un agregat frigorific pentru amoniac de 20000 kcal Nh = 233 kW rezervor de amoniac separator de lichid şi anexe - toate fiind montate pe o remorcă
S-au folosit sonde de icircngheţare cu agent frigorific icircn număr de 8 bucăţi cu diametrul exterior de 133 mm montate pe un cerc cu diametrul de 2 m la distanţa de 076 m lungimea lor fiind de 75 m Legarea sondelor la distribuitor şi colector s-a făcut cu racorduri flexibile
Sondele au o construcţie specială fiind prevăzute cu 4 pereţi transversali cu ştuţuri de preaplin formacircndu-se astfel 5 compartimente Agentul lichid se introduce icircn compartimentul cel mai de sus şi se scurge prin ştuţuri pacircnă la baza sondei Conducta de aspiraţie străbate toate compartimentele vaporii fiind aspiraţi din compartimentul cel mai de jos Circulaţia vaporilor formaţi se face ca şi a lichidului de sus icircn jos obţinacircndu-se astfel o răcire uniformă şi eficientă pe toată icircnălţimea sondei
Durata icircngheţării respectiv a formării centurii de teren icircngheţat la adăpostul căreia să se poată efectua săparea şi preluarea de probe de sol este de 10 zile
414 514 CAcircMPUL DE TEMPERATURĂ IcircN SOLUL IcircNGHEŢAT
Cacircnd prin sonda de icircngheţare circulă saramură a cărei temperatura este sub 0 ordmC practic - 20 ordmC-25 ordmC icircn jurul sondei se formează un cacircmp termic care icircn cazul unei singure sonde poate fi reprezentat prin suprafeţe cilindrice coaxiale de temperatură constantă (izoterme)
După distanţa radială se deosebesc icircn sol din punct de vedere termic trei zone zona cilindrică din imediata vecinătate a sondei care este icircn zona icircngheţată zona răcită cuprinsă icircntre suprafaţa cilindrică izotermă de 0 ordmC şi izoterma de temperatură naturală şi a treia zonă cea de temperatura naturală (fig 514)
Icircn zona icircngheţată temperatura masivului variază de la temperatura peretelui metalic al sondei pacircnă la 0 ordmC Icircn zona răcită temperatura masivului creşte de la 0 ordmC pacircnă la temperatura naturală a masivului
Figura 414 Fig 514 Cacircmpul de temperatură icircn jurul unei sonde de icircngheţare
Este important să se cunoască cacircmpul termic icircn terenul supus icircngheţării deoarece acesta oferă date privind zona de răspacircndire a consolidării rocilor prin solidificarea apei cacirct şi a
t [oC]
r [m]
t (r)
ZONA RACITA
ZONA INGHETAT
A
ts TEMPERATURA NATURALA A ROCII
-20
-10
40
10 0 20 30
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
48
rezistenţei mecanice a rocii icircngheţate Se cunoaşte faptul că rezistenţa mecanică depinde direct de temperatură
Studiul variaţiei temperaturii icircn zona de influenţă a unei sonde şi a tuturor sondelor simultan oferă posibilitatea calculării dimensiunilor la proiectarea construcţiei peretelui protector cacirct şi controlul procesului icircn timpul desfăşurării lucrărilor
Pentru a se stabili relaţia de variaţie a temperaturii icircn zona icircngheţată icircn funcţie de raza r se consideră ecuaţia diferenţială
dr
dtr2q (56)
icircn care q este fluxul unitar de căldură corespunzător lungimii de 1 m din sonda de icircngheţare Wm
- conductivitatea termica a terenului Wm
Integrarea directă a ecuaţiei analitice se poate face icircn ipoteze simplificatoare consideracircnd
= const şi q = const ceea ce este justificat la valori mari ale timpului de răcire
Se separa variabilele
r
dr
2
qdt
(57)
Se consideră cunoscute temperaturile t1 la suprafaţa sondei de raza r1 și t2 = 0 ordmC la raza r2 corespunzătoare suprafeţei exterioare a cilindrului icircngheţat Se integrează ecuaţia (6-7) și cunoscacircnd limitele de integrare se va determina constanta de integrare
Cr ln2
qt
(58)
pentru r = r1 t = t1 deci
11 rln2
qtC
(59)
1
1r
rln
2
qtt
(510)
Se pune condiţia ca pentru r = r2 t = t2
1
212
r
rln
2
qtt
(511)
Se elimina q intre relaţiile (510) și (511) şi se obţine
1
2
1121
r
rln
r
rln
tttt (512)
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
49
Figura 415 Fig 515 Schema schimbătorului de căldură subteran
Pentru t2 = 0 ordmC relaţia (5-12) devine
)rrln(
)rrln(tt
12
21 (513)
Icircn figura 515 se prezintă o secţiune axială printr-o sondă de icircngheţare şi variaţia temperaturii icircn limitele t0 - temperatura agentului de răcire şi ts - temperatura naturală a solului
Cantitatea de căldură transferată de la masivul neicircngheţat spre agentul de răcire prin unitatea de lungimea de conducta şi unitatea de timp se calculează cu expresia
221
2
1o
1
moo
os
d
1
d
dln
1
d
dln
2
1
d
1
ttq
(514)
Icircn calculele inginereşti cel mai frecvent se determină nu fluxul termic pe unitatea de lungime a conductei ci fluxul termic qF raportat la unitatea de suprafaţă a conductei metalice la 1 m2 de suprafaţa exterioară sau interioară Mărimea qF se calculează astfel
22
o
1
2
1
o
o
1
m
o
o
oS
o
F
d
d
d
dln
2
d
d
dln
2
d1
tt
d
(515)
Fluxul termic qF prin unitatea de suprafaţă a sondei de icircngheţare calculat pentru adacircncimea de 100 m icircn regim laminar de curgere a agentului de răcire prin spaţiul inelar al sondei cu viteza w = 01 ms la diametre ale cilindrului de rocă icircngheţata
de la 02 la 3 m pentru to = -20 ordmC do = 01 m 1 = 233 WmK variază de la 720 la 230 Wm2 aşa cum se poate observa din figura 516 şi tabelul 51
d2
d1
d0
t
qF
t0
t2
t1 2
m 1
m
ts
Conducta Teren icircngheţat Teren
neicircngheţat
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
50
Figura 416 Fig 516 Variaţia fluxului termic qF prin unitatea de suprafaţă a sondei de icircngheţare 1 - regim turbulent 2 regim laminar
Tabelul 51Variaţia fluxului termic qF [Wm2]
Diametrul cilindrului de rocă icircngheţată icircn m
02 04 05 08 10 15 20
qF regim laminar 1160 550 387 330 302
qF regim laminar 720 465 423 350 321 283 258
Se observă ca densitatea fluxului de căldura qF scade foarte mult de la 800900 Wm2 la icircnceputul operaţiei de consolidare prin frig a rocilor pacircnă la 230250 Wm2 cacircnd cilindrul de rocă icircngheţata atinge diametrul de 23 m Ca urmare a acestei situaţii şi puterea frigorifică a instalaţiei va scădea icircn decursul a 6080 zile tot cu raportul de 800230 = 35
Instalaţia frigorifică va fi constituită din grupuri de utilaje (module) ce vor fi scoase treptat din funcţiune pe măsură ce se reduce densitatea fluxului de căldură qF ca urmare a creşterii grosimii stratului de teren icircngheţat Icircn practică pentru calcule se va considera qF = (260290) Wm2
O mărime importanta pentru proiectarea instalaţiei şi aprecierea procesului de consolidare a rocilor este timpul de icircngheţare Pentru calculul duratei de icircngheţare se pot folosi relaţiile prezentate icircn capitolul 3 la formarea gheţii pe suprafeţe cilindrice exterioare La aprecierea valorii pentru ls - căldura latentă de solidificare se avea icircn vedere conţinutul de apă din terenul supus icircngheţării
Dacă icircntre relaţiile pentru dependenţele (r) şi qF(r) se elimină r se obţine dependenţa
qF() Eliminarea nu se poate face direct ci fie cu ajutorul calculatorului fie printr-o construcţie grafică prezentată icircn figura 517
Studiul variaţiei temperaturii icircn solul icircngheţat cacirct și variaţia icircn timp a densităţii fluxului de căldura se poate face cu ajutorul calculatorului electronic
1200
1000
800
600
400
200
0 05 1 15 2 25 3
qF [Wm2]
Diametrul cilindrului de rocă icircngheţată [m]
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
51
Figura 417 Fig 517 Stabilirea dependentei qF() pe baza dependentelor qF(r) și (r)
415 515 ELEMENTE DE PROIECTARE A INSTALAŢIEI FRIGORIFICE PENTRU IcircNGHEŢAREA SOLULUI
Pentru proiectarea instalaţiei frigorifice trebuie sa se stabilească la icircnceput elementele de baza și anume
- puterea frigorifică maximă care apare la icircnceputul perioadei de răcire cacircnd pătrunderile de căldura spre agentul de răcire din sondele de icircngheţare au valori mai mari temperatura de vaporizare a agentului frigorific plecacircnd de la temperatura minimă sau medie din solul icircngheţat şi avacircnd icircn vedere modul de răcire directă sau indirectă
Se calculează cantitatea totală de căldură ce trebuie extrasă din terenul supus răcirii şi icircngheţării Se cunoaşte structura terenului icircngheţat deci se cunosc icircnălţimile h1 h2hn ale diferitelor straturi componente cacirct şi proprietăţile termofizice ale acestora
Grosimea centurii de teren icircngheţat se stabileşte icircn urma calculelor de rezistenţa materialelor icircncacirct se pot calcula volumele ocupate de straturile componente V1 V2Vn
Cantitatea de căldură ce trebuie extrasă din zona icircngheţată cuprinde două componente și anume
cantitatea de căldura Qa corespunzătoare răcirii şi icircngheţării apei
cantitatea de căldura Qt necesara răcirii părţii solide a terenului
n
1kfgsikaakka tcltcVQ (516)
unde
k - reprezintă conţinutul icircn apă din stratul respectiv [m3m3]
a - densitatea apei [kgm3]
ca cg - căldura specifica a apei respectiv a gheţii Jkg K
tik - temperatura iniţiala a stratului respectiv (de ordinul k)
tf - temperatura medie finala a masivului icircngheţat
ls - căldura latentă de solidificare a apei
r
q
q
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
52
fik
n
1kkkkkt ttc1VQ
(517)
k - densitatea părţii de teren solid (uscat) din stratul k
ck - căldura specifică a terenului uscat din stratul k
Cantitatea de căldură extrasă din terenul răcit reprezintă circa 1018 din cantitatea de căldură extrasă din zona de teren icircngheţat
Deci cantitatea totală de căldură Q ce va trebui preluată de către instalaţia frigorifică se poate aprecia astfel
Q = (110118) (Qa + Qt) (518)
Cu relaţia (51) se calculează puterea frigorifica a instalaţiei adoptacircnd o valoare medie pentru densitatea fluxului de căldura qF
Se poate aprecia timpul de funcţionare a instalaţiei frigorifice
o
Q
(519)
La anumite grosimi ale cochiliei de teren icircngheţat icircn jurul sondei densitatea fluxului termic scade sub valoarea medie adoptată icircn calcule şi ca urmare icircncepacircnd de la acest moment se va putea reduce treptat puterea frigorifica a instalaţiei prin scoaterea din funcţiune a unor grupuri
La proiectare se pot avea icircn vedere unele recomandări practice pentru stabilirea necesarului de frig pentru icircngheţarea unui m3 la -10 ordmC este necesar un consum specific de frig de 66000 kJ la 10 umiditate de 155000 kJ la 35 umiditate și de 210000 kJ la 50 umiditate
42 52 RĂCIREA BETONULUI LA CONSTRUCŢIILE MASIVE
421 521 INSTALAŢII DE PRERĂCIRE A COMPONENTELOR BETONULUI
Formarea betonului din elementele sale componente (nisip pietriş ciment şi apă) este icircnsoţită de fenomene fizico - chimice icircn care se degajă căldură şi ca urmare temperatura acestuia creşte Icircn cazul unor masive din beton (baraje) dacă viteza de turnare (icircn sezonul cald cacircnd se efectuază construcţia) este mai mare şi nu se asigura evacuarea căldurii corpul rezultă la o temperatura medie mai mare decacirct temperatura medie anuală Răcirea naturală conduce la contracţia masivului şi ca urmare la apariţia sub acţiunea tensiunilor interne a unor fisuri
Pentru ca variaţiile de temperatura icircntre centrul barajului şi straturile exterioare să fie cacirct mai mici se impune ca masivul respectiv să fie turnat la temperatura medie anuală a zonei respective Icircn acest scop se pot folosi două metode prin prerăcirea componentelor betonului și prin răcirea masei barajului
Icircn vederea reducerii căldurii degajată icircn reacţia dintre ciment şi apă au fost realizate sortimente de ciment caracterizate prin călduri masice reduse ce se degajă icircn procesul de priză
Prin prerăcirea componentelor betonului se urmăreşte ca betonul sa aibă temperatura medie a locului de amplasament şi prin aceasta evitarea apariţiei unor diferenţe mari de temperatură ce pun icircn pericol construcţia
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
53
Icircn funcţie de valoarea diferenţei de temperatură care trebuie realizată se poate adopta o anumită schemă de răcire pentru fiecare component icircn parte sau numai pentru unele din aceste părţi componente
Se pot folosi instalaţii frigorifice cu comprimare mecanică de vapori pentru răcirea apei a aerului sau formarea gheţii mărunte utilizate la prerăcirea componentelor betonului Folosirea gheţii fulgi sau solzi este limitată atacirct din cauza conţinutului de apă impus cacirct şi ca urmare a pericolului ca gheaţa să nu se topească icircn procesul de malaxare ci la turnare sau icircn procesul de priză ceea ce duce la formarea de goluri icircn beton
De asemenea se pot folosi instalaţiile frigorifice cu ejecţie
Icircn vederea stabilirii necesarului de frig pentru preratildecirea componentelor betonului se calculează mai icircntacirci cantitatea de catildelduratilde Qo1 ce trebuie evacuatatilde dintr-un m3 de beton avacircndu-se icircn vedere proporţiile icircn care participatilde cimentul nisipul pietrişul şi apa Fiecare component are o temperatură iniţialatilde şi urmeazatilde a fi răcit pacircnatilde la o temperatura finalatilde tf aceeaşi pentru toţi componenţii
fpppfnnnfccc1o ttcmttcmttcmQ
fnaanfpaapfaaa ttcmttcmttcm Jm3 (520)
unde
mc mn mp ma - masele de ciment nisip pietriş şi apă conţinute icircntr-un m3 de beton [kgm3]
cc cn cp cw - căldurile specifice masice ale cimentului nisipului pietrişului şi nisipul dintr-un m3 de beton [kgm3]
Puterea frigorifică se determină cu relaţia
3b1oo 10VQ [kW] (521)
icircn care bV reprezintă fluxul de betonare icircn m3s
Se prezintă icircn continuare cele mai folosite metode de prerăcire a componentelor betonului
4211 a) Instalaţie de prerăcire cu apă
Staţia de preparare a betonului este deservită de o instalaţie frigorifică cu comprimare mecanică de vapori care asigură răcirea apei
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
54
Figura 418 Fig 518 Schema de lucru a instalaţiei de prerăcire a betonului cu ajutorul apei 1 - ciment 2 - vagon nisip 3 - vagon pietris 4 - tancuri de răcire a pietrişului 5 - sită 6 - siloz de
nisip 7 - siloz de ciment 8 - rezervor de distribuţie 9 - răcitor de nisip 10 - răcitor de ciment 11 - răcitor de apă 12 - rezervor de apă răcită 13 - răcitor de apă 14 - instalaţie de prepararea betonului
I II III IV V - fazele de răcire a pietrişului
Icircn figura 518 se prezintă schema de lucru a unei asemenea instalaţii de prerăcire a betonului cu ajutorul apei folosită la construcţia barajului de la Detroit (SUA) Apa este răcită de la 16 la 15 ordmC şi transmisă apoi la instalaţia de preparare a betonului şi icircn cinci rezervoare a cacircte 90 m3 fiecare icircn care se răceşte pietrişul
Procesul de răcire a pietrişului cuprinde cinci faze
- faza I - introducerea apei icircn rezervor 10 minute
- fazele II şi III - introducerea simultană a apei şi a pietrişului 50 minute
- faza IV - evacuarea apei 15 minute
- faza V - evacuarea pietrişului 15 minute
Icircntregul proces de răcire a pietrişului durează 90 minute Pentru răcirea cimentului şi nisipului se utilizează schimbătoare de căldură cu ax elicoidal la care apa de răcire circulă prin arborele gol şi prin manta
Rezervoarele 12 pentru apa răcită au fiecare volumul de 114 m3
Beton 635oC
190 m3h
65oC
24oC
18oC
1
2
3
4
5
6
7
8
10
9
11
12
13
14
Apă 16oC
15oC
Cim
en
t
26 l
h
Nis
ip 1
12
lh
10
oC
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
55
42111 Aplicaţie numerică
Să se calculeze puterea frigorifică necesară prerăcirii betonului prin metode şi condiţiile prezentate mai sus Se cunosc următoarele date de calcul
mp = 1700 kgm3 beton
mc = 135 kgm3 beton
mn = 590 kgm3 beton
ma = 60 kgm3 beton
cc = cn = cp = 921 Jkg K
ca = 4180 Jkg K
map = 16 kgm3 beton
man = 38 kgm3 beton
tp = 18 ordmC
tc = 66 ordmC
tn = 21 ordmC tf = 635 ordmC
052803000
190Vb m3s
Se calculează componentele cantităţii de căldură Q01
3fcccc 10741735666921135ttcmQ Jm3
3fnnnn 10796135621921590ttcmQ Jm3
3fpppp 1024018356189211700ttcmQ Jm3
3faaaa 10420235616418060ttcmQ Jm3
3fpaapap 1077935618418016ttcmQ Jm3
3fnaaan 10232735621418038ttcmQ Jm3
Rezulta
3anapapnc1o 1039144QQQQQQQ Jm3
3o 10 206705280103914410VQ 33
b1o kW
4212 b) Instalaţii de prerăcire cu aer apă
Pentru răcirea componentelor betonului se utilizează icircn acest caz fie apa fie aerul ca agenţi intermediari răciţi cu ajutorul instalaţiilor frigorifice
Icircn figura 519 se prezintă schema unei asemenea instalaţii folosită la construcţia barajului de la Sariyar din Turcia
Răcirea aerului se poate face fie direct prin vaporizarea unui agent frigorific fie indirect cu un agent intermediar de răcire ca de exemplu saramura de clorură de calciu Aerul răcit pacircnă la -6 ordmC este suflat icircn silozurile cu pietriş de dimensiuni icircntre 4150 mm
Apa răcită icircn bazinul la pacircnă la 05 ordm este trimisă din colectorul 12 la staţia de preparare a betonului servind la scăderea temperaturii acestuia
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
56
Figura 419 Fig 519 Schema instalaţiei de prerăcire a betonului cu aer şi apă 1 - compresor 2 - condensator 3 - ventile de laminare 4 - vaporizatoare 5 - bazin de răcire a
saramurii 6 - pompă de saramură 7 - răcitor umed de aer 8 - ventilatoare 9 - silozuri de pietriş 10 - bazin de răcire a apei 11 - pompă 12 - colector de apă răcită
Figura 420 Fig 520 Schema instalaţiei de prerăcire cu aer şi apă 1 - siloz de pietriş şi nisip 2 - siloz de ciment 3 rezervor de apă 4 - răcitor de aer 5 - răcitor de apă
4 - răcitor de apă 6 - buncăr de sortare 7 - instalaţie de preparare beton
Pentru intensificarea procesului de răcire a pietrişului aerul este răcit sub 0 ordmC Acest procedeu are avantajul unei funcţionări fără icircntrerupere a procesului de preparare a betonului dar prezintă şi o serie de dezavantaje debite foarte mari de aer de răcire posibilitatea antrenării particulelor fine de agregat icircn răcitorul de aer şi depunerea acestora pe suprafaţa de schimb de căldură Ca urmare instalaţia se va curăţa la circa 14 zile Icircn figura 520 se prezintă o altă schemă de instalaţie de prerăcire a betonului cu aer şi apă folosită la construcţia unui baraj din India
Apă
295oC
Ciment
433oC
Pietriş şi nisip
378oC
Apă 6oC
Ciment 433oC
Aer
Pietriş
45oC Nisip 222oC
22oC
Ap
ă
45
oC
Ap
ă 2
2o
C
Ae
r 5
5o
C
Be
ton
12
8o
C
Apă 22oC
2
1
3 4 5
8
9
5 7
12
1oC
11
05oC 9oC 9oC
-9oC
-10oC -10oC
-10oC 2oC
6oC
10 4 4 6
8 8
8
8 8
9 9 9 9
1
2
3 3
7
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
57
Pietrişul şi nisipul se separă icircntre ele icircn buncărul de sortare 6 şi apoi fiecare circulă pe cacircte o bandă transportoare prin camera de răcire 7 Pietrişul este răcit cu ajutorul apei
Fig
ura
42
1 F
ig 5
21
Sc
he
ma
in
sta
laţi
ei
de
ră
cir
e icirc
n v
id a
co
mp
on
en
telo
r b
eto
nu
lui
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
58
reci icircncacirct ajunge la o temperatură mai scăzută decacirct nisipul răcit cu aer Prin camera 7 se circulă şi aer rece care se introduce la temperatura de 55 ordmC Cimentul se introduce la instalaţia de preparare a betonului 9 fără a fi răcit
O altă posibilitate de prerăcire a agregatelor (pietriş şi nisip) şi a apei utilizată mai recent la construirea barajelor icircntrebuinţează răcirea icircn vid la care agregatele uşor umezite icircn recipiente sub presiune se răcesc după nevoie (prin reglarea vacuumului) la o temperatură mai scăzută sau mai ridicată Căldura necesară evaporării umidităţii de pe agregate şi din ele (apa legată) este luată chiar de la corpurile respective (pietriş nisip) şi ca urmare acestea se răcesc
O asemenea instalaţie utilizată la Hortwell icircn SUA (figura 521) cuprinde 3 recipienţi de cacircte 150 m3 pentru răcirea pietrişului şi 3 recipienţi de cacircte 80 m3 pentru răcirea nisipului
Pietrişul şi nisipul cu temperatura maximă de 43 ordmC se pot răci pacircnă la temperatura necesară de 45 ordmC Pentru realizarea vidului necesar se folosesc două cazane de abur care produc 77 th fiecare
422 522 RĂCIREA INTERIOARĂ A MASIVULUI DE BETON
Prerăcirea betonului se recomandă icircn condiţiile unei zone tropicale sau temperate de amplasare a construcţiei masive nu se recomandă icircn cazul amplasării barajului icircn munţi unde temperatura aerului este scăzută Icircn asemenea situaţii se recomandă răcirea betonului prin conducte amplasate icircn masiv prin care circulă apă rece
La răcirea interioară cu conducte montate icircn beton are loc o eliminarea a căldurii simultan cu producerea ei icircn procesul de priză producacircndu-se şi o răcire pacircnă la temperatura necesară Pentru răcire se folosesc conducte de oţel cu diametre de 1525 mm montate la distanţe de 1223 m icircn plan orizontal şi de 153 m icircn plan vertical Lungimea conductelor icircntr-un m3 de beton este de 0204 şi a fiecărei serpentine de 140250 m
Debitul apei de răcire ce circulă prin 1 m3 de beton este de (0553) dm3h
Figura 422 Fig 522 Reţea de conducte de răcire a betonului icircn secţiunea unui baraj 1 - galerie pentru măsurători 2 - galerie de conducte de apă de răcire
Serpentinele se montează şi se fixează pe suprafaţă de beton (fig522) Capetele serpentinelor se leagă de o coloană verticală prin mufe metalice sau de cauciuc Diametrul distribuitorului şi al coloanei este cuprins icircntre 150200 mm După montaj aceste conducte se verifică la presiunea de lucru
1 2
Ax
a
ba
raju
lui
Determinarea necesarului de căldură și apă caldă pentru un imobil
16
Figura 24 Vedere fata Sud
Figura 25 Vdere fata Est
Determinarea necesarului de căldură și apă caldă pentru un imobil
17
Figura 26 Vedere fata Vest
Figura 27 Vedere de ansamblu
Determinarea necesarului de căldură și apă caldă pentru un imobil
18
Dimensiunile casei și a incaperilor sunt afisate icircn tabelul urmator
Incapere Suprafata mp
1 Hol intrare+ Living + Hol 3353
2 Dormitor mare 1804
3 Dromitor mic 12
4 Bucatarie 112
5 Baie mare 48
6 Baie mica 475
7 Camera tehnica 72
Total suprafata 9152
Total perimetru casa 444 m
21 22 Determinarea necesarului de căldură și apă caldă menajeră pentru imobil
Pentru studiul necesarului de flux termic este nevoie sa cunoastem posibilele pierderi de căldura cat si modul de utilizare al acesteia Ecuatia generala a bilantului termic ce se foloseste icircn calcularea fluxului de căldura
Q = Q1+ Q2+ Q3 [W]
Q1- fluxul de căldura pierdut prin transmisie
Q2- fluxul de căldura necesar incalzirii aerului ventilat
Q3- fluxul de căldura necesar prepararii apei calde
Fluxul termic pierdut prin transmisie este distribuit intre elementele constructive ale casei si anume Q11 - pereti Q12 - podea Q13 - tavan Q14 - geamuri
Q1= Q11+ Q12+ Q13+ Q14 [W]
Formula care se utilizeaza icircn calculul pentru fiecare fux termic icircn parte este comuna celor patru elemente
Q1i= Si middot Ki middot (tint - text) [W]
Unde Si - suprafata totala calculata a fiecarui element icircn parte se iau icircn considerare doar elementele care au legatura cu exteriorul [m2] ki - coeficientul global de transfer termic specific fiecarui element icircn parte [Wm2C] tint - temperatura din interiorul imobilului [degC] text - temperatura exterioara Icircn cazul podelei de utilizeaza temperatura solului șisau a pivnitei [degC]
Coeficientul global de transfer termic se calculeaza dupa formula
ki = 120783
120783
120514119842 + sum
120517119842
120524119842+
120783
120514119838119847119843=119842
[Wm2C]
Unde αi = coeficientul de transfer convectiv din interior αi = 8 Wm2C αe = coeficientul de transfer termic convective din exterior αe = 20 Wm2C λi - conductivitatea termica a stratului i pe care il aflam din fisa tehnica am materialului stratului respectiv [WmmiddotK] δi- grosimea stratului I [m]
Temperatura ce trebuie mentinuta icircn interiorul imobilului este de 22 degC
Coeficentul de convectie termica αi = 8
211 Mers de calcul pentru Q1
Q11 - flux termic pierdut prin pereti
Specificatii perete exeterior
Tencuiala δ 0025 m Grosime
Determinarea necesarului de căldură și apă caldă pentru un imobil
19
interioara λ 093 WmmiddotK Conductivitate termica
Rt 0026882 m2middotKW Rezistenta termica
Zidarie BCA δ 03 m Grosime
λ 014 WmmiddotK Conductivitate termica
Rt 2142857 m2middotKW Rezistenta termica
Tencuioala exterioara
δ 0025 m Grosime
λ 093 WmmiddotK Conductivitate termica
Rt 0026882 m2middotKW Rezistenta termica
Vata bazaltica δ 01 m Grosime
λ 0037 WmmiddotK Conductivitate termica
Rt 2702703 m2middotKW Rezistenta termica
Placa fibrocement
δ 001 m Grosime
λ 02 WmmiddotK Conductivitate termica
Rt 005 m2middotKW Rezistenta termica
Tencuiala decorativa
δ 0005 m Grosime
λ 093 WmmiddotK Conductivitate termica
Rt 0005376 m2middotKW Rezistenta termica
K11 = 1
1
120572119894+
1205751
1205821+
1205752
1205822+
1205753
1205823+
1205754
1205824+
1205755
1205825+
1205756
1205826+
1
120572119890 =
11
8 +
0025
093+
03
014+
0025
093+
01
0037+
001
02+
0005
093+
1
22
K11 = 0194943188 Wm2C
S11 = h middot lp = 3 middot 3901 = 11703 m2
h - inaltimea peretelui [m]
lp - lungimea perimetrala a peretelui [m] (din care s-au scazut suprafetele vitrate)
Δt = ti - te = 22 + 15 = 37degC
ti - temperatura interioara
te - temperatura exterior
Q11 = K11 middot S11 middot Δt = 0194943188 middot 11703 middot 37 = 8441254483 W
Perete exterior
ti 22 degC αi 8 Wm2 k
te -15 degC αe 22 Wm2 k
δ1 0025 m λ1 093 Wmk tp1 2109758812 degC
δ2 03 m λ2 014 Wmk tp2 2090352105 degC
δ3 0025 m λ3 093 Wmk tp3 5433603161 degC
δ4 01 m λ4 0037 Wmk tp4 523953609 degC
δ5 001 m λ5 02 Wmk tp5 -1427207206 degC
δ6 0005 m λ6 093 Wmk tp6 -1463303681 degC
tp7 -1467185023 degC
q 7219295 W
Determinarea necesarului de căldură și apă caldă pentru un imobil
20
Figura 28
Q12 - fluxul termic pierdut prin podea
Specificatii podea
Placa fibrocement
δ 001 m Grosime
λ 02 WmmiddotK Conductivitate termica
Rt 005 m2middotKW Rezistenta termica
Sapa δ 01 m Grosime
λ 0035 WmmiddotK Conductivitate termica
Rt 2857143 m2middotKW Rezistenta termica
Polistiren extrudat
δ 005 m Grosime
λ 0033 WmmiddotK Conductivitate termica
Rt 1515152 m2middotKW Rezistenta termica
K12 = 1
1
120572119894+
1205751
1205821+
1205752
1205822+
1205753
1205823+
1
120572119890 =
11
8 +
001
02+
01
0035 +
005
0033+
1
0
= 0219911 Wm2C
S12 - amprenta la sol a casei = 12296 m2
Δt = ti - te = 22 - 15 = 7degC
Temperature pentru podea este de 15degC
Q12 = K12 middot S12 middot Δt = 0219911 middot 12296 middot 7 = 1892818 W
Podea
ti 22 degC Αi 8 Wm2 k
te 15 degC Αe 0 Wm2 k
δ1 001 m λ1 02 Wmk tp1 2180757789 degC
Determinarea necesarului de căldură și apă caldă pentru un imobil
21
δ2 01 m λ2 0035 Wmk tp2 2173060904 degC
δ3 005 m λ3 0033 Wmk tp3 1733238927 degC
δ4 m λ4 Wmk tp4 15 degC
δ5 m λ5 Wmk tp5 degC
δ6 m λ6 Wmk tp6 degC
tp7 degC
q 1539377 W
Figura 29
Q13 - fluxul termic pierdut prin tavan
Specificatii tavan
Tencuiala δ 002 m Grosime
λ 093 WmmiddotK Conductivitate termica
Rt 0021505 m2middotKW Rezistenta termica
Placa beton armat
δ 013 m Grosime
λ 174 WmmiddotK Conductivitate termica
Rt 0074713 m2middotKW Rezistenta termica
Sapa δ 003 m Grosime
λ 026 WmmiddotK Conductivitate termica
Rt 0115385 m2middotKW Rezistenta termica
Vata bazaltica δ 015 m Grosime
λ 0037 WmmiddotK Conductivitate termica
Determinarea necesarului de căldură și apă caldă pentru un imobil
22
Rt 4054054 m2middotKW Rezistenta termica
Placa nivelanta δ 002 m Grosime
λ 026 WmmiddotK Conductivitate termica
Rt 0076923 m2middotKW Rezistenta termica
K13 = 1
1
120572119894+
1205751
1205821+
1205752
1205822+
1205753
1205823+
1205754
1205824+
1205755
1205825 +
1
120572119890 =
11
8+
002
093+
013
174+
003
026+
015
0037+
002
026+
1
22
K13 = 0219736 Wm2C
S13 = S12 = 12296 m2
Δt = ti - te = 22 + 15 = 37degC
Q13 = K13 middot S13 middot Δt = 0219736 middot 12296 middot 37 = 1000 W
Tavan
ti 22 degC αi 8 Wm2 k
te -15 degC αe 22 Wm2 k
δ1 002 m λ1 093 Wm k tp1 209751906 degC
δ2 013 m λ2 174 Wm k tp2 207988793 degC
δ3 003 m λ3 026 Wm k tp3 2018634954 degC
δ4 015 m λ4 0037 Wm k tp4 1924037163 degC
δ5 002 m λ5 026 Wm k tp5 -1399669009 degC
δ6 m λ6 Wm k tp6 -1462734204 degC
tp7 degC
q 8198475 W
Determinarea necesarului de căldură și apă caldă pentru un imobil
23
Figura 210
Q14 - fluxul temic pierdut prin suprafetele vitrate
Am ales un geam temopan cu trei randuri de sticla și cu tamplarie de lemn
K14 = 06 Wm2C
S14 = 2728 m2 suprafata ocupata de geamuri
Δt = ti - te = 22 + 15 = 37degC
Q14 = K14 middot S14 middot Δt = 06 middot 2728 middot 37 = 605616 W
Fereastra
ti 22 degC αi 8 Wmpk
te -15 degC αe 22 Wmpk
δ1 0005 m λ1 075 Wmk tp1 1992074356 degC
δ2 0018 m λ2 00177 Wmk tp2 1980984988 degC
δ3 0005 m λ3 075 Wmk tp3 2893865242 degC
δ4 0018 m λ4 00177 Wmk tp4 2782971565 degC
δ5 0005 m λ5 075 Wmk tp5 -1413301307 degC
δ6 m λ6 Wmk tp6 -1424390675 degC
tp7 degC
q 1663405 W
Determinarea necesarului de căldură și apă caldă pentru un imobil
24
Figura 211
Q1 = Q11 + Q12 + Q13 + Q14 = 8441254483 + 1892818 + 1000 + 605616
Q1 = 263871712 W
212 Mers de calcul pentru Q2
Q2 = n middot Q1
n - numarul de schimburi (07 08 1)
Q1 - fluxul de căldura pierdut prin transmisie
Q2 = 1 middot 263871712 =gt Q2 = 263871712 W
213 Mers de calcul pentru Q3
Q3 = 119898 middot119862119908 middot(119905119887minus119905119903)
120591 middot3600 [kW]
m - cantitatea de apa calda preparata [Kg]
m = n middot czn middot ρ [Kg]
ρ = 1000 Kgm3- densitatea apei [Kgm3] n = 4 - numarul de locatari =gt n
czn - consumul zilnic de persoana [l] gtgtgt czn = l middot 1000 = m3
Un consum de acm specific unui nivel de confort mediu la o temperature de 45degC vom avea un czn = 50 l de persoana
cw - căldura specifica a apei [KJKgC] =gt cw = 4186 KJKgmiddotC
tb - temperatura apei din boiler [C] =gt tb = 50degC
tr - temperatura apei de intrare [C] =gt tr = 10degC
Icircn general avem vara tr = 1217degC iar iarna tr = 5hellip10degC
120591 - timpul icircn care este incalzita apa [h] =gt 120591 = 4h
m = 4 middot (50 middot 1000) middot 1000 m = 200 Kg
Q3 = 200 ∙4186 ∙(50 ∙10)
4 ∙3600 =gt Q3 = 2325555556 W
Q = Q1 + Q2 + Q3 = 263871712 + 263871712 + 2325555556
Q = 7602989795 W =gt Q = 76 KW
Calculul necesarului de frig pentru depozit de fructe
25
3 Calculul necesarului de frig pentru depozit de fructe
31 31 Calculul grosimii izolatiilor
Regimul de funcţionare al spaţiilor frigorifice caracterizat prin valori coboracircte ale temperaturilor prin variaţia rapidă a acestora şi prin umiditatea mare a aerului icircncăperilor impune pentru izolaţiile termice ale pereţilor planşeelor şi pardoselilor condiţii deosebite Pereţii spaţiilor frigorifice despart două medii cu temperaturi diferite Fluxul de căldură ce pătrunde din exterior icircn camere care trebuie preluat de instalaţia frigorifică este direct proporţional cu diferenţa de temperatură dintre cele două feţe ale peretelui şi cu coeficientul global de transmitere a căldurii Izolarea se execută la spaţiile răcite atacirct la pereţi cacirct şi la tavan şi podea şi are ca rol icircmpiedicarea apariţiei condensului pe suprafaţa caldă a pereţilor incintelor frigorifice
Figura 31 Fig13 Variaţia de temperatură prin peretele termoizolant
Din exploatarea frigoriferelor se cunoaşte că prin icircnvelişul exterior al spaţiilor frigorifice trece icircn majoritatea cazurilor mai mult de jumătate din cantitatea totală de căldura ce pătrunde icircn icircncăperi Această cantitate de căldură se poate reduce prin majorarea grosimii stratului termoizolant Dar reducerea infiltraţiilor de căldură icircn acest tel nu se poate face nelimitat deoarece la o anumită grosime a stratului izolant adică la o anumită valoare a coeficientului k de transfer al căldurii costul construcţiei izolate va fi mai mare decacirct costul energiei ce reprezintă frigul economisit prin majorarea grosimii izolaţiei
De aceea se obişnuieşte a se folosi icircn calcule valori optime ale coeficientului k de transfer al căldurii calculacircndu-se astfel o grosime optimă a izolaţiei termice
Pentru izolarea pereţilor camerelor se vor folosi panouri tip sandwichFig15
Calculul necesarului de frig pentru depozit de fructe
26
Figura 32 Fig15 Construcţia panourilor de tip sandwich
Rolul panourilor plastifiate este de a preicircntacircmpina pătrunderea vaporilor icircn interiorul izolaţiei eliminacircnd necesitatea barierei de vapori Panourile folosesc metoda de icircmbinare nut-feder reducacircndu-se astfel transferul de căldură cu mediul extern
Deoarece avem un singur depozit vom adopta coeficienţii de transfer de căldură prin
convecţie funcţie de t
Aleg pentru t = = te - ti = 318 - 1 = 308 0C k = 023 Wm2K
Din catalogul de produse INCOLD Italia se alege poliuretan 100 mm = 0023 WmK
Tablă din oţel galvanizat plastifiat
Calculul necesarului de frig pentru depozit de fructe
27
Tabelul 317 Tabel24 Calculul grosimi izolației
ei
i
i
izizk
111
Coeficientul global de transfer de căldură se determină utilizand relaţia
eiz
iz
i
i
i
k
11
1
n
i i
i
1
- suma rezistenţelor termice ale tuturor straturilor din care este realizat
peretele[m2KW]
iz - grosimea stratului de izolaţie termică [m]
iz - conductivitatea termică a materialului izolator [WmK]
e - coeficient de convecţie pe partea exterioară a peretelui [WmK]
i - coeficient de convecţie pe partea interioară a peretelui [WmK]
32 32 Bilantul caloric al spatiului climatizat pe timp de vară Necesarul de frig pentru frigorifer
Se stabileşte consumul zilnic de frig pe icircntreg frigoriferul şi pentru fiecare icircncăpere icircn parte luacircndu-se icircn considerare cele mai nefavorabile condiţii de lucru
temperatura aerului exterior pentru luna cea mai caldă a anului
icircncărcarea maximă şi simultană a camerelor de refrigerare
Spaţiul frigorific
Perete k αi αe 1αi 1αe R 1k λiz
δiz
calc δiz
ales Kr
[Wm2K] [m2KW] [WmK] [m] [m]
N 0229 10 18 010 006 0590 4367 0023 0097 0100 023
E 0224 10 12 010 008 0618 4464 0023 0098 0100 023
DR S 0221 10 12 010 008 0618 4525 0023 0100 0100 023
V 0223 10 12 010 008 0618 4484 0023 0099 0100 023
T 0221 10 12 010 008 0618 4525 0023 0100 0100 023
P 0228 10 0 000 000 0435 4386 0023 0000 0100 023
N 0221 25 12 004 008 0558 4525 0023 0101 0100 023
E 0224 25 12 004 008 0558 4464 0023 0100 0100 023
CP S 0224 25 12 004 008 0558 4464 0023 0100 0100 023
V 0223 25 12 004 008 0558 4484 0023 0100 0100 023
T 0221 25 12 004 008 0558 4525 0023 0101 0100 023
P 0228 25 0 000 000 0435 4386 0023 0000 0100 023
Calculul necesarului de frig pentru depozit de fructe
28
camerele vecine celei căreia i se face calculul necesarului de frig sunt goale şi au temperatura vestibulului sau a sasului
Aceste calcule determină necesarul de frig pe categorii de consumatori grupaţi după temperatura cerută şi permit stabilirea puterilor frigorifice icircn vederea proiectării instalaţiei
Pentru calculele termice sunt necesare următoarele
planul frigoriferului care a fost stabilit
dimensiunile camerelor
temperaturile necesare icircn fiecare cameră
Se consideră
1degC icircn depozitele de refrigerate
orientarea frigoriferului după punctele cardinale
condiţii climatice icircn lunile cele mai călduroase pentru zona geografică respectivă
Consumul de frig se calculează pentru 24 ore cu relaţia
Qnec = Q1 + Q2 + Q3 + Q4 [kcal24h]
Q1 - neeesarul de frig pentru acoperirea pătrunderilor de căldură prin cenvecţie
conducţie şi radiaţie din mediul icircnconjurător prin pereţi pardosea și plafon
Q2 - necesarul de frig tehnologic pentru procesele de răcire refrigerere şi
congelare eliminarea căldurii de respiraţie seu pentru unele procese chimice şi
biochimice
Q3 - necesarul de frig pentru ventilarea camerelor frigorifice cu aer proaspat care
trebuie racit şi uscat
Q4 - necesarul de frig rezulticircnd din condiţii de exploatare acoperirea căldurii
provenite din iluminat din funcţionarea motoarelor căldura provenită de la persoanele ce
manipulează produsele datorită deschiderii uşilor etc
321 Consumul de frig Q1
Se determină pentru fiecare spaţiu icircn parte cu relaţia
RttkFQ1 [ W ]
F - reprezintă suprafaţa pereţilor a pardoselei şi a plafonului corespunzător fiecărui
spaţiu frigorific icircn parte icircn m2 Ca suprafaţă de transfer se va considera suprafaţa
exterioară a perimetrului izolat termic
k - reprezintă coeficientul global de transmitere a căldurii prin convecţie conducţie şi radiaţie
prin pereţi plafon şi pardoseală (toate izolate termic) icircn [W(m2 middot grd)] Valoarea coeficientului k a
fost calculată icircn tabelul 24 (kr)
Δt - reprezintă diferenţa de temperaturi dintre temperatura exterioară suprafeţei de
transfer termic considerată şi temperatura interioară spaţiului frigorific
Calculul necesarului de frig pentru depozit de fructe
29
Diferenţa de temperatură ΔtR se ia icircn consideraţie numai la pereţii exteriori şi la
plafoane care sunt şi acoperiş pentru clădire
ΔtR = 0degC pentru pereţi exteriori orientaţi spre N
ΔtR = (5 10)degC pentru pereţi exteriori orientaţi spre E V S-E S-V
ΔtR = 15 degC pentru pereţi exteriori orientaţi spre S
ΔtR = (15 18)degC pentru plafoane care sunt şi acoperiş (terasă)
Calculul valorilor mărimii sumQ1 se recomandă a se efectua tabelar conform tabelului 25
Valoarea mărimii sum Q1 la aparate se obţine prin icircnsumarea fluxurilor termice prin toate cele 6 suprafeţe delimitatoare
La stabilirea valorii mărimii sum Q1 se consideră doar unul dintre fluxurile termice prin suprafeţele ce separă spaţiile frigorifice vecine Pentru aparatele de răcire din spaţiile frigorifice se consideră situaţia cea mai grea pentru fiecare spaţiu icircn parte respectiv că spaţiile vecine nu sunt răcite
Spaţiul frigorifi
c
Perete
Dimensiuni
Supraf F
[m2]
Kr [Wm2K]
Δt [grd]
Δtr
Q1 [W] sumQ1 q a [m]
b [m]
N 15 4 60 023 308 42504
246068
708
E 7 4 28 023 308 8 24987 892
DR S 15 4 60 023 185 15 46202 770
V 7 4 28 023 308 19835 708
T 15 7 105 023 308 74382 708
P 15 7 105 023 158 38157 363
N 7 4 28 023 185 11914
133566
426
E 7 4 28 023 268 8 22411 800
CP S 7 4 28 023 268 15 26919 961
V 7 4 28 023 185 11914 426
T 7 7 49 023 268 30204 616
P 7 7 49 023 268 30204 616
Tabelul 318 Tebel25 Calculul valorilor mărimii Q1
322 Necesarul de frig Q2
sum Q2 - necesarul de frig tehnologic pentru procesele de răcire refrigerare şi
congelare
Q2d = mcp(tc-ti)=500003644 = 4186000(243600)= 842 kW
Q2c = 2600036419 = 1798160 = 208 KW
Q2 = 208 + 842 = 293 = 30kW
unde
Q2d - necesarul de frig tehnologic depozit
Q2c - necesarul de frig tehnologic camera de preracire
Calculul necesarului de frig pentru depozit de fructe
30
m - cantitatea de produse introduse icircn tunelul de congelare icircn kg
te ti - temperaturi specifice corespunzătoare temperaturii iniţiale a produsului cald
(24 ordmC) respectiv temperaturii finale a produsului refrigerat (1 ordmC)
Căldura specfifică mere cp = 364 [kJkgK]
323 Necesarul de frig Q3
Icircn funcţie de natura produselor din spaţiul frigorific este necesar uneori să se realizeze ventilarea spaţiului prin asigurarea unui anumit număr de schimburi ale aerului din incintă icircn 24h Ca exemplu icircntotdeauna va fi necesară ventilarea prin introducere de aer proaspăt icircn spaţiile de păstrare pentru legume fructe şi ouă refrigerate Aceste produse vii respiră icircn timpul păstrării şi necesită icircn consecinţă ventilarea spaţiilor de păstrare
Acest consum de frig se ia icircn considerare doar la depozitele de refrigerare care se ventilează Se stabilește cu relația
Q3 = V ∙ a ∙ ᵖi ∙ (hex - hi) [kJ24]
V - volumul camerelor ventilateicircn m3
a = 24 schimburi pe zi pentru depozitele de mere
ᵖi - reprezintă densitatea aerului la temperature interioară icircn kgm3
Pentru depozitele de refrigerare considerăm umiditatea relativă ᵠi = 95 și ti=1 ordmC
rezultacircnd icircn acest caz hi= 9 kJkg
Parametri aerului exterior pentru zona icircn care este amplasat depozitul sunt temp ex 318
și umiditatea ext 60 rezultand din diagram mollier entalpia aerului Calcul facut icircn
programul Coolpack
ρi = 12 kgm3
hex = 7519 kJkg
Q3 = 616 2 12 (7519 - 9) (243600)= 00025 kW
324 Necesarul de frig Q4
Q4 - frigul consumat pentru acoperirea pierderilor icircn timpul exploatarii datorat deschiderii
usilor a corpurilor de iluminat a motoarelor electrice a oamenilor Se admite Q4 =
(01hellip04)Q1
Q4 = 02 379617 = 759234 = 008 kW
Qtotal = sum 119824120783 + Q2 + Q3 + Q4 = 004 + 30 + 000025 + 008 = 3012 = 31 kW
33 33 Stabilirea directiei raportului de termoumiditate și trasarea procesului de conditionare a aerului pe diagrama i-X pe timp de vară
Icircn fig16 este reprezentat un agregat pentru condiţionarea aerului pe timp de vară cu recirculare parţială
Calculul necesarului de frig pentru depozit de fructe
31
Figura 33 Figura16 Schema aparatului de condiţionare a aerului pe timp de vară cu recirculare parţială
F - filtru V - vaporizator C - compressor K - condensator VL - ventil de laminare I - icircncălzitor Vt - ventilator
Procesele de lucru pot fi reprezentate icircn diagrama h-x ca icircn figura următore
Figura 34 Fig17
A reprezintă starea aerului recirculat provenit din spaţiul condiţionat iar E este starea aerului exterior
Aerul tratat icircn aparatul de condiţionare care se introduce icircn incintă avacircnd starea B
trebuie să preia degajările de căldură Qv [kW] şi de umiditate Wv [kgs]
Direcţia procesului suferit de aer icircn incintă este dată de raportul de termoumidificare εv
= Qv Wv
Prin punctul A se trasează dreapta avacircnd raportul de termoumidificare εv iar punctul B se fixează pe această dreaptă adoptacircndu-se o anumită diferenţă de temperatură faţă de starea A
Aerul recirculat A se amestecă cu aerul proaspăt E şi rezultă starea de amestec M De regulă xM gt xB deci aerul va trebui să fie uscat
Pe verticala din B se fixează starea D avacircnd xD= xB şi ᵩD = 90hellip98
Calculul necesarului de frig pentru depozit de fructe
32
Se uneşte M cu D iar apoi se prelungeşte acest segment pacircnă la intersecţia cu ϕ = 100 rezultacircnd starea P avacircnd temperatura tp
Circulacircnd aerul cu starea M peste o suprafaţă rece avacircnd temperatura tp se va obţine procesul de răcire şi uscare MD
Temperatura suprafeţei tp se asigură cu o instalaţie frigorifică a cărei temperature de vaporizare va fi t0 lt tp
Ultimul proces din aparatul de condiţionare va fi icircncălzirea finală DB
Calculul agregatului de condiţionare a aerului pe timp de vară se efectuează asemănător cu cel a agregatului de condiţionare a aerului pe timp de iarnă cu observaţia că pe timp de vară nu este necesară umidificarea
331 Date
Vtotal = 616 m3 tint = 1ᵒC tex = 318 φint = 90 φext = 60 ρaer = 12 [kgm3]
Starea A
tA = ti + 3 = 4deg xA = 00043[kj
kg] φA = 86 hA = 1489[
kj
kg]
Starea B
tB = 1degC xB = 00036 [kj
kg] φB = 90 hB = 1024[
kj
kg]
Starea E
tE = 318degC xE = 00171[kj
kg] φE = 60 hE = 7519[
kj
kg]
Starea M
hM =hE + n ∙ hA
n + 1=
7513 + 20 ∙ 1489
21= 1775[
kj
kg]
xM =xE + n ∙ xA
n + 1=
00171 + 20 ∙ 00043
21= 00049[
kj
kg]
Rezulta din diagrama Mollier
Starea D
hD = 108 [kj
kg] xD = 0003[
kj
kg] φD = 97
Raportul de recirculare n = 20
Debitul de aer ventilat V =Vtotal∙20
24h=
616lowast20
24= 513 [m3h]
Debitul masic m = V ∙ ρaer = 513 lowast 12 =
6156[kg
h]
3600= 0171 [kgs]
tp = minus3degC t0 = tp minus 9degC = minus3 minus 9 = minus12degC
Puterea termica a vaporizatorului ( puterea frigorifică )
ФV = Ф0
Puterea termica a icircncalzitorului
ФI = 119898 ∙ (hB - hD)
Cantitatea de apa condensată icircn unitatea de timp pe suprafața de racire este
Calculul necesarului de frig pentru depozit de fructe
33
ẆV = 119898 ∙ (XM - XD)
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
34
4 Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
Există două domenii principale icircn care se utilizează frigul artificial icircn lucrările de construcţii şi anume
icircngheţarea terenurilor acvifere icircn vederea săpării puţurilor de mină a barajelor a depozitelor de gaze lichefiate etc
prerăcirea componentelor betonului icircn cazul executării unor masive de beton ca de exemplu baraje
41 51 IcircNGHEŢAREA SOLULUI
411 511 CONSIDERAŢII GENERALE PRIVIND IcircNGHEŢAREA SOLULUI
Icircngheţarea artificială a solului reprezintă una dintre cele mai interesante şi icircn acelaşi timp şi importante aplicaţii practice a frigului artificial Totodată este una dintre primele aplicaţii industriale a tehnicii frigului şi care a asigurat o dezvoltare deosebită a industriei extractive Aşa se explică faptul că odată apărută maşina frigorifică cu absorbţie realizată icircn 1859 de către Ferdinand Carre este folosită la săparea primului puţ de mină prin icircngheţarea artificială a rocilor Dar nu numai industria minieră foloseşte icircn ultimul secol procedeul consolidării rocilor la săpararea unor lucrări subterane Lucrări inginereşti de tot genul ca metrouri staţii subterane de pompare rezervoare de gaze lichefiate poduri lucrări portuare şi altele asemănătoare amplasate icircn zone acvifere au fost realizate prin metoda consolidării prin frig a rocilor
Această metodă a consolidării rocilor prin frig artificial realizează icircn jurul lucrării inginereşti subterane un perete icircngheţat protector pe durata lucrărilor de construcţii Acest perete asigură o izolare hidraulică şi icircn acelaşi timp şi o protecţie mecanică Rezistenţa mecanică a rocilor creşte pe măsură ce temperatura lor scade icircncacirct metoda expusă mai sus prezintă avantajul reglării capacităţii portante a peretelui icircngheţat
Apa conţinută icircn terenuri prin icircngheţare capătă proprietăţile cimentului exprimate prin forţele de coeziune mari care apar icircntre cristalele de gheaţă şi grăunţii de rocă
Pentru obţinerea peretelui protector se folosesc sonde de icircngheţare forate pe conturul lucrării subterane şi prin care circulă agentul de răcire care poate fi un agent intermediar ca de exemplu saramura de clorură de calciu sau agentul frigorific de exemplu amoniacul Icircn funcţie de grosimea peretelui şi de rezistenţa mecanică pe care trebuie să o aibă se va alege temperatura agentului de răcire distanţa dintre sonde şi durata de icircngheţare
Instalaţia de consolidare prin frig a rocilor cuprinde trei părţi principale staţia frigorifică reţeaua de distribuţie a agentului de răcire (saramura) şi sondele de icircngheţare a solului
Staţia frigorifică cuprinde instalaţia frigorifică propriu-zisă cu comprimare mecanică de vapori sau prin absorbţie icircntr-o treaptă sau icircn două trepte Icircn funcţie de condiţiile de amplasament ale obiectivului staţia frigorifică poate fi de construcţie staţionară (icircn minerit) sau mobilă (la metrouri)
Reţeaua de distribuţie alcătuită din conducte metalice sau din mase plastice are rolul de a face legătura icircntre staţia frigorifică şi sondele de icircngheţare Pentru reducerea pierderilor de frig reţeaua de distribuţie se izolează termic
Sondele de icircngheţare constituie schimbătorul de căldură subteran prin care se extrage căldura de la terenul supus icircngheţării Icircn fig 51 se prezintă schiţa unei sonde de icircngheţare cu ajutorul saramurii Saramura rece cu temperatura icircntre -10 ordmC pacircnă la -35 ordmC
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
35
coboară prin ţeava interioară şi apoi se icircntoarce prin spaţiul inelar dintre cele două conducte concentrice
Figura 41 Fig 51 Sonda de icircngheţare 1 - şiu (tub scurt de oţel cu pereţi groşi rezistent) 2 - ţeava interioară 3 - ţeava exterioară (burlan de
icircngheţare) 4 - capul sondei
Circulaţia continuă a saramurii prin sonda de icircngheţare face ca rocile ce icircnconjoară sondele inclusiv apa conţinută icircn spaţiile libere să se răcească treptat Icircn jurul sondei icircncepe să se formeze stratul de rocă icircngheţată diametrul cilindrului de teren icircngheţat se măreşte icircn timp Aşa cum s-a arătat icircn capitolul 3 rezultă că dezvoltarea radială a cilindrului de rocă icircngheţată icircn jurul sondei se desfăşoară cu o viteza variabilă de icircnaintare la icircnceput viteza de icircnaintare a frontului de gheaţă este mai mare după care scade icircn timp Apoi se atinge stadiul staţionar de transfer de căldură cacircnd cilindrul nu mai creşte icircn dimensiuni Reiese că distanţa dintre sondele de icircngheţare este determinată de raza maximă a cilindrului de teren icircngheţat Pentru a realiza peretele icircngheţat care să reziste la solicitările la care este supus se impune ca distanţa dintre sondele vecine să fie mai mică decacirct raza maximă a terenului icircngheţat astfel icircncacirct cilindrii formaţi să se unească icircntre ei Icircn fig 52 se prezintă evoluţia icircn timp a icircngheţării terenului icircn jurul sondelor Icircn faza iniţială a icircnceput răcirea dar icircncă nu s-a format teren icircngheţat Icircn faza a II-a (după circa 20 zile) icircn jurul fiecărei sonde se formează cacircte un cilindru de teren icircngheţat fără ca aceştia să se unească Icircn faza a III-a (după circa 30 zile) cilindrii se icircntretaie şi formează peretele protector
Figura 42 Fig 52 Evoluţia cilindrilor individuali de rocă icircngheţată 1 - sonda de icircngheţare 2 - sonda de măsurători termice 3 - teren icircngheţat
Această evoluţie poate fi urmărită cu suficientă precizie prin măsurarea temperaturii masivului cu ajutorul unor sonde de măsurători termice 2 montate la distanţe bine stabilite de sondele vecine de icircngheţare Astfel icircn faza I-a temperatura este cea iniţială deci neafectată de prezenţa sondelor icircn faza a II-a temperatura este mai scăzută dar mai mare de 0 ordmC Cum icircn practică sondele de icircngheţare au o abatere de la poziţia verticală (sau de la cea impusă prin proiect) sondele de măsurători termice sunt prevăzute icircntre sondele
I II III
1
2 2 2
3 3
SARAMURĂ CALDĂ
IEŞIRE
INTRARE SARAMURĂ A E RECE
1
2
3
4
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
36
cele mai distanţate icircntre ele acolo unde evoluţia peretelui de protecţie este cea mai defavorabilă
Primele realizări inginereşti de consolidare prin frig artificial a terenurilor acvifere metodă prin care vor fi aduse la lumină multe bogăţii subterane sunt legate de numele inginerului de mine şi metalurgie Friederich Herman Poetsch El a obţinut icircn 27 februarie 1883 brevetul pentru procedeul său de adacircncire a puţurilor verticale icircn roci bogate icircn apă (şi curgătoare) Poetsch a reuşit să experimenteze procedeul său la adacircncirea unor puţuri de mină dar a avut şi multe insuccese icircncacirct la 9 iunie 1902 moare sărac şi dezamăgit Metoda de icircngheţare prin frig artificial a terenurilor a avut mare succes icircn Franţa Astfel numai icircn perioada 1892 - 1898 icircn bazinele carbonifere Nord şi Pas de Calais s-au săpat circa 20 puţuri pacircnă la o adacircncime de 100 m prin aplicarea metodei icircngheţării după planurile lui Poetsch
Desigur că nu ar putea fi omis numele lui Louis Gebhard care realizează numeroase lucrări de adacircncire a puţurilor prin icircngheţare atacirct icircn Germania cacirct şi icircn Franţa Anglia Olanda şi Polonia ceea ce face ca metoda propusă de Poetch să devină o tehnologie demnă de toată icircncrederea cu siguranţă absolută şi cu un mare randament
Gebhard un mare practician icircncepe sa folosească icircn locul instalaţiilor cu absorbţie realizate de F Carre pe cu cele cu comprimare mecanică de vapori realizate de Karl von Linde cu icircncepere din anul 1874
Poetsch icircn 1888 prevede extinderea procedeului de icircngheţare la construcţia podurilor la construcţii navale lucrări de fortificaţii la protecţia fundaţiilor subterane şi a bazinelor cu apă El susţine că poate să rezolve orice problemă sub apă chiar şi puţuri icircncepute şi abandonate
Icircn anul 1900 se depăşeşte bariera adacircncimii de 100 m Realizarea unor puţuri mai adacircnci (peste 100 m) ridică unele probleme icircn plus faţă de puţurile de mai mică adacircncime deoarece abaterile de la verticalitate pot conduce la formarea unor ferestre icircn peretele protector
Icircn ţara noastră această tehnologie de forare a unor puţuri de mină cacirct şi a galeriilor de metrou prin icircngheţarea solului a fost folosită cu icircncepere din anul 1961 aşa cum se prezintă icircn paragraful 513
412 512 CONSTRUCŢIA INSTALAŢIEI DE IcircNGHEŢARE A SOLULUI
Icircn funcţie de forma şi mărimea lucrării care se realizează la adăpostul terenului icircngheţat principial se pot utiliza următoarele tipuri de instalaţii
a) cu răcire indirectă denumită şi cu dublu schimb (fig53)
b)cu răcire directă icircn circuit icircnchis (fig 54)
c)răcire directă icircn circuit deschis (fig55)
a) Răcirea indirectă se utilizează icircn practică cel mai mult fiind cunoscută icircncă de la icircnceputurile metodei de icircngheţare a solului
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
37
Figura 43 Fig 53 Instalaţia frigorifică cu răcire indirectă 1 - compresor 2 - condensator3 - ventil de laminare 4 - vaporizator 5 - bazin de răcire a saramurii 6
- agitator 7 - pompă de saramură 8 - sonde de icircngheţare
Ca agent frigorific se poate folosi amoniacul sau freonii iar ca agent intermediar se utilizează soluţiile de clorură de calciu clorura de sodiu sau magneziu sărurile respective fiind relativ uşor de procurat
Instalaţiile frigorifice cuprind unul sau mai multe blocuri frigorifice Acest mod de compunere prezintă avantaje icircn ceea ce priveşte montarea cacirct şi exploatarea instalaţiilor se poate asigura o reducere icircn trepte a puterii frigorifice pe măsură ce creşte rezistenţa termică a stratului de teren icircngheţat
Componentele principale ale instalaţiei frigorifice se montează grupat pe cele trei secţiuni secţia de compresoare secţia condensatoarelor şi secţia vaporizatoarelor De regulă compresoarele se montează fie icircn aer liber atunci cacircnd tipul lor permite fie acoperite sub şarpante protectoare
Pe măsură ce se scot din funcţiune blocurile frigorifice se demontează şi se pot monta la un nou obiectiv
b) Răcirea directă icircn circuit icircnchis (fig 54) se utilizează icircn cazul icircn care adacircncimea de icircngheţare este mică
Figura 44 Fig 54 Instalaţia frigorifică cu răcire directă icircn circuit icircnchis 1 - compresor 2 - condensator 3 - ventil de laminare 4 - sonde de icircngheţare
Sondele de icircngheţare constituie vaporizatorul instalaţiei frigorifice Icircn cazul unor sonde de lungime mare icircnălţimea coloanei de agent frigorific este de asemenea mare Ca urmare a presiunii hidrostatice variabile şi temperatura de vaporizare este variabilă fiind mai mare
1
2
1111111 Apă
3
4
1
2
Apă 3
4
5
6
7
8
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
38
la capătul inferior şi mai mică la capătul superior Din acest motiv adacircncimea sondelor de icircngheţare nu poate depăşi anumite limite şi icircn plus se recurge la fragmentarea coloanei de lichid cu ajutorul unor pereţi despărţitori
Pierderile de agent frigorific mai mari decacirct icircn cazul răcirii indirecte reprezintă un alt inconvenient al acestui mod de răcire
c) Răcirea directă icircn circuit deschis constă icircn introducerea agentului frigorific (cel mai frecvent azot lichid) icircn sondele de icircngheţare fără ca acesta să mai fie folosit după vaporizare
La presiunea atmosferică azotul lichid fierbe la temperatura de -196 ordmC icircncacirct vaporii reci de azot icircnainte de a fi evacuaţi se folosesc de asemenea pentru congelarea solului fiind circulaţi prin sonde de icircngheţare (Fig 55)
Figura 45 Fig 55 Icircngheţarea cu azot lichid icircn două trepte 1 - ventil de laminare 2 - sonda de icircngheţare 3 - sonda de icircngheţare cu vapori de azot
Această metodă se foloseşte cacircnd se urmăreşte o icircngheţare rapidă şi volumul de teren icircngheţat este redus
Se vor prezenta icircn continuare unele elemente constructive ale instalaţiilor de icircngheţare
Reţeaua de saramură (fig 56) are rolul de a asigura transferul de căldură de la sol către agentul frigorific Cuprinde două schimbătoare de căldură cel subteran alcătuit din sondele de icircngheţare şi cel de suprafaţă reprezentat de vaporizatorul imersat icircn saramură Icircntre cele două schimbătoare de căldură există conducte magistrale distribuitoare - colectoare şi racorduri la sonde
Saramura răcită prin intermediul vaporizatorului 1 este circulată cu pompa 2 prin magistrala de tur a reţelei 3 Sondele de icircngheţare 5 se leagă prin vane la distribuitorul 4 şi colectorul 6 ambele de construcţie inelară Printr-o asemenea construcţie şi mod de legare a sondelor prezentate icircn figura 56 se asigură o echilibrare a căderilor de presiune pe sondele de icircngheţare şi ca urmare o alimentare uniformă cu agent intermediar şi deci şi o răcire uniformă pentru toate sondele
1
2
AZOT LICHID
VAPORI
AZOT -40OC
3
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
39
Figura 46 Fig 56 Schema reţelei de saramură 1- vaporizatorul 2 - pompa de saramură 3 - magistrala de tur 4 - distribuitorul inelar 5 -sondele de
icircngheţare 6 - colectorul inelar 7 - magistrale de retur M - manometru D - debitmetru T - termometru
Magistralele 3 şi 7 de acelaşi diametru şi lungime variabilă (determinată de o serie de factori) se pot monta atacirct la suprafaţă cacirct şi icircn canal
Magistralele se dimensionează icircn funcţie de puterea frigorifică a schimbătorului de căldură subteran alcătuit din sondele de icircngheţare
F0 qNHd [W] (51)
unde d - diametrul exterior al sondei de icircngheţare m
H - adacircncimea de icircngheţare m
N - numărul de sonde de icircngheţare
qF - densitatea fluxului termic raportat la suprafaţa exterioară a sondei La temperatura saramurii de - 20 ordmC se poate considera qF = (260290) Wm2
Debitul volumic V de agent intermediar icircn reţeaua de icircngheţare icircn funcţie de care se aleg
pompele se determină cu relaţia
tc
V o
(52)
icircn care este densitatea agentului intermediar kgm3
c - căldura specifică a agentului intermediar JkgK
t - creşterea temperaturii agentului (saramura) icircn sondele de icircngheţare K
La icircnceputul perioadei de răcire diferenţa de temperatură este t = 56 K ca apoi să scadă la 12 K
Icircn conductele magistrale se recomandă ca viteza saramurii să fie w = 0915ms
Icircn acest caz diametrul conductelor de transport a saramurii este dat de relaţia
w
V4D
[m] (53)
Icircn funcţie de valoarea determinată pentru D se aleg conducte metalice de diametru nominal cuprins icircntre 75200 mm Dacă rezultă D gt 200 mm se vor alege două conducte cu diametrul mai mic de 200 mm
2
T
T
M
M D
D
NH
3
3
4
6
5
7
1
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
40
Conductele magistrale se realizează prin icircmbinări cu flanşe sau sudate iar la lungimi mai mari de 100150 m se vor prevedea coturi compensatoare Pentru reducerea pierderilor de frig magistralele vor fi izolate termic
Distribuitorul de saramură răcită şi colectorul de saramură de la sonde sunt construcţii metalice identice
Icircn figura 57 se prezintă modul de racordare a sondelor de icircngheţare 5 la distribuitorul 1 şi colectorul 2 Vanele 3 asigură icircnchiderea deci oprirea circulaţiei şi reglajul debitului Prin aceste vane se poate izola o anumită sondă care nu funcţionează normal sau la care se observă o anumită defecţiune
Figura 47 Fig 57 Racordarea sondelor de icircngheţare la distribuitor şi colector 1 - distribuitor 2 - colector 3 - vane 4 - racord elastic 5 - sonda de icircngheţare
Poziţia distribuitorului şi colectorului faţă de racircndul sondelor de icircngheţare poate fi laterală de o singură parte sau laterală de ambele părţi ale sondelor Amplasamentul trebuie astfel făcut icircncacirct să fie posibilă vizitarea supravegherea şi eventual icircnlocuirea sondelor de icircngheţare
Racordarea sondelor la distribuitor şi colector se face prin cacircte un racord elastic (fig 57) Dimensionarea distribuitoarelor şi a colectoarelor se face din condiţia ca viteza saramurii să nu depăşească 0915 ms
Coloanele de distribuţie şi colectare urmăresc icircn teren forma şirului de sonde de icircngheţare şi pot avea acelaşi traseu sau trasee diferite Configuraţia traseului poate fi icircn linie sau circulară Icircn oricare din situaţiile prezentate distanţele dintre ştuţurile de racord şi sondele de icircngheţare sunt variabile astfel icircncacirct racordurile rigide prin flanşe şi sudură sunt greu de realizat Cea mai practică soluţie de racord icircn acest caz este furtunul de cauciuc (fig 57)
Icircn reţeaua de saramură poate pătrunde aer prin procesul de pompare ceea ce conduce la intensificarea acţiunii corosive a saramurii Icircn scopul icircndepărtării aerului nedorit pe partea superioară a conductelor icircn punctele cele mai ridicate ale acestora se montează robineţi de evacuare periodică a aerului şi eventual a altor gaze
Pe conductele magistrale se vor monta aparate de măsură şi control debitmetre termometre şi manometre (fig 56) Icircn acest caz se poate aprecia funcţionarea fiecărei sonde după depunerile exterioare de gheaţă pe racordul metalic sau de cauciuc lăsate neizolate termic tocmai icircn acest scop Icircn scopul urmăririi regimului de lucru sub aspect
5
4
1
2 3
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
41
hidraulic şi termic icircn mod individual se pot monta aparate de măsură şi control pe fiecare sondă de icircngheţare dar această soluţie este mai costisitoare
Sonda de icircngheţare realizează transferul de căldură de la terenul ce urmează a fi icircngheţat spre agentul frigorific (la răcirea directă) sau agentul intermediar (la răcirea indirectă)
Icircn figura 51 s-a prezentat schema de principiu a unei sonde de icircngheţare cu saramură activă pe toată lungimea Conducta exterioară sau burlanul de icircngheţare 3 este o conductă din oţel etanşă şi rezistentă la eforturile mecanice care apar datorită presiunii solului şi variaţiei de temperatură icircntre momentul fixării ei icircn sol şi cel al funcţionării la o temperatura sub 00C
Icircn procesul de icircngheţare coloana de burlane care poate atinge lungimi de sute de metri se contractă icircnsă nu liber deoarece ea este stracircnsă icircn masivul de roci La o variaţie de temperatură icircntre momentul iniţial (fără saramură) şi momentul pornirii circulaţiei de saramură de 400C conducta din oţel de 500 m adacircncime ar trebui să se contracte cu
tHH = 500 11 10-6 40 = 0220 m = 22 cm
Datorită fixării coloanei icircn gaura forată efortul unitar de icircntindere ce apare icircn urma scăderii temperaturii este
tE = 22 1010 11 10-10 40 = 968 105 Nm2 = 9680 Ncm2
La acest efort de icircntindere apărut datorită contracţiei coloanei se mai adaugă efortul de acelaşi semn provocat de dilatarea masivului de rocă acviferă icircngheţată Icircn scopul compensării eforturilor de icircntindere s-a propus icircmbinarea coloanei cu nipluri elastice O asemenea soluţie este mai scumpă şi icircn plus micşorează secţiunea liberă de curgere ceea ce conduce la icircncălzirea excedentară a saramurii
La lucrări subterane de mare adacircncime ca puţurile de mină depozite subterane se folosesc burlane de 1397 x 7 mm pentru a fi posibilă determinarea abaterii de la poziţie verticală
La tunelurile de metrou şi icircn general la lucrările la care adacircncimea de icircngheţare nu depăşeşte 50 - 60 m diametrul cel mai frecvent utilizat este 1143 x 7 mm
Ţeava interioară 2 (fig 51) numită şi tub de alimentare de regulă ţeava uşoară de instalaţii de 50 mm diametrul se introduce icircn burlanul exterior 3 fără icircnsă a atinge şiul de bază 1 al sondei Se asigură icircn acest mod un volum minimal de depuneri solide care circulă cu saramura icircn mod incidental Icircn scopul economisirii de metal tubul de alimentare poate fi din material plastic ceea ce prezintă marele avantaj al lipsei coroziunii şi al refolosirii materialului respectiv
Şiul de fund are rolul de a asigura icircnchiderea burlanului exterior icircn partea sa inferioară Cel mai adesea are formă conică pentru a asigura introducerea cu uşurinţă a coloanei metalice icircn gaura de sondă Această componentă a sondei de icircngheţare se execută fie prin turnare sau se confecţionează cu ajutorul sudurii
Corespunzător profilului geologic al terenului icircn care se lucrează se icircntacirclnesc şi cazuri cacircnd nu este nevoie să se icircngheţe terenul pe toată icircnălţimea sondelor ci numai la partea lor inferioară Icircn acest caz se folosesc sonde de icircngheţare zonală (fig 58) cu ajutorul cărora se asigură congelarea doar a zonei inferioare ceea ce prezintă avantaje economice deosebite nu se consumă energie pentru a icircngheţa icircn mod inutil formaţiuni geologice consistente şi uscate şi nu se reduce ritmul lucrărilor de săpare printr-o eventuală mărire a rezistenţei rocilor
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
42
Figura 48 Fig 58 Sonda de icircngheţare zonală
1 - burlan exterior 2 - tub de alimentare 3 - şiu 4 - tub de evacuare
Figura 49 Fig59 - Sonda de icircngheţare cu agent
frigorific 1 - tub exterior 2 - perete despărţitor 3 - şiu 4 -
ştuţ (ţeavă de preaplin) 5 - condensator - vaporizator
Icircn cazul răcirii directe sondele de icircngheţare cu agent frigorific sunt de construcţie specială (fig 59) Particularitatea acestor sonde este prezenţa pereţilor despărţitori 2 dispuşi unul sub celălalt la circa 3 m fiecare perete fiind prevăzut cu un ştuţ de preaplin O asemenea construcţie are rolul de a fracţiona coloane de lichid ceea ce asigură o răcire mai uniformă pe lungimea sondei
Fiecare sondă este prevăzută la partea superioară cu cacircte o cămaşă de răcire Sondele se umplu cu amoniac lichid icircntr-o asemenea cantitate icircncacirct fiecare secţie să fie icircnecată cu lichid respectiv pacircnă la partea superioară a ştuţurilor 4 Ca urmare a fluxurilor de căldură de la sol se produce fierberea amoniacului icircn toate secţiile sondei Vaporii formaţi se ridică prin ştuţurile 4 şi ajungacircnd la partea superioară a sondei se condensează cedacircnd căldură agentului (amoniac) din cămăşile de răcire
Ca urmare cămăşile de răcire de la partea superioară a sondelor constituie vaporizatorul instalaţiei frigorifice Amoniacul care se condensează la partea superioară a sondei curge icircnapoi (de sus icircn jos) prin ştuţurile 4 Folosirea pereţilor despărţitori şi a ştuţurilor micşorează influenţa presiunii hidrostatice a lichidului asupra temperaturii de vaporizare a amoniacului Asemenea sonde de icircngheţare se folosesc pentru lucrări de mică adacircncime
Amplasarea sondelor se face icircn funcţie de o serie de factori formă poziţia şi dimensiunile lucrării care se realizează structura terenului temperatura şi viteza agentului etc
Icircn cazul puţurilor de mină de secţiune circulară sondele se amplasează pe un cerc
concentric de diametru D mai mare decacirct diametrul de săpare Ds cu grosimea a peretelui icircngheţat
sDD (54)
Trebuie să se ţină seama şi de deviaţia sondelor de la poziţia verticală icircncacirct pentru adacircncimi mari se utilizează relaţia
3
2 4
1
VAPORI 5 LICHID
3
2
4 1
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
43
a21DD s (55)
unde a = 003 H este abaterea medie statistică de la verticală a sondelor
Distanţa dintre sonde se ia de obicei de 1014 m icircn terenuri rezistente şi de 0809 m icircn terenuri slabe
Pentru adacircncimi de peste 500 m se recomandă să se dispună sondele pe două cercuri concentrice pentru a se forma un perete de grosime mai mare şi deci mai rezistent
La icircngheţarea terenului icircn jurul puţurilor de secţiune dreptunghiulară sondele se pot dispune pe dreptunghi sau elipsă Icircn aceste situaţii centura de teren icircngheţat poate fi solicitată la icircntindere ceea ce este de nedorit deoarece limita de rezistenţa la icircntindere a terenurilor icircngheţate este de circa 3 ori mai mică decacirct limita rezistenţei la compresiune Din acest motiv chiar şi la puţurile de mină de secţiune dreptunghiulară sondele se dispun pe unul sau două cercuri (fig 510)
Pentru realizarea galeriilor icircnclinate icircngheţarea terenului se realizează cu sonde verticale (fig 511) sau combinat atacirct cu sonde verticale cacirct şi cu sonde icircnclinate (fig 512)
Distanţa dintre sondele verticale (fig 511) se ia de 23 m iar distanţa dintre racircnduri este de 1525 m
Se poate folosi cacircte un racircnd de sonde icircnclinate montate deasupra galeriei (fig 212 a) sau sonde icircnclinate sub galerie şi sonde verticale scurte deasupra galeriei (fig 512 b)
SONDA
154 m
16
6 m
226
262
85
SONDA
Figura 411 Fig 511 Amplasarea sondelor verticale pentru realizarea galeriei icircnclinate
Figura 411 Fig 510 Dispunerea sondelor icircn jurul puţurilor de mină de secţiune
dreptunghiulară
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
44
Figura 412 Fig 512 Realizarea galeriilor icircnclinate cu sonde verticale (1) şi sonde oblice (2)
I - secţiunea longitudinală II - secţiunea transversală a) sonde icircnclinate deasupra galeriei b) sonde icircnclinate sub galerie
413 513 UTILIZAREA METODEI DE IcircNGHEŢARE A SOLULUI IcircN ŢARA NOASTRĂ
a)Puţuri de mină
Aplicarea metodei de icircngheţare a solului pentru lucrări de minerit a avut loc la noi icircn ţară icircncepacircnd cu anul 1960 la puţul Godeni din bazinul carbonifer Cacircmpulung - Muscel Proiectul a fost elaborat icircn anul 1959 la IPROMIN Bucureşti iar lucrarea a fost executată cu Trustul Minier Argeş avacircnd icircn subantrepriză de specialitate Icircntreprinderea Frigotehnica Bucureşti şi Trustul de prospecţiuni explorări şi deschideri de mine noi Bucureşti
Adacircncimea de săpare a puţului Godeni a trebuit sa fie de 202 m Sondele de icircngheţare constituite din două ţevi concentrice (fig 51) cu diametrele exterioare de 146 mm şi respectiv 57 mm icircn număr de 27 au fost amplasate pe un cerc cu diametrul de 10 m la distanţa de 117 m una de alta
Instalaţia frigorifică a fost dimensionată cu mare precauţie pentru a avea o siguranţă mărită icircn funcţionarea ei Toate părţile componente ale instalaţiei frigorifice au fost proiectate şi executate icircn ţară
La proiectarea instalaţiei s-a avut icircn vedere funcţionarea de scurtă durată şi variaţia puterii frigorifice icircn timp S-a utilizat răcirea indirectă cu soluţie de clorură de calciu iar ca agent frigorific a fost folosit amoniacul Pentru a avea elasticitatea necesară icircn funcţionare la diferite puteri frigorifice au fost folosite grupuri de utilaje frigorifice şi anume
6 compresoare 4 AU - 20 (200000 kcal Nh =233 kW fiecare)
3 baterii de condensatoare atmosferice a cacircte 300 m2 (900 m2)
bazine pentru răcirea saramurii fiecare cu cacircte 2 vaporizatoare superintensive de 50 m2 (600 m2)
2 grupuri a cacircte 5 pompe pentru recircularea saramurii
Puterea frigorifică a instalaţiei montate a fost de 12106 kcal Nh =1395 kW şi s-a caracterizat prin următoarele date tehnice la exploatare
85
1
2
I 85
1
2
I
85
1
2
II
85
1
2 II
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
45
o suprafaţa de schimb de căldură a sondelor 2500 m2 o puterea instalaţiei 750 kW o debitul saramurii icircn
o icircn perioada activă 350 m3h o icircn perioada pasivă 70 m3h
o viteza de circulaţie a saramurii icircn sondă o tur 18 ms 036 ms o retur 029 ms 006 ms
o volumul rocilor icircngheţate circa 10000 m3 o consumul specific de frig mediu 50000 m3 o durata icircngheţării (perioada activă) 130 zile
Icircn timpul răcirii şi deci a icircngheţării solului puterea frigorifică scade icircn mod continuu icircncacirct treptat s-a scos din funcţiune cacircte un compresor icircn perioada pasivă (de săpare a puţului) s-a menţinut icircn lucru doar un singur compresor şi grupul de utilaje aferent
După terminarea lucrărilor de la puţul Godeni icircn anii următori aceeaşi instalaţie s-a montat la puţul Poenari din acelaşi bazin carbonifer unde sondele au fost amplasate pe un cerc cu diametrul de 11 m la distanţa de 128 m una de alta
Un alt puţ realizat prin această tehnologie de icircngheţare a solului a fost puţul Jugur de la acelaşi bazin carbonifer Centrala frigorifică a cuprins 15 compresoare 3 AV - 20 (150000 kcal Nh fiecare=175kW) repartizate icircn 5 linii tehnologice independente cu icircntreg utilajul aferent Fiecare linie este compusă din
o butelie de răcire intermediară BRI - 700 un condensator cu evaporare forţată CEF - 180 un bazin cu patru grupuri vaporizatoare intensive de cacircte 165 m2 (icircn total 66 m2)
Sondele de icircngheţare icircn număr de 27 bucăţi au fost prevăzute să se amplaseze pe un cerc cu diametrul de 104 m la distanţă de 121 m Sondele sunt de tipul celei indicată icircn figura 58 deci cu răcire zonală avacircnd următoarele caracteristici diametrul exterior al burlanului este de 146 mm iar tuburile interioare au 57 mm (la exterior) tubul de alimentare are lungimea de 430 m iar cel de evacuare este de 220 m Ca urmare sondele de icircngheţare trebuie să producă icircngheţarea solului numai pe adacircncimea de la 220 m la 430 m Prin proiect s-au prevăzut următoarele date temperatura saramurii - 35 ordmC viteza saramurii icircn conducte de tur 18 ms viteza icircn conducte de retur (pe adacircncimea de răcit) 06 ms durata icircngheţării (perioada activă) a fost de 75 zile
Au fost prevăzute temperaturi scăzute şi viteze mari de congelare deoarece cilindrul icircngheţat trebuie să preia presiuni de pacircnă la 56 bar
b)Tunelurile pentru metroul din Bucureşti
Icircncepacircnd cu anul 1976 pentru realizarea metroului din Bucureşti s-a procedat la aplicarea metodei de icircngheţare a solului icircntr-o zonă considerată experimentală dar cu realizări efective de galerii
Prin proiect s-a prevăzut consolidarea prin icircngheţare artificială a profilului de săpare a tunelurilor de metrou pe o lungime de circa 550 m pe ambele fire Amplasamentul sondelor s-a făcut icircn două variante (pentru experimentare) pentru un fir de tunel ambele racircnduri de sonde s-au fixat icircn profilul circular de săpare iar pentru cel de al doilea fir de tunel sondele au fost forate icircn afara profilului de icircnaintare (fig 513) Au fost folosite sonde cu saramură cu posibilitatea de icircngheţare pe toată icircnălţimea de 16 m cacirct şi sonde cu icircngheţare zonală icircntre adacircncimile de 7 m şi 16 m Distanţa dintre sonde a fost fixată la 14 m
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
46
Pentru a se icircmpiedica accesul apelor icircn frontul de săpare datorate unor eventuale zone neicircngheţate traseul de tunel icircngheţat a fost icircmpărţit icircn incinte icircnchise prin timpane transversale La distanţe de 3050 m icircn lungul traseului au fost montate sonde de icircngheţare aşezate icircn plan normal pe axul tunelului prin care să se icircnchidă accesul apelor spre frontul de săpare
Echipamentul frigorific principal cuprinde
- 8 compresoare frigorifice 3 AV - 20 funcţionacircnd icircntr-o treaptă pentru care
corespunde puterea frigorifică de 12 106 kcal Nh =1395 kW
- 4 condensatoare de evaporare forţată CEF - 250
- 3 bazine de răcire a saramurii echipate cu cacircte 4 grupuri de vaporizatoare superintensive de cacircte 51 m2 (total 612 m2)
- 3 grupuri de cacircte 2 pompe a 220 m3h pentru circulaţia saramurii pe traseele de distribuţie şi prin sonde
Figura 413 Fig513 Amplasamentul sondelor de icircngheţare
Centrala frigorifică este stabilă adăpostită icircntr-o baracă metalică demontabilă existacircnd posibilitatea de reamplasare rapidă a instalaţiei icircntr-un alt loc Agentul frigorific utilizat este amoniacul iar agentul intermediar este clorura de calciu
Icircn perioada principală de icircngheţare temperatura de vaporizare este to = -22 ordmC asiguracircnd răcirea saramurii la -17 ordmC iar pe retur saramura a avut temperatura cu 15 ordmC mai ridicată
La o asemenea lucrare realizată icircn oraş se impune protejarea contra icircngheţului a straturilor de deasupra galeriilor icircn care sunt amplasate instalaţiile de apă - canal ceea ce presupune folosirea sondelor cu icircngheţare zonală care să nu fie active la partea superioară
c) Puţuri pentru prospectarea balastierelor
Procedeul şi instalaţia frigorifică au avut caracter de noutate şi s-a aplicat icircncepacircnd cu anul 1966 la mai multe obiective icircn general pe văile racircurilor unde s-au construit hidrocentrale
A
A B
B
A-A
000 -300 -700 -1061 -1300
65
800
B-B
000 -300 -700 -1061 -1300
65
550
ARGILA
ARGILA
NISIP
NISIP
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
47
Echipamentul frigorific principal cuprinde un agregat frigorific pentru amoniac de 20000 kcal Nh = 233 kW rezervor de amoniac separator de lichid şi anexe - toate fiind montate pe o remorcă
S-au folosit sonde de icircngheţare cu agent frigorific icircn număr de 8 bucăţi cu diametrul exterior de 133 mm montate pe un cerc cu diametrul de 2 m la distanţa de 076 m lungimea lor fiind de 75 m Legarea sondelor la distribuitor şi colector s-a făcut cu racorduri flexibile
Sondele au o construcţie specială fiind prevăzute cu 4 pereţi transversali cu ştuţuri de preaplin formacircndu-se astfel 5 compartimente Agentul lichid se introduce icircn compartimentul cel mai de sus şi se scurge prin ştuţuri pacircnă la baza sondei Conducta de aspiraţie străbate toate compartimentele vaporii fiind aspiraţi din compartimentul cel mai de jos Circulaţia vaporilor formaţi se face ca şi a lichidului de sus icircn jos obţinacircndu-se astfel o răcire uniformă şi eficientă pe toată icircnălţimea sondei
Durata icircngheţării respectiv a formării centurii de teren icircngheţat la adăpostul căreia să se poată efectua săparea şi preluarea de probe de sol este de 10 zile
414 514 CAcircMPUL DE TEMPERATURĂ IcircN SOLUL IcircNGHEŢAT
Cacircnd prin sonda de icircngheţare circulă saramură a cărei temperatura este sub 0 ordmC practic - 20 ordmC-25 ordmC icircn jurul sondei se formează un cacircmp termic care icircn cazul unei singure sonde poate fi reprezentat prin suprafeţe cilindrice coaxiale de temperatură constantă (izoterme)
După distanţa radială se deosebesc icircn sol din punct de vedere termic trei zone zona cilindrică din imediata vecinătate a sondei care este icircn zona icircngheţată zona răcită cuprinsă icircntre suprafaţa cilindrică izotermă de 0 ordmC şi izoterma de temperatură naturală şi a treia zonă cea de temperatura naturală (fig 514)
Icircn zona icircngheţată temperatura masivului variază de la temperatura peretelui metalic al sondei pacircnă la 0 ordmC Icircn zona răcită temperatura masivului creşte de la 0 ordmC pacircnă la temperatura naturală a masivului
Figura 414 Fig 514 Cacircmpul de temperatură icircn jurul unei sonde de icircngheţare
Este important să se cunoască cacircmpul termic icircn terenul supus icircngheţării deoarece acesta oferă date privind zona de răspacircndire a consolidării rocilor prin solidificarea apei cacirct şi a
t [oC]
r [m]
t (r)
ZONA RACITA
ZONA INGHETAT
A
ts TEMPERATURA NATURALA A ROCII
-20
-10
40
10 0 20 30
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
48
rezistenţei mecanice a rocii icircngheţate Se cunoaşte faptul că rezistenţa mecanică depinde direct de temperatură
Studiul variaţiei temperaturii icircn zona de influenţă a unei sonde şi a tuturor sondelor simultan oferă posibilitatea calculării dimensiunilor la proiectarea construcţiei peretelui protector cacirct şi controlul procesului icircn timpul desfăşurării lucrărilor
Pentru a se stabili relaţia de variaţie a temperaturii icircn zona icircngheţată icircn funcţie de raza r se consideră ecuaţia diferenţială
dr
dtr2q (56)
icircn care q este fluxul unitar de căldură corespunzător lungimii de 1 m din sonda de icircngheţare Wm
- conductivitatea termica a terenului Wm
Integrarea directă a ecuaţiei analitice se poate face icircn ipoteze simplificatoare consideracircnd
= const şi q = const ceea ce este justificat la valori mari ale timpului de răcire
Se separa variabilele
r
dr
2
qdt
(57)
Se consideră cunoscute temperaturile t1 la suprafaţa sondei de raza r1 și t2 = 0 ordmC la raza r2 corespunzătoare suprafeţei exterioare a cilindrului icircngheţat Se integrează ecuaţia (6-7) și cunoscacircnd limitele de integrare se va determina constanta de integrare
Cr ln2
qt
(58)
pentru r = r1 t = t1 deci
11 rln2
qtC
(59)
1
1r
rln
2
qtt
(510)
Se pune condiţia ca pentru r = r2 t = t2
1
212
r
rln
2
qtt
(511)
Se elimina q intre relaţiile (510) și (511) şi se obţine
1
2
1121
r
rln
r
rln
tttt (512)
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
49
Figura 415 Fig 515 Schema schimbătorului de căldură subteran
Pentru t2 = 0 ordmC relaţia (5-12) devine
)rrln(
)rrln(tt
12
21 (513)
Icircn figura 515 se prezintă o secţiune axială printr-o sondă de icircngheţare şi variaţia temperaturii icircn limitele t0 - temperatura agentului de răcire şi ts - temperatura naturală a solului
Cantitatea de căldură transferată de la masivul neicircngheţat spre agentul de răcire prin unitatea de lungimea de conducta şi unitatea de timp se calculează cu expresia
221
2
1o
1
moo
os
d
1
d
dln
1
d
dln
2
1
d
1
ttq
(514)
Icircn calculele inginereşti cel mai frecvent se determină nu fluxul termic pe unitatea de lungime a conductei ci fluxul termic qF raportat la unitatea de suprafaţă a conductei metalice la 1 m2 de suprafaţa exterioară sau interioară Mărimea qF se calculează astfel
22
o
1
2
1
o
o
1
m
o
o
oS
o
F
d
d
d
dln
2
d
d
dln
2
d1
tt
d
(515)
Fluxul termic qF prin unitatea de suprafaţă a sondei de icircngheţare calculat pentru adacircncimea de 100 m icircn regim laminar de curgere a agentului de răcire prin spaţiul inelar al sondei cu viteza w = 01 ms la diametre ale cilindrului de rocă icircngheţata
de la 02 la 3 m pentru to = -20 ordmC do = 01 m 1 = 233 WmK variază de la 720 la 230 Wm2 aşa cum se poate observa din figura 516 şi tabelul 51
d2
d1
d0
t
qF
t0
t2
t1 2
m 1
m
ts
Conducta Teren icircngheţat Teren
neicircngheţat
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
50
Figura 416 Fig 516 Variaţia fluxului termic qF prin unitatea de suprafaţă a sondei de icircngheţare 1 - regim turbulent 2 regim laminar
Tabelul 51Variaţia fluxului termic qF [Wm2]
Diametrul cilindrului de rocă icircngheţată icircn m
02 04 05 08 10 15 20
qF regim laminar 1160 550 387 330 302
qF regim laminar 720 465 423 350 321 283 258
Se observă ca densitatea fluxului de căldura qF scade foarte mult de la 800900 Wm2 la icircnceputul operaţiei de consolidare prin frig a rocilor pacircnă la 230250 Wm2 cacircnd cilindrul de rocă icircngheţata atinge diametrul de 23 m Ca urmare a acestei situaţii şi puterea frigorifică a instalaţiei va scădea icircn decursul a 6080 zile tot cu raportul de 800230 = 35
Instalaţia frigorifică va fi constituită din grupuri de utilaje (module) ce vor fi scoase treptat din funcţiune pe măsură ce se reduce densitatea fluxului de căldură qF ca urmare a creşterii grosimii stratului de teren icircngheţat Icircn practică pentru calcule se va considera qF = (260290) Wm2
O mărime importanta pentru proiectarea instalaţiei şi aprecierea procesului de consolidare a rocilor este timpul de icircngheţare Pentru calculul duratei de icircngheţare se pot folosi relaţiile prezentate icircn capitolul 3 la formarea gheţii pe suprafeţe cilindrice exterioare La aprecierea valorii pentru ls - căldura latentă de solidificare se avea icircn vedere conţinutul de apă din terenul supus icircngheţării
Dacă icircntre relaţiile pentru dependenţele (r) şi qF(r) se elimină r se obţine dependenţa
qF() Eliminarea nu se poate face direct ci fie cu ajutorul calculatorului fie printr-o construcţie grafică prezentată icircn figura 517
Studiul variaţiei temperaturii icircn solul icircngheţat cacirct și variaţia icircn timp a densităţii fluxului de căldura se poate face cu ajutorul calculatorului electronic
1200
1000
800
600
400
200
0 05 1 15 2 25 3
qF [Wm2]
Diametrul cilindrului de rocă icircngheţată [m]
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
51
Figura 417 Fig 517 Stabilirea dependentei qF() pe baza dependentelor qF(r) și (r)
415 515 ELEMENTE DE PROIECTARE A INSTALAŢIEI FRIGORIFICE PENTRU IcircNGHEŢAREA SOLULUI
Pentru proiectarea instalaţiei frigorifice trebuie sa se stabilească la icircnceput elementele de baza și anume
- puterea frigorifică maximă care apare la icircnceputul perioadei de răcire cacircnd pătrunderile de căldura spre agentul de răcire din sondele de icircngheţare au valori mai mari temperatura de vaporizare a agentului frigorific plecacircnd de la temperatura minimă sau medie din solul icircngheţat şi avacircnd icircn vedere modul de răcire directă sau indirectă
Se calculează cantitatea totală de căldură ce trebuie extrasă din terenul supus răcirii şi icircngheţării Se cunoaşte structura terenului icircngheţat deci se cunosc icircnălţimile h1 h2hn ale diferitelor straturi componente cacirct şi proprietăţile termofizice ale acestora
Grosimea centurii de teren icircngheţat se stabileşte icircn urma calculelor de rezistenţa materialelor icircncacirct se pot calcula volumele ocupate de straturile componente V1 V2Vn
Cantitatea de căldură ce trebuie extrasă din zona icircngheţată cuprinde două componente și anume
cantitatea de căldura Qa corespunzătoare răcirii şi icircngheţării apei
cantitatea de căldura Qt necesara răcirii părţii solide a terenului
n
1kfgsikaakka tcltcVQ (516)
unde
k - reprezintă conţinutul icircn apă din stratul respectiv [m3m3]
a - densitatea apei [kgm3]
ca cg - căldura specifica a apei respectiv a gheţii Jkg K
tik - temperatura iniţiala a stratului respectiv (de ordinul k)
tf - temperatura medie finala a masivului icircngheţat
ls - căldura latentă de solidificare a apei
r
q
q
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
52
fik
n
1kkkkkt ttc1VQ
(517)
k - densitatea părţii de teren solid (uscat) din stratul k
ck - căldura specifică a terenului uscat din stratul k
Cantitatea de căldură extrasă din terenul răcit reprezintă circa 1018 din cantitatea de căldură extrasă din zona de teren icircngheţat
Deci cantitatea totală de căldură Q ce va trebui preluată de către instalaţia frigorifică se poate aprecia astfel
Q = (110118) (Qa + Qt) (518)
Cu relaţia (51) se calculează puterea frigorifica a instalaţiei adoptacircnd o valoare medie pentru densitatea fluxului de căldura qF
Se poate aprecia timpul de funcţionare a instalaţiei frigorifice
o
Q
(519)
La anumite grosimi ale cochiliei de teren icircngheţat icircn jurul sondei densitatea fluxului termic scade sub valoarea medie adoptată icircn calcule şi ca urmare icircncepacircnd de la acest moment se va putea reduce treptat puterea frigorifica a instalaţiei prin scoaterea din funcţiune a unor grupuri
La proiectare se pot avea icircn vedere unele recomandări practice pentru stabilirea necesarului de frig pentru icircngheţarea unui m3 la -10 ordmC este necesar un consum specific de frig de 66000 kJ la 10 umiditate de 155000 kJ la 35 umiditate și de 210000 kJ la 50 umiditate
42 52 RĂCIREA BETONULUI LA CONSTRUCŢIILE MASIVE
421 521 INSTALAŢII DE PRERĂCIRE A COMPONENTELOR BETONULUI
Formarea betonului din elementele sale componente (nisip pietriş ciment şi apă) este icircnsoţită de fenomene fizico - chimice icircn care se degajă căldură şi ca urmare temperatura acestuia creşte Icircn cazul unor masive din beton (baraje) dacă viteza de turnare (icircn sezonul cald cacircnd se efectuază construcţia) este mai mare şi nu se asigura evacuarea căldurii corpul rezultă la o temperatura medie mai mare decacirct temperatura medie anuală Răcirea naturală conduce la contracţia masivului şi ca urmare la apariţia sub acţiunea tensiunilor interne a unor fisuri
Pentru ca variaţiile de temperatura icircntre centrul barajului şi straturile exterioare să fie cacirct mai mici se impune ca masivul respectiv să fie turnat la temperatura medie anuală a zonei respective Icircn acest scop se pot folosi două metode prin prerăcirea componentelor betonului și prin răcirea masei barajului
Icircn vederea reducerii căldurii degajată icircn reacţia dintre ciment şi apă au fost realizate sortimente de ciment caracterizate prin călduri masice reduse ce se degajă icircn procesul de priză
Prin prerăcirea componentelor betonului se urmăreşte ca betonul sa aibă temperatura medie a locului de amplasament şi prin aceasta evitarea apariţiei unor diferenţe mari de temperatură ce pun icircn pericol construcţia
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
53
Icircn funcţie de valoarea diferenţei de temperatură care trebuie realizată se poate adopta o anumită schemă de răcire pentru fiecare component icircn parte sau numai pentru unele din aceste părţi componente
Se pot folosi instalaţii frigorifice cu comprimare mecanică de vapori pentru răcirea apei a aerului sau formarea gheţii mărunte utilizate la prerăcirea componentelor betonului Folosirea gheţii fulgi sau solzi este limitată atacirct din cauza conţinutului de apă impus cacirct şi ca urmare a pericolului ca gheaţa să nu se topească icircn procesul de malaxare ci la turnare sau icircn procesul de priză ceea ce duce la formarea de goluri icircn beton
De asemenea se pot folosi instalaţiile frigorifice cu ejecţie
Icircn vederea stabilirii necesarului de frig pentru preratildecirea componentelor betonului se calculează mai icircntacirci cantitatea de catildelduratilde Qo1 ce trebuie evacuatatilde dintr-un m3 de beton avacircndu-se icircn vedere proporţiile icircn care participatilde cimentul nisipul pietrişul şi apa Fiecare component are o temperatură iniţialatilde şi urmeazatilde a fi răcit pacircnatilde la o temperatura finalatilde tf aceeaşi pentru toţi componenţii
fpppfnnnfccc1o ttcmttcmttcmQ
fnaanfpaapfaaa ttcmttcmttcm Jm3 (520)
unde
mc mn mp ma - masele de ciment nisip pietriş şi apă conţinute icircntr-un m3 de beton [kgm3]
cc cn cp cw - căldurile specifice masice ale cimentului nisipului pietrişului şi nisipul dintr-un m3 de beton [kgm3]
Puterea frigorifică se determină cu relaţia
3b1oo 10VQ [kW] (521)
icircn care bV reprezintă fluxul de betonare icircn m3s
Se prezintă icircn continuare cele mai folosite metode de prerăcire a componentelor betonului
4211 a) Instalaţie de prerăcire cu apă
Staţia de preparare a betonului este deservită de o instalaţie frigorifică cu comprimare mecanică de vapori care asigură răcirea apei
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
54
Figura 418 Fig 518 Schema de lucru a instalaţiei de prerăcire a betonului cu ajutorul apei 1 - ciment 2 - vagon nisip 3 - vagon pietris 4 - tancuri de răcire a pietrişului 5 - sită 6 - siloz de
nisip 7 - siloz de ciment 8 - rezervor de distribuţie 9 - răcitor de nisip 10 - răcitor de ciment 11 - răcitor de apă 12 - rezervor de apă răcită 13 - răcitor de apă 14 - instalaţie de prepararea betonului
I II III IV V - fazele de răcire a pietrişului
Icircn figura 518 se prezintă schema de lucru a unei asemenea instalaţii de prerăcire a betonului cu ajutorul apei folosită la construcţia barajului de la Detroit (SUA) Apa este răcită de la 16 la 15 ordmC şi transmisă apoi la instalaţia de preparare a betonului şi icircn cinci rezervoare a cacircte 90 m3 fiecare icircn care se răceşte pietrişul
Procesul de răcire a pietrişului cuprinde cinci faze
- faza I - introducerea apei icircn rezervor 10 minute
- fazele II şi III - introducerea simultană a apei şi a pietrişului 50 minute
- faza IV - evacuarea apei 15 minute
- faza V - evacuarea pietrişului 15 minute
Icircntregul proces de răcire a pietrişului durează 90 minute Pentru răcirea cimentului şi nisipului se utilizează schimbătoare de căldură cu ax elicoidal la care apa de răcire circulă prin arborele gol şi prin manta
Rezervoarele 12 pentru apa răcită au fiecare volumul de 114 m3
Beton 635oC
190 m3h
65oC
24oC
18oC
1
2
3
4
5
6
7
8
10
9
11
12
13
14
Apă 16oC
15oC
Cim
en
t
26 l
h
Nis
ip 1
12
lh
10
oC
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
55
42111 Aplicaţie numerică
Să se calculeze puterea frigorifică necesară prerăcirii betonului prin metode şi condiţiile prezentate mai sus Se cunosc următoarele date de calcul
mp = 1700 kgm3 beton
mc = 135 kgm3 beton
mn = 590 kgm3 beton
ma = 60 kgm3 beton
cc = cn = cp = 921 Jkg K
ca = 4180 Jkg K
map = 16 kgm3 beton
man = 38 kgm3 beton
tp = 18 ordmC
tc = 66 ordmC
tn = 21 ordmC tf = 635 ordmC
052803000
190Vb m3s
Se calculează componentele cantităţii de căldură Q01
3fcccc 10741735666921135ttcmQ Jm3
3fnnnn 10796135621921590ttcmQ Jm3
3fpppp 1024018356189211700ttcmQ Jm3
3faaaa 10420235616418060ttcmQ Jm3
3fpaapap 1077935618418016ttcmQ Jm3
3fnaaan 10232735621418038ttcmQ Jm3
Rezulta
3anapapnc1o 1039144QQQQQQQ Jm3
3o 10 206705280103914410VQ 33
b1o kW
4212 b) Instalaţii de prerăcire cu aer apă
Pentru răcirea componentelor betonului se utilizează icircn acest caz fie apa fie aerul ca agenţi intermediari răciţi cu ajutorul instalaţiilor frigorifice
Icircn figura 519 se prezintă schema unei asemenea instalaţii folosită la construcţia barajului de la Sariyar din Turcia
Răcirea aerului se poate face fie direct prin vaporizarea unui agent frigorific fie indirect cu un agent intermediar de răcire ca de exemplu saramura de clorură de calciu Aerul răcit pacircnă la -6 ordmC este suflat icircn silozurile cu pietriş de dimensiuni icircntre 4150 mm
Apa răcită icircn bazinul la pacircnă la 05 ordm este trimisă din colectorul 12 la staţia de preparare a betonului servind la scăderea temperaturii acestuia
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
56
Figura 419 Fig 519 Schema instalaţiei de prerăcire a betonului cu aer şi apă 1 - compresor 2 - condensator 3 - ventile de laminare 4 - vaporizatoare 5 - bazin de răcire a
saramurii 6 - pompă de saramură 7 - răcitor umed de aer 8 - ventilatoare 9 - silozuri de pietriş 10 - bazin de răcire a apei 11 - pompă 12 - colector de apă răcită
Figura 420 Fig 520 Schema instalaţiei de prerăcire cu aer şi apă 1 - siloz de pietriş şi nisip 2 - siloz de ciment 3 rezervor de apă 4 - răcitor de aer 5 - răcitor de apă
4 - răcitor de apă 6 - buncăr de sortare 7 - instalaţie de preparare beton
Pentru intensificarea procesului de răcire a pietrişului aerul este răcit sub 0 ordmC Acest procedeu are avantajul unei funcţionări fără icircntrerupere a procesului de preparare a betonului dar prezintă şi o serie de dezavantaje debite foarte mari de aer de răcire posibilitatea antrenării particulelor fine de agregat icircn răcitorul de aer şi depunerea acestora pe suprafaţa de schimb de căldură Ca urmare instalaţia se va curăţa la circa 14 zile Icircn figura 520 se prezintă o altă schemă de instalaţie de prerăcire a betonului cu aer şi apă folosită la construcţia unui baraj din India
Apă
295oC
Ciment
433oC
Pietriş şi nisip
378oC
Apă 6oC
Ciment 433oC
Aer
Pietriş
45oC Nisip 222oC
22oC
Ap
ă
45
oC
Ap
ă 2
2o
C
Ae
r 5
5o
C
Be
ton
12
8o
C
Apă 22oC
2
1
3 4 5
8
9
5 7
12
1oC
11
05oC 9oC 9oC
-9oC
-10oC -10oC
-10oC 2oC
6oC
10 4 4 6
8 8
8
8 8
9 9 9 9
1
2
3 3
7
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
57
Pietrişul şi nisipul se separă icircntre ele icircn buncărul de sortare 6 şi apoi fiecare circulă pe cacircte o bandă transportoare prin camera de răcire 7 Pietrişul este răcit cu ajutorul apei
Fig
ura
42
1 F
ig 5
21
Sc
he
ma
in
sta
laţi
ei
de
ră
cir
e icirc
n v
id a
co
mp
on
en
telo
r b
eto
nu
lui
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
58
reci icircncacirct ajunge la o temperatură mai scăzută decacirct nisipul răcit cu aer Prin camera 7 se circulă şi aer rece care se introduce la temperatura de 55 ordmC Cimentul se introduce la instalaţia de preparare a betonului 9 fără a fi răcit
O altă posibilitate de prerăcire a agregatelor (pietriş şi nisip) şi a apei utilizată mai recent la construirea barajelor icircntrebuinţează răcirea icircn vid la care agregatele uşor umezite icircn recipiente sub presiune se răcesc după nevoie (prin reglarea vacuumului) la o temperatură mai scăzută sau mai ridicată Căldura necesară evaporării umidităţii de pe agregate şi din ele (apa legată) este luată chiar de la corpurile respective (pietriş nisip) şi ca urmare acestea se răcesc
O asemenea instalaţie utilizată la Hortwell icircn SUA (figura 521) cuprinde 3 recipienţi de cacircte 150 m3 pentru răcirea pietrişului şi 3 recipienţi de cacircte 80 m3 pentru răcirea nisipului
Pietrişul şi nisipul cu temperatura maximă de 43 ordmC se pot răci pacircnă la temperatura necesară de 45 ordmC Pentru realizarea vidului necesar se folosesc două cazane de abur care produc 77 th fiecare
422 522 RĂCIREA INTERIOARĂ A MASIVULUI DE BETON
Prerăcirea betonului se recomandă icircn condiţiile unei zone tropicale sau temperate de amplasare a construcţiei masive nu se recomandă icircn cazul amplasării barajului icircn munţi unde temperatura aerului este scăzută Icircn asemenea situaţii se recomandă răcirea betonului prin conducte amplasate icircn masiv prin care circulă apă rece
La răcirea interioară cu conducte montate icircn beton are loc o eliminarea a căldurii simultan cu producerea ei icircn procesul de priză producacircndu-se şi o răcire pacircnă la temperatura necesară Pentru răcire se folosesc conducte de oţel cu diametre de 1525 mm montate la distanţe de 1223 m icircn plan orizontal şi de 153 m icircn plan vertical Lungimea conductelor icircntr-un m3 de beton este de 0204 şi a fiecărei serpentine de 140250 m
Debitul apei de răcire ce circulă prin 1 m3 de beton este de (0553) dm3h
Figura 422 Fig 522 Reţea de conducte de răcire a betonului icircn secţiunea unui baraj 1 - galerie pentru măsurători 2 - galerie de conducte de apă de răcire
Serpentinele se montează şi se fixează pe suprafaţă de beton (fig522) Capetele serpentinelor se leagă de o coloană verticală prin mufe metalice sau de cauciuc Diametrul distribuitorului şi al coloanei este cuprins icircntre 150200 mm După montaj aceste conducte se verifică la presiunea de lucru
1 2
Ax
a
ba
raju
lui
Determinarea necesarului de căldură și apă caldă pentru un imobil
17
Figura 26 Vedere fata Vest
Figura 27 Vedere de ansamblu
Determinarea necesarului de căldură și apă caldă pentru un imobil
18
Dimensiunile casei și a incaperilor sunt afisate icircn tabelul urmator
Incapere Suprafata mp
1 Hol intrare+ Living + Hol 3353
2 Dormitor mare 1804
3 Dromitor mic 12
4 Bucatarie 112
5 Baie mare 48
6 Baie mica 475
7 Camera tehnica 72
Total suprafata 9152
Total perimetru casa 444 m
21 22 Determinarea necesarului de căldură și apă caldă menajeră pentru imobil
Pentru studiul necesarului de flux termic este nevoie sa cunoastem posibilele pierderi de căldura cat si modul de utilizare al acesteia Ecuatia generala a bilantului termic ce se foloseste icircn calcularea fluxului de căldura
Q = Q1+ Q2+ Q3 [W]
Q1- fluxul de căldura pierdut prin transmisie
Q2- fluxul de căldura necesar incalzirii aerului ventilat
Q3- fluxul de căldura necesar prepararii apei calde
Fluxul termic pierdut prin transmisie este distribuit intre elementele constructive ale casei si anume Q11 - pereti Q12 - podea Q13 - tavan Q14 - geamuri
Q1= Q11+ Q12+ Q13+ Q14 [W]
Formula care se utilizeaza icircn calculul pentru fiecare fux termic icircn parte este comuna celor patru elemente
Q1i= Si middot Ki middot (tint - text) [W]
Unde Si - suprafata totala calculata a fiecarui element icircn parte se iau icircn considerare doar elementele care au legatura cu exteriorul [m2] ki - coeficientul global de transfer termic specific fiecarui element icircn parte [Wm2C] tint - temperatura din interiorul imobilului [degC] text - temperatura exterioara Icircn cazul podelei de utilizeaza temperatura solului șisau a pivnitei [degC]
Coeficientul global de transfer termic se calculeaza dupa formula
ki = 120783
120783
120514119842 + sum
120517119842
120524119842+
120783
120514119838119847119843=119842
[Wm2C]
Unde αi = coeficientul de transfer convectiv din interior αi = 8 Wm2C αe = coeficientul de transfer termic convective din exterior αe = 20 Wm2C λi - conductivitatea termica a stratului i pe care il aflam din fisa tehnica am materialului stratului respectiv [WmmiddotK] δi- grosimea stratului I [m]
Temperatura ce trebuie mentinuta icircn interiorul imobilului este de 22 degC
Coeficentul de convectie termica αi = 8
211 Mers de calcul pentru Q1
Q11 - flux termic pierdut prin pereti
Specificatii perete exeterior
Tencuiala δ 0025 m Grosime
Determinarea necesarului de căldură și apă caldă pentru un imobil
19
interioara λ 093 WmmiddotK Conductivitate termica
Rt 0026882 m2middotKW Rezistenta termica
Zidarie BCA δ 03 m Grosime
λ 014 WmmiddotK Conductivitate termica
Rt 2142857 m2middotKW Rezistenta termica
Tencuioala exterioara
δ 0025 m Grosime
λ 093 WmmiddotK Conductivitate termica
Rt 0026882 m2middotKW Rezistenta termica
Vata bazaltica δ 01 m Grosime
λ 0037 WmmiddotK Conductivitate termica
Rt 2702703 m2middotKW Rezistenta termica
Placa fibrocement
δ 001 m Grosime
λ 02 WmmiddotK Conductivitate termica
Rt 005 m2middotKW Rezistenta termica
Tencuiala decorativa
δ 0005 m Grosime
λ 093 WmmiddotK Conductivitate termica
Rt 0005376 m2middotKW Rezistenta termica
K11 = 1
1
120572119894+
1205751
1205821+
1205752
1205822+
1205753
1205823+
1205754
1205824+
1205755
1205825+
1205756
1205826+
1
120572119890 =
11
8 +
0025
093+
03
014+
0025
093+
01
0037+
001
02+
0005
093+
1
22
K11 = 0194943188 Wm2C
S11 = h middot lp = 3 middot 3901 = 11703 m2
h - inaltimea peretelui [m]
lp - lungimea perimetrala a peretelui [m] (din care s-au scazut suprafetele vitrate)
Δt = ti - te = 22 + 15 = 37degC
ti - temperatura interioara
te - temperatura exterior
Q11 = K11 middot S11 middot Δt = 0194943188 middot 11703 middot 37 = 8441254483 W
Perete exterior
ti 22 degC αi 8 Wm2 k
te -15 degC αe 22 Wm2 k
δ1 0025 m λ1 093 Wmk tp1 2109758812 degC
δ2 03 m λ2 014 Wmk tp2 2090352105 degC
δ3 0025 m λ3 093 Wmk tp3 5433603161 degC
δ4 01 m λ4 0037 Wmk tp4 523953609 degC
δ5 001 m λ5 02 Wmk tp5 -1427207206 degC
δ6 0005 m λ6 093 Wmk tp6 -1463303681 degC
tp7 -1467185023 degC
q 7219295 W
Determinarea necesarului de căldură și apă caldă pentru un imobil
20
Figura 28
Q12 - fluxul termic pierdut prin podea
Specificatii podea
Placa fibrocement
δ 001 m Grosime
λ 02 WmmiddotK Conductivitate termica
Rt 005 m2middotKW Rezistenta termica
Sapa δ 01 m Grosime
λ 0035 WmmiddotK Conductivitate termica
Rt 2857143 m2middotKW Rezistenta termica
Polistiren extrudat
δ 005 m Grosime
λ 0033 WmmiddotK Conductivitate termica
Rt 1515152 m2middotKW Rezistenta termica
K12 = 1
1
120572119894+
1205751
1205821+
1205752
1205822+
1205753
1205823+
1
120572119890 =
11
8 +
001
02+
01
0035 +
005
0033+
1
0
= 0219911 Wm2C
S12 - amprenta la sol a casei = 12296 m2
Δt = ti - te = 22 - 15 = 7degC
Temperature pentru podea este de 15degC
Q12 = K12 middot S12 middot Δt = 0219911 middot 12296 middot 7 = 1892818 W
Podea
ti 22 degC Αi 8 Wm2 k
te 15 degC Αe 0 Wm2 k
δ1 001 m λ1 02 Wmk tp1 2180757789 degC
Determinarea necesarului de căldură și apă caldă pentru un imobil
21
δ2 01 m λ2 0035 Wmk tp2 2173060904 degC
δ3 005 m λ3 0033 Wmk tp3 1733238927 degC
δ4 m λ4 Wmk tp4 15 degC
δ5 m λ5 Wmk tp5 degC
δ6 m λ6 Wmk tp6 degC
tp7 degC
q 1539377 W
Figura 29
Q13 - fluxul termic pierdut prin tavan
Specificatii tavan
Tencuiala δ 002 m Grosime
λ 093 WmmiddotK Conductivitate termica
Rt 0021505 m2middotKW Rezistenta termica
Placa beton armat
δ 013 m Grosime
λ 174 WmmiddotK Conductivitate termica
Rt 0074713 m2middotKW Rezistenta termica
Sapa δ 003 m Grosime
λ 026 WmmiddotK Conductivitate termica
Rt 0115385 m2middotKW Rezistenta termica
Vata bazaltica δ 015 m Grosime
λ 0037 WmmiddotK Conductivitate termica
Determinarea necesarului de căldură și apă caldă pentru un imobil
22
Rt 4054054 m2middotKW Rezistenta termica
Placa nivelanta δ 002 m Grosime
λ 026 WmmiddotK Conductivitate termica
Rt 0076923 m2middotKW Rezistenta termica
K13 = 1
1
120572119894+
1205751
1205821+
1205752
1205822+
1205753
1205823+
1205754
1205824+
1205755
1205825 +
1
120572119890 =
11
8+
002
093+
013
174+
003
026+
015
0037+
002
026+
1
22
K13 = 0219736 Wm2C
S13 = S12 = 12296 m2
Δt = ti - te = 22 + 15 = 37degC
Q13 = K13 middot S13 middot Δt = 0219736 middot 12296 middot 37 = 1000 W
Tavan
ti 22 degC αi 8 Wm2 k
te -15 degC αe 22 Wm2 k
δ1 002 m λ1 093 Wm k tp1 209751906 degC
δ2 013 m λ2 174 Wm k tp2 207988793 degC
δ3 003 m λ3 026 Wm k tp3 2018634954 degC
δ4 015 m λ4 0037 Wm k tp4 1924037163 degC
δ5 002 m λ5 026 Wm k tp5 -1399669009 degC
δ6 m λ6 Wm k tp6 -1462734204 degC
tp7 degC
q 8198475 W
Determinarea necesarului de căldură și apă caldă pentru un imobil
23
Figura 210
Q14 - fluxul temic pierdut prin suprafetele vitrate
Am ales un geam temopan cu trei randuri de sticla și cu tamplarie de lemn
K14 = 06 Wm2C
S14 = 2728 m2 suprafata ocupata de geamuri
Δt = ti - te = 22 + 15 = 37degC
Q14 = K14 middot S14 middot Δt = 06 middot 2728 middot 37 = 605616 W
Fereastra
ti 22 degC αi 8 Wmpk
te -15 degC αe 22 Wmpk
δ1 0005 m λ1 075 Wmk tp1 1992074356 degC
δ2 0018 m λ2 00177 Wmk tp2 1980984988 degC
δ3 0005 m λ3 075 Wmk tp3 2893865242 degC
δ4 0018 m λ4 00177 Wmk tp4 2782971565 degC
δ5 0005 m λ5 075 Wmk tp5 -1413301307 degC
δ6 m λ6 Wmk tp6 -1424390675 degC
tp7 degC
q 1663405 W
Determinarea necesarului de căldură și apă caldă pentru un imobil
24
Figura 211
Q1 = Q11 + Q12 + Q13 + Q14 = 8441254483 + 1892818 + 1000 + 605616
Q1 = 263871712 W
212 Mers de calcul pentru Q2
Q2 = n middot Q1
n - numarul de schimburi (07 08 1)
Q1 - fluxul de căldura pierdut prin transmisie
Q2 = 1 middot 263871712 =gt Q2 = 263871712 W
213 Mers de calcul pentru Q3
Q3 = 119898 middot119862119908 middot(119905119887minus119905119903)
120591 middot3600 [kW]
m - cantitatea de apa calda preparata [Kg]
m = n middot czn middot ρ [Kg]
ρ = 1000 Kgm3- densitatea apei [Kgm3] n = 4 - numarul de locatari =gt n
czn - consumul zilnic de persoana [l] gtgtgt czn = l middot 1000 = m3
Un consum de acm specific unui nivel de confort mediu la o temperature de 45degC vom avea un czn = 50 l de persoana
cw - căldura specifica a apei [KJKgC] =gt cw = 4186 KJKgmiddotC
tb - temperatura apei din boiler [C] =gt tb = 50degC
tr - temperatura apei de intrare [C] =gt tr = 10degC
Icircn general avem vara tr = 1217degC iar iarna tr = 5hellip10degC
120591 - timpul icircn care este incalzita apa [h] =gt 120591 = 4h
m = 4 middot (50 middot 1000) middot 1000 m = 200 Kg
Q3 = 200 ∙4186 ∙(50 ∙10)
4 ∙3600 =gt Q3 = 2325555556 W
Q = Q1 + Q2 + Q3 = 263871712 + 263871712 + 2325555556
Q = 7602989795 W =gt Q = 76 KW
Calculul necesarului de frig pentru depozit de fructe
25
3 Calculul necesarului de frig pentru depozit de fructe
31 31 Calculul grosimii izolatiilor
Regimul de funcţionare al spaţiilor frigorifice caracterizat prin valori coboracircte ale temperaturilor prin variaţia rapidă a acestora şi prin umiditatea mare a aerului icircncăperilor impune pentru izolaţiile termice ale pereţilor planşeelor şi pardoselilor condiţii deosebite Pereţii spaţiilor frigorifice despart două medii cu temperaturi diferite Fluxul de căldură ce pătrunde din exterior icircn camere care trebuie preluat de instalaţia frigorifică este direct proporţional cu diferenţa de temperatură dintre cele două feţe ale peretelui şi cu coeficientul global de transmitere a căldurii Izolarea se execută la spaţiile răcite atacirct la pereţi cacirct şi la tavan şi podea şi are ca rol icircmpiedicarea apariţiei condensului pe suprafaţa caldă a pereţilor incintelor frigorifice
Figura 31 Fig13 Variaţia de temperatură prin peretele termoizolant
Din exploatarea frigoriferelor se cunoaşte că prin icircnvelişul exterior al spaţiilor frigorifice trece icircn majoritatea cazurilor mai mult de jumătate din cantitatea totală de căldura ce pătrunde icircn icircncăperi Această cantitate de căldură se poate reduce prin majorarea grosimii stratului termoizolant Dar reducerea infiltraţiilor de căldură icircn acest tel nu se poate face nelimitat deoarece la o anumită grosime a stratului izolant adică la o anumită valoare a coeficientului k de transfer al căldurii costul construcţiei izolate va fi mai mare decacirct costul energiei ce reprezintă frigul economisit prin majorarea grosimii izolaţiei
De aceea se obişnuieşte a se folosi icircn calcule valori optime ale coeficientului k de transfer al căldurii calculacircndu-se astfel o grosime optimă a izolaţiei termice
Pentru izolarea pereţilor camerelor se vor folosi panouri tip sandwichFig15
Calculul necesarului de frig pentru depozit de fructe
26
Figura 32 Fig15 Construcţia panourilor de tip sandwich
Rolul panourilor plastifiate este de a preicircntacircmpina pătrunderea vaporilor icircn interiorul izolaţiei eliminacircnd necesitatea barierei de vapori Panourile folosesc metoda de icircmbinare nut-feder reducacircndu-se astfel transferul de căldură cu mediul extern
Deoarece avem un singur depozit vom adopta coeficienţii de transfer de căldură prin
convecţie funcţie de t
Aleg pentru t = = te - ti = 318 - 1 = 308 0C k = 023 Wm2K
Din catalogul de produse INCOLD Italia se alege poliuretan 100 mm = 0023 WmK
Tablă din oţel galvanizat plastifiat
Calculul necesarului de frig pentru depozit de fructe
27
Tabelul 317 Tabel24 Calculul grosimi izolației
ei
i
i
izizk
111
Coeficientul global de transfer de căldură se determină utilizand relaţia
eiz
iz
i
i
i
k
11
1
n
i i
i
1
- suma rezistenţelor termice ale tuturor straturilor din care este realizat
peretele[m2KW]
iz - grosimea stratului de izolaţie termică [m]
iz - conductivitatea termică a materialului izolator [WmK]
e - coeficient de convecţie pe partea exterioară a peretelui [WmK]
i - coeficient de convecţie pe partea interioară a peretelui [WmK]
32 32 Bilantul caloric al spatiului climatizat pe timp de vară Necesarul de frig pentru frigorifer
Se stabileşte consumul zilnic de frig pe icircntreg frigoriferul şi pentru fiecare icircncăpere icircn parte luacircndu-se icircn considerare cele mai nefavorabile condiţii de lucru
temperatura aerului exterior pentru luna cea mai caldă a anului
icircncărcarea maximă şi simultană a camerelor de refrigerare
Spaţiul frigorific
Perete k αi αe 1αi 1αe R 1k λiz
δiz
calc δiz
ales Kr
[Wm2K] [m2KW] [WmK] [m] [m]
N 0229 10 18 010 006 0590 4367 0023 0097 0100 023
E 0224 10 12 010 008 0618 4464 0023 0098 0100 023
DR S 0221 10 12 010 008 0618 4525 0023 0100 0100 023
V 0223 10 12 010 008 0618 4484 0023 0099 0100 023
T 0221 10 12 010 008 0618 4525 0023 0100 0100 023
P 0228 10 0 000 000 0435 4386 0023 0000 0100 023
N 0221 25 12 004 008 0558 4525 0023 0101 0100 023
E 0224 25 12 004 008 0558 4464 0023 0100 0100 023
CP S 0224 25 12 004 008 0558 4464 0023 0100 0100 023
V 0223 25 12 004 008 0558 4484 0023 0100 0100 023
T 0221 25 12 004 008 0558 4525 0023 0101 0100 023
P 0228 25 0 000 000 0435 4386 0023 0000 0100 023
Calculul necesarului de frig pentru depozit de fructe
28
camerele vecine celei căreia i se face calculul necesarului de frig sunt goale şi au temperatura vestibulului sau a sasului
Aceste calcule determină necesarul de frig pe categorii de consumatori grupaţi după temperatura cerută şi permit stabilirea puterilor frigorifice icircn vederea proiectării instalaţiei
Pentru calculele termice sunt necesare următoarele
planul frigoriferului care a fost stabilit
dimensiunile camerelor
temperaturile necesare icircn fiecare cameră
Se consideră
1degC icircn depozitele de refrigerate
orientarea frigoriferului după punctele cardinale
condiţii climatice icircn lunile cele mai călduroase pentru zona geografică respectivă
Consumul de frig se calculează pentru 24 ore cu relaţia
Qnec = Q1 + Q2 + Q3 + Q4 [kcal24h]
Q1 - neeesarul de frig pentru acoperirea pătrunderilor de căldură prin cenvecţie
conducţie şi radiaţie din mediul icircnconjurător prin pereţi pardosea și plafon
Q2 - necesarul de frig tehnologic pentru procesele de răcire refrigerere şi
congelare eliminarea căldurii de respiraţie seu pentru unele procese chimice şi
biochimice
Q3 - necesarul de frig pentru ventilarea camerelor frigorifice cu aer proaspat care
trebuie racit şi uscat
Q4 - necesarul de frig rezulticircnd din condiţii de exploatare acoperirea căldurii
provenite din iluminat din funcţionarea motoarelor căldura provenită de la persoanele ce
manipulează produsele datorită deschiderii uşilor etc
321 Consumul de frig Q1
Se determină pentru fiecare spaţiu icircn parte cu relaţia
RttkFQ1 [ W ]
F - reprezintă suprafaţa pereţilor a pardoselei şi a plafonului corespunzător fiecărui
spaţiu frigorific icircn parte icircn m2 Ca suprafaţă de transfer se va considera suprafaţa
exterioară a perimetrului izolat termic
k - reprezintă coeficientul global de transmitere a căldurii prin convecţie conducţie şi radiaţie
prin pereţi plafon şi pardoseală (toate izolate termic) icircn [W(m2 middot grd)] Valoarea coeficientului k a
fost calculată icircn tabelul 24 (kr)
Δt - reprezintă diferenţa de temperaturi dintre temperatura exterioară suprafeţei de
transfer termic considerată şi temperatura interioară spaţiului frigorific
Calculul necesarului de frig pentru depozit de fructe
29
Diferenţa de temperatură ΔtR se ia icircn consideraţie numai la pereţii exteriori şi la
plafoane care sunt şi acoperiş pentru clădire
ΔtR = 0degC pentru pereţi exteriori orientaţi spre N
ΔtR = (5 10)degC pentru pereţi exteriori orientaţi spre E V S-E S-V
ΔtR = 15 degC pentru pereţi exteriori orientaţi spre S
ΔtR = (15 18)degC pentru plafoane care sunt şi acoperiş (terasă)
Calculul valorilor mărimii sumQ1 se recomandă a se efectua tabelar conform tabelului 25
Valoarea mărimii sum Q1 la aparate se obţine prin icircnsumarea fluxurilor termice prin toate cele 6 suprafeţe delimitatoare
La stabilirea valorii mărimii sum Q1 se consideră doar unul dintre fluxurile termice prin suprafeţele ce separă spaţiile frigorifice vecine Pentru aparatele de răcire din spaţiile frigorifice se consideră situaţia cea mai grea pentru fiecare spaţiu icircn parte respectiv că spaţiile vecine nu sunt răcite
Spaţiul frigorifi
c
Perete
Dimensiuni
Supraf F
[m2]
Kr [Wm2K]
Δt [grd]
Δtr
Q1 [W] sumQ1 q a [m]
b [m]
N 15 4 60 023 308 42504
246068
708
E 7 4 28 023 308 8 24987 892
DR S 15 4 60 023 185 15 46202 770
V 7 4 28 023 308 19835 708
T 15 7 105 023 308 74382 708
P 15 7 105 023 158 38157 363
N 7 4 28 023 185 11914
133566
426
E 7 4 28 023 268 8 22411 800
CP S 7 4 28 023 268 15 26919 961
V 7 4 28 023 185 11914 426
T 7 7 49 023 268 30204 616
P 7 7 49 023 268 30204 616
Tabelul 318 Tebel25 Calculul valorilor mărimii Q1
322 Necesarul de frig Q2
sum Q2 - necesarul de frig tehnologic pentru procesele de răcire refrigerare şi
congelare
Q2d = mcp(tc-ti)=500003644 = 4186000(243600)= 842 kW
Q2c = 2600036419 = 1798160 = 208 KW
Q2 = 208 + 842 = 293 = 30kW
unde
Q2d - necesarul de frig tehnologic depozit
Q2c - necesarul de frig tehnologic camera de preracire
Calculul necesarului de frig pentru depozit de fructe
30
m - cantitatea de produse introduse icircn tunelul de congelare icircn kg
te ti - temperaturi specifice corespunzătoare temperaturii iniţiale a produsului cald
(24 ordmC) respectiv temperaturii finale a produsului refrigerat (1 ordmC)
Căldura specfifică mere cp = 364 [kJkgK]
323 Necesarul de frig Q3
Icircn funcţie de natura produselor din spaţiul frigorific este necesar uneori să se realizeze ventilarea spaţiului prin asigurarea unui anumit număr de schimburi ale aerului din incintă icircn 24h Ca exemplu icircntotdeauna va fi necesară ventilarea prin introducere de aer proaspăt icircn spaţiile de păstrare pentru legume fructe şi ouă refrigerate Aceste produse vii respiră icircn timpul păstrării şi necesită icircn consecinţă ventilarea spaţiilor de păstrare
Acest consum de frig se ia icircn considerare doar la depozitele de refrigerare care se ventilează Se stabilește cu relația
Q3 = V ∙ a ∙ ᵖi ∙ (hex - hi) [kJ24]
V - volumul camerelor ventilateicircn m3
a = 24 schimburi pe zi pentru depozitele de mere
ᵖi - reprezintă densitatea aerului la temperature interioară icircn kgm3
Pentru depozitele de refrigerare considerăm umiditatea relativă ᵠi = 95 și ti=1 ordmC
rezultacircnd icircn acest caz hi= 9 kJkg
Parametri aerului exterior pentru zona icircn care este amplasat depozitul sunt temp ex 318
și umiditatea ext 60 rezultand din diagram mollier entalpia aerului Calcul facut icircn
programul Coolpack
ρi = 12 kgm3
hex = 7519 kJkg
Q3 = 616 2 12 (7519 - 9) (243600)= 00025 kW
324 Necesarul de frig Q4
Q4 - frigul consumat pentru acoperirea pierderilor icircn timpul exploatarii datorat deschiderii
usilor a corpurilor de iluminat a motoarelor electrice a oamenilor Se admite Q4 =
(01hellip04)Q1
Q4 = 02 379617 = 759234 = 008 kW
Qtotal = sum 119824120783 + Q2 + Q3 + Q4 = 004 + 30 + 000025 + 008 = 3012 = 31 kW
33 33 Stabilirea directiei raportului de termoumiditate și trasarea procesului de conditionare a aerului pe diagrama i-X pe timp de vară
Icircn fig16 este reprezentat un agregat pentru condiţionarea aerului pe timp de vară cu recirculare parţială
Calculul necesarului de frig pentru depozit de fructe
31
Figura 33 Figura16 Schema aparatului de condiţionare a aerului pe timp de vară cu recirculare parţială
F - filtru V - vaporizator C - compressor K - condensator VL - ventil de laminare I - icircncălzitor Vt - ventilator
Procesele de lucru pot fi reprezentate icircn diagrama h-x ca icircn figura următore
Figura 34 Fig17
A reprezintă starea aerului recirculat provenit din spaţiul condiţionat iar E este starea aerului exterior
Aerul tratat icircn aparatul de condiţionare care se introduce icircn incintă avacircnd starea B
trebuie să preia degajările de căldură Qv [kW] şi de umiditate Wv [kgs]
Direcţia procesului suferit de aer icircn incintă este dată de raportul de termoumidificare εv
= Qv Wv
Prin punctul A se trasează dreapta avacircnd raportul de termoumidificare εv iar punctul B se fixează pe această dreaptă adoptacircndu-se o anumită diferenţă de temperatură faţă de starea A
Aerul recirculat A se amestecă cu aerul proaspăt E şi rezultă starea de amestec M De regulă xM gt xB deci aerul va trebui să fie uscat
Pe verticala din B se fixează starea D avacircnd xD= xB şi ᵩD = 90hellip98
Calculul necesarului de frig pentru depozit de fructe
32
Se uneşte M cu D iar apoi se prelungeşte acest segment pacircnă la intersecţia cu ϕ = 100 rezultacircnd starea P avacircnd temperatura tp
Circulacircnd aerul cu starea M peste o suprafaţă rece avacircnd temperatura tp se va obţine procesul de răcire şi uscare MD
Temperatura suprafeţei tp se asigură cu o instalaţie frigorifică a cărei temperature de vaporizare va fi t0 lt tp
Ultimul proces din aparatul de condiţionare va fi icircncălzirea finală DB
Calculul agregatului de condiţionare a aerului pe timp de vară se efectuează asemănător cu cel a agregatului de condiţionare a aerului pe timp de iarnă cu observaţia că pe timp de vară nu este necesară umidificarea
331 Date
Vtotal = 616 m3 tint = 1ᵒC tex = 318 φint = 90 φext = 60 ρaer = 12 [kgm3]
Starea A
tA = ti + 3 = 4deg xA = 00043[kj
kg] φA = 86 hA = 1489[
kj
kg]
Starea B
tB = 1degC xB = 00036 [kj
kg] φB = 90 hB = 1024[
kj
kg]
Starea E
tE = 318degC xE = 00171[kj
kg] φE = 60 hE = 7519[
kj
kg]
Starea M
hM =hE + n ∙ hA
n + 1=
7513 + 20 ∙ 1489
21= 1775[
kj
kg]
xM =xE + n ∙ xA
n + 1=
00171 + 20 ∙ 00043
21= 00049[
kj
kg]
Rezulta din diagrama Mollier
Starea D
hD = 108 [kj
kg] xD = 0003[
kj
kg] φD = 97
Raportul de recirculare n = 20
Debitul de aer ventilat V =Vtotal∙20
24h=
616lowast20
24= 513 [m3h]
Debitul masic m = V ∙ ρaer = 513 lowast 12 =
6156[kg
h]
3600= 0171 [kgs]
tp = minus3degC t0 = tp minus 9degC = minus3 minus 9 = minus12degC
Puterea termica a vaporizatorului ( puterea frigorifică )
ФV = Ф0
Puterea termica a icircncalzitorului
ФI = 119898 ∙ (hB - hD)
Cantitatea de apa condensată icircn unitatea de timp pe suprafața de racire este
Calculul necesarului de frig pentru depozit de fructe
33
ẆV = 119898 ∙ (XM - XD)
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
34
4 Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
Există două domenii principale icircn care se utilizează frigul artificial icircn lucrările de construcţii şi anume
icircngheţarea terenurilor acvifere icircn vederea săpării puţurilor de mină a barajelor a depozitelor de gaze lichefiate etc
prerăcirea componentelor betonului icircn cazul executării unor masive de beton ca de exemplu baraje
41 51 IcircNGHEŢAREA SOLULUI
411 511 CONSIDERAŢII GENERALE PRIVIND IcircNGHEŢAREA SOLULUI
Icircngheţarea artificială a solului reprezintă una dintre cele mai interesante şi icircn acelaşi timp şi importante aplicaţii practice a frigului artificial Totodată este una dintre primele aplicaţii industriale a tehnicii frigului şi care a asigurat o dezvoltare deosebită a industriei extractive Aşa se explică faptul că odată apărută maşina frigorifică cu absorbţie realizată icircn 1859 de către Ferdinand Carre este folosită la săparea primului puţ de mină prin icircngheţarea artificială a rocilor Dar nu numai industria minieră foloseşte icircn ultimul secol procedeul consolidării rocilor la săpararea unor lucrări subterane Lucrări inginereşti de tot genul ca metrouri staţii subterane de pompare rezervoare de gaze lichefiate poduri lucrări portuare şi altele asemănătoare amplasate icircn zone acvifere au fost realizate prin metoda consolidării prin frig a rocilor
Această metodă a consolidării rocilor prin frig artificial realizează icircn jurul lucrării inginereşti subterane un perete icircngheţat protector pe durata lucrărilor de construcţii Acest perete asigură o izolare hidraulică şi icircn acelaşi timp şi o protecţie mecanică Rezistenţa mecanică a rocilor creşte pe măsură ce temperatura lor scade icircncacirct metoda expusă mai sus prezintă avantajul reglării capacităţii portante a peretelui icircngheţat
Apa conţinută icircn terenuri prin icircngheţare capătă proprietăţile cimentului exprimate prin forţele de coeziune mari care apar icircntre cristalele de gheaţă şi grăunţii de rocă
Pentru obţinerea peretelui protector se folosesc sonde de icircngheţare forate pe conturul lucrării subterane şi prin care circulă agentul de răcire care poate fi un agent intermediar ca de exemplu saramura de clorură de calciu sau agentul frigorific de exemplu amoniacul Icircn funcţie de grosimea peretelui şi de rezistenţa mecanică pe care trebuie să o aibă se va alege temperatura agentului de răcire distanţa dintre sonde şi durata de icircngheţare
Instalaţia de consolidare prin frig a rocilor cuprinde trei părţi principale staţia frigorifică reţeaua de distribuţie a agentului de răcire (saramura) şi sondele de icircngheţare a solului
Staţia frigorifică cuprinde instalaţia frigorifică propriu-zisă cu comprimare mecanică de vapori sau prin absorbţie icircntr-o treaptă sau icircn două trepte Icircn funcţie de condiţiile de amplasament ale obiectivului staţia frigorifică poate fi de construcţie staţionară (icircn minerit) sau mobilă (la metrouri)
Reţeaua de distribuţie alcătuită din conducte metalice sau din mase plastice are rolul de a face legătura icircntre staţia frigorifică şi sondele de icircngheţare Pentru reducerea pierderilor de frig reţeaua de distribuţie se izolează termic
Sondele de icircngheţare constituie schimbătorul de căldură subteran prin care se extrage căldura de la terenul supus icircngheţării Icircn fig 51 se prezintă schiţa unei sonde de icircngheţare cu ajutorul saramurii Saramura rece cu temperatura icircntre -10 ordmC pacircnă la -35 ordmC
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
35
coboară prin ţeava interioară şi apoi se icircntoarce prin spaţiul inelar dintre cele două conducte concentrice
Figura 41 Fig 51 Sonda de icircngheţare 1 - şiu (tub scurt de oţel cu pereţi groşi rezistent) 2 - ţeava interioară 3 - ţeava exterioară (burlan de
icircngheţare) 4 - capul sondei
Circulaţia continuă a saramurii prin sonda de icircngheţare face ca rocile ce icircnconjoară sondele inclusiv apa conţinută icircn spaţiile libere să se răcească treptat Icircn jurul sondei icircncepe să se formeze stratul de rocă icircngheţată diametrul cilindrului de teren icircngheţat se măreşte icircn timp Aşa cum s-a arătat icircn capitolul 3 rezultă că dezvoltarea radială a cilindrului de rocă icircngheţată icircn jurul sondei se desfăşoară cu o viteza variabilă de icircnaintare la icircnceput viteza de icircnaintare a frontului de gheaţă este mai mare după care scade icircn timp Apoi se atinge stadiul staţionar de transfer de căldură cacircnd cilindrul nu mai creşte icircn dimensiuni Reiese că distanţa dintre sondele de icircngheţare este determinată de raza maximă a cilindrului de teren icircngheţat Pentru a realiza peretele icircngheţat care să reziste la solicitările la care este supus se impune ca distanţa dintre sondele vecine să fie mai mică decacirct raza maximă a terenului icircngheţat astfel icircncacirct cilindrii formaţi să se unească icircntre ei Icircn fig 52 se prezintă evoluţia icircn timp a icircngheţării terenului icircn jurul sondelor Icircn faza iniţială a icircnceput răcirea dar icircncă nu s-a format teren icircngheţat Icircn faza a II-a (după circa 20 zile) icircn jurul fiecărei sonde se formează cacircte un cilindru de teren icircngheţat fără ca aceştia să se unească Icircn faza a III-a (după circa 30 zile) cilindrii se icircntretaie şi formează peretele protector
Figura 42 Fig 52 Evoluţia cilindrilor individuali de rocă icircngheţată 1 - sonda de icircngheţare 2 - sonda de măsurători termice 3 - teren icircngheţat
Această evoluţie poate fi urmărită cu suficientă precizie prin măsurarea temperaturii masivului cu ajutorul unor sonde de măsurători termice 2 montate la distanţe bine stabilite de sondele vecine de icircngheţare Astfel icircn faza I-a temperatura este cea iniţială deci neafectată de prezenţa sondelor icircn faza a II-a temperatura este mai scăzută dar mai mare de 0 ordmC Cum icircn practică sondele de icircngheţare au o abatere de la poziţia verticală (sau de la cea impusă prin proiect) sondele de măsurători termice sunt prevăzute icircntre sondele
I II III
1
2 2 2
3 3
SARAMURĂ CALDĂ
IEŞIRE
INTRARE SARAMURĂ A E RECE
1
2
3
4
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
36
cele mai distanţate icircntre ele acolo unde evoluţia peretelui de protecţie este cea mai defavorabilă
Primele realizări inginereşti de consolidare prin frig artificial a terenurilor acvifere metodă prin care vor fi aduse la lumină multe bogăţii subterane sunt legate de numele inginerului de mine şi metalurgie Friederich Herman Poetsch El a obţinut icircn 27 februarie 1883 brevetul pentru procedeul său de adacircncire a puţurilor verticale icircn roci bogate icircn apă (şi curgătoare) Poetsch a reuşit să experimenteze procedeul său la adacircncirea unor puţuri de mină dar a avut şi multe insuccese icircncacirct la 9 iunie 1902 moare sărac şi dezamăgit Metoda de icircngheţare prin frig artificial a terenurilor a avut mare succes icircn Franţa Astfel numai icircn perioada 1892 - 1898 icircn bazinele carbonifere Nord şi Pas de Calais s-au săpat circa 20 puţuri pacircnă la o adacircncime de 100 m prin aplicarea metodei icircngheţării după planurile lui Poetsch
Desigur că nu ar putea fi omis numele lui Louis Gebhard care realizează numeroase lucrări de adacircncire a puţurilor prin icircngheţare atacirct icircn Germania cacirct şi icircn Franţa Anglia Olanda şi Polonia ceea ce face ca metoda propusă de Poetch să devină o tehnologie demnă de toată icircncrederea cu siguranţă absolută şi cu un mare randament
Gebhard un mare practician icircncepe sa folosească icircn locul instalaţiilor cu absorbţie realizate de F Carre pe cu cele cu comprimare mecanică de vapori realizate de Karl von Linde cu icircncepere din anul 1874
Poetsch icircn 1888 prevede extinderea procedeului de icircngheţare la construcţia podurilor la construcţii navale lucrări de fortificaţii la protecţia fundaţiilor subterane şi a bazinelor cu apă El susţine că poate să rezolve orice problemă sub apă chiar şi puţuri icircncepute şi abandonate
Icircn anul 1900 se depăşeşte bariera adacircncimii de 100 m Realizarea unor puţuri mai adacircnci (peste 100 m) ridică unele probleme icircn plus faţă de puţurile de mai mică adacircncime deoarece abaterile de la verticalitate pot conduce la formarea unor ferestre icircn peretele protector
Icircn ţara noastră această tehnologie de forare a unor puţuri de mină cacirct şi a galeriilor de metrou prin icircngheţarea solului a fost folosită cu icircncepere din anul 1961 aşa cum se prezintă icircn paragraful 513
412 512 CONSTRUCŢIA INSTALAŢIEI DE IcircNGHEŢARE A SOLULUI
Icircn funcţie de forma şi mărimea lucrării care se realizează la adăpostul terenului icircngheţat principial se pot utiliza următoarele tipuri de instalaţii
a) cu răcire indirectă denumită şi cu dublu schimb (fig53)
b)cu răcire directă icircn circuit icircnchis (fig 54)
c)răcire directă icircn circuit deschis (fig55)
a) Răcirea indirectă se utilizează icircn practică cel mai mult fiind cunoscută icircncă de la icircnceputurile metodei de icircngheţare a solului
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
37
Figura 43 Fig 53 Instalaţia frigorifică cu răcire indirectă 1 - compresor 2 - condensator3 - ventil de laminare 4 - vaporizator 5 - bazin de răcire a saramurii 6
- agitator 7 - pompă de saramură 8 - sonde de icircngheţare
Ca agent frigorific se poate folosi amoniacul sau freonii iar ca agent intermediar se utilizează soluţiile de clorură de calciu clorura de sodiu sau magneziu sărurile respective fiind relativ uşor de procurat
Instalaţiile frigorifice cuprind unul sau mai multe blocuri frigorifice Acest mod de compunere prezintă avantaje icircn ceea ce priveşte montarea cacirct şi exploatarea instalaţiilor se poate asigura o reducere icircn trepte a puterii frigorifice pe măsură ce creşte rezistenţa termică a stratului de teren icircngheţat
Componentele principale ale instalaţiei frigorifice se montează grupat pe cele trei secţiuni secţia de compresoare secţia condensatoarelor şi secţia vaporizatoarelor De regulă compresoarele se montează fie icircn aer liber atunci cacircnd tipul lor permite fie acoperite sub şarpante protectoare
Pe măsură ce se scot din funcţiune blocurile frigorifice se demontează şi se pot monta la un nou obiectiv
b) Răcirea directă icircn circuit icircnchis (fig 54) se utilizează icircn cazul icircn care adacircncimea de icircngheţare este mică
Figura 44 Fig 54 Instalaţia frigorifică cu răcire directă icircn circuit icircnchis 1 - compresor 2 - condensator 3 - ventil de laminare 4 - sonde de icircngheţare
Sondele de icircngheţare constituie vaporizatorul instalaţiei frigorifice Icircn cazul unor sonde de lungime mare icircnălţimea coloanei de agent frigorific este de asemenea mare Ca urmare a presiunii hidrostatice variabile şi temperatura de vaporizare este variabilă fiind mai mare
1
2
1111111 Apă
3
4
1
2
Apă 3
4
5
6
7
8
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
38
la capătul inferior şi mai mică la capătul superior Din acest motiv adacircncimea sondelor de icircngheţare nu poate depăşi anumite limite şi icircn plus se recurge la fragmentarea coloanei de lichid cu ajutorul unor pereţi despărţitori
Pierderile de agent frigorific mai mari decacirct icircn cazul răcirii indirecte reprezintă un alt inconvenient al acestui mod de răcire
c) Răcirea directă icircn circuit deschis constă icircn introducerea agentului frigorific (cel mai frecvent azot lichid) icircn sondele de icircngheţare fără ca acesta să mai fie folosit după vaporizare
La presiunea atmosferică azotul lichid fierbe la temperatura de -196 ordmC icircncacirct vaporii reci de azot icircnainte de a fi evacuaţi se folosesc de asemenea pentru congelarea solului fiind circulaţi prin sonde de icircngheţare (Fig 55)
Figura 45 Fig 55 Icircngheţarea cu azot lichid icircn două trepte 1 - ventil de laminare 2 - sonda de icircngheţare 3 - sonda de icircngheţare cu vapori de azot
Această metodă se foloseşte cacircnd se urmăreşte o icircngheţare rapidă şi volumul de teren icircngheţat este redus
Se vor prezenta icircn continuare unele elemente constructive ale instalaţiilor de icircngheţare
Reţeaua de saramură (fig 56) are rolul de a asigura transferul de căldură de la sol către agentul frigorific Cuprinde două schimbătoare de căldură cel subteran alcătuit din sondele de icircngheţare şi cel de suprafaţă reprezentat de vaporizatorul imersat icircn saramură Icircntre cele două schimbătoare de căldură există conducte magistrale distribuitoare - colectoare şi racorduri la sonde
Saramura răcită prin intermediul vaporizatorului 1 este circulată cu pompa 2 prin magistrala de tur a reţelei 3 Sondele de icircngheţare 5 se leagă prin vane la distribuitorul 4 şi colectorul 6 ambele de construcţie inelară Printr-o asemenea construcţie şi mod de legare a sondelor prezentate icircn figura 56 se asigură o echilibrare a căderilor de presiune pe sondele de icircngheţare şi ca urmare o alimentare uniformă cu agent intermediar şi deci şi o răcire uniformă pentru toate sondele
1
2
AZOT LICHID
VAPORI
AZOT -40OC
3
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
39
Figura 46 Fig 56 Schema reţelei de saramură 1- vaporizatorul 2 - pompa de saramură 3 - magistrala de tur 4 - distribuitorul inelar 5 -sondele de
icircngheţare 6 - colectorul inelar 7 - magistrale de retur M - manometru D - debitmetru T - termometru
Magistralele 3 şi 7 de acelaşi diametru şi lungime variabilă (determinată de o serie de factori) se pot monta atacirct la suprafaţă cacirct şi icircn canal
Magistralele se dimensionează icircn funcţie de puterea frigorifică a schimbătorului de căldură subteran alcătuit din sondele de icircngheţare
F0 qNHd [W] (51)
unde d - diametrul exterior al sondei de icircngheţare m
H - adacircncimea de icircngheţare m
N - numărul de sonde de icircngheţare
qF - densitatea fluxului termic raportat la suprafaţa exterioară a sondei La temperatura saramurii de - 20 ordmC se poate considera qF = (260290) Wm2
Debitul volumic V de agent intermediar icircn reţeaua de icircngheţare icircn funcţie de care se aleg
pompele se determină cu relaţia
tc
V o
(52)
icircn care este densitatea agentului intermediar kgm3
c - căldura specifică a agentului intermediar JkgK
t - creşterea temperaturii agentului (saramura) icircn sondele de icircngheţare K
La icircnceputul perioadei de răcire diferenţa de temperatură este t = 56 K ca apoi să scadă la 12 K
Icircn conductele magistrale se recomandă ca viteza saramurii să fie w = 0915ms
Icircn acest caz diametrul conductelor de transport a saramurii este dat de relaţia
w
V4D
[m] (53)
Icircn funcţie de valoarea determinată pentru D se aleg conducte metalice de diametru nominal cuprins icircntre 75200 mm Dacă rezultă D gt 200 mm se vor alege două conducte cu diametrul mai mic de 200 mm
2
T
T
M
M D
D
NH
3
3
4
6
5
7
1
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
40
Conductele magistrale se realizează prin icircmbinări cu flanşe sau sudate iar la lungimi mai mari de 100150 m se vor prevedea coturi compensatoare Pentru reducerea pierderilor de frig magistralele vor fi izolate termic
Distribuitorul de saramură răcită şi colectorul de saramură de la sonde sunt construcţii metalice identice
Icircn figura 57 se prezintă modul de racordare a sondelor de icircngheţare 5 la distribuitorul 1 şi colectorul 2 Vanele 3 asigură icircnchiderea deci oprirea circulaţiei şi reglajul debitului Prin aceste vane se poate izola o anumită sondă care nu funcţionează normal sau la care se observă o anumită defecţiune
Figura 47 Fig 57 Racordarea sondelor de icircngheţare la distribuitor şi colector 1 - distribuitor 2 - colector 3 - vane 4 - racord elastic 5 - sonda de icircngheţare
Poziţia distribuitorului şi colectorului faţă de racircndul sondelor de icircngheţare poate fi laterală de o singură parte sau laterală de ambele părţi ale sondelor Amplasamentul trebuie astfel făcut icircncacirct să fie posibilă vizitarea supravegherea şi eventual icircnlocuirea sondelor de icircngheţare
Racordarea sondelor la distribuitor şi colector se face prin cacircte un racord elastic (fig 57) Dimensionarea distribuitoarelor şi a colectoarelor se face din condiţia ca viteza saramurii să nu depăşească 0915 ms
Coloanele de distribuţie şi colectare urmăresc icircn teren forma şirului de sonde de icircngheţare şi pot avea acelaşi traseu sau trasee diferite Configuraţia traseului poate fi icircn linie sau circulară Icircn oricare din situaţiile prezentate distanţele dintre ştuţurile de racord şi sondele de icircngheţare sunt variabile astfel icircncacirct racordurile rigide prin flanşe şi sudură sunt greu de realizat Cea mai practică soluţie de racord icircn acest caz este furtunul de cauciuc (fig 57)
Icircn reţeaua de saramură poate pătrunde aer prin procesul de pompare ceea ce conduce la intensificarea acţiunii corosive a saramurii Icircn scopul icircndepărtării aerului nedorit pe partea superioară a conductelor icircn punctele cele mai ridicate ale acestora se montează robineţi de evacuare periodică a aerului şi eventual a altor gaze
Pe conductele magistrale se vor monta aparate de măsură şi control debitmetre termometre şi manometre (fig 56) Icircn acest caz se poate aprecia funcţionarea fiecărei sonde după depunerile exterioare de gheaţă pe racordul metalic sau de cauciuc lăsate neizolate termic tocmai icircn acest scop Icircn scopul urmăririi regimului de lucru sub aspect
5
4
1
2 3
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
41
hidraulic şi termic icircn mod individual se pot monta aparate de măsură şi control pe fiecare sondă de icircngheţare dar această soluţie este mai costisitoare
Sonda de icircngheţare realizează transferul de căldură de la terenul ce urmează a fi icircngheţat spre agentul frigorific (la răcirea directă) sau agentul intermediar (la răcirea indirectă)
Icircn figura 51 s-a prezentat schema de principiu a unei sonde de icircngheţare cu saramură activă pe toată lungimea Conducta exterioară sau burlanul de icircngheţare 3 este o conductă din oţel etanşă şi rezistentă la eforturile mecanice care apar datorită presiunii solului şi variaţiei de temperatură icircntre momentul fixării ei icircn sol şi cel al funcţionării la o temperatura sub 00C
Icircn procesul de icircngheţare coloana de burlane care poate atinge lungimi de sute de metri se contractă icircnsă nu liber deoarece ea este stracircnsă icircn masivul de roci La o variaţie de temperatură icircntre momentul iniţial (fără saramură) şi momentul pornirii circulaţiei de saramură de 400C conducta din oţel de 500 m adacircncime ar trebui să se contracte cu
tHH = 500 11 10-6 40 = 0220 m = 22 cm
Datorită fixării coloanei icircn gaura forată efortul unitar de icircntindere ce apare icircn urma scăderii temperaturii este
tE = 22 1010 11 10-10 40 = 968 105 Nm2 = 9680 Ncm2
La acest efort de icircntindere apărut datorită contracţiei coloanei se mai adaugă efortul de acelaşi semn provocat de dilatarea masivului de rocă acviferă icircngheţată Icircn scopul compensării eforturilor de icircntindere s-a propus icircmbinarea coloanei cu nipluri elastice O asemenea soluţie este mai scumpă şi icircn plus micşorează secţiunea liberă de curgere ceea ce conduce la icircncălzirea excedentară a saramurii
La lucrări subterane de mare adacircncime ca puţurile de mină depozite subterane se folosesc burlane de 1397 x 7 mm pentru a fi posibilă determinarea abaterii de la poziţie verticală
La tunelurile de metrou şi icircn general la lucrările la care adacircncimea de icircngheţare nu depăşeşte 50 - 60 m diametrul cel mai frecvent utilizat este 1143 x 7 mm
Ţeava interioară 2 (fig 51) numită şi tub de alimentare de regulă ţeava uşoară de instalaţii de 50 mm diametrul se introduce icircn burlanul exterior 3 fără icircnsă a atinge şiul de bază 1 al sondei Se asigură icircn acest mod un volum minimal de depuneri solide care circulă cu saramura icircn mod incidental Icircn scopul economisirii de metal tubul de alimentare poate fi din material plastic ceea ce prezintă marele avantaj al lipsei coroziunii şi al refolosirii materialului respectiv
Şiul de fund are rolul de a asigura icircnchiderea burlanului exterior icircn partea sa inferioară Cel mai adesea are formă conică pentru a asigura introducerea cu uşurinţă a coloanei metalice icircn gaura de sondă Această componentă a sondei de icircngheţare se execută fie prin turnare sau se confecţionează cu ajutorul sudurii
Corespunzător profilului geologic al terenului icircn care se lucrează se icircntacirclnesc şi cazuri cacircnd nu este nevoie să se icircngheţe terenul pe toată icircnălţimea sondelor ci numai la partea lor inferioară Icircn acest caz se folosesc sonde de icircngheţare zonală (fig 58) cu ajutorul cărora se asigură congelarea doar a zonei inferioare ceea ce prezintă avantaje economice deosebite nu se consumă energie pentru a icircngheţa icircn mod inutil formaţiuni geologice consistente şi uscate şi nu se reduce ritmul lucrărilor de săpare printr-o eventuală mărire a rezistenţei rocilor
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
42
Figura 48 Fig 58 Sonda de icircngheţare zonală
1 - burlan exterior 2 - tub de alimentare 3 - şiu 4 - tub de evacuare
Figura 49 Fig59 - Sonda de icircngheţare cu agent
frigorific 1 - tub exterior 2 - perete despărţitor 3 - şiu 4 -
ştuţ (ţeavă de preaplin) 5 - condensator - vaporizator
Icircn cazul răcirii directe sondele de icircngheţare cu agent frigorific sunt de construcţie specială (fig 59) Particularitatea acestor sonde este prezenţa pereţilor despărţitori 2 dispuşi unul sub celălalt la circa 3 m fiecare perete fiind prevăzut cu un ştuţ de preaplin O asemenea construcţie are rolul de a fracţiona coloane de lichid ceea ce asigură o răcire mai uniformă pe lungimea sondei
Fiecare sondă este prevăzută la partea superioară cu cacircte o cămaşă de răcire Sondele se umplu cu amoniac lichid icircntr-o asemenea cantitate icircncacirct fiecare secţie să fie icircnecată cu lichid respectiv pacircnă la partea superioară a ştuţurilor 4 Ca urmare a fluxurilor de căldură de la sol se produce fierberea amoniacului icircn toate secţiile sondei Vaporii formaţi se ridică prin ştuţurile 4 şi ajungacircnd la partea superioară a sondei se condensează cedacircnd căldură agentului (amoniac) din cămăşile de răcire
Ca urmare cămăşile de răcire de la partea superioară a sondelor constituie vaporizatorul instalaţiei frigorifice Amoniacul care se condensează la partea superioară a sondei curge icircnapoi (de sus icircn jos) prin ştuţurile 4 Folosirea pereţilor despărţitori şi a ştuţurilor micşorează influenţa presiunii hidrostatice a lichidului asupra temperaturii de vaporizare a amoniacului Asemenea sonde de icircngheţare se folosesc pentru lucrări de mică adacircncime
Amplasarea sondelor se face icircn funcţie de o serie de factori formă poziţia şi dimensiunile lucrării care se realizează structura terenului temperatura şi viteza agentului etc
Icircn cazul puţurilor de mină de secţiune circulară sondele se amplasează pe un cerc
concentric de diametru D mai mare decacirct diametrul de săpare Ds cu grosimea a peretelui icircngheţat
sDD (54)
Trebuie să se ţină seama şi de deviaţia sondelor de la poziţia verticală icircncacirct pentru adacircncimi mari se utilizează relaţia
3
2 4
1
VAPORI 5 LICHID
3
2
4 1
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
43
a21DD s (55)
unde a = 003 H este abaterea medie statistică de la verticală a sondelor
Distanţa dintre sonde se ia de obicei de 1014 m icircn terenuri rezistente şi de 0809 m icircn terenuri slabe
Pentru adacircncimi de peste 500 m se recomandă să se dispună sondele pe două cercuri concentrice pentru a se forma un perete de grosime mai mare şi deci mai rezistent
La icircngheţarea terenului icircn jurul puţurilor de secţiune dreptunghiulară sondele se pot dispune pe dreptunghi sau elipsă Icircn aceste situaţii centura de teren icircngheţat poate fi solicitată la icircntindere ceea ce este de nedorit deoarece limita de rezistenţa la icircntindere a terenurilor icircngheţate este de circa 3 ori mai mică decacirct limita rezistenţei la compresiune Din acest motiv chiar şi la puţurile de mină de secţiune dreptunghiulară sondele se dispun pe unul sau două cercuri (fig 510)
Pentru realizarea galeriilor icircnclinate icircngheţarea terenului se realizează cu sonde verticale (fig 511) sau combinat atacirct cu sonde verticale cacirct şi cu sonde icircnclinate (fig 512)
Distanţa dintre sondele verticale (fig 511) se ia de 23 m iar distanţa dintre racircnduri este de 1525 m
Se poate folosi cacircte un racircnd de sonde icircnclinate montate deasupra galeriei (fig 212 a) sau sonde icircnclinate sub galerie şi sonde verticale scurte deasupra galeriei (fig 512 b)
SONDA
154 m
16
6 m
226
262
85
SONDA
Figura 411 Fig 511 Amplasarea sondelor verticale pentru realizarea galeriei icircnclinate
Figura 411 Fig 510 Dispunerea sondelor icircn jurul puţurilor de mină de secţiune
dreptunghiulară
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
44
Figura 412 Fig 512 Realizarea galeriilor icircnclinate cu sonde verticale (1) şi sonde oblice (2)
I - secţiunea longitudinală II - secţiunea transversală a) sonde icircnclinate deasupra galeriei b) sonde icircnclinate sub galerie
413 513 UTILIZAREA METODEI DE IcircNGHEŢARE A SOLULUI IcircN ŢARA NOASTRĂ
a)Puţuri de mină
Aplicarea metodei de icircngheţare a solului pentru lucrări de minerit a avut loc la noi icircn ţară icircncepacircnd cu anul 1960 la puţul Godeni din bazinul carbonifer Cacircmpulung - Muscel Proiectul a fost elaborat icircn anul 1959 la IPROMIN Bucureşti iar lucrarea a fost executată cu Trustul Minier Argeş avacircnd icircn subantrepriză de specialitate Icircntreprinderea Frigotehnica Bucureşti şi Trustul de prospecţiuni explorări şi deschideri de mine noi Bucureşti
Adacircncimea de săpare a puţului Godeni a trebuit sa fie de 202 m Sondele de icircngheţare constituite din două ţevi concentrice (fig 51) cu diametrele exterioare de 146 mm şi respectiv 57 mm icircn număr de 27 au fost amplasate pe un cerc cu diametrul de 10 m la distanţa de 117 m una de alta
Instalaţia frigorifică a fost dimensionată cu mare precauţie pentru a avea o siguranţă mărită icircn funcţionarea ei Toate părţile componente ale instalaţiei frigorifice au fost proiectate şi executate icircn ţară
La proiectarea instalaţiei s-a avut icircn vedere funcţionarea de scurtă durată şi variaţia puterii frigorifice icircn timp S-a utilizat răcirea indirectă cu soluţie de clorură de calciu iar ca agent frigorific a fost folosit amoniacul Pentru a avea elasticitatea necesară icircn funcţionare la diferite puteri frigorifice au fost folosite grupuri de utilaje frigorifice şi anume
6 compresoare 4 AU - 20 (200000 kcal Nh =233 kW fiecare)
3 baterii de condensatoare atmosferice a cacircte 300 m2 (900 m2)
bazine pentru răcirea saramurii fiecare cu cacircte 2 vaporizatoare superintensive de 50 m2 (600 m2)
2 grupuri a cacircte 5 pompe pentru recircularea saramurii
Puterea frigorifică a instalaţiei montate a fost de 12106 kcal Nh =1395 kW şi s-a caracterizat prin următoarele date tehnice la exploatare
85
1
2
I 85
1
2
I
85
1
2
II
85
1
2 II
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
45
o suprafaţa de schimb de căldură a sondelor 2500 m2 o puterea instalaţiei 750 kW o debitul saramurii icircn
o icircn perioada activă 350 m3h o icircn perioada pasivă 70 m3h
o viteza de circulaţie a saramurii icircn sondă o tur 18 ms 036 ms o retur 029 ms 006 ms
o volumul rocilor icircngheţate circa 10000 m3 o consumul specific de frig mediu 50000 m3 o durata icircngheţării (perioada activă) 130 zile
Icircn timpul răcirii şi deci a icircngheţării solului puterea frigorifică scade icircn mod continuu icircncacirct treptat s-a scos din funcţiune cacircte un compresor icircn perioada pasivă (de săpare a puţului) s-a menţinut icircn lucru doar un singur compresor şi grupul de utilaje aferent
După terminarea lucrărilor de la puţul Godeni icircn anii următori aceeaşi instalaţie s-a montat la puţul Poenari din acelaşi bazin carbonifer unde sondele au fost amplasate pe un cerc cu diametrul de 11 m la distanţa de 128 m una de alta
Un alt puţ realizat prin această tehnologie de icircngheţare a solului a fost puţul Jugur de la acelaşi bazin carbonifer Centrala frigorifică a cuprins 15 compresoare 3 AV - 20 (150000 kcal Nh fiecare=175kW) repartizate icircn 5 linii tehnologice independente cu icircntreg utilajul aferent Fiecare linie este compusă din
o butelie de răcire intermediară BRI - 700 un condensator cu evaporare forţată CEF - 180 un bazin cu patru grupuri vaporizatoare intensive de cacircte 165 m2 (icircn total 66 m2)
Sondele de icircngheţare icircn număr de 27 bucăţi au fost prevăzute să se amplaseze pe un cerc cu diametrul de 104 m la distanţă de 121 m Sondele sunt de tipul celei indicată icircn figura 58 deci cu răcire zonală avacircnd următoarele caracteristici diametrul exterior al burlanului este de 146 mm iar tuburile interioare au 57 mm (la exterior) tubul de alimentare are lungimea de 430 m iar cel de evacuare este de 220 m Ca urmare sondele de icircngheţare trebuie să producă icircngheţarea solului numai pe adacircncimea de la 220 m la 430 m Prin proiect s-au prevăzut următoarele date temperatura saramurii - 35 ordmC viteza saramurii icircn conducte de tur 18 ms viteza icircn conducte de retur (pe adacircncimea de răcit) 06 ms durata icircngheţării (perioada activă) a fost de 75 zile
Au fost prevăzute temperaturi scăzute şi viteze mari de congelare deoarece cilindrul icircngheţat trebuie să preia presiuni de pacircnă la 56 bar
b)Tunelurile pentru metroul din Bucureşti
Icircncepacircnd cu anul 1976 pentru realizarea metroului din Bucureşti s-a procedat la aplicarea metodei de icircngheţare a solului icircntr-o zonă considerată experimentală dar cu realizări efective de galerii
Prin proiect s-a prevăzut consolidarea prin icircngheţare artificială a profilului de săpare a tunelurilor de metrou pe o lungime de circa 550 m pe ambele fire Amplasamentul sondelor s-a făcut icircn două variante (pentru experimentare) pentru un fir de tunel ambele racircnduri de sonde s-au fixat icircn profilul circular de săpare iar pentru cel de al doilea fir de tunel sondele au fost forate icircn afara profilului de icircnaintare (fig 513) Au fost folosite sonde cu saramură cu posibilitatea de icircngheţare pe toată icircnălţimea de 16 m cacirct şi sonde cu icircngheţare zonală icircntre adacircncimile de 7 m şi 16 m Distanţa dintre sonde a fost fixată la 14 m
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
46
Pentru a se icircmpiedica accesul apelor icircn frontul de săpare datorate unor eventuale zone neicircngheţate traseul de tunel icircngheţat a fost icircmpărţit icircn incinte icircnchise prin timpane transversale La distanţe de 3050 m icircn lungul traseului au fost montate sonde de icircngheţare aşezate icircn plan normal pe axul tunelului prin care să se icircnchidă accesul apelor spre frontul de săpare
Echipamentul frigorific principal cuprinde
- 8 compresoare frigorifice 3 AV - 20 funcţionacircnd icircntr-o treaptă pentru care
corespunde puterea frigorifică de 12 106 kcal Nh =1395 kW
- 4 condensatoare de evaporare forţată CEF - 250
- 3 bazine de răcire a saramurii echipate cu cacircte 4 grupuri de vaporizatoare superintensive de cacircte 51 m2 (total 612 m2)
- 3 grupuri de cacircte 2 pompe a 220 m3h pentru circulaţia saramurii pe traseele de distribuţie şi prin sonde
Figura 413 Fig513 Amplasamentul sondelor de icircngheţare
Centrala frigorifică este stabilă adăpostită icircntr-o baracă metalică demontabilă existacircnd posibilitatea de reamplasare rapidă a instalaţiei icircntr-un alt loc Agentul frigorific utilizat este amoniacul iar agentul intermediar este clorura de calciu
Icircn perioada principală de icircngheţare temperatura de vaporizare este to = -22 ordmC asiguracircnd răcirea saramurii la -17 ordmC iar pe retur saramura a avut temperatura cu 15 ordmC mai ridicată
La o asemenea lucrare realizată icircn oraş se impune protejarea contra icircngheţului a straturilor de deasupra galeriilor icircn care sunt amplasate instalaţiile de apă - canal ceea ce presupune folosirea sondelor cu icircngheţare zonală care să nu fie active la partea superioară
c) Puţuri pentru prospectarea balastierelor
Procedeul şi instalaţia frigorifică au avut caracter de noutate şi s-a aplicat icircncepacircnd cu anul 1966 la mai multe obiective icircn general pe văile racircurilor unde s-au construit hidrocentrale
A
A B
B
A-A
000 -300 -700 -1061 -1300
65
800
B-B
000 -300 -700 -1061 -1300
65
550
ARGILA
ARGILA
NISIP
NISIP
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
47
Echipamentul frigorific principal cuprinde un agregat frigorific pentru amoniac de 20000 kcal Nh = 233 kW rezervor de amoniac separator de lichid şi anexe - toate fiind montate pe o remorcă
S-au folosit sonde de icircngheţare cu agent frigorific icircn număr de 8 bucăţi cu diametrul exterior de 133 mm montate pe un cerc cu diametrul de 2 m la distanţa de 076 m lungimea lor fiind de 75 m Legarea sondelor la distribuitor şi colector s-a făcut cu racorduri flexibile
Sondele au o construcţie specială fiind prevăzute cu 4 pereţi transversali cu ştuţuri de preaplin formacircndu-se astfel 5 compartimente Agentul lichid se introduce icircn compartimentul cel mai de sus şi se scurge prin ştuţuri pacircnă la baza sondei Conducta de aspiraţie străbate toate compartimentele vaporii fiind aspiraţi din compartimentul cel mai de jos Circulaţia vaporilor formaţi se face ca şi a lichidului de sus icircn jos obţinacircndu-se astfel o răcire uniformă şi eficientă pe toată icircnălţimea sondei
Durata icircngheţării respectiv a formării centurii de teren icircngheţat la adăpostul căreia să se poată efectua săparea şi preluarea de probe de sol este de 10 zile
414 514 CAcircMPUL DE TEMPERATURĂ IcircN SOLUL IcircNGHEŢAT
Cacircnd prin sonda de icircngheţare circulă saramură a cărei temperatura este sub 0 ordmC practic - 20 ordmC-25 ordmC icircn jurul sondei se formează un cacircmp termic care icircn cazul unei singure sonde poate fi reprezentat prin suprafeţe cilindrice coaxiale de temperatură constantă (izoterme)
După distanţa radială se deosebesc icircn sol din punct de vedere termic trei zone zona cilindrică din imediata vecinătate a sondei care este icircn zona icircngheţată zona răcită cuprinsă icircntre suprafaţa cilindrică izotermă de 0 ordmC şi izoterma de temperatură naturală şi a treia zonă cea de temperatura naturală (fig 514)
Icircn zona icircngheţată temperatura masivului variază de la temperatura peretelui metalic al sondei pacircnă la 0 ordmC Icircn zona răcită temperatura masivului creşte de la 0 ordmC pacircnă la temperatura naturală a masivului
Figura 414 Fig 514 Cacircmpul de temperatură icircn jurul unei sonde de icircngheţare
Este important să se cunoască cacircmpul termic icircn terenul supus icircngheţării deoarece acesta oferă date privind zona de răspacircndire a consolidării rocilor prin solidificarea apei cacirct şi a
t [oC]
r [m]
t (r)
ZONA RACITA
ZONA INGHETAT
A
ts TEMPERATURA NATURALA A ROCII
-20
-10
40
10 0 20 30
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
48
rezistenţei mecanice a rocii icircngheţate Se cunoaşte faptul că rezistenţa mecanică depinde direct de temperatură
Studiul variaţiei temperaturii icircn zona de influenţă a unei sonde şi a tuturor sondelor simultan oferă posibilitatea calculării dimensiunilor la proiectarea construcţiei peretelui protector cacirct şi controlul procesului icircn timpul desfăşurării lucrărilor
Pentru a se stabili relaţia de variaţie a temperaturii icircn zona icircngheţată icircn funcţie de raza r se consideră ecuaţia diferenţială
dr
dtr2q (56)
icircn care q este fluxul unitar de căldură corespunzător lungimii de 1 m din sonda de icircngheţare Wm
- conductivitatea termica a terenului Wm
Integrarea directă a ecuaţiei analitice se poate face icircn ipoteze simplificatoare consideracircnd
= const şi q = const ceea ce este justificat la valori mari ale timpului de răcire
Se separa variabilele
r
dr
2
qdt
(57)
Se consideră cunoscute temperaturile t1 la suprafaţa sondei de raza r1 și t2 = 0 ordmC la raza r2 corespunzătoare suprafeţei exterioare a cilindrului icircngheţat Se integrează ecuaţia (6-7) și cunoscacircnd limitele de integrare se va determina constanta de integrare
Cr ln2
qt
(58)
pentru r = r1 t = t1 deci
11 rln2
qtC
(59)
1
1r
rln
2
qtt
(510)
Se pune condiţia ca pentru r = r2 t = t2
1
212
r
rln
2
qtt
(511)
Se elimina q intre relaţiile (510) și (511) şi se obţine
1
2
1121
r
rln
r
rln
tttt (512)
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
49
Figura 415 Fig 515 Schema schimbătorului de căldură subteran
Pentru t2 = 0 ordmC relaţia (5-12) devine
)rrln(
)rrln(tt
12
21 (513)
Icircn figura 515 se prezintă o secţiune axială printr-o sondă de icircngheţare şi variaţia temperaturii icircn limitele t0 - temperatura agentului de răcire şi ts - temperatura naturală a solului
Cantitatea de căldură transferată de la masivul neicircngheţat spre agentul de răcire prin unitatea de lungimea de conducta şi unitatea de timp se calculează cu expresia
221
2
1o
1
moo
os
d
1
d
dln
1
d
dln
2
1
d
1
ttq
(514)
Icircn calculele inginereşti cel mai frecvent se determină nu fluxul termic pe unitatea de lungime a conductei ci fluxul termic qF raportat la unitatea de suprafaţă a conductei metalice la 1 m2 de suprafaţa exterioară sau interioară Mărimea qF se calculează astfel
22
o
1
2
1
o
o
1
m
o
o
oS
o
F
d
d
d
dln
2
d
d
dln
2
d1
tt
d
(515)
Fluxul termic qF prin unitatea de suprafaţă a sondei de icircngheţare calculat pentru adacircncimea de 100 m icircn regim laminar de curgere a agentului de răcire prin spaţiul inelar al sondei cu viteza w = 01 ms la diametre ale cilindrului de rocă icircngheţata
de la 02 la 3 m pentru to = -20 ordmC do = 01 m 1 = 233 WmK variază de la 720 la 230 Wm2 aşa cum se poate observa din figura 516 şi tabelul 51
d2
d1
d0
t
qF
t0
t2
t1 2
m 1
m
ts
Conducta Teren icircngheţat Teren
neicircngheţat
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
50
Figura 416 Fig 516 Variaţia fluxului termic qF prin unitatea de suprafaţă a sondei de icircngheţare 1 - regim turbulent 2 regim laminar
Tabelul 51Variaţia fluxului termic qF [Wm2]
Diametrul cilindrului de rocă icircngheţată icircn m
02 04 05 08 10 15 20
qF regim laminar 1160 550 387 330 302
qF regim laminar 720 465 423 350 321 283 258
Se observă ca densitatea fluxului de căldura qF scade foarte mult de la 800900 Wm2 la icircnceputul operaţiei de consolidare prin frig a rocilor pacircnă la 230250 Wm2 cacircnd cilindrul de rocă icircngheţata atinge diametrul de 23 m Ca urmare a acestei situaţii şi puterea frigorifică a instalaţiei va scădea icircn decursul a 6080 zile tot cu raportul de 800230 = 35
Instalaţia frigorifică va fi constituită din grupuri de utilaje (module) ce vor fi scoase treptat din funcţiune pe măsură ce se reduce densitatea fluxului de căldură qF ca urmare a creşterii grosimii stratului de teren icircngheţat Icircn practică pentru calcule se va considera qF = (260290) Wm2
O mărime importanta pentru proiectarea instalaţiei şi aprecierea procesului de consolidare a rocilor este timpul de icircngheţare Pentru calculul duratei de icircngheţare se pot folosi relaţiile prezentate icircn capitolul 3 la formarea gheţii pe suprafeţe cilindrice exterioare La aprecierea valorii pentru ls - căldura latentă de solidificare se avea icircn vedere conţinutul de apă din terenul supus icircngheţării
Dacă icircntre relaţiile pentru dependenţele (r) şi qF(r) se elimină r se obţine dependenţa
qF() Eliminarea nu se poate face direct ci fie cu ajutorul calculatorului fie printr-o construcţie grafică prezentată icircn figura 517
Studiul variaţiei temperaturii icircn solul icircngheţat cacirct și variaţia icircn timp a densităţii fluxului de căldura se poate face cu ajutorul calculatorului electronic
1200
1000
800
600
400
200
0 05 1 15 2 25 3
qF [Wm2]
Diametrul cilindrului de rocă icircngheţată [m]
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
51
Figura 417 Fig 517 Stabilirea dependentei qF() pe baza dependentelor qF(r) și (r)
415 515 ELEMENTE DE PROIECTARE A INSTALAŢIEI FRIGORIFICE PENTRU IcircNGHEŢAREA SOLULUI
Pentru proiectarea instalaţiei frigorifice trebuie sa se stabilească la icircnceput elementele de baza și anume
- puterea frigorifică maximă care apare la icircnceputul perioadei de răcire cacircnd pătrunderile de căldura spre agentul de răcire din sondele de icircngheţare au valori mai mari temperatura de vaporizare a agentului frigorific plecacircnd de la temperatura minimă sau medie din solul icircngheţat şi avacircnd icircn vedere modul de răcire directă sau indirectă
Se calculează cantitatea totală de căldură ce trebuie extrasă din terenul supus răcirii şi icircngheţării Se cunoaşte structura terenului icircngheţat deci se cunosc icircnălţimile h1 h2hn ale diferitelor straturi componente cacirct şi proprietăţile termofizice ale acestora
Grosimea centurii de teren icircngheţat se stabileşte icircn urma calculelor de rezistenţa materialelor icircncacirct se pot calcula volumele ocupate de straturile componente V1 V2Vn
Cantitatea de căldură ce trebuie extrasă din zona icircngheţată cuprinde două componente și anume
cantitatea de căldura Qa corespunzătoare răcirii şi icircngheţării apei
cantitatea de căldura Qt necesara răcirii părţii solide a terenului
n
1kfgsikaakka tcltcVQ (516)
unde
k - reprezintă conţinutul icircn apă din stratul respectiv [m3m3]
a - densitatea apei [kgm3]
ca cg - căldura specifica a apei respectiv a gheţii Jkg K
tik - temperatura iniţiala a stratului respectiv (de ordinul k)
tf - temperatura medie finala a masivului icircngheţat
ls - căldura latentă de solidificare a apei
r
q
q
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
52
fik
n
1kkkkkt ttc1VQ
(517)
k - densitatea părţii de teren solid (uscat) din stratul k
ck - căldura specifică a terenului uscat din stratul k
Cantitatea de căldură extrasă din terenul răcit reprezintă circa 1018 din cantitatea de căldură extrasă din zona de teren icircngheţat
Deci cantitatea totală de căldură Q ce va trebui preluată de către instalaţia frigorifică se poate aprecia astfel
Q = (110118) (Qa + Qt) (518)
Cu relaţia (51) se calculează puterea frigorifica a instalaţiei adoptacircnd o valoare medie pentru densitatea fluxului de căldura qF
Se poate aprecia timpul de funcţionare a instalaţiei frigorifice
o
Q
(519)
La anumite grosimi ale cochiliei de teren icircngheţat icircn jurul sondei densitatea fluxului termic scade sub valoarea medie adoptată icircn calcule şi ca urmare icircncepacircnd de la acest moment se va putea reduce treptat puterea frigorifica a instalaţiei prin scoaterea din funcţiune a unor grupuri
La proiectare se pot avea icircn vedere unele recomandări practice pentru stabilirea necesarului de frig pentru icircngheţarea unui m3 la -10 ordmC este necesar un consum specific de frig de 66000 kJ la 10 umiditate de 155000 kJ la 35 umiditate și de 210000 kJ la 50 umiditate
42 52 RĂCIREA BETONULUI LA CONSTRUCŢIILE MASIVE
421 521 INSTALAŢII DE PRERĂCIRE A COMPONENTELOR BETONULUI
Formarea betonului din elementele sale componente (nisip pietriş ciment şi apă) este icircnsoţită de fenomene fizico - chimice icircn care se degajă căldură şi ca urmare temperatura acestuia creşte Icircn cazul unor masive din beton (baraje) dacă viteza de turnare (icircn sezonul cald cacircnd se efectuază construcţia) este mai mare şi nu se asigura evacuarea căldurii corpul rezultă la o temperatura medie mai mare decacirct temperatura medie anuală Răcirea naturală conduce la contracţia masivului şi ca urmare la apariţia sub acţiunea tensiunilor interne a unor fisuri
Pentru ca variaţiile de temperatura icircntre centrul barajului şi straturile exterioare să fie cacirct mai mici se impune ca masivul respectiv să fie turnat la temperatura medie anuală a zonei respective Icircn acest scop se pot folosi două metode prin prerăcirea componentelor betonului și prin răcirea masei barajului
Icircn vederea reducerii căldurii degajată icircn reacţia dintre ciment şi apă au fost realizate sortimente de ciment caracterizate prin călduri masice reduse ce se degajă icircn procesul de priză
Prin prerăcirea componentelor betonului se urmăreşte ca betonul sa aibă temperatura medie a locului de amplasament şi prin aceasta evitarea apariţiei unor diferenţe mari de temperatură ce pun icircn pericol construcţia
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
53
Icircn funcţie de valoarea diferenţei de temperatură care trebuie realizată se poate adopta o anumită schemă de răcire pentru fiecare component icircn parte sau numai pentru unele din aceste părţi componente
Se pot folosi instalaţii frigorifice cu comprimare mecanică de vapori pentru răcirea apei a aerului sau formarea gheţii mărunte utilizate la prerăcirea componentelor betonului Folosirea gheţii fulgi sau solzi este limitată atacirct din cauza conţinutului de apă impus cacirct şi ca urmare a pericolului ca gheaţa să nu se topească icircn procesul de malaxare ci la turnare sau icircn procesul de priză ceea ce duce la formarea de goluri icircn beton
De asemenea se pot folosi instalaţiile frigorifice cu ejecţie
Icircn vederea stabilirii necesarului de frig pentru preratildecirea componentelor betonului se calculează mai icircntacirci cantitatea de catildelduratilde Qo1 ce trebuie evacuatatilde dintr-un m3 de beton avacircndu-se icircn vedere proporţiile icircn care participatilde cimentul nisipul pietrişul şi apa Fiecare component are o temperatură iniţialatilde şi urmeazatilde a fi răcit pacircnatilde la o temperatura finalatilde tf aceeaşi pentru toţi componenţii
fpppfnnnfccc1o ttcmttcmttcmQ
fnaanfpaapfaaa ttcmttcmttcm Jm3 (520)
unde
mc mn mp ma - masele de ciment nisip pietriş şi apă conţinute icircntr-un m3 de beton [kgm3]
cc cn cp cw - căldurile specifice masice ale cimentului nisipului pietrişului şi nisipul dintr-un m3 de beton [kgm3]
Puterea frigorifică se determină cu relaţia
3b1oo 10VQ [kW] (521)
icircn care bV reprezintă fluxul de betonare icircn m3s
Se prezintă icircn continuare cele mai folosite metode de prerăcire a componentelor betonului
4211 a) Instalaţie de prerăcire cu apă
Staţia de preparare a betonului este deservită de o instalaţie frigorifică cu comprimare mecanică de vapori care asigură răcirea apei
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
54
Figura 418 Fig 518 Schema de lucru a instalaţiei de prerăcire a betonului cu ajutorul apei 1 - ciment 2 - vagon nisip 3 - vagon pietris 4 - tancuri de răcire a pietrişului 5 - sită 6 - siloz de
nisip 7 - siloz de ciment 8 - rezervor de distribuţie 9 - răcitor de nisip 10 - răcitor de ciment 11 - răcitor de apă 12 - rezervor de apă răcită 13 - răcitor de apă 14 - instalaţie de prepararea betonului
I II III IV V - fazele de răcire a pietrişului
Icircn figura 518 se prezintă schema de lucru a unei asemenea instalaţii de prerăcire a betonului cu ajutorul apei folosită la construcţia barajului de la Detroit (SUA) Apa este răcită de la 16 la 15 ordmC şi transmisă apoi la instalaţia de preparare a betonului şi icircn cinci rezervoare a cacircte 90 m3 fiecare icircn care se răceşte pietrişul
Procesul de răcire a pietrişului cuprinde cinci faze
- faza I - introducerea apei icircn rezervor 10 minute
- fazele II şi III - introducerea simultană a apei şi a pietrişului 50 minute
- faza IV - evacuarea apei 15 minute
- faza V - evacuarea pietrişului 15 minute
Icircntregul proces de răcire a pietrişului durează 90 minute Pentru răcirea cimentului şi nisipului se utilizează schimbătoare de căldură cu ax elicoidal la care apa de răcire circulă prin arborele gol şi prin manta
Rezervoarele 12 pentru apa răcită au fiecare volumul de 114 m3
Beton 635oC
190 m3h
65oC
24oC
18oC
1
2
3
4
5
6
7
8
10
9
11
12
13
14
Apă 16oC
15oC
Cim
en
t
26 l
h
Nis
ip 1
12
lh
10
oC
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
55
42111 Aplicaţie numerică
Să se calculeze puterea frigorifică necesară prerăcirii betonului prin metode şi condiţiile prezentate mai sus Se cunosc următoarele date de calcul
mp = 1700 kgm3 beton
mc = 135 kgm3 beton
mn = 590 kgm3 beton
ma = 60 kgm3 beton
cc = cn = cp = 921 Jkg K
ca = 4180 Jkg K
map = 16 kgm3 beton
man = 38 kgm3 beton
tp = 18 ordmC
tc = 66 ordmC
tn = 21 ordmC tf = 635 ordmC
052803000
190Vb m3s
Se calculează componentele cantităţii de căldură Q01
3fcccc 10741735666921135ttcmQ Jm3
3fnnnn 10796135621921590ttcmQ Jm3
3fpppp 1024018356189211700ttcmQ Jm3
3faaaa 10420235616418060ttcmQ Jm3
3fpaapap 1077935618418016ttcmQ Jm3
3fnaaan 10232735621418038ttcmQ Jm3
Rezulta
3anapapnc1o 1039144QQQQQQQ Jm3
3o 10 206705280103914410VQ 33
b1o kW
4212 b) Instalaţii de prerăcire cu aer apă
Pentru răcirea componentelor betonului se utilizează icircn acest caz fie apa fie aerul ca agenţi intermediari răciţi cu ajutorul instalaţiilor frigorifice
Icircn figura 519 se prezintă schema unei asemenea instalaţii folosită la construcţia barajului de la Sariyar din Turcia
Răcirea aerului se poate face fie direct prin vaporizarea unui agent frigorific fie indirect cu un agent intermediar de răcire ca de exemplu saramura de clorură de calciu Aerul răcit pacircnă la -6 ordmC este suflat icircn silozurile cu pietriş de dimensiuni icircntre 4150 mm
Apa răcită icircn bazinul la pacircnă la 05 ordm este trimisă din colectorul 12 la staţia de preparare a betonului servind la scăderea temperaturii acestuia
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
56
Figura 419 Fig 519 Schema instalaţiei de prerăcire a betonului cu aer şi apă 1 - compresor 2 - condensator 3 - ventile de laminare 4 - vaporizatoare 5 - bazin de răcire a
saramurii 6 - pompă de saramură 7 - răcitor umed de aer 8 - ventilatoare 9 - silozuri de pietriş 10 - bazin de răcire a apei 11 - pompă 12 - colector de apă răcită
Figura 420 Fig 520 Schema instalaţiei de prerăcire cu aer şi apă 1 - siloz de pietriş şi nisip 2 - siloz de ciment 3 rezervor de apă 4 - răcitor de aer 5 - răcitor de apă
4 - răcitor de apă 6 - buncăr de sortare 7 - instalaţie de preparare beton
Pentru intensificarea procesului de răcire a pietrişului aerul este răcit sub 0 ordmC Acest procedeu are avantajul unei funcţionări fără icircntrerupere a procesului de preparare a betonului dar prezintă şi o serie de dezavantaje debite foarte mari de aer de răcire posibilitatea antrenării particulelor fine de agregat icircn răcitorul de aer şi depunerea acestora pe suprafaţa de schimb de căldură Ca urmare instalaţia se va curăţa la circa 14 zile Icircn figura 520 se prezintă o altă schemă de instalaţie de prerăcire a betonului cu aer şi apă folosită la construcţia unui baraj din India
Apă
295oC
Ciment
433oC
Pietriş şi nisip
378oC
Apă 6oC
Ciment 433oC
Aer
Pietriş
45oC Nisip 222oC
22oC
Ap
ă
45
oC
Ap
ă 2
2o
C
Ae
r 5
5o
C
Be
ton
12
8o
C
Apă 22oC
2
1
3 4 5
8
9
5 7
12
1oC
11
05oC 9oC 9oC
-9oC
-10oC -10oC
-10oC 2oC
6oC
10 4 4 6
8 8
8
8 8
9 9 9 9
1
2
3 3
7
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
57
Pietrişul şi nisipul se separă icircntre ele icircn buncărul de sortare 6 şi apoi fiecare circulă pe cacircte o bandă transportoare prin camera de răcire 7 Pietrişul este răcit cu ajutorul apei
Fig
ura
42
1 F
ig 5
21
Sc
he
ma
in
sta
laţi
ei
de
ră
cir
e icirc
n v
id a
co
mp
on
en
telo
r b
eto
nu
lui
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
58
reci icircncacirct ajunge la o temperatură mai scăzută decacirct nisipul răcit cu aer Prin camera 7 se circulă şi aer rece care se introduce la temperatura de 55 ordmC Cimentul se introduce la instalaţia de preparare a betonului 9 fără a fi răcit
O altă posibilitate de prerăcire a agregatelor (pietriş şi nisip) şi a apei utilizată mai recent la construirea barajelor icircntrebuinţează răcirea icircn vid la care agregatele uşor umezite icircn recipiente sub presiune se răcesc după nevoie (prin reglarea vacuumului) la o temperatură mai scăzută sau mai ridicată Căldura necesară evaporării umidităţii de pe agregate şi din ele (apa legată) este luată chiar de la corpurile respective (pietriş nisip) şi ca urmare acestea se răcesc
O asemenea instalaţie utilizată la Hortwell icircn SUA (figura 521) cuprinde 3 recipienţi de cacircte 150 m3 pentru răcirea pietrişului şi 3 recipienţi de cacircte 80 m3 pentru răcirea nisipului
Pietrişul şi nisipul cu temperatura maximă de 43 ordmC se pot răci pacircnă la temperatura necesară de 45 ordmC Pentru realizarea vidului necesar se folosesc două cazane de abur care produc 77 th fiecare
422 522 RĂCIREA INTERIOARĂ A MASIVULUI DE BETON
Prerăcirea betonului se recomandă icircn condiţiile unei zone tropicale sau temperate de amplasare a construcţiei masive nu se recomandă icircn cazul amplasării barajului icircn munţi unde temperatura aerului este scăzută Icircn asemenea situaţii se recomandă răcirea betonului prin conducte amplasate icircn masiv prin care circulă apă rece
La răcirea interioară cu conducte montate icircn beton are loc o eliminarea a căldurii simultan cu producerea ei icircn procesul de priză producacircndu-se şi o răcire pacircnă la temperatura necesară Pentru răcire se folosesc conducte de oţel cu diametre de 1525 mm montate la distanţe de 1223 m icircn plan orizontal şi de 153 m icircn plan vertical Lungimea conductelor icircntr-un m3 de beton este de 0204 şi a fiecărei serpentine de 140250 m
Debitul apei de răcire ce circulă prin 1 m3 de beton este de (0553) dm3h
Figura 422 Fig 522 Reţea de conducte de răcire a betonului icircn secţiunea unui baraj 1 - galerie pentru măsurători 2 - galerie de conducte de apă de răcire
Serpentinele se montează şi se fixează pe suprafaţă de beton (fig522) Capetele serpentinelor se leagă de o coloană verticală prin mufe metalice sau de cauciuc Diametrul distribuitorului şi al coloanei este cuprins icircntre 150200 mm După montaj aceste conducte se verifică la presiunea de lucru
1 2
Ax
a
ba
raju
lui
Determinarea necesarului de căldură și apă caldă pentru un imobil
18
Dimensiunile casei și a incaperilor sunt afisate icircn tabelul urmator
Incapere Suprafata mp
1 Hol intrare+ Living + Hol 3353
2 Dormitor mare 1804
3 Dromitor mic 12
4 Bucatarie 112
5 Baie mare 48
6 Baie mica 475
7 Camera tehnica 72
Total suprafata 9152
Total perimetru casa 444 m
21 22 Determinarea necesarului de căldură și apă caldă menajeră pentru imobil
Pentru studiul necesarului de flux termic este nevoie sa cunoastem posibilele pierderi de căldura cat si modul de utilizare al acesteia Ecuatia generala a bilantului termic ce se foloseste icircn calcularea fluxului de căldura
Q = Q1+ Q2+ Q3 [W]
Q1- fluxul de căldura pierdut prin transmisie
Q2- fluxul de căldura necesar incalzirii aerului ventilat
Q3- fluxul de căldura necesar prepararii apei calde
Fluxul termic pierdut prin transmisie este distribuit intre elementele constructive ale casei si anume Q11 - pereti Q12 - podea Q13 - tavan Q14 - geamuri
Q1= Q11+ Q12+ Q13+ Q14 [W]
Formula care se utilizeaza icircn calculul pentru fiecare fux termic icircn parte este comuna celor patru elemente
Q1i= Si middot Ki middot (tint - text) [W]
Unde Si - suprafata totala calculata a fiecarui element icircn parte se iau icircn considerare doar elementele care au legatura cu exteriorul [m2] ki - coeficientul global de transfer termic specific fiecarui element icircn parte [Wm2C] tint - temperatura din interiorul imobilului [degC] text - temperatura exterioara Icircn cazul podelei de utilizeaza temperatura solului șisau a pivnitei [degC]
Coeficientul global de transfer termic se calculeaza dupa formula
ki = 120783
120783
120514119842 + sum
120517119842
120524119842+
120783
120514119838119847119843=119842
[Wm2C]
Unde αi = coeficientul de transfer convectiv din interior αi = 8 Wm2C αe = coeficientul de transfer termic convective din exterior αe = 20 Wm2C λi - conductivitatea termica a stratului i pe care il aflam din fisa tehnica am materialului stratului respectiv [WmmiddotK] δi- grosimea stratului I [m]
Temperatura ce trebuie mentinuta icircn interiorul imobilului este de 22 degC
Coeficentul de convectie termica αi = 8
211 Mers de calcul pentru Q1
Q11 - flux termic pierdut prin pereti
Specificatii perete exeterior
Tencuiala δ 0025 m Grosime
Determinarea necesarului de căldură și apă caldă pentru un imobil
19
interioara λ 093 WmmiddotK Conductivitate termica
Rt 0026882 m2middotKW Rezistenta termica
Zidarie BCA δ 03 m Grosime
λ 014 WmmiddotK Conductivitate termica
Rt 2142857 m2middotKW Rezistenta termica
Tencuioala exterioara
δ 0025 m Grosime
λ 093 WmmiddotK Conductivitate termica
Rt 0026882 m2middotKW Rezistenta termica
Vata bazaltica δ 01 m Grosime
λ 0037 WmmiddotK Conductivitate termica
Rt 2702703 m2middotKW Rezistenta termica
Placa fibrocement
δ 001 m Grosime
λ 02 WmmiddotK Conductivitate termica
Rt 005 m2middotKW Rezistenta termica
Tencuiala decorativa
δ 0005 m Grosime
λ 093 WmmiddotK Conductivitate termica
Rt 0005376 m2middotKW Rezistenta termica
K11 = 1
1
120572119894+
1205751
1205821+
1205752
1205822+
1205753
1205823+
1205754
1205824+
1205755
1205825+
1205756
1205826+
1
120572119890 =
11
8 +
0025
093+
03
014+
0025
093+
01
0037+
001
02+
0005
093+
1
22
K11 = 0194943188 Wm2C
S11 = h middot lp = 3 middot 3901 = 11703 m2
h - inaltimea peretelui [m]
lp - lungimea perimetrala a peretelui [m] (din care s-au scazut suprafetele vitrate)
Δt = ti - te = 22 + 15 = 37degC
ti - temperatura interioara
te - temperatura exterior
Q11 = K11 middot S11 middot Δt = 0194943188 middot 11703 middot 37 = 8441254483 W
Perete exterior
ti 22 degC αi 8 Wm2 k
te -15 degC αe 22 Wm2 k
δ1 0025 m λ1 093 Wmk tp1 2109758812 degC
δ2 03 m λ2 014 Wmk tp2 2090352105 degC
δ3 0025 m λ3 093 Wmk tp3 5433603161 degC
δ4 01 m λ4 0037 Wmk tp4 523953609 degC
δ5 001 m λ5 02 Wmk tp5 -1427207206 degC
δ6 0005 m λ6 093 Wmk tp6 -1463303681 degC
tp7 -1467185023 degC
q 7219295 W
Determinarea necesarului de căldură și apă caldă pentru un imobil
20
Figura 28
Q12 - fluxul termic pierdut prin podea
Specificatii podea
Placa fibrocement
δ 001 m Grosime
λ 02 WmmiddotK Conductivitate termica
Rt 005 m2middotKW Rezistenta termica
Sapa δ 01 m Grosime
λ 0035 WmmiddotK Conductivitate termica
Rt 2857143 m2middotKW Rezistenta termica
Polistiren extrudat
δ 005 m Grosime
λ 0033 WmmiddotK Conductivitate termica
Rt 1515152 m2middotKW Rezistenta termica
K12 = 1
1
120572119894+
1205751
1205821+
1205752
1205822+
1205753
1205823+
1
120572119890 =
11
8 +
001
02+
01
0035 +
005
0033+
1
0
= 0219911 Wm2C
S12 - amprenta la sol a casei = 12296 m2
Δt = ti - te = 22 - 15 = 7degC
Temperature pentru podea este de 15degC
Q12 = K12 middot S12 middot Δt = 0219911 middot 12296 middot 7 = 1892818 W
Podea
ti 22 degC Αi 8 Wm2 k
te 15 degC Αe 0 Wm2 k
δ1 001 m λ1 02 Wmk tp1 2180757789 degC
Determinarea necesarului de căldură și apă caldă pentru un imobil
21
δ2 01 m λ2 0035 Wmk tp2 2173060904 degC
δ3 005 m λ3 0033 Wmk tp3 1733238927 degC
δ4 m λ4 Wmk tp4 15 degC
δ5 m λ5 Wmk tp5 degC
δ6 m λ6 Wmk tp6 degC
tp7 degC
q 1539377 W
Figura 29
Q13 - fluxul termic pierdut prin tavan
Specificatii tavan
Tencuiala δ 002 m Grosime
λ 093 WmmiddotK Conductivitate termica
Rt 0021505 m2middotKW Rezistenta termica
Placa beton armat
δ 013 m Grosime
λ 174 WmmiddotK Conductivitate termica
Rt 0074713 m2middotKW Rezistenta termica
Sapa δ 003 m Grosime
λ 026 WmmiddotK Conductivitate termica
Rt 0115385 m2middotKW Rezistenta termica
Vata bazaltica δ 015 m Grosime
λ 0037 WmmiddotK Conductivitate termica
Determinarea necesarului de căldură și apă caldă pentru un imobil
22
Rt 4054054 m2middotKW Rezistenta termica
Placa nivelanta δ 002 m Grosime
λ 026 WmmiddotK Conductivitate termica
Rt 0076923 m2middotKW Rezistenta termica
K13 = 1
1
120572119894+
1205751
1205821+
1205752
1205822+
1205753
1205823+
1205754
1205824+
1205755
1205825 +
1
120572119890 =
11
8+
002
093+
013
174+
003
026+
015
0037+
002
026+
1
22
K13 = 0219736 Wm2C
S13 = S12 = 12296 m2
Δt = ti - te = 22 + 15 = 37degC
Q13 = K13 middot S13 middot Δt = 0219736 middot 12296 middot 37 = 1000 W
Tavan
ti 22 degC αi 8 Wm2 k
te -15 degC αe 22 Wm2 k
δ1 002 m λ1 093 Wm k tp1 209751906 degC
δ2 013 m λ2 174 Wm k tp2 207988793 degC
δ3 003 m λ3 026 Wm k tp3 2018634954 degC
δ4 015 m λ4 0037 Wm k tp4 1924037163 degC
δ5 002 m λ5 026 Wm k tp5 -1399669009 degC
δ6 m λ6 Wm k tp6 -1462734204 degC
tp7 degC
q 8198475 W
Determinarea necesarului de căldură și apă caldă pentru un imobil
23
Figura 210
Q14 - fluxul temic pierdut prin suprafetele vitrate
Am ales un geam temopan cu trei randuri de sticla și cu tamplarie de lemn
K14 = 06 Wm2C
S14 = 2728 m2 suprafata ocupata de geamuri
Δt = ti - te = 22 + 15 = 37degC
Q14 = K14 middot S14 middot Δt = 06 middot 2728 middot 37 = 605616 W
Fereastra
ti 22 degC αi 8 Wmpk
te -15 degC αe 22 Wmpk
δ1 0005 m λ1 075 Wmk tp1 1992074356 degC
δ2 0018 m λ2 00177 Wmk tp2 1980984988 degC
δ3 0005 m λ3 075 Wmk tp3 2893865242 degC
δ4 0018 m λ4 00177 Wmk tp4 2782971565 degC
δ5 0005 m λ5 075 Wmk tp5 -1413301307 degC
δ6 m λ6 Wmk tp6 -1424390675 degC
tp7 degC
q 1663405 W
Determinarea necesarului de căldură și apă caldă pentru un imobil
24
Figura 211
Q1 = Q11 + Q12 + Q13 + Q14 = 8441254483 + 1892818 + 1000 + 605616
Q1 = 263871712 W
212 Mers de calcul pentru Q2
Q2 = n middot Q1
n - numarul de schimburi (07 08 1)
Q1 - fluxul de căldura pierdut prin transmisie
Q2 = 1 middot 263871712 =gt Q2 = 263871712 W
213 Mers de calcul pentru Q3
Q3 = 119898 middot119862119908 middot(119905119887minus119905119903)
120591 middot3600 [kW]
m - cantitatea de apa calda preparata [Kg]
m = n middot czn middot ρ [Kg]
ρ = 1000 Kgm3- densitatea apei [Kgm3] n = 4 - numarul de locatari =gt n
czn - consumul zilnic de persoana [l] gtgtgt czn = l middot 1000 = m3
Un consum de acm specific unui nivel de confort mediu la o temperature de 45degC vom avea un czn = 50 l de persoana
cw - căldura specifica a apei [KJKgC] =gt cw = 4186 KJKgmiddotC
tb - temperatura apei din boiler [C] =gt tb = 50degC
tr - temperatura apei de intrare [C] =gt tr = 10degC
Icircn general avem vara tr = 1217degC iar iarna tr = 5hellip10degC
120591 - timpul icircn care este incalzita apa [h] =gt 120591 = 4h
m = 4 middot (50 middot 1000) middot 1000 m = 200 Kg
Q3 = 200 ∙4186 ∙(50 ∙10)
4 ∙3600 =gt Q3 = 2325555556 W
Q = Q1 + Q2 + Q3 = 263871712 + 263871712 + 2325555556
Q = 7602989795 W =gt Q = 76 KW
Calculul necesarului de frig pentru depozit de fructe
25
3 Calculul necesarului de frig pentru depozit de fructe
31 31 Calculul grosimii izolatiilor
Regimul de funcţionare al spaţiilor frigorifice caracterizat prin valori coboracircte ale temperaturilor prin variaţia rapidă a acestora şi prin umiditatea mare a aerului icircncăperilor impune pentru izolaţiile termice ale pereţilor planşeelor şi pardoselilor condiţii deosebite Pereţii spaţiilor frigorifice despart două medii cu temperaturi diferite Fluxul de căldură ce pătrunde din exterior icircn camere care trebuie preluat de instalaţia frigorifică este direct proporţional cu diferenţa de temperatură dintre cele două feţe ale peretelui şi cu coeficientul global de transmitere a căldurii Izolarea se execută la spaţiile răcite atacirct la pereţi cacirct şi la tavan şi podea şi are ca rol icircmpiedicarea apariţiei condensului pe suprafaţa caldă a pereţilor incintelor frigorifice
Figura 31 Fig13 Variaţia de temperatură prin peretele termoizolant
Din exploatarea frigoriferelor se cunoaşte că prin icircnvelişul exterior al spaţiilor frigorifice trece icircn majoritatea cazurilor mai mult de jumătate din cantitatea totală de căldura ce pătrunde icircn icircncăperi Această cantitate de căldură se poate reduce prin majorarea grosimii stratului termoizolant Dar reducerea infiltraţiilor de căldură icircn acest tel nu se poate face nelimitat deoarece la o anumită grosime a stratului izolant adică la o anumită valoare a coeficientului k de transfer al căldurii costul construcţiei izolate va fi mai mare decacirct costul energiei ce reprezintă frigul economisit prin majorarea grosimii izolaţiei
De aceea se obişnuieşte a se folosi icircn calcule valori optime ale coeficientului k de transfer al căldurii calculacircndu-se astfel o grosime optimă a izolaţiei termice
Pentru izolarea pereţilor camerelor se vor folosi panouri tip sandwichFig15
Calculul necesarului de frig pentru depozit de fructe
26
Figura 32 Fig15 Construcţia panourilor de tip sandwich
Rolul panourilor plastifiate este de a preicircntacircmpina pătrunderea vaporilor icircn interiorul izolaţiei eliminacircnd necesitatea barierei de vapori Panourile folosesc metoda de icircmbinare nut-feder reducacircndu-se astfel transferul de căldură cu mediul extern
Deoarece avem un singur depozit vom adopta coeficienţii de transfer de căldură prin
convecţie funcţie de t
Aleg pentru t = = te - ti = 318 - 1 = 308 0C k = 023 Wm2K
Din catalogul de produse INCOLD Italia se alege poliuretan 100 mm = 0023 WmK
Tablă din oţel galvanizat plastifiat
Calculul necesarului de frig pentru depozit de fructe
27
Tabelul 317 Tabel24 Calculul grosimi izolației
ei
i
i
izizk
111
Coeficientul global de transfer de căldură se determină utilizand relaţia
eiz
iz
i
i
i
k
11
1
n
i i
i
1
- suma rezistenţelor termice ale tuturor straturilor din care este realizat
peretele[m2KW]
iz - grosimea stratului de izolaţie termică [m]
iz - conductivitatea termică a materialului izolator [WmK]
e - coeficient de convecţie pe partea exterioară a peretelui [WmK]
i - coeficient de convecţie pe partea interioară a peretelui [WmK]
32 32 Bilantul caloric al spatiului climatizat pe timp de vară Necesarul de frig pentru frigorifer
Se stabileşte consumul zilnic de frig pe icircntreg frigoriferul şi pentru fiecare icircncăpere icircn parte luacircndu-se icircn considerare cele mai nefavorabile condiţii de lucru
temperatura aerului exterior pentru luna cea mai caldă a anului
icircncărcarea maximă şi simultană a camerelor de refrigerare
Spaţiul frigorific
Perete k αi αe 1αi 1αe R 1k λiz
δiz
calc δiz
ales Kr
[Wm2K] [m2KW] [WmK] [m] [m]
N 0229 10 18 010 006 0590 4367 0023 0097 0100 023
E 0224 10 12 010 008 0618 4464 0023 0098 0100 023
DR S 0221 10 12 010 008 0618 4525 0023 0100 0100 023
V 0223 10 12 010 008 0618 4484 0023 0099 0100 023
T 0221 10 12 010 008 0618 4525 0023 0100 0100 023
P 0228 10 0 000 000 0435 4386 0023 0000 0100 023
N 0221 25 12 004 008 0558 4525 0023 0101 0100 023
E 0224 25 12 004 008 0558 4464 0023 0100 0100 023
CP S 0224 25 12 004 008 0558 4464 0023 0100 0100 023
V 0223 25 12 004 008 0558 4484 0023 0100 0100 023
T 0221 25 12 004 008 0558 4525 0023 0101 0100 023
P 0228 25 0 000 000 0435 4386 0023 0000 0100 023
Calculul necesarului de frig pentru depozit de fructe
28
camerele vecine celei căreia i se face calculul necesarului de frig sunt goale şi au temperatura vestibulului sau a sasului
Aceste calcule determină necesarul de frig pe categorii de consumatori grupaţi după temperatura cerută şi permit stabilirea puterilor frigorifice icircn vederea proiectării instalaţiei
Pentru calculele termice sunt necesare următoarele
planul frigoriferului care a fost stabilit
dimensiunile camerelor
temperaturile necesare icircn fiecare cameră
Se consideră
1degC icircn depozitele de refrigerate
orientarea frigoriferului după punctele cardinale
condiţii climatice icircn lunile cele mai călduroase pentru zona geografică respectivă
Consumul de frig se calculează pentru 24 ore cu relaţia
Qnec = Q1 + Q2 + Q3 + Q4 [kcal24h]
Q1 - neeesarul de frig pentru acoperirea pătrunderilor de căldură prin cenvecţie
conducţie şi radiaţie din mediul icircnconjurător prin pereţi pardosea și plafon
Q2 - necesarul de frig tehnologic pentru procesele de răcire refrigerere şi
congelare eliminarea căldurii de respiraţie seu pentru unele procese chimice şi
biochimice
Q3 - necesarul de frig pentru ventilarea camerelor frigorifice cu aer proaspat care
trebuie racit şi uscat
Q4 - necesarul de frig rezulticircnd din condiţii de exploatare acoperirea căldurii
provenite din iluminat din funcţionarea motoarelor căldura provenită de la persoanele ce
manipulează produsele datorită deschiderii uşilor etc
321 Consumul de frig Q1
Se determină pentru fiecare spaţiu icircn parte cu relaţia
RttkFQ1 [ W ]
F - reprezintă suprafaţa pereţilor a pardoselei şi a plafonului corespunzător fiecărui
spaţiu frigorific icircn parte icircn m2 Ca suprafaţă de transfer se va considera suprafaţa
exterioară a perimetrului izolat termic
k - reprezintă coeficientul global de transmitere a căldurii prin convecţie conducţie şi radiaţie
prin pereţi plafon şi pardoseală (toate izolate termic) icircn [W(m2 middot grd)] Valoarea coeficientului k a
fost calculată icircn tabelul 24 (kr)
Δt - reprezintă diferenţa de temperaturi dintre temperatura exterioară suprafeţei de
transfer termic considerată şi temperatura interioară spaţiului frigorific
Calculul necesarului de frig pentru depozit de fructe
29
Diferenţa de temperatură ΔtR se ia icircn consideraţie numai la pereţii exteriori şi la
plafoane care sunt şi acoperiş pentru clădire
ΔtR = 0degC pentru pereţi exteriori orientaţi spre N
ΔtR = (5 10)degC pentru pereţi exteriori orientaţi spre E V S-E S-V
ΔtR = 15 degC pentru pereţi exteriori orientaţi spre S
ΔtR = (15 18)degC pentru plafoane care sunt şi acoperiş (terasă)
Calculul valorilor mărimii sumQ1 se recomandă a se efectua tabelar conform tabelului 25
Valoarea mărimii sum Q1 la aparate se obţine prin icircnsumarea fluxurilor termice prin toate cele 6 suprafeţe delimitatoare
La stabilirea valorii mărimii sum Q1 se consideră doar unul dintre fluxurile termice prin suprafeţele ce separă spaţiile frigorifice vecine Pentru aparatele de răcire din spaţiile frigorifice se consideră situaţia cea mai grea pentru fiecare spaţiu icircn parte respectiv că spaţiile vecine nu sunt răcite
Spaţiul frigorifi
c
Perete
Dimensiuni
Supraf F
[m2]
Kr [Wm2K]
Δt [grd]
Δtr
Q1 [W] sumQ1 q a [m]
b [m]
N 15 4 60 023 308 42504
246068
708
E 7 4 28 023 308 8 24987 892
DR S 15 4 60 023 185 15 46202 770
V 7 4 28 023 308 19835 708
T 15 7 105 023 308 74382 708
P 15 7 105 023 158 38157 363
N 7 4 28 023 185 11914
133566
426
E 7 4 28 023 268 8 22411 800
CP S 7 4 28 023 268 15 26919 961
V 7 4 28 023 185 11914 426
T 7 7 49 023 268 30204 616
P 7 7 49 023 268 30204 616
Tabelul 318 Tebel25 Calculul valorilor mărimii Q1
322 Necesarul de frig Q2
sum Q2 - necesarul de frig tehnologic pentru procesele de răcire refrigerare şi
congelare
Q2d = mcp(tc-ti)=500003644 = 4186000(243600)= 842 kW
Q2c = 2600036419 = 1798160 = 208 KW
Q2 = 208 + 842 = 293 = 30kW
unde
Q2d - necesarul de frig tehnologic depozit
Q2c - necesarul de frig tehnologic camera de preracire
Calculul necesarului de frig pentru depozit de fructe
30
m - cantitatea de produse introduse icircn tunelul de congelare icircn kg
te ti - temperaturi specifice corespunzătoare temperaturii iniţiale a produsului cald
(24 ordmC) respectiv temperaturii finale a produsului refrigerat (1 ordmC)
Căldura specfifică mere cp = 364 [kJkgK]
323 Necesarul de frig Q3
Icircn funcţie de natura produselor din spaţiul frigorific este necesar uneori să se realizeze ventilarea spaţiului prin asigurarea unui anumit număr de schimburi ale aerului din incintă icircn 24h Ca exemplu icircntotdeauna va fi necesară ventilarea prin introducere de aer proaspăt icircn spaţiile de păstrare pentru legume fructe şi ouă refrigerate Aceste produse vii respiră icircn timpul păstrării şi necesită icircn consecinţă ventilarea spaţiilor de păstrare
Acest consum de frig se ia icircn considerare doar la depozitele de refrigerare care se ventilează Se stabilește cu relația
Q3 = V ∙ a ∙ ᵖi ∙ (hex - hi) [kJ24]
V - volumul camerelor ventilateicircn m3
a = 24 schimburi pe zi pentru depozitele de mere
ᵖi - reprezintă densitatea aerului la temperature interioară icircn kgm3
Pentru depozitele de refrigerare considerăm umiditatea relativă ᵠi = 95 și ti=1 ordmC
rezultacircnd icircn acest caz hi= 9 kJkg
Parametri aerului exterior pentru zona icircn care este amplasat depozitul sunt temp ex 318
și umiditatea ext 60 rezultand din diagram mollier entalpia aerului Calcul facut icircn
programul Coolpack
ρi = 12 kgm3
hex = 7519 kJkg
Q3 = 616 2 12 (7519 - 9) (243600)= 00025 kW
324 Necesarul de frig Q4
Q4 - frigul consumat pentru acoperirea pierderilor icircn timpul exploatarii datorat deschiderii
usilor a corpurilor de iluminat a motoarelor electrice a oamenilor Se admite Q4 =
(01hellip04)Q1
Q4 = 02 379617 = 759234 = 008 kW
Qtotal = sum 119824120783 + Q2 + Q3 + Q4 = 004 + 30 + 000025 + 008 = 3012 = 31 kW
33 33 Stabilirea directiei raportului de termoumiditate și trasarea procesului de conditionare a aerului pe diagrama i-X pe timp de vară
Icircn fig16 este reprezentat un agregat pentru condiţionarea aerului pe timp de vară cu recirculare parţială
Calculul necesarului de frig pentru depozit de fructe
31
Figura 33 Figura16 Schema aparatului de condiţionare a aerului pe timp de vară cu recirculare parţială
F - filtru V - vaporizator C - compressor K - condensator VL - ventil de laminare I - icircncălzitor Vt - ventilator
Procesele de lucru pot fi reprezentate icircn diagrama h-x ca icircn figura următore
Figura 34 Fig17
A reprezintă starea aerului recirculat provenit din spaţiul condiţionat iar E este starea aerului exterior
Aerul tratat icircn aparatul de condiţionare care se introduce icircn incintă avacircnd starea B
trebuie să preia degajările de căldură Qv [kW] şi de umiditate Wv [kgs]
Direcţia procesului suferit de aer icircn incintă este dată de raportul de termoumidificare εv
= Qv Wv
Prin punctul A se trasează dreapta avacircnd raportul de termoumidificare εv iar punctul B se fixează pe această dreaptă adoptacircndu-se o anumită diferenţă de temperatură faţă de starea A
Aerul recirculat A se amestecă cu aerul proaspăt E şi rezultă starea de amestec M De regulă xM gt xB deci aerul va trebui să fie uscat
Pe verticala din B se fixează starea D avacircnd xD= xB şi ᵩD = 90hellip98
Calculul necesarului de frig pentru depozit de fructe
32
Se uneşte M cu D iar apoi se prelungeşte acest segment pacircnă la intersecţia cu ϕ = 100 rezultacircnd starea P avacircnd temperatura tp
Circulacircnd aerul cu starea M peste o suprafaţă rece avacircnd temperatura tp se va obţine procesul de răcire şi uscare MD
Temperatura suprafeţei tp se asigură cu o instalaţie frigorifică a cărei temperature de vaporizare va fi t0 lt tp
Ultimul proces din aparatul de condiţionare va fi icircncălzirea finală DB
Calculul agregatului de condiţionare a aerului pe timp de vară se efectuează asemănător cu cel a agregatului de condiţionare a aerului pe timp de iarnă cu observaţia că pe timp de vară nu este necesară umidificarea
331 Date
Vtotal = 616 m3 tint = 1ᵒC tex = 318 φint = 90 φext = 60 ρaer = 12 [kgm3]
Starea A
tA = ti + 3 = 4deg xA = 00043[kj
kg] φA = 86 hA = 1489[
kj
kg]
Starea B
tB = 1degC xB = 00036 [kj
kg] φB = 90 hB = 1024[
kj
kg]
Starea E
tE = 318degC xE = 00171[kj
kg] φE = 60 hE = 7519[
kj
kg]
Starea M
hM =hE + n ∙ hA
n + 1=
7513 + 20 ∙ 1489
21= 1775[
kj
kg]
xM =xE + n ∙ xA
n + 1=
00171 + 20 ∙ 00043
21= 00049[
kj
kg]
Rezulta din diagrama Mollier
Starea D
hD = 108 [kj
kg] xD = 0003[
kj
kg] φD = 97
Raportul de recirculare n = 20
Debitul de aer ventilat V =Vtotal∙20
24h=
616lowast20
24= 513 [m3h]
Debitul masic m = V ∙ ρaer = 513 lowast 12 =
6156[kg
h]
3600= 0171 [kgs]
tp = minus3degC t0 = tp minus 9degC = minus3 minus 9 = minus12degC
Puterea termica a vaporizatorului ( puterea frigorifică )
ФV = Ф0
Puterea termica a icircncalzitorului
ФI = 119898 ∙ (hB - hD)
Cantitatea de apa condensată icircn unitatea de timp pe suprafața de racire este
Calculul necesarului de frig pentru depozit de fructe
33
ẆV = 119898 ∙ (XM - XD)
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
34
4 Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
Există două domenii principale icircn care se utilizează frigul artificial icircn lucrările de construcţii şi anume
icircngheţarea terenurilor acvifere icircn vederea săpării puţurilor de mină a barajelor a depozitelor de gaze lichefiate etc
prerăcirea componentelor betonului icircn cazul executării unor masive de beton ca de exemplu baraje
41 51 IcircNGHEŢAREA SOLULUI
411 511 CONSIDERAŢII GENERALE PRIVIND IcircNGHEŢAREA SOLULUI
Icircngheţarea artificială a solului reprezintă una dintre cele mai interesante şi icircn acelaşi timp şi importante aplicaţii practice a frigului artificial Totodată este una dintre primele aplicaţii industriale a tehnicii frigului şi care a asigurat o dezvoltare deosebită a industriei extractive Aşa se explică faptul că odată apărută maşina frigorifică cu absorbţie realizată icircn 1859 de către Ferdinand Carre este folosită la săparea primului puţ de mină prin icircngheţarea artificială a rocilor Dar nu numai industria minieră foloseşte icircn ultimul secol procedeul consolidării rocilor la săpararea unor lucrări subterane Lucrări inginereşti de tot genul ca metrouri staţii subterane de pompare rezervoare de gaze lichefiate poduri lucrări portuare şi altele asemănătoare amplasate icircn zone acvifere au fost realizate prin metoda consolidării prin frig a rocilor
Această metodă a consolidării rocilor prin frig artificial realizează icircn jurul lucrării inginereşti subterane un perete icircngheţat protector pe durata lucrărilor de construcţii Acest perete asigură o izolare hidraulică şi icircn acelaşi timp şi o protecţie mecanică Rezistenţa mecanică a rocilor creşte pe măsură ce temperatura lor scade icircncacirct metoda expusă mai sus prezintă avantajul reglării capacităţii portante a peretelui icircngheţat
Apa conţinută icircn terenuri prin icircngheţare capătă proprietăţile cimentului exprimate prin forţele de coeziune mari care apar icircntre cristalele de gheaţă şi grăunţii de rocă
Pentru obţinerea peretelui protector se folosesc sonde de icircngheţare forate pe conturul lucrării subterane şi prin care circulă agentul de răcire care poate fi un agent intermediar ca de exemplu saramura de clorură de calciu sau agentul frigorific de exemplu amoniacul Icircn funcţie de grosimea peretelui şi de rezistenţa mecanică pe care trebuie să o aibă se va alege temperatura agentului de răcire distanţa dintre sonde şi durata de icircngheţare
Instalaţia de consolidare prin frig a rocilor cuprinde trei părţi principale staţia frigorifică reţeaua de distribuţie a agentului de răcire (saramura) şi sondele de icircngheţare a solului
Staţia frigorifică cuprinde instalaţia frigorifică propriu-zisă cu comprimare mecanică de vapori sau prin absorbţie icircntr-o treaptă sau icircn două trepte Icircn funcţie de condiţiile de amplasament ale obiectivului staţia frigorifică poate fi de construcţie staţionară (icircn minerit) sau mobilă (la metrouri)
Reţeaua de distribuţie alcătuită din conducte metalice sau din mase plastice are rolul de a face legătura icircntre staţia frigorifică şi sondele de icircngheţare Pentru reducerea pierderilor de frig reţeaua de distribuţie se izolează termic
Sondele de icircngheţare constituie schimbătorul de căldură subteran prin care se extrage căldura de la terenul supus icircngheţării Icircn fig 51 se prezintă schiţa unei sonde de icircngheţare cu ajutorul saramurii Saramura rece cu temperatura icircntre -10 ordmC pacircnă la -35 ordmC
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
35
coboară prin ţeava interioară şi apoi se icircntoarce prin spaţiul inelar dintre cele două conducte concentrice
Figura 41 Fig 51 Sonda de icircngheţare 1 - şiu (tub scurt de oţel cu pereţi groşi rezistent) 2 - ţeava interioară 3 - ţeava exterioară (burlan de
icircngheţare) 4 - capul sondei
Circulaţia continuă a saramurii prin sonda de icircngheţare face ca rocile ce icircnconjoară sondele inclusiv apa conţinută icircn spaţiile libere să se răcească treptat Icircn jurul sondei icircncepe să se formeze stratul de rocă icircngheţată diametrul cilindrului de teren icircngheţat se măreşte icircn timp Aşa cum s-a arătat icircn capitolul 3 rezultă că dezvoltarea radială a cilindrului de rocă icircngheţată icircn jurul sondei se desfăşoară cu o viteza variabilă de icircnaintare la icircnceput viteza de icircnaintare a frontului de gheaţă este mai mare după care scade icircn timp Apoi se atinge stadiul staţionar de transfer de căldură cacircnd cilindrul nu mai creşte icircn dimensiuni Reiese că distanţa dintre sondele de icircngheţare este determinată de raza maximă a cilindrului de teren icircngheţat Pentru a realiza peretele icircngheţat care să reziste la solicitările la care este supus se impune ca distanţa dintre sondele vecine să fie mai mică decacirct raza maximă a terenului icircngheţat astfel icircncacirct cilindrii formaţi să se unească icircntre ei Icircn fig 52 se prezintă evoluţia icircn timp a icircngheţării terenului icircn jurul sondelor Icircn faza iniţială a icircnceput răcirea dar icircncă nu s-a format teren icircngheţat Icircn faza a II-a (după circa 20 zile) icircn jurul fiecărei sonde se formează cacircte un cilindru de teren icircngheţat fără ca aceştia să se unească Icircn faza a III-a (după circa 30 zile) cilindrii se icircntretaie şi formează peretele protector
Figura 42 Fig 52 Evoluţia cilindrilor individuali de rocă icircngheţată 1 - sonda de icircngheţare 2 - sonda de măsurători termice 3 - teren icircngheţat
Această evoluţie poate fi urmărită cu suficientă precizie prin măsurarea temperaturii masivului cu ajutorul unor sonde de măsurători termice 2 montate la distanţe bine stabilite de sondele vecine de icircngheţare Astfel icircn faza I-a temperatura este cea iniţială deci neafectată de prezenţa sondelor icircn faza a II-a temperatura este mai scăzută dar mai mare de 0 ordmC Cum icircn practică sondele de icircngheţare au o abatere de la poziţia verticală (sau de la cea impusă prin proiect) sondele de măsurători termice sunt prevăzute icircntre sondele
I II III
1
2 2 2
3 3
SARAMURĂ CALDĂ
IEŞIRE
INTRARE SARAMURĂ A E RECE
1
2
3
4
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
36
cele mai distanţate icircntre ele acolo unde evoluţia peretelui de protecţie este cea mai defavorabilă
Primele realizări inginereşti de consolidare prin frig artificial a terenurilor acvifere metodă prin care vor fi aduse la lumină multe bogăţii subterane sunt legate de numele inginerului de mine şi metalurgie Friederich Herman Poetsch El a obţinut icircn 27 februarie 1883 brevetul pentru procedeul său de adacircncire a puţurilor verticale icircn roci bogate icircn apă (şi curgătoare) Poetsch a reuşit să experimenteze procedeul său la adacircncirea unor puţuri de mină dar a avut şi multe insuccese icircncacirct la 9 iunie 1902 moare sărac şi dezamăgit Metoda de icircngheţare prin frig artificial a terenurilor a avut mare succes icircn Franţa Astfel numai icircn perioada 1892 - 1898 icircn bazinele carbonifere Nord şi Pas de Calais s-au săpat circa 20 puţuri pacircnă la o adacircncime de 100 m prin aplicarea metodei icircngheţării după planurile lui Poetsch
Desigur că nu ar putea fi omis numele lui Louis Gebhard care realizează numeroase lucrări de adacircncire a puţurilor prin icircngheţare atacirct icircn Germania cacirct şi icircn Franţa Anglia Olanda şi Polonia ceea ce face ca metoda propusă de Poetch să devină o tehnologie demnă de toată icircncrederea cu siguranţă absolută şi cu un mare randament
Gebhard un mare practician icircncepe sa folosească icircn locul instalaţiilor cu absorbţie realizate de F Carre pe cu cele cu comprimare mecanică de vapori realizate de Karl von Linde cu icircncepere din anul 1874
Poetsch icircn 1888 prevede extinderea procedeului de icircngheţare la construcţia podurilor la construcţii navale lucrări de fortificaţii la protecţia fundaţiilor subterane şi a bazinelor cu apă El susţine că poate să rezolve orice problemă sub apă chiar şi puţuri icircncepute şi abandonate
Icircn anul 1900 se depăşeşte bariera adacircncimii de 100 m Realizarea unor puţuri mai adacircnci (peste 100 m) ridică unele probleme icircn plus faţă de puţurile de mai mică adacircncime deoarece abaterile de la verticalitate pot conduce la formarea unor ferestre icircn peretele protector
Icircn ţara noastră această tehnologie de forare a unor puţuri de mină cacirct şi a galeriilor de metrou prin icircngheţarea solului a fost folosită cu icircncepere din anul 1961 aşa cum se prezintă icircn paragraful 513
412 512 CONSTRUCŢIA INSTALAŢIEI DE IcircNGHEŢARE A SOLULUI
Icircn funcţie de forma şi mărimea lucrării care se realizează la adăpostul terenului icircngheţat principial se pot utiliza următoarele tipuri de instalaţii
a) cu răcire indirectă denumită şi cu dublu schimb (fig53)
b)cu răcire directă icircn circuit icircnchis (fig 54)
c)răcire directă icircn circuit deschis (fig55)
a) Răcirea indirectă se utilizează icircn practică cel mai mult fiind cunoscută icircncă de la icircnceputurile metodei de icircngheţare a solului
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
37
Figura 43 Fig 53 Instalaţia frigorifică cu răcire indirectă 1 - compresor 2 - condensator3 - ventil de laminare 4 - vaporizator 5 - bazin de răcire a saramurii 6
- agitator 7 - pompă de saramură 8 - sonde de icircngheţare
Ca agent frigorific se poate folosi amoniacul sau freonii iar ca agent intermediar se utilizează soluţiile de clorură de calciu clorura de sodiu sau magneziu sărurile respective fiind relativ uşor de procurat
Instalaţiile frigorifice cuprind unul sau mai multe blocuri frigorifice Acest mod de compunere prezintă avantaje icircn ceea ce priveşte montarea cacirct şi exploatarea instalaţiilor se poate asigura o reducere icircn trepte a puterii frigorifice pe măsură ce creşte rezistenţa termică a stratului de teren icircngheţat
Componentele principale ale instalaţiei frigorifice se montează grupat pe cele trei secţiuni secţia de compresoare secţia condensatoarelor şi secţia vaporizatoarelor De regulă compresoarele se montează fie icircn aer liber atunci cacircnd tipul lor permite fie acoperite sub şarpante protectoare
Pe măsură ce se scot din funcţiune blocurile frigorifice se demontează şi se pot monta la un nou obiectiv
b) Răcirea directă icircn circuit icircnchis (fig 54) se utilizează icircn cazul icircn care adacircncimea de icircngheţare este mică
Figura 44 Fig 54 Instalaţia frigorifică cu răcire directă icircn circuit icircnchis 1 - compresor 2 - condensator 3 - ventil de laminare 4 - sonde de icircngheţare
Sondele de icircngheţare constituie vaporizatorul instalaţiei frigorifice Icircn cazul unor sonde de lungime mare icircnălţimea coloanei de agent frigorific este de asemenea mare Ca urmare a presiunii hidrostatice variabile şi temperatura de vaporizare este variabilă fiind mai mare
1
2
1111111 Apă
3
4
1
2
Apă 3
4
5
6
7
8
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
38
la capătul inferior şi mai mică la capătul superior Din acest motiv adacircncimea sondelor de icircngheţare nu poate depăşi anumite limite şi icircn plus se recurge la fragmentarea coloanei de lichid cu ajutorul unor pereţi despărţitori
Pierderile de agent frigorific mai mari decacirct icircn cazul răcirii indirecte reprezintă un alt inconvenient al acestui mod de răcire
c) Răcirea directă icircn circuit deschis constă icircn introducerea agentului frigorific (cel mai frecvent azot lichid) icircn sondele de icircngheţare fără ca acesta să mai fie folosit după vaporizare
La presiunea atmosferică azotul lichid fierbe la temperatura de -196 ordmC icircncacirct vaporii reci de azot icircnainte de a fi evacuaţi se folosesc de asemenea pentru congelarea solului fiind circulaţi prin sonde de icircngheţare (Fig 55)
Figura 45 Fig 55 Icircngheţarea cu azot lichid icircn două trepte 1 - ventil de laminare 2 - sonda de icircngheţare 3 - sonda de icircngheţare cu vapori de azot
Această metodă se foloseşte cacircnd se urmăreşte o icircngheţare rapidă şi volumul de teren icircngheţat este redus
Se vor prezenta icircn continuare unele elemente constructive ale instalaţiilor de icircngheţare
Reţeaua de saramură (fig 56) are rolul de a asigura transferul de căldură de la sol către agentul frigorific Cuprinde două schimbătoare de căldură cel subteran alcătuit din sondele de icircngheţare şi cel de suprafaţă reprezentat de vaporizatorul imersat icircn saramură Icircntre cele două schimbătoare de căldură există conducte magistrale distribuitoare - colectoare şi racorduri la sonde
Saramura răcită prin intermediul vaporizatorului 1 este circulată cu pompa 2 prin magistrala de tur a reţelei 3 Sondele de icircngheţare 5 se leagă prin vane la distribuitorul 4 şi colectorul 6 ambele de construcţie inelară Printr-o asemenea construcţie şi mod de legare a sondelor prezentate icircn figura 56 se asigură o echilibrare a căderilor de presiune pe sondele de icircngheţare şi ca urmare o alimentare uniformă cu agent intermediar şi deci şi o răcire uniformă pentru toate sondele
1
2
AZOT LICHID
VAPORI
AZOT -40OC
3
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
39
Figura 46 Fig 56 Schema reţelei de saramură 1- vaporizatorul 2 - pompa de saramură 3 - magistrala de tur 4 - distribuitorul inelar 5 -sondele de
icircngheţare 6 - colectorul inelar 7 - magistrale de retur M - manometru D - debitmetru T - termometru
Magistralele 3 şi 7 de acelaşi diametru şi lungime variabilă (determinată de o serie de factori) se pot monta atacirct la suprafaţă cacirct şi icircn canal
Magistralele se dimensionează icircn funcţie de puterea frigorifică a schimbătorului de căldură subteran alcătuit din sondele de icircngheţare
F0 qNHd [W] (51)
unde d - diametrul exterior al sondei de icircngheţare m
H - adacircncimea de icircngheţare m
N - numărul de sonde de icircngheţare
qF - densitatea fluxului termic raportat la suprafaţa exterioară a sondei La temperatura saramurii de - 20 ordmC se poate considera qF = (260290) Wm2
Debitul volumic V de agent intermediar icircn reţeaua de icircngheţare icircn funcţie de care se aleg
pompele se determină cu relaţia
tc
V o
(52)
icircn care este densitatea agentului intermediar kgm3
c - căldura specifică a agentului intermediar JkgK
t - creşterea temperaturii agentului (saramura) icircn sondele de icircngheţare K
La icircnceputul perioadei de răcire diferenţa de temperatură este t = 56 K ca apoi să scadă la 12 K
Icircn conductele magistrale se recomandă ca viteza saramurii să fie w = 0915ms
Icircn acest caz diametrul conductelor de transport a saramurii este dat de relaţia
w
V4D
[m] (53)
Icircn funcţie de valoarea determinată pentru D se aleg conducte metalice de diametru nominal cuprins icircntre 75200 mm Dacă rezultă D gt 200 mm se vor alege două conducte cu diametrul mai mic de 200 mm
2
T
T
M
M D
D
NH
3
3
4
6
5
7
1
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
40
Conductele magistrale se realizează prin icircmbinări cu flanşe sau sudate iar la lungimi mai mari de 100150 m se vor prevedea coturi compensatoare Pentru reducerea pierderilor de frig magistralele vor fi izolate termic
Distribuitorul de saramură răcită şi colectorul de saramură de la sonde sunt construcţii metalice identice
Icircn figura 57 se prezintă modul de racordare a sondelor de icircngheţare 5 la distribuitorul 1 şi colectorul 2 Vanele 3 asigură icircnchiderea deci oprirea circulaţiei şi reglajul debitului Prin aceste vane se poate izola o anumită sondă care nu funcţionează normal sau la care se observă o anumită defecţiune
Figura 47 Fig 57 Racordarea sondelor de icircngheţare la distribuitor şi colector 1 - distribuitor 2 - colector 3 - vane 4 - racord elastic 5 - sonda de icircngheţare
Poziţia distribuitorului şi colectorului faţă de racircndul sondelor de icircngheţare poate fi laterală de o singură parte sau laterală de ambele părţi ale sondelor Amplasamentul trebuie astfel făcut icircncacirct să fie posibilă vizitarea supravegherea şi eventual icircnlocuirea sondelor de icircngheţare
Racordarea sondelor la distribuitor şi colector se face prin cacircte un racord elastic (fig 57) Dimensionarea distribuitoarelor şi a colectoarelor se face din condiţia ca viteza saramurii să nu depăşească 0915 ms
Coloanele de distribuţie şi colectare urmăresc icircn teren forma şirului de sonde de icircngheţare şi pot avea acelaşi traseu sau trasee diferite Configuraţia traseului poate fi icircn linie sau circulară Icircn oricare din situaţiile prezentate distanţele dintre ştuţurile de racord şi sondele de icircngheţare sunt variabile astfel icircncacirct racordurile rigide prin flanşe şi sudură sunt greu de realizat Cea mai practică soluţie de racord icircn acest caz este furtunul de cauciuc (fig 57)
Icircn reţeaua de saramură poate pătrunde aer prin procesul de pompare ceea ce conduce la intensificarea acţiunii corosive a saramurii Icircn scopul icircndepărtării aerului nedorit pe partea superioară a conductelor icircn punctele cele mai ridicate ale acestora se montează robineţi de evacuare periodică a aerului şi eventual a altor gaze
Pe conductele magistrale se vor monta aparate de măsură şi control debitmetre termometre şi manometre (fig 56) Icircn acest caz se poate aprecia funcţionarea fiecărei sonde după depunerile exterioare de gheaţă pe racordul metalic sau de cauciuc lăsate neizolate termic tocmai icircn acest scop Icircn scopul urmăririi regimului de lucru sub aspect
5
4
1
2 3
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
41
hidraulic şi termic icircn mod individual se pot monta aparate de măsură şi control pe fiecare sondă de icircngheţare dar această soluţie este mai costisitoare
Sonda de icircngheţare realizează transferul de căldură de la terenul ce urmează a fi icircngheţat spre agentul frigorific (la răcirea directă) sau agentul intermediar (la răcirea indirectă)
Icircn figura 51 s-a prezentat schema de principiu a unei sonde de icircngheţare cu saramură activă pe toată lungimea Conducta exterioară sau burlanul de icircngheţare 3 este o conductă din oţel etanşă şi rezistentă la eforturile mecanice care apar datorită presiunii solului şi variaţiei de temperatură icircntre momentul fixării ei icircn sol şi cel al funcţionării la o temperatura sub 00C
Icircn procesul de icircngheţare coloana de burlane care poate atinge lungimi de sute de metri se contractă icircnsă nu liber deoarece ea este stracircnsă icircn masivul de roci La o variaţie de temperatură icircntre momentul iniţial (fără saramură) şi momentul pornirii circulaţiei de saramură de 400C conducta din oţel de 500 m adacircncime ar trebui să se contracte cu
tHH = 500 11 10-6 40 = 0220 m = 22 cm
Datorită fixării coloanei icircn gaura forată efortul unitar de icircntindere ce apare icircn urma scăderii temperaturii este
tE = 22 1010 11 10-10 40 = 968 105 Nm2 = 9680 Ncm2
La acest efort de icircntindere apărut datorită contracţiei coloanei se mai adaugă efortul de acelaşi semn provocat de dilatarea masivului de rocă acviferă icircngheţată Icircn scopul compensării eforturilor de icircntindere s-a propus icircmbinarea coloanei cu nipluri elastice O asemenea soluţie este mai scumpă şi icircn plus micşorează secţiunea liberă de curgere ceea ce conduce la icircncălzirea excedentară a saramurii
La lucrări subterane de mare adacircncime ca puţurile de mină depozite subterane se folosesc burlane de 1397 x 7 mm pentru a fi posibilă determinarea abaterii de la poziţie verticală
La tunelurile de metrou şi icircn general la lucrările la care adacircncimea de icircngheţare nu depăşeşte 50 - 60 m diametrul cel mai frecvent utilizat este 1143 x 7 mm
Ţeava interioară 2 (fig 51) numită şi tub de alimentare de regulă ţeava uşoară de instalaţii de 50 mm diametrul se introduce icircn burlanul exterior 3 fără icircnsă a atinge şiul de bază 1 al sondei Se asigură icircn acest mod un volum minimal de depuneri solide care circulă cu saramura icircn mod incidental Icircn scopul economisirii de metal tubul de alimentare poate fi din material plastic ceea ce prezintă marele avantaj al lipsei coroziunii şi al refolosirii materialului respectiv
Şiul de fund are rolul de a asigura icircnchiderea burlanului exterior icircn partea sa inferioară Cel mai adesea are formă conică pentru a asigura introducerea cu uşurinţă a coloanei metalice icircn gaura de sondă Această componentă a sondei de icircngheţare se execută fie prin turnare sau se confecţionează cu ajutorul sudurii
Corespunzător profilului geologic al terenului icircn care se lucrează se icircntacirclnesc şi cazuri cacircnd nu este nevoie să se icircngheţe terenul pe toată icircnălţimea sondelor ci numai la partea lor inferioară Icircn acest caz se folosesc sonde de icircngheţare zonală (fig 58) cu ajutorul cărora se asigură congelarea doar a zonei inferioare ceea ce prezintă avantaje economice deosebite nu se consumă energie pentru a icircngheţa icircn mod inutil formaţiuni geologice consistente şi uscate şi nu se reduce ritmul lucrărilor de săpare printr-o eventuală mărire a rezistenţei rocilor
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
42
Figura 48 Fig 58 Sonda de icircngheţare zonală
1 - burlan exterior 2 - tub de alimentare 3 - şiu 4 - tub de evacuare
Figura 49 Fig59 - Sonda de icircngheţare cu agent
frigorific 1 - tub exterior 2 - perete despărţitor 3 - şiu 4 -
ştuţ (ţeavă de preaplin) 5 - condensator - vaporizator
Icircn cazul răcirii directe sondele de icircngheţare cu agent frigorific sunt de construcţie specială (fig 59) Particularitatea acestor sonde este prezenţa pereţilor despărţitori 2 dispuşi unul sub celălalt la circa 3 m fiecare perete fiind prevăzut cu un ştuţ de preaplin O asemenea construcţie are rolul de a fracţiona coloane de lichid ceea ce asigură o răcire mai uniformă pe lungimea sondei
Fiecare sondă este prevăzută la partea superioară cu cacircte o cămaşă de răcire Sondele se umplu cu amoniac lichid icircntr-o asemenea cantitate icircncacirct fiecare secţie să fie icircnecată cu lichid respectiv pacircnă la partea superioară a ştuţurilor 4 Ca urmare a fluxurilor de căldură de la sol se produce fierberea amoniacului icircn toate secţiile sondei Vaporii formaţi se ridică prin ştuţurile 4 şi ajungacircnd la partea superioară a sondei se condensează cedacircnd căldură agentului (amoniac) din cămăşile de răcire
Ca urmare cămăşile de răcire de la partea superioară a sondelor constituie vaporizatorul instalaţiei frigorifice Amoniacul care se condensează la partea superioară a sondei curge icircnapoi (de sus icircn jos) prin ştuţurile 4 Folosirea pereţilor despărţitori şi a ştuţurilor micşorează influenţa presiunii hidrostatice a lichidului asupra temperaturii de vaporizare a amoniacului Asemenea sonde de icircngheţare se folosesc pentru lucrări de mică adacircncime
Amplasarea sondelor se face icircn funcţie de o serie de factori formă poziţia şi dimensiunile lucrării care se realizează structura terenului temperatura şi viteza agentului etc
Icircn cazul puţurilor de mină de secţiune circulară sondele se amplasează pe un cerc
concentric de diametru D mai mare decacirct diametrul de săpare Ds cu grosimea a peretelui icircngheţat
sDD (54)
Trebuie să se ţină seama şi de deviaţia sondelor de la poziţia verticală icircncacirct pentru adacircncimi mari se utilizează relaţia
3
2 4
1
VAPORI 5 LICHID
3
2
4 1
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
43
a21DD s (55)
unde a = 003 H este abaterea medie statistică de la verticală a sondelor
Distanţa dintre sonde se ia de obicei de 1014 m icircn terenuri rezistente şi de 0809 m icircn terenuri slabe
Pentru adacircncimi de peste 500 m se recomandă să se dispună sondele pe două cercuri concentrice pentru a se forma un perete de grosime mai mare şi deci mai rezistent
La icircngheţarea terenului icircn jurul puţurilor de secţiune dreptunghiulară sondele se pot dispune pe dreptunghi sau elipsă Icircn aceste situaţii centura de teren icircngheţat poate fi solicitată la icircntindere ceea ce este de nedorit deoarece limita de rezistenţa la icircntindere a terenurilor icircngheţate este de circa 3 ori mai mică decacirct limita rezistenţei la compresiune Din acest motiv chiar şi la puţurile de mină de secţiune dreptunghiulară sondele se dispun pe unul sau două cercuri (fig 510)
Pentru realizarea galeriilor icircnclinate icircngheţarea terenului se realizează cu sonde verticale (fig 511) sau combinat atacirct cu sonde verticale cacirct şi cu sonde icircnclinate (fig 512)
Distanţa dintre sondele verticale (fig 511) se ia de 23 m iar distanţa dintre racircnduri este de 1525 m
Se poate folosi cacircte un racircnd de sonde icircnclinate montate deasupra galeriei (fig 212 a) sau sonde icircnclinate sub galerie şi sonde verticale scurte deasupra galeriei (fig 512 b)
SONDA
154 m
16
6 m
226
262
85
SONDA
Figura 411 Fig 511 Amplasarea sondelor verticale pentru realizarea galeriei icircnclinate
Figura 411 Fig 510 Dispunerea sondelor icircn jurul puţurilor de mină de secţiune
dreptunghiulară
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
44
Figura 412 Fig 512 Realizarea galeriilor icircnclinate cu sonde verticale (1) şi sonde oblice (2)
I - secţiunea longitudinală II - secţiunea transversală a) sonde icircnclinate deasupra galeriei b) sonde icircnclinate sub galerie
413 513 UTILIZAREA METODEI DE IcircNGHEŢARE A SOLULUI IcircN ŢARA NOASTRĂ
a)Puţuri de mină
Aplicarea metodei de icircngheţare a solului pentru lucrări de minerit a avut loc la noi icircn ţară icircncepacircnd cu anul 1960 la puţul Godeni din bazinul carbonifer Cacircmpulung - Muscel Proiectul a fost elaborat icircn anul 1959 la IPROMIN Bucureşti iar lucrarea a fost executată cu Trustul Minier Argeş avacircnd icircn subantrepriză de specialitate Icircntreprinderea Frigotehnica Bucureşti şi Trustul de prospecţiuni explorări şi deschideri de mine noi Bucureşti
Adacircncimea de săpare a puţului Godeni a trebuit sa fie de 202 m Sondele de icircngheţare constituite din două ţevi concentrice (fig 51) cu diametrele exterioare de 146 mm şi respectiv 57 mm icircn număr de 27 au fost amplasate pe un cerc cu diametrul de 10 m la distanţa de 117 m una de alta
Instalaţia frigorifică a fost dimensionată cu mare precauţie pentru a avea o siguranţă mărită icircn funcţionarea ei Toate părţile componente ale instalaţiei frigorifice au fost proiectate şi executate icircn ţară
La proiectarea instalaţiei s-a avut icircn vedere funcţionarea de scurtă durată şi variaţia puterii frigorifice icircn timp S-a utilizat răcirea indirectă cu soluţie de clorură de calciu iar ca agent frigorific a fost folosit amoniacul Pentru a avea elasticitatea necesară icircn funcţionare la diferite puteri frigorifice au fost folosite grupuri de utilaje frigorifice şi anume
6 compresoare 4 AU - 20 (200000 kcal Nh =233 kW fiecare)
3 baterii de condensatoare atmosferice a cacircte 300 m2 (900 m2)
bazine pentru răcirea saramurii fiecare cu cacircte 2 vaporizatoare superintensive de 50 m2 (600 m2)
2 grupuri a cacircte 5 pompe pentru recircularea saramurii
Puterea frigorifică a instalaţiei montate a fost de 12106 kcal Nh =1395 kW şi s-a caracterizat prin următoarele date tehnice la exploatare
85
1
2
I 85
1
2
I
85
1
2
II
85
1
2 II
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
45
o suprafaţa de schimb de căldură a sondelor 2500 m2 o puterea instalaţiei 750 kW o debitul saramurii icircn
o icircn perioada activă 350 m3h o icircn perioada pasivă 70 m3h
o viteza de circulaţie a saramurii icircn sondă o tur 18 ms 036 ms o retur 029 ms 006 ms
o volumul rocilor icircngheţate circa 10000 m3 o consumul specific de frig mediu 50000 m3 o durata icircngheţării (perioada activă) 130 zile
Icircn timpul răcirii şi deci a icircngheţării solului puterea frigorifică scade icircn mod continuu icircncacirct treptat s-a scos din funcţiune cacircte un compresor icircn perioada pasivă (de săpare a puţului) s-a menţinut icircn lucru doar un singur compresor şi grupul de utilaje aferent
După terminarea lucrărilor de la puţul Godeni icircn anii următori aceeaşi instalaţie s-a montat la puţul Poenari din acelaşi bazin carbonifer unde sondele au fost amplasate pe un cerc cu diametrul de 11 m la distanţa de 128 m una de alta
Un alt puţ realizat prin această tehnologie de icircngheţare a solului a fost puţul Jugur de la acelaşi bazin carbonifer Centrala frigorifică a cuprins 15 compresoare 3 AV - 20 (150000 kcal Nh fiecare=175kW) repartizate icircn 5 linii tehnologice independente cu icircntreg utilajul aferent Fiecare linie este compusă din
o butelie de răcire intermediară BRI - 700 un condensator cu evaporare forţată CEF - 180 un bazin cu patru grupuri vaporizatoare intensive de cacircte 165 m2 (icircn total 66 m2)
Sondele de icircngheţare icircn număr de 27 bucăţi au fost prevăzute să se amplaseze pe un cerc cu diametrul de 104 m la distanţă de 121 m Sondele sunt de tipul celei indicată icircn figura 58 deci cu răcire zonală avacircnd următoarele caracteristici diametrul exterior al burlanului este de 146 mm iar tuburile interioare au 57 mm (la exterior) tubul de alimentare are lungimea de 430 m iar cel de evacuare este de 220 m Ca urmare sondele de icircngheţare trebuie să producă icircngheţarea solului numai pe adacircncimea de la 220 m la 430 m Prin proiect s-au prevăzut următoarele date temperatura saramurii - 35 ordmC viteza saramurii icircn conducte de tur 18 ms viteza icircn conducte de retur (pe adacircncimea de răcit) 06 ms durata icircngheţării (perioada activă) a fost de 75 zile
Au fost prevăzute temperaturi scăzute şi viteze mari de congelare deoarece cilindrul icircngheţat trebuie să preia presiuni de pacircnă la 56 bar
b)Tunelurile pentru metroul din Bucureşti
Icircncepacircnd cu anul 1976 pentru realizarea metroului din Bucureşti s-a procedat la aplicarea metodei de icircngheţare a solului icircntr-o zonă considerată experimentală dar cu realizări efective de galerii
Prin proiect s-a prevăzut consolidarea prin icircngheţare artificială a profilului de săpare a tunelurilor de metrou pe o lungime de circa 550 m pe ambele fire Amplasamentul sondelor s-a făcut icircn două variante (pentru experimentare) pentru un fir de tunel ambele racircnduri de sonde s-au fixat icircn profilul circular de săpare iar pentru cel de al doilea fir de tunel sondele au fost forate icircn afara profilului de icircnaintare (fig 513) Au fost folosite sonde cu saramură cu posibilitatea de icircngheţare pe toată icircnălţimea de 16 m cacirct şi sonde cu icircngheţare zonală icircntre adacircncimile de 7 m şi 16 m Distanţa dintre sonde a fost fixată la 14 m
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
46
Pentru a se icircmpiedica accesul apelor icircn frontul de săpare datorate unor eventuale zone neicircngheţate traseul de tunel icircngheţat a fost icircmpărţit icircn incinte icircnchise prin timpane transversale La distanţe de 3050 m icircn lungul traseului au fost montate sonde de icircngheţare aşezate icircn plan normal pe axul tunelului prin care să se icircnchidă accesul apelor spre frontul de săpare
Echipamentul frigorific principal cuprinde
- 8 compresoare frigorifice 3 AV - 20 funcţionacircnd icircntr-o treaptă pentru care
corespunde puterea frigorifică de 12 106 kcal Nh =1395 kW
- 4 condensatoare de evaporare forţată CEF - 250
- 3 bazine de răcire a saramurii echipate cu cacircte 4 grupuri de vaporizatoare superintensive de cacircte 51 m2 (total 612 m2)
- 3 grupuri de cacircte 2 pompe a 220 m3h pentru circulaţia saramurii pe traseele de distribuţie şi prin sonde
Figura 413 Fig513 Amplasamentul sondelor de icircngheţare
Centrala frigorifică este stabilă adăpostită icircntr-o baracă metalică demontabilă existacircnd posibilitatea de reamplasare rapidă a instalaţiei icircntr-un alt loc Agentul frigorific utilizat este amoniacul iar agentul intermediar este clorura de calciu
Icircn perioada principală de icircngheţare temperatura de vaporizare este to = -22 ordmC asiguracircnd răcirea saramurii la -17 ordmC iar pe retur saramura a avut temperatura cu 15 ordmC mai ridicată
La o asemenea lucrare realizată icircn oraş se impune protejarea contra icircngheţului a straturilor de deasupra galeriilor icircn care sunt amplasate instalaţiile de apă - canal ceea ce presupune folosirea sondelor cu icircngheţare zonală care să nu fie active la partea superioară
c) Puţuri pentru prospectarea balastierelor
Procedeul şi instalaţia frigorifică au avut caracter de noutate şi s-a aplicat icircncepacircnd cu anul 1966 la mai multe obiective icircn general pe văile racircurilor unde s-au construit hidrocentrale
A
A B
B
A-A
000 -300 -700 -1061 -1300
65
800
B-B
000 -300 -700 -1061 -1300
65
550
ARGILA
ARGILA
NISIP
NISIP
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
47
Echipamentul frigorific principal cuprinde un agregat frigorific pentru amoniac de 20000 kcal Nh = 233 kW rezervor de amoniac separator de lichid şi anexe - toate fiind montate pe o remorcă
S-au folosit sonde de icircngheţare cu agent frigorific icircn număr de 8 bucăţi cu diametrul exterior de 133 mm montate pe un cerc cu diametrul de 2 m la distanţa de 076 m lungimea lor fiind de 75 m Legarea sondelor la distribuitor şi colector s-a făcut cu racorduri flexibile
Sondele au o construcţie specială fiind prevăzute cu 4 pereţi transversali cu ştuţuri de preaplin formacircndu-se astfel 5 compartimente Agentul lichid se introduce icircn compartimentul cel mai de sus şi se scurge prin ştuţuri pacircnă la baza sondei Conducta de aspiraţie străbate toate compartimentele vaporii fiind aspiraţi din compartimentul cel mai de jos Circulaţia vaporilor formaţi se face ca şi a lichidului de sus icircn jos obţinacircndu-se astfel o răcire uniformă şi eficientă pe toată icircnălţimea sondei
Durata icircngheţării respectiv a formării centurii de teren icircngheţat la adăpostul căreia să se poată efectua săparea şi preluarea de probe de sol este de 10 zile
414 514 CAcircMPUL DE TEMPERATURĂ IcircN SOLUL IcircNGHEŢAT
Cacircnd prin sonda de icircngheţare circulă saramură a cărei temperatura este sub 0 ordmC practic - 20 ordmC-25 ordmC icircn jurul sondei se formează un cacircmp termic care icircn cazul unei singure sonde poate fi reprezentat prin suprafeţe cilindrice coaxiale de temperatură constantă (izoterme)
După distanţa radială se deosebesc icircn sol din punct de vedere termic trei zone zona cilindrică din imediata vecinătate a sondei care este icircn zona icircngheţată zona răcită cuprinsă icircntre suprafaţa cilindrică izotermă de 0 ordmC şi izoterma de temperatură naturală şi a treia zonă cea de temperatura naturală (fig 514)
Icircn zona icircngheţată temperatura masivului variază de la temperatura peretelui metalic al sondei pacircnă la 0 ordmC Icircn zona răcită temperatura masivului creşte de la 0 ordmC pacircnă la temperatura naturală a masivului
Figura 414 Fig 514 Cacircmpul de temperatură icircn jurul unei sonde de icircngheţare
Este important să se cunoască cacircmpul termic icircn terenul supus icircngheţării deoarece acesta oferă date privind zona de răspacircndire a consolidării rocilor prin solidificarea apei cacirct şi a
t [oC]
r [m]
t (r)
ZONA RACITA
ZONA INGHETAT
A
ts TEMPERATURA NATURALA A ROCII
-20
-10
40
10 0 20 30
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
48
rezistenţei mecanice a rocii icircngheţate Se cunoaşte faptul că rezistenţa mecanică depinde direct de temperatură
Studiul variaţiei temperaturii icircn zona de influenţă a unei sonde şi a tuturor sondelor simultan oferă posibilitatea calculării dimensiunilor la proiectarea construcţiei peretelui protector cacirct şi controlul procesului icircn timpul desfăşurării lucrărilor
Pentru a se stabili relaţia de variaţie a temperaturii icircn zona icircngheţată icircn funcţie de raza r se consideră ecuaţia diferenţială
dr
dtr2q (56)
icircn care q este fluxul unitar de căldură corespunzător lungimii de 1 m din sonda de icircngheţare Wm
- conductivitatea termica a terenului Wm
Integrarea directă a ecuaţiei analitice se poate face icircn ipoteze simplificatoare consideracircnd
= const şi q = const ceea ce este justificat la valori mari ale timpului de răcire
Se separa variabilele
r
dr
2
qdt
(57)
Se consideră cunoscute temperaturile t1 la suprafaţa sondei de raza r1 și t2 = 0 ordmC la raza r2 corespunzătoare suprafeţei exterioare a cilindrului icircngheţat Se integrează ecuaţia (6-7) și cunoscacircnd limitele de integrare se va determina constanta de integrare
Cr ln2
qt
(58)
pentru r = r1 t = t1 deci
11 rln2
qtC
(59)
1
1r
rln
2
qtt
(510)
Se pune condiţia ca pentru r = r2 t = t2
1
212
r
rln
2
qtt
(511)
Se elimina q intre relaţiile (510) și (511) şi se obţine
1
2
1121
r
rln
r
rln
tttt (512)
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
49
Figura 415 Fig 515 Schema schimbătorului de căldură subteran
Pentru t2 = 0 ordmC relaţia (5-12) devine
)rrln(
)rrln(tt
12
21 (513)
Icircn figura 515 se prezintă o secţiune axială printr-o sondă de icircngheţare şi variaţia temperaturii icircn limitele t0 - temperatura agentului de răcire şi ts - temperatura naturală a solului
Cantitatea de căldură transferată de la masivul neicircngheţat spre agentul de răcire prin unitatea de lungimea de conducta şi unitatea de timp se calculează cu expresia
221
2
1o
1
moo
os
d
1
d
dln
1
d
dln
2
1
d
1
ttq
(514)
Icircn calculele inginereşti cel mai frecvent se determină nu fluxul termic pe unitatea de lungime a conductei ci fluxul termic qF raportat la unitatea de suprafaţă a conductei metalice la 1 m2 de suprafaţa exterioară sau interioară Mărimea qF se calculează astfel
22
o
1
2
1
o
o
1
m
o
o
oS
o
F
d
d
d
dln
2
d
d
dln
2
d1
tt
d
(515)
Fluxul termic qF prin unitatea de suprafaţă a sondei de icircngheţare calculat pentru adacircncimea de 100 m icircn regim laminar de curgere a agentului de răcire prin spaţiul inelar al sondei cu viteza w = 01 ms la diametre ale cilindrului de rocă icircngheţata
de la 02 la 3 m pentru to = -20 ordmC do = 01 m 1 = 233 WmK variază de la 720 la 230 Wm2 aşa cum se poate observa din figura 516 şi tabelul 51
d2
d1
d0
t
qF
t0
t2
t1 2
m 1
m
ts
Conducta Teren icircngheţat Teren
neicircngheţat
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
50
Figura 416 Fig 516 Variaţia fluxului termic qF prin unitatea de suprafaţă a sondei de icircngheţare 1 - regim turbulent 2 regim laminar
Tabelul 51Variaţia fluxului termic qF [Wm2]
Diametrul cilindrului de rocă icircngheţată icircn m
02 04 05 08 10 15 20
qF regim laminar 1160 550 387 330 302
qF regim laminar 720 465 423 350 321 283 258
Se observă ca densitatea fluxului de căldura qF scade foarte mult de la 800900 Wm2 la icircnceputul operaţiei de consolidare prin frig a rocilor pacircnă la 230250 Wm2 cacircnd cilindrul de rocă icircngheţata atinge diametrul de 23 m Ca urmare a acestei situaţii şi puterea frigorifică a instalaţiei va scădea icircn decursul a 6080 zile tot cu raportul de 800230 = 35
Instalaţia frigorifică va fi constituită din grupuri de utilaje (module) ce vor fi scoase treptat din funcţiune pe măsură ce se reduce densitatea fluxului de căldură qF ca urmare a creşterii grosimii stratului de teren icircngheţat Icircn practică pentru calcule se va considera qF = (260290) Wm2
O mărime importanta pentru proiectarea instalaţiei şi aprecierea procesului de consolidare a rocilor este timpul de icircngheţare Pentru calculul duratei de icircngheţare se pot folosi relaţiile prezentate icircn capitolul 3 la formarea gheţii pe suprafeţe cilindrice exterioare La aprecierea valorii pentru ls - căldura latentă de solidificare se avea icircn vedere conţinutul de apă din terenul supus icircngheţării
Dacă icircntre relaţiile pentru dependenţele (r) şi qF(r) se elimină r se obţine dependenţa
qF() Eliminarea nu se poate face direct ci fie cu ajutorul calculatorului fie printr-o construcţie grafică prezentată icircn figura 517
Studiul variaţiei temperaturii icircn solul icircngheţat cacirct și variaţia icircn timp a densităţii fluxului de căldura se poate face cu ajutorul calculatorului electronic
1200
1000
800
600
400
200
0 05 1 15 2 25 3
qF [Wm2]
Diametrul cilindrului de rocă icircngheţată [m]
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
51
Figura 417 Fig 517 Stabilirea dependentei qF() pe baza dependentelor qF(r) și (r)
415 515 ELEMENTE DE PROIECTARE A INSTALAŢIEI FRIGORIFICE PENTRU IcircNGHEŢAREA SOLULUI
Pentru proiectarea instalaţiei frigorifice trebuie sa se stabilească la icircnceput elementele de baza și anume
- puterea frigorifică maximă care apare la icircnceputul perioadei de răcire cacircnd pătrunderile de căldura spre agentul de răcire din sondele de icircngheţare au valori mai mari temperatura de vaporizare a agentului frigorific plecacircnd de la temperatura minimă sau medie din solul icircngheţat şi avacircnd icircn vedere modul de răcire directă sau indirectă
Se calculează cantitatea totală de căldură ce trebuie extrasă din terenul supus răcirii şi icircngheţării Se cunoaşte structura terenului icircngheţat deci se cunosc icircnălţimile h1 h2hn ale diferitelor straturi componente cacirct şi proprietăţile termofizice ale acestora
Grosimea centurii de teren icircngheţat se stabileşte icircn urma calculelor de rezistenţa materialelor icircncacirct se pot calcula volumele ocupate de straturile componente V1 V2Vn
Cantitatea de căldură ce trebuie extrasă din zona icircngheţată cuprinde două componente și anume
cantitatea de căldura Qa corespunzătoare răcirii şi icircngheţării apei
cantitatea de căldura Qt necesara răcirii părţii solide a terenului
n
1kfgsikaakka tcltcVQ (516)
unde
k - reprezintă conţinutul icircn apă din stratul respectiv [m3m3]
a - densitatea apei [kgm3]
ca cg - căldura specifica a apei respectiv a gheţii Jkg K
tik - temperatura iniţiala a stratului respectiv (de ordinul k)
tf - temperatura medie finala a masivului icircngheţat
ls - căldura latentă de solidificare a apei
r
q
q
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
52
fik
n
1kkkkkt ttc1VQ
(517)
k - densitatea părţii de teren solid (uscat) din stratul k
ck - căldura specifică a terenului uscat din stratul k
Cantitatea de căldură extrasă din terenul răcit reprezintă circa 1018 din cantitatea de căldură extrasă din zona de teren icircngheţat
Deci cantitatea totală de căldură Q ce va trebui preluată de către instalaţia frigorifică se poate aprecia astfel
Q = (110118) (Qa + Qt) (518)
Cu relaţia (51) se calculează puterea frigorifica a instalaţiei adoptacircnd o valoare medie pentru densitatea fluxului de căldura qF
Se poate aprecia timpul de funcţionare a instalaţiei frigorifice
o
Q
(519)
La anumite grosimi ale cochiliei de teren icircngheţat icircn jurul sondei densitatea fluxului termic scade sub valoarea medie adoptată icircn calcule şi ca urmare icircncepacircnd de la acest moment se va putea reduce treptat puterea frigorifica a instalaţiei prin scoaterea din funcţiune a unor grupuri
La proiectare se pot avea icircn vedere unele recomandări practice pentru stabilirea necesarului de frig pentru icircngheţarea unui m3 la -10 ordmC este necesar un consum specific de frig de 66000 kJ la 10 umiditate de 155000 kJ la 35 umiditate și de 210000 kJ la 50 umiditate
42 52 RĂCIREA BETONULUI LA CONSTRUCŢIILE MASIVE
421 521 INSTALAŢII DE PRERĂCIRE A COMPONENTELOR BETONULUI
Formarea betonului din elementele sale componente (nisip pietriş ciment şi apă) este icircnsoţită de fenomene fizico - chimice icircn care se degajă căldură şi ca urmare temperatura acestuia creşte Icircn cazul unor masive din beton (baraje) dacă viteza de turnare (icircn sezonul cald cacircnd se efectuază construcţia) este mai mare şi nu se asigura evacuarea căldurii corpul rezultă la o temperatura medie mai mare decacirct temperatura medie anuală Răcirea naturală conduce la contracţia masivului şi ca urmare la apariţia sub acţiunea tensiunilor interne a unor fisuri
Pentru ca variaţiile de temperatura icircntre centrul barajului şi straturile exterioare să fie cacirct mai mici se impune ca masivul respectiv să fie turnat la temperatura medie anuală a zonei respective Icircn acest scop se pot folosi două metode prin prerăcirea componentelor betonului și prin răcirea masei barajului
Icircn vederea reducerii căldurii degajată icircn reacţia dintre ciment şi apă au fost realizate sortimente de ciment caracterizate prin călduri masice reduse ce se degajă icircn procesul de priză
Prin prerăcirea componentelor betonului se urmăreşte ca betonul sa aibă temperatura medie a locului de amplasament şi prin aceasta evitarea apariţiei unor diferenţe mari de temperatură ce pun icircn pericol construcţia
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
53
Icircn funcţie de valoarea diferenţei de temperatură care trebuie realizată se poate adopta o anumită schemă de răcire pentru fiecare component icircn parte sau numai pentru unele din aceste părţi componente
Se pot folosi instalaţii frigorifice cu comprimare mecanică de vapori pentru răcirea apei a aerului sau formarea gheţii mărunte utilizate la prerăcirea componentelor betonului Folosirea gheţii fulgi sau solzi este limitată atacirct din cauza conţinutului de apă impus cacirct şi ca urmare a pericolului ca gheaţa să nu se topească icircn procesul de malaxare ci la turnare sau icircn procesul de priză ceea ce duce la formarea de goluri icircn beton
De asemenea se pot folosi instalaţiile frigorifice cu ejecţie
Icircn vederea stabilirii necesarului de frig pentru preratildecirea componentelor betonului se calculează mai icircntacirci cantitatea de catildelduratilde Qo1 ce trebuie evacuatatilde dintr-un m3 de beton avacircndu-se icircn vedere proporţiile icircn care participatilde cimentul nisipul pietrişul şi apa Fiecare component are o temperatură iniţialatilde şi urmeazatilde a fi răcit pacircnatilde la o temperatura finalatilde tf aceeaşi pentru toţi componenţii
fpppfnnnfccc1o ttcmttcmttcmQ
fnaanfpaapfaaa ttcmttcmttcm Jm3 (520)
unde
mc mn mp ma - masele de ciment nisip pietriş şi apă conţinute icircntr-un m3 de beton [kgm3]
cc cn cp cw - căldurile specifice masice ale cimentului nisipului pietrişului şi nisipul dintr-un m3 de beton [kgm3]
Puterea frigorifică se determină cu relaţia
3b1oo 10VQ [kW] (521)
icircn care bV reprezintă fluxul de betonare icircn m3s
Se prezintă icircn continuare cele mai folosite metode de prerăcire a componentelor betonului
4211 a) Instalaţie de prerăcire cu apă
Staţia de preparare a betonului este deservită de o instalaţie frigorifică cu comprimare mecanică de vapori care asigură răcirea apei
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
54
Figura 418 Fig 518 Schema de lucru a instalaţiei de prerăcire a betonului cu ajutorul apei 1 - ciment 2 - vagon nisip 3 - vagon pietris 4 - tancuri de răcire a pietrişului 5 - sită 6 - siloz de
nisip 7 - siloz de ciment 8 - rezervor de distribuţie 9 - răcitor de nisip 10 - răcitor de ciment 11 - răcitor de apă 12 - rezervor de apă răcită 13 - răcitor de apă 14 - instalaţie de prepararea betonului
I II III IV V - fazele de răcire a pietrişului
Icircn figura 518 se prezintă schema de lucru a unei asemenea instalaţii de prerăcire a betonului cu ajutorul apei folosită la construcţia barajului de la Detroit (SUA) Apa este răcită de la 16 la 15 ordmC şi transmisă apoi la instalaţia de preparare a betonului şi icircn cinci rezervoare a cacircte 90 m3 fiecare icircn care se răceşte pietrişul
Procesul de răcire a pietrişului cuprinde cinci faze
- faza I - introducerea apei icircn rezervor 10 minute
- fazele II şi III - introducerea simultană a apei şi a pietrişului 50 minute
- faza IV - evacuarea apei 15 minute
- faza V - evacuarea pietrişului 15 minute
Icircntregul proces de răcire a pietrişului durează 90 minute Pentru răcirea cimentului şi nisipului se utilizează schimbătoare de căldură cu ax elicoidal la care apa de răcire circulă prin arborele gol şi prin manta
Rezervoarele 12 pentru apa răcită au fiecare volumul de 114 m3
Beton 635oC
190 m3h
65oC
24oC
18oC
1
2
3
4
5
6
7
8
10
9
11
12
13
14
Apă 16oC
15oC
Cim
en
t
26 l
h
Nis
ip 1
12
lh
10
oC
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
55
42111 Aplicaţie numerică
Să se calculeze puterea frigorifică necesară prerăcirii betonului prin metode şi condiţiile prezentate mai sus Se cunosc următoarele date de calcul
mp = 1700 kgm3 beton
mc = 135 kgm3 beton
mn = 590 kgm3 beton
ma = 60 kgm3 beton
cc = cn = cp = 921 Jkg K
ca = 4180 Jkg K
map = 16 kgm3 beton
man = 38 kgm3 beton
tp = 18 ordmC
tc = 66 ordmC
tn = 21 ordmC tf = 635 ordmC
052803000
190Vb m3s
Se calculează componentele cantităţii de căldură Q01
3fcccc 10741735666921135ttcmQ Jm3
3fnnnn 10796135621921590ttcmQ Jm3
3fpppp 1024018356189211700ttcmQ Jm3
3faaaa 10420235616418060ttcmQ Jm3
3fpaapap 1077935618418016ttcmQ Jm3
3fnaaan 10232735621418038ttcmQ Jm3
Rezulta
3anapapnc1o 1039144QQQQQQQ Jm3
3o 10 206705280103914410VQ 33
b1o kW
4212 b) Instalaţii de prerăcire cu aer apă
Pentru răcirea componentelor betonului se utilizează icircn acest caz fie apa fie aerul ca agenţi intermediari răciţi cu ajutorul instalaţiilor frigorifice
Icircn figura 519 se prezintă schema unei asemenea instalaţii folosită la construcţia barajului de la Sariyar din Turcia
Răcirea aerului se poate face fie direct prin vaporizarea unui agent frigorific fie indirect cu un agent intermediar de răcire ca de exemplu saramura de clorură de calciu Aerul răcit pacircnă la -6 ordmC este suflat icircn silozurile cu pietriş de dimensiuni icircntre 4150 mm
Apa răcită icircn bazinul la pacircnă la 05 ordm este trimisă din colectorul 12 la staţia de preparare a betonului servind la scăderea temperaturii acestuia
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
56
Figura 419 Fig 519 Schema instalaţiei de prerăcire a betonului cu aer şi apă 1 - compresor 2 - condensator 3 - ventile de laminare 4 - vaporizatoare 5 - bazin de răcire a
saramurii 6 - pompă de saramură 7 - răcitor umed de aer 8 - ventilatoare 9 - silozuri de pietriş 10 - bazin de răcire a apei 11 - pompă 12 - colector de apă răcită
Figura 420 Fig 520 Schema instalaţiei de prerăcire cu aer şi apă 1 - siloz de pietriş şi nisip 2 - siloz de ciment 3 rezervor de apă 4 - răcitor de aer 5 - răcitor de apă
4 - răcitor de apă 6 - buncăr de sortare 7 - instalaţie de preparare beton
Pentru intensificarea procesului de răcire a pietrişului aerul este răcit sub 0 ordmC Acest procedeu are avantajul unei funcţionări fără icircntrerupere a procesului de preparare a betonului dar prezintă şi o serie de dezavantaje debite foarte mari de aer de răcire posibilitatea antrenării particulelor fine de agregat icircn răcitorul de aer şi depunerea acestora pe suprafaţa de schimb de căldură Ca urmare instalaţia se va curăţa la circa 14 zile Icircn figura 520 se prezintă o altă schemă de instalaţie de prerăcire a betonului cu aer şi apă folosită la construcţia unui baraj din India
Apă
295oC
Ciment
433oC
Pietriş şi nisip
378oC
Apă 6oC
Ciment 433oC
Aer
Pietriş
45oC Nisip 222oC
22oC
Ap
ă
45
oC
Ap
ă 2
2o
C
Ae
r 5
5o
C
Be
ton
12
8o
C
Apă 22oC
2
1
3 4 5
8
9
5 7
12
1oC
11
05oC 9oC 9oC
-9oC
-10oC -10oC
-10oC 2oC
6oC
10 4 4 6
8 8
8
8 8
9 9 9 9
1
2
3 3
7
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
57
Pietrişul şi nisipul se separă icircntre ele icircn buncărul de sortare 6 şi apoi fiecare circulă pe cacircte o bandă transportoare prin camera de răcire 7 Pietrişul este răcit cu ajutorul apei
Fig
ura
42
1 F
ig 5
21
Sc
he
ma
in
sta
laţi
ei
de
ră
cir
e icirc
n v
id a
co
mp
on
en
telo
r b
eto
nu
lui
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
58
reci icircncacirct ajunge la o temperatură mai scăzută decacirct nisipul răcit cu aer Prin camera 7 se circulă şi aer rece care se introduce la temperatura de 55 ordmC Cimentul se introduce la instalaţia de preparare a betonului 9 fără a fi răcit
O altă posibilitate de prerăcire a agregatelor (pietriş şi nisip) şi a apei utilizată mai recent la construirea barajelor icircntrebuinţează răcirea icircn vid la care agregatele uşor umezite icircn recipiente sub presiune se răcesc după nevoie (prin reglarea vacuumului) la o temperatură mai scăzută sau mai ridicată Căldura necesară evaporării umidităţii de pe agregate şi din ele (apa legată) este luată chiar de la corpurile respective (pietriş nisip) şi ca urmare acestea se răcesc
O asemenea instalaţie utilizată la Hortwell icircn SUA (figura 521) cuprinde 3 recipienţi de cacircte 150 m3 pentru răcirea pietrişului şi 3 recipienţi de cacircte 80 m3 pentru răcirea nisipului
Pietrişul şi nisipul cu temperatura maximă de 43 ordmC se pot răci pacircnă la temperatura necesară de 45 ordmC Pentru realizarea vidului necesar se folosesc două cazane de abur care produc 77 th fiecare
422 522 RĂCIREA INTERIOARĂ A MASIVULUI DE BETON
Prerăcirea betonului se recomandă icircn condiţiile unei zone tropicale sau temperate de amplasare a construcţiei masive nu se recomandă icircn cazul amplasării barajului icircn munţi unde temperatura aerului este scăzută Icircn asemenea situaţii se recomandă răcirea betonului prin conducte amplasate icircn masiv prin care circulă apă rece
La răcirea interioară cu conducte montate icircn beton are loc o eliminarea a căldurii simultan cu producerea ei icircn procesul de priză producacircndu-se şi o răcire pacircnă la temperatura necesară Pentru răcire se folosesc conducte de oţel cu diametre de 1525 mm montate la distanţe de 1223 m icircn plan orizontal şi de 153 m icircn plan vertical Lungimea conductelor icircntr-un m3 de beton este de 0204 şi a fiecărei serpentine de 140250 m
Debitul apei de răcire ce circulă prin 1 m3 de beton este de (0553) dm3h
Figura 422 Fig 522 Reţea de conducte de răcire a betonului icircn secţiunea unui baraj 1 - galerie pentru măsurători 2 - galerie de conducte de apă de răcire
Serpentinele se montează şi se fixează pe suprafaţă de beton (fig522) Capetele serpentinelor se leagă de o coloană verticală prin mufe metalice sau de cauciuc Diametrul distribuitorului şi al coloanei este cuprins icircntre 150200 mm După montaj aceste conducte se verifică la presiunea de lucru
1 2
Ax
a
ba
raju
lui
Determinarea necesarului de căldură și apă caldă pentru un imobil
19
interioara λ 093 WmmiddotK Conductivitate termica
Rt 0026882 m2middotKW Rezistenta termica
Zidarie BCA δ 03 m Grosime
λ 014 WmmiddotK Conductivitate termica
Rt 2142857 m2middotKW Rezistenta termica
Tencuioala exterioara
δ 0025 m Grosime
λ 093 WmmiddotK Conductivitate termica
Rt 0026882 m2middotKW Rezistenta termica
Vata bazaltica δ 01 m Grosime
λ 0037 WmmiddotK Conductivitate termica
Rt 2702703 m2middotKW Rezistenta termica
Placa fibrocement
δ 001 m Grosime
λ 02 WmmiddotK Conductivitate termica
Rt 005 m2middotKW Rezistenta termica
Tencuiala decorativa
δ 0005 m Grosime
λ 093 WmmiddotK Conductivitate termica
Rt 0005376 m2middotKW Rezistenta termica
K11 = 1
1
120572119894+
1205751
1205821+
1205752
1205822+
1205753
1205823+
1205754
1205824+
1205755
1205825+
1205756
1205826+
1
120572119890 =
11
8 +
0025
093+
03
014+
0025
093+
01
0037+
001
02+
0005
093+
1
22
K11 = 0194943188 Wm2C
S11 = h middot lp = 3 middot 3901 = 11703 m2
h - inaltimea peretelui [m]
lp - lungimea perimetrala a peretelui [m] (din care s-au scazut suprafetele vitrate)
Δt = ti - te = 22 + 15 = 37degC
ti - temperatura interioara
te - temperatura exterior
Q11 = K11 middot S11 middot Δt = 0194943188 middot 11703 middot 37 = 8441254483 W
Perete exterior
ti 22 degC αi 8 Wm2 k
te -15 degC αe 22 Wm2 k
δ1 0025 m λ1 093 Wmk tp1 2109758812 degC
δ2 03 m λ2 014 Wmk tp2 2090352105 degC
δ3 0025 m λ3 093 Wmk tp3 5433603161 degC
δ4 01 m λ4 0037 Wmk tp4 523953609 degC
δ5 001 m λ5 02 Wmk tp5 -1427207206 degC
δ6 0005 m λ6 093 Wmk tp6 -1463303681 degC
tp7 -1467185023 degC
q 7219295 W
Determinarea necesarului de căldură și apă caldă pentru un imobil
20
Figura 28
Q12 - fluxul termic pierdut prin podea
Specificatii podea
Placa fibrocement
δ 001 m Grosime
λ 02 WmmiddotK Conductivitate termica
Rt 005 m2middotKW Rezistenta termica
Sapa δ 01 m Grosime
λ 0035 WmmiddotK Conductivitate termica
Rt 2857143 m2middotKW Rezistenta termica
Polistiren extrudat
δ 005 m Grosime
λ 0033 WmmiddotK Conductivitate termica
Rt 1515152 m2middotKW Rezistenta termica
K12 = 1
1
120572119894+
1205751
1205821+
1205752
1205822+
1205753
1205823+
1
120572119890 =
11
8 +
001
02+
01
0035 +
005
0033+
1
0
= 0219911 Wm2C
S12 - amprenta la sol a casei = 12296 m2
Δt = ti - te = 22 - 15 = 7degC
Temperature pentru podea este de 15degC
Q12 = K12 middot S12 middot Δt = 0219911 middot 12296 middot 7 = 1892818 W
Podea
ti 22 degC Αi 8 Wm2 k
te 15 degC Αe 0 Wm2 k
δ1 001 m λ1 02 Wmk tp1 2180757789 degC
Determinarea necesarului de căldură și apă caldă pentru un imobil
21
δ2 01 m λ2 0035 Wmk tp2 2173060904 degC
δ3 005 m λ3 0033 Wmk tp3 1733238927 degC
δ4 m λ4 Wmk tp4 15 degC
δ5 m λ5 Wmk tp5 degC
δ6 m λ6 Wmk tp6 degC
tp7 degC
q 1539377 W
Figura 29
Q13 - fluxul termic pierdut prin tavan
Specificatii tavan
Tencuiala δ 002 m Grosime
λ 093 WmmiddotK Conductivitate termica
Rt 0021505 m2middotKW Rezistenta termica
Placa beton armat
δ 013 m Grosime
λ 174 WmmiddotK Conductivitate termica
Rt 0074713 m2middotKW Rezistenta termica
Sapa δ 003 m Grosime
λ 026 WmmiddotK Conductivitate termica
Rt 0115385 m2middotKW Rezistenta termica
Vata bazaltica δ 015 m Grosime
λ 0037 WmmiddotK Conductivitate termica
Determinarea necesarului de căldură și apă caldă pentru un imobil
22
Rt 4054054 m2middotKW Rezistenta termica
Placa nivelanta δ 002 m Grosime
λ 026 WmmiddotK Conductivitate termica
Rt 0076923 m2middotKW Rezistenta termica
K13 = 1
1
120572119894+
1205751
1205821+
1205752
1205822+
1205753
1205823+
1205754
1205824+
1205755
1205825 +
1
120572119890 =
11
8+
002
093+
013
174+
003
026+
015
0037+
002
026+
1
22
K13 = 0219736 Wm2C
S13 = S12 = 12296 m2
Δt = ti - te = 22 + 15 = 37degC
Q13 = K13 middot S13 middot Δt = 0219736 middot 12296 middot 37 = 1000 W
Tavan
ti 22 degC αi 8 Wm2 k
te -15 degC αe 22 Wm2 k
δ1 002 m λ1 093 Wm k tp1 209751906 degC
δ2 013 m λ2 174 Wm k tp2 207988793 degC
δ3 003 m λ3 026 Wm k tp3 2018634954 degC
δ4 015 m λ4 0037 Wm k tp4 1924037163 degC
δ5 002 m λ5 026 Wm k tp5 -1399669009 degC
δ6 m λ6 Wm k tp6 -1462734204 degC
tp7 degC
q 8198475 W
Determinarea necesarului de căldură și apă caldă pentru un imobil
23
Figura 210
Q14 - fluxul temic pierdut prin suprafetele vitrate
Am ales un geam temopan cu trei randuri de sticla și cu tamplarie de lemn
K14 = 06 Wm2C
S14 = 2728 m2 suprafata ocupata de geamuri
Δt = ti - te = 22 + 15 = 37degC
Q14 = K14 middot S14 middot Δt = 06 middot 2728 middot 37 = 605616 W
Fereastra
ti 22 degC αi 8 Wmpk
te -15 degC αe 22 Wmpk
δ1 0005 m λ1 075 Wmk tp1 1992074356 degC
δ2 0018 m λ2 00177 Wmk tp2 1980984988 degC
δ3 0005 m λ3 075 Wmk tp3 2893865242 degC
δ4 0018 m λ4 00177 Wmk tp4 2782971565 degC
δ5 0005 m λ5 075 Wmk tp5 -1413301307 degC
δ6 m λ6 Wmk tp6 -1424390675 degC
tp7 degC
q 1663405 W
Determinarea necesarului de căldură și apă caldă pentru un imobil
24
Figura 211
Q1 = Q11 + Q12 + Q13 + Q14 = 8441254483 + 1892818 + 1000 + 605616
Q1 = 263871712 W
212 Mers de calcul pentru Q2
Q2 = n middot Q1
n - numarul de schimburi (07 08 1)
Q1 - fluxul de căldura pierdut prin transmisie
Q2 = 1 middot 263871712 =gt Q2 = 263871712 W
213 Mers de calcul pentru Q3
Q3 = 119898 middot119862119908 middot(119905119887minus119905119903)
120591 middot3600 [kW]
m - cantitatea de apa calda preparata [Kg]
m = n middot czn middot ρ [Kg]
ρ = 1000 Kgm3- densitatea apei [Kgm3] n = 4 - numarul de locatari =gt n
czn - consumul zilnic de persoana [l] gtgtgt czn = l middot 1000 = m3
Un consum de acm specific unui nivel de confort mediu la o temperature de 45degC vom avea un czn = 50 l de persoana
cw - căldura specifica a apei [KJKgC] =gt cw = 4186 KJKgmiddotC
tb - temperatura apei din boiler [C] =gt tb = 50degC
tr - temperatura apei de intrare [C] =gt tr = 10degC
Icircn general avem vara tr = 1217degC iar iarna tr = 5hellip10degC
120591 - timpul icircn care este incalzita apa [h] =gt 120591 = 4h
m = 4 middot (50 middot 1000) middot 1000 m = 200 Kg
Q3 = 200 ∙4186 ∙(50 ∙10)
4 ∙3600 =gt Q3 = 2325555556 W
Q = Q1 + Q2 + Q3 = 263871712 + 263871712 + 2325555556
Q = 7602989795 W =gt Q = 76 KW
Calculul necesarului de frig pentru depozit de fructe
25
3 Calculul necesarului de frig pentru depozit de fructe
31 31 Calculul grosimii izolatiilor
Regimul de funcţionare al spaţiilor frigorifice caracterizat prin valori coboracircte ale temperaturilor prin variaţia rapidă a acestora şi prin umiditatea mare a aerului icircncăperilor impune pentru izolaţiile termice ale pereţilor planşeelor şi pardoselilor condiţii deosebite Pereţii spaţiilor frigorifice despart două medii cu temperaturi diferite Fluxul de căldură ce pătrunde din exterior icircn camere care trebuie preluat de instalaţia frigorifică este direct proporţional cu diferenţa de temperatură dintre cele două feţe ale peretelui şi cu coeficientul global de transmitere a căldurii Izolarea se execută la spaţiile răcite atacirct la pereţi cacirct şi la tavan şi podea şi are ca rol icircmpiedicarea apariţiei condensului pe suprafaţa caldă a pereţilor incintelor frigorifice
Figura 31 Fig13 Variaţia de temperatură prin peretele termoizolant
Din exploatarea frigoriferelor se cunoaşte că prin icircnvelişul exterior al spaţiilor frigorifice trece icircn majoritatea cazurilor mai mult de jumătate din cantitatea totală de căldura ce pătrunde icircn icircncăperi Această cantitate de căldură se poate reduce prin majorarea grosimii stratului termoizolant Dar reducerea infiltraţiilor de căldură icircn acest tel nu se poate face nelimitat deoarece la o anumită grosime a stratului izolant adică la o anumită valoare a coeficientului k de transfer al căldurii costul construcţiei izolate va fi mai mare decacirct costul energiei ce reprezintă frigul economisit prin majorarea grosimii izolaţiei
De aceea se obişnuieşte a se folosi icircn calcule valori optime ale coeficientului k de transfer al căldurii calculacircndu-se astfel o grosime optimă a izolaţiei termice
Pentru izolarea pereţilor camerelor se vor folosi panouri tip sandwichFig15
Calculul necesarului de frig pentru depozit de fructe
26
Figura 32 Fig15 Construcţia panourilor de tip sandwich
Rolul panourilor plastifiate este de a preicircntacircmpina pătrunderea vaporilor icircn interiorul izolaţiei eliminacircnd necesitatea barierei de vapori Panourile folosesc metoda de icircmbinare nut-feder reducacircndu-se astfel transferul de căldură cu mediul extern
Deoarece avem un singur depozit vom adopta coeficienţii de transfer de căldură prin
convecţie funcţie de t
Aleg pentru t = = te - ti = 318 - 1 = 308 0C k = 023 Wm2K
Din catalogul de produse INCOLD Italia se alege poliuretan 100 mm = 0023 WmK
Tablă din oţel galvanizat plastifiat
Calculul necesarului de frig pentru depozit de fructe
27
Tabelul 317 Tabel24 Calculul grosimi izolației
ei
i
i
izizk
111
Coeficientul global de transfer de căldură se determină utilizand relaţia
eiz
iz
i
i
i
k
11
1
n
i i
i
1
- suma rezistenţelor termice ale tuturor straturilor din care este realizat
peretele[m2KW]
iz - grosimea stratului de izolaţie termică [m]
iz - conductivitatea termică a materialului izolator [WmK]
e - coeficient de convecţie pe partea exterioară a peretelui [WmK]
i - coeficient de convecţie pe partea interioară a peretelui [WmK]
32 32 Bilantul caloric al spatiului climatizat pe timp de vară Necesarul de frig pentru frigorifer
Se stabileşte consumul zilnic de frig pe icircntreg frigoriferul şi pentru fiecare icircncăpere icircn parte luacircndu-se icircn considerare cele mai nefavorabile condiţii de lucru
temperatura aerului exterior pentru luna cea mai caldă a anului
icircncărcarea maximă şi simultană a camerelor de refrigerare
Spaţiul frigorific
Perete k αi αe 1αi 1αe R 1k λiz
δiz
calc δiz
ales Kr
[Wm2K] [m2KW] [WmK] [m] [m]
N 0229 10 18 010 006 0590 4367 0023 0097 0100 023
E 0224 10 12 010 008 0618 4464 0023 0098 0100 023
DR S 0221 10 12 010 008 0618 4525 0023 0100 0100 023
V 0223 10 12 010 008 0618 4484 0023 0099 0100 023
T 0221 10 12 010 008 0618 4525 0023 0100 0100 023
P 0228 10 0 000 000 0435 4386 0023 0000 0100 023
N 0221 25 12 004 008 0558 4525 0023 0101 0100 023
E 0224 25 12 004 008 0558 4464 0023 0100 0100 023
CP S 0224 25 12 004 008 0558 4464 0023 0100 0100 023
V 0223 25 12 004 008 0558 4484 0023 0100 0100 023
T 0221 25 12 004 008 0558 4525 0023 0101 0100 023
P 0228 25 0 000 000 0435 4386 0023 0000 0100 023
Calculul necesarului de frig pentru depozit de fructe
28
camerele vecine celei căreia i se face calculul necesarului de frig sunt goale şi au temperatura vestibulului sau a sasului
Aceste calcule determină necesarul de frig pe categorii de consumatori grupaţi după temperatura cerută şi permit stabilirea puterilor frigorifice icircn vederea proiectării instalaţiei
Pentru calculele termice sunt necesare următoarele
planul frigoriferului care a fost stabilit
dimensiunile camerelor
temperaturile necesare icircn fiecare cameră
Se consideră
1degC icircn depozitele de refrigerate
orientarea frigoriferului după punctele cardinale
condiţii climatice icircn lunile cele mai călduroase pentru zona geografică respectivă
Consumul de frig se calculează pentru 24 ore cu relaţia
Qnec = Q1 + Q2 + Q3 + Q4 [kcal24h]
Q1 - neeesarul de frig pentru acoperirea pătrunderilor de căldură prin cenvecţie
conducţie şi radiaţie din mediul icircnconjurător prin pereţi pardosea și plafon
Q2 - necesarul de frig tehnologic pentru procesele de răcire refrigerere şi
congelare eliminarea căldurii de respiraţie seu pentru unele procese chimice şi
biochimice
Q3 - necesarul de frig pentru ventilarea camerelor frigorifice cu aer proaspat care
trebuie racit şi uscat
Q4 - necesarul de frig rezulticircnd din condiţii de exploatare acoperirea căldurii
provenite din iluminat din funcţionarea motoarelor căldura provenită de la persoanele ce
manipulează produsele datorită deschiderii uşilor etc
321 Consumul de frig Q1
Se determină pentru fiecare spaţiu icircn parte cu relaţia
RttkFQ1 [ W ]
F - reprezintă suprafaţa pereţilor a pardoselei şi a plafonului corespunzător fiecărui
spaţiu frigorific icircn parte icircn m2 Ca suprafaţă de transfer se va considera suprafaţa
exterioară a perimetrului izolat termic
k - reprezintă coeficientul global de transmitere a căldurii prin convecţie conducţie şi radiaţie
prin pereţi plafon şi pardoseală (toate izolate termic) icircn [W(m2 middot grd)] Valoarea coeficientului k a
fost calculată icircn tabelul 24 (kr)
Δt - reprezintă diferenţa de temperaturi dintre temperatura exterioară suprafeţei de
transfer termic considerată şi temperatura interioară spaţiului frigorific
Calculul necesarului de frig pentru depozit de fructe
29
Diferenţa de temperatură ΔtR se ia icircn consideraţie numai la pereţii exteriori şi la
plafoane care sunt şi acoperiş pentru clădire
ΔtR = 0degC pentru pereţi exteriori orientaţi spre N
ΔtR = (5 10)degC pentru pereţi exteriori orientaţi spre E V S-E S-V
ΔtR = 15 degC pentru pereţi exteriori orientaţi spre S
ΔtR = (15 18)degC pentru plafoane care sunt şi acoperiş (terasă)
Calculul valorilor mărimii sumQ1 se recomandă a se efectua tabelar conform tabelului 25
Valoarea mărimii sum Q1 la aparate se obţine prin icircnsumarea fluxurilor termice prin toate cele 6 suprafeţe delimitatoare
La stabilirea valorii mărimii sum Q1 se consideră doar unul dintre fluxurile termice prin suprafeţele ce separă spaţiile frigorifice vecine Pentru aparatele de răcire din spaţiile frigorifice se consideră situaţia cea mai grea pentru fiecare spaţiu icircn parte respectiv că spaţiile vecine nu sunt răcite
Spaţiul frigorifi
c
Perete
Dimensiuni
Supraf F
[m2]
Kr [Wm2K]
Δt [grd]
Δtr
Q1 [W] sumQ1 q a [m]
b [m]
N 15 4 60 023 308 42504
246068
708
E 7 4 28 023 308 8 24987 892
DR S 15 4 60 023 185 15 46202 770
V 7 4 28 023 308 19835 708
T 15 7 105 023 308 74382 708
P 15 7 105 023 158 38157 363
N 7 4 28 023 185 11914
133566
426
E 7 4 28 023 268 8 22411 800
CP S 7 4 28 023 268 15 26919 961
V 7 4 28 023 185 11914 426
T 7 7 49 023 268 30204 616
P 7 7 49 023 268 30204 616
Tabelul 318 Tebel25 Calculul valorilor mărimii Q1
322 Necesarul de frig Q2
sum Q2 - necesarul de frig tehnologic pentru procesele de răcire refrigerare şi
congelare
Q2d = mcp(tc-ti)=500003644 = 4186000(243600)= 842 kW
Q2c = 2600036419 = 1798160 = 208 KW
Q2 = 208 + 842 = 293 = 30kW
unde
Q2d - necesarul de frig tehnologic depozit
Q2c - necesarul de frig tehnologic camera de preracire
Calculul necesarului de frig pentru depozit de fructe
30
m - cantitatea de produse introduse icircn tunelul de congelare icircn kg
te ti - temperaturi specifice corespunzătoare temperaturii iniţiale a produsului cald
(24 ordmC) respectiv temperaturii finale a produsului refrigerat (1 ordmC)
Căldura specfifică mere cp = 364 [kJkgK]
323 Necesarul de frig Q3
Icircn funcţie de natura produselor din spaţiul frigorific este necesar uneori să se realizeze ventilarea spaţiului prin asigurarea unui anumit număr de schimburi ale aerului din incintă icircn 24h Ca exemplu icircntotdeauna va fi necesară ventilarea prin introducere de aer proaspăt icircn spaţiile de păstrare pentru legume fructe şi ouă refrigerate Aceste produse vii respiră icircn timpul păstrării şi necesită icircn consecinţă ventilarea spaţiilor de păstrare
Acest consum de frig se ia icircn considerare doar la depozitele de refrigerare care se ventilează Se stabilește cu relația
Q3 = V ∙ a ∙ ᵖi ∙ (hex - hi) [kJ24]
V - volumul camerelor ventilateicircn m3
a = 24 schimburi pe zi pentru depozitele de mere
ᵖi - reprezintă densitatea aerului la temperature interioară icircn kgm3
Pentru depozitele de refrigerare considerăm umiditatea relativă ᵠi = 95 și ti=1 ordmC
rezultacircnd icircn acest caz hi= 9 kJkg
Parametri aerului exterior pentru zona icircn care este amplasat depozitul sunt temp ex 318
și umiditatea ext 60 rezultand din diagram mollier entalpia aerului Calcul facut icircn
programul Coolpack
ρi = 12 kgm3
hex = 7519 kJkg
Q3 = 616 2 12 (7519 - 9) (243600)= 00025 kW
324 Necesarul de frig Q4
Q4 - frigul consumat pentru acoperirea pierderilor icircn timpul exploatarii datorat deschiderii
usilor a corpurilor de iluminat a motoarelor electrice a oamenilor Se admite Q4 =
(01hellip04)Q1
Q4 = 02 379617 = 759234 = 008 kW
Qtotal = sum 119824120783 + Q2 + Q3 + Q4 = 004 + 30 + 000025 + 008 = 3012 = 31 kW
33 33 Stabilirea directiei raportului de termoumiditate și trasarea procesului de conditionare a aerului pe diagrama i-X pe timp de vară
Icircn fig16 este reprezentat un agregat pentru condiţionarea aerului pe timp de vară cu recirculare parţială
Calculul necesarului de frig pentru depozit de fructe
31
Figura 33 Figura16 Schema aparatului de condiţionare a aerului pe timp de vară cu recirculare parţială
F - filtru V - vaporizator C - compressor K - condensator VL - ventil de laminare I - icircncălzitor Vt - ventilator
Procesele de lucru pot fi reprezentate icircn diagrama h-x ca icircn figura următore
Figura 34 Fig17
A reprezintă starea aerului recirculat provenit din spaţiul condiţionat iar E este starea aerului exterior
Aerul tratat icircn aparatul de condiţionare care se introduce icircn incintă avacircnd starea B
trebuie să preia degajările de căldură Qv [kW] şi de umiditate Wv [kgs]
Direcţia procesului suferit de aer icircn incintă este dată de raportul de termoumidificare εv
= Qv Wv
Prin punctul A se trasează dreapta avacircnd raportul de termoumidificare εv iar punctul B se fixează pe această dreaptă adoptacircndu-se o anumită diferenţă de temperatură faţă de starea A
Aerul recirculat A se amestecă cu aerul proaspăt E şi rezultă starea de amestec M De regulă xM gt xB deci aerul va trebui să fie uscat
Pe verticala din B se fixează starea D avacircnd xD= xB şi ᵩD = 90hellip98
Calculul necesarului de frig pentru depozit de fructe
32
Se uneşte M cu D iar apoi se prelungeşte acest segment pacircnă la intersecţia cu ϕ = 100 rezultacircnd starea P avacircnd temperatura tp
Circulacircnd aerul cu starea M peste o suprafaţă rece avacircnd temperatura tp se va obţine procesul de răcire şi uscare MD
Temperatura suprafeţei tp se asigură cu o instalaţie frigorifică a cărei temperature de vaporizare va fi t0 lt tp
Ultimul proces din aparatul de condiţionare va fi icircncălzirea finală DB
Calculul agregatului de condiţionare a aerului pe timp de vară se efectuează asemănător cu cel a agregatului de condiţionare a aerului pe timp de iarnă cu observaţia că pe timp de vară nu este necesară umidificarea
331 Date
Vtotal = 616 m3 tint = 1ᵒC tex = 318 φint = 90 φext = 60 ρaer = 12 [kgm3]
Starea A
tA = ti + 3 = 4deg xA = 00043[kj
kg] φA = 86 hA = 1489[
kj
kg]
Starea B
tB = 1degC xB = 00036 [kj
kg] φB = 90 hB = 1024[
kj
kg]
Starea E
tE = 318degC xE = 00171[kj
kg] φE = 60 hE = 7519[
kj
kg]
Starea M
hM =hE + n ∙ hA
n + 1=
7513 + 20 ∙ 1489
21= 1775[
kj
kg]
xM =xE + n ∙ xA
n + 1=
00171 + 20 ∙ 00043
21= 00049[
kj
kg]
Rezulta din diagrama Mollier
Starea D
hD = 108 [kj
kg] xD = 0003[
kj
kg] φD = 97
Raportul de recirculare n = 20
Debitul de aer ventilat V =Vtotal∙20
24h=
616lowast20
24= 513 [m3h]
Debitul masic m = V ∙ ρaer = 513 lowast 12 =
6156[kg
h]
3600= 0171 [kgs]
tp = minus3degC t0 = tp minus 9degC = minus3 minus 9 = minus12degC
Puterea termica a vaporizatorului ( puterea frigorifică )
ФV = Ф0
Puterea termica a icircncalzitorului
ФI = 119898 ∙ (hB - hD)
Cantitatea de apa condensată icircn unitatea de timp pe suprafața de racire este
Calculul necesarului de frig pentru depozit de fructe
33
ẆV = 119898 ∙ (XM - XD)
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
34
4 Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
Există două domenii principale icircn care se utilizează frigul artificial icircn lucrările de construcţii şi anume
icircngheţarea terenurilor acvifere icircn vederea săpării puţurilor de mină a barajelor a depozitelor de gaze lichefiate etc
prerăcirea componentelor betonului icircn cazul executării unor masive de beton ca de exemplu baraje
41 51 IcircNGHEŢAREA SOLULUI
411 511 CONSIDERAŢII GENERALE PRIVIND IcircNGHEŢAREA SOLULUI
Icircngheţarea artificială a solului reprezintă una dintre cele mai interesante şi icircn acelaşi timp şi importante aplicaţii practice a frigului artificial Totodată este una dintre primele aplicaţii industriale a tehnicii frigului şi care a asigurat o dezvoltare deosebită a industriei extractive Aşa se explică faptul că odată apărută maşina frigorifică cu absorbţie realizată icircn 1859 de către Ferdinand Carre este folosită la săparea primului puţ de mină prin icircngheţarea artificială a rocilor Dar nu numai industria minieră foloseşte icircn ultimul secol procedeul consolidării rocilor la săpararea unor lucrări subterane Lucrări inginereşti de tot genul ca metrouri staţii subterane de pompare rezervoare de gaze lichefiate poduri lucrări portuare şi altele asemănătoare amplasate icircn zone acvifere au fost realizate prin metoda consolidării prin frig a rocilor
Această metodă a consolidării rocilor prin frig artificial realizează icircn jurul lucrării inginereşti subterane un perete icircngheţat protector pe durata lucrărilor de construcţii Acest perete asigură o izolare hidraulică şi icircn acelaşi timp şi o protecţie mecanică Rezistenţa mecanică a rocilor creşte pe măsură ce temperatura lor scade icircncacirct metoda expusă mai sus prezintă avantajul reglării capacităţii portante a peretelui icircngheţat
Apa conţinută icircn terenuri prin icircngheţare capătă proprietăţile cimentului exprimate prin forţele de coeziune mari care apar icircntre cristalele de gheaţă şi grăunţii de rocă
Pentru obţinerea peretelui protector se folosesc sonde de icircngheţare forate pe conturul lucrării subterane şi prin care circulă agentul de răcire care poate fi un agent intermediar ca de exemplu saramura de clorură de calciu sau agentul frigorific de exemplu amoniacul Icircn funcţie de grosimea peretelui şi de rezistenţa mecanică pe care trebuie să o aibă se va alege temperatura agentului de răcire distanţa dintre sonde şi durata de icircngheţare
Instalaţia de consolidare prin frig a rocilor cuprinde trei părţi principale staţia frigorifică reţeaua de distribuţie a agentului de răcire (saramura) şi sondele de icircngheţare a solului
Staţia frigorifică cuprinde instalaţia frigorifică propriu-zisă cu comprimare mecanică de vapori sau prin absorbţie icircntr-o treaptă sau icircn două trepte Icircn funcţie de condiţiile de amplasament ale obiectivului staţia frigorifică poate fi de construcţie staţionară (icircn minerit) sau mobilă (la metrouri)
Reţeaua de distribuţie alcătuită din conducte metalice sau din mase plastice are rolul de a face legătura icircntre staţia frigorifică şi sondele de icircngheţare Pentru reducerea pierderilor de frig reţeaua de distribuţie se izolează termic
Sondele de icircngheţare constituie schimbătorul de căldură subteran prin care se extrage căldura de la terenul supus icircngheţării Icircn fig 51 se prezintă schiţa unei sonde de icircngheţare cu ajutorul saramurii Saramura rece cu temperatura icircntre -10 ordmC pacircnă la -35 ordmC
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
35
coboară prin ţeava interioară şi apoi se icircntoarce prin spaţiul inelar dintre cele două conducte concentrice
Figura 41 Fig 51 Sonda de icircngheţare 1 - şiu (tub scurt de oţel cu pereţi groşi rezistent) 2 - ţeava interioară 3 - ţeava exterioară (burlan de
icircngheţare) 4 - capul sondei
Circulaţia continuă a saramurii prin sonda de icircngheţare face ca rocile ce icircnconjoară sondele inclusiv apa conţinută icircn spaţiile libere să se răcească treptat Icircn jurul sondei icircncepe să se formeze stratul de rocă icircngheţată diametrul cilindrului de teren icircngheţat se măreşte icircn timp Aşa cum s-a arătat icircn capitolul 3 rezultă că dezvoltarea radială a cilindrului de rocă icircngheţată icircn jurul sondei se desfăşoară cu o viteza variabilă de icircnaintare la icircnceput viteza de icircnaintare a frontului de gheaţă este mai mare după care scade icircn timp Apoi se atinge stadiul staţionar de transfer de căldură cacircnd cilindrul nu mai creşte icircn dimensiuni Reiese că distanţa dintre sondele de icircngheţare este determinată de raza maximă a cilindrului de teren icircngheţat Pentru a realiza peretele icircngheţat care să reziste la solicitările la care este supus se impune ca distanţa dintre sondele vecine să fie mai mică decacirct raza maximă a terenului icircngheţat astfel icircncacirct cilindrii formaţi să se unească icircntre ei Icircn fig 52 se prezintă evoluţia icircn timp a icircngheţării terenului icircn jurul sondelor Icircn faza iniţială a icircnceput răcirea dar icircncă nu s-a format teren icircngheţat Icircn faza a II-a (după circa 20 zile) icircn jurul fiecărei sonde se formează cacircte un cilindru de teren icircngheţat fără ca aceştia să se unească Icircn faza a III-a (după circa 30 zile) cilindrii se icircntretaie şi formează peretele protector
Figura 42 Fig 52 Evoluţia cilindrilor individuali de rocă icircngheţată 1 - sonda de icircngheţare 2 - sonda de măsurători termice 3 - teren icircngheţat
Această evoluţie poate fi urmărită cu suficientă precizie prin măsurarea temperaturii masivului cu ajutorul unor sonde de măsurători termice 2 montate la distanţe bine stabilite de sondele vecine de icircngheţare Astfel icircn faza I-a temperatura este cea iniţială deci neafectată de prezenţa sondelor icircn faza a II-a temperatura este mai scăzută dar mai mare de 0 ordmC Cum icircn practică sondele de icircngheţare au o abatere de la poziţia verticală (sau de la cea impusă prin proiect) sondele de măsurători termice sunt prevăzute icircntre sondele
I II III
1
2 2 2
3 3
SARAMURĂ CALDĂ
IEŞIRE
INTRARE SARAMURĂ A E RECE
1
2
3
4
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
36
cele mai distanţate icircntre ele acolo unde evoluţia peretelui de protecţie este cea mai defavorabilă
Primele realizări inginereşti de consolidare prin frig artificial a terenurilor acvifere metodă prin care vor fi aduse la lumină multe bogăţii subterane sunt legate de numele inginerului de mine şi metalurgie Friederich Herman Poetsch El a obţinut icircn 27 februarie 1883 brevetul pentru procedeul său de adacircncire a puţurilor verticale icircn roci bogate icircn apă (şi curgătoare) Poetsch a reuşit să experimenteze procedeul său la adacircncirea unor puţuri de mină dar a avut şi multe insuccese icircncacirct la 9 iunie 1902 moare sărac şi dezamăgit Metoda de icircngheţare prin frig artificial a terenurilor a avut mare succes icircn Franţa Astfel numai icircn perioada 1892 - 1898 icircn bazinele carbonifere Nord şi Pas de Calais s-au săpat circa 20 puţuri pacircnă la o adacircncime de 100 m prin aplicarea metodei icircngheţării după planurile lui Poetsch
Desigur că nu ar putea fi omis numele lui Louis Gebhard care realizează numeroase lucrări de adacircncire a puţurilor prin icircngheţare atacirct icircn Germania cacirct şi icircn Franţa Anglia Olanda şi Polonia ceea ce face ca metoda propusă de Poetch să devină o tehnologie demnă de toată icircncrederea cu siguranţă absolută şi cu un mare randament
Gebhard un mare practician icircncepe sa folosească icircn locul instalaţiilor cu absorbţie realizate de F Carre pe cu cele cu comprimare mecanică de vapori realizate de Karl von Linde cu icircncepere din anul 1874
Poetsch icircn 1888 prevede extinderea procedeului de icircngheţare la construcţia podurilor la construcţii navale lucrări de fortificaţii la protecţia fundaţiilor subterane şi a bazinelor cu apă El susţine că poate să rezolve orice problemă sub apă chiar şi puţuri icircncepute şi abandonate
Icircn anul 1900 se depăşeşte bariera adacircncimii de 100 m Realizarea unor puţuri mai adacircnci (peste 100 m) ridică unele probleme icircn plus faţă de puţurile de mai mică adacircncime deoarece abaterile de la verticalitate pot conduce la formarea unor ferestre icircn peretele protector
Icircn ţara noastră această tehnologie de forare a unor puţuri de mină cacirct şi a galeriilor de metrou prin icircngheţarea solului a fost folosită cu icircncepere din anul 1961 aşa cum se prezintă icircn paragraful 513
412 512 CONSTRUCŢIA INSTALAŢIEI DE IcircNGHEŢARE A SOLULUI
Icircn funcţie de forma şi mărimea lucrării care se realizează la adăpostul terenului icircngheţat principial se pot utiliza următoarele tipuri de instalaţii
a) cu răcire indirectă denumită şi cu dublu schimb (fig53)
b)cu răcire directă icircn circuit icircnchis (fig 54)
c)răcire directă icircn circuit deschis (fig55)
a) Răcirea indirectă se utilizează icircn practică cel mai mult fiind cunoscută icircncă de la icircnceputurile metodei de icircngheţare a solului
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
37
Figura 43 Fig 53 Instalaţia frigorifică cu răcire indirectă 1 - compresor 2 - condensator3 - ventil de laminare 4 - vaporizator 5 - bazin de răcire a saramurii 6
- agitator 7 - pompă de saramură 8 - sonde de icircngheţare
Ca agent frigorific se poate folosi amoniacul sau freonii iar ca agent intermediar se utilizează soluţiile de clorură de calciu clorura de sodiu sau magneziu sărurile respective fiind relativ uşor de procurat
Instalaţiile frigorifice cuprind unul sau mai multe blocuri frigorifice Acest mod de compunere prezintă avantaje icircn ceea ce priveşte montarea cacirct şi exploatarea instalaţiilor se poate asigura o reducere icircn trepte a puterii frigorifice pe măsură ce creşte rezistenţa termică a stratului de teren icircngheţat
Componentele principale ale instalaţiei frigorifice se montează grupat pe cele trei secţiuni secţia de compresoare secţia condensatoarelor şi secţia vaporizatoarelor De regulă compresoarele se montează fie icircn aer liber atunci cacircnd tipul lor permite fie acoperite sub şarpante protectoare
Pe măsură ce se scot din funcţiune blocurile frigorifice se demontează şi se pot monta la un nou obiectiv
b) Răcirea directă icircn circuit icircnchis (fig 54) se utilizează icircn cazul icircn care adacircncimea de icircngheţare este mică
Figura 44 Fig 54 Instalaţia frigorifică cu răcire directă icircn circuit icircnchis 1 - compresor 2 - condensator 3 - ventil de laminare 4 - sonde de icircngheţare
Sondele de icircngheţare constituie vaporizatorul instalaţiei frigorifice Icircn cazul unor sonde de lungime mare icircnălţimea coloanei de agent frigorific este de asemenea mare Ca urmare a presiunii hidrostatice variabile şi temperatura de vaporizare este variabilă fiind mai mare
1
2
1111111 Apă
3
4
1
2
Apă 3
4
5
6
7
8
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
38
la capătul inferior şi mai mică la capătul superior Din acest motiv adacircncimea sondelor de icircngheţare nu poate depăşi anumite limite şi icircn plus se recurge la fragmentarea coloanei de lichid cu ajutorul unor pereţi despărţitori
Pierderile de agent frigorific mai mari decacirct icircn cazul răcirii indirecte reprezintă un alt inconvenient al acestui mod de răcire
c) Răcirea directă icircn circuit deschis constă icircn introducerea agentului frigorific (cel mai frecvent azot lichid) icircn sondele de icircngheţare fără ca acesta să mai fie folosit după vaporizare
La presiunea atmosferică azotul lichid fierbe la temperatura de -196 ordmC icircncacirct vaporii reci de azot icircnainte de a fi evacuaţi se folosesc de asemenea pentru congelarea solului fiind circulaţi prin sonde de icircngheţare (Fig 55)
Figura 45 Fig 55 Icircngheţarea cu azot lichid icircn două trepte 1 - ventil de laminare 2 - sonda de icircngheţare 3 - sonda de icircngheţare cu vapori de azot
Această metodă se foloseşte cacircnd se urmăreşte o icircngheţare rapidă şi volumul de teren icircngheţat este redus
Se vor prezenta icircn continuare unele elemente constructive ale instalaţiilor de icircngheţare
Reţeaua de saramură (fig 56) are rolul de a asigura transferul de căldură de la sol către agentul frigorific Cuprinde două schimbătoare de căldură cel subteran alcătuit din sondele de icircngheţare şi cel de suprafaţă reprezentat de vaporizatorul imersat icircn saramură Icircntre cele două schimbătoare de căldură există conducte magistrale distribuitoare - colectoare şi racorduri la sonde
Saramura răcită prin intermediul vaporizatorului 1 este circulată cu pompa 2 prin magistrala de tur a reţelei 3 Sondele de icircngheţare 5 se leagă prin vane la distribuitorul 4 şi colectorul 6 ambele de construcţie inelară Printr-o asemenea construcţie şi mod de legare a sondelor prezentate icircn figura 56 se asigură o echilibrare a căderilor de presiune pe sondele de icircngheţare şi ca urmare o alimentare uniformă cu agent intermediar şi deci şi o răcire uniformă pentru toate sondele
1
2
AZOT LICHID
VAPORI
AZOT -40OC
3
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
39
Figura 46 Fig 56 Schema reţelei de saramură 1- vaporizatorul 2 - pompa de saramură 3 - magistrala de tur 4 - distribuitorul inelar 5 -sondele de
icircngheţare 6 - colectorul inelar 7 - magistrale de retur M - manometru D - debitmetru T - termometru
Magistralele 3 şi 7 de acelaşi diametru şi lungime variabilă (determinată de o serie de factori) se pot monta atacirct la suprafaţă cacirct şi icircn canal
Magistralele se dimensionează icircn funcţie de puterea frigorifică a schimbătorului de căldură subteran alcătuit din sondele de icircngheţare
F0 qNHd [W] (51)
unde d - diametrul exterior al sondei de icircngheţare m
H - adacircncimea de icircngheţare m
N - numărul de sonde de icircngheţare
qF - densitatea fluxului termic raportat la suprafaţa exterioară a sondei La temperatura saramurii de - 20 ordmC se poate considera qF = (260290) Wm2
Debitul volumic V de agent intermediar icircn reţeaua de icircngheţare icircn funcţie de care se aleg
pompele se determină cu relaţia
tc
V o
(52)
icircn care este densitatea agentului intermediar kgm3
c - căldura specifică a agentului intermediar JkgK
t - creşterea temperaturii agentului (saramura) icircn sondele de icircngheţare K
La icircnceputul perioadei de răcire diferenţa de temperatură este t = 56 K ca apoi să scadă la 12 K
Icircn conductele magistrale se recomandă ca viteza saramurii să fie w = 0915ms
Icircn acest caz diametrul conductelor de transport a saramurii este dat de relaţia
w
V4D
[m] (53)
Icircn funcţie de valoarea determinată pentru D se aleg conducte metalice de diametru nominal cuprins icircntre 75200 mm Dacă rezultă D gt 200 mm se vor alege două conducte cu diametrul mai mic de 200 mm
2
T
T
M
M D
D
NH
3
3
4
6
5
7
1
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
40
Conductele magistrale se realizează prin icircmbinări cu flanşe sau sudate iar la lungimi mai mari de 100150 m se vor prevedea coturi compensatoare Pentru reducerea pierderilor de frig magistralele vor fi izolate termic
Distribuitorul de saramură răcită şi colectorul de saramură de la sonde sunt construcţii metalice identice
Icircn figura 57 se prezintă modul de racordare a sondelor de icircngheţare 5 la distribuitorul 1 şi colectorul 2 Vanele 3 asigură icircnchiderea deci oprirea circulaţiei şi reglajul debitului Prin aceste vane se poate izola o anumită sondă care nu funcţionează normal sau la care se observă o anumită defecţiune
Figura 47 Fig 57 Racordarea sondelor de icircngheţare la distribuitor şi colector 1 - distribuitor 2 - colector 3 - vane 4 - racord elastic 5 - sonda de icircngheţare
Poziţia distribuitorului şi colectorului faţă de racircndul sondelor de icircngheţare poate fi laterală de o singură parte sau laterală de ambele părţi ale sondelor Amplasamentul trebuie astfel făcut icircncacirct să fie posibilă vizitarea supravegherea şi eventual icircnlocuirea sondelor de icircngheţare
Racordarea sondelor la distribuitor şi colector se face prin cacircte un racord elastic (fig 57) Dimensionarea distribuitoarelor şi a colectoarelor se face din condiţia ca viteza saramurii să nu depăşească 0915 ms
Coloanele de distribuţie şi colectare urmăresc icircn teren forma şirului de sonde de icircngheţare şi pot avea acelaşi traseu sau trasee diferite Configuraţia traseului poate fi icircn linie sau circulară Icircn oricare din situaţiile prezentate distanţele dintre ştuţurile de racord şi sondele de icircngheţare sunt variabile astfel icircncacirct racordurile rigide prin flanşe şi sudură sunt greu de realizat Cea mai practică soluţie de racord icircn acest caz este furtunul de cauciuc (fig 57)
Icircn reţeaua de saramură poate pătrunde aer prin procesul de pompare ceea ce conduce la intensificarea acţiunii corosive a saramurii Icircn scopul icircndepărtării aerului nedorit pe partea superioară a conductelor icircn punctele cele mai ridicate ale acestora se montează robineţi de evacuare periodică a aerului şi eventual a altor gaze
Pe conductele magistrale se vor monta aparate de măsură şi control debitmetre termometre şi manometre (fig 56) Icircn acest caz se poate aprecia funcţionarea fiecărei sonde după depunerile exterioare de gheaţă pe racordul metalic sau de cauciuc lăsate neizolate termic tocmai icircn acest scop Icircn scopul urmăririi regimului de lucru sub aspect
5
4
1
2 3
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
41
hidraulic şi termic icircn mod individual se pot monta aparate de măsură şi control pe fiecare sondă de icircngheţare dar această soluţie este mai costisitoare
Sonda de icircngheţare realizează transferul de căldură de la terenul ce urmează a fi icircngheţat spre agentul frigorific (la răcirea directă) sau agentul intermediar (la răcirea indirectă)
Icircn figura 51 s-a prezentat schema de principiu a unei sonde de icircngheţare cu saramură activă pe toată lungimea Conducta exterioară sau burlanul de icircngheţare 3 este o conductă din oţel etanşă şi rezistentă la eforturile mecanice care apar datorită presiunii solului şi variaţiei de temperatură icircntre momentul fixării ei icircn sol şi cel al funcţionării la o temperatura sub 00C
Icircn procesul de icircngheţare coloana de burlane care poate atinge lungimi de sute de metri se contractă icircnsă nu liber deoarece ea este stracircnsă icircn masivul de roci La o variaţie de temperatură icircntre momentul iniţial (fără saramură) şi momentul pornirii circulaţiei de saramură de 400C conducta din oţel de 500 m adacircncime ar trebui să se contracte cu
tHH = 500 11 10-6 40 = 0220 m = 22 cm
Datorită fixării coloanei icircn gaura forată efortul unitar de icircntindere ce apare icircn urma scăderii temperaturii este
tE = 22 1010 11 10-10 40 = 968 105 Nm2 = 9680 Ncm2
La acest efort de icircntindere apărut datorită contracţiei coloanei se mai adaugă efortul de acelaşi semn provocat de dilatarea masivului de rocă acviferă icircngheţată Icircn scopul compensării eforturilor de icircntindere s-a propus icircmbinarea coloanei cu nipluri elastice O asemenea soluţie este mai scumpă şi icircn plus micşorează secţiunea liberă de curgere ceea ce conduce la icircncălzirea excedentară a saramurii
La lucrări subterane de mare adacircncime ca puţurile de mină depozite subterane se folosesc burlane de 1397 x 7 mm pentru a fi posibilă determinarea abaterii de la poziţie verticală
La tunelurile de metrou şi icircn general la lucrările la care adacircncimea de icircngheţare nu depăşeşte 50 - 60 m diametrul cel mai frecvent utilizat este 1143 x 7 mm
Ţeava interioară 2 (fig 51) numită şi tub de alimentare de regulă ţeava uşoară de instalaţii de 50 mm diametrul se introduce icircn burlanul exterior 3 fără icircnsă a atinge şiul de bază 1 al sondei Se asigură icircn acest mod un volum minimal de depuneri solide care circulă cu saramura icircn mod incidental Icircn scopul economisirii de metal tubul de alimentare poate fi din material plastic ceea ce prezintă marele avantaj al lipsei coroziunii şi al refolosirii materialului respectiv
Şiul de fund are rolul de a asigura icircnchiderea burlanului exterior icircn partea sa inferioară Cel mai adesea are formă conică pentru a asigura introducerea cu uşurinţă a coloanei metalice icircn gaura de sondă Această componentă a sondei de icircngheţare se execută fie prin turnare sau se confecţionează cu ajutorul sudurii
Corespunzător profilului geologic al terenului icircn care se lucrează se icircntacirclnesc şi cazuri cacircnd nu este nevoie să se icircngheţe terenul pe toată icircnălţimea sondelor ci numai la partea lor inferioară Icircn acest caz se folosesc sonde de icircngheţare zonală (fig 58) cu ajutorul cărora se asigură congelarea doar a zonei inferioare ceea ce prezintă avantaje economice deosebite nu se consumă energie pentru a icircngheţa icircn mod inutil formaţiuni geologice consistente şi uscate şi nu se reduce ritmul lucrărilor de săpare printr-o eventuală mărire a rezistenţei rocilor
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
42
Figura 48 Fig 58 Sonda de icircngheţare zonală
1 - burlan exterior 2 - tub de alimentare 3 - şiu 4 - tub de evacuare
Figura 49 Fig59 - Sonda de icircngheţare cu agent
frigorific 1 - tub exterior 2 - perete despărţitor 3 - şiu 4 -
ştuţ (ţeavă de preaplin) 5 - condensator - vaporizator
Icircn cazul răcirii directe sondele de icircngheţare cu agent frigorific sunt de construcţie specială (fig 59) Particularitatea acestor sonde este prezenţa pereţilor despărţitori 2 dispuşi unul sub celălalt la circa 3 m fiecare perete fiind prevăzut cu un ştuţ de preaplin O asemenea construcţie are rolul de a fracţiona coloane de lichid ceea ce asigură o răcire mai uniformă pe lungimea sondei
Fiecare sondă este prevăzută la partea superioară cu cacircte o cămaşă de răcire Sondele se umplu cu amoniac lichid icircntr-o asemenea cantitate icircncacirct fiecare secţie să fie icircnecată cu lichid respectiv pacircnă la partea superioară a ştuţurilor 4 Ca urmare a fluxurilor de căldură de la sol se produce fierberea amoniacului icircn toate secţiile sondei Vaporii formaţi se ridică prin ştuţurile 4 şi ajungacircnd la partea superioară a sondei se condensează cedacircnd căldură agentului (amoniac) din cămăşile de răcire
Ca urmare cămăşile de răcire de la partea superioară a sondelor constituie vaporizatorul instalaţiei frigorifice Amoniacul care se condensează la partea superioară a sondei curge icircnapoi (de sus icircn jos) prin ştuţurile 4 Folosirea pereţilor despărţitori şi a ştuţurilor micşorează influenţa presiunii hidrostatice a lichidului asupra temperaturii de vaporizare a amoniacului Asemenea sonde de icircngheţare se folosesc pentru lucrări de mică adacircncime
Amplasarea sondelor se face icircn funcţie de o serie de factori formă poziţia şi dimensiunile lucrării care se realizează structura terenului temperatura şi viteza agentului etc
Icircn cazul puţurilor de mină de secţiune circulară sondele se amplasează pe un cerc
concentric de diametru D mai mare decacirct diametrul de săpare Ds cu grosimea a peretelui icircngheţat
sDD (54)
Trebuie să se ţină seama şi de deviaţia sondelor de la poziţia verticală icircncacirct pentru adacircncimi mari se utilizează relaţia
3
2 4
1
VAPORI 5 LICHID
3
2
4 1
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
43
a21DD s (55)
unde a = 003 H este abaterea medie statistică de la verticală a sondelor
Distanţa dintre sonde se ia de obicei de 1014 m icircn terenuri rezistente şi de 0809 m icircn terenuri slabe
Pentru adacircncimi de peste 500 m se recomandă să se dispună sondele pe două cercuri concentrice pentru a se forma un perete de grosime mai mare şi deci mai rezistent
La icircngheţarea terenului icircn jurul puţurilor de secţiune dreptunghiulară sondele se pot dispune pe dreptunghi sau elipsă Icircn aceste situaţii centura de teren icircngheţat poate fi solicitată la icircntindere ceea ce este de nedorit deoarece limita de rezistenţa la icircntindere a terenurilor icircngheţate este de circa 3 ori mai mică decacirct limita rezistenţei la compresiune Din acest motiv chiar şi la puţurile de mină de secţiune dreptunghiulară sondele se dispun pe unul sau două cercuri (fig 510)
Pentru realizarea galeriilor icircnclinate icircngheţarea terenului se realizează cu sonde verticale (fig 511) sau combinat atacirct cu sonde verticale cacirct şi cu sonde icircnclinate (fig 512)
Distanţa dintre sondele verticale (fig 511) se ia de 23 m iar distanţa dintre racircnduri este de 1525 m
Se poate folosi cacircte un racircnd de sonde icircnclinate montate deasupra galeriei (fig 212 a) sau sonde icircnclinate sub galerie şi sonde verticale scurte deasupra galeriei (fig 512 b)
SONDA
154 m
16
6 m
226
262
85
SONDA
Figura 411 Fig 511 Amplasarea sondelor verticale pentru realizarea galeriei icircnclinate
Figura 411 Fig 510 Dispunerea sondelor icircn jurul puţurilor de mină de secţiune
dreptunghiulară
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
44
Figura 412 Fig 512 Realizarea galeriilor icircnclinate cu sonde verticale (1) şi sonde oblice (2)
I - secţiunea longitudinală II - secţiunea transversală a) sonde icircnclinate deasupra galeriei b) sonde icircnclinate sub galerie
413 513 UTILIZAREA METODEI DE IcircNGHEŢARE A SOLULUI IcircN ŢARA NOASTRĂ
a)Puţuri de mină
Aplicarea metodei de icircngheţare a solului pentru lucrări de minerit a avut loc la noi icircn ţară icircncepacircnd cu anul 1960 la puţul Godeni din bazinul carbonifer Cacircmpulung - Muscel Proiectul a fost elaborat icircn anul 1959 la IPROMIN Bucureşti iar lucrarea a fost executată cu Trustul Minier Argeş avacircnd icircn subantrepriză de specialitate Icircntreprinderea Frigotehnica Bucureşti şi Trustul de prospecţiuni explorări şi deschideri de mine noi Bucureşti
Adacircncimea de săpare a puţului Godeni a trebuit sa fie de 202 m Sondele de icircngheţare constituite din două ţevi concentrice (fig 51) cu diametrele exterioare de 146 mm şi respectiv 57 mm icircn număr de 27 au fost amplasate pe un cerc cu diametrul de 10 m la distanţa de 117 m una de alta
Instalaţia frigorifică a fost dimensionată cu mare precauţie pentru a avea o siguranţă mărită icircn funcţionarea ei Toate părţile componente ale instalaţiei frigorifice au fost proiectate şi executate icircn ţară
La proiectarea instalaţiei s-a avut icircn vedere funcţionarea de scurtă durată şi variaţia puterii frigorifice icircn timp S-a utilizat răcirea indirectă cu soluţie de clorură de calciu iar ca agent frigorific a fost folosit amoniacul Pentru a avea elasticitatea necesară icircn funcţionare la diferite puteri frigorifice au fost folosite grupuri de utilaje frigorifice şi anume
6 compresoare 4 AU - 20 (200000 kcal Nh =233 kW fiecare)
3 baterii de condensatoare atmosferice a cacircte 300 m2 (900 m2)
bazine pentru răcirea saramurii fiecare cu cacircte 2 vaporizatoare superintensive de 50 m2 (600 m2)
2 grupuri a cacircte 5 pompe pentru recircularea saramurii
Puterea frigorifică a instalaţiei montate a fost de 12106 kcal Nh =1395 kW şi s-a caracterizat prin următoarele date tehnice la exploatare
85
1
2
I 85
1
2
I
85
1
2
II
85
1
2 II
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
45
o suprafaţa de schimb de căldură a sondelor 2500 m2 o puterea instalaţiei 750 kW o debitul saramurii icircn
o icircn perioada activă 350 m3h o icircn perioada pasivă 70 m3h
o viteza de circulaţie a saramurii icircn sondă o tur 18 ms 036 ms o retur 029 ms 006 ms
o volumul rocilor icircngheţate circa 10000 m3 o consumul specific de frig mediu 50000 m3 o durata icircngheţării (perioada activă) 130 zile
Icircn timpul răcirii şi deci a icircngheţării solului puterea frigorifică scade icircn mod continuu icircncacirct treptat s-a scos din funcţiune cacircte un compresor icircn perioada pasivă (de săpare a puţului) s-a menţinut icircn lucru doar un singur compresor şi grupul de utilaje aferent
După terminarea lucrărilor de la puţul Godeni icircn anii următori aceeaşi instalaţie s-a montat la puţul Poenari din acelaşi bazin carbonifer unde sondele au fost amplasate pe un cerc cu diametrul de 11 m la distanţa de 128 m una de alta
Un alt puţ realizat prin această tehnologie de icircngheţare a solului a fost puţul Jugur de la acelaşi bazin carbonifer Centrala frigorifică a cuprins 15 compresoare 3 AV - 20 (150000 kcal Nh fiecare=175kW) repartizate icircn 5 linii tehnologice independente cu icircntreg utilajul aferent Fiecare linie este compusă din
o butelie de răcire intermediară BRI - 700 un condensator cu evaporare forţată CEF - 180 un bazin cu patru grupuri vaporizatoare intensive de cacircte 165 m2 (icircn total 66 m2)
Sondele de icircngheţare icircn număr de 27 bucăţi au fost prevăzute să se amplaseze pe un cerc cu diametrul de 104 m la distanţă de 121 m Sondele sunt de tipul celei indicată icircn figura 58 deci cu răcire zonală avacircnd următoarele caracteristici diametrul exterior al burlanului este de 146 mm iar tuburile interioare au 57 mm (la exterior) tubul de alimentare are lungimea de 430 m iar cel de evacuare este de 220 m Ca urmare sondele de icircngheţare trebuie să producă icircngheţarea solului numai pe adacircncimea de la 220 m la 430 m Prin proiect s-au prevăzut următoarele date temperatura saramurii - 35 ordmC viteza saramurii icircn conducte de tur 18 ms viteza icircn conducte de retur (pe adacircncimea de răcit) 06 ms durata icircngheţării (perioada activă) a fost de 75 zile
Au fost prevăzute temperaturi scăzute şi viteze mari de congelare deoarece cilindrul icircngheţat trebuie să preia presiuni de pacircnă la 56 bar
b)Tunelurile pentru metroul din Bucureşti
Icircncepacircnd cu anul 1976 pentru realizarea metroului din Bucureşti s-a procedat la aplicarea metodei de icircngheţare a solului icircntr-o zonă considerată experimentală dar cu realizări efective de galerii
Prin proiect s-a prevăzut consolidarea prin icircngheţare artificială a profilului de săpare a tunelurilor de metrou pe o lungime de circa 550 m pe ambele fire Amplasamentul sondelor s-a făcut icircn două variante (pentru experimentare) pentru un fir de tunel ambele racircnduri de sonde s-au fixat icircn profilul circular de săpare iar pentru cel de al doilea fir de tunel sondele au fost forate icircn afara profilului de icircnaintare (fig 513) Au fost folosite sonde cu saramură cu posibilitatea de icircngheţare pe toată icircnălţimea de 16 m cacirct şi sonde cu icircngheţare zonală icircntre adacircncimile de 7 m şi 16 m Distanţa dintre sonde a fost fixată la 14 m
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
46
Pentru a se icircmpiedica accesul apelor icircn frontul de săpare datorate unor eventuale zone neicircngheţate traseul de tunel icircngheţat a fost icircmpărţit icircn incinte icircnchise prin timpane transversale La distanţe de 3050 m icircn lungul traseului au fost montate sonde de icircngheţare aşezate icircn plan normal pe axul tunelului prin care să se icircnchidă accesul apelor spre frontul de săpare
Echipamentul frigorific principal cuprinde
- 8 compresoare frigorifice 3 AV - 20 funcţionacircnd icircntr-o treaptă pentru care
corespunde puterea frigorifică de 12 106 kcal Nh =1395 kW
- 4 condensatoare de evaporare forţată CEF - 250
- 3 bazine de răcire a saramurii echipate cu cacircte 4 grupuri de vaporizatoare superintensive de cacircte 51 m2 (total 612 m2)
- 3 grupuri de cacircte 2 pompe a 220 m3h pentru circulaţia saramurii pe traseele de distribuţie şi prin sonde
Figura 413 Fig513 Amplasamentul sondelor de icircngheţare
Centrala frigorifică este stabilă adăpostită icircntr-o baracă metalică demontabilă existacircnd posibilitatea de reamplasare rapidă a instalaţiei icircntr-un alt loc Agentul frigorific utilizat este amoniacul iar agentul intermediar este clorura de calciu
Icircn perioada principală de icircngheţare temperatura de vaporizare este to = -22 ordmC asiguracircnd răcirea saramurii la -17 ordmC iar pe retur saramura a avut temperatura cu 15 ordmC mai ridicată
La o asemenea lucrare realizată icircn oraş se impune protejarea contra icircngheţului a straturilor de deasupra galeriilor icircn care sunt amplasate instalaţiile de apă - canal ceea ce presupune folosirea sondelor cu icircngheţare zonală care să nu fie active la partea superioară
c) Puţuri pentru prospectarea balastierelor
Procedeul şi instalaţia frigorifică au avut caracter de noutate şi s-a aplicat icircncepacircnd cu anul 1966 la mai multe obiective icircn general pe văile racircurilor unde s-au construit hidrocentrale
A
A B
B
A-A
000 -300 -700 -1061 -1300
65
800
B-B
000 -300 -700 -1061 -1300
65
550
ARGILA
ARGILA
NISIP
NISIP
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
47
Echipamentul frigorific principal cuprinde un agregat frigorific pentru amoniac de 20000 kcal Nh = 233 kW rezervor de amoniac separator de lichid şi anexe - toate fiind montate pe o remorcă
S-au folosit sonde de icircngheţare cu agent frigorific icircn număr de 8 bucăţi cu diametrul exterior de 133 mm montate pe un cerc cu diametrul de 2 m la distanţa de 076 m lungimea lor fiind de 75 m Legarea sondelor la distribuitor şi colector s-a făcut cu racorduri flexibile
Sondele au o construcţie specială fiind prevăzute cu 4 pereţi transversali cu ştuţuri de preaplin formacircndu-se astfel 5 compartimente Agentul lichid se introduce icircn compartimentul cel mai de sus şi se scurge prin ştuţuri pacircnă la baza sondei Conducta de aspiraţie străbate toate compartimentele vaporii fiind aspiraţi din compartimentul cel mai de jos Circulaţia vaporilor formaţi se face ca şi a lichidului de sus icircn jos obţinacircndu-se astfel o răcire uniformă şi eficientă pe toată icircnălţimea sondei
Durata icircngheţării respectiv a formării centurii de teren icircngheţat la adăpostul căreia să se poată efectua săparea şi preluarea de probe de sol este de 10 zile
414 514 CAcircMPUL DE TEMPERATURĂ IcircN SOLUL IcircNGHEŢAT
Cacircnd prin sonda de icircngheţare circulă saramură a cărei temperatura este sub 0 ordmC practic - 20 ordmC-25 ordmC icircn jurul sondei se formează un cacircmp termic care icircn cazul unei singure sonde poate fi reprezentat prin suprafeţe cilindrice coaxiale de temperatură constantă (izoterme)
După distanţa radială se deosebesc icircn sol din punct de vedere termic trei zone zona cilindrică din imediata vecinătate a sondei care este icircn zona icircngheţată zona răcită cuprinsă icircntre suprafaţa cilindrică izotermă de 0 ordmC şi izoterma de temperatură naturală şi a treia zonă cea de temperatura naturală (fig 514)
Icircn zona icircngheţată temperatura masivului variază de la temperatura peretelui metalic al sondei pacircnă la 0 ordmC Icircn zona răcită temperatura masivului creşte de la 0 ordmC pacircnă la temperatura naturală a masivului
Figura 414 Fig 514 Cacircmpul de temperatură icircn jurul unei sonde de icircngheţare
Este important să se cunoască cacircmpul termic icircn terenul supus icircngheţării deoarece acesta oferă date privind zona de răspacircndire a consolidării rocilor prin solidificarea apei cacirct şi a
t [oC]
r [m]
t (r)
ZONA RACITA
ZONA INGHETAT
A
ts TEMPERATURA NATURALA A ROCII
-20
-10
40
10 0 20 30
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
48
rezistenţei mecanice a rocii icircngheţate Se cunoaşte faptul că rezistenţa mecanică depinde direct de temperatură
Studiul variaţiei temperaturii icircn zona de influenţă a unei sonde şi a tuturor sondelor simultan oferă posibilitatea calculării dimensiunilor la proiectarea construcţiei peretelui protector cacirct şi controlul procesului icircn timpul desfăşurării lucrărilor
Pentru a se stabili relaţia de variaţie a temperaturii icircn zona icircngheţată icircn funcţie de raza r se consideră ecuaţia diferenţială
dr
dtr2q (56)
icircn care q este fluxul unitar de căldură corespunzător lungimii de 1 m din sonda de icircngheţare Wm
- conductivitatea termica a terenului Wm
Integrarea directă a ecuaţiei analitice se poate face icircn ipoteze simplificatoare consideracircnd
= const şi q = const ceea ce este justificat la valori mari ale timpului de răcire
Se separa variabilele
r
dr
2
qdt
(57)
Se consideră cunoscute temperaturile t1 la suprafaţa sondei de raza r1 și t2 = 0 ordmC la raza r2 corespunzătoare suprafeţei exterioare a cilindrului icircngheţat Se integrează ecuaţia (6-7) și cunoscacircnd limitele de integrare se va determina constanta de integrare
Cr ln2
qt
(58)
pentru r = r1 t = t1 deci
11 rln2
qtC
(59)
1
1r
rln
2
qtt
(510)
Se pune condiţia ca pentru r = r2 t = t2
1
212
r
rln
2
qtt
(511)
Se elimina q intre relaţiile (510) și (511) şi se obţine
1
2
1121
r
rln
r
rln
tttt (512)
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
49
Figura 415 Fig 515 Schema schimbătorului de căldură subteran
Pentru t2 = 0 ordmC relaţia (5-12) devine
)rrln(
)rrln(tt
12
21 (513)
Icircn figura 515 se prezintă o secţiune axială printr-o sondă de icircngheţare şi variaţia temperaturii icircn limitele t0 - temperatura agentului de răcire şi ts - temperatura naturală a solului
Cantitatea de căldură transferată de la masivul neicircngheţat spre agentul de răcire prin unitatea de lungimea de conducta şi unitatea de timp se calculează cu expresia
221
2
1o
1
moo
os
d
1
d
dln
1
d
dln
2
1
d
1
ttq
(514)
Icircn calculele inginereşti cel mai frecvent se determină nu fluxul termic pe unitatea de lungime a conductei ci fluxul termic qF raportat la unitatea de suprafaţă a conductei metalice la 1 m2 de suprafaţa exterioară sau interioară Mărimea qF se calculează astfel
22
o
1
2
1
o
o
1
m
o
o
oS
o
F
d
d
d
dln
2
d
d
dln
2
d1
tt
d
(515)
Fluxul termic qF prin unitatea de suprafaţă a sondei de icircngheţare calculat pentru adacircncimea de 100 m icircn regim laminar de curgere a agentului de răcire prin spaţiul inelar al sondei cu viteza w = 01 ms la diametre ale cilindrului de rocă icircngheţata
de la 02 la 3 m pentru to = -20 ordmC do = 01 m 1 = 233 WmK variază de la 720 la 230 Wm2 aşa cum se poate observa din figura 516 şi tabelul 51
d2
d1
d0
t
qF
t0
t2
t1 2
m 1
m
ts
Conducta Teren icircngheţat Teren
neicircngheţat
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
50
Figura 416 Fig 516 Variaţia fluxului termic qF prin unitatea de suprafaţă a sondei de icircngheţare 1 - regim turbulent 2 regim laminar
Tabelul 51Variaţia fluxului termic qF [Wm2]
Diametrul cilindrului de rocă icircngheţată icircn m
02 04 05 08 10 15 20
qF regim laminar 1160 550 387 330 302
qF regim laminar 720 465 423 350 321 283 258
Se observă ca densitatea fluxului de căldura qF scade foarte mult de la 800900 Wm2 la icircnceputul operaţiei de consolidare prin frig a rocilor pacircnă la 230250 Wm2 cacircnd cilindrul de rocă icircngheţata atinge diametrul de 23 m Ca urmare a acestei situaţii şi puterea frigorifică a instalaţiei va scădea icircn decursul a 6080 zile tot cu raportul de 800230 = 35
Instalaţia frigorifică va fi constituită din grupuri de utilaje (module) ce vor fi scoase treptat din funcţiune pe măsură ce se reduce densitatea fluxului de căldură qF ca urmare a creşterii grosimii stratului de teren icircngheţat Icircn practică pentru calcule se va considera qF = (260290) Wm2
O mărime importanta pentru proiectarea instalaţiei şi aprecierea procesului de consolidare a rocilor este timpul de icircngheţare Pentru calculul duratei de icircngheţare se pot folosi relaţiile prezentate icircn capitolul 3 la formarea gheţii pe suprafeţe cilindrice exterioare La aprecierea valorii pentru ls - căldura latentă de solidificare se avea icircn vedere conţinutul de apă din terenul supus icircngheţării
Dacă icircntre relaţiile pentru dependenţele (r) şi qF(r) se elimină r se obţine dependenţa
qF() Eliminarea nu se poate face direct ci fie cu ajutorul calculatorului fie printr-o construcţie grafică prezentată icircn figura 517
Studiul variaţiei temperaturii icircn solul icircngheţat cacirct și variaţia icircn timp a densităţii fluxului de căldura se poate face cu ajutorul calculatorului electronic
1200
1000
800
600
400
200
0 05 1 15 2 25 3
qF [Wm2]
Diametrul cilindrului de rocă icircngheţată [m]
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
51
Figura 417 Fig 517 Stabilirea dependentei qF() pe baza dependentelor qF(r) și (r)
415 515 ELEMENTE DE PROIECTARE A INSTALAŢIEI FRIGORIFICE PENTRU IcircNGHEŢAREA SOLULUI
Pentru proiectarea instalaţiei frigorifice trebuie sa se stabilească la icircnceput elementele de baza și anume
- puterea frigorifică maximă care apare la icircnceputul perioadei de răcire cacircnd pătrunderile de căldura spre agentul de răcire din sondele de icircngheţare au valori mai mari temperatura de vaporizare a agentului frigorific plecacircnd de la temperatura minimă sau medie din solul icircngheţat şi avacircnd icircn vedere modul de răcire directă sau indirectă
Se calculează cantitatea totală de căldură ce trebuie extrasă din terenul supus răcirii şi icircngheţării Se cunoaşte structura terenului icircngheţat deci se cunosc icircnălţimile h1 h2hn ale diferitelor straturi componente cacirct şi proprietăţile termofizice ale acestora
Grosimea centurii de teren icircngheţat se stabileşte icircn urma calculelor de rezistenţa materialelor icircncacirct se pot calcula volumele ocupate de straturile componente V1 V2Vn
Cantitatea de căldură ce trebuie extrasă din zona icircngheţată cuprinde două componente și anume
cantitatea de căldura Qa corespunzătoare răcirii şi icircngheţării apei
cantitatea de căldura Qt necesara răcirii părţii solide a terenului
n
1kfgsikaakka tcltcVQ (516)
unde
k - reprezintă conţinutul icircn apă din stratul respectiv [m3m3]
a - densitatea apei [kgm3]
ca cg - căldura specifica a apei respectiv a gheţii Jkg K
tik - temperatura iniţiala a stratului respectiv (de ordinul k)
tf - temperatura medie finala a masivului icircngheţat
ls - căldura latentă de solidificare a apei
r
q
q
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
52
fik
n
1kkkkkt ttc1VQ
(517)
k - densitatea părţii de teren solid (uscat) din stratul k
ck - căldura specifică a terenului uscat din stratul k
Cantitatea de căldură extrasă din terenul răcit reprezintă circa 1018 din cantitatea de căldură extrasă din zona de teren icircngheţat
Deci cantitatea totală de căldură Q ce va trebui preluată de către instalaţia frigorifică se poate aprecia astfel
Q = (110118) (Qa + Qt) (518)
Cu relaţia (51) se calculează puterea frigorifica a instalaţiei adoptacircnd o valoare medie pentru densitatea fluxului de căldura qF
Se poate aprecia timpul de funcţionare a instalaţiei frigorifice
o
Q
(519)
La anumite grosimi ale cochiliei de teren icircngheţat icircn jurul sondei densitatea fluxului termic scade sub valoarea medie adoptată icircn calcule şi ca urmare icircncepacircnd de la acest moment se va putea reduce treptat puterea frigorifica a instalaţiei prin scoaterea din funcţiune a unor grupuri
La proiectare se pot avea icircn vedere unele recomandări practice pentru stabilirea necesarului de frig pentru icircngheţarea unui m3 la -10 ordmC este necesar un consum specific de frig de 66000 kJ la 10 umiditate de 155000 kJ la 35 umiditate și de 210000 kJ la 50 umiditate
42 52 RĂCIREA BETONULUI LA CONSTRUCŢIILE MASIVE
421 521 INSTALAŢII DE PRERĂCIRE A COMPONENTELOR BETONULUI
Formarea betonului din elementele sale componente (nisip pietriş ciment şi apă) este icircnsoţită de fenomene fizico - chimice icircn care se degajă căldură şi ca urmare temperatura acestuia creşte Icircn cazul unor masive din beton (baraje) dacă viteza de turnare (icircn sezonul cald cacircnd se efectuază construcţia) este mai mare şi nu se asigura evacuarea căldurii corpul rezultă la o temperatura medie mai mare decacirct temperatura medie anuală Răcirea naturală conduce la contracţia masivului şi ca urmare la apariţia sub acţiunea tensiunilor interne a unor fisuri
Pentru ca variaţiile de temperatura icircntre centrul barajului şi straturile exterioare să fie cacirct mai mici se impune ca masivul respectiv să fie turnat la temperatura medie anuală a zonei respective Icircn acest scop se pot folosi două metode prin prerăcirea componentelor betonului și prin răcirea masei barajului
Icircn vederea reducerii căldurii degajată icircn reacţia dintre ciment şi apă au fost realizate sortimente de ciment caracterizate prin călduri masice reduse ce se degajă icircn procesul de priză
Prin prerăcirea componentelor betonului se urmăreşte ca betonul sa aibă temperatura medie a locului de amplasament şi prin aceasta evitarea apariţiei unor diferenţe mari de temperatură ce pun icircn pericol construcţia
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
53
Icircn funcţie de valoarea diferenţei de temperatură care trebuie realizată se poate adopta o anumită schemă de răcire pentru fiecare component icircn parte sau numai pentru unele din aceste părţi componente
Se pot folosi instalaţii frigorifice cu comprimare mecanică de vapori pentru răcirea apei a aerului sau formarea gheţii mărunte utilizate la prerăcirea componentelor betonului Folosirea gheţii fulgi sau solzi este limitată atacirct din cauza conţinutului de apă impus cacirct şi ca urmare a pericolului ca gheaţa să nu se topească icircn procesul de malaxare ci la turnare sau icircn procesul de priză ceea ce duce la formarea de goluri icircn beton
De asemenea se pot folosi instalaţiile frigorifice cu ejecţie
Icircn vederea stabilirii necesarului de frig pentru preratildecirea componentelor betonului se calculează mai icircntacirci cantitatea de catildelduratilde Qo1 ce trebuie evacuatatilde dintr-un m3 de beton avacircndu-se icircn vedere proporţiile icircn care participatilde cimentul nisipul pietrişul şi apa Fiecare component are o temperatură iniţialatilde şi urmeazatilde a fi răcit pacircnatilde la o temperatura finalatilde tf aceeaşi pentru toţi componenţii
fpppfnnnfccc1o ttcmttcmttcmQ
fnaanfpaapfaaa ttcmttcmttcm Jm3 (520)
unde
mc mn mp ma - masele de ciment nisip pietriş şi apă conţinute icircntr-un m3 de beton [kgm3]
cc cn cp cw - căldurile specifice masice ale cimentului nisipului pietrişului şi nisipul dintr-un m3 de beton [kgm3]
Puterea frigorifică se determină cu relaţia
3b1oo 10VQ [kW] (521)
icircn care bV reprezintă fluxul de betonare icircn m3s
Se prezintă icircn continuare cele mai folosite metode de prerăcire a componentelor betonului
4211 a) Instalaţie de prerăcire cu apă
Staţia de preparare a betonului este deservită de o instalaţie frigorifică cu comprimare mecanică de vapori care asigură răcirea apei
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
54
Figura 418 Fig 518 Schema de lucru a instalaţiei de prerăcire a betonului cu ajutorul apei 1 - ciment 2 - vagon nisip 3 - vagon pietris 4 - tancuri de răcire a pietrişului 5 - sită 6 - siloz de
nisip 7 - siloz de ciment 8 - rezervor de distribuţie 9 - răcitor de nisip 10 - răcitor de ciment 11 - răcitor de apă 12 - rezervor de apă răcită 13 - răcitor de apă 14 - instalaţie de prepararea betonului
I II III IV V - fazele de răcire a pietrişului
Icircn figura 518 se prezintă schema de lucru a unei asemenea instalaţii de prerăcire a betonului cu ajutorul apei folosită la construcţia barajului de la Detroit (SUA) Apa este răcită de la 16 la 15 ordmC şi transmisă apoi la instalaţia de preparare a betonului şi icircn cinci rezervoare a cacircte 90 m3 fiecare icircn care se răceşte pietrişul
Procesul de răcire a pietrişului cuprinde cinci faze
- faza I - introducerea apei icircn rezervor 10 minute
- fazele II şi III - introducerea simultană a apei şi a pietrişului 50 minute
- faza IV - evacuarea apei 15 minute
- faza V - evacuarea pietrişului 15 minute
Icircntregul proces de răcire a pietrişului durează 90 minute Pentru răcirea cimentului şi nisipului se utilizează schimbătoare de căldură cu ax elicoidal la care apa de răcire circulă prin arborele gol şi prin manta
Rezervoarele 12 pentru apa răcită au fiecare volumul de 114 m3
Beton 635oC
190 m3h
65oC
24oC
18oC
1
2
3
4
5
6
7
8
10
9
11
12
13
14
Apă 16oC
15oC
Cim
en
t
26 l
h
Nis
ip 1
12
lh
10
oC
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
55
42111 Aplicaţie numerică
Să se calculeze puterea frigorifică necesară prerăcirii betonului prin metode şi condiţiile prezentate mai sus Se cunosc următoarele date de calcul
mp = 1700 kgm3 beton
mc = 135 kgm3 beton
mn = 590 kgm3 beton
ma = 60 kgm3 beton
cc = cn = cp = 921 Jkg K
ca = 4180 Jkg K
map = 16 kgm3 beton
man = 38 kgm3 beton
tp = 18 ordmC
tc = 66 ordmC
tn = 21 ordmC tf = 635 ordmC
052803000
190Vb m3s
Se calculează componentele cantităţii de căldură Q01
3fcccc 10741735666921135ttcmQ Jm3
3fnnnn 10796135621921590ttcmQ Jm3
3fpppp 1024018356189211700ttcmQ Jm3
3faaaa 10420235616418060ttcmQ Jm3
3fpaapap 1077935618418016ttcmQ Jm3
3fnaaan 10232735621418038ttcmQ Jm3
Rezulta
3anapapnc1o 1039144QQQQQQQ Jm3
3o 10 206705280103914410VQ 33
b1o kW
4212 b) Instalaţii de prerăcire cu aer apă
Pentru răcirea componentelor betonului se utilizează icircn acest caz fie apa fie aerul ca agenţi intermediari răciţi cu ajutorul instalaţiilor frigorifice
Icircn figura 519 se prezintă schema unei asemenea instalaţii folosită la construcţia barajului de la Sariyar din Turcia
Răcirea aerului se poate face fie direct prin vaporizarea unui agent frigorific fie indirect cu un agent intermediar de răcire ca de exemplu saramura de clorură de calciu Aerul răcit pacircnă la -6 ordmC este suflat icircn silozurile cu pietriş de dimensiuni icircntre 4150 mm
Apa răcită icircn bazinul la pacircnă la 05 ordm este trimisă din colectorul 12 la staţia de preparare a betonului servind la scăderea temperaturii acestuia
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
56
Figura 419 Fig 519 Schema instalaţiei de prerăcire a betonului cu aer şi apă 1 - compresor 2 - condensator 3 - ventile de laminare 4 - vaporizatoare 5 - bazin de răcire a
saramurii 6 - pompă de saramură 7 - răcitor umed de aer 8 - ventilatoare 9 - silozuri de pietriş 10 - bazin de răcire a apei 11 - pompă 12 - colector de apă răcită
Figura 420 Fig 520 Schema instalaţiei de prerăcire cu aer şi apă 1 - siloz de pietriş şi nisip 2 - siloz de ciment 3 rezervor de apă 4 - răcitor de aer 5 - răcitor de apă
4 - răcitor de apă 6 - buncăr de sortare 7 - instalaţie de preparare beton
Pentru intensificarea procesului de răcire a pietrişului aerul este răcit sub 0 ordmC Acest procedeu are avantajul unei funcţionări fără icircntrerupere a procesului de preparare a betonului dar prezintă şi o serie de dezavantaje debite foarte mari de aer de răcire posibilitatea antrenării particulelor fine de agregat icircn răcitorul de aer şi depunerea acestora pe suprafaţa de schimb de căldură Ca urmare instalaţia se va curăţa la circa 14 zile Icircn figura 520 se prezintă o altă schemă de instalaţie de prerăcire a betonului cu aer şi apă folosită la construcţia unui baraj din India
Apă
295oC
Ciment
433oC
Pietriş şi nisip
378oC
Apă 6oC
Ciment 433oC
Aer
Pietriş
45oC Nisip 222oC
22oC
Ap
ă
45
oC
Ap
ă 2
2o
C
Ae
r 5
5o
C
Be
ton
12
8o
C
Apă 22oC
2
1
3 4 5
8
9
5 7
12
1oC
11
05oC 9oC 9oC
-9oC
-10oC -10oC
-10oC 2oC
6oC
10 4 4 6
8 8
8
8 8
9 9 9 9
1
2
3 3
7
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
57
Pietrişul şi nisipul se separă icircntre ele icircn buncărul de sortare 6 şi apoi fiecare circulă pe cacircte o bandă transportoare prin camera de răcire 7 Pietrişul este răcit cu ajutorul apei
Fig
ura
42
1 F
ig 5
21
Sc
he
ma
in
sta
laţi
ei
de
ră
cir
e icirc
n v
id a
co
mp
on
en
telo
r b
eto
nu
lui
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
58
reci icircncacirct ajunge la o temperatură mai scăzută decacirct nisipul răcit cu aer Prin camera 7 se circulă şi aer rece care se introduce la temperatura de 55 ordmC Cimentul se introduce la instalaţia de preparare a betonului 9 fără a fi răcit
O altă posibilitate de prerăcire a agregatelor (pietriş şi nisip) şi a apei utilizată mai recent la construirea barajelor icircntrebuinţează răcirea icircn vid la care agregatele uşor umezite icircn recipiente sub presiune se răcesc după nevoie (prin reglarea vacuumului) la o temperatură mai scăzută sau mai ridicată Căldura necesară evaporării umidităţii de pe agregate şi din ele (apa legată) este luată chiar de la corpurile respective (pietriş nisip) şi ca urmare acestea se răcesc
O asemenea instalaţie utilizată la Hortwell icircn SUA (figura 521) cuprinde 3 recipienţi de cacircte 150 m3 pentru răcirea pietrişului şi 3 recipienţi de cacircte 80 m3 pentru răcirea nisipului
Pietrişul şi nisipul cu temperatura maximă de 43 ordmC se pot răci pacircnă la temperatura necesară de 45 ordmC Pentru realizarea vidului necesar se folosesc două cazane de abur care produc 77 th fiecare
422 522 RĂCIREA INTERIOARĂ A MASIVULUI DE BETON
Prerăcirea betonului se recomandă icircn condiţiile unei zone tropicale sau temperate de amplasare a construcţiei masive nu se recomandă icircn cazul amplasării barajului icircn munţi unde temperatura aerului este scăzută Icircn asemenea situaţii se recomandă răcirea betonului prin conducte amplasate icircn masiv prin care circulă apă rece
La răcirea interioară cu conducte montate icircn beton are loc o eliminarea a căldurii simultan cu producerea ei icircn procesul de priză producacircndu-se şi o răcire pacircnă la temperatura necesară Pentru răcire se folosesc conducte de oţel cu diametre de 1525 mm montate la distanţe de 1223 m icircn plan orizontal şi de 153 m icircn plan vertical Lungimea conductelor icircntr-un m3 de beton este de 0204 şi a fiecărei serpentine de 140250 m
Debitul apei de răcire ce circulă prin 1 m3 de beton este de (0553) dm3h
Figura 422 Fig 522 Reţea de conducte de răcire a betonului icircn secţiunea unui baraj 1 - galerie pentru măsurători 2 - galerie de conducte de apă de răcire
Serpentinele se montează şi se fixează pe suprafaţă de beton (fig522) Capetele serpentinelor se leagă de o coloană verticală prin mufe metalice sau de cauciuc Diametrul distribuitorului şi al coloanei este cuprins icircntre 150200 mm După montaj aceste conducte se verifică la presiunea de lucru
1 2
Ax
a
ba
raju
lui
Determinarea necesarului de căldură și apă caldă pentru un imobil
20
Figura 28
Q12 - fluxul termic pierdut prin podea
Specificatii podea
Placa fibrocement
δ 001 m Grosime
λ 02 WmmiddotK Conductivitate termica
Rt 005 m2middotKW Rezistenta termica
Sapa δ 01 m Grosime
λ 0035 WmmiddotK Conductivitate termica
Rt 2857143 m2middotKW Rezistenta termica
Polistiren extrudat
δ 005 m Grosime
λ 0033 WmmiddotK Conductivitate termica
Rt 1515152 m2middotKW Rezistenta termica
K12 = 1
1
120572119894+
1205751
1205821+
1205752
1205822+
1205753
1205823+
1
120572119890 =
11
8 +
001
02+
01
0035 +
005
0033+
1
0
= 0219911 Wm2C
S12 - amprenta la sol a casei = 12296 m2
Δt = ti - te = 22 - 15 = 7degC
Temperature pentru podea este de 15degC
Q12 = K12 middot S12 middot Δt = 0219911 middot 12296 middot 7 = 1892818 W
Podea
ti 22 degC Αi 8 Wm2 k
te 15 degC Αe 0 Wm2 k
δ1 001 m λ1 02 Wmk tp1 2180757789 degC
Determinarea necesarului de căldură și apă caldă pentru un imobil
21
δ2 01 m λ2 0035 Wmk tp2 2173060904 degC
δ3 005 m λ3 0033 Wmk tp3 1733238927 degC
δ4 m λ4 Wmk tp4 15 degC
δ5 m λ5 Wmk tp5 degC
δ6 m λ6 Wmk tp6 degC
tp7 degC
q 1539377 W
Figura 29
Q13 - fluxul termic pierdut prin tavan
Specificatii tavan
Tencuiala δ 002 m Grosime
λ 093 WmmiddotK Conductivitate termica
Rt 0021505 m2middotKW Rezistenta termica
Placa beton armat
δ 013 m Grosime
λ 174 WmmiddotK Conductivitate termica
Rt 0074713 m2middotKW Rezistenta termica
Sapa δ 003 m Grosime
λ 026 WmmiddotK Conductivitate termica
Rt 0115385 m2middotKW Rezistenta termica
Vata bazaltica δ 015 m Grosime
λ 0037 WmmiddotK Conductivitate termica
Determinarea necesarului de căldură și apă caldă pentru un imobil
22
Rt 4054054 m2middotKW Rezistenta termica
Placa nivelanta δ 002 m Grosime
λ 026 WmmiddotK Conductivitate termica
Rt 0076923 m2middotKW Rezistenta termica
K13 = 1
1
120572119894+
1205751
1205821+
1205752
1205822+
1205753
1205823+
1205754
1205824+
1205755
1205825 +
1
120572119890 =
11
8+
002
093+
013
174+
003
026+
015
0037+
002
026+
1
22
K13 = 0219736 Wm2C
S13 = S12 = 12296 m2
Δt = ti - te = 22 + 15 = 37degC
Q13 = K13 middot S13 middot Δt = 0219736 middot 12296 middot 37 = 1000 W
Tavan
ti 22 degC αi 8 Wm2 k
te -15 degC αe 22 Wm2 k
δ1 002 m λ1 093 Wm k tp1 209751906 degC
δ2 013 m λ2 174 Wm k tp2 207988793 degC
δ3 003 m λ3 026 Wm k tp3 2018634954 degC
δ4 015 m λ4 0037 Wm k tp4 1924037163 degC
δ5 002 m λ5 026 Wm k tp5 -1399669009 degC
δ6 m λ6 Wm k tp6 -1462734204 degC
tp7 degC
q 8198475 W
Determinarea necesarului de căldură și apă caldă pentru un imobil
23
Figura 210
Q14 - fluxul temic pierdut prin suprafetele vitrate
Am ales un geam temopan cu trei randuri de sticla și cu tamplarie de lemn
K14 = 06 Wm2C
S14 = 2728 m2 suprafata ocupata de geamuri
Δt = ti - te = 22 + 15 = 37degC
Q14 = K14 middot S14 middot Δt = 06 middot 2728 middot 37 = 605616 W
Fereastra
ti 22 degC αi 8 Wmpk
te -15 degC αe 22 Wmpk
δ1 0005 m λ1 075 Wmk tp1 1992074356 degC
δ2 0018 m λ2 00177 Wmk tp2 1980984988 degC
δ3 0005 m λ3 075 Wmk tp3 2893865242 degC
δ4 0018 m λ4 00177 Wmk tp4 2782971565 degC
δ5 0005 m λ5 075 Wmk tp5 -1413301307 degC
δ6 m λ6 Wmk tp6 -1424390675 degC
tp7 degC
q 1663405 W
Determinarea necesarului de căldură și apă caldă pentru un imobil
24
Figura 211
Q1 = Q11 + Q12 + Q13 + Q14 = 8441254483 + 1892818 + 1000 + 605616
Q1 = 263871712 W
212 Mers de calcul pentru Q2
Q2 = n middot Q1
n - numarul de schimburi (07 08 1)
Q1 - fluxul de căldura pierdut prin transmisie
Q2 = 1 middot 263871712 =gt Q2 = 263871712 W
213 Mers de calcul pentru Q3
Q3 = 119898 middot119862119908 middot(119905119887minus119905119903)
120591 middot3600 [kW]
m - cantitatea de apa calda preparata [Kg]
m = n middot czn middot ρ [Kg]
ρ = 1000 Kgm3- densitatea apei [Kgm3] n = 4 - numarul de locatari =gt n
czn - consumul zilnic de persoana [l] gtgtgt czn = l middot 1000 = m3
Un consum de acm specific unui nivel de confort mediu la o temperature de 45degC vom avea un czn = 50 l de persoana
cw - căldura specifica a apei [KJKgC] =gt cw = 4186 KJKgmiddotC
tb - temperatura apei din boiler [C] =gt tb = 50degC
tr - temperatura apei de intrare [C] =gt tr = 10degC
Icircn general avem vara tr = 1217degC iar iarna tr = 5hellip10degC
120591 - timpul icircn care este incalzita apa [h] =gt 120591 = 4h
m = 4 middot (50 middot 1000) middot 1000 m = 200 Kg
Q3 = 200 ∙4186 ∙(50 ∙10)
4 ∙3600 =gt Q3 = 2325555556 W
Q = Q1 + Q2 + Q3 = 263871712 + 263871712 + 2325555556
Q = 7602989795 W =gt Q = 76 KW
Calculul necesarului de frig pentru depozit de fructe
25
3 Calculul necesarului de frig pentru depozit de fructe
31 31 Calculul grosimii izolatiilor
Regimul de funcţionare al spaţiilor frigorifice caracterizat prin valori coboracircte ale temperaturilor prin variaţia rapidă a acestora şi prin umiditatea mare a aerului icircncăperilor impune pentru izolaţiile termice ale pereţilor planşeelor şi pardoselilor condiţii deosebite Pereţii spaţiilor frigorifice despart două medii cu temperaturi diferite Fluxul de căldură ce pătrunde din exterior icircn camere care trebuie preluat de instalaţia frigorifică este direct proporţional cu diferenţa de temperatură dintre cele două feţe ale peretelui şi cu coeficientul global de transmitere a căldurii Izolarea se execută la spaţiile răcite atacirct la pereţi cacirct şi la tavan şi podea şi are ca rol icircmpiedicarea apariţiei condensului pe suprafaţa caldă a pereţilor incintelor frigorifice
Figura 31 Fig13 Variaţia de temperatură prin peretele termoizolant
Din exploatarea frigoriferelor se cunoaşte că prin icircnvelişul exterior al spaţiilor frigorifice trece icircn majoritatea cazurilor mai mult de jumătate din cantitatea totală de căldura ce pătrunde icircn icircncăperi Această cantitate de căldură se poate reduce prin majorarea grosimii stratului termoizolant Dar reducerea infiltraţiilor de căldură icircn acest tel nu se poate face nelimitat deoarece la o anumită grosime a stratului izolant adică la o anumită valoare a coeficientului k de transfer al căldurii costul construcţiei izolate va fi mai mare decacirct costul energiei ce reprezintă frigul economisit prin majorarea grosimii izolaţiei
De aceea se obişnuieşte a se folosi icircn calcule valori optime ale coeficientului k de transfer al căldurii calculacircndu-se astfel o grosime optimă a izolaţiei termice
Pentru izolarea pereţilor camerelor se vor folosi panouri tip sandwichFig15
Calculul necesarului de frig pentru depozit de fructe
26
Figura 32 Fig15 Construcţia panourilor de tip sandwich
Rolul panourilor plastifiate este de a preicircntacircmpina pătrunderea vaporilor icircn interiorul izolaţiei eliminacircnd necesitatea barierei de vapori Panourile folosesc metoda de icircmbinare nut-feder reducacircndu-se astfel transferul de căldură cu mediul extern
Deoarece avem un singur depozit vom adopta coeficienţii de transfer de căldură prin
convecţie funcţie de t
Aleg pentru t = = te - ti = 318 - 1 = 308 0C k = 023 Wm2K
Din catalogul de produse INCOLD Italia se alege poliuretan 100 mm = 0023 WmK
Tablă din oţel galvanizat plastifiat
Calculul necesarului de frig pentru depozit de fructe
27
Tabelul 317 Tabel24 Calculul grosimi izolației
ei
i
i
izizk
111
Coeficientul global de transfer de căldură se determină utilizand relaţia
eiz
iz
i
i
i
k
11
1
n
i i
i
1
- suma rezistenţelor termice ale tuturor straturilor din care este realizat
peretele[m2KW]
iz - grosimea stratului de izolaţie termică [m]
iz - conductivitatea termică a materialului izolator [WmK]
e - coeficient de convecţie pe partea exterioară a peretelui [WmK]
i - coeficient de convecţie pe partea interioară a peretelui [WmK]
32 32 Bilantul caloric al spatiului climatizat pe timp de vară Necesarul de frig pentru frigorifer
Se stabileşte consumul zilnic de frig pe icircntreg frigoriferul şi pentru fiecare icircncăpere icircn parte luacircndu-se icircn considerare cele mai nefavorabile condiţii de lucru
temperatura aerului exterior pentru luna cea mai caldă a anului
icircncărcarea maximă şi simultană a camerelor de refrigerare
Spaţiul frigorific
Perete k αi αe 1αi 1αe R 1k λiz
δiz
calc δiz
ales Kr
[Wm2K] [m2KW] [WmK] [m] [m]
N 0229 10 18 010 006 0590 4367 0023 0097 0100 023
E 0224 10 12 010 008 0618 4464 0023 0098 0100 023
DR S 0221 10 12 010 008 0618 4525 0023 0100 0100 023
V 0223 10 12 010 008 0618 4484 0023 0099 0100 023
T 0221 10 12 010 008 0618 4525 0023 0100 0100 023
P 0228 10 0 000 000 0435 4386 0023 0000 0100 023
N 0221 25 12 004 008 0558 4525 0023 0101 0100 023
E 0224 25 12 004 008 0558 4464 0023 0100 0100 023
CP S 0224 25 12 004 008 0558 4464 0023 0100 0100 023
V 0223 25 12 004 008 0558 4484 0023 0100 0100 023
T 0221 25 12 004 008 0558 4525 0023 0101 0100 023
P 0228 25 0 000 000 0435 4386 0023 0000 0100 023
Calculul necesarului de frig pentru depozit de fructe
28
camerele vecine celei căreia i se face calculul necesarului de frig sunt goale şi au temperatura vestibulului sau a sasului
Aceste calcule determină necesarul de frig pe categorii de consumatori grupaţi după temperatura cerută şi permit stabilirea puterilor frigorifice icircn vederea proiectării instalaţiei
Pentru calculele termice sunt necesare următoarele
planul frigoriferului care a fost stabilit
dimensiunile camerelor
temperaturile necesare icircn fiecare cameră
Se consideră
1degC icircn depozitele de refrigerate
orientarea frigoriferului după punctele cardinale
condiţii climatice icircn lunile cele mai călduroase pentru zona geografică respectivă
Consumul de frig se calculează pentru 24 ore cu relaţia
Qnec = Q1 + Q2 + Q3 + Q4 [kcal24h]
Q1 - neeesarul de frig pentru acoperirea pătrunderilor de căldură prin cenvecţie
conducţie şi radiaţie din mediul icircnconjurător prin pereţi pardosea și plafon
Q2 - necesarul de frig tehnologic pentru procesele de răcire refrigerere şi
congelare eliminarea căldurii de respiraţie seu pentru unele procese chimice şi
biochimice
Q3 - necesarul de frig pentru ventilarea camerelor frigorifice cu aer proaspat care
trebuie racit şi uscat
Q4 - necesarul de frig rezulticircnd din condiţii de exploatare acoperirea căldurii
provenite din iluminat din funcţionarea motoarelor căldura provenită de la persoanele ce
manipulează produsele datorită deschiderii uşilor etc
321 Consumul de frig Q1
Se determină pentru fiecare spaţiu icircn parte cu relaţia
RttkFQ1 [ W ]
F - reprezintă suprafaţa pereţilor a pardoselei şi a plafonului corespunzător fiecărui
spaţiu frigorific icircn parte icircn m2 Ca suprafaţă de transfer se va considera suprafaţa
exterioară a perimetrului izolat termic
k - reprezintă coeficientul global de transmitere a căldurii prin convecţie conducţie şi radiaţie
prin pereţi plafon şi pardoseală (toate izolate termic) icircn [W(m2 middot grd)] Valoarea coeficientului k a
fost calculată icircn tabelul 24 (kr)
Δt - reprezintă diferenţa de temperaturi dintre temperatura exterioară suprafeţei de
transfer termic considerată şi temperatura interioară spaţiului frigorific
Calculul necesarului de frig pentru depozit de fructe
29
Diferenţa de temperatură ΔtR se ia icircn consideraţie numai la pereţii exteriori şi la
plafoane care sunt şi acoperiş pentru clădire
ΔtR = 0degC pentru pereţi exteriori orientaţi spre N
ΔtR = (5 10)degC pentru pereţi exteriori orientaţi spre E V S-E S-V
ΔtR = 15 degC pentru pereţi exteriori orientaţi spre S
ΔtR = (15 18)degC pentru plafoane care sunt şi acoperiş (terasă)
Calculul valorilor mărimii sumQ1 se recomandă a se efectua tabelar conform tabelului 25
Valoarea mărimii sum Q1 la aparate se obţine prin icircnsumarea fluxurilor termice prin toate cele 6 suprafeţe delimitatoare
La stabilirea valorii mărimii sum Q1 se consideră doar unul dintre fluxurile termice prin suprafeţele ce separă spaţiile frigorifice vecine Pentru aparatele de răcire din spaţiile frigorifice se consideră situaţia cea mai grea pentru fiecare spaţiu icircn parte respectiv că spaţiile vecine nu sunt răcite
Spaţiul frigorifi
c
Perete
Dimensiuni
Supraf F
[m2]
Kr [Wm2K]
Δt [grd]
Δtr
Q1 [W] sumQ1 q a [m]
b [m]
N 15 4 60 023 308 42504
246068
708
E 7 4 28 023 308 8 24987 892
DR S 15 4 60 023 185 15 46202 770
V 7 4 28 023 308 19835 708
T 15 7 105 023 308 74382 708
P 15 7 105 023 158 38157 363
N 7 4 28 023 185 11914
133566
426
E 7 4 28 023 268 8 22411 800
CP S 7 4 28 023 268 15 26919 961
V 7 4 28 023 185 11914 426
T 7 7 49 023 268 30204 616
P 7 7 49 023 268 30204 616
Tabelul 318 Tebel25 Calculul valorilor mărimii Q1
322 Necesarul de frig Q2
sum Q2 - necesarul de frig tehnologic pentru procesele de răcire refrigerare şi
congelare
Q2d = mcp(tc-ti)=500003644 = 4186000(243600)= 842 kW
Q2c = 2600036419 = 1798160 = 208 KW
Q2 = 208 + 842 = 293 = 30kW
unde
Q2d - necesarul de frig tehnologic depozit
Q2c - necesarul de frig tehnologic camera de preracire
Calculul necesarului de frig pentru depozit de fructe
30
m - cantitatea de produse introduse icircn tunelul de congelare icircn kg
te ti - temperaturi specifice corespunzătoare temperaturii iniţiale a produsului cald
(24 ordmC) respectiv temperaturii finale a produsului refrigerat (1 ordmC)
Căldura specfifică mere cp = 364 [kJkgK]
323 Necesarul de frig Q3
Icircn funcţie de natura produselor din spaţiul frigorific este necesar uneori să se realizeze ventilarea spaţiului prin asigurarea unui anumit număr de schimburi ale aerului din incintă icircn 24h Ca exemplu icircntotdeauna va fi necesară ventilarea prin introducere de aer proaspăt icircn spaţiile de păstrare pentru legume fructe şi ouă refrigerate Aceste produse vii respiră icircn timpul păstrării şi necesită icircn consecinţă ventilarea spaţiilor de păstrare
Acest consum de frig se ia icircn considerare doar la depozitele de refrigerare care se ventilează Se stabilește cu relația
Q3 = V ∙ a ∙ ᵖi ∙ (hex - hi) [kJ24]
V - volumul camerelor ventilateicircn m3
a = 24 schimburi pe zi pentru depozitele de mere
ᵖi - reprezintă densitatea aerului la temperature interioară icircn kgm3
Pentru depozitele de refrigerare considerăm umiditatea relativă ᵠi = 95 și ti=1 ordmC
rezultacircnd icircn acest caz hi= 9 kJkg
Parametri aerului exterior pentru zona icircn care este amplasat depozitul sunt temp ex 318
și umiditatea ext 60 rezultand din diagram mollier entalpia aerului Calcul facut icircn
programul Coolpack
ρi = 12 kgm3
hex = 7519 kJkg
Q3 = 616 2 12 (7519 - 9) (243600)= 00025 kW
324 Necesarul de frig Q4
Q4 - frigul consumat pentru acoperirea pierderilor icircn timpul exploatarii datorat deschiderii
usilor a corpurilor de iluminat a motoarelor electrice a oamenilor Se admite Q4 =
(01hellip04)Q1
Q4 = 02 379617 = 759234 = 008 kW
Qtotal = sum 119824120783 + Q2 + Q3 + Q4 = 004 + 30 + 000025 + 008 = 3012 = 31 kW
33 33 Stabilirea directiei raportului de termoumiditate și trasarea procesului de conditionare a aerului pe diagrama i-X pe timp de vară
Icircn fig16 este reprezentat un agregat pentru condiţionarea aerului pe timp de vară cu recirculare parţială
Calculul necesarului de frig pentru depozit de fructe
31
Figura 33 Figura16 Schema aparatului de condiţionare a aerului pe timp de vară cu recirculare parţială
F - filtru V - vaporizator C - compressor K - condensator VL - ventil de laminare I - icircncălzitor Vt - ventilator
Procesele de lucru pot fi reprezentate icircn diagrama h-x ca icircn figura următore
Figura 34 Fig17
A reprezintă starea aerului recirculat provenit din spaţiul condiţionat iar E este starea aerului exterior
Aerul tratat icircn aparatul de condiţionare care se introduce icircn incintă avacircnd starea B
trebuie să preia degajările de căldură Qv [kW] şi de umiditate Wv [kgs]
Direcţia procesului suferit de aer icircn incintă este dată de raportul de termoumidificare εv
= Qv Wv
Prin punctul A se trasează dreapta avacircnd raportul de termoumidificare εv iar punctul B se fixează pe această dreaptă adoptacircndu-se o anumită diferenţă de temperatură faţă de starea A
Aerul recirculat A se amestecă cu aerul proaspăt E şi rezultă starea de amestec M De regulă xM gt xB deci aerul va trebui să fie uscat
Pe verticala din B se fixează starea D avacircnd xD= xB şi ᵩD = 90hellip98
Calculul necesarului de frig pentru depozit de fructe
32
Se uneşte M cu D iar apoi se prelungeşte acest segment pacircnă la intersecţia cu ϕ = 100 rezultacircnd starea P avacircnd temperatura tp
Circulacircnd aerul cu starea M peste o suprafaţă rece avacircnd temperatura tp se va obţine procesul de răcire şi uscare MD
Temperatura suprafeţei tp se asigură cu o instalaţie frigorifică a cărei temperature de vaporizare va fi t0 lt tp
Ultimul proces din aparatul de condiţionare va fi icircncălzirea finală DB
Calculul agregatului de condiţionare a aerului pe timp de vară se efectuează asemănător cu cel a agregatului de condiţionare a aerului pe timp de iarnă cu observaţia că pe timp de vară nu este necesară umidificarea
331 Date
Vtotal = 616 m3 tint = 1ᵒC tex = 318 φint = 90 φext = 60 ρaer = 12 [kgm3]
Starea A
tA = ti + 3 = 4deg xA = 00043[kj
kg] φA = 86 hA = 1489[
kj
kg]
Starea B
tB = 1degC xB = 00036 [kj
kg] φB = 90 hB = 1024[
kj
kg]
Starea E
tE = 318degC xE = 00171[kj
kg] φE = 60 hE = 7519[
kj
kg]
Starea M
hM =hE + n ∙ hA
n + 1=
7513 + 20 ∙ 1489
21= 1775[
kj
kg]
xM =xE + n ∙ xA
n + 1=
00171 + 20 ∙ 00043
21= 00049[
kj
kg]
Rezulta din diagrama Mollier
Starea D
hD = 108 [kj
kg] xD = 0003[
kj
kg] φD = 97
Raportul de recirculare n = 20
Debitul de aer ventilat V =Vtotal∙20
24h=
616lowast20
24= 513 [m3h]
Debitul masic m = V ∙ ρaer = 513 lowast 12 =
6156[kg
h]
3600= 0171 [kgs]
tp = minus3degC t0 = tp minus 9degC = minus3 minus 9 = minus12degC
Puterea termica a vaporizatorului ( puterea frigorifică )
ФV = Ф0
Puterea termica a icircncalzitorului
ФI = 119898 ∙ (hB - hD)
Cantitatea de apa condensată icircn unitatea de timp pe suprafața de racire este
Calculul necesarului de frig pentru depozit de fructe
33
ẆV = 119898 ∙ (XM - XD)
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
34
4 Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
Există două domenii principale icircn care se utilizează frigul artificial icircn lucrările de construcţii şi anume
icircngheţarea terenurilor acvifere icircn vederea săpării puţurilor de mină a barajelor a depozitelor de gaze lichefiate etc
prerăcirea componentelor betonului icircn cazul executării unor masive de beton ca de exemplu baraje
41 51 IcircNGHEŢAREA SOLULUI
411 511 CONSIDERAŢII GENERALE PRIVIND IcircNGHEŢAREA SOLULUI
Icircngheţarea artificială a solului reprezintă una dintre cele mai interesante şi icircn acelaşi timp şi importante aplicaţii practice a frigului artificial Totodată este una dintre primele aplicaţii industriale a tehnicii frigului şi care a asigurat o dezvoltare deosebită a industriei extractive Aşa se explică faptul că odată apărută maşina frigorifică cu absorbţie realizată icircn 1859 de către Ferdinand Carre este folosită la săparea primului puţ de mină prin icircngheţarea artificială a rocilor Dar nu numai industria minieră foloseşte icircn ultimul secol procedeul consolidării rocilor la săpararea unor lucrări subterane Lucrări inginereşti de tot genul ca metrouri staţii subterane de pompare rezervoare de gaze lichefiate poduri lucrări portuare şi altele asemănătoare amplasate icircn zone acvifere au fost realizate prin metoda consolidării prin frig a rocilor
Această metodă a consolidării rocilor prin frig artificial realizează icircn jurul lucrării inginereşti subterane un perete icircngheţat protector pe durata lucrărilor de construcţii Acest perete asigură o izolare hidraulică şi icircn acelaşi timp şi o protecţie mecanică Rezistenţa mecanică a rocilor creşte pe măsură ce temperatura lor scade icircncacirct metoda expusă mai sus prezintă avantajul reglării capacităţii portante a peretelui icircngheţat
Apa conţinută icircn terenuri prin icircngheţare capătă proprietăţile cimentului exprimate prin forţele de coeziune mari care apar icircntre cristalele de gheaţă şi grăunţii de rocă
Pentru obţinerea peretelui protector se folosesc sonde de icircngheţare forate pe conturul lucrării subterane şi prin care circulă agentul de răcire care poate fi un agent intermediar ca de exemplu saramura de clorură de calciu sau agentul frigorific de exemplu amoniacul Icircn funcţie de grosimea peretelui şi de rezistenţa mecanică pe care trebuie să o aibă se va alege temperatura agentului de răcire distanţa dintre sonde şi durata de icircngheţare
Instalaţia de consolidare prin frig a rocilor cuprinde trei părţi principale staţia frigorifică reţeaua de distribuţie a agentului de răcire (saramura) şi sondele de icircngheţare a solului
Staţia frigorifică cuprinde instalaţia frigorifică propriu-zisă cu comprimare mecanică de vapori sau prin absorbţie icircntr-o treaptă sau icircn două trepte Icircn funcţie de condiţiile de amplasament ale obiectivului staţia frigorifică poate fi de construcţie staţionară (icircn minerit) sau mobilă (la metrouri)
Reţeaua de distribuţie alcătuită din conducte metalice sau din mase plastice are rolul de a face legătura icircntre staţia frigorifică şi sondele de icircngheţare Pentru reducerea pierderilor de frig reţeaua de distribuţie se izolează termic
Sondele de icircngheţare constituie schimbătorul de căldură subteran prin care se extrage căldura de la terenul supus icircngheţării Icircn fig 51 se prezintă schiţa unei sonde de icircngheţare cu ajutorul saramurii Saramura rece cu temperatura icircntre -10 ordmC pacircnă la -35 ordmC
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
35
coboară prin ţeava interioară şi apoi se icircntoarce prin spaţiul inelar dintre cele două conducte concentrice
Figura 41 Fig 51 Sonda de icircngheţare 1 - şiu (tub scurt de oţel cu pereţi groşi rezistent) 2 - ţeava interioară 3 - ţeava exterioară (burlan de
icircngheţare) 4 - capul sondei
Circulaţia continuă a saramurii prin sonda de icircngheţare face ca rocile ce icircnconjoară sondele inclusiv apa conţinută icircn spaţiile libere să se răcească treptat Icircn jurul sondei icircncepe să se formeze stratul de rocă icircngheţată diametrul cilindrului de teren icircngheţat se măreşte icircn timp Aşa cum s-a arătat icircn capitolul 3 rezultă că dezvoltarea radială a cilindrului de rocă icircngheţată icircn jurul sondei se desfăşoară cu o viteza variabilă de icircnaintare la icircnceput viteza de icircnaintare a frontului de gheaţă este mai mare după care scade icircn timp Apoi se atinge stadiul staţionar de transfer de căldură cacircnd cilindrul nu mai creşte icircn dimensiuni Reiese că distanţa dintre sondele de icircngheţare este determinată de raza maximă a cilindrului de teren icircngheţat Pentru a realiza peretele icircngheţat care să reziste la solicitările la care este supus se impune ca distanţa dintre sondele vecine să fie mai mică decacirct raza maximă a terenului icircngheţat astfel icircncacirct cilindrii formaţi să se unească icircntre ei Icircn fig 52 se prezintă evoluţia icircn timp a icircngheţării terenului icircn jurul sondelor Icircn faza iniţială a icircnceput răcirea dar icircncă nu s-a format teren icircngheţat Icircn faza a II-a (după circa 20 zile) icircn jurul fiecărei sonde se formează cacircte un cilindru de teren icircngheţat fără ca aceştia să se unească Icircn faza a III-a (după circa 30 zile) cilindrii se icircntretaie şi formează peretele protector
Figura 42 Fig 52 Evoluţia cilindrilor individuali de rocă icircngheţată 1 - sonda de icircngheţare 2 - sonda de măsurători termice 3 - teren icircngheţat
Această evoluţie poate fi urmărită cu suficientă precizie prin măsurarea temperaturii masivului cu ajutorul unor sonde de măsurători termice 2 montate la distanţe bine stabilite de sondele vecine de icircngheţare Astfel icircn faza I-a temperatura este cea iniţială deci neafectată de prezenţa sondelor icircn faza a II-a temperatura este mai scăzută dar mai mare de 0 ordmC Cum icircn practică sondele de icircngheţare au o abatere de la poziţia verticală (sau de la cea impusă prin proiect) sondele de măsurători termice sunt prevăzute icircntre sondele
I II III
1
2 2 2
3 3
SARAMURĂ CALDĂ
IEŞIRE
INTRARE SARAMURĂ A E RECE
1
2
3
4
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
36
cele mai distanţate icircntre ele acolo unde evoluţia peretelui de protecţie este cea mai defavorabilă
Primele realizări inginereşti de consolidare prin frig artificial a terenurilor acvifere metodă prin care vor fi aduse la lumină multe bogăţii subterane sunt legate de numele inginerului de mine şi metalurgie Friederich Herman Poetsch El a obţinut icircn 27 februarie 1883 brevetul pentru procedeul său de adacircncire a puţurilor verticale icircn roci bogate icircn apă (şi curgătoare) Poetsch a reuşit să experimenteze procedeul său la adacircncirea unor puţuri de mină dar a avut şi multe insuccese icircncacirct la 9 iunie 1902 moare sărac şi dezamăgit Metoda de icircngheţare prin frig artificial a terenurilor a avut mare succes icircn Franţa Astfel numai icircn perioada 1892 - 1898 icircn bazinele carbonifere Nord şi Pas de Calais s-au săpat circa 20 puţuri pacircnă la o adacircncime de 100 m prin aplicarea metodei icircngheţării după planurile lui Poetsch
Desigur că nu ar putea fi omis numele lui Louis Gebhard care realizează numeroase lucrări de adacircncire a puţurilor prin icircngheţare atacirct icircn Germania cacirct şi icircn Franţa Anglia Olanda şi Polonia ceea ce face ca metoda propusă de Poetch să devină o tehnologie demnă de toată icircncrederea cu siguranţă absolută şi cu un mare randament
Gebhard un mare practician icircncepe sa folosească icircn locul instalaţiilor cu absorbţie realizate de F Carre pe cu cele cu comprimare mecanică de vapori realizate de Karl von Linde cu icircncepere din anul 1874
Poetsch icircn 1888 prevede extinderea procedeului de icircngheţare la construcţia podurilor la construcţii navale lucrări de fortificaţii la protecţia fundaţiilor subterane şi a bazinelor cu apă El susţine că poate să rezolve orice problemă sub apă chiar şi puţuri icircncepute şi abandonate
Icircn anul 1900 se depăşeşte bariera adacircncimii de 100 m Realizarea unor puţuri mai adacircnci (peste 100 m) ridică unele probleme icircn plus faţă de puţurile de mai mică adacircncime deoarece abaterile de la verticalitate pot conduce la formarea unor ferestre icircn peretele protector
Icircn ţara noastră această tehnologie de forare a unor puţuri de mină cacirct şi a galeriilor de metrou prin icircngheţarea solului a fost folosită cu icircncepere din anul 1961 aşa cum se prezintă icircn paragraful 513
412 512 CONSTRUCŢIA INSTALAŢIEI DE IcircNGHEŢARE A SOLULUI
Icircn funcţie de forma şi mărimea lucrării care se realizează la adăpostul terenului icircngheţat principial se pot utiliza următoarele tipuri de instalaţii
a) cu răcire indirectă denumită şi cu dublu schimb (fig53)
b)cu răcire directă icircn circuit icircnchis (fig 54)
c)răcire directă icircn circuit deschis (fig55)
a) Răcirea indirectă se utilizează icircn practică cel mai mult fiind cunoscută icircncă de la icircnceputurile metodei de icircngheţare a solului
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
37
Figura 43 Fig 53 Instalaţia frigorifică cu răcire indirectă 1 - compresor 2 - condensator3 - ventil de laminare 4 - vaporizator 5 - bazin de răcire a saramurii 6
- agitator 7 - pompă de saramură 8 - sonde de icircngheţare
Ca agent frigorific se poate folosi amoniacul sau freonii iar ca agent intermediar se utilizează soluţiile de clorură de calciu clorura de sodiu sau magneziu sărurile respective fiind relativ uşor de procurat
Instalaţiile frigorifice cuprind unul sau mai multe blocuri frigorifice Acest mod de compunere prezintă avantaje icircn ceea ce priveşte montarea cacirct şi exploatarea instalaţiilor se poate asigura o reducere icircn trepte a puterii frigorifice pe măsură ce creşte rezistenţa termică a stratului de teren icircngheţat
Componentele principale ale instalaţiei frigorifice se montează grupat pe cele trei secţiuni secţia de compresoare secţia condensatoarelor şi secţia vaporizatoarelor De regulă compresoarele se montează fie icircn aer liber atunci cacircnd tipul lor permite fie acoperite sub şarpante protectoare
Pe măsură ce se scot din funcţiune blocurile frigorifice se demontează şi se pot monta la un nou obiectiv
b) Răcirea directă icircn circuit icircnchis (fig 54) se utilizează icircn cazul icircn care adacircncimea de icircngheţare este mică
Figura 44 Fig 54 Instalaţia frigorifică cu răcire directă icircn circuit icircnchis 1 - compresor 2 - condensator 3 - ventil de laminare 4 - sonde de icircngheţare
Sondele de icircngheţare constituie vaporizatorul instalaţiei frigorifice Icircn cazul unor sonde de lungime mare icircnălţimea coloanei de agent frigorific este de asemenea mare Ca urmare a presiunii hidrostatice variabile şi temperatura de vaporizare este variabilă fiind mai mare
1
2
1111111 Apă
3
4
1
2
Apă 3
4
5
6
7
8
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
38
la capătul inferior şi mai mică la capătul superior Din acest motiv adacircncimea sondelor de icircngheţare nu poate depăşi anumite limite şi icircn plus se recurge la fragmentarea coloanei de lichid cu ajutorul unor pereţi despărţitori
Pierderile de agent frigorific mai mari decacirct icircn cazul răcirii indirecte reprezintă un alt inconvenient al acestui mod de răcire
c) Răcirea directă icircn circuit deschis constă icircn introducerea agentului frigorific (cel mai frecvent azot lichid) icircn sondele de icircngheţare fără ca acesta să mai fie folosit după vaporizare
La presiunea atmosferică azotul lichid fierbe la temperatura de -196 ordmC icircncacirct vaporii reci de azot icircnainte de a fi evacuaţi se folosesc de asemenea pentru congelarea solului fiind circulaţi prin sonde de icircngheţare (Fig 55)
Figura 45 Fig 55 Icircngheţarea cu azot lichid icircn două trepte 1 - ventil de laminare 2 - sonda de icircngheţare 3 - sonda de icircngheţare cu vapori de azot
Această metodă se foloseşte cacircnd se urmăreşte o icircngheţare rapidă şi volumul de teren icircngheţat este redus
Se vor prezenta icircn continuare unele elemente constructive ale instalaţiilor de icircngheţare
Reţeaua de saramură (fig 56) are rolul de a asigura transferul de căldură de la sol către agentul frigorific Cuprinde două schimbătoare de căldură cel subteran alcătuit din sondele de icircngheţare şi cel de suprafaţă reprezentat de vaporizatorul imersat icircn saramură Icircntre cele două schimbătoare de căldură există conducte magistrale distribuitoare - colectoare şi racorduri la sonde
Saramura răcită prin intermediul vaporizatorului 1 este circulată cu pompa 2 prin magistrala de tur a reţelei 3 Sondele de icircngheţare 5 se leagă prin vane la distribuitorul 4 şi colectorul 6 ambele de construcţie inelară Printr-o asemenea construcţie şi mod de legare a sondelor prezentate icircn figura 56 se asigură o echilibrare a căderilor de presiune pe sondele de icircngheţare şi ca urmare o alimentare uniformă cu agent intermediar şi deci şi o răcire uniformă pentru toate sondele
1
2
AZOT LICHID
VAPORI
AZOT -40OC
3
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
39
Figura 46 Fig 56 Schema reţelei de saramură 1- vaporizatorul 2 - pompa de saramură 3 - magistrala de tur 4 - distribuitorul inelar 5 -sondele de
icircngheţare 6 - colectorul inelar 7 - magistrale de retur M - manometru D - debitmetru T - termometru
Magistralele 3 şi 7 de acelaşi diametru şi lungime variabilă (determinată de o serie de factori) se pot monta atacirct la suprafaţă cacirct şi icircn canal
Magistralele se dimensionează icircn funcţie de puterea frigorifică a schimbătorului de căldură subteran alcătuit din sondele de icircngheţare
F0 qNHd [W] (51)
unde d - diametrul exterior al sondei de icircngheţare m
H - adacircncimea de icircngheţare m
N - numărul de sonde de icircngheţare
qF - densitatea fluxului termic raportat la suprafaţa exterioară a sondei La temperatura saramurii de - 20 ordmC se poate considera qF = (260290) Wm2
Debitul volumic V de agent intermediar icircn reţeaua de icircngheţare icircn funcţie de care se aleg
pompele se determină cu relaţia
tc
V o
(52)
icircn care este densitatea agentului intermediar kgm3
c - căldura specifică a agentului intermediar JkgK
t - creşterea temperaturii agentului (saramura) icircn sondele de icircngheţare K
La icircnceputul perioadei de răcire diferenţa de temperatură este t = 56 K ca apoi să scadă la 12 K
Icircn conductele magistrale se recomandă ca viteza saramurii să fie w = 0915ms
Icircn acest caz diametrul conductelor de transport a saramurii este dat de relaţia
w
V4D
[m] (53)
Icircn funcţie de valoarea determinată pentru D se aleg conducte metalice de diametru nominal cuprins icircntre 75200 mm Dacă rezultă D gt 200 mm se vor alege două conducte cu diametrul mai mic de 200 mm
2
T
T
M
M D
D
NH
3
3
4
6
5
7
1
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
40
Conductele magistrale se realizează prin icircmbinări cu flanşe sau sudate iar la lungimi mai mari de 100150 m se vor prevedea coturi compensatoare Pentru reducerea pierderilor de frig magistralele vor fi izolate termic
Distribuitorul de saramură răcită şi colectorul de saramură de la sonde sunt construcţii metalice identice
Icircn figura 57 se prezintă modul de racordare a sondelor de icircngheţare 5 la distribuitorul 1 şi colectorul 2 Vanele 3 asigură icircnchiderea deci oprirea circulaţiei şi reglajul debitului Prin aceste vane se poate izola o anumită sondă care nu funcţionează normal sau la care se observă o anumită defecţiune
Figura 47 Fig 57 Racordarea sondelor de icircngheţare la distribuitor şi colector 1 - distribuitor 2 - colector 3 - vane 4 - racord elastic 5 - sonda de icircngheţare
Poziţia distribuitorului şi colectorului faţă de racircndul sondelor de icircngheţare poate fi laterală de o singură parte sau laterală de ambele părţi ale sondelor Amplasamentul trebuie astfel făcut icircncacirct să fie posibilă vizitarea supravegherea şi eventual icircnlocuirea sondelor de icircngheţare
Racordarea sondelor la distribuitor şi colector se face prin cacircte un racord elastic (fig 57) Dimensionarea distribuitoarelor şi a colectoarelor se face din condiţia ca viteza saramurii să nu depăşească 0915 ms
Coloanele de distribuţie şi colectare urmăresc icircn teren forma şirului de sonde de icircngheţare şi pot avea acelaşi traseu sau trasee diferite Configuraţia traseului poate fi icircn linie sau circulară Icircn oricare din situaţiile prezentate distanţele dintre ştuţurile de racord şi sondele de icircngheţare sunt variabile astfel icircncacirct racordurile rigide prin flanşe şi sudură sunt greu de realizat Cea mai practică soluţie de racord icircn acest caz este furtunul de cauciuc (fig 57)
Icircn reţeaua de saramură poate pătrunde aer prin procesul de pompare ceea ce conduce la intensificarea acţiunii corosive a saramurii Icircn scopul icircndepărtării aerului nedorit pe partea superioară a conductelor icircn punctele cele mai ridicate ale acestora se montează robineţi de evacuare periodică a aerului şi eventual a altor gaze
Pe conductele magistrale se vor monta aparate de măsură şi control debitmetre termometre şi manometre (fig 56) Icircn acest caz se poate aprecia funcţionarea fiecărei sonde după depunerile exterioare de gheaţă pe racordul metalic sau de cauciuc lăsate neizolate termic tocmai icircn acest scop Icircn scopul urmăririi regimului de lucru sub aspect
5
4
1
2 3
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
41
hidraulic şi termic icircn mod individual se pot monta aparate de măsură şi control pe fiecare sondă de icircngheţare dar această soluţie este mai costisitoare
Sonda de icircngheţare realizează transferul de căldură de la terenul ce urmează a fi icircngheţat spre agentul frigorific (la răcirea directă) sau agentul intermediar (la răcirea indirectă)
Icircn figura 51 s-a prezentat schema de principiu a unei sonde de icircngheţare cu saramură activă pe toată lungimea Conducta exterioară sau burlanul de icircngheţare 3 este o conductă din oţel etanşă şi rezistentă la eforturile mecanice care apar datorită presiunii solului şi variaţiei de temperatură icircntre momentul fixării ei icircn sol şi cel al funcţionării la o temperatura sub 00C
Icircn procesul de icircngheţare coloana de burlane care poate atinge lungimi de sute de metri se contractă icircnsă nu liber deoarece ea este stracircnsă icircn masivul de roci La o variaţie de temperatură icircntre momentul iniţial (fără saramură) şi momentul pornirii circulaţiei de saramură de 400C conducta din oţel de 500 m adacircncime ar trebui să se contracte cu
tHH = 500 11 10-6 40 = 0220 m = 22 cm
Datorită fixării coloanei icircn gaura forată efortul unitar de icircntindere ce apare icircn urma scăderii temperaturii este
tE = 22 1010 11 10-10 40 = 968 105 Nm2 = 9680 Ncm2
La acest efort de icircntindere apărut datorită contracţiei coloanei se mai adaugă efortul de acelaşi semn provocat de dilatarea masivului de rocă acviferă icircngheţată Icircn scopul compensării eforturilor de icircntindere s-a propus icircmbinarea coloanei cu nipluri elastice O asemenea soluţie este mai scumpă şi icircn plus micşorează secţiunea liberă de curgere ceea ce conduce la icircncălzirea excedentară a saramurii
La lucrări subterane de mare adacircncime ca puţurile de mină depozite subterane se folosesc burlane de 1397 x 7 mm pentru a fi posibilă determinarea abaterii de la poziţie verticală
La tunelurile de metrou şi icircn general la lucrările la care adacircncimea de icircngheţare nu depăşeşte 50 - 60 m diametrul cel mai frecvent utilizat este 1143 x 7 mm
Ţeava interioară 2 (fig 51) numită şi tub de alimentare de regulă ţeava uşoară de instalaţii de 50 mm diametrul se introduce icircn burlanul exterior 3 fără icircnsă a atinge şiul de bază 1 al sondei Se asigură icircn acest mod un volum minimal de depuneri solide care circulă cu saramura icircn mod incidental Icircn scopul economisirii de metal tubul de alimentare poate fi din material plastic ceea ce prezintă marele avantaj al lipsei coroziunii şi al refolosirii materialului respectiv
Şiul de fund are rolul de a asigura icircnchiderea burlanului exterior icircn partea sa inferioară Cel mai adesea are formă conică pentru a asigura introducerea cu uşurinţă a coloanei metalice icircn gaura de sondă Această componentă a sondei de icircngheţare se execută fie prin turnare sau se confecţionează cu ajutorul sudurii
Corespunzător profilului geologic al terenului icircn care se lucrează se icircntacirclnesc şi cazuri cacircnd nu este nevoie să se icircngheţe terenul pe toată icircnălţimea sondelor ci numai la partea lor inferioară Icircn acest caz se folosesc sonde de icircngheţare zonală (fig 58) cu ajutorul cărora se asigură congelarea doar a zonei inferioare ceea ce prezintă avantaje economice deosebite nu se consumă energie pentru a icircngheţa icircn mod inutil formaţiuni geologice consistente şi uscate şi nu se reduce ritmul lucrărilor de săpare printr-o eventuală mărire a rezistenţei rocilor
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
42
Figura 48 Fig 58 Sonda de icircngheţare zonală
1 - burlan exterior 2 - tub de alimentare 3 - şiu 4 - tub de evacuare
Figura 49 Fig59 - Sonda de icircngheţare cu agent
frigorific 1 - tub exterior 2 - perete despărţitor 3 - şiu 4 -
ştuţ (ţeavă de preaplin) 5 - condensator - vaporizator
Icircn cazul răcirii directe sondele de icircngheţare cu agent frigorific sunt de construcţie specială (fig 59) Particularitatea acestor sonde este prezenţa pereţilor despărţitori 2 dispuşi unul sub celălalt la circa 3 m fiecare perete fiind prevăzut cu un ştuţ de preaplin O asemenea construcţie are rolul de a fracţiona coloane de lichid ceea ce asigură o răcire mai uniformă pe lungimea sondei
Fiecare sondă este prevăzută la partea superioară cu cacircte o cămaşă de răcire Sondele se umplu cu amoniac lichid icircntr-o asemenea cantitate icircncacirct fiecare secţie să fie icircnecată cu lichid respectiv pacircnă la partea superioară a ştuţurilor 4 Ca urmare a fluxurilor de căldură de la sol se produce fierberea amoniacului icircn toate secţiile sondei Vaporii formaţi se ridică prin ştuţurile 4 şi ajungacircnd la partea superioară a sondei se condensează cedacircnd căldură agentului (amoniac) din cămăşile de răcire
Ca urmare cămăşile de răcire de la partea superioară a sondelor constituie vaporizatorul instalaţiei frigorifice Amoniacul care se condensează la partea superioară a sondei curge icircnapoi (de sus icircn jos) prin ştuţurile 4 Folosirea pereţilor despărţitori şi a ştuţurilor micşorează influenţa presiunii hidrostatice a lichidului asupra temperaturii de vaporizare a amoniacului Asemenea sonde de icircngheţare se folosesc pentru lucrări de mică adacircncime
Amplasarea sondelor se face icircn funcţie de o serie de factori formă poziţia şi dimensiunile lucrării care se realizează structura terenului temperatura şi viteza agentului etc
Icircn cazul puţurilor de mină de secţiune circulară sondele se amplasează pe un cerc
concentric de diametru D mai mare decacirct diametrul de săpare Ds cu grosimea a peretelui icircngheţat
sDD (54)
Trebuie să se ţină seama şi de deviaţia sondelor de la poziţia verticală icircncacirct pentru adacircncimi mari se utilizează relaţia
3
2 4
1
VAPORI 5 LICHID
3
2
4 1
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
43
a21DD s (55)
unde a = 003 H este abaterea medie statistică de la verticală a sondelor
Distanţa dintre sonde se ia de obicei de 1014 m icircn terenuri rezistente şi de 0809 m icircn terenuri slabe
Pentru adacircncimi de peste 500 m se recomandă să se dispună sondele pe două cercuri concentrice pentru a se forma un perete de grosime mai mare şi deci mai rezistent
La icircngheţarea terenului icircn jurul puţurilor de secţiune dreptunghiulară sondele se pot dispune pe dreptunghi sau elipsă Icircn aceste situaţii centura de teren icircngheţat poate fi solicitată la icircntindere ceea ce este de nedorit deoarece limita de rezistenţa la icircntindere a terenurilor icircngheţate este de circa 3 ori mai mică decacirct limita rezistenţei la compresiune Din acest motiv chiar şi la puţurile de mină de secţiune dreptunghiulară sondele se dispun pe unul sau două cercuri (fig 510)
Pentru realizarea galeriilor icircnclinate icircngheţarea terenului se realizează cu sonde verticale (fig 511) sau combinat atacirct cu sonde verticale cacirct şi cu sonde icircnclinate (fig 512)
Distanţa dintre sondele verticale (fig 511) se ia de 23 m iar distanţa dintre racircnduri este de 1525 m
Se poate folosi cacircte un racircnd de sonde icircnclinate montate deasupra galeriei (fig 212 a) sau sonde icircnclinate sub galerie şi sonde verticale scurte deasupra galeriei (fig 512 b)
SONDA
154 m
16
6 m
226
262
85
SONDA
Figura 411 Fig 511 Amplasarea sondelor verticale pentru realizarea galeriei icircnclinate
Figura 411 Fig 510 Dispunerea sondelor icircn jurul puţurilor de mină de secţiune
dreptunghiulară
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
44
Figura 412 Fig 512 Realizarea galeriilor icircnclinate cu sonde verticale (1) şi sonde oblice (2)
I - secţiunea longitudinală II - secţiunea transversală a) sonde icircnclinate deasupra galeriei b) sonde icircnclinate sub galerie
413 513 UTILIZAREA METODEI DE IcircNGHEŢARE A SOLULUI IcircN ŢARA NOASTRĂ
a)Puţuri de mină
Aplicarea metodei de icircngheţare a solului pentru lucrări de minerit a avut loc la noi icircn ţară icircncepacircnd cu anul 1960 la puţul Godeni din bazinul carbonifer Cacircmpulung - Muscel Proiectul a fost elaborat icircn anul 1959 la IPROMIN Bucureşti iar lucrarea a fost executată cu Trustul Minier Argeş avacircnd icircn subantrepriză de specialitate Icircntreprinderea Frigotehnica Bucureşti şi Trustul de prospecţiuni explorări şi deschideri de mine noi Bucureşti
Adacircncimea de săpare a puţului Godeni a trebuit sa fie de 202 m Sondele de icircngheţare constituite din două ţevi concentrice (fig 51) cu diametrele exterioare de 146 mm şi respectiv 57 mm icircn număr de 27 au fost amplasate pe un cerc cu diametrul de 10 m la distanţa de 117 m una de alta
Instalaţia frigorifică a fost dimensionată cu mare precauţie pentru a avea o siguranţă mărită icircn funcţionarea ei Toate părţile componente ale instalaţiei frigorifice au fost proiectate şi executate icircn ţară
La proiectarea instalaţiei s-a avut icircn vedere funcţionarea de scurtă durată şi variaţia puterii frigorifice icircn timp S-a utilizat răcirea indirectă cu soluţie de clorură de calciu iar ca agent frigorific a fost folosit amoniacul Pentru a avea elasticitatea necesară icircn funcţionare la diferite puteri frigorifice au fost folosite grupuri de utilaje frigorifice şi anume
6 compresoare 4 AU - 20 (200000 kcal Nh =233 kW fiecare)
3 baterii de condensatoare atmosferice a cacircte 300 m2 (900 m2)
bazine pentru răcirea saramurii fiecare cu cacircte 2 vaporizatoare superintensive de 50 m2 (600 m2)
2 grupuri a cacircte 5 pompe pentru recircularea saramurii
Puterea frigorifică a instalaţiei montate a fost de 12106 kcal Nh =1395 kW şi s-a caracterizat prin următoarele date tehnice la exploatare
85
1
2
I 85
1
2
I
85
1
2
II
85
1
2 II
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
45
o suprafaţa de schimb de căldură a sondelor 2500 m2 o puterea instalaţiei 750 kW o debitul saramurii icircn
o icircn perioada activă 350 m3h o icircn perioada pasivă 70 m3h
o viteza de circulaţie a saramurii icircn sondă o tur 18 ms 036 ms o retur 029 ms 006 ms
o volumul rocilor icircngheţate circa 10000 m3 o consumul specific de frig mediu 50000 m3 o durata icircngheţării (perioada activă) 130 zile
Icircn timpul răcirii şi deci a icircngheţării solului puterea frigorifică scade icircn mod continuu icircncacirct treptat s-a scos din funcţiune cacircte un compresor icircn perioada pasivă (de săpare a puţului) s-a menţinut icircn lucru doar un singur compresor şi grupul de utilaje aferent
După terminarea lucrărilor de la puţul Godeni icircn anii următori aceeaşi instalaţie s-a montat la puţul Poenari din acelaşi bazin carbonifer unde sondele au fost amplasate pe un cerc cu diametrul de 11 m la distanţa de 128 m una de alta
Un alt puţ realizat prin această tehnologie de icircngheţare a solului a fost puţul Jugur de la acelaşi bazin carbonifer Centrala frigorifică a cuprins 15 compresoare 3 AV - 20 (150000 kcal Nh fiecare=175kW) repartizate icircn 5 linii tehnologice independente cu icircntreg utilajul aferent Fiecare linie este compusă din
o butelie de răcire intermediară BRI - 700 un condensator cu evaporare forţată CEF - 180 un bazin cu patru grupuri vaporizatoare intensive de cacircte 165 m2 (icircn total 66 m2)
Sondele de icircngheţare icircn număr de 27 bucăţi au fost prevăzute să se amplaseze pe un cerc cu diametrul de 104 m la distanţă de 121 m Sondele sunt de tipul celei indicată icircn figura 58 deci cu răcire zonală avacircnd următoarele caracteristici diametrul exterior al burlanului este de 146 mm iar tuburile interioare au 57 mm (la exterior) tubul de alimentare are lungimea de 430 m iar cel de evacuare este de 220 m Ca urmare sondele de icircngheţare trebuie să producă icircngheţarea solului numai pe adacircncimea de la 220 m la 430 m Prin proiect s-au prevăzut următoarele date temperatura saramurii - 35 ordmC viteza saramurii icircn conducte de tur 18 ms viteza icircn conducte de retur (pe adacircncimea de răcit) 06 ms durata icircngheţării (perioada activă) a fost de 75 zile
Au fost prevăzute temperaturi scăzute şi viteze mari de congelare deoarece cilindrul icircngheţat trebuie să preia presiuni de pacircnă la 56 bar
b)Tunelurile pentru metroul din Bucureşti
Icircncepacircnd cu anul 1976 pentru realizarea metroului din Bucureşti s-a procedat la aplicarea metodei de icircngheţare a solului icircntr-o zonă considerată experimentală dar cu realizări efective de galerii
Prin proiect s-a prevăzut consolidarea prin icircngheţare artificială a profilului de săpare a tunelurilor de metrou pe o lungime de circa 550 m pe ambele fire Amplasamentul sondelor s-a făcut icircn două variante (pentru experimentare) pentru un fir de tunel ambele racircnduri de sonde s-au fixat icircn profilul circular de săpare iar pentru cel de al doilea fir de tunel sondele au fost forate icircn afara profilului de icircnaintare (fig 513) Au fost folosite sonde cu saramură cu posibilitatea de icircngheţare pe toată icircnălţimea de 16 m cacirct şi sonde cu icircngheţare zonală icircntre adacircncimile de 7 m şi 16 m Distanţa dintre sonde a fost fixată la 14 m
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
46
Pentru a se icircmpiedica accesul apelor icircn frontul de săpare datorate unor eventuale zone neicircngheţate traseul de tunel icircngheţat a fost icircmpărţit icircn incinte icircnchise prin timpane transversale La distanţe de 3050 m icircn lungul traseului au fost montate sonde de icircngheţare aşezate icircn plan normal pe axul tunelului prin care să se icircnchidă accesul apelor spre frontul de săpare
Echipamentul frigorific principal cuprinde
- 8 compresoare frigorifice 3 AV - 20 funcţionacircnd icircntr-o treaptă pentru care
corespunde puterea frigorifică de 12 106 kcal Nh =1395 kW
- 4 condensatoare de evaporare forţată CEF - 250
- 3 bazine de răcire a saramurii echipate cu cacircte 4 grupuri de vaporizatoare superintensive de cacircte 51 m2 (total 612 m2)
- 3 grupuri de cacircte 2 pompe a 220 m3h pentru circulaţia saramurii pe traseele de distribuţie şi prin sonde
Figura 413 Fig513 Amplasamentul sondelor de icircngheţare
Centrala frigorifică este stabilă adăpostită icircntr-o baracă metalică demontabilă existacircnd posibilitatea de reamplasare rapidă a instalaţiei icircntr-un alt loc Agentul frigorific utilizat este amoniacul iar agentul intermediar este clorura de calciu
Icircn perioada principală de icircngheţare temperatura de vaporizare este to = -22 ordmC asiguracircnd răcirea saramurii la -17 ordmC iar pe retur saramura a avut temperatura cu 15 ordmC mai ridicată
La o asemenea lucrare realizată icircn oraş se impune protejarea contra icircngheţului a straturilor de deasupra galeriilor icircn care sunt amplasate instalaţiile de apă - canal ceea ce presupune folosirea sondelor cu icircngheţare zonală care să nu fie active la partea superioară
c) Puţuri pentru prospectarea balastierelor
Procedeul şi instalaţia frigorifică au avut caracter de noutate şi s-a aplicat icircncepacircnd cu anul 1966 la mai multe obiective icircn general pe văile racircurilor unde s-au construit hidrocentrale
A
A B
B
A-A
000 -300 -700 -1061 -1300
65
800
B-B
000 -300 -700 -1061 -1300
65
550
ARGILA
ARGILA
NISIP
NISIP
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
47
Echipamentul frigorific principal cuprinde un agregat frigorific pentru amoniac de 20000 kcal Nh = 233 kW rezervor de amoniac separator de lichid şi anexe - toate fiind montate pe o remorcă
S-au folosit sonde de icircngheţare cu agent frigorific icircn număr de 8 bucăţi cu diametrul exterior de 133 mm montate pe un cerc cu diametrul de 2 m la distanţa de 076 m lungimea lor fiind de 75 m Legarea sondelor la distribuitor şi colector s-a făcut cu racorduri flexibile
Sondele au o construcţie specială fiind prevăzute cu 4 pereţi transversali cu ştuţuri de preaplin formacircndu-se astfel 5 compartimente Agentul lichid se introduce icircn compartimentul cel mai de sus şi se scurge prin ştuţuri pacircnă la baza sondei Conducta de aspiraţie străbate toate compartimentele vaporii fiind aspiraţi din compartimentul cel mai de jos Circulaţia vaporilor formaţi se face ca şi a lichidului de sus icircn jos obţinacircndu-se astfel o răcire uniformă şi eficientă pe toată icircnălţimea sondei
Durata icircngheţării respectiv a formării centurii de teren icircngheţat la adăpostul căreia să se poată efectua săparea şi preluarea de probe de sol este de 10 zile
414 514 CAcircMPUL DE TEMPERATURĂ IcircN SOLUL IcircNGHEŢAT
Cacircnd prin sonda de icircngheţare circulă saramură a cărei temperatura este sub 0 ordmC practic - 20 ordmC-25 ordmC icircn jurul sondei se formează un cacircmp termic care icircn cazul unei singure sonde poate fi reprezentat prin suprafeţe cilindrice coaxiale de temperatură constantă (izoterme)
După distanţa radială se deosebesc icircn sol din punct de vedere termic trei zone zona cilindrică din imediata vecinătate a sondei care este icircn zona icircngheţată zona răcită cuprinsă icircntre suprafaţa cilindrică izotermă de 0 ordmC şi izoterma de temperatură naturală şi a treia zonă cea de temperatura naturală (fig 514)
Icircn zona icircngheţată temperatura masivului variază de la temperatura peretelui metalic al sondei pacircnă la 0 ordmC Icircn zona răcită temperatura masivului creşte de la 0 ordmC pacircnă la temperatura naturală a masivului
Figura 414 Fig 514 Cacircmpul de temperatură icircn jurul unei sonde de icircngheţare
Este important să se cunoască cacircmpul termic icircn terenul supus icircngheţării deoarece acesta oferă date privind zona de răspacircndire a consolidării rocilor prin solidificarea apei cacirct şi a
t [oC]
r [m]
t (r)
ZONA RACITA
ZONA INGHETAT
A
ts TEMPERATURA NATURALA A ROCII
-20
-10
40
10 0 20 30
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
48
rezistenţei mecanice a rocii icircngheţate Se cunoaşte faptul că rezistenţa mecanică depinde direct de temperatură
Studiul variaţiei temperaturii icircn zona de influenţă a unei sonde şi a tuturor sondelor simultan oferă posibilitatea calculării dimensiunilor la proiectarea construcţiei peretelui protector cacirct şi controlul procesului icircn timpul desfăşurării lucrărilor
Pentru a se stabili relaţia de variaţie a temperaturii icircn zona icircngheţată icircn funcţie de raza r se consideră ecuaţia diferenţială
dr
dtr2q (56)
icircn care q este fluxul unitar de căldură corespunzător lungimii de 1 m din sonda de icircngheţare Wm
- conductivitatea termica a terenului Wm
Integrarea directă a ecuaţiei analitice se poate face icircn ipoteze simplificatoare consideracircnd
= const şi q = const ceea ce este justificat la valori mari ale timpului de răcire
Se separa variabilele
r
dr
2
qdt
(57)
Se consideră cunoscute temperaturile t1 la suprafaţa sondei de raza r1 și t2 = 0 ordmC la raza r2 corespunzătoare suprafeţei exterioare a cilindrului icircngheţat Se integrează ecuaţia (6-7) și cunoscacircnd limitele de integrare se va determina constanta de integrare
Cr ln2
qt
(58)
pentru r = r1 t = t1 deci
11 rln2
qtC
(59)
1
1r
rln
2
qtt
(510)
Se pune condiţia ca pentru r = r2 t = t2
1
212
r
rln
2
qtt
(511)
Se elimina q intre relaţiile (510) și (511) şi se obţine
1
2
1121
r
rln
r
rln
tttt (512)
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
49
Figura 415 Fig 515 Schema schimbătorului de căldură subteran
Pentru t2 = 0 ordmC relaţia (5-12) devine
)rrln(
)rrln(tt
12
21 (513)
Icircn figura 515 se prezintă o secţiune axială printr-o sondă de icircngheţare şi variaţia temperaturii icircn limitele t0 - temperatura agentului de răcire şi ts - temperatura naturală a solului
Cantitatea de căldură transferată de la masivul neicircngheţat spre agentul de răcire prin unitatea de lungimea de conducta şi unitatea de timp se calculează cu expresia
221
2
1o
1
moo
os
d
1
d
dln
1
d
dln
2
1
d
1
ttq
(514)
Icircn calculele inginereşti cel mai frecvent se determină nu fluxul termic pe unitatea de lungime a conductei ci fluxul termic qF raportat la unitatea de suprafaţă a conductei metalice la 1 m2 de suprafaţa exterioară sau interioară Mărimea qF se calculează astfel
22
o
1
2
1
o
o
1
m
o
o
oS
o
F
d
d
d
dln
2
d
d
dln
2
d1
tt
d
(515)
Fluxul termic qF prin unitatea de suprafaţă a sondei de icircngheţare calculat pentru adacircncimea de 100 m icircn regim laminar de curgere a agentului de răcire prin spaţiul inelar al sondei cu viteza w = 01 ms la diametre ale cilindrului de rocă icircngheţata
de la 02 la 3 m pentru to = -20 ordmC do = 01 m 1 = 233 WmK variază de la 720 la 230 Wm2 aşa cum se poate observa din figura 516 şi tabelul 51
d2
d1
d0
t
qF
t0
t2
t1 2
m 1
m
ts
Conducta Teren icircngheţat Teren
neicircngheţat
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
50
Figura 416 Fig 516 Variaţia fluxului termic qF prin unitatea de suprafaţă a sondei de icircngheţare 1 - regim turbulent 2 regim laminar
Tabelul 51Variaţia fluxului termic qF [Wm2]
Diametrul cilindrului de rocă icircngheţată icircn m
02 04 05 08 10 15 20
qF regim laminar 1160 550 387 330 302
qF regim laminar 720 465 423 350 321 283 258
Se observă ca densitatea fluxului de căldura qF scade foarte mult de la 800900 Wm2 la icircnceputul operaţiei de consolidare prin frig a rocilor pacircnă la 230250 Wm2 cacircnd cilindrul de rocă icircngheţata atinge diametrul de 23 m Ca urmare a acestei situaţii şi puterea frigorifică a instalaţiei va scădea icircn decursul a 6080 zile tot cu raportul de 800230 = 35
Instalaţia frigorifică va fi constituită din grupuri de utilaje (module) ce vor fi scoase treptat din funcţiune pe măsură ce se reduce densitatea fluxului de căldură qF ca urmare a creşterii grosimii stratului de teren icircngheţat Icircn practică pentru calcule se va considera qF = (260290) Wm2
O mărime importanta pentru proiectarea instalaţiei şi aprecierea procesului de consolidare a rocilor este timpul de icircngheţare Pentru calculul duratei de icircngheţare se pot folosi relaţiile prezentate icircn capitolul 3 la formarea gheţii pe suprafeţe cilindrice exterioare La aprecierea valorii pentru ls - căldura latentă de solidificare se avea icircn vedere conţinutul de apă din terenul supus icircngheţării
Dacă icircntre relaţiile pentru dependenţele (r) şi qF(r) se elimină r se obţine dependenţa
qF() Eliminarea nu se poate face direct ci fie cu ajutorul calculatorului fie printr-o construcţie grafică prezentată icircn figura 517
Studiul variaţiei temperaturii icircn solul icircngheţat cacirct și variaţia icircn timp a densităţii fluxului de căldura se poate face cu ajutorul calculatorului electronic
1200
1000
800
600
400
200
0 05 1 15 2 25 3
qF [Wm2]
Diametrul cilindrului de rocă icircngheţată [m]
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
51
Figura 417 Fig 517 Stabilirea dependentei qF() pe baza dependentelor qF(r) și (r)
415 515 ELEMENTE DE PROIECTARE A INSTALAŢIEI FRIGORIFICE PENTRU IcircNGHEŢAREA SOLULUI
Pentru proiectarea instalaţiei frigorifice trebuie sa se stabilească la icircnceput elementele de baza și anume
- puterea frigorifică maximă care apare la icircnceputul perioadei de răcire cacircnd pătrunderile de căldura spre agentul de răcire din sondele de icircngheţare au valori mai mari temperatura de vaporizare a agentului frigorific plecacircnd de la temperatura minimă sau medie din solul icircngheţat şi avacircnd icircn vedere modul de răcire directă sau indirectă
Se calculează cantitatea totală de căldură ce trebuie extrasă din terenul supus răcirii şi icircngheţării Se cunoaşte structura terenului icircngheţat deci se cunosc icircnălţimile h1 h2hn ale diferitelor straturi componente cacirct şi proprietăţile termofizice ale acestora
Grosimea centurii de teren icircngheţat se stabileşte icircn urma calculelor de rezistenţa materialelor icircncacirct se pot calcula volumele ocupate de straturile componente V1 V2Vn
Cantitatea de căldură ce trebuie extrasă din zona icircngheţată cuprinde două componente și anume
cantitatea de căldura Qa corespunzătoare răcirii şi icircngheţării apei
cantitatea de căldura Qt necesara răcirii părţii solide a terenului
n
1kfgsikaakka tcltcVQ (516)
unde
k - reprezintă conţinutul icircn apă din stratul respectiv [m3m3]
a - densitatea apei [kgm3]
ca cg - căldura specifica a apei respectiv a gheţii Jkg K
tik - temperatura iniţiala a stratului respectiv (de ordinul k)
tf - temperatura medie finala a masivului icircngheţat
ls - căldura latentă de solidificare a apei
r
q
q
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
52
fik
n
1kkkkkt ttc1VQ
(517)
k - densitatea părţii de teren solid (uscat) din stratul k
ck - căldura specifică a terenului uscat din stratul k
Cantitatea de căldură extrasă din terenul răcit reprezintă circa 1018 din cantitatea de căldură extrasă din zona de teren icircngheţat
Deci cantitatea totală de căldură Q ce va trebui preluată de către instalaţia frigorifică se poate aprecia astfel
Q = (110118) (Qa + Qt) (518)
Cu relaţia (51) se calculează puterea frigorifica a instalaţiei adoptacircnd o valoare medie pentru densitatea fluxului de căldura qF
Se poate aprecia timpul de funcţionare a instalaţiei frigorifice
o
Q
(519)
La anumite grosimi ale cochiliei de teren icircngheţat icircn jurul sondei densitatea fluxului termic scade sub valoarea medie adoptată icircn calcule şi ca urmare icircncepacircnd de la acest moment se va putea reduce treptat puterea frigorifica a instalaţiei prin scoaterea din funcţiune a unor grupuri
La proiectare se pot avea icircn vedere unele recomandări practice pentru stabilirea necesarului de frig pentru icircngheţarea unui m3 la -10 ordmC este necesar un consum specific de frig de 66000 kJ la 10 umiditate de 155000 kJ la 35 umiditate și de 210000 kJ la 50 umiditate
42 52 RĂCIREA BETONULUI LA CONSTRUCŢIILE MASIVE
421 521 INSTALAŢII DE PRERĂCIRE A COMPONENTELOR BETONULUI
Formarea betonului din elementele sale componente (nisip pietriş ciment şi apă) este icircnsoţită de fenomene fizico - chimice icircn care se degajă căldură şi ca urmare temperatura acestuia creşte Icircn cazul unor masive din beton (baraje) dacă viteza de turnare (icircn sezonul cald cacircnd se efectuază construcţia) este mai mare şi nu se asigura evacuarea căldurii corpul rezultă la o temperatura medie mai mare decacirct temperatura medie anuală Răcirea naturală conduce la contracţia masivului şi ca urmare la apariţia sub acţiunea tensiunilor interne a unor fisuri
Pentru ca variaţiile de temperatura icircntre centrul barajului şi straturile exterioare să fie cacirct mai mici se impune ca masivul respectiv să fie turnat la temperatura medie anuală a zonei respective Icircn acest scop se pot folosi două metode prin prerăcirea componentelor betonului și prin răcirea masei barajului
Icircn vederea reducerii căldurii degajată icircn reacţia dintre ciment şi apă au fost realizate sortimente de ciment caracterizate prin călduri masice reduse ce se degajă icircn procesul de priză
Prin prerăcirea componentelor betonului se urmăreşte ca betonul sa aibă temperatura medie a locului de amplasament şi prin aceasta evitarea apariţiei unor diferenţe mari de temperatură ce pun icircn pericol construcţia
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
53
Icircn funcţie de valoarea diferenţei de temperatură care trebuie realizată se poate adopta o anumită schemă de răcire pentru fiecare component icircn parte sau numai pentru unele din aceste părţi componente
Se pot folosi instalaţii frigorifice cu comprimare mecanică de vapori pentru răcirea apei a aerului sau formarea gheţii mărunte utilizate la prerăcirea componentelor betonului Folosirea gheţii fulgi sau solzi este limitată atacirct din cauza conţinutului de apă impus cacirct şi ca urmare a pericolului ca gheaţa să nu se topească icircn procesul de malaxare ci la turnare sau icircn procesul de priză ceea ce duce la formarea de goluri icircn beton
De asemenea se pot folosi instalaţiile frigorifice cu ejecţie
Icircn vederea stabilirii necesarului de frig pentru preratildecirea componentelor betonului se calculează mai icircntacirci cantitatea de catildelduratilde Qo1 ce trebuie evacuatatilde dintr-un m3 de beton avacircndu-se icircn vedere proporţiile icircn care participatilde cimentul nisipul pietrişul şi apa Fiecare component are o temperatură iniţialatilde şi urmeazatilde a fi răcit pacircnatilde la o temperatura finalatilde tf aceeaşi pentru toţi componenţii
fpppfnnnfccc1o ttcmttcmttcmQ
fnaanfpaapfaaa ttcmttcmttcm Jm3 (520)
unde
mc mn mp ma - masele de ciment nisip pietriş şi apă conţinute icircntr-un m3 de beton [kgm3]
cc cn cp cw - căldurile specifice masice ale cimentului nisipului pietrişului şi nisipul dintr-un m3 de beton [kgm3]
Puterea frigorifică se determină cu relaţia
3b1oo 10VQ [kW] (521)
icircn care bV reprezintă fluxul de betonare icircn m3s
Se prezintă icircn continuare cele mai folosite metode de prerăcire a componentelor betonului
4211 a) Instalaţie de prerăcire cu apă
Staţia de preparare a betonului este deservită de o instalaţie frigorifică cu comprimare mecanică de vapori care asigură răcirea apei
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
54
Figura 418 Fig 518 Schema de lucru a instalaţiei de prerăcire a betonului cu ajutorul apei 1 - ciment 2 - vagon nisip 3 - vagon pietris 4 - tancuri de răcire a pietrişului 5 - sită 6 - siloz de
nisip 7 - siloz de ciment 8 - rezervor de distribuţie 9 - răcitor de nisip 10 - răcitor de ciment 11 - răcitor de apă 12 - rezervor de apă răcită 13 - răcitor de apă 14 - instalaţie de prepararea betonului
I II III IV V - fazele de răcire a pietrişului
Icircn figura 518 se prezintă schema de lucru a unei asemenea instalaţii de prerăcire a betonului cu ajutorul apei folosită la construcţia barajului de la Detroit (SUA) Apa este răcită de la 16 la 15 ordmC şi transmisă apoi la instalaţia de preparare a betonului şi icircn cinci rezervoare a cacircte 90 m3 fiecare icircn care se răceşte pietrişul
Procesul de răcire a pietrişului cuprinde cinci faze
- faza I - introducerea apei icircn rezervor 10 minute
- fazele II şi III - introducerea simultană a apei şi a pietrişului 50 minute
- faza IV - evacuarea apei 15 minute
- faza V - evacuarea pietrişului 15 minute
Icircntregul proces de răcire a pietrişului durează 90 minute Pentru răcirea cimentului şi nisipului se utilizează schimbătoare de căldură cu ax elicoidal la care apa de răcire circulă prin arborele gol şi prin manta
Rezervoarele 12 pentru apa răcită au fiecare volumul de 114 m3
Beton 635oC
190 m3h
65oC
24oC
18oC
1
2
3
4
5
6
7
8
10
9
11
12
13
14
Apă 16oC
15oC
Cim
en
t
26 l
h
Nis
ip 1
12
lh
10
oC
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
55
42111 Aplicaţie numerică
Să se calculeze puterea frigorifică necesară prerăcirii betonului prin metode şi condiţiile prezentate mai sus Se cunosc următoarele date de calcul
mp = 1700 kgm3 beton
mc = 135 kgm3 beton
mn = 590 kgm3 beton
ma = 60 kgm3 beton
cc = cn = cp = 921 Jkg K
ca = 4180 Jkg K
map = 16 kgm3 beton
man = 38 kgm3 beton
tp = 18 ordmC
tc = 66 ordmC
tn = 21 ordmC tf = 635 ordmC
052803000
190Vb m3s
Se calculează componentele cantităţii de căldură Q01
3fcccc 10741735666921135ttcmQ Jm3
3fnnnn 10796135621921590ttcmQ Jm3
3fpppp 1024018356189211700ttcmQ Jm3
3faaaa 10420235616418060ttcmQ Jm3
3fpaapap 1077935618418016ttcmQ Jm3
3fnaaan 10232735621418038ttcmQ Jm3
Rezulta
3anapapnc1o 1039144QQQQQQQ Jm3
3o 10 206705280103914410VQ 33
b1o kW
4212 b) Instalaţii de prerăcire cu aer apă
Pentru răcirea componentelor betonului se utilizează icircn acest caz fie apa fie aerul ca agenţi intermediari răciţi cu ajutorul instalaţiilor frigorifice
Icircn figura 519 se prezintă schema unei asemenea instalaţii folosită la construcţia barajului de la Sariyar din Turcia
Răcirea aerului se poate face fie direct prin vaporizarea unui agent frigorific fie indirect cu un agent intermediar de răcire ca de exemplu saramura de clorură de calciu Aerul răcit pacircnă la -6 ordmC este suflat icircn silozurile cu pietriş de dimensiuni icircntre 4150 mm
Apa răcită icircn bazinul la pacircnă la 05 ordm este trimisă din colectorul 12 la staţia de preparare a betonului servind la scăderea temperaturii acestuia
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
56
Figura 419 Fig 519 Schema instalaţiei de prerăcire a betonului cu aer şi apă 1 - compresor 2 - condensator 3 - ventile de laminare 4 - vaporizatoare 5 - bazin de răcire a
saramurii 6 - pompă de saramură 7 - răcitor umed de aer 8 - ventilatoare 9 - silozuri de pietriş 10 - bazin de răcire a apei 11 - pompă 12 - colector de apă răcită
Figura 420 Fig 520 Schema instalaţiei de prerăcire cu aer şi apă 1 - siloz de pietriş şi nisip 2 - siloz de ciment 3 rezervor de apă 4 - răcitor de aer 5 - răcitor de apă
4 - răcitor de apă 6 - buncăr de sortare 7 - instalaţie de preparare beton
Pentru intensificarea procesului de răcire a pietrişului aerul este răcit sub 0 ordmC Acest procedeu are avantajul unei funcţionări fără icircntrerupere a procesului de preparare a betonului dar prezintă şi o serie de dezavantaje debite foarte mari de aer de răcire posibilitatea antrenării particulelor fine de agregat icircn răcitorul de aer şi depunerea acestora pe suprafaţa de schimb de căldură Ca urmare instalaţia se va curăţa la circa 14 zile Icircn figura 520 se prezintă o altă schemă de instalaţie de prerăcire a betonului cu aer şi apă folosită la construcţia unui baraj din India
Apă
295oC
Ciment
433oC
Pietriş şi nisip
378oC
Apă 6oC
Ciment 433oC
Aer
Pietriş
45oC Nisip 222oC
22oC
Ap
ă
45
oC
Ap
ă 2
2o
C
Ae
r 5
5o
C
Be
ton
12
8o
C
Apă 22oC
2
1
3 4 5
8
9
5 7
12
1oC
11
05oC 9oC 9oC
-9oC
-10oC -10oC
-10oC 2oC
6oC
10 4 4 6
8 8
8
8 8
9 9 9 9
1
2
3 3
7
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
57
Pietrişul şi nisipul se separă icircntre ele icircn buncărul de sortare 6 şi apoi fiecare circulă pe cacircte o bandă transportoare prin camera de răcire 7 Pietrişul este răcit cu ajutorul apei
Fig
ura
42
1 F
ig 5
21
Sc
he
ma
in
sta
laţi
ei
de
ră
cir
e icirc
n v
id a
co
mp
on
en
telo
r b
eto
nu
lui
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
58
reci icircncacirct ajunge la o temperatură mai scăzută decacirct nisipul răcit cu aer Prin camera 7 se circulă şi aer rece care se introduce la temperatura de 55 ordmC Cimentul se introduce la instalaţia de preparare a betonului 9 fără a fi răcit
O altă posibilitate de prerăcire a agregatelor (pietriş şi nisip) şi a apei utilizată mai recent la construirea barajelor icircntrebuinţează răcirea icircn vid la care agregatele uşor umezite icircn recipiente sub presiune se răcesc după nevoie (prin reglarea vacuumului) la o temperatură mai scăzută sau mai ridicată Căldura necesară evaporării umidităţii de pe agregate şi din ele (apa legată) este luată chiar de la corpurile respective (pietriş nisip) şi ca urmare acestea se răcesc
O asemenea instalaţie utilizată la Hortwell icircn SUA (figura 521) cuprinde 3 recipienţi de cacircte 150 m3 pentru răcirea pietrişului şi 3 recipienţi de cacircte 80 m3 pentru răcirea nisipului
Pietrişul şi nisipul cu temperatura maximă de 43 ordmC se pot răci pacircnă la temperatura necesară de 45 ordmC Pentru realizarea vidului necesar se folosesc două cazane de abur care produc 77 th fiecare
422 522 RĂCIREA INTERIOARĂ A MASIVULUI DE BETON
Prerăcirea betonului se recomandă icircn condiţiile unei zone tropicale sau temperate de amplasare a construcţiei masive nu se recomandă icircn cazul amplasării barajului icircn munţi unde temperatura aerului este scăzută Icircn asemenea situaţii se recomandă răcirea betonului prin conducte amplasate icircn masiv prin care circulă apă rece
La răcirea interioară cu conducte montate icircn beton are loc o eliminarea a căldurii simultan cu producerea ei icircn procesul de priză producacircndu-se şi o răcire pacircnă la temperatura necesară Pentru răcire se folosesc conducte de oţel cu diametre de 1525 mm montate la distanţe de 1223 m icircn plan orizontal şi de 153 m icircn plan vertical Lungimea conductelor icircntr-un m3 de beton este de 0204 şi a fiecărei serpentine de 140250 m
Debitul apei de răcire ce circulă prin 1 m3 de beton este de (0553) dm3h
Figura 422 Fig 522 Reţea de conducte de răcire a betonului icircn secţiunea unui baraj 1 - galerie pentru măsurători 2 - galerie de conducte de apă de răcire
Serpentinele se montează şi se fixează pe suprafaţă de beton (fig522) Capetele serpentinelor se leagă de o coloană verticală prin mufe metalice sau de cauciuc Diametrul distribuitorului şi al coloanei este cuprins icircntre 150200 mm După montaj aceste conducte se verifică la presiunea de lucru
1 2
Ax
a
ba
raju
lui
Determinarea necesarului de căldură și apă caldă pentru un imobil
21
δ2 01 m λ2 0035 Wmk tp2 2173060904 degC
δ3 005 m λ3 0033 Wmk tp3 1733238927 degC
δ4 m λ4 Wmk tp4 15 degC
δ5 m λ5 Wmk tp5 degC
δ6 m λ6 Wmk tp6 degC
tp7 degC
q 1539377 W
Figura 29
Q13 - fluxul termic pierdut prin tavan
Specificatii tavan
Tencuiala δ 002 m Grosime
λ 093 WmmiddotK Conductivitate termica
Rt 0021505 m2middotKW Rezistenta termica
Placa beton armat
δ 013 m Grosime
λ 174 WmmiddotK Conductivitate termica
Rt 0074713 m2middotKW Rezistenta termica
Sapa δ 003 m Grosime
λ 026 WmmiddotK Conductivitate termica
Rt 0115385 m2middotKW Rezistenta termica
Vata bazaltica δ 015 m Grosime
λ 0037 WmmiddotK Conductivitate termica
Determinarea necesarului de căldură și apă caldă pentru un imobil
22
Rt 4054054 m2middotKW Rezistenta termica
Placa nivelanta δ 002 m Grosime
λ 026 WmmiddotK Conductivitate termica
Rt 0076923 m2middotKW Rezistenta termica
K13 = 1
1
120572119894+
1205751
1205821+
1205752
1205822+
1205753
1205823+
1205754
1205824+
1205755
1205825 +
1
120572119890 =
11
8+
002
093+
013
174+
003
026+
015
0037+
002
026+
1
22
K13 = 0219736 Wm2C
S13 = S12 = 12296 m2
Δt = ti - te = 22 + 15 = 37degC
Q13 = K13 middot S13 middot Δt = 0219736 middot 12296 middot 37 = 1000 W
Tavan
ti 22 degC αi 8 Wm2 k
te -15 degC αe 22 Wm2 k
δ1 002 m λ1 093 Wm k tp1 209751906 degC
δ2 013 m λ2 174 Wm k tp2 207988793 degC
δ3 003 m λ3 026 Wm k tp3 2018634954 degC
δ4 015 m λ4 0037 Wm k tp4 1924037163 degC
δ5 002 m λ5 026 Wm k tp5 -1399669009 degC
δ6 m λ6 Wm k tp6 -1462734204 degC
tp7 degC
q 8198475 W
Determinarea necesarului de căldură și apă caldă pentru un imobil
23
Figura 210
Q14 - fluxul temic pierdut prin suprafetele vitrate
Am ales un geam temopan cu trei randuri de sticla și cu tamplarie de lemn
K14 = 06 Wm2C
S14 = 2728 m2 suprafata ocupata de geamuri
Δt = ti - te = 22 + 15 = 37degC
Q14 = K14 middot S14 middot Δt = 06 middot 2728 middot 37 = 605616 W
Fereastra
ti 22 degC αi 8 Wmpk
te -15 degC αe 22 Wmpk
δ1 0005 m λ1 075 Wmk tp1 1992074356 degC
δ2 0018 m λ2 00177 Wmk tp2 1980984988 degC
δ3 0005 m λ3 075 Wmk tp3 2893865242 degC
δ4 0018 m λ4 00177 Wmk tp4 2782971565 degC
δ5 0005 m λ5 075 Wmk tp5 -1413301307 degC
δ6 m λ6 Wmk tp6 -1424390675 degC
tp7 degC
q 1663405 W
Determinarea necesarului de căldură și apă caldă pentru un imobil
24
Figura 211
Q1 = Q11 + Q12 + Q13 + Q14 = 8441254483 + 1892818 + 1000 + 605616
Q1 = 263871712 W
212 Mers de calcul pentru Q2
Q2 = n middot Q1
n - numarul de schimburi (07 08 1)
Q1 - fluxul de căldura pierdut prin transmisie
Q2 = 1 middot 263871712 =gt Q2 = 263871712 W
213 Mers de calcul pentru Q3
Q3 = 119898 middot119862119908 middot(119905119887minus119905119903)
120591 middot3600 [kW]
m - cantitatea de apa calda preparata [Kg]
m = n middot czn middot ρ [Kg]
ρ = 1000 Kgm3- densitatea apei [Kgm3] n = 4 - numarul de locatari =gt n
czn - consumul zilnic de persoana [l] gtgtgt czn = l middot 1000 = m3
Un consum de acm specific unui nivel de confort mediu la o temperature de 45degC vom avea un czn = 50 l de persoana
cw - căldura specifica a apei [KJKgC] =gt cw = 4186 KJKgmiddotC
tb - temperatura apei din boiler [C] =gt tb = 50degC
tr - temperatura apei de intrare [C] =gt tr = 10degC
Icircn general avem vara tr = 1217degC iar iarna tr = 5hellip10degC
120591 - timpul icircn care este incalzita apa [h] =gt 120591 = 4h
m = 4 middot (50 middot 1000) middot 1000 m = 200 Kg
Q3 = 200 ∙4186 ∙(50 ∙10)
4 ∙3600 =gt Q3 = 2325555556 W
Q = Q1 + Q2 + Q3 = 263871712 + 263871712 + 2325555556
Q = 7602989795 W =gt Q = 76 KW
Calculul necesarului de frig pentru depozit de fructe
25
3 Calculul necesarului de frig pentru depozit de fructe
31 31 Calculul grosimii izolatiilor
Regimul de funcţionare al spaţiilor frigorifice caracterizat prin valori coboracircte ale temperaturilor prin variaţia rapidă a acestora şi prin umiditatea mare a aerului icircncăperilor impune pentru izolaţiile termice ale pereţilor planşeelor şi pardoselilor condiţii deosebite Pereţii spaţiilor frigorifice despart două medii cu temperaturi diferite Fluxul de căldură ce pătrunde din exterior icircn camere care trebuie preluat de instalaţia frigorifică este direct proporţional cu diferenţa de temperatură dintre cele două feţe ale peretelui şi cu coeficientul global de transmitere a căldurii Izolarea se execută la spaţiile răcite atacirct la pereţi cacirct şi la tavan şi podea şi are ca rol icircmpiedicarea apariţiei condensului pe suprafaţa caldă a pereţilor incintelor frigorifice
Figura 31 Fig13 Variaţia de temperatură prin peretele termoizolant
Din exploatarea frigoriferelor se cunoaşte că prin icircnvelişul exterior al spaţiilor frigorifice trece icircn majoritatea cazurilor mai mult de jumătate din cantitatea totală de căldura ce pătrunde icircn icircncăperi Această cantitate de căldură se poate reduce prin majorarea grosimii stratului termoizolant Dar reducerea infiltraţiilor de căldură icircn acest tel nu se poate face nelimitat deoarece la o anumită grosime a stratului izolant adică la o anumită valoare a coeficientului k de transfer al căldurii costul construcţiei izolate va fi mai mare decacirct costul energiei ce reprezintă frigul economisit prin majorarea grosimii izolaţiei
De aceea se obişnuieşte a se folosi icircn calcule valori optime ale coeficientului k de transfer al căldurii calculacircndu-se astfel o grosime optimă a izolaţiei termice
Pentru izolarea pereţilor camerelor se vor folosi panouri tip sandwichFig15
Calculul necesarului de frig pentru depozit de fructe
26
Figura 32 Fig15 Construcţia panourilor de tip sandwich
Rolul panourilor plastifiate este de a preicircntacircmpina pătrunderea vaporilor icircn interiorul izolaţiei eliminacircnd necesitatea barierei de vapori Panourile folosesc metoda de icircmbinare nut-feder reducacircndu-se astfel transferul de căldură cu mediul extern
Deoarece avem un singur depozit vom adopta coeficienţii de transfer de căldură prin
convecţie funcţie de t
Aleg pentru t = = te - ti = 318 - 1 = 308 0C k = 023 Wm2K
Din catalogul de produse INCOLD Italia se alege poliuretan 100 mm = 0023 WmK
Tablă din oţel galvanizat plastifiat
Calculul necesarului de frig pentru depozit de fructe
27
Tabelul 317 Tabel24 Calculul grosimi izolației
ei
i
i
izizk
111
Coeficientul global de transfer de căldură se determină utilizand relaţia
eiz
iz
i
i
i
k
11
1
n
i i
i
1
- suma rezistenţelor termice ale tuturor straturilor din care este realizat
peretele[m2KW]
iz - grosimea stratului de izolaţie termică [m]
iz - conductivitatea termică a materialului izolator [WmK]
e - coeficient de convecţie pe partea exterioară a peretelui [WmK]
i - coeficient de convecţie pe partea interioară a peretelui [WmK]
32 32 Bilantul caloric al spatiului climatizat pe timp de vară Necesarul de frig pentru frigorifer
Se stabileşte consumul zilnic de frig pe icircntreg frigoriferul şi pentru fiecare icircncăpere icircn parte luacircndu-se icircn considerare cele mai nefavorabile condiţii de lucru
temperatura aerului exterior pentru luna cea mai caldă a anului
icircncărcarea maximă şi simultană a camerelor de refrigerare
Spaţiul frigorific
Perete k αi αe 1αi 1αe R 1k λiz
δiz
calc δiz
ales Kr
[Wm2K] [m2KW] [WmK] [m] [m]
N 0229 10 18 010 006 0590 4367 0023 0097 0100 023
E 0224 10 12 010 008 0618 4464 0023 0098 0100 023
DR S 0221 10 12 010 008 0618 4525 0023 0100 0100 023
V 0223 10 12 010 008 0618 4484 0023 0099 0100 023
T 0221 10 12 010 008 0618 4525 0023 0100 0100 023
P 0228 10 0 000 000 0435 4386 0023 0000 0100 023
N 0221 25 12 004 008 0558 4525 0023 0101 0100 023
E 0224 25 12 004 008 0558 4464 0023 0100 0100 023
CP S 0224 25 12 004 008 0558 4464 0023 0100 0100 023
V 0223 25 12 004 008 0558 4484 0023 0100 0100 023
T 0221 25 12 004 008 0558 4525 0023 0101 0100 023
P 0228 25 0 000 000 0435 4386 0023 0000 0100 023
Calculul necesarului de frig pentru depozit de fructe
28
camerele vecine celei căreia i se face calculul necesarului de frig sunt goale şi au temperatura vestibulului sau a sasului
Aceste calcule determină necesarul de frig pe categorii de consumatori grupaţi după temperatura cerută şi permit stabilirea puterilor frigorifice icircn vederea proiectării instalaţiei
Pentru calculele termice sunt necesare următoarele
planul frigoriferului care a fost stabilit
dimensiunile camerelor
temperaturile necesare icircn fiecare cameră
Se consideră
1degC icircn depozitele de refrigerate
orientarea frigoriferului după punctele cardinale
condiţii climatice icircn lunile cele mai călduroase pentru zona geografică respectivă
Consumul de frig se calculează pentru 24 ore cu relaţia
Qnec = Q1 + Q2 + Q3 + Q4 [kcal24h]
Q1 - neeesarul de frig pentru acoperirea pătrunderilor de căldură prin cenvecţie
conducţie şi radiaţie din mediul icircnconjurător prin pereţi pardosea și plafon
Q2 - necesarul de frig tehnologic pentru procesele de răcire refrigerere şi
congelare eliminarea căldurii de respiraţie seu pentru unele procese chimice şi
biochimice
Q3 - necesarul de frig pentru ventilarea camerelor frigorifice cu aer proaspat care
trebuie racit şi uscat
Q4 - necesarul de frig rezulticircnd din condiţii de exploatare acoperirea căldurii
provenite din iluminat din funcţionarea motoarelor căldura provenită de la persoanele ce
manipulează produsele datorită deschiderii uşilor etc
321 Consumul de frig Q1
Se determină pentru fiecare spaţiu icircn parte cu relaţia
RttkFQ1 [ W ]
F - reprezintă suprafaţa pereţilor a pardoselei şi a plafonului corespunzător fiecărui
spaţiu frigorific icircn parte icircn m2 Ca suprafaţă de transfer se va considera suprafaţa
exterioară a perimetrului izolat termic
k - reprezintă coeficientul global de transmitere a căldurii prin convecţie conducţie şi radiaţie
prin pereţi plafon şi pardoseală (toate izolate termic) icircn [W(m2 middot grd)] Valoarea coeficientului k a
fost calculată icircn tabelul 24 (kr)
Δt - reprezintă diferenţa de temperaturi dintre temperatura exterioară suprafeţei de
transfer termic considerată şi temperatura interioară spaţiului frigorific
Calculul necesarului de frig pentru depozit de fructe
29
Diferenţa de temperatură ΔtR se ia icircn consideraţie numai la pereţii exteriori şi la
plafoane care sunt şi acoperiş pentru clădire
ΔtR = 0degC pentru pereţi exteriori orientaţi spre N
ΔtR = (5 10)degC pentru pereţi exteriori orientaţi spre E V S-E S-V
ΔtR = 15 degC pentru pereţi exteriori orientaţi spre S
ΔtR = (15 18)degC pentru plafoane care sunt şi acoperiş (terasă)
Calculul valorilor mărimii sumQ1 se recomandă a se efectua tabelar conform tabelului 25
Valoarea mărimii sum Q1 la aparate se obţine prin icircnsumarea fluxurilor termice prin toate cele 6 suprafeţe delimitatoare
La stabilirea valorii mărimii sum Q1 se consideră doar unul dintre fluxurile termice prin suprafeţele ce separă spaţiile frigorifice vecine Pentru aparatele de răcire din spaţiile frigorifice se consideră situaţia cea mai grea pentru fiecare spaţiu icircn parte respectiv că spaţiile vecine nu sunt răcite
Spaţiul frigorifi
c
Perete
Dimensiuni
Supraf F
[m2]
Kr [Wm2K]
Δt [grd]
Δtr
Q1 [W] sumQ1 q a [m]
b [m]
N 15 4 60 023 308 42504
246068
708
E 7 4 28 023 308 8 24987 892
DR S 15 4 60 023 185 15 46202 770
V 7 4 28 023 308 19835 708
T 15 7 105 023 308 74382 708
P 15 7 105 023 158 38157 363
N 7 4 28 023 185 11914
133566
426
E 7 4 28 023 268 8 22411 800
CP S 7 4 28 023 268 15 26919 961
V 7 4 28 023 185 11914 426
T 7 7 49 023 268 30204 616
P 7 7 49 023 268 30204 616
Tabelul 318 Tebel25 Calculul valorilor mărimii Q1
322 Necesarul de frig Q2
sum Q2 - necesarul de frig tehnologic pentru procesele de răcire refrigerare şi
congelare
Q2d = mcp(tc-ti)=500003644 = 4186000(243600)= 842 kW
Q2c = 2600036419 = 1798160 = 208 KW
Q2 = 208 + 842 = 293 = 30kW
unde
Q2d - necesarul de frig tehnologic depozit
Q2c - necesarul de frig tehnologic camera de preracire
Calculul necesarului de frig pentru depozit de fructe
30
m - cantitatea de produse introduse icircn tunelul de congelare icircn kg
te ti - temperaturi specifice corespunzătoare temperaturii iniţiale a produsului cald
(24 ordmC) respectiv temperaturii finale a produsului refrigerat (1 ordmC)
Căldura specfifică mere cp = 364 [kJkgK]
323 Necesarul de frig Q3
Icircn funcţie de natura produselor din spaţiul frigorific este necesar uneori să se realizeze ventilarea spaţiului prin asigurarea unui anumit număr de schimburi ale aerului din incintă icircn 24h Ca exemplu icircntotdeauna va fi necesară ventilarea prin introducere de aer proaspăt icircn spaţiile de păstrare pentru legume fructe şi ouă refrigerate Aceste produse vii respiră icircn timpul păstrării şi necesită icircn consecinţă ventilarea spaţiilor de păstrare
Acest consum de frig se ia icircn considerare doar la depozitele de refrigerare care se ventilează Se stabilește cu relația
Q3 = V ∙ a ∙ ᵖi ∙ (hex - hi) [kJ24]
V - volumul camerelor ventilateicircn m3
a = 24 schimburi pe zi pentru depozitele de mere
ᵖi - reprezintă densitatea aerului la temperature interioară icircn kgm3
Pentru depozitele de refrigerare considerăm umiditatea relativă ᵠi = 95 și ti=1 ordmC
rezultacircnd icircn acest caz hi= 9 kJkg
Parametri aerului exterior pentru zona icircn care este amplasat depozitul sunt temp ex 318
și umiditatea ext 60 rezultand din diagram mollier entalpia aerului Calcul facut icircn
programul Coolpack
ρi = 12 kgm3
hex = 7519 kJkg
Q3 = 616 2 12 (7519 - 9) (243600)= 00025 kW
324 Necesarul de frig Q4
Q4 - frigul consumat pentru acoperirea pierderilor icircn timpul exploatarii datorat deschiderii
usilor a corpurilor de iluminat a motoarelor electrice a oamenilor Se admite Q4 =
(01hellip04)Q1
Q4 = 02 379617 = 759234 = 008 kW
Qtotal = sum 119824120783 + Q2 + Q3 + Q4 = 004 + 30 + 000025 + 008 = 3012 = 31 kW
33 33 Stabilirea directiei raportului de termoumiditate și trasarea procesului de conditionare a aerului pe diagrama i-X pe timp de vară
Icircn fig16 este reprezentat un agregat pentru condiţionarea aerului pe timp de vară cu recirculare parţială
Calculul necesarului de frig pentru depozit de fructe
31
Figura 33 Figura16 Schema aparatului de condiţionare a aerului pe timp de vară cu recirculare parţială
F - filtru V - vaporizator C - compressor K - condensator VL - ventil de laminare I - icircncălzitor Vt - ventilator
Procesele de lucru pot fi reprezentate icircn diagrama h-x ca icircn figura următore
Figura 34 Fig17
A reprezintă starea aerului recirculat provenit din spaţiul condiţionat iar E este starea aerului exterior
Aerul tratat icircn aparatul de condiţionare care se introduce icircn incintă avacircnd starea B
trebuie să preia degajările de căldură Qv [kW] şi de umiditate Wv [kgs]
Direcţia procesului suferit de aer icircn incintă este dată de raportul de termoumidificare εv
= Qv Wv
Prin punctul A se trasează dreapta avacircnd raportul de termoumidificare εv iar punctul B se fixează pe această dreaptă adoptacircndu-se o anumită diferenţă de temperatură faţă de starea A
Aerul recirculat A se amestecă cu aerul proaspăt E şi rezultă starea de amestec M De regulă xM gt xB deci aerul va trebui să fie uscat
Pe verticala din B se fixează starea D avacircnd xD= xB şi ᵩD = 90hellip98
Calculul necesarului de frig pentru depozit de fructe
32
Se uneşte M cu D iar apoi se prelungeşte acest segment pacircnă la intersecţia cu ϕ = 100 rezultacircnd starea P avacircnd temperatura tp
Circulacircnd aerul cu starea M peste o suprafaţă rece avacircnd temperatura tp se va obţine procesul de răcire şi uscare MD
Temperatura suprafeţei tp se asigură cu o instalaţie frigorifică a cărei temperature de vaporizare va fi t0 lt tp
Ultimul proces din aparatul de condiţionare va fi icircncălzirea finală DB
Calculul agregatului de condiţionare a aerului pe timp de vară se efectuează asemănător cu cel a agregatului de condiţionare a aerului pe timp de iarnă cu observaţia că pe timp de vară nu este necesară umidificarea
331 Date
Vtotal = 616 m3 tint = 1ᵒC tex = 318 φint = 90 φext = 60 ρaer = 12 [kgm3]
Starea A
tA = ti + 3 = 4deg xA = 00043[kj
kg] φA = 86 hA = 1489[
kj
kg]
Starea B
tB = 1degC xB = 00036 [kj
kg] φB = 90 hB = 1024[
kj
kg]
Starea E
tE = 318degC xE = 00171[kj
kg] φE = 60 hE = 7519[
kj
kg]
Starea M
hM =hE + n ∙ hA
n + 1=
7513 + 20 ∙ 1489
21= 1775[
kj
kg]
xM =xE + n ∙ xA
n + 1=
00171 + 20 ∙ 00043
21= 00049[
kj
kg]
Rezulta din diagrama Mollier
Starea D
hD = 108 [kj
kg] xD = 0003[
kj
kg] φD = 97
Raportul de recirculare n = 20
Debitul de aer ventilat V =Vtotal∙20
24h=
616lowast20
24= 513 [m3h]
Debitul masic m = V ∙ ρaer = 513 lowast 12 =
6156[kg
h]
3600= 0171 [kgs]
tp = minus3degC t0 = tp minus 9degC = minus3 minus 9 = minus12degC
Puterea termica a vaporizatorului ( puterea frigorifică )
ФV = Ф0
Puterea termica a icircncalzitorului
ФI = 119898 ∙ (hB - hD)
Cantitatea de apa condensată icircn unitatea de timp pe suprafața de racire este
Calculul necesarului de frig pentru depozit de fructe
33
ẆV = 119898 ∙ (XM - XD)
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
34
4 Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
Există două domenii principale icircn care se utilizează frigul artificial icircn lucrările de construcţii şi anume
icircngheţarea terenurilor acvifere icircn vederea săpării puţurilor de mină a barajelor a depozitelor de gaze lichefiate etc
prerăcirea componentelor betonului icircn cazul executării unor masive de beton ca de exemplu baraje
41 51 IcircNGHEŢAREA SOLULUI
411 511 CONSIDERAŢII GENERALE PRIVIND IcircNGHEŢAREA SOLULUI
Icircngheţarea artificială a solului reprezintă una dintre cele mai interesante şi icircn acelaşi timp şi importante aplicaţii practice a frigului artificial Totodată este una dintre primele aplicaţii industriale a tehnicii frigului şi care a asigurat o dezvoltare deosebită a industriei extractive Aşa se explică faptul că odată apărută maşina frigorifică cu absorbţie realizată icircn 1859 de către Ferdinand Carre este folosită la săparea primului puţ de mină prin icircngheţarea artificială a rocilor Dar nu numai industria minieră foloseşte icircn ultimul secol procedeul consolidării rocilor la săpararea unor lucrări subterane Lucrări inginereşti de tot genul ca metrouri staţii subterane de pompare rezervoare de gaze lichefiate poduri lucrări portuare şi altele asemănătoare amplasate icircn zone acvifere au fost realizate prin metoda consolidării prin frig a rocilor
Această metodă a consolidării rocilor prin frig artificial realizează icircn jurul lucrării inginereşti subterane un perete icircngheţat protector pe durata lucrărilor de construcţii Acest perete asigură o izolare hidraulică şi icircn acelaşi timp şi o protecţie mecanică Rezistenţa mecanică a rocilor creşte pe măsură ce temperatura lor scade icircncacirct metoda expusă mai sus prezintă avantajul reglării capacităţii portante a peretelui icircngheţat
Apa conţinută icircn terenuri prin icircngheţare capătă proprietăţile cimentului exprimate prin forţele de coeziune mari care apar icircntre cristalele de gheaţă şi grăunţii de rocă
Pentru obţinerea peretelui protector se folosesc sonde de icircngheţare forate pe conturul lucrării subterane şi prin care circulă agentul de răcire care poate fi un agent intermediar ca de exemplu saramura de clorură de calciu sau agentul frigorific de exemplu amoniacul Icircn funcţie de grosimea peretelui şi de rezistenţa mecanică pe care trebuie să o aibă se va alege temperatura agentului de răcire distanţa dintre sonde şi durata de icircngheţare
Instalaţia de consolidare prin frig a rocilor cuprinde trei părţi principale staţia frigorifică reţeaua de distribuţie a agentului de răcire (saramura) şi sondele de icircngheţare a solului
Staţia frigorifică cuprinde instalaţia frigorifică propriu-zisă cu comprimare mecanică de vapori sau prin absorbţie icircntr-o treaptă sau icircn două trepte Icircn funcţie de condiţiile de amplasament ale obiectivului staţia frigorifică poate fi de construcţie staţionară (icircn minerit) sau mobilă (la metrouri)
Reţeaua de distribuţie alcătuită din conducte metalice sau din mase plastice are rolul de a face legătura icircntre staţia frigorifică şi sondele de icircngheţare Pentru reducerea pierderilor de frig reţeaua de distribuţie se izolează termic
Sondele de icircngheţare constituie schimbătorul de căldură subteran prin care se extrage căldura de la terenul supus icircngheţării Icircn fig 51 se prezintă schiţa unei sonde de icircngheţare cu ajutorul saramurii Saramura rece cu temperatura icircntre -10 ordmC pacircnă la -35 ordmC
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
35
coboară prin ţeava interioară şi apoi se icircntoarce prin spaţiul inelar dintre cele două conducte concentrice
Figura 41 Fig 51 Sonda de icircngheţare 1 - şiu (tub scurt de oţel cu pereţi groşi rezistent) 2 - ţeava interioară 3 - ţeava exterioară (burlan de
icircngheţare) 4 - capul sondei
Circulaţia continuă a saramurii prin sonda de icircngheţare face ca rocile ce icircnconjoară sondele inclusiv apa conţinută icircn spaţiile libere să se răcească treptat Icircn jurul sondei icircncepe să se formeze stratul de rocă icircngheţată diametrul cilindrului de teren icircngheţat se măreşte icircn timp Aşa cum s-a arătat icircn capitolul 3 rezultă că dezvoltarea radială a cilindrului de rocă icircngheţată icircn jurul sondei se desfăşoară cu o viteza variabilă de icircnaintare la icircnceput viteza de icircnaintare a frontului de gheaţă este mai mare după care scade icircn timp Apoi se atinge stadiul staţionar de transfer de căldură cacircnd cilindrul nu mai creşte icircn dimensiuni Reiese că distanţa dintre sondele de icircngheţare este determinată de raza maximă a cilindrului de teren icircngheţat Pentru a realiza peretele icircngheţat care să reziste la solicitările la care este supus se impune ca distanţa dintre sondele vecine să fie mai mică decacirct raza maximă a terenului icircngheţat astfel icircncacirct cilindrii formaţi să se unească icircntre ei Icircn fig 52 se prezintă evoluţia icircn timp a icircngheţării terenului icircn jurul sondelor Icircn faza iniţială a icircnceput răcirea dar icircncă nu s-a format teren icircngheţat Icircn faza a II-a (după circa 20 zile) icircn jurul fiecărei sonde se formează cacircte un cilindru de teren icircngheţat fără ca aceştia să se unească Icircn faza a III-a (după circa 30 zile) cilindrii se icircntretaie şi formează peretele protector
Figura 42 Fig 52 Evoluţia cilindrilor individuali de rocă icircngheţată 1 - sonda de icircngheţare 2 - sonda de măsurători termice 3 - teren icircngheţat
Această evoluţie poate fi urmărită cu suficientă precizie prin măsurarea temperaturii masivului cu ajutorul unor sonde de măsurători termice 2 montate la distanţe bine stabilite de sondele vecine de icircngheţare Astfel icircn faza I-a temperatura este cea iniţială deci neafectată de prezenţa sondelor icircn faza a II-a temperatura este mai scăzută dar mai mare de 0 ordmC Cum icircn practică sondele de icircngheţare au o abatere de la poziţia verticală (sau de la cea impusă prin proiect) sondele de măsurători termice sunt prevăzute icircntre sondele
I II III
1
2 2 2
3 3
SARAMURĂ CALDĂ
IEŞIRE
INTRARE SARAMURĂ A E RECE
1
2
3
4
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
36
cele mai distanţate icircntre ele acolo unde evoluţia peretelui de protecţie este cea mai defavorabilă
Primele realizări inginereşti de consolidare prin frig artificial a terenurilor acvifere metodă prin care vor fi aduse la lumină multe bogăţii subterane sunt legate de numele inginerului de mine şi metalurgie Friederich Herman Poetsch El a obţinut icircn 27 februarie 1883 brevetul pentru procedeul său de adacircncire a puţurilor verticale icircn roci bogate icircn apă (şi curgătoare) Poetsch a reuşit să experimenteze procedeul său la adacircncirea unor puţuri de mină dar a avut şi multe insuccese icircncacirct la 9 iunie 1902 moare sărac şi dezamăgit Metoda de icircngheţare prin frig artificial a terenurilor a avut mare succes icircn Franţa Astfel numai icircn perioada 1892 - 1898 icircn bazinele carbonifere Nord şi Pas de Calais s-au săpat circa 20 puţuri pacircnă la o adacircncime de 100 m prin aplicarea metodei icircngheţării după planurile lui Poetsch
Desigur că nu ar putea fi omis numele lui Louis Gebhard care realizează numeroase lucrări de adacircncire a puţurilor prin icircngheţare atacirct icircn Germania cacirct şi icircn Franţa Anglia Olanda şi Polonia ceea ce face ca metoda propusă de Poetch să devină o tehnologie demnă de toată icircncrederea cu siguranţă absolută şi cu un mare randament
Gebhard un mare practician icircncepe sa folosească icircn locul instalaţiilor cu absorbţie realizate de F Carre pe cu cele cu comprimare mecanică de vapori realizate de Karl von Linde cu icircncepere din anul 1874
Poetsch icircn 1888 prevede extinderea procedeului de icircngheţare la construcţia podurilor la construcţii navale lucrări de fortificaţii la protecţia fundaţiilor subterane şi a bazinelor cu apă El susţine că poate să rezolve orice problemă sub apă chiar şi puţuri icircncepute şi abandonate
Icircn anul 1900 se depăşeşte bariera adacircncimii de 100 m Realizarea unor puţuri mai adacircnci (peste 100 m) ridică unele probleme icircn plus faţă de puţurile de mai mică adacircncime deoarece abaterile de la verticalitate pot conduce la formarea unor ferestre icircn peretele protector
Icircn ţara noastră această tehnologie de forare a unor puţuri de mină cacirct şi a galeriilor de metrou prin icircngheţarea solului a fost folosită cu icircncepere din anul 1961 aşa cum se prezintă icircn paragraful 513
412 512 CONSTRUCŢIA INSTALAŢIEI DE IcircNGHEŢARE A SOLULUI
Icircn funcţie de forma şi mărimea lucrării care se realizează la adăpostul terenului icircngheţat principial se pot utiliza următoarele tipuri de instalaţii
a) cu răcire indirectă denumită şi cu dublu schimb (fig53)
b)cu răcire directă icircn circuit icircnchis (fig 54)
c)răcire directă icircn circuit deschis (fig55)
a) Răcirea indirectă se utilizează icircn practică cel mai mult fiind cunoscută icircncă de la icircnceputurile metodei de icircngheţare a solului
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
37
Figura 43 Fig 53 Instalaţia frigorifică cu răcire indirectă 1 - compresor 2 - condensator3 - ventil de laminare 4 - vaporizator 5 - bazin de răcire a saramurii 6
- agitator 7 - pompă de saramură 8 - sonde de icircngheţare
Ca agent frigorific se poate folosi amoniacul sau freonii iar ca agent intermediar se utilizează soluţiile de clorură de calciu clorura de sodiu sau magneziu sărurile respective fiind relativ uşor de procurat
Instalaţiile frigorifice cuprind unul sau mai multe blocuri frigorifice Acest mod de compunere prezintă avantaje icircn ceea ce priveşte montarea cacirct şi exploatarea instalaţiilor se poate asigura o reducere icircn trepte a puterii frigorifice pe măsură ce creşte rezistenţa termică a stratului de teren icircngheţat
Componentele principale ale instalaţiei frigorifice se montează grupat pe cele trei secţiuni secţia de compresoare secţia condensatoarelor şi secţia vaporizatoarelor De regulă compresoarele se montează fie icircn aer liber atunci cacircnd tipul lor permite fie acoperite sub şarpante protectoare
Pe măsură ce se scot din funcţiune blocurile frigorifice se demontează şi se pot monta la un nou obiectiv
b) Răcirea directă icircn circuit icircnchis (fig 54) se utilizează icircn cazul icircn care adacircncimea de icircngheţare este mică
Figura 44 Fig 54 Instalaţia frigorifică cu răcire directă icircn circuit icircnchis 1 - compresor 2 - condensator 3 - ventil de laminare 4 - sonde de icircngheţare
Sondele de icircngheţare constituie vaporizatorul instalaţiei frigorifice Icircn cazul unor sonde de lungime mare icircnălţimea coloanei de agent frigorific este de asemenea mare Ca urmare a presiunii hidrostatice variabile şi temperatura de vaporizare este variabilă fiind mai mare
1
2
1111111 Apă
3
4
1
2
Apă 3
4
5
6
7
8
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
38
la capătul inferior şi mai mică la capătul superior Din acest motiv adacircncimea sondelor de icircngheţare nu poate depăşi anumite limite şi icircn plus se recurge la fragmentarea coloanei de lichid cu ajutorul unor pereţi despărţitori
Pierderile de agent frigorific mai mari decacirct icircn cazul răcirii indirecte reprezintă un alt inconvenient al acestui mod de răcire
c) Răcirea directă icircn circuit deschis constă icircn introducerea agentului frigorific (cel mai frecvent azot lichid) icircn sondele de icircngheţare fără ca acesta să mai fie folosit după vaporizare
La presiunea atmosferică azotul lichid fierbe la temperatura de -196 ordmC icircncacirct vaporii reci de azot icircnainte de a fi evacuaţi se folosesc de asemenea pentru congelarea solului fiind circulaţi prin sonde de icircngheţare (Fig 55)
Figura 45 Fig 55 Icircngheţarea cu azot lichid icircn două trepte 1 - ventil de laminare 2 - sonda de icircngheţare 3 - sonda de icircngheţare cu vapori de azot
Această metodă se foloseşte cacircnd se urmăreşte o icircngheţare rapidă şi volumul de teren icircngheţat este redus
Se vor prezenta icircn continuare unele elemente constructive ale instalaţiilor de icircngheţare
Reţeaua de saramură (fig 56) are rolul de a asigura transferul de căldură de la sol către agentul frigorific Cuprinde două schimbătoare de căldură cel subteran alcătuit din sondele de icircngheţare şi cel de suprafaţă reprezentat de vaporizatorul imersat icircn saramură Icircntre cele două schimbătoare de căldură există conducte magistrale distribuitoare - colectoare şi racorduri la sonde
Saramura răcită prin intermediul vaporizatorului 1 este circulată cu pompa 2 prin magistrala de tur a reţelei 3 Sondele de icircngheţare 5 se leagă prin vane la distribuitorul 4 şi colectorul 6 ambele de construcţie inelară Printr-o asemenea construcţie şi mod de legare a sondelor prezentate icircn figura 56 se asigură o echilibrare a căderilor de presiune pe sondele de icircngheţare şi ca urmare o alimentare uniformă cu agent intermediar şi deci şi o răcire uniformă pentru toate sondele
1
2
AZOT LICHID
VAPORI
AZOT -40OC
3
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
39
Figura 46 Fig 56 Schema reţelei de saramură 1- vaporizatorul 2 - pompa de saramură 3 - magistrala de tur 4 - distribuitorul inelar 5 -sondele de
icircngheţare 6 - colectorul inelar 7 - magistrale de retur M - manometru D - debitmetru T - termometru
Magistralele 3 şi 7 de acelaşi diametru şi lungime variabilă (determinată de o serie de factori) se pot monta atacirct la suprafaţă cacirct şi icircn canal
Magistralele se dimensionează icircn funcţie de puterea frigorifică a schimbătorului de căldură subteran alcătuit din sondele de icircngheţare
F0 qNHd [W] (51)
unde d - diametrul exterior al sondei de icircngheţare m
H - adacircncimea de icircngheţare m
N - numărul de sonde de icircngheţare
qF - densitatea fluxului termic raportat la suprafaţa exterioară a sondei La temperatura saramurii de - 20 ordmC se poate considera qF = (260290) Wm2
Debitul volumic V de agent intermediar icircn reţeaua de icircngheţare icircn funcţie de care se aleg
pompele se determină cu relaţia
tc
V o
(52)
icircn care este densitatea agentului intermediar kgm3
c - căldura specifică a agentului intermediar JkgK
t - creşterea temperaturii agentului (saramura) icircn sondele de icircngheţare K
La icircnceputul perioadei de răcire diferenţa de temperatură este t = 56 K ca apoi să scadă la 12 K
Icircn conductele magistrale se recomandă ca viteza saramurii să fie w = 0915ms
Icircn acest caz diametrul conductelor de transport a saramurii este dat de relaţia
w
V4D
[m] (53)
Icircn funcţie de valoarea determinată pentru D se aleg conducte metalice de diametru nominal cuprins icircntre 75200 mm Dacă rezultă D gt 200 mm se vor alege două conducte cu diametrul mai mic de 200 mm
2
T
T
M
M D
D
NH
3
3
4
6
5
7
1
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
40
Conductele magistrale se realizează prin icircmbinări cu flanşe sau sudate iar la lungimi mai mari de 100150 m se vor prevedea coturi compensatoare Pentru reducerea pierderilor de frig magistralele vor fi izolate termic
Distribuitorul de saramură răcită şi colectorul de saramură de la sonde sunt construcţii metalice identice
Icircn figura 57 se prezintă modul de racordare a sondelor de icircngheţare 5 la distribuitorul 1 şi colectorul 2 Vanele 3 asigură icircnchiderea deci oprirea circulaţiei şi reglajul debitului Prin aceste vane se poate izola o anumită sondă care nu funcţionează normal sau la care se observă o anumită defecţiune
Figura 47 Fig 57 Racordarea sondelor de icircngheţare la distribuitor şi colector 1 - distribuitor 2 - colector 3 - vane 4 - racord elastic 5 - sonda de icircngheţare
Poziţia distribuitorului şi colectorului faţă de racircndul sondelor de icircngheţare poate fi laterală de o singură parte sau laterală de ambele părţi ale sondelor Amplasamentul trebuie astfel făcut icircncacirct să fie posibilă vizitarea supravegherea şi eventual icircnlocuirea sondelor de icircngheţare
Racordarea sondelor la distribuitor şi colector se face prin cacircte un racord elastic (fig 57) Dimensionarea distribuitoarelor şi a colectoarelor se face din condiţia ca viteza saramurii să nu depăşească 0915 ms
Coloanele de distribuţie şi colectare urmăresc icircn teren forma şirului de sonde de icircngheţare şi pot avea acelaşi traseu sau trasee diferite Configuraţia traseului poate fi icircn linie sau circulară Icircn oricare din situaţiile prezentate distanţele dintre ştuţurile de racord şi sondele de icircngheţare sunt variabile astfel icircncacirct racordurile rigide prin flanşe şi sudură sunt greu de realizat Cea mai practică soluţie de racord icircn acest caz este furtunul de cauciuc (fig 57)
Icircn reţeaua de saramură poate pătrunde aer prin procesul de pompare ceea ce conduce la intensificarea acţiunii corosive a saramurii Icircn scopul icircndepărtării aerului nedorit pe partea superioară a conductelor icircn punctele cele mai ridicate ale acestora se montează robineţi de evacuare periodică a aerului şi eventual a altor gaze
Pe conductele magistrale se vor monta aparate de măsură şi control debitmetre termometre şi manometre (fig 56) Icircn acest caz se poate aprecia funcţionarea fiecărei sonde după depunerile exterioare de gheaţă pe racordul metalic sau de cauciuc lăsate neizolate termic tocmai icircn acest scop Icircn scopul urmăririi regimului de lucru sub aspect
5
4
1
2 3
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
41
hidraulic şi termic icircn mod individual se pot monta aparate de măsură şi control pe fiecare sondă de icircngheţare dar această soluţie este mai costisitoare
Sonda de icircngheţare realizează transferul de căldură de la terenul ce urmează a fi icircngheţat spre agentul frigorific (la răcirea directă) sau agentul intermediar (la răcirea indirectă)
Icircn figura 51 s-a prezentat schema de principiu a unei sonde de icircngheţare cu saramură activă pe toată lungimea Conducta exterioară sau burlanul de icircngheţare 3 este o conductă din oţel etanşă şi rezistentă la eforturile mecanice care apar datorită presiunii solului şi variaţiei de temperatură icircntre momentul fixării ei icircn sol şi cel al funcţionării la o temperatura sub 00C
Icircn procesul de icircngheţare coloana de burlane care poate atinge lungimi de sute de metri se contractă icircnsă nu liber deoarece ea este stracircnsă icircn masivul de roci La o variaţie de temperatură icircntre momentul iniţial (fără saramură) şi momentul pornirii circulaţiei de saramură de 400C conducta din oţel de 500 m adacircncime ar trebui să se contracte cu
tHH = 500 11 10-6 40 = 0220 m = 22 cm
Datorită fixării coloanei icircn gaura forată efortul unitar de icircntindere ce apare icircn urma scăderii temperaturii este
tE = 22 1010 11 10-10 40 = 968 105 Nm2 = 9680 Ncm2
La acest efort de icircntindere apărut datorită contracţiei coloanei se mai adaugă efortul de acelaşi semn provocat de dilatarea masivului de rocă acviferă icircngheţată Icircn scopul compensării eforturilor de icircntindere s-a propus icircmbinarea coloanei cu nipluri elastice O asemenea soluţie este mai scumpă şi icircn plus micşorează secţiunea liberă de curgere ceea ce conduce la icircncălzirea excedentară a saramurii
La lucrări subterane de mare adacircncime ca puţurile de mină depozite subterane se folosesc burlane de 1397 x 7 mm pentru a fi posibilă determinarea abaterii de la poziţie verticală
La tunelurile de metrou şi icircn general la lucrările la care adacircncimea de icircngheţare nu depăşeşte 50 - 60 m diametrul cel mai frecvent utilizat este 1143 x 7 mm
Ţeava interioară 2 (fig 51) numită şi tub de alimentare de regulă ţeava uşoară de instalaţii de 50 mm diametrul se introduce icircn burlanul exterior 3 fără icircnsă a atinge şiul de bază 1 al sondei Se asigură icircn acest mod un volum minimal de depuneri solide care circulă cu saramura icircn mod incidental Icircn scopul economisirii de metal tubul de alimentare poate fi din material plastic ceea ce prezintă marele avantaj al lipsei coroziunii şi al refolosirii materialului respectiv
Şiul de fund are rolul de a asigura icircnchiderea burlanului exterior icircn partea sa inferioară Cel mai adesea are formă conică pentru a asigura introducerea cu uşurinţă a coloanei metalice icircn gaura de sondă Această componentă a sondei de icircngheţare se execută fie prin turnare sau se confecţionează cu ajutorul sudurii
Corespunzător profilului geologic al terenului icircn care se lucrează se icircntacirclnesc şi cazuri cacircnd nu este nevoie să se icircngheţe terenul pe toată icircnălţimea sondelor ci numai la partea lor inferioară Icircn acest caz se folosesc sonde de icircngheţare zonală (fig 58) cu ajutorul cărora se asigură congelarea doar a zonei inferioare ceea ce prezintă avantaje economice deosebite nu se consumă energie pentru a icircngheţa icircn mod inutil formaţiuni geologice consistente şi uscate şi nu se reduce ritmul lucrărilor de săpare printr-o eventuală mărire a rezistenţei rocilor
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
42
Figura 48 Fig 58 Sonda de icircngheţare zonală
1 - burlan exterior 2 - tub de alimentare 3 - şiu 4 - tub de evacuare
Figura 49 Fig59 - Sonda de icircngheţare cu agent
frigorific 1 - tub exterior 2 - perete despărţitor 3 - şiu 4 -
ştuţ (ţeavă de preaplin) 5 - condensator - vaporizator
Icircn cazul răcirii directe sondele de icircngheţare cu agent frigorific sunt de construcţie specială (fig 59) Particularitatea acestor sonde este prezenţa pereţilor despărţitori 2 dispuşi unul sub celălalt la circa 3 m fiecare perete fiind prevăzut cu un ştuţ de preaplin O asemenea construcţie are rolul de a fracţiona coloane de lichid ceea ce asigură o răcire mai uniformă pe lungimea sondei
Fiecare sondă este prevăzută la partea superioară cu cacircte o cămaşă de răcire Sondele se umplu cu amoniac lichid icircntr-o asemenea cantitate icircncacirct fiecare secţie să fie icircnecată cu lichid respectiv pacircnă la partea superioară a ştuţurilor 4 Ca urmare a fluxurilor de căldură de la sol se produce fierberea amoniacului icircn toate secţiile sondei Vaporii formaţi se ridică prin ştuţurile 4 şi ajungacircnd la partea superioară a sondei se condensează cedacircnd căldură agentului (amoniac) din cămăşile de răcire
Ca urmare cămăşile de răcire de la partea superioară a sondelor constituie vaporizatorul instalaţiei frigorifice Amoniacul care se condensează la partea superioară a sondei curge icircnapoi (de sus icircn jos) prin ştuţurile 4 Folosirea pereţilor despărţitori şi a ştuţurilor micşorează influenţa presiunii hidrostatice a lichidului asupra temperaturii de vaporizare a amoniacului Asemenea sonde de icircngheţare se folosesc pentru lucrări de mică adacircncime
Amplasarea sondelor se face icircn funcţie de o serie de factori formă poziţia şi dimensiunile lucrării care se realizează structura terenului temperatura şi viteza agentului etc
Icircn cazul puţurilor de mină de secţiune circulară sondele se amplasează pe un cerc
concentric de diametru D mai mare decacirct diametrul de săpare Ds cu grosimea a peretelui icircngheţat
sDD (54)
Trebuie să se ţină seama şi de deviaţia sondelor de la poziţia verticală icircncacirct pentru adacircncimi mari se utilizează relaţia
3
2 4
1
VAPORI 5 LICHID
3
2
4 1
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
43
a21DD s (55)
unde a = 003 H este abaterea medie statistică de la verticală a sondelor
Distanţa dintre sonde se ia de obicei de 1014 m icircn terenuri rezistente şi de 0809 m icircn terenuri slabe
Pentru adacircncimi de peste 500 m se recomandă să se dispună sondele pe două cercuri concentrice pentru a se forma un perete de grosime mai mare şi deci mai rezistent
La icircngheţarea terenului icircn jurul puţurilor de secţiune dreptunghiulară sondele se pot dispune pe dreptunghi sau elipsă Icircn aceste situaţii centura de teren icircngheţat poate fi solicitată la icircntindere ceea ce este de nedorit deoarece limita de rezistenţa la icircntindere a terenurilor icircngheţate este de circa 3 ori mai mică decacirct limita rezistenţei la compresiune Din acest motiv chiar şi la puţurile de mină de secţiune dreptunghiulară sondele se dispun pe unul sau două cercuri (fig 510)
Pentru realizarea galeriilor icircnclinate icircngheţarea terenului se realizează cu sonde verticale (fig 511) sau combinat atacirct cu sonde verticale cacirct şi cu sonde icircnclinate (fig 512)
Distanţa dintre sondele verticale (fig 511) se ia de 23 m iar distanţa dintre racircnduri este de 1525 m
Se poate folosi cacircte un racircnd de sonde icircnclinate montate deasupra galeriei (fig 212 a) sau sonde icircnclinate sub galerie şi sonde verticale scurte deasupra galeriei (fig 512 b)
SONDA
154 m
16
6 m
226
262
85
SONDA
Figura 411 Fig 511 Amplasarea sondelor verticale pentru realizarea galeriei icircnclinate
Figura 411 Fig 510 Dispunerea sondelor icircn jurul puţurilor de mină de secţiune
dreptunghiulară
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
44
Figura 412 Fig 512 Realizarea galeriilor icircnclinate cu sonde verticale (1) şi sonde oblice (2)
I - secţiunea longitudinală II - secţiunea transversală a) sonde icircnclinate deasupra galeriei b) sonde icircnclinate sub galerie
413 513 UTILIZAREA METODEI DE IcircNGHEŢARE A SOLULUI IcircN ŢARA NOASTRĂ
a)Puţuri de mină
Aplicarea metodei de icircngheţare a solului pentru lucrări de minerit a avut loc la noi icircn ţară icircncepacircnd cu anul 1960 la puţul Godeni din bazinul carbonifer Cacircmpulung - Muscel Proiectul a fost elaborat icircn anul 1959 la IPROMIN Bucureşti iar lucrarea a fost executată cu Trustul Minier Argeş avacircnd icircn subantrepriză de specialitate Icircntreprinderea Frigotehnica Bucureşti şi Trustul de prospecţiuni explorări şi deschideri de mine noi Bucureşti
Adacircncimea de săpare a puţului Godeni a trebuit sa fie de 202 m Sondele de icircngheţare constituite din două ţevi concentrice (fig 51) cu diametrele exterioare de 146 mm şi respectiv 57 mm icircn număr de 27 au fost amplasate pe un cerc cu diametrul de 10 m la distanţa de 117 m una de alta
Instalaţia frigorifică a fost dimensionată cu mare precauţie pentru a avea o siguranţă mărită icircn funcţionarea ei Toate părţile componente ale instalaţiei frigorifice au fost proiectate şi executate icircn ţară
La proiectarea instalaţiei s-a avut icircn vedere funcţionarea de scurtă durată şi variaţia puterii frigorifice icircn timp S-a utilizat răcirea indirectă cu soluţie de clorură de calciu iar ca agent frigorific a fost folosit amoniacul Pentru a avea elasticitatea necesară icircn funcţionare la diferite puteri frigorifice au fost folosite grupuri de utilaje frigorifice şi anume
6 compresoare 4 AU - 20 (200000 kcal Nh =233 kW fiecare)
3 baterii de condensatoare atmosferice a cacircte 300 m2 (900 m2)
bazine pentru răcirea saramurii fiecare cu cacircte 2 vaporizatoare superintensive de 50 m2 (600 m2)
2 grupuri a cacircte 5 pompe pentru recircularea saramurii
Puterea frigorifică a instalaţiei montate a fost de 12106 kcal Nh =1395 kW şi s-a caracterizat prin următoarele date tehnice la exploatare
85
1
2
I 85
1
2
I
85
1
2
II
85
1
2 II
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
45
o suprafaţa de schimb de căldură a sondelor 2500 m2 o puterea instalaţiei 750 kW o debitul saramurii icircn
o icircn perioada activă 350 m3h o icircn perioada pasivă 70 m3h
o viteza de circulaţie a saramurii icircn sondă o tur 18 ms 036 ms o retur 029 ms 006 ms
o volumul rocilor icircngheţate circa 10000 m3 o consumul specific de frig mediu 50000 m3 o durata icircngheţării (perioada activă) 130 zile
Icircn timpul răcirii şi deci a icircngheţării solului puterea frigorifică scade icircn mod continuu icircncacirct treptat s-a scos din funcţiune cacircte un compresor icircn perioada pasivă (de săpare a puţului) s-a menţinut icircn lucru doar un singur compresor şi grupul de utilaje aferent
După terminarea lucrărilor de la puţul Godeni icircn anii următori aceeaşi instalaţie s-a montat la puţul Poenari din acelaşi bazin carbonifer unde sondele au fost amplasate pe un cerc cu diametrul de 11 m la distanţa de 128 m una de alta
Un alt puţ realizat prin această tehnologie de icircngheţare a solului a fost puţul Jugur de la acelaşi bazin carbonifer Centrala frigorifică a cuprins 15 compresoare 3 AV - 20 (150000 kcal Nh fiecare=175kW) repartizate icircn 5 linii tehnologice independente cu icircntreg utilajul aferent Fiecare linie este compusă din
o butelie de răcire intermediară BRI - 700 un condensator cu evaporare forţată CEF - 180 un bazin cu patru grupuri vaporizatoare intensive de cacircte 165 m2 (icircn total 66 m2)
Sondele de icircngheţare icircn număr de 27 bucăţi au fost prevăzute să se amplaseze pe un cerc cu diametrul de 104 m la distanţă de 121 m Sondele sunt de tipul celei indicată icircn figura 58 deci cu răcire zonală avacircnd următoarele caracteristici diametrul exterior al burlanului este de 146 mm iar tuburile interioare au 57 mm (la exterior) tubul de alimentare are lungimea de 430 m iar cel de evacuare este de 220 m Ca urmare sondele de icircngheţare trebuie să producă icircngheţarea solului numai pe adacircncimea de la 220 m la 430 m Prin proiect s-au prevăzut următoarele date temperatura saramurii - 35 ordmC viteza saramurii icircn conducte de tur 18 ms viteza icircn conducte de retur (pe adacircncimea de răcit) 06 ms durata icircngheţării (perioada activă) a fost de 75 zile
Au fost prevăzute temperaturi scăzute şi viteze mari de congelare deoarece cilindrul icircngheţat trebuie să preia presiuni de pacircnă la 56 bar
b)Tunelurile pentru metroul din Bucureşti
Icircncepacircnd cu anul 1976 pentru realizarea metroului din Bucureşti s-a procedat la aplicarea metodei de icircngheţare a solului icircntr-o zonă considerată experimentală dar cu realizări efective de galerii
Prin proiect s-a prevăzut consolidarea prin icircngheţare artificială a profilului de săpare a tunelurilor de metrou pe o lungime de circa 550 m pe ambele fire Amplasamentul sondelor s-a făcut icircn două variante (pentru experimentare) pentru un fir de tunel ambele racircnduri de sonde s-au fixat icircn profilul circular de săpare iar pentru cel de al doilea fir de tunel sondele au fost forate icircn afara profilului de icircnaintare (fig 513) Au fost folosite sonde cu saramură cu posibilitatea de icircngheţare pe toată icircnălţimea de 16 m cacirct şi sonde cu icircngheţare zonală icircntre adacircncimile de 7 m şi 16 m Distanţa dintre sonde a fost fixată la 14 m
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
46
Pentru a se icircmpiedica accesul apelor icircn frontul de săpare datorate unor eventuale zone neicircngheţate traseul de tunel icircngheţat a fost icircmpărţit icircn incinte icircnchise prin timpane transversale La distanţe de 3050 m icircn lungul traseului au fost montate sonde de icircngheţare aşezate icircn plan normal pe axul tunelului prin care să se icircnchidă accesul apelor spre frontul de săpare
Echipamentul frigorific principal cuprinde
- 8 compresoare frigorifice 3 AV - 20 funcţionacircnd icircntr-o treaptă pentru care
corespunde puterea frigorifică de 12 106 kcal Nh =1395 kW
- 4 condensatoare de evaporare forţată CEF - 250
- 3 bazine de răcire a saramurii echipate cu cacircte 4 grupuri de vaporizatoare superintensive de cacircte 51 m2 (total 612 m2)
- 3 grupuri de cacircte 2 pompe a 220 m3h pentru circulaţia saramurii pe traseele de distribuţie şi prin sonde
Figura 413 Fig513 Amplasamentul sondelor de icircngheţare
Centrala frigorifică este stabilă adăpostită icircntr-o baracă metalică demontabilă existacircnd posibilitatea de reamplasare rapidă a instalaţiei icircntr-un alt loc Agentul frigorific utilizat este amoniacul iar agentul intermediar este clorura de calciu
Icircn perioada principală de icircngheţare temperatura de vaporizare este to = -22 ordmC asiguracircnd răcirea saramurii la -17 ordmC iar pe retur saramura a avut temperatura cu 15 ordmC mai ridicată
La o asemenea lucrare realizată icircn oraş se impune protejarea contra icircngheţului a straturilor de deasupra galeriilor icircn care sunt amplasate instalaţiile de apă - canal ceea ce presupune folosirea sondelor cu icircngheţare zonală care să nu fie active la partea superioară
c) Puţuri pentru prospectarea balastierelor
Procedeul şi instalaţia frigorifică au avut caracter de noutate şi s-a aplicat icircncepacircnd cu anul 1966 la mai multe obiective icircn general pe văile racircurilor unde s-au construit hidrocentrale
A
A B
B
A-A
000 -300 -700 -1061 -1300
65
800
B-B
000 -300 -700 -1061 -1300
65
550
ARGILA
ARGILA
NISIP
NISIP
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
47
Echipamentul frigorific principal cuprinde un agregat frigorific pentru amoniac de 20000 kcal Nh = 233 kW rezervor de amoniac separator de lichid şi anexe - toate fiind montate pe o remorcă
S-au folosit sonde de icircngheţare cu agent frigorific icircn număr de 8 bucăţi cu diametrul exterior de 133 mm montate pe un cerc cu diametrul de 2 m la distanţa de 076 m lungimea lor fiind de 75 m Legarea sondelor la distribuitor şi colector s-a făcut cu racorduri flexibile
Sondele au o construcţie specială fiind prevăzute cu 4 pereţi transversali cu ştuţuri de preaplin formacircndu-se astfel 5 compartimente Agentul lichid se introduce icircn compartimentul cel mai de sus şi se scurge prin ştuţuri pacircnă la baza sondei Conducta de aspiraţie străbate toate compartimentele vaporii fiind aspiraţi din compartimentul cel mai de jos Circulaţia vaporilor formaţi se face ca şi a lichidului de sus icircn jos obţinacircndu-se astfel o răcire uniformă şi eficientă pe toată icircnălţimea sondei
Durata icircngheţării respectiv a formării centurii de teren icircngheţat la adăpostul căreia să se poată efectua săparea şi preluarea de probe de sol este de 10 zile
414 514 CAcircMPUL DE TEMPERATURĂ IcircN SOLUL IcircNGHEŢAT
Cacircnd prin sonda de icircngheţare circulă saramură a cărei temperatura este sub 0 ordmC practic - 20 ordmC-25 ordmC icircn jurul sondei se formează un cacircmp termic care icircn cazul unei singure sonde poate fi reprezentat prin suprafeţe cilindrice coaxiale de temperatură constantă (izoterme)
După distanţa radială se deosebesc icircn sol din punct de vedere termic trei zone zona cilindrică din imediata vecinătate a sondei care este icircn zona icircngheţată zona răcită cuprinsă icircntre suprafaţa cilindrică izotermă de 0 ordmC şi izoterma de temperatură naturală şi a treia zonă cea de temperatura naturală (fig 514)
Icircn zona icircngheţată temperatura masivului variază de la temperatura peretelui metalic al sondei pacircnă la 0 ordmC Icircn zona răcită temperatura masivului creşte de la 0 ordmC pacircnă la temperatura naturală a masivului
Figura 414 Fig 514 Cacircmpul de temperatură icircn jurul unei sonde de icircngheţare
Este important să se cunoască cacircmpul termic icircn terenul supus icircngheţării deoarece acesta oferă date privind zona de răspacircndire a consolidării rocilor prin solidificarea apei cacirct şi a
t [oC]
r [m]
t (r)
ZONA RACITA
ZONA INGHETAT
A
ts TEMPERATURA NATURALA A ROCII
-20
-10
40
10 0 20 30
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
48
rezistenţei mecanice a rocii icircngheţate Se cunoaşte faptul că rezistenţa mecanică depinde direct de temperatură
Studiul variaţiei temperaturii icircn zona de influenţă a unei sonde şi a tuturor sondelor simultan oferă posibilitatea calculării dimensiunilor la proiectarea construcţiei peretelui protector cacirct şi controlul procesului icircn timpul desfăşurării lucrărilor
Pentru a se stabili relaţia de variaţie a temperaturii icircn zona icircngheţată icircn funcţie de raza r se consideră ecuaţia diferenţială
dr
dtr2q (56)
icircn care q este fluxul unitar de căldură corespunzător lungimii de 1 m din sonda de icircngheţare Wm
- conductivitatea termica a terenului Wm
Integrarea directă a ecuaţiei analitice se poate face icircn ipoteze simplificatoare consideracircnd
= const şi q = const ceea ce este justificat la valori mari ale timpului de răcire
Se separa variabilele
r
dr
2
qdt
(57)
Se consideră cunoscute temperaturile t1 la suprafaţa sondei de raza r1 și t2 = 0 ordmC la raza r2 corespunzătoare suprafeţei exterioare a cilindrului icircngheţat Se integrează ecuaţia (6-7) și cunoscacircnd limitele de integrare se va determina constanta de integrare
Cr ln2
qt
(58)
pentru r = r1 t = t1 deci
11 rln2
qtC
(59)
1
1r
rln
2
qtt
(510)
Se pune condiţia ca pentru r = r2 t = t2
1
212
r
rln
2
qtt
(511)
Se elimina q intre relaţiile (510) și (511) şi se obţine
1
2
1121
r
rln
r
rln
tttt (512)
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
49
Figura 415 Fig 515 Schema schimbătorului de căldură subteran
Pentru t2 = 0 ordmC relaţia (5-12) devine
)rrln(
)rrln(tt
12
21 (513)
Icircn figura 515 se prezintă o secţiune axială printr-o sondă de icircngheţare şi variaţia temperaturii icircn limitele t0 - temperatura agentului de răcire şi ts - temperatura naturală a solului
Cantitatea de căldură transferată de la masivul neicircngheţat spre agentul de răcire prin unitatea de lungimea de conducta şi unitatea de timp se calculează cu expresia
221
2
1o
1
moo
os
d
1
d
dln
1
d
dln
2
1
d
1
ttq
(514)
Icircn calculele inginereşti cel mai frecvent se determină nu fluxul termic pe unitatea de lungime a conductei ci fluxul termic qF raportat la unitatea de suprafaţă a conductei metalice la 1 m2 de suprafaţa exterioară sau interioară Mărimea qF se calculează astfel
22
o
1
2
1
o
o
1
m
o
o
oS
o
F
d
d
d
dln
2
d
d
dln
2
d1
tt
d
(515)
Fluxul termic qF prin unitatea de suprafaţă a sondei de icircngheţare calculat pentru adacircncimea de 100 m icircn regim laminar de curgere a agentului de răcire prin spaţiul inelar al sondei cu viteza w = 01 ms la diametre ale cilindrului de rocă icircngheţata
de la 02 la 3 m pentru to = -20 ordmC do = 01 m 1 = 233 WmK variază de la 720 la 230 Wm2 aşa cum se poate observa din figura 516 şi tabelul 51
d2
d1
d0
t
qF
t0
t2
t1 2
m 1
m
ts
Conducta Teren icircngheţat Teren
neicircngheţat
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
50
Figura 416 Fig 516 Variaţia fluxului termic qF prin unitatea de suprafaţă a sondei de icircngheţare 1 - regim turbulent 2 regim laminar
Tabelul 51Variaţia fluxului termic qF [Wm2]
Diametrul cilindrului de rocă icircngheţată icircn m
02 04 05 08 10 15 20
qF regim laminar 1160 550 387 330 302
qF regim laminar 720 465 423 350 321 283 258
Se observă ca densitatea fluxului de căldura qF scade foarte mult de la 800900 Wm2 la icircnceputul operaţiei de consolidare prin frig a rocilor pacircnă la 230250 Wm2 cacircnd cilindrul de rocă icircngheţata atinge diametrul de 23 m Ca urmare a acestei situaţii şi puterea frigorifică a instalaţiei va scădea icircn decursul a 6080 zile tot cu raportul de 800230 = 35
Instalaţia frigorifică va fi constituită din grupuri de utilaje (module) ce vor fi scoase treptat din funcţiune pe măsură ce se reduce densitatea fluxului de căldură qF ca urmare a creşterii grosimii stratului de teren icircngheţat Icircn practică pentru calcule se va considera qF = (260290) Wm2
O mărime importanta pentru proiectarea instalaţiei şi aprecierea procesului de consolidare a rocilor este timpul de icircngheţare Pentru calculul duratei de icircngheţare se pot folosi relaţiile prezentate icircn capitolul 3 la formarea gheţii pe suprafeţe cilindrice exterioare La aprecierea valorii pentru ls - căldura latentă de solidificare se avea icircn vedere conţinutul de apă din terenul supus icircngheţării
Dacă icircntre relaţiile pentru dependenţele (r) şi qF(r) se elimină r se obţine dependenţa
qF() Eliminarea nu se poate face direct ci fie cu ajutorul calculatorului fie printr-o construcţie grafică prezentată icircn figura 517
Studiul variaţiei temperaturii icircn solul icircngheţat cacirct și variaţia icircn timp a densităţii fluxului de căldura se poate face cu ajutorul calculatorului electronic
1200
1000
800
600
400
200
0 05 1 15 2 25 3
qF [Wm2]
Diametrul cilindrului de rocă icircngheţată [m]
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
51
Figura 417 Fig 517 Stabilirea dependentei qF() pe baza dependentelor qF(r) și (r)
415 515 ELEMENTE DE PROIECTARE A INSTALAŢIEI FRIGORIFICE PENTRU IcircNGHEŢAREA SOLULUI
Pentru proiectarea instalaţiei frigorifice trebuie sa se stabilească la icircnceput elementele de baza și anume
- puterea frigorifică maximă care apare la icircnceputul perioadei de răcire cacircnd pătrunderile de căldura spre agentul de răcire din sondele de icircngheţare au valori mai mari temperatura de vaporizare a agentului frigorific plecacircnd de la temperatura minimă sau medie din solul icircngheţat şi avacircnd icircn vedere modul de răcire directă sau indirectă
Se calculează cantitatea totală de căldură ce trebuie extrasă din terenul supus răcirii şi icircngheţării Se cunoaşte structura terenului icircngheţat deci se cunosc icircnălţimile h1 h2hn ale diferitelor straturi componente cacirct şi proprietăţile termofizice ale acestora
Grosimea centurii de teren icircngheţat se stabileşte icircn urma calculelor de rezistenţa materialelor icircncacirct se pot calcula volumele ocupate de straturile componente V1 V2Vn
Cantitatea de căldură ce trebuie extrasă din zona icircngheţată cuprinde două componente și anume
cantitatea de căldura Qa corespunzătoare răcirii şi icircngheţării apei
cantitatea de căldura Qt necesara răcirii părţii solide a terenului
n
1kfgsikaakka tcltcVQ (516)
unde
k - reprezintă conţinutul icircn apă din stratul respectiv [m3m3]
a - densitatea apei [kgm3]
ca cg - căldura specifica a apei respectiv a gheţii Jkg K
tik - temperatura iniţiala a stratului respectiv (de ordinul k)
tf - temperatura medie finala a masivului icircngheţat
ls - căldura latentă de solidificare a apei
r
q
q
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
52
fik
n
1kkkkkt ttc1VQ
(517)
k - densitatea părţii de teren solid (uscat) din stratul k
ck - căldura specifică a terenului uscat din stratul k
Cantitatea de căldură extrasă din terenul răcit reprezintă circa 1018 din cantitatea de căldură extrasă din zona de teren icircngheţat
Deci cantitatea totală de căldură Q ce va trebui preluată de către instalaţia frigorifică se poate aprecia astfel
Q = (110118) (Qa + Qt) (518)
Cu relaţia (51) se calculează puterea frigorifica a instalaţiei adoptacircnd o valoare medie pentru densitatea fluxului de căldura qF
Se poate aprecia timpul de funcţionare a instalaţiei frigorifice
o
Q
(519)
La anumite grosimi ale cochiliei de teren icircngheţat icircn jurul sondei densitatea fluxului termic scade sub valoarea medie adoptată icircn calcule şi ca urmare icircncepacircnd de la acest moment se va putea reduce treptat puterea frigorifica a instalaţiei prin scoaterea din funcţiune a unor grupuri
La proiectare se pot avea icircn vedere unele recomandări practice pentru stabilirea necesarului de frig pentru icircngheţarea unui m3 la -10 ordmC este necesar un consum specific de frig de 66000 kJ la 10 umiditate de 155000 kJ la 35 umiditate și de 210000 kJ la 50 umiditate
42 52 RĂCIREA BETONULUI LA CONSTRUCŢIILE MASIVE
421 521 INSTALAŢII DE PRERĂCIRE A COMPONENTELOR BETONULUI
Formarea betonului din elementele sale componente (nisip pietriş ciment şi apă) este icircnsoţită de fenomene fizico - chimice icircn care se degajă căldură şi ca urmare temperatura acestuia creşte Icircn cazul unor masive din beton (baraje) dacă viteza de turnare (icircn sezonul cald cacircnd se efectuază construcţia) este mai mare şi nu se asigura evacuarea căldurii corpul rezultă la o temperatura medie mai mare decacirct temperatura medie anuală Răcirea naturală conduce la contracţia masivului şi ca urmare la apariţia sub acţiunea tensiunilor interne a unor fisuri
Pentru ca variaţiile de temperatura icircntre centrul barajului şi straturile exterioare să fie cacirct mai mici se impune ca masivul respectiv să fie turnat la temperatura medie anuală a zonei respective Icircn acest scop se pot folosi două metode prin prerăcirea componentelor betonului și prin răcirea masei barajului
Icircn vederea reducerii căldurii degajată icircn reacţia dintre ciment şi apă au fost realizate sortimente de ciment caracterizate prin călduri masice reduse ce se degajă icircn procesul de priză
Prin prerăcirea componentelor betonului se urmăreşte ca betonul sa aibă temperatura medie a locului de amplasament şi prin aceasta evitarea apariţiei unor diferenţe mari de temperatură ce pun icircn pericol construcţia
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
53
Icircn funcţie de valoarea diferenţei de temperatură care trebuie realizată se poate adopta o anumită schemă de răcire pentru fiecare component icircn parte sau numai pentru unele din aceste părţi componente
Se pot folosi instalaţii frigorifice cu comprimare mecanică de vapori pentru răcirea apei a aerului sau formarea gheţii mărunte utilizate la prerăcirea componentelor betonului Folosirea gheţii fulgi sau solzi este limitată atacirct din cauza conţinutului de apă impus cacirct şi ca urmare a pericolului ca gheaţa să nu se topească icircn procesul de malaxare ci la turnare sau icircn procesul de priză ceea ce duce la formarea de goluri icircn beton
De asemenea se pot folosi instalaţiile frigorifice cu ejecţie
Icircn vederea stabilirii necesarului de frig pentru preratildecirea componentelor betonului se calculează mai icircntacirci cantitatea de catildelduratilde Qo1 ce trebuie evacuatatilde dintr-un m3 de beton avacircndu-se icircn vedere proporţiile icircn care participatilde cimentul nisipul pietrişul şi apa Fiecare component are o temperatură iniţialatilde şi urmeazatilde a fi răcit pacircnatilde la o temperatura finalatilde tf aceeaşi pentru toţi componenţii
fpppfnnnfccc1o ttcmttcmttcmQ
fnaanfpaapfaaa ttcmttcmttcm Jm3 (520)
unde
mc mn mp ma - masele de ciment nisip pietriş şi apă conţinute icircntr-un m3 de beton [kgm3]
cc cn cp cw - căldurile specifice masice ale cimentului nisipului pietrişului şi nisipul dintr-un m3 de beton [kgm3]
Puterea frigorifică se determină cu relaţia
3b1oo 10VQ [kW] (521)
icircn care bV reprezintă fluxul de betonare icircn m3s
Se prezintă icircn continuare cele mai folosite metode de prerăcire a componentelor betonului
4211 a) Instalaţie de prerăcire cu apă
Staţia de preparare a betonului este deservită de o instalaţie frigorifică cu comprimare mecanică de vapori care asigură răcirea apei
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
54
Figura 418 Fig 518 Schema de lucru a instalaţiei de prerăcire a betonului cu ajutorul apei 1 - ciment 2 - vagon nisip 3 - vagon pietris 4 - tancuri de răcire a pietrişului 5 - sită 6 - siloz de
nisip 7 - siloz de ciment 8 - rezervor de distribuţie 9 - răcitor de nisip 10 - răcitor de ciment 11 - răcitor de apă 12 - rezervor de apă răcită 13 - răcitor de apă 14 - instalaţie de prepararea betonului
I II III IV V - fazele de răcire a pietrişului
Icircn figura 518 se prezintă schema de lucru a unei asemenea instalaţii de prerăcire a betonului cu ajutorul apei folosită la construcţia barajului de la Detroit (SUA) Apa este răcită de la 16 la 15 ordmC şi transmisă apoi la instalaţia de preparare a betonului şi icircn cinci rezervoare a cacircte 90 m3 fiecare icircn care se răceşte pietrişul
Procesul de răcire a pietrişului cuprinde cinci faze
- faza I - introducerea apei icircn rezervor 10 minute
- fazele II şi III - introducerea simultană a apei şi a pietrişului 50 minute
- faza IV - evacuarea apei 15 minute
- faza V - evacuarea pietrişului 15 minute
Icircntregul proces de răcire a pietrişului durează 90 minute Pentru răcirea cimentului şi nisipului se utilizează schimbătoare de căldură cu ax elicoidal la care apa de răcire circulă prin arborele gol şi prin manta
Rezervoarele 12 pentru apa răcită au fiecare volumul de 114 m3
Beton 635oC
190 m3h
65oC
24oC
18oC
1
2
3
4
5
6
7
8
10
9
11
12
13
14
Apă 16oC
15oC
Cim
en
t
26 l
h
Nis
ip 1
12
lh
10
oC
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
55
42111 Aplicaţie numerică
Să se calculeze puterea frigorifică necesară prerăcirii betonului prin metode şi condiţiile prezentate mai sus Se cunosc următoarele date de calcul
mp = 1700 kgm3 beton
mc = 135 kgm3 beton
mn = 590 kgm3 beton
ma = 60 kgm3 beton
cc = cn = cp = 921 Jkg K
ca = 4180 Jkg K
map = 16 kgm3 beton
man = 38 kgm3 beton
tp = 18 ordmC
tc = 66 ordmC
tn = 21 ordmC tf = 635 ordmC
052803000
190Vb m3s
Se calculează componentele cantităţii de căldură Q01
3fcccc 10741735666921135ttcmQ Jm3
3fnnnn 10796135621921590ttcmQ Jm3
3fpppp 1024018356189211700ttcmQ Jm3
3faaaa 10420235616418060ttcmQ Jm3
3fpaapap 1077935618418016ttcmQ Jm3
3fnaaan 10232735621418038ttcmQ Jm3
Rezulta
3anapapnc1o 1039144QQQQQQQ Jm3
3o 10 206705280103914410VQ 33
b1o kW
4212 b) Instalaţii de prerăcire cu aer apă
Pentru răcirea componentelor betonului se utilizează icircn acest caz fie apa fie aerul ca agenţi intermediari răciţi cu ajutorul instalaţiilor frigorifice
Icircn figura 519 se prezintă schema unei asemenea instalaţii folosită la construcţia barajului de la Sariyar din Turcia
Răcirea aerului se poate face fie direct prin vaporizarea unui agent frigorific fie indirect cu un agent intermediar de răcire ca de exemplu saramura de clorură de calciu Aerul răcit pacircnă la -6 ordmC este suflat icircn silozurile cu pietriş de dimensiuni icircntre 4150 mm
Apa răcită icircn bazinul la pacircnă la 05 ordm este trimisă din colectorul 12 la staţia de preparare a betonului servind la scăderea temperaturii acestuia
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
56
Figura 419 Fig 519 Schema instalaţiei de prerăcire a betonului cu aer şi apă 1 - compresor 2 - condensator 3 - ventile de laminare 4 - vaporizatoare 5 - bazin de răcire a
saramurii 6 - pompă de saramură 7 - răcitor umed de aer 8 - ventilatoare 9 - silozuri de pietriş 10 - bazin de răcire a apei 11 - pompă 12 - colector de apă răcită
Figura 420 Fig 520 Schema instalaţiei de prerăcire cu aer şi apă 1 - siloz de pietriş şi nisip 2 - siloz de ciment 3 rezervor de apă 4 - răcitor de aer 5 - răcitor de apă
4 - răcitor de apă 6 - buncăr de sortare 7 - instalaţie de preparare beton
Pentru intensificarea procesului de răcire a pietrişului aerul este răcit sub 0 ordmC Acest procedeu are avantajul unei funcţionări fără icircntrerupere a procesului de preparare a betonului dar prezintă şi o serie de dezavantaje debite foarte mari de aer de răcire posibilitatea antrenării particulelor fine de agregat icircn răcitorul de aer şi depunerea acestora pe suprafaţa de schimb de căldură Ca urmare instalaţia se va curăţa la circa 14 zile Icircn figura 520 se prezintă o altă schemă de instalaţie de prerăcire a betonului cu aer şi apă folosită la construcţia unui baraj din India
Apă
295oC
Ciment
433oC
Pietriş şi nisip
378oC
Apă 6oC
Ciment 433oC
Aer
Pietriş
45oC Nisip 222oC
22oC
Ap
ă
45
oC
Ap
ă 2
2o
C
Ae
r 5
5o
C
Be
ton
12
8o
C
Apă 22oC
2
1
3 4 5
8
9
5 7
12
1oC
11
05oC 9oC 9oC
-9oC
-10oC -10oC
-10oC 2oC
6oC
10 4 4 6
8 8
8
8 8
9 9 9 9
1
2
3 3
7
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
57
Pietrişul şi nisipul se separă icircntre ele icircn buncărul de sortare 6 şi apoi fiecare circulă pe cacircte o bandă transportoare prin camera de răcire 7 Pietrişul este răcit cu ajutorul apei
Fig
ura
42
1 F
ig 5
21
Sc
he
ma
in
sta
laţi
ei
de
ră
cir
e icirc
n v
id a
co
mp
on
en
telo
r b
eto
nu
lui
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
58
reci icircncacirct ajunge la o temperatură mai scăzută decacirct nisipul răcit cu aer Prin camera 7 se circulă şi aer rece care se introduce la temperatura de 55 ordmC Cimentul se introduce la instalaţia de preparare a betonului 9 fără a fi răcit
O altă posibilitate de prerăcire a agregatelor (pietriş şi nisip) şi a apei utilizată mai recent la construirea barajelor icircntrebuinţează răcirea icircn vid la care agregatele uşor umezite icircn recipiente sub presiune se răcesc după nevoie (prin reglarea vacuumului) la o temperatură mai scăzută sau mai ridicată Căldura necesară evaporării umidităţii de pe agregate şi din ele (apa legată) este luată chiar de la corpurile respective (pietriş nisip) şi ca urmare acestea se răcesc
O asemenea instalaţie utilizată la Hortwell icircn SUA (figura 521) cuprinde 3 recipienţi de cacircte 150 m3 pentru răcirea pietrişului şi 3 recipienţi de cacircte 80 m3 pentru răcirea nisipului
Pietrişul şi nisipul cu temperatura maximă de 43 ordmC se pot răci pacircnă la temperatura necesară de 45 ordmC Pentru realizarea vidului necesar se folosesc două cazane de abur care produc 77 th fiecare
422 522 RĂCIREA INTERIOARĂ A MASIVULUI DE BETON
Prerăcirea betonului se recomandă icircn condiţiile unei zone tropicale sau temperate de amplasare a construcţiei masive nu se recomandă icircn cazul amplasării barajului icircn munţi unde temperatura aerului este scăzută Icircn asemenea situaţii se recomandă răcirea betonului prin conducte amplasate icircn masiv prin care circulă apă rece
La răcirea interioară cu conducte montate icircn beton are loc o eliminarea a căldurii simultan cu producerea ei icircn procesul de priză producacircndu-se şi o răcire pacircnă la temperatura necesară Pentru răcire se folosesc conducte de oţel cu diametre de 1525 mm montate la distanţe de 1223 m icircn plan orizontal şi de 153 m icircn plan vertical Lungimea conductelor icircntr-un m3 de beton este de 0204 şi a fiecărei serpentine de 140250 m
Debitul apei de răcire ce circulă prin 1 m3 de beton este de (0553) dm3h
Figura 422 Fig 522 Reţea de conducte de răcire a betonului icircn secţiunea unui baraj 1 - galerie pentru măsurători 2 - galerie de conducte de apă de răcire
Serpentinele se montează şi se fixează pe suprafaţă de beton (fig522) Capetele serpentinelor se leagă de o coloană verticală prin mufe metalice sau de cauciuc Diametrul distribuitorului şi al coloanei este cuprins icircntre 150200 mm După montaj aceste conducte se verifică la presiunea de lucru
1 2
Ax
a
ba
raju
lui
Determinarea necesarului de căldură și apă caldă pentru un imobil
22
Rt 4054054 m2middotKW Rezistenta termica
Placa nivelanta δ 002 m Grosime
λ 026 WmmiddotK Conductivitate termica
Rt 0076923 m2middotKW Rezistenta termica
K13 = 1
1
120572119894+
1205751
1205821+
1205752
1205822+
1205753
1205823+
1205754
1205824+
1205755
1205825 +
1
120572119890 =
11
8+
002
093+
013
174+
003
026+
015
0037+
002
026+
1
22
K13 = 0219736 Wm2C
S13 = S12 = 12296 m2
Δt = ti - te = 22 + 15 = 37degC
Q13 = K13 middot S13 middot Δt = 0219736 middot 12296 middot 37 = 1000 W
Tavan
ti 22 degC αi 8 Wm2 k
te -15 degC αe 22 Wm2 k
δ1 002 m λ1 093 Wm k tp1 209751906 degC
δ2 013 m λ2 174 Wm k tp2 207988793 degC
δ3 003 m λ3 026 Wm k tp3 2018634954 degC
δ4 015 m λ4 0037 Wm k tp4 1924037163 degC
δ5 002 m λ5 026 Wm k tp5 -1399669009 degC
δ6 m λ6 Wm k tp6 -1462734204 degC
tp7 degC
q 8198475 W
Determinarea necesarului de căldură și apă caldă pentru un imobil
23
Figura 210
Q14 - fluxul temic pierdut prin suprafetele vitrate
Am ales un geam temopan cu trei randuri de sticla și cu tamplarie de lemn
K14 = 06 Wm2C
S14 = 2728 m2 suprafata ocupata de geamuri
Δt = ti - te = 22 + 15 = 37degC
Q14 = K14 middot S14 middot Δt = 06 middot 2728 middot 37 = 605616 W
Fereastra
ti 22 degC αi 8 Wmpk
te -15 degC αe 22 Wmpk
δ1 0005 m λ1 075 Wmk tp1 1992074356 degC
δ2 0018 m λ2 00177 Wmk tp2 1980984988 degC
δ3 0005 m λ3 075 Wmk tp3 2893865242 degC
δ4 0018 m λ4 00177 Wmk tp4 2782971565 degC
δ5 0005 m λ5 075 Wmk tp5 -1413301307 degC
δ6 m λ6 Wmk tp6 -1424390675 degC
tp7 degC
q 1663405 W
Determinarea necesarului de căldură și apă caldă pentru un imobil
24
Figura 211
Q1 = Q11 + Q12 + Q13 + Q14 = 8441254483 + 1892818 + 1000 + 605616
Q1 = 263871712 W
212 Mers de calcul pentru Q2
Q2 = n middot Q1
n - numarul de schimburi (07 08 1)
Q1 - fluxul de căldura pierdut prin transmisie
Q2 = 1 middot 263871712 =gt Q2 = 263871712 W
213 Mers de calcul pentru Q3
Q3 = 119898 middot119862119908 middot(119905119887minus119905119903)
120591 middot3600 [kW]
m - cantitatea de apa calda preparata [Kg]
m = n middot czn middot ρ [Kg]
ρ = 1000 Kgm3- densitatea apei [Kgm3] n = 4 - numarul de locatari =gt n
czn - consumul zilnic de persoana [l] gtgtgt czn = l middot 1000 = m3
Un consum de acm specific unui nivel de confort mediu la o temperature de 45degC vom avea un czn = 50 l de persoana
cw - căldura specifica a apei [KJKgC] =gt cw = 4186 KJKgmiddotC
tb - temperatura apei din boiler [C] =gt tb = 50degC
tr - temperatura apei de intrare [C] =gt tr = 10degC
Icircn general avem vara tr = 1217degC iar iarna tr = 5hellip10degC
120591 - timpul icircn care este incalzita apa [h] =gt 120591 = 4h
m = 4 middot (50 middot 1000) middot 1000 m = 200 Kg
Q3 = 200 ∙4186 ∙(50 ∙10)
4 ∙3600 =gt Q3 = 2325555556 W
Q = Q1 + Q2 + Q3 = 263871712 + 263871712 + 2325555556
Q = 7602989795 W =gt Q = 76 KW
Calculul necesarului de frig pentru depozit de fructe
25
3 Calculul necesarului de frig pentru depozit de fructe
31 31 Calculul grosimii izolatiilor
Regimul de funcţionare al spaţiilor frigorifice caracterizat prin valori coboracircte ale temperaturilor prin variaţia rapidă a acestora şi prin umiditatea mare a aerului icircncăperilor impune pentru izolaţiile termice ale pereţilor planşeelor şi pardoselilor condiţii deosebite Pereţii spaţiilor frigorifice despart două medii cu temperaturi diferite Fluxul de căldură ce pătrunde din exterior icircn camere care trebuie preluat de instalaţia frigorifică este direct proporţional cu diferenţa de temperatură dintre cele două feţe ale peretelui şi cu coeficientul global de transmitere a căldurii Izolarea se execută la spaţiile răcite atacirct la pereţi cacirct şi la tavan şi podea şi are ca rol icircmpiedicarea apariţiei condensului pe suprafaţa caldă a pereţilor incintelor frigorifice
Figura 31 Fig13 Variaţia de temperatură prin peretele termoizolant
Din exploatarea frigoriferelor se cunoaşte că prin icircnvelişul exterior al spaţiilor frigorifice trece icircn majoritatea cazurilor mai mult de jumătate din cantitatea totală de căldura ce pătrunde icircn icircncăperi Această cantitate de căldură se poate reduce prin majorarea grosimii stratului termoizolant Dar reducerea infiltraţiilor de căldură icircn acest tel nu se poate face nelimitat deoarece la o anumită grosime a stratului izolant adică la o anumită valoare a coeficientului k de transfer al căldurii costul construcţiei izolate va fi mai mare decacirct costul energiei ce reprezintă frigul economisit prin majorarea grosimii izolaţiei
De aceea se obişnuieşte a se folosi icircn calcule valori optime ale coeficientului k de transfer al căldurii calculacircndu-se astfel o grosime optimă a izolaţiei termice
Pentru izolarea pereţilor camerelor se vor folosi panouri tip sandwichFig15
Calculul necesarului de frig pentru depozit de fructe
26
Figura 32 Fig15 Construcţia panourilor de tip sandwich
Rolul panourilor plastifiate este de a preicircntacircmpina pătrunderea vaporilor icircn interiorul izolaţiei eliminacircnd necesitatea barierei de vapori Panourile folosesc metoda de icircmbinare nut-feder reducacircndu-se astfel transferul de căldură cu mediul extern
Deoarece avem un singur depozit vom adopta coeficienţii de transfer de căldură prin
convecţie funcţie de t
Aleg pentru t = = te - ti = 318 - 1 = 308 0C k = 023 Wm2K
Din catalogul de produse INCOLD Italia se alege poliuretan 100 mm = 0023 WmK
Tablă din oţel galvanizat plastifiat
Calculul necesarului de frig pentru depozit de fructe
27
Tabelul 317 Tabel24 Calculul grosimi izolației
ei
i
i
izizk
111
Coeficientul global de transfer de căldură se determină utilizand relaţia
eiz
iz
i
i
i
k
11
1
n
i i
i
1
- suma rezistenţelor termice ale tuturor straturilor din care este realizat
peretele[m2KW]
iz - grosimea stratului de izolaţie termică [m]
iz - conductivitatea termică a materialului izolator [WmK]
e - coeficient de convecţie pe partea exterioară a peretelui [WmK]
i - coeficient de convecţie pe partea interioară a peretelui [WmK]
32 32 Bilantul caloric al spatiului climatizat pe timp de vară Necesarul de frig pentru frigorifer
Se stabileşte consumul zilnic de frig pe icircntreg frigoriferul şi pentru fiecare icircncăpere icircn parte luacircndu-se icircn considerare cele mai nefavorabile condiţii de lucru
temperatura aerului exterior pentru luna cea mai caldă a anului
icircncărcarea maximă şi simultană a camerelor de refrigerare
Spaţiul frigorific
Perete k αi αe 1αi 1αe R 1k λiz
δiz
calc δiz
ales Kr
[Wm2K] [m2KW] [WmK] [m] [m]
N 0229 10 18 010 006 0590 4367 0023 0097 0100 023
E 0224 10 12 010 008 0618 4464 0023 0098 0100 023
DR S 0221 10 12 010 008 0618 4525 0023 0100 0100 023
V 0223 10 12 010 008 0618 4484 0023 0099 0100 023
T 0221 10 12 010 008 0618 4525 0023 0100 0100 023
P 0228 10 0 000 000 0435 4386 0023 0000 0100 023
N 0221 25 12 004 008 0558 4525 0023 0101 0100 023
E 0224 25 12 004 008 0558 4464 0023 0100 0100 023
CP S 0224 25 12 004 008 0558 4464 0023 0100 0100 023
V 0223 25 12 004 008 0558 4484 0023 0100 0100 023
T 0221 25 12 004 008 0558 4525 0023 0101 0100 023
P 0228 25 0 000 000 0435 4386 0023 0000 0100 023
Calculul necesarului de frig pentru depozit de fructe
28
camerele vecine celei căreia i se face calculul necesarului de frig sunt goale şi au temperatura vestibulului sau a sasului
Aceste calcule determină necesarul de frig pe categorii de consumatori grupaţi după temperatura cerută şi permit stabilirea puterilor frigorifice icircn vederea proiectării instalaţiei
Pentru calculele termice sunt necesare următoarele
planul frigoriferului care a fost stabilit
dimensiunile camerelor
temperaturile necesare icircn fiecare cameră
Se consideră
1degC icircn depozitele de refrigerate
orientarea frigoriferului după punctele cardinale
condiţii climatice icircn lunile cele mai călduroase pentru zona geografică respectivă
Consumul de frig se calculează pentru 24 ore cu relaţia
Qnec = Q1 + Q2 + Q3 + Q4 [kcal24h]
Q1 - neeesarul de frig pentru acoperirea pătrunderilor de căldură prin cenvecţie
conducţie şi radiaţie din mediul icircnconjurător prin pereţi pardosea și plafon
Q2 - necesarul de frig tehnologic pentru procesele de răcire refrigerere şi
congelare eliminarea căldurii de respiraţie seu pentru unele procese chimice şi
biochimice
Q3 - necesarul de frig pentru ventilarea camerelor frigorifice cu aer proaspat care
trebuie racit şi uscat
Q4 - necesarul de frig rezulticircnd din condiţii de exploatare acoperirea căldurii
provenite din iluminat din funcţionarea motoarelor căldura provenită de la persoanele ce
manipulează produsele datorită deschiderii uşilor etc
321 Consumul de frig Q1
Se determină pentru fiecare spaţiu icircn parte cu relaţia
RttkFQ1 [ W ]
F - reprezintă suprafaţa pereţilor a pardoselei şi a plafonului corespunzător fiecărui
spaţiu frigorific icircn parte icircn m2 Ca suprafaţă de transfer se va considera suprafaţa
exterioară a perimetrului izolat termic
k - reprezintă coeficientul global de transmitere a căldurii prin convecţie conducţie şi radiaţie
prin pereţi plafon şi pardoseală (toate izolate termic) icircn [W(m2 middot grd)] Valoarea coeficientului k a
fost calculată icircn tabelul 24 (kr)
Δt - reprezintă diferenţa de temperaturi dintre temperatura exterioară suprafeţei de
transfer termic considerată şi temperatura interioară spaţiului frigorific
Calculul necesarului de frig pentru depozit de fructe
29
Diferenţa de temperatură ΔtR se ia icircn consideraţie numai la pereţii exteriori şi la
plafoane care sunt şi acoperiş pentru clădire
ΔtR = 0degC pentru pereţi exteriori orientaţi spre N
ΔtR = (5 10)degC pentru pereţi exteriori orientaţi spre E V S-E S-V
ΔtR = 15 degC pentru pereţi exteriori orientaţi spre S
ΔtR = (15 18)degC pentru plafoane care sunt şi acoperiş (terasă)
Calculul valorilor mărimii sumQ1 se recomandă a se efectua tabelar conform tabelului 25
Valoarea mărimii sum Q1 la aparate se obţine prin icircnsumarea fluxurilor termice prin toate cele 6 suprafeţe delimitatoare
La stabilirea valorii mărimii sum Q1 se consideră doar unul dintre fluxurile termice prin suprafeţele ce separă spaţiile frigorifice vecine Pentru aparatele de răcire din spaţiile frigorifice se consideră situaţia cea mai grea pentru fiecare spaţiu icircn parte respectiv că spaţiile vecine nu sunt răcite
Spaţiul frigorifi
c
Perete
Dimensiuni
Supraf F
[m2]
Kr [Wm2K]
Δt [grd]
Δtr
Q1 [W] sumQ1 q a [m]
b [m]
N 15 4 60 023 308 42504
246068
708
E 7 4 28 023 308 8 24987 892
DR S 15 4 60 023 185 15 46202 770
V 7 4 28 023 308 19835 708
T 15 7 105 023 308 74382 708
P 15 7 105 023 158 38157 363
N 7 4 28 023 185 11914
133566
426
E 7 4 28 023 268 8 22411 800
CP S 7 4 28 023 268 15 26919 961
V 7 4 28 023 185 11914 426
T 7 7 49 023 268 30204 616
P 7 7 49 023 268 30204 616
Tabelul 318 Tebel25 Calculul valorilor mărimii Q1
322 Necesarul de frig Q2
sum Q2 - necesarul de frig tehnologic pentru procesele de răcire refrigerare şi
congelare
Q2d = mcp(tc-ti)=500003644 = 4186000(243600)= 842 kW
Q2c = 2600036419 = 1798160 = 208 KW
Q2 = 208 + 842 = 293 = 30kW
unde
Q2d - necesarul de frig tehnologic depozit
Q2c - necesarul de frig tehnologic camera de preracire
Calculul necesarului de frig pentru depozit de fructe
30
m - cantitatea de produse introduse icircn tunelul de congelare icircn kg
te ti - temperaturi specifice corespunzătoare temperaturii iniţiale a produsului cald
(24 ordmC) respectiv temperaturii finale a produsului refrigerat (1 ordmC)
Căldura specfifică mere cp = 364 [kJkgK]
323 Necesarul de frig Q3
Icircn funcţie de natura produselor din spaţiul frigorific este necesar uneori să se realizeze ventilarea spaţiului prin asigurarea unui anumit număr de schimburi ale aerului din incintă icircn 24h Ca exemplu icircntotdeauna va fi necesară ventilarea prin introducere de aer proaspăt icircn spaţiile de păstrare pentru legume fructe şi ouă refrigerate Aceste produse vii respiră icircn timpul păstrării şi necesită icircn consecinţă ventilarea spaţiilor de păstrare
Acest consum de frig se ia icircn considerare doar la depozitele de refrigerare care se ventilează Se stabilește cu relația
Q3 = V ∙ a ∙ ᵖi ∙ (hex - hi) [kJ24]
V - volumul camerelor ventilateicircn m3
a = 24 schimburi pe zi pentru depozitele de mere
ᵖi - reprezintă densitatea aerului la temperature interioară icircn kgm3
Pentru depozitele de refrigerare considerăm umiditatea relativă ᵠi = 95 și ti=1 ordmC
rezultacircnd icircn acest caz hi= 9 kJkg
Parametri aerului exterior pentru zona icircn care este amplasat depozitul sunt temp ex 318
și umiditatea ext 60 rezultand din diagram mollier entalpia aerului Calcul facut icircn
programul Coolpack
ρi = 12 kgm3
hex = 7519 kJkg
Q3 = 616 2 12 (7519 - 9) (243600)= 00025 kW
324 Necesarul de frig Q4
Q4 - frigul consumat pentru acoperirea pierderilor icircn timpul exploatarii datorat deschiderii
usilor a corpurilor de iluminat a motoarelor electrice a oamenilor Se admite Q4 =
(01hellip04)Q1
Q4 = 02 379617 = 759234 = 008 kW
Qtotal = sum 119824120783 + Q2 + Q3 + Q4 = 004 + 30 + 000025 + 008 = 3012 = 31 kW
33 33 Stabilirea directiei raportului de termoumiditate și trasarea procesului de conditionare a aerului pe diagrama i-X pe timp de vară
Icircn fig16 este reprezentat un agregat pentru condiţionarea aerului pe timp de vară cu recirculare parţială
Calculul necesarului de frig pentru depozit de fructe
31
Figura 33 Figura16 Schema aparatului de condiţionare a aerului pe timp de vară cu recirculare parţială
F - filtru V - vaporizator C - compressor K - condensator VL - ventil de laminare I - icircncălzitor Vt - ventilator
Procesele de lucru pot fi reprezentate icircn diagrama h-x ca icircn figura următore
Figura 34 Fig17
A reprezintă starea aerului recirculat provenit din spaţiul condiţionat iar E este starea aerului exterior
Aerul tratat icircn aparatul de condiţionare care se introduce icircn incintă avacircnd starea B
trebuie să preia degajările de căldură Qv [kW] şi de umiditate Wv [kgs]
Direcţia procesului suferit de aer icircn incintă este dată de raportul de termoumidificare εv
= Qv Wv
Prin punctul A se trasează dreapta avacircnd raportul de termoumidificare εv iar punctul B se fixează pe această dreaptă adoptacircndu-se o anumită diferenţă de temperatură faţă de starea A
Aerul recirculat A se amestecă cu aerul proaspăt E şi rezultă starea de amestec M De regulă xM gt xB deci aerul va trebui să fie uscat
Pe verticala din B se fixează starea D avacircnd xD= xB şi ᵩD = 90hellip98
Calculul necesarului de frig pentru depozit de fructe
32
Se uneşte M cu D iar apoi se prelungeşte acest segment pacircnă la intersecţia cu ϕ = 100 rezultacircnd starea P avacircnd temperatura tp
Circulacircnd aerul cu starea M peste o suprafaţă rece avacircnd temperatura tp se va obţine procesul de răcire şi uscare MD
Temperatura suprafeţei tp se asigură cu o instalaţie frigorifică a cărei temperature de vaporizare va fi t0 lt tp
Ultimul proces din aparatul de condiţionare va fi icircncălzirea finală DB
Calculul agregatului de condiţionare a aerului pe timp de vară se efectuează asemănător cu cel a agregatului de condiţionare a aerului pe timp de iarnă cu observaţia că pe timp de vară nu este necesară umidificarea
331 Date
Vtotal = 616 m3 tint = 1ᵒC tex = 318 φint = 90 φext = 60 ρaer = 12 [kgm3]
Starea A
tA = ti + 3 = 4deg xA = 00043[kj
kg] φA = 86 hA = 1489[
kj
kg]
Starea B
tB = 1degC xB = 00036 [kj
kg] φB = 90 hB = 1024[
kj
kg]
Starea E
tE = 318degC xE = 00171[kj
kg] φE = 60 hE = 7519[
kj
kg]
Starea M
hM =hE + n ∙ hA
n + 1=
7513 + 20 ∙ 1489
21= 1775[
kj
kg]
xM =xE + n ∙ xA
n + 1=
00171 + 20 ∙ 00043
21= 00049[
kj
kg]
Rezulta din diagrama Mollier
Starea D
hD = 108 [kj
kg] xD = 0003[
kj
kg] φD = 97
Raportul de recirculare n = 20
Debitul de aer ventilat V =Vtotal∙20
24h=
616lowast20
24= 513 [m3h]
Debitul masic m = V ∙ ρaer = 513 lowast 12 =
6156[kg
h]
3600= 0171 [kgs]
tp = minus3degC t0 = tp minus 9degC = minus3 minus 9 = minus12degC
Puterea termica a vaporizatorului ( puterea frigorifică )
ФV = Ф0
Puterea termica a icircncalzitorului
ФI = 119898 ∙ (hB - hD)
Cantitatea de apa condensată icircn unitatea de timp pe suprafața de racire este
Calculul necesarului de frig pentru depozit de fructe
33
ẆV = 119898 ∙ (XM - XD)
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
34
4 Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
Există două domenii principale icircn care se utilizează frigul artificial icircn lucrările de construcţii şi anume
icircngheţarea terenurilor acvifere icircn vederea săpării puţurilor de mină a barajelor a depozitelor de gaze lichefiate etc
prerăcirea componentelor betonului icircn cazul executării unor masive de beton ca de exemplu baraje
41 51 IcircNGHEŢAREA SOLULUI
411 511 CONSIDERAŢII GENERALE PRIVIND IcircNGHEŢAREA SOLULUI
Icircngheţarea artificială a solului reprezintă una dintre cele mai interesante şi icircn acelaşi timp şi importante aplicaţii practice a frigului artificial Totodată este una dintre primele aplicaţii industriale a tehnicii frigului şi care a asigurat o dezvoltare deosebită a industriei extractive Aşa se explică faptul că odată apărută maşina frigorifică cu absorbţie realizată icircn 1859 de către Ferdinand Carre este folosită la săparea primului puţ de mină prin icircngheţarea artificială a rocilor Dar nu numai industria minieră foloseşte icircn ultimul secol procedeul consolidării rocilor la săpararea unor lucrări subterane Lucrări inginereşti de tot genul ca metrouri staţii subterane de pompare rezervoare de gaze lichefiate poduri lucrări portuare şi altele asemănătoare amplasate icircn zone acvifere au fost realizate prin metoda consolidării prin frig a rocilor
Această metodă a consolidării rocilor prin frig artificial realizează icircn jurul lucrării inginereşti subterane un perete icircngheţat protector pe durata lucrărilor de construcţii Acest perete asigură o izolare hidraulică şi icircn acelaşi timp şi o protecţie mecanică Rezistenţa mecanică a rocilor creşte pe măsură ce temperatura lor scade icircncacirct metoda expusă mai sus prezintă avantajul reglării capacităţii portante a peretelui icircngheţat
Apa conţinută icircn terenuri prin icircngheţare capătă proprietăţile cimentului exprimate prin forţele de coeziune mari care apar icircntre cristalele de gheaţă şi grăunţii de rocă
Pentru obţinerea peretelui protector se folosesc sonde de icircngheţare forate pe conturul lucrării subterane şi prin care circulă agentul de răcire care poate fi un agent intermediar ca de exemplu saramura de clorură de calciu sau agentul frigorific de exemplu amoniacul Icircn funcţie de grosimea peretelui şi de rezistenţa mecanică pe care trebuie să o aibă se va alege temperatura agentului de răcire distanţa dintre sonde şi durata de icircngheţare
Instalaţia de consolidare prin frig a rocilor cuprinde trei părţi principale staţia frigorifică reţeaua de distribuţie a agentului de răcire (saramura) şi sondele de icircngheţare a solului
Staţia frigorifică cuprinde instalaţia frigorifică propriu-zisă cu comprimare mecanică de vapori sau prin absorbţie icircntr-o treaptă sau icircn două trepte Icircn funcţie de condiţiile de amplasament ale obiectivului staţia frigorifică poate fi de construcţie staţionară (icircn minerit) sau mobilă (la metrouri)
Reţeaua de distribuţie alcătuită din conducte metalice sau din mase plastice are rolul de a face legătura icircntre staţia frigorifică şi sondele de icircngheţare Pentru reducerea pierderilor de frig reţeaua de distribuţie se izolează termic
Sondele de icircngheţare constituie schimbătorul de căldură subteran prin care se extrage căldura de la terenul supus icircngheţării Icircn fig 51 se prezintă schiţa unei sonde de icircngheţare cu ajutorul saramurii Saramura rece cu temperatura icircntre -10 ordmC pacircnă la -35 ordmC
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
35
coboară prin ţeava interioară şi apoi se icircntoarce prin spaţiul inelar dintre cele două conducte concentrice
Figura 41 Fig 51 Sonda de icircngheţare 1 - şiu (tub scurt de oţel cu pereţi groşi rezistent) 2 - ţeava interioară 3 - ţeava exterioară (burlan de
icircngheţare) 4 - capul sondei
Circulaţia continuă a saramurii prin sonda de icircngheţare face ca rocile ce icircnconjoară sondele inclusiv apa conţinută icircn spaţiile libere să se răcească treptat Icircn jurul sondei icircncepe să se formeze stratul de rocă icircngheţată diametrul cilindrului de teren icircngheţat se măreşte icircn timp Aşa cum s-a arătat icircn capitolul 3 rezultă că dezvoltarea radială a cilindrului de rocă icircngheţată icircn jurul sondei se desfăşoară cu o viteza variabilă de icircnaintare la icircnceput viteza de icircnaintare a frontului de gheaţă este mai mare după care scade icircn timp Apoi se atinge stadiul staţionar de transfer de căldură cacircnd cilindrul nu mai creşte icircn dimensiuni Reiese că distanţa dintre sondele de icircngheţare este determinată de raza maximă a cilindrului de teren icircngheţat Pentru a realiza peretele icircngheţat care să reziste la solicitările la care este supus se impune ca distanţa dintre sondele vecine să fie mai mică decacirct raza maximă a terenului icircngheţat astfel icircncacirct cilindrii formaţi să se unească icircntre ei Icircn fig 52 se prezintă evoluţia icircn timp a icircngheţării terenului icircn jurul sondelor Icircn faza iniţială a icircnceput răcirea dar icircncă nu s-a format teren icircngheţat Icircn faza a II-a (după circa 20 zile) icircn jurul fiecărei sonde se formează cacircte un cilindru de teren icircngheţat fără ca aceştia să se unească Icircn faza a III-a (după circa 30 zile) cilindrii se icircntretaie şi formează peretele protector
Figura 42 Fig 52 Evoluţia cilindrilor individuali de rocă icircngheţată 1 - sonda de icircngheţare 2 - sonda de măsurători termice 3 - teren icircngheţat
Această evoluţie poate fi urmărită cu suficientă precizie prin măsurarea temperaturii masivului cu ajutorul unor sonde de măsurători termice 2 montate la distanţe bine stabilite de sondele vecine de icircngheţare Astfel icircn faza I-a temperatura este cea iniţială deci neafectată de prezenţa sondelor icircn faza a II-a temperatura este mai scăzută dar mai mare de 0 ordmC Cum icircn practică sondele de icircngheţare au o abatere de la poziţia verticală (sau de la cea impusă prin proiect) sondele de măsurători termice sunt prevăzute icircntre sondele
I II III
1
2 2 2
3 3
SARAMURĂ CALDĂ
IEŞIRE
INTRARE SARAMURĂ A E RECE
1
2
3
4
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
36
cele mai distanţate icircntre ele acolo unde evoluţia peretelui de protecţie este cea mai defavorabilă
Primele realizări inginereşti de consolidare prin frig artificial a terenurilor acvifere metodă prin care vor fi aduse la lumină multe bogăţii subterane sunt legate de numele inginerului de mine şi metalurgie Friederich Herman Poetsch El a obţinut icircn 27 februarie 1883 brevetul pentru procedeul său de adacircncire a puţurilor verticale icircn roci bogate icircn apă (şi curgătoare) Poetsch a reuşit să experimenteze procedeul său la adacircncirea unor puţuri de mină dar a avut şi multe insuccese icircncacirct la 9 iunie 1902 moare sărac şi dezamăgit Metoda de icircngheţare prin frig artificial a terenurilor a avut mare succes icircn Franţa Astfel numai icircn perioada 1892 - 1898 icircn bazinele carbonifere Nord şi Pas de Calais s-au săpat circa 20 puţuri pacircnă la o adacircncime de 100 m prin aplicarea metodei icircngheţării după planurile lui Poetsch
Desigur că nu ar putea fi omis numele lui Louis Gebhard care realizează numeroase lucrări de adacircncire a puţurilor prin icircngheţare atacirct icircn Germania cacirct şi icircn Franţa Anglia Olanda şi Polonia ceea ce face ca metoda propusă de Poetch să devină o tehnologie demnă de toată icircncrederea cu siguranţă absolută şi cu un mare randament
Gebhard un mare practician icircncepe sa folosească icircn locul instalaţiilor cu absorbţie realizate de F Carre pe cu cele cu comprimare mecanică de vapori realizate de Karl von Linde cu icircncepere din anul 1874
Poetsch icircn 1888 prevede extinderea procedeului de icircngheţare la construcţia podurilor la construcţii navale lucrări de fortificaţii la protecţia fundaţiilor subterane şi a bazinelor cu apă El susţine că poate să rezolve orice problemă sub apă chiar şi puţuri icircncepute şi abandonate
Icircn anul 1900 se depăşeşte bariera adacircncimii de 100 m Realizarea unor puţuri mai adacircnci (peste 100 m) ridică unele probleme icircn plus faţă de puţurile de mai mică adacircncime deoarece abaterile de la verticalitate pot conduce la formarea unor ferestre icircn peretele protector
Icircn ţara noastră această tehnologie de forare a unor puţuri de mină cacirct şi a galeriilor de metrou prin icircngheţarea solului a fost folosită cu icircncepere din anul 1961 aşa cum se prezintă icircn paragraful 513
412 512 CONSTRUCŢIA INSTALAŢIEI DE IcircNGHEŢARE A SOLULUI
Icircn funcţie de forma şi mărimea lucrării care se realizează la adăpostul terenului icircngheţat principial se pot utiliza următoarele tipuri de instalaţii
a) cu răcire indirectă denumită şi cu dublu schimb (fig53)
b)cu răcire directă icircn circuit icircnchis (fig 54)
c)răcire directă icircn circuit deschis (fig55)
a) Răcirea indirectă se utilizează icircn practică cel mai mult fiind cunoscută icircncă de la icircnceputurile metodei de icircngheţare a solului
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
37
Figura 43 Fig 53 Instalaţia frigorifică cu răcire indirectă 1 - compresor 2 - condensator3 - ventil de laminare 4 - vaporizator 5 - bazin de răcire a saramurii 6
- agitator 7 - pompă de saramură 8 - sonde de icircngheţare
Ca agent frigorific se poate folosi amoniacul sau freonii iar ca agent intermediar se utilizează soluţiile de clorură de calciu clorura de sodiu sau magneziu sărurile respective fiind relativ uşor de procurat
Instalaţiile frigorifice cuprind unul sau mai multe blocuri frigorifice Acest mod de compunere prezintă avantaje icircn ceea ce priveşte montarea cacirct şi exploatarea instalaţiilor se poate asigura o reducere icircn trepte a puterii frigorifice pe măsură ce creşte rezistenţa termică a stratului de teren icircngheţat
Componentele principale ale instalaţiei frigorifice se montează grupat pe cele trei secţiuni secţia de compresoare secţia condensatoarelor şi secţia vaporizatoarelor De regulă compresoarele se montează fie icircn aer liber atunci cacircnd tipul lor permite fie acoperite sub şarpante protectoare
Pe măsură ce se scot din funcţiune blocurile frigorifice se demontează şi se pot monta la un nou obiectiv
b) Răcirea directă icircn circuit icircnchis (fig 54) se utilizează icircn cazul icircn care adacircncimea de icircngheţare este mică
Figura 44 Fig 54 Instalaţia frigorifică cu răcire directă icircn circuit icircnchis 1 - compresor 2 - condensator 3 - ventil de laminare 4 - sonde de icircngheţare
Sondele de icircngheţare constituie vaporizatorul instalaţiei frigorifice Icircn cazul unor sonde de lungime mare icircnălţimea coloanei de agent frigorific este de asemenea mare Ca urmare a presiunii hidrostatice variabile şi temperatura de vaporizare este variabilă fiind mai mare
1
2
1111111 Apă
3
4
1
2
Apă 3
4
5
6
7
8
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
38
la capătul inferior şi mai mică la capătul superior Din acest motiv adacircncimea sondelor de icircngheţare nu poate depăşi anumite limite şi icircn plus se recurge la fragmentarea coloanei de lichid cu ajutorul unor pereţi despărţitori
Pierderile de agent frigorific mai mari decacirct icircn cazul răcirii indirecte reprezintă un alt inconvenient al acestui mod de răcire
c) Răcirea directă icircn circuit deschis constă icircn introducerea agentului frigorific (cel mai frecvent azot lichid) icircn sondele de icircngheţare fără ca acesta să mai fie folosit după vaporizare
La presiunea atmosferică azotul lichid fierbe la temperatura de -196 ordmC icircncacirct vaporii reci de azot icircnainte de a fi evacuaţi se folosesc de asemenea pentru congelarea solului fiind circulaţi prin sonde de icircngheţare (Fig 55)
Figura 45 Fig 55 Icircngheţarea cu azot lichid icircn două trepte 1 - ventil de laminare 2 - sonda de icircngheţare 3 - sonda de icircngheţare cu vapori de azot
Această metodă se foloseşte cacircnd se urmăreşte o icircngheţare rapidă şi volumul de teren icircngheţat este redus
Se vor prezenta icircn continuare unele elemente constructive ale instalaţiilor de icircngheţare
Reţeaua de saramură (fig 56) are rolul de a asigura transferul de căldură de la sol către agentul frigorific Cuprinde două schimbătoare de căldură cel subteran alcătuit din sondele de icircngheţare şi cel de suprafaţă reprezentat de vaporizatorul imersat icircn saramură Icircntre cele două schimbătoare de căldură există conducte magistrale distribuitoare - colectoare şi racorduri la sonde
Saramura răcită prin intermediul vaporizatorului 1 este circulată cu pompa 2 prin magistrala de tur a reţelei 3 Sondele de icircngheţare 5 se leagă prin vane la distribuitorul 4 şi colectorul 6 ambele de construcţie inelară Printr-o asemenea construcţie şi mod de legare a sondelor prezentate icircn figura 56 se asigură o echilibrare a căderilor de presiune pe sondele de icircngheţare şi ca urmare o alimentare uniformă cu agent intermediar şi deci şi o răcire uniformă pentru toate sondele
1
2
AZOT LICHID
VAPORI
AZOT -40OC
3
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
39
Figura 46 Fig 56 Schema reţelei de saramură 1- vaporizatorul 2 - pompa de saramură 3 - magistrala de tur 4 - distribuitorul inelar 5 -sondele de
icircngheţare 6 - colectorul inelar 7 - magistrale de retur M - manometru D - debitmetru T - termometru
Magistralele 3 şi 7 de acelaşi diametru şi lungime variabilă (determinată de o serie de factori) se pot monta atacirct la suprafaţă cacirct şi icircn canal
Magistralele se dimensionează icircn funcţie de puterea frigorifică a schimbătorului de căldură subteran alcătuit din sondele de icircngheţare
F0 qNHd [W] (51)
unde d - diametrul exterior al sondei de icircngheţare m
H - adacircncimea de icircngheţare m
N - numărul de sonde de icircngheţare
qF - densitatea fluxului termic raportat la suprafaţa exterioară a sondei La temperatura saramurii de - 20 ordmC se poate considera qF = (260290) Wm2
Debitul volumic V de agent intermediar icircn reţeaua de icircngheţare icircn funcţie de care se aleg
pompele se determină cu relaţia
tc
V o
(52)
icircn care este densitatea agentului intermediar kgm3
c - căldura specifică a agentului intermediar JkgK
t - creşterea temperaturii agentului (saramura) icircn sondele de icircngheţare K
La icircnceputul perioadei de răcire diferenţa de temperatură este t = 56 K ca apoi să scadă la 12 K
Icircn conductele magistrale se recomandă ca viteza saramurii să fie w = 0915ms
Icircn acest caz diametrul conductelor de transport a saramurii este dat de relaţia
w
V4D
[m] (53)
Icircn funcţie de valoarea determinată pentru D se aleg conducte metalice de diametru nominal cuprins icircntre 75200 mm Dacă rezultă D gt 200 mm se vor alege două conducte cu diametrul mai mic de 200 mm
2
T
T
M
M D
D
NH
3
3
4
6
5
7
1
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
40
Conductele magistrale se realizează prin icircmbinări cu flanşe sau sudate iar la lungimi mai mari de 100150 m se vor prevedea coturi compensatoare Pentru reducerea pierderilor de frig magistralele vor fi izolate termic
Distribuitorul de saramură răcită şi colectorul de saramură de la sonde sunt construcţii metalice identice
Icircn figura 57 se prezintă modul de racordare a sondelor de icircngheţare 5 la distribuitorul 1 şi colectorul 2 Vanele 3 asigură icircnchiderea deci oprirea circulaţiei şi reglajul debitului Prin aceste vane se poate izola o anumită sondă care nu funcţionează normal sau la care se observă o anumită defecţiune
Figura 47 Fig 57 Racordarea sondelor de icircngheţare la distribuitor şi colector 1 - distribuitor 2 - colector 3 - vane 4 - racord elastic 5 - sonda de icircngheţare
Poziţia distribuitorului şi colectorului faţă de racircndul sondelor de icircngheţare poate fi laterală de o singură parte sau laterală de ambele părţi ale sondelor Amplasamentul trebuie astfel făcut icircncacirct să fie posibilă vizitarea supravegherea şi eventual icircnlocuirea sondelor de icircngheţare
Racordarea sondelor la distribuitor şi colector se face prin cacircte un racord elastic (fig 57) Dimensionarea distribuitoarelor şi a colectoarelor se face din condiţia ca viteza saramurii să nu depăşească 0915 ms
Coloanele de distribuţie şi colectare urmăresc icircn teren forma şirului de sonde de icircngheţare şi pot avea acelaşi traseu sau trasee diferite Configuraţia traseului poate fi icircn linie sau circulară Icircn oricare din situaţiile prezentate distanţele dintre ştuţurile de racord şi sondele de icircngheţare sunt variabile astfel icircncacirct racordurile rigide prin flanşe şi sudură sunt greu de realizat Cea mai practică soluţie de racord icircn acest caz este furtunul de cauciuc (fig 57)
Icircn reţeaua de saramură poate pătrunde aer prin procesul de pompare ceea ce conduce la intensificarea acţiunii corosive a saramurii Icircn scopul icircndepărtării aerului nedorit pe partea superioară a conductelor icircn punctele cele mai ridicate ale acestora se montează robineţi de evacuare periodică a aerului şi eventual a altor gaze
Pe conductele magistrale se vor monta aparate de măsură şi control debitmetre termometre şi manometre (fig 56) Icircn acest caz se poate aprecia funcţionarea fiecărei sonde după depunerile exterioare de gheaţă pe racordul metalic sau de cauciuc lăsate neizolate termic tocmai icircn acest scop Icircn scopul urmăririi regimului de lucru sub aspect
5
4
1
2 3
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
41
hidraulic şi termic icircn mod individual se pot monta aparate de măsură şi control pe fiecare sondă de icircngheţare dar această soluţie este mai costisitoare
Sonda de icircngheţare realizează transferul de căldură de la terenul ce urmează a fi icircngheţat spre agentul frigorific (la răcirea directă) sau agentul intermediar (la răcirea indirectă)
Icircn figura 51 s-a prezentat schema de principiu a unei sonde de icircngheţare cu saramură activă pe toată lungimea Conducta exterioară sau burlanul de icircngheţare 3 este o conductă din oţel etanşă şi rezistentă la eforturile mecanice care apar datorită presiunii solului şi variaţiei de temperatură icircntre momentul fixării ei icircn sol şi cel al funcţionării la o temperatura sub 00C
Icircn procesul de icircngheţare coloana de burlane care poate atinge lungimi de sute de metri se contractă icircnsă nu liber deoarece ea este stracircnsă icircn masivul de roci La o variaţie de temperatură icircntre momentul iniţial (fără saramură) şi momentul pornirii circulaţiei de saramură de 400C conducta din oţel de 500 m adacircncime ar trebui să se contracte cu
tHH = 500 11 10-6 40 = 0220 m = 22 cm
Datorită fixării coloanei icircn gaura forată efortul unitar de icircntindere ce apare icircn urma scăderii temperaturii este
tE = 22 1010 11 10-10 40 = 968 105 Nm2 = 9680 Ncm2
La acest efort de icircntindere apărut datorită contracţiei coloanei se mai adaugă efortul de acelaşi semn provocat de dilatarea masivului de rocă acviferă icircngheţată Icircn scopul compensării eforturilor de icircntindere s-a propus icircmbinarea coloanei cu nipluri elastice O asemenea soluţie este mai scumpă şi icircn plus micşorează secţiunea liberă de curgere ceea ce conduce la icircncălzirea excedentară a saramurii
La lucrări subterane de mare adacircncime ca puţurile de mină depozite subterane se folosesc burlane de 1397 x 7 mm pentru a fi posibilă determinarea abaterii de la poziţie verticală
La tunelurile de metrou şi icircn general la lucrările la care adacircncimea de icircngheţare nu depăşeşte 50 - 60 m diametrul cel mai frecvent utilizat este 1143 x 7 mm
Ţeava interioară 2 (fig 51) numită şi tub de alimentare de regulă ţeava uşoară de instalaţii de 50 mm diametrul se introduce icircn burlanul exterior 3 fără icircnsă a atinge şiul de bază 1 al sondei Se asigură icircn acest mod un volum minimal de depuneri solide care circulă cu saramura icircn mod incidental Icircn scopul economisirii de metal tubul de alimentare poate fi din material plastic ceea ce prezintă marele avantaj al lipsei coroziunii şi al refolosirii materialului respectiv
Şiul de fund are rolul de a asigura icircnchiderea burlanului exterior icircn partea sa inferioară Cel mai adesea are formă conică pentru a asigura introducerea cu uşurinţă a coloanei metalice icircn gaura de sondă Această componentă a sondei de icircngheţare se execută fie prin turnare sau se confecţionează cu ajutorul sudurii
Corespunzător profilului geologic al terenului icircn care se lucrează se icircntacirclnesc şi cazuri cacircnd nu este nevoie să se icircngheţe terenul pe toată icircnălţimea sondelor ci numai la partea lor inferioară Icircn acest caz se folosesc sonde de icircngheţare zonală (fig 58) cu ajutorul cărora se asigură congelarea doar a zonei inferioare ceea ce prezintă avantaje economice deosebite nu se consumă energie pentru a icircngheţa icircn mod inutil formaţiuni geologice consistente şi uscate şi nu se reduce ritmul lucrărilor de săpare printr-o eventuală mărire a rezistenţei rocilor
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
42
Figura 48 Fig 58 Sonda de icircngheţare zonală
1 - burlan exterior 2 - tub de alimentare 3 - şiu 4 - tub de evacuare
Figura 49 Fig59 - Sonda de icircngheţare cu agent
frigorific 1 - tub exterior 2 - perete despărţitor 3 - şiu 4 -
ştuţ (ţeavă de preaplin) 5 - condensator - vaporizator
Icircn cazul răcirii directe sondele de icircngheţare cu agent frigorific sunt de construcţie specială (fig 59) Particularitatea acestor sonde este prezenţa pereţilor despărţitori 2 dispuşi unul sub celălalt la circa 3 m fiecare perete fiind prevăzut cu un ştuţ de preaplin O asemenea construcţie are rolul de a fracţiona coloane de lichid ceea ce asigură o răcire mai uniformă pe lungimea sondei
Fiecare sondă este prevăzută la partea superioară cu cacircte o cămaşă de răcire Sondele se umplu cu amoniac lichid icircntr-o asemenea cantitate icircncacirct fiecare secţie să fie icircnecată cu lichid respectiv pacircnă la partea superioară a ştuţurilor 4 Ca urmare a fluxurilor de căldură de la sol se produce fierberea amoniacului icircn toate secţiile sondei Vaporii formaţi se ridică prin ştuţurile 4 şi ajungacircnd la partea superioară a sondei se condensează cedacircnd căldură agentului (amoniac) din cămăşile de răcire
Ca urmare cămăşile de răcire de la partea superioară a sondelor constituie vaporizatorul instalaţiei frigorifice Amoniacul care se condensează la partea superioară a sondei curge icircnapoi (de sus icircn jos) prin ştuţurile 4 Folosirea pereţilor despărţitori şi a ştuţurilor micşorează influenţa presiunii hidrostatice a lichidului asupra temperaturii de vaporizare a amoniacului Asemenea sonde de icircngheţare se folosesc pentru lucrări de mică adacircncime
Amplasarea sondelor se face icircn funcţie de o serie de factori formă poziţia şi dimensiunile lucrării care se realizează structura terenului temperatura şi viteza agentului etc
Icircn cazul puţurilor de mină de secţiune circulară sondele se amplasează pe un cerc
concentric de diametru D mai mare decacirct diametrul de săpare Ds cu grosimea a peretelui icircngheţat
sDD (54)
Trebuie să se ţină seama şi de deviaţia sondelor de la poziţia verticală icircncacirct pentru adacircncimi mari se utilizează relaţia
3
2 4
1
VAPORI 5 LICHID
3
2
4 1
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
43
a21DD s (55)
unde a = 003 H este abaterea medie statistică de la verticală a sondelor
Distanţa dintre sonde se ia de obicei de 1014 m icircn terenuri rezistente şi de 0809 m icircn terenuri slabe
Pentru adacircncimi de peste 500 m se recomandă să se dispună sondele pe două cercuri concentrice pentru a se forma un perete de grosime mai mare şi deci mai rezistent
La icircngheţarea terenului icircn jurul puţurilor de secţiune dreptunghiulară sondele se pot dispune pe dreptunghi sau elipsă Icircn aceste situaţii centura de teren icircngheţat poate fi solicitată la icircntindere ceea ce este de nedorit deoarece limita de rezistenţa la icircntindere a terenurilor icircngheţate este de circa 3 ori mai mică decacirct limita rezistenţei la compresiune Din acest motiv chiar şi la puţurile de mină de secţiune dreptunghiulară sondele se dispun pe unul sau două cercuri (fig 510)
Pentru realizarea galeriilor icircnclinate icircngheţarea terenului se realizează cu sonde verticale (fig 511) sau combinat atacirct cu sonde verticale cacirct şi cu sonde icircnclinate (fig 512)
Distanţa dintre sondele verticale (fig 511) se ia de 23 m iar distanţa dintre racircnduri este de 1525 m
Se poate folosi cacircte un racircnd de sonde icircnclinate montate deasupra galeriei (fig 212 a) sau sonde icircnclinate sub galerie şi sonde verticale scurte deasupra galeriei (fig 512 b)
SONDA
154 m
16
6 m
226
262
85
SONDA
Figura 411 Fig 511 Amplasarea sondelor verticale pentru realizarea galeriei icircnclinate
Figura 411 Fig 510 Dispunerea sondelor icircn jurul puţurilor de mină de secţiune
dreptunghiulară
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
44
Figura 412 Fig 512 Realizarea galeriilor icircnclinate cu sonde verticale (1) şi sonde oblice (2)
I - secţiunea longitudinală II - secţiunea transversală a) sonde icircnclinate deasupra galeriei b) sonde icircnclinate sub galerie
413 513 UTILIZAREA METODEI DE IcircNGHEŢARE A SOLULUI IcircN ŢARA NOASTRĂ
a)Puţuri de mină
Aplicarea metodei de icircngheţare a solului pentru lucrări de minerit a avut loc la noi icircn ţară icircncepacircnd cu anul 1960 la puţul Godeni din bazinul carbonifer Cacircmpulung - Muscel Proiectul a fost elaborat icircn anul 1959 la IPROMIN Bucureşti iar lucrarea a fost executată cu Trustul Minier Argeş avacircnd icircn subantrepriză de specialitate Icircntreprinderea Frigotehnica Bucureşti şi Trustul de prospecţiuni explorări şi deschideri de mine noi Bucureşti
Adacircncimea de săpare a puţului Godeni a trebuit sa fie de 202 m Sondele de icircngheţare constituite din două ţevi concentrice (fig 51) cu diametrele exterioare de 146 mm şi respectiv 57 mm icircn număr de 27 au fost amplasate pe un cerc cu diametrul de 10 m la distanţa de 117 m una de alta
Instalaţia frigorifică a fost dimensionată cu mare precauţie pentru a avea o siguranţă mărită icircn funcţionarea ei Toate părţile componente ale instalaţiei frigorifice au fost proiectate şi executate icircn ţară
La proiectarea instalaţiei s-a avut icircn vedere funcţionarea de scurtă durată şi variaţia puterii frigorifice icircn timp S-a utilizat răcirea indirectă cu soluţie de clorură de calciu iar ca agent frigorific a fost folosit amoniacul Pentru a avea elasticitatea necesară icircn funcţionare la diferite puteri frigorifice au fost folosite grupuri de utilaje frigorifice şi anume
6 compresoare 4 AU - 20 (200000 kcal Nh =233 kW fiecare)
3 baterii de condensatoare atmosferice a cacircte 300 m2 (900 m2)
bazine pentru răcirea saramurii fiecare cu cacircte 2 vaporizatoare superintensive de 50 m2 (600 m2)
2 grupuri a cacircte 5 pompe pentru recircularea saramurii
Puterea frigorifică a instalaţiei montate a fost de 12106 kcal Nh =1395 kW şi s-a caracterizat prin următoarele date tehnice la exploatare
85
1
2
I 85
1
2
I
85
1
2
II
85
1
2 II
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
45
o suprafaţa de schimb de căldură a sondelor 2500 m2 o puterea instalaţiei 750 kW o debitul saramurii icircn
o icircn perioada activă 350 m3h o icircn perioada pasivă 70 m3h
o viteza de circulaţie a saramurii icircn sondă o tur 18 ms 036 ms o retur 029 ms 006 ms
o volumul rocilor icircngheţate circa 10000 m3 o consumul specific de frig mediu 50000 m3 o durata icircngheţării (perioada activă) 130 zile
Icircn timpul răcirii şi deci a icircngheţării solului puterea frigorifică scade icircn mod continuu icircncacirct treptat s-a scos din funcţiune cacircte un compresor icircn perioada pasivă (de săpare a puţului) s-a menţinut icircn lucru doar un singur compresor şi grupul de utilaje aferent
După terminarea lucrărilor de la puţul Godeni icircn anii următori aceeaşi instalaţie s-a montat la puţul Poenari din acelaşi bazin carbonifer unde sondele au fost amplasate pe un cerc cu diametrul de 11 m la distanţa de 128 m una de alta
Un alt puţ realizat prin această tehnologie de icircngheţare a solului a fost puţul Jugur de la acelaşi bazin carbonifer Centrala frigorifică a cuprins 15 compresoare 3 AV - 20 (150000 kcal Nh fiecare=175kW) repartizate icircn 5 linii tehnologice independente cu icircntreg utilajul aferent Fiecare linie este compusă din
o butelie de răcire intermediară BRI - 700 un condensator cu evaporare forţată CEF - 180 un bazin cu patru grupuri vaporizatoare intensive de cacircte 165 m2 (icircn total 66 m2)
Sondele de icircngheţare icircn număr de 27 bucăţi au fost prevăzute să se amplaseze pe un cerc cu diametrul de 104 m la distanţă de 121 m Sondele sunt de tipul celei indicată icircn figura 58 deci cu răcire zonală avacircnd următoarele caracteristici diametrul exterior al burlanului este de 146 mm iar tuburile interioare au 57 mm (la exterior) tubul de alimentare are lungimea de 430 m iar cel de evacuare este de 220 m Ca urmare sondele de icircngheţare trebuie să producă icircngheţarea solului numai pe adacircncimea de la 220 m la 430 m Prin proiect s-au prevăzut următoarele date temperatura saramurii - 35 ordmC viteza saramurii icircn conducte de tur 18 ms viteza icircn conducte de retur (pe adacircncimea de răcit) 06 ms durata icircngheţării (perioada activă) a fost de 75 zile
Au fost prevăzute temperaturi scăzute şi viteze mari de congelare deoarece cilindrul icircngheţat trebuie să preia presiuni de pacircnă la 56 bar
b)Tunelurile pentru metroul din Bucureşti
Icircncepacircnd cu anul 1976 pentru realizarea metroului din Bucureşti s-a procedat la aplicarea metodei de icircngheţare a solului icircntr-o zonă considerată experimentală dar cu realizări efective de galerii
Prin proiect s-a prevăzut consolidarea prin icircngheţare artificială a profilului de săpare a tunelurilor de metrou pe o lungime de circa 550 m pe ambele fire Amplasamentul sondelor s-a făcut icircn două variante (pentru experimentare) pentru un fir de tunel ambele racircnduri de sonde s-au fixat icircn profilul circular de săpare iar pentru cel de al doilea fir de tunel sondele au fost forate icircn afara profilului de icircnaintare (fig 513) Au fost folosite sonde cu saramură cu posibilitatea de icircngheţare pe toată icircnălţimea de 16 m cacirct şi sonde cu icircngheţare zonală icircntre adacircncimile de 7 m şi 16 m Distanţa dintre sonde a fost fixată la 14 m
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
46
Pentru a se icircmpiedica accesul apelor icircn frontul de săpare datorate unor eventuale zone neicircngheţate traseul de tunel icircngheţat a fost icircmpărţit icircn incinte icircnchise prin timpane transversale La distanţe de 3050 m icircn lungul traseului au fost montate sonde de icircngheţare aşezate icircn plan normal pe axul tunelului prin care să se icircnchidă accesul apelor spre frontul de săpare
Echipamentul frigorific principal cuprinde
- 8 compresoare frigorifice 3 AV - 20 funcţionacircnd icircntr-o treaptă pentru care
corespunde puterea frigorifică de 12 106 kcal Nh =1395 kW
- 4 condensatoare de evaporare forţată CEF - 250
- 3 bazine de răcire a saramurii echipate cu cacircte 4 grupuri de vaporizatoare superintensive de cacircte 51 m2 (total 612 m2)
- 3 grupuri de cacircte 2 pompe a 220 m3h pentru circulaţia saramurii pe traseele de distribuţie şi prin sonde
Figura 413 Fig513 Amplasamentul sondelor de icircngheţare
Centrala frigorifică este stabilă adăpostită icircntr-o baracă metalică demontabilă existacircnd posibilitatea de reamplasare rapidă a instalaţiei icircntr-un alt loc Agentul frigorific utilizat este amoniacul iar agentul intermediar este clorura de calciu
Icircn perioada principală de icircngheţare temperatura de vaporizare este to = -22 ordmC asiguracircnd răcirea saramurii la -17 ordmC iar pe retur saramura a avut temperatura cu 15 ordmC mai ridicată
La o asemenea lucrare realizată icircn oraş se impune protejarea contra icircngheţului a straturilor de deasupra galeriilor icircn care sunt amplasate instalaţiile de apă - canal ceea ce presupune folosirea sondelor cu icircngheţare zonală care să nu fie active la partea superioară
c) Puţuri pentru prospectarea balastierelor
Procedeul şi instalaţia frigorifică au avut caracter de noutate şi s-a aplicat icircncepacircnd cu anul 1966 la mai multe obiective icircn general pe văile racircurilor unde s-au construit hidrocentrale
A
A B
B
A-A
000 -300 -700 -1061 -1300
65
800
B-B
000 -300 -700 -1061 -1300
65
550
ARGILA
ARGILA
NISIP
NISIP
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
47
Echipamentul frigorific principal cuprinde un agregat frigorific pentru amoniac de 20000 kcal Nh = 233 kW rezervor de amoniac separator de lichid şi anexe - toate fiind montate pe o remorcă
S-au folosit sonde de icircngheţare cu agent frigorific icircn număr de 8 bucăţi cu diametrul exterior de 133 mm montate pe un cerc cu diametrul de 2 m la distanţa de 076 m lungimea lor fiind de 75 m Legarea sondelor la distribuitor şi colector s-a făcut cu racorduri flexibile
Sondele au o construcţie specială fiind prevăzute cu 4 pereţi transversali cu ştuţuri de preaplin formacircndu-se astfel 5 compartimente Agentul lichid se introduce icircn compartimentul cel mai de sus şi se scurge prin ştuţuri pacircnă la baza sondei Conducta de aspiraţie străbate toate compartimentele vaporii fiind aspiraţi din compartimentul cel mai de jos Circulaţia vaporilor formaţi se face ca şi a lichidului de sus icircn jos obţinacircndu-se astfel o răcire uniformă şi eficientă pe toată icircnălţimea sondei
Durata icircngheţării respectiv a formării centurii de teren icircngheţat la adăpostul căreia să se poată efectua săparea şi preluarea de probe de sol este de 10 zile
414 514 CAcircMPUL DE TEMPERATURĂ IcircN SOLUL IcircNGHEŢAT
Cacircnd prin sonda de icircngheţare circulă saramură a cărei temperatura este sub 0 ordmC practic - 20 ordmC-25 ordmC icircn jurul sondei se formează un cacircmp termic care icircn cazul unei singure sonde poate fi reprezentat prin suprafeţe cilindrice coaxiale de temperatură constantă (izoterme)
După distanţa radială se deosebesc icircn sol din punct de vedere termic trei zone zona cilindrică din imediata vecinătate a sondei care este icircn zona icircngheţată zona răcită cuprinsă icircntre suprafaţa cilindrică izotermă de 0 ordmC şi izoterma de temperatură naturală şi a treia zonă cea de temperatura naturală (fig 514)
Icircn zona icircngheţată temperatura masivului variază de la temperatura peretelui metalic al sondei pacircnă la 0 ordmC Icircn zona răcită temperatura masivului creşte de la 0 ordmC pacircnă la temperatura naturală a masivului
Figura 414 Fig 514 Cacircmpul de temperatură icircn jurul unei sonde de icircngheţare
Este important să se cunoască cacircmpul termic icircn terenul supus icircngheţării deoarece acesta oferă date privind zona de răspacircndire a consolidării rocilor prin solidificarea apei cacirct şi a
t [oC]
r [m]
t (r)
ZONA RACITA
ZONA INGHETAT
A
ts TEMPERATURA NATURALA A ROCII
-20
-10
40
10 0 20 30
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
48
rezistenţei mecanice a rocii icircngheţate Se cunoaşte faptul că rezistenţa mecanică depinde direct de temperatură
Studiul variaţiei temperaturii icircn zona de influenţă a unei sonde şi a tuturor sondelor simultan oferă posibilitatea calculării dimensiunilor la proiectarea construcţiei peretelui protector cacirct şi controlul procesului icircn timpul desfăşurării lucrărilor
Pentru a se stabili relaţia de variaţie a temperaturii icircn zona icircngheţată icircn funcţie de raza r se consideră ecuaţia diferenţială
dr
dtr2q (56)
icircn care q este fluxul unitar de căldură corespunzător lungimii de 1 m din sonda de icircngheţare Wm
- conductivitatea termica a terenului Wm
Integrarea directă a ecuaţiei analitice se poate face icircn ipoteze simplificatoare consideracircnd
= const şi q = const ceea ce este justificat la valori mari ale timpului de răcire
Se separa variabilele
r
dr
2
qdt
(57)
Se consideră cunoscute temperaturile t1 la suprafaţa sondei de raza r1 și t2 = 0 ordmC la raza r2 corespunzătoare suprafeţei exterioare a cilindrului icircngheţat Se integrează ecuaţia (6-7) și cunoscacircnd limitele de integrare se va determina constanta de integrare
Cr ln2
qt
(58)
pentru r = r1 t = t1 deci
11 rln2
qtC
(59)
1
1r
rln
2
qtt
(510)
Se pune condiţia ca pentru r = r2 t = t2
1
212
r
rln
2
qtt
(511)
Se elimina q intre relaţiile (510) și (511) şi se obţine
1
2
1121
r
rln
r
rln
tttt (512)
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
49
Figura 415 Fig 515 Schema schimbătorului de căldură subteran
Pentru t2 = 0 ordmC relaţia (5-12) devine
)rrln(
)rrln(tt
12
21 (513)
Icircn figura 515 se prezintă o secţiune axială printr-o sondă de icircngheţare şi variaţia temperaturii icircn limitele t0 - temperatura agentului de răcire şi ts - temperatura naturală a solului
Cantitatea de căldură transferată de la masivul neicircngheţat spre agentul de răcire prin unitatea de lungimea de conducta şi unitatea de timp se calculează cu expresia
221
2
1o
1
moo
os
d
1
d
dln
1
d
dln
2
1
d
1
ttq
(514)
Icircn calculele inginereşti cel mai frecvent se determină nu fluxul termic pe unitatea de lungime a conductei ci fluxul termic qF raportat la unitatea de suprafaţă a conductei metalice la 1 m2 de suprafaţa exterioară sau interioară Mărimea qF se calculează astfel
22
o
1
2
1
o
o
1
m
o
o
oS
o
F
d
d
d
dln
2
d
d
dln
2
d1
tt
d
(515)
Fluxul termic qF prin unitatea de suprafaţă a sondei de icircngheţare calculat pentru adacircncimea de 100 m icircn regim laminar de curgere a agentului de răcire prin spaţiul inelar al sondei cu viteza w = 01 ms la diametre ale cilindrului de rocă icircngheţata
de la 02 la 3 m pentru to = -20 ordmC do = 01 m 1 = 233 WmK variază de la 720 la 230 Wm2 aşa cum se poate observa din figura 516 şi tabelul 51
d2
d1
d0
t
qF
t0
t2
t1 2
m 1
m
ts
Conducta Teren icircngheţat Teren
neicircngheţat
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
50
Figura 416 Fig 516 Variaţia fluxului termic qF prin unitatea de suprafaţă a sondei de icircngheţare 1 - regim turbulent 2 regim laminar
Tabelul 51Variaţia fluxului termic qF [Wm2]
Diametrul cilindrului de rocă icircngheţată icircn m
02 04 05 08 10 15 20
qF regim laminar 1160 550 387 330 302
qF regim laminar 720 465 423 350 321 283 258
Se observă ca densitatea fluxului de căldura qF scade foarte mult de la 800900 Wm2 la icircnceputul operaţiei de consolidare prin frig a rocilor pacircnă la 230250 Wm2 cacircnd cilindrul de rocă icircngheţata atinge diametrul de 23 m Ca urmare a acestei situaţii şi puterea frigorifică a instalaţiei va scădea icircn decursul a 6080 zile tot cu raportul de 800230 = 35
Instalaţia frigorifică va fi constituită din grupuri de utilaje (module) ce vor fi scoase treptat din funcţiune pe măsură ce se reduce densitatea fluxului de căldură qF ca urmare a creşterii grosimii stratului de teren icircngheţat Icircn practică pentru calcule se va considera qF = (260290) Wm2
O mărime importanta pentru proiectarea instalaţiei şi aprecierea procesului de consolidare a rocilor este timpul de icircngheţare Pentru calculul duratei de icircngheţare se pot folosi relaţiile prezentate icircn capitolul 3 la formarea gheţii pe suprafeţe cilindrice exterioare La aprecierea valorii pentru ls - căldura latentă de solidificare se avea icircn vedere conţinutul de apă din terenul supus icircngheţării
Dacă icircntre relaţiile pentru dependenţele (r) şi qF(r) se elimină r se obţine dependenţa
qF() Eliminarea nu se poate face direct ci fie cu ajutorul calculatorului fie printr-o construcţie grafică prezentată icircn figura 517
Studiul variaţiei temperaturii icircn solul icircngheţat cacirct și variaţia icircn timp a densităţii fluxului de căldura se poate face cu ajutorul calculatorului electronic
1200
1000
800
600
400
200
0 05 1 15 2 25 3
qF [Wm2]
Diametrul cilindrului de rocă icircngheţată [m]
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
51
Figura 417 Fig 517 Stabilirea dependentei qF() pe baza dependentelor qF(r) și (r)
415 515 ELEMENTE DE PROIECTARE A INSTALAŢIEI FRIGORIFICE PENTRU IcircNGHEŢAREA SOLULUI
Pentru proiectarea instalaţiei frigorifice trebuie sa se stabilească la icircnceput elementele de baza și anume
- puterea frigorifică maximă care apare la icircnceputul perioadei de răcire cacircnd pătrunderile de căldura spre agentul de răcire din sondele de icircngheţare au valori mai mari temperatura de vaporizare a agentului frigorific plecacircnd de la temperatura minimă sau medie din solul icircngheţat şi avacircnd icircn vedere modul de răcire directă sau indirectă
Se calculează cantitatea totală de căldură ce trebuie extrasă din terenul supus răcirii şi icircngheţării Se cunoaşte structura terenului icircngheţat deci se cunosc icircnălţimile h1 h2hn ale diferitelor straturi componente cacirct şi proprietăţile termofizice ale acestora
Grosimea centurii de teren icircngheţat se stabileşte icircn urma calculelor de rezistenţa materialelor icircncacirct se pot calcula volumele ocupate de straturile componente V1 V2Vn
Cantitatea de căldură ce trebuie extrasă din zona icircngheţată cuprinde două componente și anume
cantitatea de căldura Qa corespunzătoare răcirii şi icircngheţării apei
cantitatea de căldura Qt necesara răcirii părţii solide a terenului
n
1kfgsikaakka tcltcVQ (516)
unde
k - reprezintă conţinutul icircn apă din stratul respectiv [m3m3]
a - densitatea apei [kgm3]
ca cg - căldura specifica a apei respectiv a gheţii Jkg K
tik - temperatura iniţiala a stratului respectiv (de ordinul k)
tf - temperatura medie finala a masivului icircngheţat
ls - căldura latentă de solidificare a apei
r
q
q
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
52
fik
n
1kkkkkt ttc1VQ
(517)
k - densitatea părţii de teren solid (uscat) din stratul k
ck - căldura specifică a terenului uscat din stratul k
Cantitatea de căldură extrasă din terenul răcit reprezintă circa 1018 din cantitatea de căldură extrasă din zona de teren icircngheţat
Deci cantitatea totală de căldură Q ce va trebui preluată de către instalaţia frigorifică se poate aprecia astfel
Q = (110118) (Qa + Qt) (518)
Cu relaţia (51) se calculează puterea frigorifica a instalaţiei adoptacircnd o valoare medie pentru densitatea fluxului de căldura qF
Se poate aprecia timpul de funcţionare a instalaţiei frigorifice
o
Q
(519)
La anumite grosimi ale cochiliei de teren icircngheţat icircn jurul sondei densitatea fluxului termic scade sub valoarea medie adoptată icircn calcule şi ca urmare icircncepacircnd de la acest moment se va putea reduce treptat puterea frigorifica a instalaţiei prin scoaterea din funcţiune a unor grupuri
La proiectare se pot avea icircn vedere unele recomandări practice pentru stabilirea necesarului de frig pentru icircngheţarea unui m3 la -10 ordmC este necesar un consum specific de frig de 66000 kJ la 10 umiditate de 155000 kJ la 35 umiditate și de 210000 kJ la 50 umiditate
42 52 RĂCIREA BETONULUI LA CONSTRUCŢIILE MASIVE
421 521 INSTALAŢII DE PRERĂCIRE A COMPONENTELOR BETONULUI
Formarea betonului din elementele sale componente (nisip pietriş ciment şi apă) este icircnsoţită de fenomene fizico - chimice icircn care se degajă căldură şi ca urmare temperatura acestuia creşte Icircn cazul unor masive din beton (baraje) dacă viteza de turnare (icircn sezonul cald cacircnd se efectuază construcţia) este mai mare şi nu se asigura evacuarea căldurii corpul rezultă la o temperatura medie mai mare decacirct temperatura medie anuală Răcirea naturală conduce la contracţia masivului şi ca urmare la apariţia sub acţiunea tensiunilor interne a unor fisuri
Pentru ca variaţiile de temperatura icircntre centrul barajului şi straturile exterioare să fie cacirct mai mici se impune ca masivul respectiv să fie turnat la temperatura medie anuală a zonei respective Icircn acest scop se pot folosi două metode prin prerăcirea componentelor betonului și prin răcirea masei barajului
Icircn vederea reducerii căldurii degajată icircn reacţia dintre ciment şi apă au fost realizate sortimente de ciment caracterizate prin călduri masice reduse ce se degajă icircn procesul de priză
Prin prerăcirea componentelor betonului se urmăreşte ca betonul sa aibă temperatura medie a locului de amplasament şi prin aceasta evitarea apariţiei unor diferenţe mari de temperatură ce pun icircn pericol construcţia
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
53
Icircn funcţie de valoarea diferenţei de temperatură care trebuie realizată se poate adopta o anumită schemă de răcire pentru fiecare component icircn parte sau numai pentru unele din aceste părţi componente
Se pot folosi instalaţii frigorifice cu comprimare mecanică de vapori pentru răcirea apei a aerului sau formarea gheţii mărunte utilizate la prerăcirea componentelor betonului Folosirea gheţii fulgi sau solzi este limitată atacirct din cauza conţinutului de apă impus cacirct şi ca urmare a pericolului ca gheaţa să nu se topească icircn procesul de malaxare ci la turnare sau icircn procesul de priză ceea ce duce la formarea de goluri icircn beton
De asemenea se pot folosi instalaţiile frigorifice cu ejecţie
Icircn vederea stabilirii necesarului de frig pentru preratildecirea componentelor betonului se calculează mai icircntacirci cantitatea de catildelduratilde Qo1 ce trebuie evacuatatilde dintr-un m3 de beton avacircndu-se icircn vedere proporţiile icircn care participatilde cimentul nisipul pietrişul şi apa Fiecare component are o temperatură iniţialatilde şi urmeazatilde a fi răcit pacircnatilde la o temperatura finalatilde tf aceeaşi pentru toţi componenţii
fpppfnnnfccc1o ttcmttcmttcmQ
fnaanfpaapfaaa ttcmttcmttcm Jm3 (520)
unde
mc mn mp ma - masele de ciment nisip pietriş şi apă conţinute icircntr-un m3 de beton [kgm3]
cc cn cp cw - căldurile specifice masice ale cimentului nisipului pietrişului şi nisipul dintr-un m3 de beton [kgm3]
Puterea frigorifică se determină cu relaţia
3b1oo 10VQ [kW] (521)
icircn care bV reprezintă fluxul de betonare icircn m3s
Se prezintă icircn continuare cele mai folosite metode de prerăcire a componentelor betonului
4211 a) Instalaţie de prerăcire cu apă
Staţia de preparare a betonului este deservită de o instalaţie frigorifică cu comprimare mecanică de vapori care asigură răcirea apei
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
54
Figura 418 Fig 518 Schema de lucru a instalaţiei de prerăcire a betonului cu ajutorul apei 1 - ciment 2 - vagon nisip 3 - vagon pietris 4 - tancuri de răcire a pietrişului 5 - sită 6 - siloz de
nisip 7 - siloz de ciment 8 - rezervor de distribuţie 9 - răcitor de nisip 10 - răcitor de ciment 11 - răcitor de apă 12 - rezervor de apă răcită 13 - răcitor de apă 14 - instalaţie de prepararea betonului
I II III IV V - fazele de răcire a pietrişului
Icircn figura 518 se prezintă schema de lucru a unei asemenea instalaţii de prerăcire a betonului cu ajutorul apei folosită la construcţia barajului de la Detroit (SUA) Apa este răcită de la 16 la 15 ordmC şi transmisă apoi la instalaţia de preparare a betonului şi icircn cinci rezervoare a cacircte 90 m3 fiecare icircn care se răceşte pietrişul
Procesul de răcire a pietrişului cuprinde cinci faze
- faza I - introducerea apei icircn rezervor 10 minute
- fazele II şi III - introducerea simultană a apei şi a pietrişului 50 minute
- faza IV - evacuarea apei 15 minute
- faza V - evacuarea pietrişului 15 minute
Icircntregul proces de răcire a pietrişului durează 90 minute Pentru răcirea cimentului şi nisipului se utilizează schimbătoare de căldură cu ax elicoidal la care apa de răcire circulă prin arborele gol şi prin manta
Rezervoarele 12 pentru apa răcită au fiecare volumul de 114 m3
Beton 635oC
190 m3h
65oC
24oC
18oC
1
2
3
4
5
6
7
8
10
9
11
12
13
14
Apă 16oC
15oC
Cim
en
t
26 l
h
Nis
ip 1
12
lh
10
oC
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
55
42111 Aplicaţie numerică
Să se calculeze puterea frigorifică necesară prerăcirii betonului prin metode şi condiţiile prezentate mai sus Se cunosc următoarele date de calcul
mp = 1700 kgm3 beton
mc = 135 kgm3 beton
mn = 590 kgm3 beton
ma = 60 kgm3 beton
cc = cn = cp = 921 Jkg K
ca = 4180 Jkg K
map = 16 kgm3 beton
man = 38 kgm3 beton
tp = 18 ordmC
tc = 66 ordmC
tn = 21 ordmC tf = 635 ordmC
052803000
190Vb m3s
Se calculează componentele cantităţii de căldură Q01
3fcccc 10741735666921135ttcmQ Jm3
3fnnnn 10796135621921590ttcmQ Jm3
3fpppp 1024018356189211700ttcmQ Jm3
3faaaa 10420235616418060ttcmQ Jm3
3fpaapap 1077935618418016ttcmQ Jm3
3fnaaan 10232735621418038ttcmQ Jm3
Rezulta
3anapapnc1o 1039144QQQQQQQ Jm3
3o 10 206705280103914410VQ 33
b1o kW
4212 b) Instalaţii de prerăcire cu aer apă
Pentru răcirea componentelor betonului se utilizează icircn acest caz fie apa fie aerul ca agenţi intermediari răciţi cu ajutorul instalaţiilor frigorifice
Icircn figura 519 se prezintă schema unei asemenea instalaţii folosită la construcţia barajului de la Sariyar din Turcia
Răcirea aerului se poate face fie direct prin vaporizarea unui agent frigorific fie indirect cu un agent intermediar de răcire ca de exemplu saramura de clorură de calciu Aerul răcit pacircnă la -6 ordmC este suflat icircn silozurile cu pietriş de dimensiuni icircntre 4150 mm
Apa răcită icircn bazinul la pacircnă la 05 ordm este trimisă din colectorul 12 la staţia de preparare a betonului servind la scăderea temperaturii acestuia
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
56
Figura 419 Fig 519 Schema instalaţiei de prerăcire a betonului cu aer şi apă 1 - compresor 2 - condensator 3 - ventile de laminare 4 - vaporizatoare 5 - bazin de răcire a
saramurii 6 - pompă de saramură 7 - răcitor umed de aer 8 - ventilatoare 9 - silozuri de pietriş 10 - bazin de răcire a apei 11 - pompă 12 - colector de apă răcită
Figura 420 Fig 520 Schema instalaţiei de prerăcire cu aer şi apă 1 - siloz de pietriş şi nisip 2 - siloz de ciment 3 rezervor de apă 4 - răcitor de aer 5 - răcitor de apă
4 - răcitor de apă 6 - buncăr de sortare 7 - instalaţie de preparare beton
Pentru intensificarea procesului de răcire a pietrişului aerul este răcit sub 0 ordmC Acest procedeu are avantajul unei funcţionări fără icircntrerupere a procesului de preparare a betonului dar prezintă şi o serie de dezavantaje debite foarte mari de aer de răcire posibilitatea antrenării particulelor fine de agregat icircn răcitorul de aer şi depunerea acestora pe suprafaţa de schimb de căldură Ca urmare instalaţia se va curăţa la circa 14 zile Icircn figura 520 se prezintă o altă schemă de instalaţie de prerăcire a betonului cu aer şi apă folosită la construcţia unui baraj din India
Apă
295oC
Ciment
433oC
Pietriş şi nisip
378oC
Apă 6oC
Ciment 433oC
Aer
Pietriş
45oC Nisip 222oC
22oC
Ap
ă
45
oC
Ap
ă 2
2o
C
Ae
r 5
5o
C
Be
ton
12
8o
C
Apă 22oC
2
1
3 4 5
8
9
5 7
12
1oC
11
05oC 9oC 9oC
-9oC
-10oC -10oC
-10oC 2oC
6oC
10 4 4 6
8 8
8
8 8
9 9 9 9
1
2
3 3
7
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
57
Pietrişul şi nisipul se separă icircntre ele icircn buncărul de sortare 6 şi apoi fiecare circulă pe cacircte o bandă transportoare prin camera de răcire 7 Pietrişul este răcit cu ajutorul apei
Fig
ura
42
1 F
ig 5
21
Sc
he
ma
in
sta
laţi
ei
de
ră
cir
e icirc
n v
id a
co
mp
on
en
telo
r b
eto
nu
lui
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
58
reci icircncacirct ajunge la o temperatură mai scăzută decacirct nisipul răcit cu aer Prin camera 7 se circulă şi aer rece care se introduce la temperatura de 55 ordmC Cimentul se introduce la instalaţia de preparare a betonului 9 fără a fi răcit
O altă posibilitate de prerăcire a agregatelor (pietriş şi nisip) şi a apei utilizată mai recent la construirea barajelor icircntrebuinţează răcirea icircn vid la care agregatele uşor umezite icircn recipiente sub presiune se răcesc după nevoie (prin reglarea vacuumului) la o temperatură mai scăzută sau mai ridicată Căldura necesară evaporării umidităţii de pe agregate şi din ele (apa legată) este luată chiar de la corpurile respective (pietriş nisip) şi ca urmare acestea se răcesc
O asemenea instalaţie utilizată la Hortwell icircn SUA (figura 521) cuprinde 3 recipienţi de cacircte 150 m3 pentru răcirea pietrişului şi 3 recipienţi de cacircte 80 m3 pentru răcirea nisipului
Pietrişul şi nisipul cu temperatura maximă de 43 ordmC se pot răci pacircnă la temperatura necesară de 45 ordmC Pentru realizarea vidului necesar se folosesc două cazane de abur care produc 77 th fiecare
422 522 RĂCIREA INTERIOARĂ A MASIVULUI DE BETON
Prerăcirea betonului se recomandă icircn condiţiile unei zone tropicale sau temperate de amplasare a construcţiei masive nu se recomandă icircn cazul amplasării barajului icircn munţi unde temperatura aerului este scăzută Icircn asemenea situaţii se recomandă răcirea betonului prin conducte amplasate icircn masiv prin care circulă apă rece
La răcirea interioară cu conducte montate icircn beton are loc o eliminarea a căldurii simultan cu producerea ei icircn procesul de priză producacircndu-se şi o răcire pacircnă la temperatura necesară Pentru răcire se folosesc conducte de oţel cu diametre de 1525 mm montate la distanţe de 1223 m icircn plan orizontal şi de 153 m icircn plan vertical Lungimea conductelor icircntr-un m3 de beton este de 0204 şi a fiecărei serpentine de 140250 m
Debitul apei de răcire ce circulă prin 1 m3 de beton este de (0553) dm3h
Figura 422 Fig 522 Reţea de conducte de răcire a betonului icircn secţiunea unui baraj 1 - galerie pentru măsurători 2 - galerie de conducte de apă de răcire
Serpentinele se montează şi se fixează pe suprafaţă de beton (fig522) Capetele serpentinelor se leagă de o coloană verticală prin mufe metalice sau de cauciuc Diametrul distribuitorului şi al coloanei este cuprins icircntre 150200 mm După montaj aceste conducte se verifică la presiunea de lucru
1 2
Ax
a
ba
raju
lui
Determinarea necesarului de căldură și apă caldă pentru un imobil
23
Figura 210
Q14 - fluxul temic pierdut prin suprafetele vitrate
Am ales un geam temopan cu trei randuri de sticla și cu tamplarie de lemn
K14 = 06 Wm2C
S14 = 2728 m2 suprafata ocupata de geamuri
Δt = ti - te = 22 + 15 = 37degC
Q14 = K14 middot S14 middot Δt = 06 middot 2728 middot 37 = 605616 W
Fereastra
ti 22 degC αi 8 Wmpk
te -15 degC αe 22 Wmpk
δ1 0005 m λ1 075 Wmk tp1 1992074356 degC
δ2 0018 m λ2 00177 Wmk tp2 1980984988 degC
δ3 0005 m λ3 075 Wmk tp3 2893865242 degC
δ4 0018 m λ4 00177 Wmk tp4 2782971565 degC
δ5 0005 m λ5 075 Wmk tp5 -1413301307 degC
δ6 m λ6 Wmk tp6 -1424390675 degC
tp7 degC
q 1663405 W
Determinarea necesarului de căldură și apă caldă pentru un imobil
24
Figura 211
Q1 = Q11 + Q12 + Q13 + Q14 = 8441254483 + 1892818 + 1000 + 605616
Q1 = 263871712 W
212 Mers de calcul pentru Q2
Q2 = n middot Q1
n - numarul de schimburi (07 08 1)
Q1 - fluxul de căldura pierdut prin transmisie
Q2 = 1 middot 263871712 =gt Q2 = 263871712 W
213 Mers de calcul pentru Q3
Q3 = 119898 middot119862119908 middot(119905119887minus119905119903)
120591 middot3600 [kW]
m - cantitatea de apa calda preparata [Kg]
m = n middot czn middot ρ [Kg]
ρ = 1000 Kgm3- densitatea apei [Kgm3] n = 4 - numarul de locatari =gt n
czn - consumul zilnic de persoana [l] gtgtgt czn = l middot 1000 = m3
Un consum de acm specific unui nivel de confort mediu la o temperature de 45degC vom avea un czn = 50 l de persoana
cw - căldura specifica a apei [KJKgC] =gt cw = 4186 KJKgmiddotC
tb - temperatura apei din boiler [C] =gt tb = 50degC
tr - temperatura apei de intrare [C] =gt tr = 10degC
Icircn general avem vara tr = 1217degC iar iarna tr = 5hellip10degC
120591 - timpul icircn care este incalzita apa [h] =gt 120591 = 4h
m = 4 middot (50 middot 1000) middot 1000 m = 200 Kg
Q3 = 200 ∙4186 ∙(50 ∙10)
4 ∙3600 =gt Q3 = 2325555556 W
Q = Q1 + Q2 + Q3 = 263871712 + 263871712 + 2325555556
Q = 7602989795 W =gt Q = 76 KW
Calculul necesarului de frig pentru depozit de fructe
25
3 Calculul necesarului de frig pentru depozit de fructe
31 31 Calculul grosimii izolatiilor
Regimul de funcţionare al spaţiilor frigorifice caracterizat prin valori coboracircte ale temperaturilor prin variaţia rapidă a acestora şi prin umiditatea mare a aerului icircncăperilor impune pentru izolaţiile termice ale pereţilor planşeelor şi pardoselilor condiţii deosebite Pereţii spaţiilor frigorifice despart două medii cu temperaturi diferite Fluxul de căldură ce pătrunde din exterior icircn camere care trebuie preluat de instalaţia frigorifică este direct proporţional cu diferenţa de temperatură dintre cele două feţe ale peretelui şi cu coeficientul global de transmitere a căldurii Izolarea se execută la spaţiile răcite atacirct la pereţi cacirct şi la tavan şi podea şi are ca rol icircmpiedicarea apariţiei condensului pe suprafaţa caldă a pereţilor incintelor frigorifice
Figura 31 Fig13 Variaţia de temperatură prin peretele termoizolant
Din exploatarea frigoriferelor se cunoaşte că prin icircnvelişul exterior al spaţiilor frigorifice trece icircn majoritatea cazurilor mai mult de jumătate din cantitatea totală de căldura ce pătrunde icircn icircncăperi Această cantitate de căldură se poate reduce prin majorarea grosimii stratului termoizolant Dar reducerea infiltraţiilor de căldură icircn acest tel nu se poate face nelimitat deoarece la o anumită grosime a stratului izolant adică la o anumită valoare a coeficientului k de transfer al căldurii costul construcţiei izolate va fi mai mare decacirct costul energiei ce reprezintă frigul economisit prin majorarea grosimii izolaţiei
De aceea se obişnuieşte a se folosi icircn calcule valori optime ale coeficientului k de transfer al căldurii calculacircndu-se astfel o grosime optimă a izolaţiei termice
Pentru izolarea pereţilor camerelor se vor folosi panouri tip sandwichFig15
Calculul necesarului de frig pentru depozit de fructe
26
Figura 32 Fig15 Construcţia panourilor de tip sandwich
Rolul panourilor plastifiate este de a preicircntacircmpina pătrunderea vaporilor icircn interiorul izolaţiei eliminacircnd necesitatea barierei de vapori Panourile folosesc metoda de icircmbinare nut-feder reducacircndu-se astfel transferul de căldură cu mediul extern
Deoarece avem un singur depozit vom adopta coeficienţii de transfer de căldură prin
convecţie funcţie de t
Aleg pentru t = = te - ti = 318 - 1 = 308 0C k = 023 Wm2K
Din catalogul de produse INCOLD Italia se alege poliuretan 100 mm = 0023 WmK
Tablă din oţel galvanizat plastifiat
Calculul necesarului de frig pentru depozit de fructe
27
Tabelul 317 Tabel24 Calculul grosimi izolației
ei
i
i
izizk
111
Coeficientul global de transfer de căldură se determină utilizand relaţia
eiz
iz
i
i
i
k
11
1
n
i i
i
1
- suma rezistenţelor termice ale tuturor straturilor din care este realizat
peretele[m2KW]
iz - grosimea stratului de izolaţie termică [m]
iz - conductivitatea termică a materialului izolator [WmK]
e - coeficient de convecţie pe partea exterioară a peretelui [WmK]
i - coeficient de convecţie pe partea interioară a peretelui [WmK]
32 32 Bilantul caloric al spatiului climatizat pe timp de vară Necesarul de frig pentru frigorifer
Se stabileşte consumul zilnic de frig pe icircntreg frigoriferul şi pentru fiecare icircncăpere icircn parte luacircndu-se icircn considerare cele mai nefavorabile condiţii de lucru
temperatura aerului exterior pentru luna cea mai caldă a anului
icircncărcarea maximă şi simultană a camerelor de refrigerare
Spaţiul frigorific
Perete k αi αe 1αi 1αe R 1k λiz
δiz
calc δiz
ales Kr
[Wm2K] [m2KW] [WmK] [m] [m]
N 0229 10 18 010 006 0590 4367 0023 0097 0100 023
E 0224 10 12 010 008 0618 4464 0023 0098 0100 023
DR S 0221 10 12 010 008 0618 4525 0023 0100 0100 023
V 0223 10 12 010 008 0618 4484 0023 0099 0100 023
T 0221 10 12 010 008 0618 4525 0023 0100 0100 023
P 0228 10 0 000 000 0435 4386 0023 0000 0100 023
N 0221 25 12 004 008 0558 4525 0023 0101 0100 023
E 0224 25 12 004 008 0558 4464 0023 0100 0100 023
CP S 0224 25 12 004 008 0558 4464 0023 0100 0100 023
V 0223 25 12 004 008 0558 4484 0023 0100 0100 023
T 0221 25 12 004 008 0558 4525 0023 0101 0100 023
P 0228 25 0 000 000 0435 4386 0023 0000 0100 023
Calculul necesarului de frig pentru depozit de fructe
28
camerele vecine celei căreia i se face calculul necesarului de frig sunt goale şi au temperatura vestibulului sau a sasului
Aceste calcule determină necesarul de frig pe categorii de consumatori grupaţi după temperatura cerută şi permit stabilirea puterilor frigorifice icircn vederea proiectării instalaţiei
Pentru calculele termice sunt necesare următoarele
planul frigoriferului care a fost stabilit
dimensiunile camerelor
temperaturile necesare icircn fiecare cameră
Se consideră
1degC icircn depozitele de refrigerate
orientarea frigoriferului după punctele cardinale
condiţii climatice icircn lunile cele mai călduroase pentru zona geografică respectivă
Consumul de frig se calculează pentru 24 ore cu relaţia
Qnec = Q1 + Q2 + Q3 + Q4 [kcal24h]
Q1 - neeesarul de frig pentru acoperirea pătrunderilor de căldură prin cenvecţie
conducţie şi radiaţie din mediul icircnconjurător prin pereţi pardosea și plafon
Q2 - necesarul de frig tehnologic pentru procesele de răcire refrigerere şi
congelare eliminarea căldurii de respiraţie seu pentru unele procese chimice şi
biochimice
Q3 - necesarul de frig pentru ventilarea camerelor frigorifice cu aer proaspat care
trebuie racit şi uscat
Q4 - necesarul de frig rezulticircnd din condiţii de exploatare acoperirea căldurii
provenite din iluminat din funcţionarea motoarelor căldura provenită de la persoanele ce
manipulează produsele datorită deschiderii uşilor etc
321 Consumul de frig Q1
Se determină pentru fiecare spaţiu icircn parte cu relaţia
RttkFQ1 [ W ]
F - reprezintă suprafaţa pereţilor a pardoselei şi a plafonului corespunzător fiecărui
spaţiu frigorific icircn parte icircn m2 Ca suprafaţă de transfer se va considera suprafaţa
exterioară a perimetrului izolat termic
k - reprezintă coeficientul global de transmitere a căldurii prin convecţie conducţie şi radiaţie
prin pereţi plafon şi pardoseală (toate izolate termic) icircn [W(m2 middot grd)] Valoarea coeficientului k a
fost calculată icircn tabelul 24 (kr)
Δt - reprezintă diferenţa de temperaturi dintre temperatura exterioară suprafeţei de
transfer termic considerată şi temperatura interioară spaţiului frigorific
Calculul necesarului de frig pentru depozit de fructe
29
Diferenţa de temperatură ΔtR se ia icircn consideraţie numai la pereţii exteriori şi la
plafoane care sunt şi acoperiş pentru clădire
ΔtR = 0degC pentru pereţi exteriori orientaţi spre N
ΔtR = (5 10)degC pentru pereţi exteriori orientaţi spre E V S-E S-V
ΔtR = 15 degC pentru pereţi exteriori orientaţi spre S
ΔtR = (15 18)degC pentru plafoane care sunt şi acoperiş (terasă)
Calculul valorilor mărimii sumQ1 se recomandă a se efectua tabelar conform tabelului 25
Valoarea mărimii sum Q1 la aparate se obţine prin icircnsumarea fluxurilor termice prin toate cele 6 suprafeţe delimitatoare
La stabilirea valorii mărimii sum Q1 se consideră doar unul dintre fluxurile termice prin suprafeţele ce separă spaţiile frigorifice vecine Pentru aparatele de răcire din spaţiile frigorifice se consideră situaţia cea mai grea pentru fiecare spaţiu icircn parte respectiv că spaţiile vecine nu sunt răcite
Spaţiul frigorifi
c
Perete
Dimensiuni
Supraf F
[m2]
Kr [Wm2K]
Δt [grd]
Δtr
Q1 [W] sumQ1 q a [m]
b [m]
N 15 4 60 023 308 42504
246068
708
E 7 4 28 023 308 8 24987 892
DR S 15 4 60 023 185 15 46202 770
V 7 4 28 023 308 19835 708
T 15 7 105 023 308 74382 708
P 15 7 105 023 158 38157 363
N 7 4 28 023 185 11914
133566
426
E 7 4 28 023 268 8 22411 800
CP S 7 4 28 023 268 15 26919 961
V 7 4 28 023 185 11914 426
T 7 7 49 023 268 30204 616
P 7 7 49 023 268 30204 616
Tabelul 318 Tebel25 Calculul valorilor mărimii Q1
322 Necesarul de frig Q2
sum Q2 - necesarul de frig tehnologic pentru procesele de răcire refrigerare şi
congelare
Q2d = mcp(tc-ti)=500003644 = 4186000(243600)= 842 kW
Q2c = 2600036419 = 1798160 = 208 KW
Q2 = 208 + 842 = 293 = 30kW
unde
Q2d - necesarul de frig tehnologic depozit
Q2c - necesarul de frig tehnologic camera de preracire
Calculul necesarului de frig pentru depozit de fructe
30
m - cantitatea de produse introduse icircn tunelul de congelare icircn kg
te ti - temperaturi specifice corespunzătoare temperaturii iniţiale a produsului cald
(24 ordmC) respectiv temperaturii finale a produsului refrigerat (1 ordmC)
Căldura specfifică mere cp = 364 [kJkgK]
323 Necesarul de frig Q3
Icircn funcţie de natura produselor din spaţiul frigorific este necesar uneori să se realizeze ventilarea spaţiului prin asigurarea unui anumit număr de schimburi ale aerului din incintă icircn 24h Ca exemplu icircntotdeauna va fi necesară ventilarea prin introducere de aer proaspăt icircn spaţiile de păstrare pentru legume fructe şi ouă refrigerate Aceste produse vii respiră icircn timpul păstrării şi necesită icircn consecinţă ventilarea spaţiilor de păstrare
Acest consum de frig se ia icircn considerare doar la depozitele de refrigerare care se ventilează Se stabilește cu relația
Q3 = V ∙ a ∙ ᵖi ∙ (hex - hi) [kJ24]
V - volumul camerelor ventilateicircn m3
a = 24 schimburi pe zi pentru depozitele de mere
ᵖi - reprezintă densitatea aerului la temperature interioară icircn kgm3
Pentru depozitele de refrigerare considerăm umiditatea relativă ᵠi = 95 și ti=1 ordmC
rezultacircnd icircn acest caz hi= 9 kJkg
Parametri aerului exterior pentru zona icircn care este amplasat depozitul sunt temp ex 318
și umiditatea ext 60 rezultand din diagram mollier entalpia aerului Calcul facut icircn
programul Coolpack
ρi = 12 kgm3
hex = 7519 kJkg
Q3 = 616 2 12 (7519 - 9) (243600)= 00025 kW
324 Necesarul de frig Q4
Q4 - frigul consumat pentru acoperirea pierderilor icircn timpul exploatarii datorat deschiderii
usilor a corpurilor de iluminat a motoarelor electrice a oamenilor Se admite Q4 =
(01hellip04)Q1
Q4 = 02 379617 = 759234 = 008 kW
Qtotal = sum 119824120783 + Q2 + Q3 + Q4 = 004 + 30 + 000025 + 008 = 3012 = 31 kW
33 33 Stabilirea directiei raportului de termoumiditate și trasarea procesului de conditionare a aerului pe diagrama i-X pe timp de vară
Icircn fig16 este reprezentat un agregat pentru condiţionarea aerului pe timp de vară cu recirculare parţială
Calculul necesarului de frig pentru depozit de fructe
31
Figura 33 Figura16 Schema aparatului de condiţionare a aerului pe timp de vară cu recirculare parţială
F - filtru V - vaporizator C - compressor K - condensator VL - ventil de laminare I - icircncălzitor Vt - ventilator
Procesele de lucru pot fi reprezentate icircn diagrama h-x ca icircn figura următore
Figura 34 Fig17
A reprezintă starea aerului recirculat provenit din spaţiul condiţionat iar E este starea aerului exterior
Aerul tratat icircn aparatul de condiţionare care se introduce icircn incintă avacircnd starea B
trebuie să preia degajările de căldură Qv [kW] şi de umiditate Wv [kgs]
Direcţia procesului suferit de aer icircn incintă este dată de raportul de termoumidificare εv
= Qv Wv
Prin punctul A se trasează dreapta avacircnd raportul de termoumidificare εv iar punctul B se fixează pe această dreaptă adoptacircndu-se o anumită diferenţă de temperatură faţă de starea A
Aerul recirculat A se amestecă cu aerul proaspăt E şi rezultă starea de amestec M De regulă xM gt xB deci aerul va trebui să fie uscat
Pe verticala din B se fixează starea D avacircnd xD= xB şi ᵩD = 90hellip98
Calculul necesarului de frig pentru depozit de fructe
32
Se uneşte M cu D iar apoi se prelungeşte acest segment pacircnă la intersecţia cu ϕ = 100 rezultacircnd starea P avacircnd temperatura tp
Circulacircnd aerul cu starea M peste o suprafaţă rece avacircnd temperatura tp se va obţine procesul de răcire şi uscare MD
Temperatura suprafeţei tp se asigură cu o instalaţie frigorifică a cărei temperature de vaporizare va fi t0 lt tp
Ultimul proces din aparatul de condiţionare va fi icircncălzirea finală DB
Calculul agregatului de condiţionare a aerului pe timp de vară se efectuează asemănător cu cel a agregatului de condiţionare a aerului pe timp de iarnă cu observaţia că pe timp de vară nu este necesară umidificarea
331 Date
Vtotal = 616 m3 tint = 1ᵒC tex = 318 φint = 90 φext = 60 ρaer = 12 [kgm3]
Starea A
tA = ti + 3 = 4deg xA = 00043[kj
kg] φA = 86 hA = 1489[
kj
kg]
Starea B
tB = 1degC xB = 00036 [kj
kg] φB = 90 hB = 1024[
kj
kg]
Starea E
tE = 318degC xE = 00171[kj
kg] φE = 60 hE = 7519[
kj
kg]
Starea M
hM =hE + n ∙ hA
n + 1=
7513 + 20 ∙ 1489
21= 1775[
kj
kg]
xM =xE + n ∙ xA
n + 1=
00171 + 20 ∙ 00043
21= 00049[
kj
kg]
Rezulta din diagrama Mollier
Starea D
hD = 108 [kj
kg] xD = 0003[
kj
kg] φD = 97
Raportul de recirculare n = 20
Debitul de aer ventilat V =Vtotal∙20
24h=
616lowast20
24= 513 [m3h]
Debitul masic m = V ∙ ρaer = 513 lowast 12 =
6156[kg
h]
3600= 0171 [kgs]
tp = minus3degC t0 = tp minus 9degC = minus3 minus 9 = minus12degC
Puterea termica a vaporizatorului ( puterea frigorifică )
ФV = Ф0
Puterea termica a icircncalzitorului
ФI = 119898 ∙ (hB - hD)
Cantitatea de apa condensată icircn unitatea de timp pe suprafața de racire este
Calculul necesarului de frig pentru depozit de fructe
33
ẆV = 119898 ∙ (XM - XD)
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
34
4 Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
Există două domenii principale icircn care se utilizează frigul artificial icircn lucrările de construcţii şi anume
icircngheţarea terenurilor acvifere icircn vederea săpării puţurilor de mină a barajelor a depozitelor de gaze lichefiate etc
prerăcirea componentelor betonului icircn cazul executării unor masive de beton ca de exemplu baraje
41 51 IcircNGHEŢAREA SOLULUI
411 511 CONSIDERAŢII GENERALE PRIVIND IcircNGHEŢAREA SOLULUI
Icircngheţarea artificială a solului reprezintă una dintre cele mai interesante şi icircn acelaşi timp şi importante aplicaţii practice a frigului artificial Totodată este una dintre primele aplicaţii industriale a tehnicii frigului şi care a asigurat o dezvoltare deosebită a industriei extractive Aşa se explică faptul că odată apărută maşina frigorifică cu absorbţie realizată icircn 1859 de către Ferdinand Carre este folosită la săparea primului puţ de mină prin icircngheţarea artificială a rocilor Dar nu numai industria minieră foloseşte icircn ultimul secol procedeul consolidării rocilor la săpararea unor lucrări subterane Lucrări inginereşti de tot genul ca metrouri staţii subterane de pompare rezervoare de gaze lichefiate poduri lucrări portuare şi altele asemănătoare amplasate icircn zone acvifere au fost realizate prin metoda consolidării prin frig a rocilor
Această metodă a consolidării rocilor prin frig artificial realizează icircn jurul lucrării inginereşti subterane un perete icircngheţat protector pe durata lucrărilor de construcţii Acest perete asigură o izolare hidraulică şi icircn acelaşi timp şi o protecţie mecanică Rezistenţa mecanică a rocilor creşte pe măsură ce temperatura lor scade icircncacirct metoda expusă mai sus prezintă avantajul reglării capacităţii portante a peretelui icircngheţat
Apa conţinută icircn terenuri prin icircngheţare capătă proprietăţile cimentului exprimate prin forţele de coeziune mari care apar icircntre cristalele de gheaţă şi grăunţii de rocă
Pentru obţinerea peretelui protector se folosesc sonde de icircngheţare forate pe conturul lucrării subterane şi prin care circulă agentul de răcire care poate fi un agent intermediar ca de exemplu saramura de clorură de calciu sau agentul frigorific de exemplu amoniacul Icircn funcţie de grosimea peretelui şi de rezistenţa mecanică pe care trebuie să o aibă se va alege temperatura agentului de răcire distanţa dintre sonde şi durata de icircngheţare
Instalaţia de consolidare prin frig a rocilor cuprinde trei părţi principale staţia frigorifică reţeaua de distribuţie a agentului de răcire (saramura) şi sondele de icircngheţare a solului
Staţia frigorifică cuprinde instalaţia frigorifică propriu-zisă cu comprimare mecanică de vapori sau prin absorbţie icircntr-o treaptă sau icircn două trepte Icircn funcţie de condiţiile de amplasament ale obiectivului staţia frigorifică poate fi de construcţie staţionară (icircn minerit) sau mobilă (la metrouri)
Reţeaua de distribuţie alcătuită din conducte metalice sau din mase plastice are rolul de a face legătura icircntre staţia frigorifică şi sondele de icircngheţare Pentru reducerea pierderilor de frig reţeaua de distribuţie se izolează termic
Sondele de icircngheţare constituie schimbătorul de căldură subteran prin care se extrage căldura de la terenul supus icircngheţării Icircn fig 51 se prezintă schiţa unei sonde de icircngheţare cu ajutorul saramurii Saramura rece cu temperatura icircntre -10 ordmC pacircnă la -35 ordmC
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
35
coboară prin ţeava interioară şi apoi se icircntoarce prin spaţiul inelar dintre cele două conducte concentrice
Figura 41 Fig 51 Sonda de icircngheţare 1 - şiu (tub scurt de oţel cu pereţi groşi rezistent) 2 - ţeava interioară 3 - ţeava exterioară (burlan de
icircngheţare) 4 - capul sondei
Circulaţia continuă a saramurii prin sonda de icircngheţare face ca rocile ce icircnconjoară sondele inclusiv apa conţinută icircn spaţiile libere să se răcească treptat Icircn jurul sondei icircncepe să se formeze stratul de rocă icircngheţată diametrul cilindrului de teren icircngheţat se măreşte icircn timp Aşa cum s-a arătat icircn capitolul 3 rezultă că dezvoltarea radială a cilindrului de rocă icircngheţată icircn jurul sondei se desfăşoară cu o viteza variabilă de icircnaintare la icircnceput viteza de icircnaintare a frontului de gheaţă este mai mare după care scade icircn timp Apoi se atinge stadiul staţionar de transfer de căldură cacircnd cilindrul nu mai creşte icircn dimensiuni Reiese că distanţa dintre sondele de icircngheţare este determinată de raza maximă a cilindrului de teren icircngheţat Pentru a realiza peretele icircngheţat care să reziste la solicitările la care este supus se impune ca distanţa dintre sondele vecine să fie mai mică decacirct raza maximă a terenului icircngheţat astfel icircncacirct cilindrii formaţi să se unească icircntre ei Icircn fig 52 se prezintă evoluţia icircn timp a icircngheţării terenului icircn jurul sondelor Icircn faza iniţială a icircnceput răcirea dar icircncă nu s-a format teren icircngheţat Icircn faza a II-a (după circa 20 zile) icircn jurul fiecărei sonde se formează cacircte un cilindru de teren icircngheţat fără ca aceştia să se unească Icircn faza a III-a (după circa 30 zile) cilindrii se icircntretaie şi formează peretele protector
Figura 42 Fig 52 Evoluţia cilindrilor individuali de rocă icircngheţată 1 - sonda de icircngheţare 2 - sonda de măsurători termice 3 - teren icircngheţat
Această evoluţie poate fi urmărită cu suficientă precizie prin măsurarea temperaturii masivului cu ajutorul unor sonde de măsurători termice 2 montate la distanţe bine stabilite de sondele vecine de icircngheţare Astfel icircn faza I-a temperatura este cea iniţială deci neafectată de prezenţa sondelor icircn faza a II-a temperatura este mai scăzută dar mai mare de 0 ordmC Cum icircn practică sondele de icircngheţare au o abatere de la poziţia verticală (sau de la cea impusă prin proiect) sondele de măsurători termice sunt prevăzute icircntre sondele
I II III
1
2 2 2
3 3
SARAMURĂ CALDĂ
IEŞIRE
INTRARE SARAMURĂ A E RECE
1
2
3
4
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
36
cele mai distanţate icircntre ele acolo unde evoluţia peretelui de protecţie este cea mai defavorabilă
Primele realizări inginereşti de consolidare prin frig artificial a terenurilor acvifere metodă prin care vor fi aduse la lumină multe bogăţii subterane sunt legate de numele inginerului de mine şi metalurgie Friederich Herman Poetsch El a obţinut icircn 27 februarie 1883 brevetul pentru procedeul său de adacircncire a puţurilor verticale icircn roci bogate icircn apă (şi curgătoare) Poetsch a reuşit să experimenteze procedeul său la adacircncirea unor puţuri de mină dar a avut şi multe insuccese icircncacirct la 9 iunie 1902 moare sărac şi dezamăgit Metoda de icircngheţare prin frig artificial a terenurilor a avut mare succes icircn Franţa Astfel numai icircn perioada 1892 - 1898 icircn bazinele carbonifere Nord şi Pas de Calais s-au săpat circa 20 puţuri pacircnă la o adacircncime de 100 m prin aplicarea metodei icircngheţării după planurile lui Poetsch
Desigur că nu ar putea fi omis numele lui Louis Gebhard care realizează numeroase lucrări de adacircncire a puţurilor prin icircngheţare atacirct icircn Germania cacirct şi icircn Franţa Anglia Olanda şi Polonia ceea ce face ca metoda propusă de Poetch să devină o tehnologie demnă de toată icircncrederea cu siguranţă absolută şi cu un mare randament
Gebhard un mare practician icircncepe sa folosească icircn locul instalaţiilor cu absorbţie realizate de F Carre pe cu cele cu comprimare mecanică de vapori realizate de Karl von Linde cu icircncepere din anul 1874
Poetsch icircn 1888 prevede extinderea procedeului de icircngheţare la construcţia podurilor la construcţii navale lucrări de fortificaţii la protecţia fundaţiilor subterane şi a bazinelor cu apă El susţine că poate să rezolve orice problemă sub apă chiar şi puţuri icircncepute şi abandonate
Icircn anul 1900 se depăşeşte bariera adacircncimii de 100 m Realizarea unor puţuri mai adacircnci (peste 100 m) ridică unele probleme icircn plus faţă de puţurile de mai mică adacircncime deoarece abaterile de la verticalitate pot conduce la formarea unor ferestre icircn peretele protector
Icircn ţara noastră această tehnologie de forare a unor puţuri de mină cacirct şi a galeriilor de metrou prin icircngheţarea solului a fost folosită cu icircncepere din anul 1961 aşa cum se prezintă icircn paragraful 513
412 512 CONSTRUCŢIA INSTALAŢIEI DE IcircNGHEŢARE A SOLULUI
Icircn funcţie de forma şi mărimea lucrării care se realizează la adăpostul terenului icircngheţat principial se pot utiliza următoarele tipuri de instalaţii
a) cu răcire indirectă denumită şi cu dublu schimb (fig53)
b)cu răcire directă icircn circuit icircnchis (fig 54)
c)răcire directă icircn circuit deschis (fig55)
a) Răcirea indirectă se utilizează icircn practică cel mai mult fiind cunoscută icircncă de la icircnceputurile metodei de icircngheţare a solului
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
37
Figura 43 Fig 53 Instalaţia frigorifică cu răcire indirectă 1 - compresor 2 - condensator3 - ventil de laminare 4 - vaporizator 5 - bazin de răcire a saramurii 6
- agitator 7 - pompă de saramură 8 - sonde de icircngheţare
Ca agent frigorific se poate folosi amoniacul sau freonii iar ca agent intermediar se utilizează soluţiile de clorură de calciu clorura de sodiu sau magneziu sărurile respective fiind relativ uşor de procurat
Instalaţiile frigorifice cuprind unul sau mai multe blocuri frigorifice Acest mod de compunere prezintă avantaje icircn ceea ce priveşte montarea cacirct şi exploatarea instalaţiilor se poate asigura o reducere icircn trepte a puterii frigorifice pe măsură ce creşte rezistenţa termică a stratului de teren icircngheţat
Componentele principale ale instalaţiei frigorifice se montează grupat pe cele trei secţiuni secţia de compresoare secţia condensatoarelor şi secţia vaporizatoarelor De regulă compresoarele se montează fie icircn aer liber atunci cacircnd tipul lor permite fie acoperite sub şarpante protectoare
Pe măsură ce se scot din funcţiune blocurile frigorifice se demontează şi se pot monta la un nou obiectiv
b) Răcirea directă icircn circuit icircnchis (fig 54) se utilizează icircn cazul icircn care adacircncimea de icircngheţare este mică
Figura 44 Fig 54 Instalaţia frigorifică cu răcire directă icircn circuit icircnchis 1 - compresor 2 - condensator 3 - ventil de laminare 4 - sonde de icircngheţare
Sondele de icircngheţare constituie vaporizatorul instalaţiei frigorifice Icircn cazul unor sonde de lungime mare icircnălţimea coloanei de agent frigorific este de asemenea mare Ca urmare a presiunii hidrostatice variabile şi temperatura de vaporizare este variabilă fiind mai mare
1
2
1111111 Apă
3
4
1
2
Apă 3
4
5
6
7
8
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
38
la capătul inferior şi mai mică la capătul superior Din acest motiv adacircncimea sondelor de icircngheţare nu poate depăşi anumite limite şi icircn plus se recurge la fragmentarea coloanei de lichid cu ajutorul unor pereţi despărţitori
Pierderile de agent frigorific mai mari decacirct icircn cazul răcirii indirecte reprezintă un alt inconvenient al acestui mod de răcire
c) Răcirea directă icircn circuit deschis constă icircn introducerea agentului frigorific (cel mai frecvent azot lichid) icircn sondele de icircngheţare fără ca acesta să mai fie folosit după vaporizare
La presiunea atmosferică azotul lichid fierbe la temperatura de -196 ordmC icircncacirct vaporii reci de azot icircnainte de a fi evacuaţi se folosesc de asemenea pentru congelarea solului fiind circulaţi prin sonde de icircngheţare (Fig 55)
Figura 45 Fig 55 Icircngheţarea cu azot lichid icircn două trepte 1 - ventil de laminare 2 - sonda de icircngheţare 3 - sonda de icircngheţare cu vapori de azot
Această metodă se foloseşte cacircnd se urmăreşte o icircngheţare rapidă şi volumul de teren icircngheţat este redus
Se vor prezenta icircn continuare unele elemente constructive ale instalaţiilor de icircngheţare
Reţeaua de saramură (fig 56) are rolul de a asigura transferul de căldură de la sol către agentul frigorific Cuprinde două schimbătoare de căldură cel subteran alcătuit din sondele de icircngheţare şi cel de suprafaţă reprezentat de vaporizatorul imersat icircn saramură Icircntre cele două schimbătoare de căldură există conducte magistrale distribuitoare - colectoare şi racorduri la sonde
Saramura răcită prin intermediul vaporizatorului 1 este circulată cu pompa 2 prin magistrala de tur a reţelei 3 Sondele de icircngheţare 5 se leagă prin vane la distribuitorul 4 şi colectorul 6 ambele de construcţie inelară Printr-o asemenea construcţie şi mod de legare a sondelor prezentate icircn figura 56 se asigură o echilibrare a căderilor de presiune pe sondele de icircngheţare şi ca urmare o alimentare uniformă cu agent intermediar şi deci şi o răcire uniformă pentru toate sondele
1
2
AZOT LICHID
VAPORI
AZOT -40OC
3
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
39
Figura 46 Fig 56 Schema reţelei de saramură 1- vaporizatorul 2 - pompa de saramură 3 - magistrala de tur 4 - distribuitorul inelar 5 -sondele de
icircngheţare 6 - colectorul inelar 7 - magistrale de retur M - manometru D - debitmetru T - termometru
Magistralele 3 şi 7 de acelaşi diametru şi lungime variabilă (determinată de o serie de factori) se pot monta atacirct la suprafaţă cacirct şi icircn canal
Magistralele se dimensionează icircn funcţie de puterea frigorifică a schimbătorului de căldură subteran alcătuit din sondele de icircngheţare
F0 qNHd [W] (51)
unde d - diametrul exterior al sondei de icircngheţare m
H - adacircncimea de icircngheţare m
N - numărul de sonde de icircngheţare
qF - densitatea fluxului termic raportat la suprafaţa exterioară a sondei La temperatura saramurii de - 20 ordmC se poate considera qF = (260290) Wm2
Debitul volumic V de agent intermediar icircn reţeaua de icircngheţare icircn funcţie de care se aleg
pompele se determină cu relaţia
tc
V o
(52)
icircn care este densitatea agentului intermediar kgm3
c - căldura specifică a agentului intermediar JkgK
t - creşterea temperaturii agentului (saramura) icircn sondele de icircngheţare K
La icircnceputul perioadei de răcire diferenţa de temperatură este t = 56 K ca apoi să scadă la 12 K
Icircn conductele magistrale se recomandă ca viteza saramurii să fie w = 0915ms
Icircn acest caz diametrul conductelor de transport a saramurii este dat de relaţia
w
V4D
[m] (53)
Icircn funcţie de valoarea determinată pentru D se aleg conducte metalice de diametru nominal cuprins icircntre 75200 mm Dacă rezultă D gt 200 mm se vor alege două conducte cu diametrul mai mic de 200 mm
2
T
T
M
M D
D
NH
3
3
4
6
5
7
1
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
40
Conductele magistrale se realizează prin icircmbinări cu flanşe sau sudate iar la lungimi mai mari de 100150 m se vor prevedea coturi compensatoare Pentru reducerea pierderilor de frig magistralele vor fi izolate termic
Distribuitorul de saramură răcită şi colectorul de saramură de la sonde sunt construcţii metalice identice
Icircn figura 57 se prezintă modul de racordare a sondelor de icircngheţare 5 la distribuitorul 1 şi colectorul 2 Vanele 3 asigură icircnchiderea deci oprirea circulaţiei şi reglajul debitului Prin aceste vane se poate izola o anumită sondă care nu funcţionează normal sau la care se observă o anumită defecţiune
Figura 47 Fig 57 Racordarea sondelor de icircngheţare la distribuitor şi colector 1 - distribuitor 2 - colector 3 - vane 4 - racord elastic 5 - sonda de icircngheţare
Poziţia distribuitorului şi colectorului faţă de racircndul sondelor de icircngheţare poate fi laterală de o singură parte sau laterală de ambele părţi ale sondelor Amplasamentul trebuie astfel făcut icircncacirct să fie posibilă vizitarea supravegherea şi eventual icircnlocuirea sondelor de icircngheţare
Racordarea sondelor la distribuitor şi colector se face prin cacircte un racord elastic (fig 57) Dimensionarea distribuitoarelor şi a colectoarelor se face din condiţia ca viteza saramurii să nu depăşească 0915 ms
Coloanele de distribuţie şi colectare urmăresc icircn teren forma şirului de sonde de icircngheţare şi pot avea acelaşi traseu sau trasee diferite Configuraţia traseului poate fi icircn linie sau circulară Icircn oricare din situaţiile prezentate distanţele dintre ştuţurile de racord şi sondele de icircngheţare sunt variabile astfel icircncacirct racordurile rigide prin flanşe şi sudură sunt greu de realizat Cea mai practică soluţie de racord icircn acest caz este furtunul de cauciuc (fig 57)
Icircn reţeaua de saramură poate pătrunde aer prin procesul de pompare ceea ce conduce la intensificarea acţiunii corosive a saramurii Icircn scopul icircndepărtării aerului nedorit pe partea superioară a conductelor icircn punctele cele mai ridicate ale acestora se montează robineţi de evacuare periodică a aerului şi eventual a altor gaze
Pe conductele magistrale se vor monta aparate de măsură şi control debitmetre termometre şi manometre (fig 56) Icircn acest caz se poate aprecia funcţionarea fiecărei sonde după depunerile exterioare de gheaţă pe racordul metalic sau de cauciuc lăsate neizolate termic tocmai icircn acest scop Icircn scopul urmăririi regimului de lucru sub aspect
5
4
1
2 3
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
41
hidraulic şi termic icircn mod individual se pot monta aparate de măsură şi control pe fiecare sondă de icircngheţare dar această soluţie este mai costisitoare
Sonda de icircngheţare realizează transferul de căldură de la terenul ce urmează a fi icircngheţat spre agentul frigorific (la răcirea directă) sau agentul intermediar (la răcirea indirectă)
Icircn figura 51 s-a prezentat schema de principiu a unei sonde de icircngheţare cu saramură activă pe toată lungimea Conducta exterioară sau burlanul de icircngheţare 3 este o conductă din oţel etanşă şi rezistentă la eforturile mecanice care apar datorită presiunii solului şi variaţiei de temperatură icircntre momentul fixării ei icircn sol şi cel al funcţionării la o temperatura sub 00C
Icircn procesul de icircngheţare coloana de burlane care poate atinge lungimi de sute de metri se contractă icircnsă nu liber deoarece ea este stracircnsă icircn masivul de roci La o variaţie de temperatură icircntre momentul iniţial (fără saramură) şi momentul pornirii circulaţiei de saramură de 400C conducta din oţel de 500 m adacircncime ar trebui să se contracte cu
tHH = 500 11 10-6 40 = 0220 m = 22 cm
Datorită fixării coloanei icircn gaura forată efortul unitar de icircntindere ce apare icircn urma scăderii temperaturii este
tE = 22 1010 11 10-10 40 = 968 105 Nm2 = 9680 Ncm2
La acest efort de icircntindere apărut datorită contracţiei coloanei se mai adaugă efortul de acelaşi semn provocat de dilatarea masivului de rocă acviferă icircngheţată Icircn scopul compensării eforturilor de icircntindere s-a propus icircmbinarea coloanei cu nipluri elastice O asemenea soluţie este mai scumpă şi icircn plus micşorează secţiunea liberă de curgere ceea ce conduce la icircncălzirea excedentară a saramurii
La lucrări subterane de mare adacircncime ca puţurile de mină depozite subterane se folosesc burlane de 1397 x 7 mm pentru a fi posibilă determinarea abaterii de la poziţie verticală
La tunelurile de metrou şi icircn general la lucrările la care adacircncimea de icircngheţare nu depăşeşte 50 - 60 m diametrul cel mai frecvent utilizat este 1143 x 7 mm
Ţeava interioară 2 (fig 51) numită şi tub de alimentare de regulă ţeava uşoară de instalaţii de 50 mm diametrul se introduce icircn burlanul exterior 3 fără icircnsă a atinge şiul de bază 1 al sondei Se asigură icircn acest mod un volum minimal de depuneri solide care circulă cu saramura icircn mod incidental Icircn scopul economisirii de metal tubul de alimentare poate fi din material plastic ceea ce prezintă marele avantaj al lipsei coroziunii şi al refolosirii materialului respectiv
Şiul de fund are rolul de a asigura icircnchiderea burlanului exterior icircn partea sa inferioară Cel mai adesea are formă conică pentru a asigura introducerea cu uşurinţă a coloanei metalice icircn gaura de sondă Această componentă a sondei de icircngheţare se execută fie prin turnare sau se confecţionează cu ajutorul sudurii
Corespunzător profilului geologic al terenului icircn care se lucrează se icircntacirclnesc şi cazuri cacircnd nu este nevoie să se icircngheţe terenul pe toată icircnălţimea sondelor ci numai la partea lor inferioară Icircn acest caz se folosesc sonde de icircngheţare zonală (fig 58) cu ajutorul cărora se asigură congelarea doar a zonei inferioare ceea ce prezintă avantaje economice deosebite nu se consumă energie pentru a icircngheţa icircn mod inutil formaţiuni geologice consistente şi uscate şi nu se reduce ritmul lucrărilor de săpare printr-o eventuală mărire a rezistenţei rocilor
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
42
Figura 48 Fig 58 Sonda de icircngheţare zonală
1 - burlan exterior 2 - tub de alimentare 3 - şiu 4 - tub de evacuare
Figura 49 Fig59 - Sonda de icircngheţare cu agent
frigorific 1 - tub exterior 2 - perete despărţitor 3 - şiu 4 -
ştuţ (ţeavă de preaplin) 5 - condensator - vaporizator
Icircn cazul răcirii directe sondele de icircngheţare cu agent frigorific sunt de construcţie specială (fig 59) Particularitatea acestor sonde este prezenţa pereţilor despărţitori 2 dispuşi unul sub celălalt la circa 3 m fiecare perete fiind prevăzut cu un ştuţ de preaplin O asemenea construcţie are rolul de a fracţiona coloane de lichid ceea ce asigură o răcire mai uniformă pe lungimea sondei
Fiecare sondă este prevăzută la partea superioară cu cacircte o cămaşă de răcire Sondele se umplu cu amoniac lichid icircntr-o asemenea cantitate icircncacirct fiecare secţie să fie icircnecată cu lichid respectiv pacircnă la partea superioară a ştuţurilor 4 Ca urmare a fluxurilor de căldură de la sol se produce fierberea amoniacului icircn toate secţiile sondei Vaporii formaţi se ridică prin ştuţurile 4 şi ajungacircnd la partea superioară a sondei se condensează cedacircnd căldură agentului (amoniac) din cămăşile de răcire
Ca urmare cămăşile de răcire de la partea superioară a sondelor constituie vaporizatorul instalaţiei frigorifice Amoniacul care se condensează la partea superioară a sondei curge icircnapoi (de sus icircn jos) prin ştuţurile 4 Folosirea pereţilor despărţitori şi a ştuţurilor micşorează influenţa presiunii hidrostatice a lichidului asupra temperaturii de vaporizare a amoniacului Asemenea sonde de icircngheţare se folosesc pentru lucrări de mică adacircncime
Amplasarea sondelor se face icircn funcţie de o serie de factori formă poziţia şi dimensiunile lucrării care se realizează structura terenului temperatura şi viteza agentului etc
Icircn cazul puţurilor de mină de secţiune circulară sondele se amplasează pe un cerc
concentric de diametru D mai mare decacirct diametrul de săpare Ds cu grosimea a peretelui icircngheţat
sDD (54)
Trebuie să se ţină seama şi de deviaţia sondelor de la poziţia verticală icircncacirct pentru adacircncimi mari se utilizează relaţia
3
2 4
1
VAPORI 5 LICHID
3
2
4 1
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
43
a21DD s (55)
unde a = 003 H este abaterea medie statistică de la verticală a sondelor
Distanţa dintre sonde se ia de obicei de 1014 m icircn terenuri rezistente şi de 0809 m icircn terenuri slabe
Pentru adacircncimi de peste 500 m se recomandă să se dispună sondele pe două cercuri concentrice pentru a se forma un perete de grosime mai mare şi deci mai rezistent
La icircngheţarea terenului icircn jurul puţurilor de secţiune dreptunghiulară sondele se pot dispune pe dreptunghi sau elipsă Icircn aceste situaţii centura de teren icircngheţat poate fi solicitată la icircntindere ceea ce este de nedorit deoarece limita de rezistenţa la icircntindere a terenurilor icircngheţate este de circa 3 ori mai mică decacirct limita rezistenţei la compresiune Din acest motiv chiar şi la puţurile de mină de secţiune dreptunghiulară sondele se dispun pe unul sau două cercuri (fig 510)
Pentru realizarea galeriilor icircnclinate icircngheţarea terenului se realizează cu sonde verticale (fig 511) sau combinat atacirct cu sonde verticale cacirct şi cu sonde icircnclinate (fig 512)
Distanţa dintre sondele verticale (fig 511) se ia de 23 m iar distanţa dintre racircnduri este de 1525 m
Se poate folosi cacircte un racircnd de sonde icircnclinate montate deasupra galeriei (fig 212 a) sau sonde icircnclinate sub galerie şi sonde verticale scurte deasupra galeriei (fig 512 b)
SONDA
154 m
16
6 m
226
262
85
SONDA
Figura 411 Fig 511 Amplasarea sondelor verticale pentru realizarea galeriei icircnclinate
Figura 411 Fig 510 Dispunerea sondelor icircn jurul puţurilor de mină de secţiune
dreptunghiulară
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
44
Figura 412 Fig 512 Realizarea galeriilor icircnclinate cu sonde verticale (1) şi sonde oblice (2)
I - secţiunea longitudinală II - secţiunea transversală a) sonde icircnclinate deasupra galeriei b) sonde icircnclinate sub galerie
413 513 UTILIZAREA METODEI DE IcircNGHEŢARE A SOLULUI IcircN ŢARA NOASTRĂ
a)Puţuri de mină
Aplicarea metodei de icircngheţare a solului pentru lucrări de minerit a avut loc la noi icircn ţară icircncepacircnd cu anul 1960 la puţul Godeni din bazinul carbonifer Cacircmpulung - Muscel Proiectul a fost elaborat icircn anul 1959 la IPROMIN Bucureşti iar lucrarea a fost executată cu Trustul Minier Argeş avacircnd icircn subantrepriză de specialitate Icircntreprinderea Frigotehnica Bucureşti şi Trustul de prospecţiuni explorări şi deschideri de mine noi Bucureşti
Adacircncimea de săpare a puţului Godeni a trebuit sa fie de 202 m Sondele de icircngheţare constituite din două ţevi concentrice (fig 51) cu diametrele exterioare de 146 mm şi respectiv 57 mm icircn număr de 27 au fost amplasate pe un cerc cu diametrul de 10 m la distanţa de 117 m una de alta
Instalaţia frigorifică a fost dimensionată cu mare precauţie pentru a avea o siguranţă mărită icircn funcţionarea ei Toate părţile componente ale instalaţiei frigorifice au fost proiectate şi executate icircn ţară
La proiectarea instalaţiei s-a avut icircn vedere funcţionarea de scurtă durată şi variaţia puterii frigorifice icircn timp S-a utilizat răcirea indirectă cu soluţie de clorură de calciu iar ca agent frigorific a fost folosit amoniacul Pentru a avea elasticitatea necesară icircn funcţionare la diferite puteri frigorifice au fost folosite grupuri de utilaje frigorifice şi anume
6 compresoare 4 AU - 20 (200000 kcal Nh =233 kW fiecare)
3 baterii de condensatoare atmosferice a cacircte 300 m2 (900 m2)
bazine pentru răcirea saramurii fiecare cu cacircte 2 vaporizatoare superintensive de 50 m2 (600 m2)
2 grupuri a cacircte 5 pompe pentru recircularea saramurii
Puterea frigorifică a instalaţiei montate a fost de 12106 kcal Nh =1395 kW şi s-a caracterizat prin următoarele date tehnice la exploatare
85
1
2
I 85
1
2
I
85
1
2
II
85
1
2 II
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
45
o suprafaţa de schimb de căldură a sondelor 2500 m2 o puterea instalaţiei 750 kW o debitul saramurii icircn
o icircn perioada activă 350 m3h o icircn perioada pasivă 70 m3h
o viteza de circulaţie a saramurii icircn sondă o tur 18 ms 036 ms o retur 029 ms 006 ms
o volumul rocilor icircngheţate circa 10000 m3 o consumul specific de frig mediu 50000 m3 o durata icircngheţării (perioada activă) 130 zile
Icircn timpul răcirii şi deci a icircngheţării solului puterea frigorifică scade icircn mod continuu icircncacirct treptat s-a scos din funcţiune cacircte un compresor icircn perioada pasivă (de săpare a puţului) s-a menţinut icircn lucru doar un singur compresor şi grupul de utilaje aferent
După terminarea lucrărilor de la puţul Godeni icircn anii următori aceeaşi instalaţie s-a montat la puţul Poenari din acelaşi bazin carbonifer unde sondele au fost amplasate pe un cerc cu diametrul de 11 m la distanţa de 128 m una de alta
Un alt puţ realizat prin această tehnologie de icircngheţare a solului a fost puţul Jugur de la acelaşi bazin carbonifer Centrala frigorifică a cuprins 15 compresoare 3 AV - 20 (150000 kcal Nh fiecare=175kW) repartizate icircn 5 linii tehnologice independente cu icircntreg utilajul aferent Fiecare linie este compusă din
o butelie de răcire intermediară BRI - 700 un condensator cu evaporare forţată CEF - 180 un bazin cu patru grupuri vaporizatoare intensive de cacircte 165 m2 (icircn total 66 m2)
Sondele de icircngheţare icircn număr de 27 bucăţi au fost prevăzute să se amplaseze pe un cerc cu diametrul de 104 m la distanţă de 121 m Sondele sunt de tipul celei indicată icircn figura 58 deci cu răcire zonală avacircnd următoarele caracteristici diametrul exterior al burlanului este de 146 mm iar tuburile interioare au 57 mm (la exterior) tubul de alimentare are lungimea de 430 m iar cel de evacuare este de 220 m Ca urmare sondele de icircngheţare trebuie să producă icircngheţarea solului numai pe adacircncimea de la 220 m la 430 m Prin proiect s-au prevăzut următoarele date temperatura saramurii - 35 ordmC viteza saramurii icircn conducte de tur 18 ms viteza icircn conducte de retur (pe adacircncimea de răcit) 06 ms durata icircngheţării (perioada activă) a fost de 75 zile
Au fost prevăzute temperaturi scăzute şi viteze mari de congelare deoarece cilindrul icircngheţat trebuie să preia presiuni de pacircnă la 56 bar
b)Tunelurile pentru metroul din Bucureşti
Icircncepacircnd cu anul 1976 pentru realizarea metroului din Bucureşti s-a procedat la aplicarea metodei de icircngheţare a solului icircntr-o zonă considerată experimentală dar cu realizări efective de galerii
Prin proiect s-a prevăzut consolidarea prin icircngheţare artificială a profilului de săpare a tunelurilor de metrou pe o lungime de circa 550 m pe ambele fire Amplasamentul sondelor s-a făcut icircn două variante (pentru experimentare) pentru un fir de tunel ambele racircnduri de sonde s-au fixat icircn profilul circular de săpare iar pentru cel de al doilea fir de tunel sondele au fost forate icircn afara profilului de icircnaintare (fig 513) Au fost folosite sonde cu saramură cu posibilitatea de icircngheţare pe toată icircnălţimea de 16 m cacirct şi sonde cu icircngheţare zonală icircntre adacircncimile de 7 m şi 16 m Distanţa dintre sonde a fost fixată la 14 m
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
46
Pentru a se icircmpiedica accesul apelor icircn frontul de săpare datorate unor eventuale zone neicircngheţate traseul de tunel icircngheţat a fost icircmpărţit icircn incinte icircnchise prin timpane transversale La distanţe de 3050 m icircn lungul traseului au fost montate sonde de icircngheţare aşezate icircn plan normal pe axul tunelului prin care să se icircnchidă accesul apelor spre frontul de săpare
Echipamentul frigorific principal cuprinde
- 8 compresoare frigorifice 3 AV - 20 funcţionacircnd icircntr-o treaptă pentru care
corespunde puterea frigorifică de 12 106 kcal Nh =1395 kW
- 4 condensatoare de evaporare forţată CEF - 250
- 3 bazine de răcire a saramurii echipate cu cacircte 4 grupuri de vaporizatoare superintensive de cacircte 51 m2 (total 612 m2)
- 3 grupuri de cacircte 2 pompe a 220 m3h pentru circulaţia saramurii pe traseele de distribuţie şi prin sonde
Figura 413 Fig513 Amplasamentul sondelor de icircngheţare
Centrala frigorifică este stabilă adăpostită icircntr-o baracă metalică demontabilă existacircnd posibilitatea de reamplasare rapidă a instalaţiei icircntr-un alt loc Agentul frigorific utilizat este amoniacul iar agentul intermediar este clorura de calciu
Icircn perioada principală de icircngheţare temperatura de vaporizare este to = -22 ordmC asiguracircnd răcirea saramurii la -17 ordmC iar pe retur saramura a avut temperatura cu 15 ordmC mai ridicată
La o asemenea lucrare realizată icircn oraş se impune protejarea contra icircngheţului a straturilor de deasupra galeriilor icircn care sunt amplasate instalaţiile de apă - canal ceea ce presupune folosirea sondelor cu icircngheţare zonală care să nu fie active la partea superioară
c) Puţuri pentru prospectarea balastierelor
Procedeul şi instalaţia frigorifică au avut caracter de noutate şi s-a aplicat icircncepacircnd cu anul 1966 la mai multe obiective icircn general pe văile racircurilor unde s-au construit hidrocentrale
A
A B
B
A-A
000 -300 -700 -1061 -1300
65
800
B-B
000 -300 -700 -1061 -1300
65
550
ARGILA
ARGILA
NISIP
NISIP
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
47
Echipamentul frigorific principal cuprinde un agregat frigorific pentru amoniac de 20000 kcal Nh = 233 kW rezervor de amoniac separator de lichid şi anexe - toate fiind montate pe o remorcă
S-au folosit sonde de icircngheţare cu agent frigorific icircn număr de 8 bucăţi cu diametrul exterior de 133 mm montate pe un cerc cu diametrul de 2 m la distanţa de 076 m lungimea lor fiind de 75 m Legarea sondelor la distribuitor şi colector s-a făcut cu racorduri flexibile
Sondele au o construcţie specială fiind prevăzute cu 4 pereţi transversali cu ştuţuri de preaplin formacircndu-se astfel 5 compartimente Agentul lichid se introduce icircn compartimentul cel mai de sus şi se scurge prin ştuţuri pacircnă la baza sondei Conducta de aspiraţie străbate toate compartimentele vaporii fiind aspiraţi din compartimentul cel mai de jos Circulaţia vaporilor formaţi se face ca şi a lichidului de sus icircn jos obţinacircndu-se astfel o răcire uniformă şi eficientă pe toată icircnălţimea sondei
Durata icircngheţării respectiv a formării centurii de teren icircngheţat la adăpostul căreia să se poată efectua săparea şi preluarea de probe de sol este de 10 zile
414 514 CAcircMPUL DE TEMPERATURĂ IcircN SOLUL IcircNGHEŢAT
Cacircnd prin sonda de icircngheţare circulă saramură a cărei temperatura este sub 0 ordmC practic - 20 ordmC-25 ordmC icircn jurul sondei se formează un cacircmp termic care icircn cazul unei singure sonde poate fi reprezentat prin suprafeţe cilindrice coaxiale de temperatură constantă (izoterme)
După distanţa radială se deosebesc icircn sol din punct de vedere termic trei zone zona cilindrică din imediata vecinătate a sondei care este icircn zona icircngheţată zona răcită cuprinsă icircntre suprafaţa cilindrică izotermă de 0 ordmC şi izoterma de temperatură naturală şi a treia zonă cea de temperatura naturală (fig 514)
Icircn zona icircngheţată temperatura masivului variază de la temperatura peretelui metalic al sondei pacircnă la 0 ordmC Icircn zona răcită temperatura masivului creşte de la 0 ordmC pacircnă la temperatura naturală a masivului
Figura 414 Fig 514 Cacircmpul de temperatură icircn jurul unei sonde de icircngheţare
Este important să se cunoască cacircmpul termic icircn terenul supus icircngheţării deoarece acesta oferă date privind zona de răspacircndire a consolidării rocilor prin solidificarea apei cacirct şi a
t [oC]
r [m]
t (r)
ZONA RACITA
ZONA INGHETAT
A
ts TEMPERATURA NATURALA A ROCII
-20
-10
40
10 0 20 30
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
48
rezistenţei mecanice a rocii icircngheţate Se cunoaşte faptul că rezistenţa mecanică depinde direct de temperatură
Studiul variaţiei temperaturii icircn zona de influenţă a unei sonde şi a tuturor sondelor simultan oferă posibilitatea calculării dimensiunilor la proiectarea construcţiei peretelui protector cacirct şi controlul procesului icircn timpul desfăşurării lucrărilor
Pentru a se stabili relaţia de variaţie a temperaturii icircn zona icircngheţată icircn funcţie de raza r se consideră ecuaţia diferenţială
dr
dtr2q (56)
icircn care q este fluxul unitar de căldură corespunzător lungimii de 1 m din sonda de icircngheţare Wm
- conductivitatea termica a terenului Wm
Integrarea directă a ecuaţiei analitice se poate face icircn ipoteze simplificatoare consideracircnd
= const şi q = const ceea ce este justificat la valori mari ale timpului de răcire
Se separa variabilele
r
dr
2
qdt
(57)
Se consideră cunoscute temperaturile t1 la suprafaţa sondei de raza r1 și t2 = 0 ordmC la raza r2 corespunzătoare suprafeţei exterioare a cilindrului icircngheţat Se integrează ecuaţia (6-7) și cunoscacircnd limitele de integrare se va determina constanta de integrare
Cr ln2
qt
(58)
pentru r = r1 t = t1 deci
11 rln2
qtC
(59)
1
1r
rln
2
qtt
(510)
Se pune condiţia ca pentru r = r2 t = t2
1
212
r
rln
2
qtt
(511)
Se elimina q intre relaţiile (510) și (511) şi se obţine
1
2
1121
r
rln
r
rln
tttt (512)
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
49
Figura 415 Fig 515 Schema schimbătorului de căldură subteran
Pentru t2 = 0 ordmC relaţia (5-12) devine
)rrln(
)rrln(tt
12
21 (513)
Icircn figura 515 se prezintă o secţiune axială printr-o sondă de icircngheţare şi variaţia temperaturii icircn limitele t0 - temperatura agentului de răcire şi ts - temperatura naturală a solului
Cantitatea de căldură transferată de la masivul neicircngheţat spre agentul de răcire prin unitatea de lungimea de conducta şi unitatea de timp se calculează cu expresia
221
2
1o
1
moo
os
d
1
d
dln
1
d
dln
2
1
d
1
ttq
(514)
Icircn calculele inginereşti cel mai frecvent se determină nu fluxul termic pe unitatea de lungime a conductei ci fluxul termic qF raportat la unitatea de suprafaţă a conductei metalice la 1 m2 de suprafaţa exterioară sau interioară Mărimea qF se calculează astfel
22
o
1
2
1
o
o
1
m
o
o
oS
o
F
d
d
d
dln
2
d
d
dln
2
d1
tt
d
(515)
Fluxul termic qF prin unitatea de suprafaţă a sondei de icircngheţare calculat pentru adacircncimea de 100 m icircn regim laminar de curgere a agentului de răcire prin spaţiul inelar al sondei cu viteza w = 01 ms la diametre ale cilindrului de rocă icircngheţata
de la 02 la 3 m pentru to = -20 ordmC do = 01 m 1 = 233 WmK variază de la 720 la 230 Wm2 aşa cum se poate observa din figura 516 şi tabelul 51
d2
d1
d0
t
qF
t0
t2
t1 2
m 1
m
ts
Conducta Teren icircngheţat Teren
neicircngheţat
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
50
Figura 416 Fig 516 Variaţia fluxului termic qF prin unitatea de suprafaţă a sondei de icircngheţare 1 - regim turbulent 2 regim laminar
Tabelul 51Variaţia fluxului termic qF [Wm2]
Diametrul cilindrului de rocă icircngheţată icircn m
02 04 05 08 10 15 20
qF regim laminar 1160 550 387 330 302
qF regim laminar 720 465 423 350 321 283 258
Se observă ca densitatea fluxului de căldura qF scade foarte mult de la 800900 Wm2 la icircnceputul operaţiei de consolidare prin frig a rocilor pacircnă la 230250 Wm2 cacircnd cilindrul de rocă icircngheţata atinge diametrul de 23 m Ca urmare a acestei situaţii şi puterea frigorifică a instalaţiei va scădea icircn decursul a 6080 zile tot cu raportul de 800230 = 35
Instalaţia frigorifică va fi constituită din grupuri de utilaje (module) ce vor fi scoase treptat din funcţiune pe măsură ce se reduce densitatea fluxului de căldură qF ca urmare a creşterii grosimii stratului de teren icircngheţat Icircn practică pentru calcule se va considera qF = (260290) Wm2
O mărime importanta pentru proiectarea instalaţiei şi aprecierea procesului de consolidare a rocilor este timpul de icircngheţare Pentru calculul duratei de icircngheţare se pot folosi relaţiile prezentate icircn capitolul 3 la formarea gheţii pe suprafeţe cilindrice exterioare La aprecierea valorii pentru ls - căldura latentă de solidificare se avea icircn vedere conţinutul de apă din terenul supus icircngheţării
Dacă icircntre relaţiile pentru dependenţele (r) şi qF(r) se elimină r se obţine dependenţa
qF() Eliminarea nu se poate face direct ci fie cu ajutorul calculatorului fie printr-o construcţie grafică prezentată icircn figura 517
Studiul variaţiei temperaturii icircn solul icircngheţat cacirct și variaţia icircn timp a densităţii fluxului de căldura se poate face cu ajutorul calculatorului electronic
1200
1000
800
600
400
200
0 05 1 15 2 25 3
qF [Wm2]
Diametrul cilindrului de rocă icircngheţată [m]
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
51
Figura 417 Fig 517 Stabilirea dependentei qF() pe baza dependentelor qF(r) și (r)
415 515 ELEMENTE DE PROIECTARE A INSTALAŢIEI FRIGORIFICE PENTRU IcircNGHEŢAREA SOLULUI
Pentru proiectarea instalaţiei frigorifice trebuie sa se stabilească la icircnceput elementele de baza și anume
- puterea frigorifică maximă care apare la icircnceputul perioadei de răcire cacircnd pătrunderile de căldura spre agentul de răcire din sondele de icircngheţare au valori mai mari temperatura de vaporizare a agentului frigorific plecacircnd de la temperatura minimă sau medie din solul icircngheţat şi avacircnd icircn vedere modul de răcire directă sau indirectă
Se calculează cantitatea totală de căldură ce trebuie extrasă din terenul supus răcirii şi icircngheţării Se cunoaşte structura terenului icircngheţat deci se cunosc icircnălţimile h1 h2hn ale diferitelor straturi componente cacirct şi proprietăţile termofizice ale acestora
Grosimea centurii de teren icircngheţat se stabileşte icircn urma calculelor de rezistenţa materialelor icircncacirct se pot calcula volumele ocupate de straturile componente V1 V2Vn
Cantitatea de căldură ce trebuie extrasă din zona icircngheţată cuprinde două componente și anume
cantitatea de căldura Qa corespunzătoare răcirii şi icircngheţării apei
cantitatea de căldura Qt necesara răcirii părţii solide a terenului
n
1kfgsikaakka tcltcVQ (516)
unde
k - reprezintă conţinutul icircn apă din stratul respectiv [m3m3]
a - densitatea apei [kgm3]
ca cg - căldura specifica a apei respectiv a gheţii Jkg K
tik - temperatura iniţiala a stratului respectiv (de ordinul k)
tf - temperatura medie finala a masivului icircngheţat
ls - căldura latentă de solidificare a apei
r
q
q
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
52
fik
n
1kkkkkt ttc1VQ
(517)
k - densitatea părţii de teren solid (uscat) din stratul k
ck - căldura specifică a terenului uscat din stratul k
Cantitatea de căldură extrasă din terenul răcit reprezintă circa 1018 din cantitatea de căldură extrasă din zona de teren icircngheţat
Deci cantitatea totală de căldură Q ce va trebui preluată de către instalaţia frigorifică se poate aprecia astfel
Q = (110118) (Qa + Qt) (518)
Cu relaţia (51) se calculează puterea frigorifica a instalaţiei adoptacircnd o valoare medie pentru densitatea fluxului de căldura qF
Se poate aprecia timpul de funcţionare a instalaţiei frigorifice
o
Q
(519)
La anumite grosimi ale cochiliei de teren icircngheţat icircn jurul sondei densitatea fluxului termic scade sub valoarea medie adoptată icircn calcule şi ca urmare icircncepacircnd de la acest moment se va putea reduce treptat puterea frigorifica a instalaţiei prin scoaterea din funcţiune a unor grupuri
La proiectare se pot avea icircn vedere unele recomandări practice pentru stabilirea necesarului de frig pentru icircngheţarea unui m3 la -10 ordmC este necesar un consum specific de frig de 66000 kJ la 10 umiditate de 155000 kJ la 35 umiditate și de 210000 kJ la 50 umiditate
42 52 RĂCIREA BETONULUI LA CONSTRUCŢIILE MASIVE
421 521 INSTALAŢII DE PRERĂCIRE A COMPONENTELOR BETONULUI
Formarea betonului din elementele sale componente (nisip pietriş ciment şi apă) este icircnsoţită de fenomene fizico - chimice icircn care se degajă căldură şi ca urmare temperatura acestuia creşte Icircn cazul unor masive din beton (baraje) dacă viteza de turnare (icircn sezonul cald cacircnd se efectuază construcţia) este mai mare şi nu se asigura evacuarea căldurii corpul rezultă la o temperatura medie mai mare decacirct temperatura medie anuală Răcirea naturală conduce la contracţia masivului şi ca urmare la apariţia sub acţiunea tensiunilor interne a unor fisuri
Pentru ca variaţiile de temperatura icircntre centrul barajului şi straturile exterioare să fie cacirct mai mici se impune ca masivul respectiv să fie turnat la temperatura medie anuală a zonei respective Icircn acest scop se pot folosi două metode prin prerăcirea componentelor betonului și prin răcirea masei barajului
Icircn vederea reducerii căldurii degajată icircn reacţia dintre ciment şi apă au fost realizate sortimente de ciment caracterizate prin călduri masice reduse ce se degajă icircn procesul de priză
Prin prerăcirea componentelor betonului se urmăreşte ca betonul sa aibă temperatura medie a locului de amplasament şi prin aceasta evitarea apariţiei unor diferenţe mari de temperatură ce pun icircn pericol construcţia
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
53
Icircn funcţie de valoarea diferenţei de temperatură care trebuie realizată se poate adopta o anumită schemă de răcire pentru fiecare component icircn parte sau numai pentru unele din aceste părţi componente
Se pot folosi instalaţii frigorifice cu comprimare mecanică de vapori pentru răcirea apei a aerului sau formarea gheţii mărunte utilizate la prerăcirea componentelor betonului Folosirea gheţii fulgi sau solzi este limitată atacirct din cauza conţinutului de apă impus cacirct şi ca urmare a pericolului ca gheaţa să nu se topească icircn procesul de malaxare ci la turnare sau icircn procesul de priză ceea ce duce la formarea de goluri icircn beton
De asemenea se pot folosi instalaţiile frigorifice cu ejecţie
Icircn vederea stabilirii necesarului de frig pentru preratildecirea componentelor betonului se calculează mai icircntacirci cantitatea de catildelduratilde Qo1 ce trebuie evacuatatilde dintr-un m3 de beton avacircndu-se icircn vedere proporţiile icircn care participatilde cimentul nisipul pietrişul şi apa Fiecare component are o temperatură iniţialatilde şi urmeazatilde a fi răcit pacircnatilde la o temperatura finalatilde tf aceeaşi pentru toţi componenţii
fpppfnnnfccc1o ttcmttcmttcmQ
fnaanfpaapfaaa ttcmttcmttcm Jm3 (520)
unde
mc mn mp ma - masele de ciment nisip pietriş şi apă conţinute icircntr-un m3 de beton [kgm3]
cc cn cp cw - căldurile specifice masice ale cimentului nisipului pietrişului şi nisipul dintr-un m3 de beton [kgm3]
Puterea frigorifică se determină cu relaţia
3b1oo 10VQ [kW] (521)
icircn care bV reprezintă fluxul de betonare icircn m3s
Se prezintă icircn continuare cele mai folosite metode de prerăcire a componentelor betonului
4211 a) Instalaţie de prerăcire cu apă
Staţia de preparare a betonului este deservită de o instalaţie frigorifică cu comprimare mecanică de vapori care asigură răcirea apei
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
54
Figura 418 Fig 518 Schema de lucru a instalaţiei de prerăcire a betonului cu ajutorul apei 1 - ciment 2 - vagon nisip 3 - vagon pietris 4 - tancuri de răcire a pietrişului 5 - sită 6 - siloz de
nisip 7 - siloz de ciment 8 - rezervor de distribuţie 9 - răcitor de nisip 10 - răcitor de ciment 11 - răcitor de apă 12 - rezervor de apă răcită 13 - răcitor de apă 14 - instalaţie de prepararea betonului
I II III IV V - fazele de răcire a pietrişului
Icircn figura 518 se prezintă schema de lucru a unei asemenea instalaţii de prerăcire a betonului cu ajutorul apei folosită la construcţia barajului de la Detroit (SUA) Apa este răcită de la 16 la 15 ordmC şi transmisă apoi la instalaţia de preparare a betonului şi icircn cinci rezervoare a cacircte 90 m3 fiecare icircn care se răceşte pietrişul
Procesul de răcire a pietrişului cuprinde cinci faze
- faza I - introducerea apei icircn rezervor 10 minute
- fazele II şi III - introducerea simultană a apei şi a pietrişului 50 minute
- faza IV - evacuarea apei 15 minute
- faza V - evacuarea pietrişului 15 minute
Icircntregul proces de răcire a pietrişului durează 90 minute Pentru răcirea cimentului şi nisipului se utilizează schimbătoare de căldură cu ax elicoidal la care apa de răcire circulă prin arborele gol şi prin manta
Rezervoarele 12 pentru apa răcită au fiecare volumul de 114 m3
Beton 635oC
190 m3h
65oC
24oC
18oC
1
2
3
4
5
6
7
8
10
9
11
12
13
14
Apă 16oC
15oC
Cim
en
t
26 l
h
Nis
ip 1
12
lh
10
oC
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
55
42111 Aplicaţie numerică
Să se calculeze puterea frigorifică necesară prerăcirii betonului prin metode şi condiţiile prezentate mai sus Se cunosc următoarele date de calcul
mp = 1700 kgm3 beton
mc = 135 kgm3 beton
mn = 590 kgm3 beton
ma = 60 kgm3 beton
cc = cn = cp = 921 Jkg K
ca = 4180 Jkg K
map = 16 kgm3 beton
man = 38 kgm3 beton
tp = 18 ordmC
tc = 66 ordmC
tn = 21 ordmC tf = 635 ordmC
052803000
190Vb m3s
Se calculează componentele cantităţii de căldură Q01
3fcccc 10741735666921135ttcmQ Jm3
3fnnnn 10796135621921590ttcmQ Jm3
3fpppp 1024018356189211700ttcmQ Jm3
3faaaa 10420235616418060ttcmQ Jm3
3fpaapap 1077935618418016ttcmQ Jm3
3fnaaan 10232735621418038ttcmQ Jm3
Rezulta
3anapapnc1o 1039144QQQQQQQ Jm3
3o 10 206705280103914410VQ 33
b1o kW
4212 b) Instalaţii de prerăcire cu aer apă
Pentru răcirea componentelor betonului se utilizează icircn acest caz fie apa fie aerul ca agenţi intermediari răciţi cu ajutorul instalaţiilor frigorifice
Icircn figura 519 se prezintă schema unei asemenea instalaţii folosită la construcţia barajului de la Sariyar din Turcia
Răcirea aerului se poate face fie direct prin vaporizarea unui agent frigorific fie indirect cu un agent intermediar de răcire ca de exemplu saramura de clorură de calciu Aerul răcit pacircnă la -6 ordmC este suflat icircn silozurile cu pietriş de dimensiuni icircntre 4150 mm
Apa răcită icircn bazinul la pacircnă la 05 ordm este trimisă din colectorul 12 la staţia de preparare a betonului servind la scăderea temperaturii acestuia
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
56
Figura 419 Fig 519 Schema instalaţiei de prerăcire a betonului cu aer şi apă 1 - compresor 2 - condensator 3 - ventile de laminare 4 - vaporizatoare 5 - bazin de răcire a
saramurii 6 - pompă de saramură 7 - răcitor umed de aer 8 - ventilatoare 9 - silozuri de pietriş 10 - bazin de răcire a apei 11 - pompă 12 - colector de apă răcită
Figura 420 Fig 520 Schema instalaţiei de prerăcire cu aer şi apă 1 - siloz de pietriş şi nisip 2 - siloz de ciment 3 rezervor de apă 4 - răcitor de aer 5 - răcitor de apă
4 - răcitor de apă 6 - buncăr de sortare 7 - instalaţie de preparare beton
Pentru intensificarea procesului de răcire a pietrişului aerul este răcit sub 0 ordmC Acest procedeu are avantajul unei funcţionări fără icircntrerupere a procesului de preparare a betonului dar prezintă şi o serie de dezavantaje debite foarte mari de aer de răcire posibilitatea antrenării particulelor fine de agregat icircn răcitorul de aer şi depunerea acestora pe suprafaţa de schimb de căldură Ca urmare instalaţia se va curăţa la circa 14 zile Icircn figura 520 se prezintă o altă schemă de instalaţie de prerăcire a betonului cu aer şi apă folosită la construcţia unui baraj din India
Apă
295oC
Ciment
433oC
Pietriş şi nisip
378oC
Apă 6oC
Ciment 433oC
Aer
Pietriş
45oC Nisip 222oC
22oC
Ap
ă
45
oC
Ap
ă 2
2o
C
Ae
r 5
5o
C
Be
ton
12
8o
C
Apă 22oC
2
1
3 4 5
8
9
5 7
12
1oC
11
05oC 9oC 9oC
-9oC
-10oC -10oC
-10oC 2oC
6oC
10 4 4 6
8 8
8
8 8
9 9 9 9
1
2
3 3
7
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
57
Pietrişul şi nisipul se separă icircntre ele icircn buncărul de sortare 6 şi apoi fiecare circulă pe cacircte o bandă transportoare prin camera de răcire 7 Pietrişul este răcit cu ajutorul apei
Fig
ura
42
1 F
ig 5
21
Sc
he
ma
in
sta
laţi
ei
de
ră
cir
e icirc
n v
id a
co
mp
on
en
telo
r b
eto
nu
lui
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
58
reci icircncacirct ajunge la o temperatură mai scăzută decacirct nisipul răcit cu aer Prin camera 7 se circulă şi aer rece care se introduce la temperatura de 55 ordmC Cimentul se introduce la instalaţia de preparare a betonului 9 fără a fi răcit
O altă posibilitate de prerăcire a agregatelor (pietriş şi nisip) şi a apei utilizată mai recent la construirea barajelor icircntrebuinţează răcirea icircn vid la care agregatele uşor umezite icircn recipiente sub presiune se răcesc după nevoie (prin reglarea vacuumului) la o temperatură mai scăzută sau mai ridicată Căldura necesară evaporării umidităţii de pe agregate şi din ele (apa legată) este luată chiar de la corpurile respective (pietriş nisip) şi ca urmare acestea se răcesc
O asemenea instalaţie utilizată la Hortwell icircn SUA (figura 521) cuprinde 3 recipienţi de cacircte 150 m3 pentru răcirea pietrişului şi 3 recipienţi de cacircte 80 m3 pentru răcirea nisipului
Pietrişul şi nisipul cu temperatura maximă de 43 ordmC se pot răci pacircnă la temperatura necesară de 45 ordmC Pentru realizarea vidului necesar se folosesc două cazane de abur care produc 77 th fiecare
422 522 RĂCIREA INTERIOARĂ A MASIVULUI DE BETON
Prerăcirea betonului se recomandă icircn condiţiile unei zone tropicale sau temperate de amplasare a construcţiei masive nu se recomandă icircn cazul amplasării barajului icircn munţi unde temperatura aerului este scăzută Icircn asemenea situaţii se recomandă răcirea betonului prin conducte amplasate icircn masiv prin care circulă apă rece
La răcirea interioară cu conducte montate icircn beton are loc o eliminarea a căldurii simultan cu producerea ei icircn procesul de priză producacircndu-se şi o răcire pacircnă la temperatura necesară Pentru răcire se folosesc conducte de oţel cu diametre de 1525 mm montate la distanţe de 1223 m icircn plan orizontal şi de 153 m icircn plan vertical Lungimea conductelor icircntr-un m3 de beton este de 0204 şi a fiecărei serpentine de 140250 m
Debitul apei de răcire ce circulă prin 1 m3 de beton este de (0553) dm3h
Figura 422 Fig 522 Reţea de conducte de răcire a betonului icircn secţiunea unui baraj 1 - galerie pentru măsurători 2 - galerie de conducte de apă de răcire
Serpentinele se montează şi se fixează pe suprafaţă de beton (fig522) Capetele serpentinelor se leagă de o coloană verticală prin mufe metalice sau de cauciuc Diametrul distribuitorului şi al coloanei este cuprins icircntre 150200 mm După montaj aceste conducte se verifică la presiunea de lucru
1 2
Ax
a
ba
raju
lui
Determinarea necesarului de căldură și apă caldă pentru un imobil
24
Figura 211
Q1 = Q11 + Q12 + Q13 + Q14 = 8441254483 + 1892818 + 1000 + 605616
Q1 = 263871712 W
212 Mers de calcul pentru Q2
Q2 = n middot Q1
n - numarul de schimburi (07 08 1)
Q1 - fluxul de căldura pierdut prin transmisie
Q2 = 1 middot 263871712 =gt Q2 = 263871712 W
213 Mers de calcul pentru Q3
Q3 = 119898 middot119862119908 middot(119905119887minus119905119903)
120591 middot3600 [kW]
m - cantitatea de apa calda preparata [Kg]
m = n middot czn middot ρ [Kg]
ρ = 1000 Kgm3- densitatea apei [Kgm3] n = 4 - numarul de locatari =gt n
czn - consumul zilnic de persoana [l] gtgtgt czn = l middot 1000 = m3
Un consum de acm specific unui nivel de confort mediu la o temperature de 45degC vom avea un czn = 50 l de persoana
cw - căldura specifica a apei [KJKgC] =gt cw = 4186 KJKgmiddotC
tb - temperatura apei din boiler [C] =gt tb = 50degC
tr - temperatura apei de intrare [C] =gt tr = 10degC
Icircn general avem vara tr = 1217degC iar iarna tr = 5hellip10degC
120591 - timpul icircn care este incalzita apa [h] =gt 120591 = 4h
m = 4 middot (50 middot 1000) middot 1000 m = 200 Kg
Q3 = 200 ∙4186 ∙(50 ∙10)
4 ∙3600 =gt Q3 = 2325555556 W
Q = Q1 + Q2 + Q3 = 263871712 + 263871712 + 2325555556
Q = 7602989795 W =gt Q = 76 KW
Calculul necesarului de frig pentru depozit de fructe
25
3 Calculul necesarului de frig pentru depozit de fructe
31 31 Calculul grosimii izolatiilor
Regimul de funcţionare al spaţiilor frigorifice caracterizat prin valori coboracircte ale temperaturilor prin variaţia rapidă a acestora şi prin umiditatea mare a aerului icircncăperilor impune pentru izolaţiile termice ale pereţilor planşeelor şi pardoselilor condiţii deosebite Pereţii spaţiilor frigorifice despart două medii cu temperaturi diferite Fluxul de căldură ce pătrunde din exterior icircn camere care trebuie preluat de instalaţia frigorifică este direct proporţional cu diferenţa de temperatură dintre cele două feţe ale peretelui şi cu coeficientul global de transmitere a căldurii Izolarea se execută la spaţiile răcite atacirct la pereţi cacirct şi la tavan şi podea şi are ca rol icircmpiedicarea apariţiei condensului pe suprafaţa caldă a pereţilor incintelor frigorifice
Figura 31 Fig13 Variaţia de temperatură prin peretele termoizolant
Din exploatarea frigoriferelor se cunoaşte că prin icircnvelişul exterior al spaţiilor frigorifice trece icircn majoritatea cazurilor mai mult de jumătate din cantitatea totală de căldura ce pătrunde icircn icircncăperi Această cantitate de căldură se poate reduce prin majorarea grosimii stratului termoizolant Dar reducerea infiltraţiilor de căldură icircn acest tel nu se poate face nelimitat deoarece la o anumită grosime a stratului izolant adică la o anumită valoare a coeficientului k de transfer al căldurii costul construcţiei izolate va fi mai mare decacirct costul energiei ce reprezintă frigul economisit prin majorarea grosimii izolaţiei
De aceea se obişnuieşte a se folosi icircn calcule valori optime ale coeficientului k de transfer al căldurii calculacircndu-se astfel o grosime optimă a izolaţiei termice
Pentru izolarea pereţilor camerelor se vor folosi panouri tip sandwichFig15
Calculul necesarului de frig pentru depozit de fructe
26
Figura 32 Fig15 Construcţia panourilor de tip sandwich
Rolul panourilor plastifiate este de a preicircntacircmpina pătrunderea vaporilor icircn interiorul izolaţiei eliminacircnd necesitatea barierei de vapori Panourile folosesc metoda de icircmbinare nut-feder reducacircndu-se astfel transferul de căldură cu mediul extern
Deoarece avem un singur depozit vom adopta coeficienţii de transfer de căldură prin
convecţie funcţie de t
Aleg pentru t = = te - ti = 318 - 1 = 308 0C k = 023 Wm2K
Din catalogul de produse INCOLD Italia se alege poliuretan 100 mm = 0023 WmK
Tablă din oţel galvanizat plastifiat
Calculul necesarului de frig pentru depozit de fructe
27
Tabelul 317 Tabel24 Calculul grosimi izolației
ei
i
i
izizk
111
Coeficientul global de transfer de căldură se determină utilizand relaţia
eiz
iz
i
i
i
k
11
1
n
i i
i
1
- suma rezistenţelor termice ale tuturor straturilor din care este realizat
peretele[m2KW]
iz - grosimea stratului de izolaţie termică [m]
iz - conductivitatea termică a materialului izolator [WmK]
e - coeficient de convecţie pe partea exterioară a peretelui [WmK]
i - coeficient de convecţie pe partea interioară a peretelui [WmK]
32 32 Bilantul caloric al spatiului climatizat pe timp de vară Necesarul de frig pentru frigorifer
Se stabileşte consumul zilnic de frig pe icircntreg frigoriferul şi pentru fiecare icircncăpere icircn parte luacircndu-se icircn considerare cele mai nefavorabile condiţii de lucru
temperatura aerului exterior pentru luna cea mai caldă a anului
icircncărcarea maximă şi simultană a camerelor de refrigerare
Spaţiul frigorific
Perete k αi αe 1αi 1αe R 1k λiz
δiz
calc δiz
ales Kr
[Wm2K] [m2KW] [WmK] [m] [m]
N 0229 10 18 010 006 0590 4367 0023 0097 0100 023
E 0224 10 12 010 008 0618 4464 0023 0098 0100 023
DR S 0221 10 12 010 008 0618 4525 0023 0100 0100 023
V 0223 10 12 010 008 0618 4484 0023 0099 0100 023
T 0221 10 12 010 008 0618 4525 0023 0100 0100 023
P 0228 10 0 000 000 0435 4386 0023 0000 0100 023
N 0221 25 12 004 008 0558 4525 0023 0101 0100 023
E 0224 25 12 004 008 0558 4464 0023 0100 0100 023
CP S 0224 25 12 004 008 0558 4464 0023 0100 0100 023
V 0223 25 12 004 008 0558 4484 0023 0100 0100 023
T 0221 25 12 004 008 0558 4525 0023 0101 0100 023
P 0228 25 0 000 000 0435 4386 0023 0000 0100 023
Calculul necesarului de frig pentru depozit de fructe
28
camerele vecine celei căreia i se face calculul necesarului de frig sunt goale şi au temperatura vestibulului sau a sasului
Aceste calcule determină necesarul de frig pe categorii de consumatori grupaţi după temperatura cerută şi permit stabilirea puterilor frigorifice icircn vederea proiectării instalaţiei
Pentru calculele termice sunt necesare următoarele
planul frigoriferului care a fost stabilit
dimensiunile camerelor
temperaturile necesare icircn fiecare cameră
Se consideră
1degC icircn depozitele de refrigerate
orientarea frigoriferului după punctele cardinale
condiţii climatice icircn lunile cele mai călduroase pentru zona geografică respectivă
Consumul de frig se calculează pentru 24 ore cu relaţia
Qnec = Q1 + Q2 + Q3 + Q4 [kcal24h]
Q1 - neeesarul de frig pentru acoperirea pătrunderilor de căldură prin cenvecţie
conducţie şi radiaţie din mediul icircnconjurător prin pereţi pardosea și plafon
Q2 - necesarul de frig tehnologic pentru procesele de răcire refrigerere şi
congelare eliminarea căldurii de respiraţie seu pentru unele procese chimice şi
biochimice
Q3 - necesarul de frig pentru ventilarea camerelor frigorifice cu aer proaspat care
trebuie racit şi uscat
Q4 - necesarul de frig rezulticircnd din condiţii de exploatare acoperirea căldurii
provenite din iluminat din funcţionarea motoarelor căldura provenită de la persoanele ce
manipulează produsele datorită deschiderii uşilor etc
321 Consumul de frig Q1
Se determină pentru fiecare spaţiu icircn parte cu relaţia
RttkFQ1 [ W ]
F - reprezintă suprafaţa pereţilor a pardoselei şi a plafonului corespunzător fiecărui
spaţiu frigorific icircn parte icircn m2 Ca suprafaţă de transfer se va considera suprafaţa
exterioară a perimetrului izolat termic
k - reprezintă coeficientul global de transmitere a căldurii prin convecţie conducţie şi radiaţie
prin pereţi plafon şi pardoseală (toate izolate termic) icircn [W(m2 middot grd)] Valoarea coeficientului k a
fost calculată icircn tabelul 24 (kr)
Δt - reprezintă diferenţa de temperaturi dintre temperatura exterioară suprafeţei de
transfer termic considerată şi temperatura interioară spaţiului frigorific
Calculul necesarului de frig pentru depozit de fructe
29
Diferenţa de temperatură ΔtR se ia icircn consideraţie numai la pereţii exteriori şi la
plafoane care sunt şi acoperiş pentru clădire
ΔtR = 0degC pentru pereţi exteriori orientaţi spre N
ΔtR = (5 10)degC pentru pereţi exteriori orientaţi spre E V S-E S-V
ΔtR = 15 degC pentru pereţi exteriori orientaţi spre S
ΔtR = (15 18)degC pentru plafoane care sunt şi acoperiş (terasă)
Calculul valorilor mărimii sumQ1 se recomandă a se efectua tabelar conform tabelului 25
Valoarea mărimii sum Q1 la aparate se obţine prin icircnsumarea fluxurilor termice prin toate cele 6 suprafeţe delimitatoare
La stabilirea valorii mărimii sum Q1 se consideră doar unul dintre fluxurile termice prin suprafeţele ce separă spaţiile frigorifice vecine Pentru aparatele de răcire din spaţiile frigorifice se consideră situaţia cea mai grea pentru fiecare spaţiu icircn parte respectiv că spaţiile vecine nu sunt răcite
Spaţiul frigorifi
c
Perete
Dimensiuni
Supraf F
[m2]
Kr [Wm2K]
Δt [grd]
Δtr
Q1 [W] sumQ1 q a [m]
b [m]
N 15 4 60 023 308 42504
246068
708
E 7 4 28 023 308 8 24987 892
DR S 15 4 60 023 185 15 46202 770
V 7 4 28 023 308 19835 708
T 15 7 105 023 308 74382 708
P 15 7 105 023 158 38157 363
N 7 4 28 023 185 11914
133566
426
E 7 4 28 023 268 8 22411 800
CP S 7 4 28 023 268 15 26919 961
V 7 4 28 023 185 11914 426
T 7 7 49 023 268 30204 616
P 7 7 49 023 268 30204 616
Tabelul 318 Tebel25 Calculul valorilor mărimii Q1
322 Necesarul de frig Q2
sum Q2 - necesarul de frig tehnologic pentru procesele de răcire refrigerare şi
congelare
Q2d = mcp(tc-ti)=500003644 = 4186000(243600)= 842 kW
Q2c = 2600036419 = 1798160 = 208 KW
Q2 = 208 + 842 = 293 = 30kW
unde
Q2d - necesarul de frig tehnologic depozit
Q2c - necesarul de frig tehnologic camera de preracire
Calculul necesarului de frig pentru depozit de fructe
30
m - cantitatea de produse introduse icircn tunelul de congelare icircn kg
te ti - temperaturi specifice corespunzătoare temperaturii iniţiale a produsului cald
(24 ordmC) respectiv temperaturii finale a produsului refrigerat (1 ordmC)
Căldura specfifică mere cp = 364 [kJkgK]
323 Necesarul de frig Q3
Icircn funcţie de natura produselor din spaţiul frigorific este necesar uneori să se realizeze ventilarea spaţiului prin asigurarea unui anumit număr de schimburi ale aerului din incintă icircn 24h Ca exemplu icircntotdeauna va fi necesară ventilarea prin introducere de aer proaspăt icircn spaţiile de păstrare pentru legume fructe şi ouă refrigerate Aceste produse vii respiră icircn timpul păstrării şi necesită icircn consecinţă ventilarea spaţiilor de păstrare
Acest consum de frig se ia icircn considerare doar la depozitele de refrigerare care se ventilează Se stabilește cu relația
Q3 = V ∙ a ∙ ᵖi ∙ (hex - hi) [kJ24]
V - volumul camerelor ventilateicircn m3
a = 24 schimburi pe zi pentru depozitele de mere
ᵖi - reprezintă densitatea aerului la temperature interioară icircn kgm3
Pentru depozitele de refrigerare considerăm umiditatea relativă ᵠi = 95 și ti=1 ordmC
rezultacircnd icircn acest caz hi= 9 kJkg
Parametri aerului exterior pentru zona icircn care este amplasat depozitul sunt temp ex 318
și umiditatea ext 60 rezultand din diagram mollier entalpia aerului Calcul facut icircn
programul Coolpack
ρi = 12 kgm3
hex = 7519 kJkg
Q3 = 616 2 12 (7519 - 9) (243600)= 00025 kW
324 Necesarul de frig Q4
Q4 - frigul consumat pentru acoperirea pierderilor icircn timpul exploatarii datorat deschiderii
usilor a corpurilor de iluminat a motoarelor electrice a oamenilor Se admite Q4 =
(01hellip04)Q1
Q4 = 02 379617 = 759234 = 008 kW
Qtotal = sum 119824120783 + Q2 + Q3 + Q4 = 004 + 30 + 000025 + 008 = 3012 = 31 kW
33 33 Stabilirea directiei raportului de termoumiditate și trasarea procesului de conditionare a aerului pe diagrama i-X pe timp de vară
Icircn fig16 este reprezentat un agregat pentru condiţionarea aerului pe timp de vară cu recirculare parţială
Calculul necesarului de frig pentru depozit de fructe
31
Figura 33 Figura16 Schema aparatului de condiţionare a aerului pe timp de vară cu recirculare parţială
F - filtru V - vaporizator C - compressor K - condensator VL - ventil de laminare I - icircncălzitor Vt - ventilator
Procesele de lucru pot fi reprezentate icircn diagrama h-x ca icircn figura următore
Figura 34 Fig17
A reprezintă starea aerului recirculat provenit din spaţiul condiţionat iar E este starea aerului exterior
Aerul tratat icircn aparatul de condiţionare care se introduce icircn incintă avacircnd starea B
trebuie să preia degajările de căldură Qv [kW] şi de umiditate Wv [kgs]
Direcţia procesului suferit de aer icircn incintă este dată de raportul de termoumidificare εv
= Qv Wv
Prin punctul A se trasează dreapta avacircnd raportul de termoumidificare εv iar punctul B se fixează pe această dreaptă adoptacircndu-se o anumită diferenţă de temperatură faţă de starea A
Aerul recirculat A se amestecă cu aerul proaspăt E şi rezultă starea de amestec M De regulă xM gt xB deci aerul va trebui să fie uscat
Pe verticala din B se fixează starea D avacircnd xD= xB şi ᵩD = 90hellip98
Calculul necesarului de frig pentru depozit de fructe
32
Se uneşte M cu D iar apoi se prelungeşte acest segment pacircnă la intersecţia cu ϕ = 100 rezultacircnd starea P avacircnd temperatura tp
Circulacircnd aerul cu starea M peste o suprafaţă rece avacircnd temperatura tp se va obţine procesul de răcire şi uscare MD
Temperatura suprafeţei tp se asigură cu o instalaţie frigorifică a cărei temperature de vaporizare va fi t0 lt tp
Ultimul proces din aparatul de condiţionare va fi icircncălzirea finală DB
Calculul agregatului de condiţionare a aerului pe timp de vară se efectuează asemănător cu cel a agregatului de condiţionare a aerului pe timp de iarnă cu observaţia că pe timp de vară nu este necesară umidificarea
331 Date
Vtotal = 616 m3 tint = 1ᵒC tex = 318 φint = 90 φext = 60 ρaer = 12 [kgm3]
Starea A
tA = ti + 3 = 4deg xA = 00043[kj
kg] φA = 86 hA = 1489[
kj
kg]
Starea B
tB = 1degC xB = 00036 [kj
kg] φB = 90 hB = 1024[
kj
kg]
Starea E
tE = 318degC xE = 00171[kj
kg] φE = 60 hE = 7519[
kj
kg]
Starea M
hM =hE + n ∙ hA
n + 1=
7513 + 20 ∙ 1489
21= 1775[
kj
kg]
xM =xE + n ∙ xA
n + 1=
00171 + 20 ∙ 00043
21= 00049[
kj
kg]
Rezulta din diagrama Mollier
Starea D
hD = 108 [kj
kg] xD = 0003[
kj
kg] φD = 97
Raportul de recirculare n = 20
Debitul de aer ventilat V =Vtotal∙20
24h=
616lowast20
24= 513 [m3h]
Debitul masic m = V ∙ ρaer = 513 lowast 12 =
6156[kg
h]
3600= 0171 [kgs]
tp = minus3degC t0 = tp minus 9degC = minus3 minus 9 = minus12degC
Puterea termica a vaporizatorului ( puterea frigorifică )
ФV = Ф0
Puterea termica a icircncalzitorului
ФI = 119898 ∙ (hB - hD)
Cantitatea de apa condensată icircn unitatea de timp pe suprafața de racire este
Calculul necesarului de frig pentru depozit de fructe
33
ẆV = 119898 ∙ (XM - XD)
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
34
4 Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
Există două domenii principale icircn care se utilizează frigul artificial icircn lucrările de construcţii şi anume
icircngheţarea terenurilor acvifere icircn vederea săpării puţurilor de mină a barajelor a depozitelor de gaze lichefiate etc
prerăcirea componentelor betonului icircn cazul executării unor masive de beton ca de exemplu baraje
41 51 IcircNGHEŢAREA SOLULUI
411 511 CONSIDERAŢII GENERALE PRIVIND IcircNGHEŢAREA SOLULUI
Icircngheţarea artificială a solului reprezintă una dintre cele mai interesante şi icircn acelaşi timp şi importante aplicaţii practice a frigului artificial Totodată este una dintre primele aplicaţii industriale a tehnicii frigului şi care a asigurat o dezvoltare deosebită a industriei extractive Aşa se explică faptul că odată apărută maşina frigorifică cu absorbţie realizată icircn 1859 de către Ferdinand Carre este folosită la săparea primului puţ de mină prin icircngheţarea artificială a rocilor Dar nu numai industria minieră foloseşte icircn ultimul secol procedeul consolidării rocilor la săpararea unor lucrări subterane Lucrări inginereşti de tot genul ca metrouri staţii subterane de pompare rezervoare de gaze lichefiate poduri lucrări portuare şi altele asemănătoare amplasate icircn zone acvifere au fost realizate prin metoda consolidării prin frig a rocilor
Această metodă a consolidării rocilor prin frig artificial realizează icircn jurul lucrării inginereşti subterane un perete icircngheţat protector pe durata lucrărilor de construcţii Acest perete asigură o izolare hidraulică şi icircn acelaşi timp şi o protecţie mecanică Rezistenţa mecanică a rocilor creşte pe măsură ce temperatura lor scade icircncacirct metoda expusă mai sus prezintă avantajul reglării capacităţii portante a peretelui icircngheţat
Apa conţinută icircn terenuri prin icircngheţare capătă proprietăţile cimentului exprimate prin forţele de coeziune mari care apar icircntre cristalele de gheaţă şi grăunţii de rocă
Pentru obţinerea peretelui protector se folosesc sonde de icircngheţare forate pe conturul lucrării subterane şi prin care circulă agentul de răcire care poate fi un agent intermediar ca de exemplu saramura de clorură de calciu sau agentul frigorific de exemplu amoniacul Icircn funcţie de grosimea peretelui şi de rezistenţa mecanică pe care trebuie să o aibă se va alege temperatura agentului de răcire distanţa dintre sonde şi durata de icircngheţare
Instalaţia de consolidare prin frig a rocilor cuprinde trei părţi principale staţia frigorifică reţeaua de distribuţie a agentului de răcire (saramura) şi sondele de icircngheţare a solului
Staţia frigorifică cuprinde instalaţia frigorifică propriu-zisă cu comprimare mecanică de vapori sau prin absorbţie icircntr-o treaptă sau icircn două trepte Icircn funcţie de condiţiile de amplasament ale obiectivului staţia frigorifică poate fi de construcţie staţionară (icircn minerit) sau mobilă (la metrouri)
Reţeaua de distribuţie alcătuită din conducte metalice sau din mase plastice are rolul de a face legătura icircntre staţia frigorifică şi sondele de icircngheţare Pentru reducerea pierderilor de frig reţeaua de distribuţie se izolează termic
Sondele de icircngheţare constituie schimbătorul de căldură subteran prin care se extrage căldura de la terenul supus icircngheţării Icircn fig 51 se prezintă schiţa unei sonde de icircngheţare cu ajutorul saramurii Saramura rece cu temperatura icircntre -10 ordmC pacircnă la -35 ordmC
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
35
coboară prin ţeava interioară şi apoi se icircntoarce prin spaţiul inelar dintre cele două conducte concentrice
Figura 41 Fig 51 Sonda de icircngheţare 1 - şiu (tub scurt de oţel cu pereţi groşi rezistent) 2 - ţeava interioară 3 - ţeava exterioară (burlan de
icircngheţare) 4 - capul sondei
Circulaţia continuă a saramurii prin sonda de icircngheţare face ca rocile ce icircnconjoară sondele inclusiv apa conţinută icircn spaţiile libere să se răcească treptat Icircn jurul sondei icircncepe să se formeze stratul de rocă icircngheţată diametrul cilindrului de teren icircngheţat se măreşte icircn timp Aşa cum s-a arătat icircn capitolul 3 rezultă că dezvoltarea radială a cilindrului de rocă icircngheţată icircn jurul sondei se desfăşoară cu o viteza variabilă de icircnaintare la icircnceput viteza de icircnaintare a frontului de gheaţă este mai mare după care scade icircn timp Apoi se atinge stadiul staţionar de transfer de căldură cacircnd cilindrul nu mai creşte icircn dimensiuni Reiese că distanţa dintre sondele de icircngheţare este determinată de raza maximă a cilindrului de teren icircngheţat Pentru a realiza peretele icircngheţat care să reziste la solicitările la care este supus se impune ca distanţa dintre sondele vecine să fie mai mică decacirct raza maximă a terenului icircngheţat astfel icircncacirct cilindrii formaţi să se unească icircntre ei Icircn fig 52 se prezintă evoluţia icircn timp a icircngheţării terenului icircn jurul sondelor Icircn faza iniţială a icircnceput răcirea dar icircncă nu s-a format teren icircngheţat Icircn faza a II-a (după circa 20 zile) icircn jurul fiecărei sonde se formează cacircte un cilindru de teren icircngheţat fără ca aceştia să se unească Icircn faza a III-a (după circa 30 zile) cilindrii se icircntretaie şi formează peretele protector
Figura 42 Fig 52 Evoluţia cilindrilor individuali de rocă icircngheţată 1 - sonda de icircngheţare 2 - sonda de măsurători termice 3 - teren icircngheţat
Această evoluţie poate fi urmărită cu suficientă precizie prin măsurarea temperaturii masivului cu ajutorul unor sonde de măsurători termice 2 montate la distanţe bine stabilite de sondele vecine de icircngheţare Astfel icircn faza I-a temperatura este cea iniţială deci neafectată de prezenţa sondelor icircn faza a II-a temperatura este mai scăzută dar mai mare de 0 ordmC Cum icircn practică sondele de icircngheţare au o abatere de la poziţia verticală (sau de la cea impusă prin proiect) sondele de măsurători termice sunt prevăzute icircntre sondele
I II III
1
2 2 2
3 3
SARAMURĂ CALDĂ
IEŞIRE
INTRARE SARAMURĂ A E RECE
1
2
3
4
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
36
cele mai distanţate icircntre ele acolo unde evoluţia peretelui de protecţie este cea mai defavorabilă
Primele realizări inginereşti de consolidare prin frig artificial a terenurilor acvifere metodă prin care vor fi aduse la lumină multe bogăţii subterane sunt legate de numele inginerului de mine şi metalurgie Friederich Herman Poetsch El a obţinut icircn 27 februarie 1883 brevetul pentru procedeul său de adacircncire a puţurilor verticale icircn roci bogate icircn apă (şi curgătoare) Poetsch a reuşit să experimenteze procedeul său la adacircncirea unor puţuri de mină dar a avut şi multe insuccese icircncacirct la 9 iunie 1902 moare sărac şi dezamăgit Metoda de icircngheţare prin frig artificial a terenurilor a avut mare succes icircn Franţa Astfel numai icircn perioada 1892 - 1898 icircn bazinele carbonifere Nord şi Pas de Calais s-au săpat circa 20 puţuri pacircnă la o adacircncime de 100 m prin aplicarea metodei icircngheţării după planurile lui Poetsch
Desigur că nu ar putea fi omis numele lui Louis Gebhard care realizează numeroase lucrări de adacircncire a puţurilor prin icircngheţare atacirct icircn Germania cacirct şi icircn Franţa Anglia Olanda şi Polonia ceea ce face ca metoda propusă de Poetch să devină o tehnologie demnă de toată icircncrederea cu siguranţă absolută şi cu un mare randament
Gebhard un mare practician icircncepe sa folosească icircn locul instalaţiilor cu absorbţie realizate de F Carre pe cu cele cu comprimare mecanică de vapori realizate de Karl von Linde cu icircncepere din anul 1874
Poetsch icircn 1888 prevede extinderea procedeului de icircngheţare la construcţia podurilor la construcţii navale lucrări de fortificaţii la protecţia fundaţiilor subterane şi a bazinelor cu apă El susţine că poate să rezolve orice problemă sub apă chiar şi puţuri icircncepute şi abandonate
Icircn anul 1900 se depăşeşte bariera adacircncimii de 100 m Realizarea unor puţuri mai adacircnci (peste 100 m) ridică unele probleme icircn plus faţă de puţurile de mai mică adacircncime deoarece abaterile de la verticalitate pot conduce la formarea unor ferestre icircn peretele protector
Icircn ţara noastră această tehnologie de forare a unor puţuri de mină cacirct şi a galeriilor de metrou prin icircngheţarea solului a fost folosită cu icircncepere din anul 1961 aşa cum se prezintă icircn paragraful 513
412 512 CONSTRUCŢIA INSTALAŢIEI DE IcircNGHEŢARE A SOLULUI
Icircn funcţie de forma şi mărimea lucrării care se realizează la adăpostul terenului icircngheţat principial se pot utiliza următoarele tipuri de instalaţii
a) cu răcire indirectă denumită şi cu dublu schimb (fig53)
b)cu răcire directă icircn circuit icircnchis (fig 54)
c)răcire directă icircn circuit deschis (fig55)
a) Răcirea indirectă se utilizează icircn practică cel mai mult fiind cunoscută icircncă de la icircnceputurile metodei de icircngheţare a solului
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
37
Figura 43 Fig 53 Instalaţia frigorifică cu răcire indirectă 1 - compresor 2 - condensator3 - ventil de laminare 4 - vaporizator 5 - bazin de răcire a saramurii 6
- agitator 7 - pompă de saramură 8 - sonde de icircngheţare
Ca agent frigorific se poate folosi amoniacul sau freonii iar ca agent intermediar se utilizează soluţiile de clorură de calciu clorura de sodiu sau magneziu sărurile respective fiind relativ uşor de procurat
Instalaţiile frigorifice cuprind unul sau mai multe blocuri frigorifice Acest mod de compunere prezintă avantaje icircn ceea ce priveşte montarea cacirct şi exploatarea instalaţiilor se poate asigura o reducere icircn trepte a puterii frigorifice pe măsură ce creşte rezistenţa termică a stratului de teren icircngheţat
Componentele principale ale instalaţiei frigorifice se montează grupat pe cele trei secţiuni secţia de compresoare secţia condensatoarelor şi secţia vaporizatoarelor De regulă compresoarele se montează fie icircn aer liber atunci cacircnd tipul lor permite fie acoperite sub şarpante protectoare
Pe măsură ce se scot din funcţiune blocurile frigorifice se demontează şi se pot monta la un nou obiectiv
b) Răcirea directă icircn circuit icircnchis (fig 54) se utilizează icircn cazul icircn care adacircncimea de icircngheţare este mică
Figura 44 Fig 54 Instalaţia frigorifică cu răcire directă icircn circuit icircnchis 1 - compresor 2 - condensator 3 - ventil de laminare 4 - sonde de icircngheţare
Sondele de icircngheţare constituie vaporizatorul instalaţiei frigorifice Icircn cazul unor sonde de lungime mare icircnălţimea coloanei de agent frigorific este de asemenea mare Ca urmare a presiunii hidrostatice variabile şi temperatura de vaporizare este variabilă fiind mai mare
1
2
1111111 Apă
3
4
1
2
Apă 3
4
5
6
7
8
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
38
la capătul inferior şi mai mică la capătul superior Din acest motiv adacircncimea sondelor de icircngheţare nu poate depăşi anumite limite şi icircn plus se recurge la fragmentarea coloanei de lichid cu ajutorul unor pereţi despărţitori
Pierderile de agent frigorific mai mari decacirct icircn cazul răcirii indirecte reprezintă un alt inconvenient al acestui mod de răcire
c) Răcirea directă icircn circuit deschis constă icircn introducerea agentului frigorific (cel mai frecvent azot lichid) icircn sondele de icircngheţare fără ca acesta să mai fie folosit după vaporizare
La presiunea atmosferică azotul lichid fierbe la temperatura de -196 ordmC icircncacirct vaporii reci de azot icircnainte de a fi evacuaţi se folosesc de asemenea pentru congelarea solului fiind circulaţi prin sonde de icircngheţare (Fig 55)
Figura 45 Fig 55 Icircngheţarea cu azot lichid icircn două trepte 1 - ventil de laminare 2 - sonda de icircngheţare 3 - sonda de icircngheţare cu vapori de azot
Această metodă se foloseşte cacircnd se urmăreşte o icircngheţare rapidă şi volumul de teren icircngheţat este redus
Se vor prezenta icircn continuare unele elemente constructive ale instalaţiilor de icircngheţare
Reţeaua de saramură (fig 56) are rolul de a asigura transferul de căldură de la sol către agentul frigorific Cuprinde două schimbătoare de căldură cel subteran alcătuit din sondele de icircngheţare şi cel de suprafaţă reprezentat de vaporizatorul imersat icircn saramură Icircntre cele două schimbătoare de căldură există conducte magistrale distribuitoare - colectoare şi racorduri la sonde
Saramura răcită prin intermediul vaporizatorului 1 este circulată cu pompa 2 prin magistrala de tur a reţelei 3 Sondele de icircngheţare 5 se leagă prin vane la distribuitorul 4 şi colectorul 6 ambele de construcţie inelară Printr-o asemenea construcţie şi mod de legare a sondelor prezentate icircn figura 56 se asigură o echilibrare a căderilor de presiune pe sondele de icircngheţare şi ca urmare o alimentare uniformă cu agent intermediar şi deci şi o răcire uniformă pentru toate sondele
1
2
AZOT LICHID
VAPORI
AZOT -40OC
3
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
39
Figura 46 Fig 56 Schema reţelei de saramură 1- vaporizatorul 2 - pompa de saramură 3 - magistrala de tur 4 - distribuitorul inelar 5 -sondele de
icircngheţare 6 - colectorul inelar 7 - magistrale de retur M - manometru D - debitmetru T - termometru
Magistralele 3 şi 7 de acelaşi diametru şi lungime variabilă (determinată de o serie de factori) se pot monta atacirct la suprafaţă cacirct şi icircn canal
Magistralele se dimensionează icircn funcţie de puterea frigorifică a schimbătorului de căldură subteran alcătuit din sondele de icircngheţare
F0 qNHd [W] (51)
unde d - diametrul exterior al sondei de icircngheţare m
H - adacircncimea de icircngheţare m
N - numărul de sonde de icircngheţare
qF - densitatea fluxului termic raportat la suprafaţa exterioară a sondei La temperatura saramurii de - 20 ordmC se poate considera qF = (260290) Wm2
Debitul volumic V de agent intermediar icircn reţeaua de icircngheţare icircn funcţie de care se aleg
pompele se determină cu relaţia
tc
V o
(52)
icircn care este densitatea agentului intermediar kgm3
c - căldura specifică a agentului intermediar JkgK
t - creşterea temperaturii agentului (saramura) icircn sondele de icircngheţare K
La icircnceputul perioadei de răcire diferenţa de temperatură este t = 56 K ca apoi să scadă la 12 K
Icircn conductele magistrale se recomandă ca viteza saramurii să fie w = 0915ms
Icircn acest caz diametrul conductelor de transport a saramurii este dat de relaţia
w
V4D
[m] (53)
Icircn funcţie de valoarea determinată pentru D se aleg conducte metalice de diametru nominal cuprins icircntre 75200 mm Dacă rezultă D gt 200 mm se vor alege două conducte cu diametrul mai mic de 200 mm
2
T
T
M
M D
D
NH
3
3
4
6
5
7
1
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
40
Conductele magistrale se realizează prin icircmbinări cu flanşe sau sudate iar la lungimi mai mari de 100150 m se vor prevedea coturi compensatoare Pentru reducerea pierderilor de frig magistralele vor fi izolate termic
Distribuitorul de saramură răcită şi colectorul de saramură de la sonde sunt construcţii metalice identice
Icircn figura 57 se prezintă modul de racordare a sondelor de icircngheţare 5 la distribuitorul 1 şi colectorul 2 Vanele 3 asigură icircnchiderea deci oprirea circulaţiei şi reglajul debitului Prin aceste vane se poate izola o anumită sondă care nu funcţionează normal sau la care se observă o anumită defecţiune
Figura 47 Fig 57 Racordarea sondelor de icircngheţare la distribuitor şi colector 1 - distribuitor 2 - colector 3 - vane 4 - racord elastic 5 - sonda de icircngheţare
Poziţia distribuitorului şi colectorului faţă de racircndul sondelor de icircngheţare poate fi laterală de o singură parte sau laterală de ambele părţi ale sondelor Amplasamentul trebuie astfel făcut icircncacirct să fie posibilă vizitarea supravegherea şi eventual icircnlocuirea sondelor de icircngheţare
Racordarea sondelor la distribuitor şi colector se face prin cacircte un racord elastic (fig 57) Dimensionarea distribuitoarelor şi a colectoarelor se face din condiţia ca viteza saramurii să nu depăşească 0915 ms
Coloanele de distribuţie şi colectare urmăresc icircn teren forma şirului de sonde de icircngheţare şi pot avea acelaşi traseu sau trasee diferite Configuraţia traseului poate fi icircn linie sau circulară Icircn oricare din situaţiile prezentate distanţele dintre ştuţurile de racord şi sondele de icircngheţare sunt variabile astfel icircncacirct racordurile rigide prin flanşe şi sudură sunt greu de realizat Cea mai practică soluţie de racord icircn acest caz este furtunul de cauciuc (fig 57)
Icircn reţeaua de saramură poate pătrunde aer prin procesul de pompare ceea ce conduce la intensificarea acţiunii corosive a saramurii Icircn scopul icircndepărtării aerului nedorit pe partea superioară a conductelor icircn punctele cele mai ridicate ale acestora se montează robineţi de evacuare periodică a aerului şi eventual a altor gaze
Pe conductele magistrale se vor monta aparate de măsură şi control debitmetre termometre şi manometre (fig 56) Icircn acest caz se poate aprecia funcţionarea fiecărei sonde după depunerile exterioare de gheaţă pe racordul metalic sau de cauciuc lăsate neizolate termic tocmai icircn acest scop Icircn scopul urmăririi regimului de lucru sub aspect
5
4
1
2 3
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
41
hidraulic şi termic icircn mod individual se pot monta aparate de măsură şi control pe fiecare sondă de icircngheţare dar această soluţie este mai costisitoare
Sonda de icircngheţare realizează transferul de căldură de la terenul ce urmează a fi icircngheţat spre agentul frigorific (la răcirea directă) sau agentul intermediar (la răcirea indirectă)
Icircn figura 51 s-a prezentat schema de principiu a unei sonde de icircngheţare cu saramură activă pe toată lungimea Conducta exterioară sau burlanul de icircngheţare 3 este o conductă din oţel etanşă şi rezistentă la eforturile mecanice care apar datorită presiunii solului şi variaţiei de temperatură icircntre momentul fixării ei icircn sol şi cel al funcţionării la o temperatura sub 00C
Icircn procesul de icircngheţare coloana de burlane care poate atinge lungimi de sute de metri se contractă icircnsă nu liber deoarece ea este stracircnsă icircn masivul de roci La o variaţie de temperatură icircntre momentul iniţial (fără saramură) şi momentul pornirii circulaţiei de saramură de 400C conducta din oţel de 500 m adacircncime ar trebui să se contracte cu
tHH = 500 11 10-6 40 = 0220 m = 22 cm
Datorită fixării coloanei icircn gaura forată efortul unitar de icircntindere ce apare icircn urma scăderii temperaturii este
tE = 22 1010 11 10-10 40 = 968 105 Nm2 = 9680 Ncm2
La acest efort de icircntindere apărut datorită contracţiei coloanei se mai adaugă efortul de acelaşi semn provocat de dilatarea masivului de rocă acviferă icircngheţată Icircn scopul compensării eforturilor de icircntindere s-a propus icircmbinarea coloanei cu nipluri elastice O asemenea soluţie este mai scumpă şi icircn plus micşorează secţiunea liberă de curgere ceea ce conduce la icircncălzirea excedentară a saramurii
La lucrări subterane de mare adacircncime ca puţurile de mină depozite subterane se folosesc burlane de 1397 x 7 mm pentru a fi posibilă determinarea abaterii de la poziţie verticală
La tunelurile de metrou şi icircn general la lucrările la care adacircncimea de icircngheţare nu depăşeşte 50 - 60 m diametrul cel mai frecvent utilizat este 1143 x 7 mm
Ţeava interioară 2 (fig 51) numită şi tub de alimentare de regulă ţeava uşoară de instalaţii de 50 mm diametrul se introduce icircn burlanul exterior 3 fără icircnsă a atinge şiul de bază 1 al sondei Se asigură icircn acest mod un volum minimal de depuneri solide care circulă cu saramura icircn mod incidental Icircn scopul economisirii de metal tubul de alimentare poate fi din material plastic ceea ce prezintă marele avantaj al lipsei coroziunii şi al refolosirii materialului respectiv
Şiul de fund are rolul de a asigura icircnchiderea burlanului exterior icircn partea sa inferioară Cel mai adesea are formă conică pentru a asigura introducerea cu uşurinţă a coloanei metalice icircn gaura de sondă Această componentă a sondei de icircngheţare se execută fie prin turnare sau se confecţionează cu ajutorul sudurii
Corespunzător profilului geologic al terenului icircn care se lucrează se icircntacirclnesc şi cazuri cacircnd nu este nevoie să se icircngheţe terenul pe toată icircnălţimea sondelor ci numai la partea lor inferioară Icircn acest caz se folosesc sonde de icircngheţare zonală (fig 58) cu ajutorul cărora se asigură congelarea doar a zonei inferioare ceea ce prezintă avantaje economice deosebite nu se consumă energie pentru a icircngheţa icircn mod inutil formaţiuni geologice consistente şi uscate şi nu se reduce ritmul lucrărilor de săpare printr-o eventuală mărire a rezistenţei rocilor
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
42
Figura 48 Fig 58 Sonda de icircngheţare zonală
1 - burlan exterior 2 - tub de alimentare 3 - şiu 4 - tub de evacuare
Figura 49 Fig59 - Sonda de icircngheţare cu agent
frigorific 1 - tub exterior 2 - perete despărţitor 3 - şiu 4 -
ştuţ (ţeavă de preaplin) 5 - condensator - vaporizator
Icircn cazul răcirii directe sondele de icircngheţare cu agent frigorific sunt de construcţie specială (fig 59) Particularitatea acestor sonde este prezenţa pereţilor despărţitori 2 dispuşi unul sub celălalt la circa 3 m fiecare perete fiind prevăzut cu un ştuţ de preaplin O asemenea construcţie are rolul de a fracţiona coloane de lichid ceea ce asigură o răcire mai uniformă pe lungimea sondei
Fiecare sondă este prevăzută la partea superioară cu cacircte o cămaşă de răcire Sondele se umplu cu amoniac lichid icircntr-o asemenea cantitate icircncacirct fiecare secţie să fie icircnecată cu lichid respectiv pacircnă la partea superioară a ştuţurilor 4 Ca urmare a fluxurilor de căldură de la sol se produce fierberea amoniacului icircn toate secţiile sondei Vaporii formaţi se ridică prin ştuţurile 4 şi ajungacircnd la partea superioară a sondei se condensează cedacircnd căldură agentului (amoniac) din cămăşile de răcire
Ca urmare cămăşile de răcire de la partea superioară a sondelor constituie vaporizatorul instalaţiei frigorifice Amoniacul care se condensează la partea superioară a sondei curge icircnapoi (de sus icircn jos) prin ştuţurile 4 Folosirea pereţilor despărţitori şi a ştuţurilor micşorează influenţa presiunii hidrostatice a lichidului asupra temperaturii de vaporizare a amoniacului Asemenea sonde de icircngheţare se folosesc pentru lucrări de mică adacircncime
Amplasarea sondelor se face icircn funcţie de o serie de factori formă poziţia şi dimensiunile lucrării care se realizează structura terenului temperatura şi viteza agentului etc
Icircn cazul puţurilor de mină de secţiune circulară sondele se amplasează pe un cerc
concentric de diametru D mai mare decacirct diametrul de săpare Ds cu grosimea a peretelui icircngheţat
sDD (54)
Trebuie să se ţină seama şi de deviaţia sondelor de la poziţia verticală icircncacirct pentru adacircncimi mari se utilizează relaţia
3
2 4
1
VAPORI 5 LICHID
3
2
4 1
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
43
a21DD s (55)
unde a = 003 H este abaterea medie statistică de la verticală a sondelor
Distanţa dintre sonde se ia de obicei de 1014 m icircn terenuri rezistente şi de 0809 m icircn terenuri slabe
Pentru adacircncimi de peste 500 m se recomandă să se dispună sondele pe două cercuri concentrice pentru a se forma un perete de grosime mai mare şi deci mai rezistent
La icircngheţarea terenului icircn jurul puţurilor de secţiune dreptunghiulară sondele se pot dispune pe dreptunghi sau elipsă Icircn aceste situaţii centura de teren icircngheţat poate fi solicitată la icircntindere ceea ce este de nedorit deoarece limita de rezistenţa la icircntindere a terenurilor icircngheţate este de circa 3 ori mai mică decacirct limita rezistenţei la compresiune Din acest motiv chiar şi la puţurile de mină de secţiune dreptunghiulară sondele se dispun pe unul sau două cercuri (fig 510)
Pentru realizarea galeriilor icircnclinate icircngheţarea terenului se realizează cu sonde verticale (fig 511) sau combinat atacirct cu sonde verticale cacirct şi cu sonde icircnclinate (fig 512)
Distanţa dintre sondele verticale (fig 511) se ia de 23 m iar distanţa dintre racircnduri este de 1525 m
Se poate folosi cacircte un racircnd de sonde icircnclinate montate deasupra galeriei (fig 212 a) sau sonde icircnclinate sub galerie şi sonde verticale scurte deasupra galeriei (fig 512 b)
SONDA
154 m
16
6 m
226
262
85
SONDA
Figura 411 Fig 511 Amplasarea sondelor verticale pentru realizarea galeriei icircnclinate
Figura 411 Fig 510 Dispunerea sondelor icircn jurul puţurilor de mină de secţiune
dreptunghiulară
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
44
Figura 412 Fig 512 Realizarea galeriilor icircnclinate cu sonde verticale (1) şi sonde oblice (2)
I - secţiunea longitudinală II - secţiunea transversală a) sonde icircnclinate deasupra galeriei b) sonde icircnclinate sub galerie
413 513 UTILIZAREA METODEI DE IcircNGHEŢARE A SOLULUI IcircN ŢARA NOASTRĂ
a)Puţuri de mină
Aplicarea metodei de icircngheţare a solului pentru lucrări de minerit a avut loc la noi icircn ţară icircncepacircnd cu anul 1960 la puţul Godeni din bazinul carbonifer Cacircmpulung - Muscel Proiectul a fost elaborat icircn anul 1959 la IPROMIN Bucureşti iar lucrarea a fost executată cu Trustul Minier Argeş avacircnd icircn subantrepriză de specialitate Icircntreprinderea Frigotehnica Bucureşti şi Trustul de prospecţiuni explorări şi deschideri de mine noi Bucureşti
Adacircncimea de săpare a puţului Godeni a trebuit sa fie de 202 m Sondele de icircngheţare constituite din două ţevi concentrice (fig 51) cu diametrele exterioare de 146 mm şi respectiv 57 mm icircn număr de 27 au fost amplasate pe un cerc cu diametrul de 10 m la distanţa de 117 m una de alta
Instalaţia frigorifică a fost dimensionată cu mare precauţie pentru a avea o siguranţă mărită icircn funcţionarea ei Toate părţile componente ale instalaţiei frigorifice au fost proiectate şi executate icircn ţară
La proiectarea instalaţiei s-a avut icircn vedere funcţionarea de scurtă durată şi variaţia puterii frigorifice icircn timp S-a utilizat răcirea indirectă cu soluţie de clorură de calciu iar ca agent frigorific a fost folosit amoniacul Pentru a avea elasticitatea necesară icircn funcţionare la diferite puteri frigorifice au fost folosite grupuri de utilaje frigorifice şi anume
6 compresoare 4 AU - 20 (200000 kcal Nh =233 kW fiecare)
3 baterii de condensatoare atmosferice a cacircte 300 m2 (900 m2)
bazine pentru răcirea saramurii fiecare cu cacircte 2 vaporizatoare superintensive de 50 m2 (600 m2)
2 grupuri a cacircte 5 pompe pentru recircularea saramurii
Puterea frigorifică a instalaţiei montate a fost de 12106 kcal Nh =1395 kW şi s-a caracterizat prin următoarele date tehnice la exploatare
85
1
2
I 85
1
2
I
85
1
2
II
85
1
2 II
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
45
o suprafaţa de schimb de căldură a sondelor 2500 m2 o puterea instalaţiei 750 kW o debitul saramurii icircn
o icircn perioada activă 350 m3h o icircn perioada pasivă 70 m3h
o viteza de circulaţie a saramurii icircn sondă o tur 18 ms 036 ms o retur 029 ms 006 ms
o volumul rocilor icircngheţate circa 10000 m3 o consumul specific de frig mediu 50000 m3 o durata icircngheţării (perioada activă) 130 zile
Icircn timpul răcirii şi deci a icircngheţării solului puterea frigorifică scade icircn mod continuu icircncacirct treptat s-a scos din funcţiune cacircte un compresor icircn perioada pasivă (de săpare a puţului) s-a menţinut icircn lucru doar un singur compresor şi grupul de utilaje aferent
După terminarea lucrărilor de la puţul Godeni icircn anii următori aceeaşi instalaţie s-a montat la puţul Poenari din acelaşi bazin carbonifer unde sondele au fost amplasate pe un cerc cu diametrul de 11 m la distanţa de 128 m una de alta
Un alt puţ realizat prin această tehnologie de icircngheţare a solului a fost puţul Jugur de la acelaşi bazin carbonifer Centrala frigorifică a cuprins 15 compresoare 3 AV - 20 (150000 kcal Nh fiecare=175kW) repartizate icircn 5 linii tehnologice independente cu icircntreg utilajul aferent Fiecare linie este compusă din
o butelie de răcire intermediară BRI - 700 un condensator cu evaporare forţată CEF - 180 un bazin cu patru grupuri vaporizatoare intensive de cacircte 165 m2 (icircn total 66 m2)
Sondele de icircngheţare icircn număr de 27 bucăţi au fost prevăzute să se amplaseze pe un cerc cu diametrul de 104 m la distanţă de 121 m Sondele sunt de tipul celei indicată icircn figura 58 deci cu răcire zonală avacircnd următoarele caracteristici diametrul exterior al burlanului este de 146 mm iar tuburile interioare au 57 mm (la exterior) tubul de alimentare are lungimea de 430 m iar cel de evacuare este de 220 m Ca urmare sondele de icircngheţare trebuie să producă icircngheţarea solului numai pe adacircncimea de la 220 m la 430 m Prin proiect s-au prevăzut următoarele date temperatura saramurii - 35 ordmC viteza saramurii icircn conducte de tur 18 ms viteza icircn conducte de retur (pe adacircncimea de răcit) 06 ms durata icircngheţării (perioada activă) a fost de 75 zile
Au fost prevăzute temperaturi scăzute şi viteze mari de congelare deoarece cilindrul icircngheţat trebuie să preia presiuni de pacircnă la 56 bar
b)Tunelurile pentru metroul din Bucureşti
Icircncepacircnd cu anul 1976 pentru realizarea metroului din Bucureşti s-a procedat la aplicarea metodei de icircngheţare a solului icircntr-o zonă considerată experimentală dar cu realizări efective de galerii
Prin proiect s-a prevăzut consolidarea prin icircngheţare artificială a profilului de săpare a tunelurilor de metrou pe o lungime de circa 550 m pe ambele fire Amplasamentul sondelor s-a făcut icircn două variante (pentru experimentare) pentru un fir de tunel ambele racircnduri de sonde s-au fixat icircn profilul circular de săpare iar pentru cel de al doilea fir de tunel sondele au fost forate icircn afara profilului de icircnaintare (fig 513) Au fost folosite sonde cu saramură cu posibilitatea de icircngheţare pe toată icircnălţimea de 16 m cacirct şi sonde cu icircngheţare zonală icircntre adacircncimile de 7 m şi 16 m Distanţa dintre sonde a fost fixată la 14 m
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
46
Pentru a se icircmpiedica accesul apelor icircn frontul de săpare datorate unor eventuale zone neicircngheţate traseul de tunel icircngheţat a fost icircmpărţit icircn incinte icircnchise prin timpane transversale La distanţe de 3050 m icircn lungul traseului au fost montate sonde de icircngheţare aşezate icircn plan normal pe axul tunelului prin care să se icircnchidă accesul apelor spre frontul de săpare
Echipamentul frigorific principal cuprinde
- 8 compresoare frigorifice 3 AV - 20 funcţionacircnd icircntr-o treaptă pentru care
corespunde puterea frigorifică de 12 106 kcal Nh =1395 kW
- 4 condensatoare de evaporare forţată CEF - 250
- 3 bazine de răcire a saramurii echipate cu cacircte 4 grupuri de vaporizatoare superintensive de cacircte 51 m2 (total 612 m2)
- 3 grupuri de cacircte 2 pompe a 220 m3h pentru circulaţia saramurii pe traseele de distribuţie şi prin sonde
Figura 413 Fig513 Amplasamentul sondelor de icircngheţare
Centrala frigorifică este stabilă adăpostită icircntr-o baracă metalică demontabilă existacircnd posibilitatea de reamplasare rapidă a instalaţiei icircntr-un alt loc Agentul frigorific utilizat este amoniacul iar agentul intermediar este clorura de calciu
Icircn perioada principală de icircngheţare temperatura de vaporizare este to = -22 ordmC asiguracircnd răcirea saramurii la -17 ordmC iar pe retur saramura a avut temperatura cu 15 ordmC mai ridicată
La o asemenea lucrare realizată icircn oraş se impune protejarea contra icircngheţului a straturilor de deasupra galeriilor icircn care sunt amplasate instalaţiile de apă - canal ceea ce presupune folosirea sondelor cu icircngheţare zonală care să nu fie active la partea superioară
c) Puţuri pentru prospectarea balastierelor
Procedeul şi instalaţia frigorifică au avut caracter de noutate şi s-a aplicat icircncepacircnd cu anul 1966 la mai multe obiective icircn general pe văile racircurilor unde s-au construit hidrocentrale
A
A B
B
A-A
000 -300 -700 -1061 -1300
65
800
B-B
000 -300 -700 -1061 -1300
65
550
ARGILA
ARGILA
NISIP
NISIP
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
47
Echipamentul frigorific principal cuprinde un agregat frigorific pentru amoniac de 20000 kcal Nh = 233 kW rezervor de amoniac separator de lichid şi anexe - toate fiind montate pe o remorcă
S-au folosit sonde de icircngheţare cu agent frigorific icircn număr de 8 bucăţi cu diametrul exterior de 133 mm montate pe un cerc cu diametrul de 2 m la distanţa de 076 m lungimea lor fiind de 75 m Legarea sondelor la distribuitor şi colector s-a făcut cu racorduri flexibile
Sondele au o construcţie specială fiind prevăzute cu 4 pereţi transversali cu ştuţuri de preaplin formacircndu-se astfel 5 compartimente Agentul lichid se introduce icircn compartimentul cel mai de sus şi se scurge prin ştuţuri pacircnă la baza sondei Conducta de aspiraţie străbate toate compartimentele vaporii fiind aspiraţi din compartimentul cel mai de jos Circulaţia vaporilor formaţi se face ca şi a lichidului de sus icircn jos obţinacircndu-se astfel o răcire uniformă şi eficientă pe toată icircnălţimea sondei
Durata icircngheţării respectiv a formării centurii de teren icircngheţat la adăpostul căreia să se poată efectua săparea şi preluarea de probe de sol este de 10 zile
414 514 CAcircMPUL DE TEMPERATURĂ IcircN SOLUL IcircNGHEŢAT
Cacircnd prin sonda de icircngheţare circulă saramură a cărei temperatura este sub 0 ordmC practic - 20 ordmC-25 ordmC icircn jurul sondei se formează un cacircmp termic care icircn cazul unei singure sonde poate fi reprezentat prin suprafeţe cilindrice coaxiale de temperatură constantă (izoterme)
După distanţa radială se deosebesc icircn sol din punct de vedere termic trei zone zona cilindrică din imediata vecinătate a sondei care este icircn zona icircngheţată zona răcită cuprinsă icircntre suprafaţa cilindrică izotermă de 0 ordmC şi izoterma de temperatură naturală şi a treia zonă cea de temperatura naturală (fig 514)
Icircn zona icircngheţată temperatura masivului variază de la temperatura peretelui metalic al sondei pacircnă la 0 ordmC Icircn zona răcită temperatura masivului creşte de la 0 ordmC pacircnă la temperatura naturală a masivului
Figura 414 Fig 514 Cacircmpul de temperatură icircn jurul unei sonde de icircngheţare
Este important să se cunoască cacircmpul termic icircn terenul supus icircngheţării deoarece acesta oferă date privind zona de răspacircndire a consolidării rocilor prin solidificarea apei cacirct şi a
t [oC]
r [m]
t (r)
ZONA RACITA
ZONA INGHETAT
A
ts TEMPERATURA NATURALA A ROCII
-20
-10
40
10 0 20 30
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
48
rezistenţei mecanice a rocii icircngheţate Se cunoaşte faptul că rezistenţa mecanică depinde direct de temperatură
Studiul variaţiei temperaturii icircn zona de influenţă a unei sonde şi a tuturor sondelor simultan oferă posibilitatea calculării dimensiunilor la proiectarea construcţiei peretelui protector cacirct şi controlul procesului icircn timpul desfăşurării lucrărilor
Pentru a se stabili relaţia de variaţie a temperaturii icircn zona icircngheţată icircn funcţie de raza r se consideră ecuaţia diferenţială
dr
dtr2q (56)
icircn care q este fluxul unitar de căldură corespunzător lungimii de 1 m din sonda de icircngheţare Wm
- conductivitatea termica a terenului Wm
Integrarea directă a ecuaţiei analitice se poate face icircn ipoteze simplificatoare consideracircnd
= const şi q = const ceea ce este justificat la valori mari ale timpului de răcire
Se separa variabilele
r
dr
2
qdt
(57)
Se consideră cunoscute temperaturile t1 la suprafaţa sondei de raza r1 și t2 = 0 ordmC la raza r2 corespunzătoare suprafeţei exterioare a cilindrului icircngheţat Se integrează ecuaţia (6-7) și cunoscacircnd limitele de integrare se va determina constanta de integrare
Cr ln2
qt
(58)
pentru r = r1 t = t1 deci
11 rln2
qtC
(59)
1
1r
rln
2
qtt
(510)
Se pune condiţia ca pentru r = r2 t = t2
1
212
r
rln
2
qtt
(511)
Se elimina q intre relaţiile (510) și (511) şi se obţine
1
2
1121
r
rln
r
rln
tttt (512)
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
49
Figura 415 Fig 515 Schema schimbătorului de căldură subteran
Pentru t2 = 0 ordmC relaţia (5-12) devine
)rrln(
)rrln(tt
12
21 (513)
Icircn figura 515 se prezintă o secţiune axială printr-o sondă de icircngheţare şi variaţia temperaturii icircn limitele t0 - temperatura agentului de răcire şi ts - temperatura naturală a solului
Cantitatea de căldură transferată de la masivul neicircngheţat spre agentul de răcire prin unitatea de lungimea de conducta şi unitatea de timp se calculează cu expresia
221
2
1o
1
moo
os
d
1
d
dln
1
d
dln
2
1
d
1
ttq
(514)
Icircn calculele inginereşti cel mai frecvent se determină nu fluxul termic pe unitatea de lungime a conductei ci fluxul termic qF raportat la unitatea de suprafaţă a conductei metalice la 1 m2 de suprafaţa exterioară sau interioară Mărimea qF se calculează astfel
22
o
1
2
1
o
o
1
m
o
o
oS
o
F
d
d
d
dln
2
d
d
dln
2
d1
tt
d
(515)
Fluxul termic qF prin unitatea de suprafaţă a sondei de icircngheţare calculat pentru adacircncimea de 100 m icircn regim laminar de curgere a agentului de răcire prin spaţiul inelar al sondei cu viteza w = 01 ms la diametre ale cilindrului de rocă icircngheţata
de la 02 la 3 m pentru to = -20 ordmC do = 01 m 1 = 233 WmK variază de la 720 la 230 Wm2 aşa cum se poate observa din figura 516 şi tabelul 51
d2
d1
d0
t
qF
t0
t2
t1 2
m 1
m
ts
Conducta Teren icircngheţat Teren
neicircngheţat
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
50
Figura 416 Fig 516 Variaţia fluxului termic qF prin unitatea de suprafaţă a sondei de icircngheţare 1 - regim turbulent 2 regim laminar
Tabelul 51Variaţia fluxului termic qF [Wm2]
Diametrul cilindrului de rocă icircngheţată icircn m
02 04 05 08 10 15 20
qF regim laminar 1160 550 387 330 302
qF regim laminar 720 465 423 350 321 283 258
Se observă ca densitatea fluxului de căldura qF scade foarte mult de la 800900 Wm2 la icircnceputul operaţiei de consolidare prin frig a rocilor pacircnă la 230250 Wm2 cacircnd cilindrul de rocă icircngheţata atinge diametrul de 23 m Ca urmare a acestei situaţii şi puterea frigorifică a instalaţiei va scădea icircn decursul a 6080 zile tot cu raportul de 800230 = 35
Instalaţia frigorifică va fi constituită din grupuri de utilaje (module) ce vor fi scoase treptat din funcţiune pe măsură ce se reduce densitatea fluxului de căldură qF ca urmare a creşterii grosimii stratului de teren icircngheţat Icircn practică pentru calcule se va considera qF = (260290) Wm2
O mărime importanta pentru proiectarea instalaţiei şi aprecierea procesului de consolidare a rocilor este timpul de icircngheţare Pentru calculul duratei de icircngheţare se pot folosi relaţiile prezentate icircn capitolul 3 la formarea gheţii pe suprafeţe cilindrice exterioare La aprecierea valorii pentru ls - căldura latentă de solidificare se avea icircn vedere conţinutul de apă din terenul supus icircngheţării
Dacă icircntre relaţiile pentru dependenţele (r) şi qF(r) se elimină r se obţine dependenţa
qF() Eliminarea nu se poate face direct ci fie cu ajutorul calculatorului fie printr-o construcţie grafică prezentată icircn figura 517
Studiul variaţiei temperaturii icircn solul icircngheţat cacirct și variaţia icircn timp a densităţii fluxului de căldura se poate face cu ajutorul calculatorului electronic
1200
1000
800
600
400
200
0 05 1 15 2 25 3
qF [Wm2]
Diametrul cilindrului de rocă icircngheţată [m]
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
51
Figura 417 Fig 517 Stabilirea dependentei qF() pe baza dependentelor qF(r) și (r)
415 515 ELEMENTE DE PROIECTARE A INSTALAŢIEI FRIGORIFICE PENTRU IcircNGHEŢAREA SOLULUI
Pentru proiectarea instalaţiei frigorifice trebuie sa se stabilească la icircnceput elementele de baza și anume
- puterea frigorifică maximă care apare la icircnceputul perioadei de răcire cacircnd pătrunderile de căldura spre agentul de răcire din sondele de icircngheţare au valori mai mari temperatura de vaporizare a agentului frigorific plecacircnd de la temperatura minimă sau medie din solul icircngheţat şi avacircnd icircn vedere modul de răcire directă sau indirectă
Se calculează cantitatea totală de căldură ce trebuie extrasă din terenul supus răcirii şi icircngheţării Se cunoaşte structura terenului icircngheţat deci se cunosc icircnălţimile h1 h2hn ale diferitelor straturi componente cacirct şi proprietăţile termofizice ale acestora
Grosimea centurii de teren icircngheţat se stabileşte icircn urma calculelor de rezistenţa materialelor icircncacirct se pot calcula volumele ocupate de straturile componente V1 V2Vn
Cantitatea de căldură ce trebuie extrasă din zona icircngheţată cuprinde două componente și anume
cantitatea de căldura Qa corespunzătoare răcirii şi icircngheţării apei
cantitatea de căldura Qt necesara răcirii părţii solide a terenului
n
1kfgsikaakka tcltcVQ (516)
unde
k - reprezintă conţinutul icircn apă din stratul respectiv [m3m3]
a - densitatea apei [kgm3]
ca cg - căldura specifica a apei respectiv a gheţii Jkg K
tik - temperatura iniţiala a stratului respectiv (de ordinul k)
tf - temperatura medie finala a masivului icircngheţat
ls - căldura latentă de solidificare a apei
r
q
q
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
52
fik
n
1kkkkkt ttc1VQ
(517)
k - densitatea părţii de teren solid (uscat) din stratul k
ck - căldura specifică a terenului uscat din stratul k
Cantitatea de căldură extrasă din terenul răcit reprezintă circa 1018 din cantitatea de căldură extrasă din zona de teren icircngheţat
Deci cantitatea totală de căldură Q ce va trebui preluată de către instalaţia frigorifică se poate aprecia astfel
Q = (110118) (Qa + Qt) (518)
Cu relaţia (51) se calculează puterea frigorifica a instalaţiei adoptacircnd o valoare medie pentru densitatea fluxului de căldura qF
Se poate aprecia timpul de funcţionare a instalaţiei frigorifice
o
Q
(519)
La anumite grosimi ale cochiliei de teren icircngheţat icircn jurul sondei densitatea fluxului termic scade sub valoarea medie adoptată icircn calcule şi ca urmare icircncepacircnd de la acest moment se va putea reduce treptat puterea frigorifica a instalaţiei prin scoaterea din funcţiune a unor grupuri
La proiectare se pot avea icircn vedere unele recomandări practice pentru stabilirea necesarului de frig pentru icircngheţarea unui m3 la -10 ordmC este necesar un consum specific de frig de 66000 kJ la 10 umiditate de 155000 kJ la 35 umiditate și de 210000 kJ la 50 umiditate
42 52 RĂCIREA BETONULUI LA CONSTRUCŢIILE MASIVE
421 521 INSTALAŢII DE PRERĂCIRE A COMPONENTELOR BETONULUI
Formarea betonului din elementele sale componente (nisip pietriş ciment şi apă) este icircnsoţită de fenomene fizico - chimice icircn care se degajă căldură şi ca urmare temperatura acestuia creşte Icircn cazul unor masive din beton (baraje) dacă viteza de turnare (icircn sezonul cald cacircnd se efectuază construcţia) este mai mare şi nu se asigura evacuarea căldurii corpul rezultă la o temperatura medie mai mare decacirct temperatura medie anuală Răcirea naturală conduce la contracţia masivului şi ca urmare la apariţia sub acţiunea tensiunilor interne a unor fisuri
Pentru ca variaţiile de temperatura icircntre centrul barajului şi straturile exterioare să fie cacirct mai mici se impune ca masivul respectiv să fie turnat la temperatura medie anuală a zonei respective Icircn acest scop se pot folosi două metode prin prerăcirea componentelor betonului și prin răcirea masei barajului
Icircn vederea reducerii căldurii degajată icircn reacţia dintre ciment şi apă au fost realizate sortimente de ciment caracterizate prin călduri masice reduse ce se degajă icircn procesul de priză
Prin prerăcirea componentelor betonului se urmăreşte ca betonul sa aibă temperatura medie a locului de amplasament şi prin aceasta evitarea apariţiei unor diferenţe mari de temperatură ce pun icircn pericol construcţia
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
53
Icircn funcţie de valoarea diferenţei de temperatură care trebuie realizată se poate adopta o anumită schemă de răcire pentru fiecare component icircn parte sau numai pentru unele din aceste părţi componente
Se pot folosi instalaţii frigorifice cu comprimare mecanică de vapori pentru răcirea apei a aerului sau formarea gheţii mărunte utilizate la prerăcirea componentelor betonului Folosirea gheţii fulgi sau solzi este limitată atacirct din cauza conţinutului de apă impus cacirct şi ca urmare a pericolului ca gheaţa să nu se topească icircn procesul de malaxare ci la turnare sau icircn procesul de priză ceea ce duce la formarea de goluri icircn beton
De asemenea se pot folosi instalaţiile frigorifice cu ejecţie
Icircn vederea stabilirii necesarului de frig pentru preratildecirea componentelor betonului se calculează mai icircntacirci cantitatea de catildelduratilde Qo1 ce trebuie evacuatatilde dintr-un m3 de beton avacircndu-se icircn vedere proporţiile icircn care participatilde cimentul nisipul pietrişul şi apa Fiecare component are o temperatură iniţialatilde şi urmeazatilde a fi răcit pacircnatilde la o temperatura finalatilde tf aceeaşi pentru toţi componenţii
fpppfnnnfccc1o ttcmttcmttcmQ
fnaanfpaapfaaa ttcmttcmttcm Jm3 (520)
unde
mc mn mp ma - masele de ciment nisip pietriş şi apă conţinute icircntr-un m3 de beton [kgm3]
cc cn cp cw - căldurile specifice masice ale cimentului nisipului pietrişului şi nisipul dintr-un m3 de beton [kgm3]
Puterea frigorifică se determină cu relaţia
3b1oo 10VQ [kW] (521)
icircn care bV reprezintă fluxul de betonare icircn m3s
Se prezintă icircn continuare cele mai folosite metode de prerăcire a componentelor betonului
4211 a) Instalaţie de prerăcire cu apă
Staţia de preparare a betonului este deservită de o instalaţie frigorifică cu comprimare mecanică de vapori care asigură răcirea apei
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
54
Figura 418 Fig 518 Schema de lucru a instalaţiei de prerăcire a betonului cu ajutorul apei 1 - ciment 2 - vagon nisip 3 - vagon pietris 4 - tancuri de răcire a pietrişului 5 - sită 6 - siloz de
nisip 7 - siloz de ciment 8 - rezervor de distribuţie 9 - răcitor de nisip 10 - răcitor de ciment 11 - răcitor de apă 12 - rezervor de apă răcită 13 - răcitor de apă 14 - instalaţie de prepararea betonului
I II III IV V - fazele de răcire a pietrişului
Icircn figura 518 se prezintă schema de lucru a unei asemenea instalaţii de prerăcire a betonului cu ajutorul apei folosită la construcţia barajului de la Detroit (SUA) Apa este răcită de la 16 la 15 ordmC şi transmisă apoi la instalaţia de preparare a betonului şi icircn cinci rezervoare a cacircte 90 m3 fiecare icircn care se răceşte pietrişul
Procesul de răcire a pietrişului cuprinde cinci faze
- faza I - introducerea apei icircn rezervor 10 minute
- fazele II şi III - introducerea simultană a apei şi a pietrişului 50 minute
- faza IV - evacuarea apei 15 minute
- faza V - evacuarea pietrişului 15 minute
Icircntregul proces de răcire a pietrişului durează 90 minute Pentru răcirea cimentului şi nisipului se utilizează schimbătoare de căldură cu ax elicoidal la care apa de răcire circulă prin arborele gol şi prin manta
Rezervoarele 12 pentru apa răcită au fiecare volumul de 114 m3
Beton 635oC
190 m3h
65oC
24oC
18oC
1
2
3
4
5
6
7
8
10
9
11
12
13
14
Apă 16oC
15oC
Cim
en
t
26 l
h
Nis
ip 1
12
lh
10
oC
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
55
42111 Aplicaţie numerică
Să se calculeze puterea frigorifică necesară prerăcirii betonului prin metode şi condiţiile prezentate mai sus Se cunosc următoarele date de calcul
mp = 1700 kgm3 beton
mc = 135 kgm3 beton
mn = 590 kgm3 beton
ma = 60 kgm3 beton
cc = cn = cp = 921 Jkg K
ca = 4180 Jkg K
map = 16 kgm3 beton
man = 38 kgm3 beton
tp = 18 ordmC
tc = 66 ordmC
tn = 21 ordmC tf = 635 ordmC
052803000
190Vb m3s
Se calculează componentele cantităţii de căldură Q01
3fcccc 10741735666921135ttcmQ Jm3
3fnnnn 10796135621921590ttcmQ Jm3
3fpppp 1024018356189211700ttcmQ Jm3
3faaaa 10420235616418060ttcmQ Jm3
3fpaapap 1077935618418016ttcmQ Jm3
3fnaaan 10232735621418038ttcmQ Jm3
Rezulta
3anapapnc1o 1039144QQQQQQQ Jm3
3o 10 206705280103914410VQ 33
b1o kW
4212 b) Instalaţii de prerăcire cu aer apă
Pentru răcirea componentelor betonului se utilizează icircn acest caz fie apa fie aerul ca agenţi intermediari răciţi cu ajutorul instalaţiilor frigorifice
Icircn figura 519 se prezintă schema unei asemenea instalaţii folosită la construcţia barajului de la Sariyar din Turcia
Răcirea aerului se poate face fie direct prin vaporizarea unui agent frigorific fie indirect cu un agent intermediar de răcire ca de exemplu saramura de clorură de calciu Aerul răcit pacircnă la -6 ordmC este suflat icircn silozurile cu pietriş de dimensiuni icircntre 4150 mm
Apa răcită icircn bazinul la pacircnă la 05 ordm este trimisă din colectorul 12 la staţia de preparare a betonului servind la scăderea temperaturii acestuia
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
56
Figura 419 Fig 519 Schema instalaţiei de prerăcire a betonului cu aer şi apă 1 - compresor 2 - condensator 3 - ventile de laminare 4 - vaporizatoare 5 - bazin de răcire a
saramurii 6 - pompă de saramură 7 - răcitor umed de aer 8 - ventilatoare 9 - silozuri de pietriş 10 - bazin de răcire a apei 11 - pompă 12 - colector de apă răcită
Figura 420 Fig 520 Schema instalaţiei de prerăcire cu aer şi apă 1 - siloz de pietriş şi nisip 2 - siloz de ciment 3 rezervor de apă 4 - răcitor de aer 5 - răcitor de apă
4 - răcitor de apă 6 - buncăr de sortare 7 - instalaţie de preparare beton
Pentru intensificarea procesului de răcire a pietrişului aerul este răcit sub 0 ordmC Acest procedeu are avantajul unei funcţionări fără icircntrerupere a procesului de preparare a betonului dar prezintă şi o serie de dezavantaje debite foarte mari de aer de răcire posibilitatea antrenării particulelor fine de agregat icircn răcitorul de aer şi depunerea acestora pe suprafaţa de schimb de căldură Ca urmare instalaţia se va curăţa la circa 14 zile Icircn figura 520 se prezintă o altă schemă de instalaţie de prerăcire a betonului cu aer şi apă folosită la construcţia unui baraj din India
Apă
295oC
Ciment
433oC
Pietriş şi nisip
378oC
Apă 6oC
Ciment 433oC
Aer
Pietriş
45oC Nisip 222oC
22oC
Ap
ă
45
oC
Ap
ă 2
2o
C
Ae
r 5
5o
C
Be
ton
12
8o
C
Apă 22oC
2
1
3 4 5
8
9
5 7
12
1oC
11
05oC 9oC 9oC
-9oC
-10oC -10oC
-10oC 2oC
6oC
10 4 4 6
8 8
8
8 8
9 9 9 9
1
2
3 3
7
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
57
Pietrişul şi nisipul se separă icircntre ele icircn buncărul de sortare 6 şi apoi fiecare circulă pe cacircte o bandă transportoare prin camera de răcire 7 Pietrişul este răcit cu ajutorul apei
Fig
ura
42
1 F
ig 5
21
Sc
he
ma
in
sta
laţi
ei
de
ră
cir
e icirc
n v
id a
co
mp
on
en
telo
r b
eto
nu
lui
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
58
reci icircncacirct ajunge la o temperatură mai scăzută decacirct nisipul răcit cu aer Prin camera 7 se circulă şi aer rece care se introduce la temperatura de 55 ordmC Cimentul se introduce la instalaţia de preparare a betonului 9 fără a fi răcit
O altă posibilitate de prerăcire a agregatelor (pietriş şi nisip) şi a apei utilizată mai recent la construirea barajelor icircntrebuinţează răcirea icircn vid la care agregatele uşor umezite icircn recipiente sub presiune se răcesc după nevoie (prin reglarea vacuumului) la o temperatură mai scăzută sau mai ridicată Căldura necesară evaporării umidităţii de pe agregate şi din ele (apa legată) este luată chiar de la corpurile respective (pietriş nisip) şi ca urmare acestea se răcesc
O asemenea instalaţie utilizată la Hortwell icircn SUA (figura 521) cuprinde 3 recipienţi de cacircte 150 m3 pentru răcirea pietrişului şi 3 recipienţi de cacircte 80 m3 pentru răcirea nisipului
Pietrişul şi nisipul cu temperatura maximă de 43 ordmC se pot răci pacircnă la temperatura necesară de 45 ordmC Pentru realizarea vidului necesar se folosesc două cazane de abur care produc 77 th fiecare
422 522 RĂCIREA INTERIOARĂ A MASIVULUI DE BETON
Prerăcirea betonului se recomandă icircn condiţiile unei zone tropicale sau temperate de amplasare a construcţiei masive nu se recomandă icircn cazul amplasării barajului icircn munţi unde temperatura aerului este scăzută Icircn asemenea situaţii se recomandă răcirea betonului prin conducte amplasate icircn masiv prin care circulă apă rece
La răcirea interioară cu conducte montate icircn beton are loc o eliminarea a căldurii simultan cu producerea ei icircn procesul de priză producacircndu-se şi o răcire pacircnă la temperatura necesară Pentru răcire se folosesc conducte de oţel cu diametre de 1525 mm montate la distanţe de 1223 m icircn plan orizontal şi de 153 m icircn plan vertical Lungimea conductelor icircntr-un m3 de beton este de 0204 şi a fiecărei serpentine de 140250 m
Debitul apei de răcire ce circulă prin 1 m3 de beton este de (0553) dm3h
Figura 422 Fig 522 Reţea de conducte de răcire a betonului icircn secţiunea unui baraj 1 - galerie pentru măsurători 2 - galerie de conducte de apă de răcire
Serpentinele se montează şi se fixează pe suprafaţă de beton (fig522) Capetele serpentinelor se leagă de o coloană verticală prin mufe metalice sau de cauciuc Diametrul distribuitorului şi al coloanei este cuprins icircntre 150200 mm După montaj aceste conducte se verifică la presiunea de lucru
1 2
Ax
a
ba
raju
lui
Calculul necesarului de frig pentru depozit de fructe
25
3 Calculul necesarului de frig pentru depozit de fructe
31 31 Calculul grosimii izolatiilor
Regimul de funcţionare al spaţiilor frigorifice caracterizat prin valori coboracircte ale temperaturilor prin variaţia rapidă a acestora şi prin umiditatea mare a aerului icircncăperilor impune pentru izolaţiile termice ale pereţilor planşeelor şi pardoselilor condiţii deosebite Pereţii spaţiilor frigorifice despart două medii cu temperaturi diferite Fluxul de căldură ce pătrunde din exterior icircn camere care trebuie preluat de instalaţia frigorifică este direct proporţional cu diferenţa de temperatură dintre cele două feţe ale peretelui şi cu coeficientul global de transmitere a căldurii Izolarea se execută la spaţiile răcite atacirct la pereţi cacirct şi la tavan şi podea şi are ca rol icircmpiedicarea apariţiei condensului pe suprafaţa caldă a pereţilor incintelor frigorifice
Figura 31 Fig13 Variaţia de temperatură prin peretele termoizolant
Din exploatarea frigoriferelor se cunoaşte că prin icircnvelişul exterior al spaţiilor frigorifice trece icircn majoritatea cazurilor mai mult de jumătate din cantitatea totală de căldura ce pătrunde icircn icircncăperi Această cantitate de căldură se poate reduce prin majorarea grosimii stratului termoizolant Dar reducerea infiltraţiilor de căldură icircn acest tel nu se poate face nelimitat deoarece la o anumită grosime a stratului izolant adică la o anumită valoare a coeficientului k de transfer al căldurii costul construcţiei izolate va fi mai mare decacirct costul energiei ce reprezintă frigul economisit prin majorarea grosimii izolaţiei
De aceea se obişnuieşte a se folosi icircn calcule valori optime ale coeficientului k de transfer al căldurii calculacircndu-se astfel o grosime optimă a izolaţiei termice
Pentru izolarea pereţilor camerelor se vor folosi panouri tip sandwichFig15
Calculul necesarului de frig pentru depozit de fructe
26
Figura 32 Fig15 Construcţia panourilor de tip sandwich
Rolul panourilor plastifiate este de a preicircntacircmpina pătrunderea vaporilor icircn interiorul izolaţiei eliminacircnd necesitatea barierei de vapori Panourile folosesc metoda de icircmbinare nut-feder reducacircndu-se astfel transferul de căldură cu mediul extern
Deoarece avem un singur depozit vom adopta coeficienţii de transfer de căldură prin
convecţie funcţie de t
Aleg pentru t = = te - ti = 318 - 1 = 308 0C k = 023 Wm2K
Din catalogul de produse INCOLD Italia se alege poliuretan 100 mm = 0023 WmK
Tablă din oţel galvanizat plastifiat
Calculul necesarului de frig pentru depozit de fructe
27
Tabelul 317 Tabel24 Calculul grosimi izolației
ei
i
i
izizk
111
Coeficientul global de transfer de căldură se determină utilizand relaţia
eiz
iz
i
i
i
k
11
1
n
i i
i
1
- suma rezistenţelor termice ale tuturor straturilor din care este realizat
peretele[m2KW]
iz - grosimea stratului de izolaţie termică [m]
iz - conductivitatea termică a materialului izolator [WmK]
e - coeficient de convecţie pe partea exterioară a peretelui [WmK]
i - coeficient de convecţie pe partea interioară a peretelui [WmK]
32 32 Bilantul caloric al spatiului climatizat pe timp de vară Necesarul de frig pentru frigorifer
Se stabileşte consumul zilnic de frig pe icircntreg frigoriferul şi pentru fiecare icircncăpere icircn parte luacircndu-se icircn considerare cele mai nefavorabile condiţii de lucru
temperatura aerului exterior pentru luna cea mai caldă a anului
icircncărcarea maximă şi simultană a camerelor de refrigerare
Spaţiul frigorific
Perete k αi αe 1αi 1αe R 1k λiz
δiz
calc δiz
ales Kr
[Wm2K] [m2KW] [WmK] [m] [m]
N 0229 10 18 010 006 0590 4367 0023 0097 0100 023
E 0224 10 12 010 008 0618 4464 0023 0098 0100 023
DR S 0221 10 12 010 008 0618 4525 0023 0100 0100 023
V 0223 10 12 010 008 0618 4484 0023 0099 0100 023
T 0221 10 12 010 008 0618 4525 0023 0100 0100 023
P 0228 10 0 000 000 0435 4386 0023 0000 0100 023
N 0221 25 12 004 008 0558 4525 0023 0101 0100 023
E 0224 25 12 004 008 0558 4464 0023 0100 0100 023
CP S 0224 25 12 004 008 0558 4464 0023 0100 0100 023
V 0223 25 12 004 008 0558 4484 0023 0100 0100 023
T 0221 25 12 004 008 0558 4525 0023 0101 0100 023
P 0228 25 0 000 000 0435 4386 0023 0000 0100 023
Calculul necesarului de frig pentru depozit de fructe
28
camerele vecine celei căreia i se face calculul necesarului de frig sunt goale şi au temperatura vestibulului sau a sasului
Aceste calcule determină necesarul de frig pe categorii de consumatori grupaţi după temperatura cerută şi permit stabilirea puterilor frigorifice icircn vederea proiectării instalaţiei
Pentru calculele termice sunt necesare următoarele
planul frigoriferului care a fost stabilit
dimensiunile camerelor
temperaturile necesare icircn fiecare cameră
Se consideră
1degC icircn depozitele de refrigerate
orientarea frigoriferului după punctele cardinale
condiţii climatice icircn lunile cele mai călduroase pentru zona geografică respectivă
Consumul de frig se calculează pentru 24 ore cu relaţia
Qnec = Q1 + Q2 + Q3 + Q4 [kcal24h]
Q1 - neeesarul de frig pentru acoperirea pătrunderilor de căldură prin cenvecţie
conducţie şi radiaţie din mediul icircnconjurător prin pereţi pardosea și plafon
Q2 - necesarul de frig tehnologic pentru procesele de răcire refrigerere şi
congelare eliminarea căldurii de respiraţie seu pentru unele procese chimice şi
biochimice
Q3 - necesarul de frig pentru ventilarea camerelor frigorifice cu aer proaspat care
trebuie racit şi uscat
Q4 - necesarul de frig rezulticircnd din condiţii de exploatare acoperirea căldurii
provenite din iluminat din funcţionarea motoarelor căldura provenită de la persoanele ce
manipulează produsele datorită deschiderii uşilor etc
321 Consumul de frig Q1
Se determină pentru fiecare spaţiu icircn parte cu relaţia
RttkFQ1 [ W ]
F - reprezintă suprafaţa pereţilor a pardoselei şi a plafonului corespunzător fiecărui
spaţiu frigorific icircn parte icircn m2 Ca suprafaţă de transfer se va considera suprafaţa
exterioară a perimetrului izolat termic
k - reprezintă coeficientul global de transmitere a căldurii prin convecţie conducţie şi radiaţie
prin pereţi plafon şi pardoseală (toate izolate termic) icircn [W(m2 middot grd)] Valoarea coeficientului k a
fost calculată icircn tabelul 24 (kr)
Δt - reprezintă diferenţa de temperaturi dintre temperatura exterioară suprafeţei de
transfer termic considerată şi temperatura interioară spaţiului frigorific
Calculul necesarului de frig pentru depozit de fructe
29
Diferenţa de temperatură ΔtR se ia icircn consideraţie numai la pereţii exteriori şi la
plafoane care sunt şi acoperiş pentru clădire
ΔtR = 0degC pentru pereţi exteriori orientaţi spre N
ΔtR = (5 10)degC pentru pereţi exteriori orientaţi spre E V S-E S-V
ΔtR = 15 degC pentru pereţi exteriori orientaţi spre S
ΔtR = (15 18)degC pentru plafoane care sunt şi acoperiş (terasă)
Calculul valorilor mărimii sumQ1 se recomandă a se efectua tabelar conform tabelului 25
Valoarea mărimii sum Q1 la aparate se obţine prin icircnsumarea fluxurilor termice prin toate cele 6 suprafeţe delimitatoare
La stabilirea valorii mărimii sum Q1 se consideră doar unul dintre fluxurile termice prin suprafeţele ce separă spaţiile frigorifice vecine Pentru aparatele de răcire din spaţiile frigorifice se consideră situaţia cea mai grea pentru fiecare spaţiu icircn parte respectiv că spaţiile vecine nu sunt răcite
Spaţiul frigorifi
c
Perete
Dimensiuni
Supraf F
[m2]
Kr [Wm2K]
Δt [grd]
Δtr
Q1 [W] sumQ1 q a [m]
b [m]
N 15 4 60 023 308 42504
246068
708
E 7 4 28 023 308 8 24987 892
DR S 15 4 60 023 185 15 46202 770
V 7 4 28 023 308 19835 708
T 15 7 105 023 308 74382 708
P 15 7 105 023 158 38157 363
N 7 4 28 023 185 11914
133566
426
E 7 4 28 023 268 8 22411 800
CP S 7 4 28 023 268 15 26919 961
V 7 4 28 023 185 11914 426
T 7 7 49 023 268 30204 616
P 7 7 49 023 268 30204 616
Tabelul 318 Tebel25 Calculul valorilor mărimii Q1
322 Necesarul de frig Q2
sum Q2 - necesarul de frig tehnologic pentru procesele de răcire refrigerare şi
congelare
Q2d = mcp(tc-ti)=500003644 = 4186000(243600)= 842 kW
Q2c = 2600036419 = 1798160 = 208 KW
Q2 = 208 + 842 = 293 = 30kW
unde
Q2d - necesarul de frig tehnologic depozit
Q2c - necesarul de frig tehnologic camera de preracire
Calculul necesarului de frig pentru depozit de fructe
30
m - cantitatea de produse introduse icircn tunelul de congelare icircn kg
te ti - temperaturi specifice corespunzătoare temperaturii iniţiale a produsului cald
(24 ordmC) respectiv temperaturii finale a produsului refrigerat (1 ordmC)
Căldura specfifică mere cp = 364 [kJkgK]
323 Necesarul de frig Q3
Icircn funcţie de natura produselor din spaţiul frigorific este necesar uneori să se realizeze ventilarea spaţiului prin asigurarea unui anumit număr de schimburi ale aerului din incintă icircn 24h Ca exemplu icircntotdeauna va fi necesară ventilarea prin introducere de aer proaspăt icircn spaţiile de păstrare pentru legume fructe şi ouă refrigerate Aceste produse vii respiră icircn timpul păstrării şi necesită icircn consecinţă ventilarea spaţiilor de păstrare
Acest consum de frig se ia icircn considerare doar la depozitele de refrigerare care se ventilează Se stabilește cu relația
Q3 = V ∙ a ∙ ᵖi ∙ (hex - hi) [kJ24]
V - volumul camerelor ventilateicircn m3
a = 24 schimburi pe zi pentru depozitele de mere
ᵖi - reprezintă densitatea aerului la temperature interioară icircn kgm3
Pentru depozitele de refrigerare considerăm umiditatea relativă ᵠi = 95 și ti=1 ordmC
rezultacircnd icircn acest caz hi= 9 kJkg
Parametri aerului exterior pentru zona icircn care este amplasat depozitul sunt temp ex 318
și umiditatea ext 60 rezultand din diagram mollier entalpia aerului Calcul facut icircn
programul Coolpack
ρi = 12 kgm3
hex = 7519 kJkg
Q3 = 616 2 12 (7519 - 9) (243600)= 00025 kW
324 Necesarul de frig Q4
Q4 - frigul consumat pentru acoperirea pierderilor icircn timpul exploatarii datorat deschiderii
usilor a corpurilor de iluminat a motoarelor electrice a oamenilor Se admite Q4 =
(01hellip04)Q1
Q4 = 02 379617 = 759234 = 008 kW
Qtotal = sum 119824120783 + Q2 + Q3 + Q4 = 004 + 30 + 000025 + 008 = 3012 = 31 kW
33 33 Stabilirea directiei raportului de termoumiditate și trasarea procesului de conditionare a aerului pe diagrama i-X pe timp de vară
Icircn fig16 este reprezentat un agregat pentru condiţionarea aerului pe timp de vară cu recirculare parţială
Calculul necesarului de frig pentru depozit de fructe
31
Figura 33 Figura16 Schema aparatului de condiţionare a aerului pe timp de vară cu recirculare parţială
F - filtru V - vaporizator C - compressor K - condensator VL - ventil de laminare I - icircncălzitor Vt - ventilator
Procesele de lucru pot fi reprezentate icircn diagrama h-x ca icircn figura următore
Figura 34 Fig17
A reprezintă starea aerului recirculat provenit din spaţiul condiţionat iar E este starea aerului exterior
Aerul tratat icircn aparatul de condiţionare care se introduce icircn incintă avacircnd starea B
trebuie să preia degajările de căldură Qv [kW] şi de umiditate Wv [kgs]
Direcţia procesului suferit de aer icircn incintă este dată de raportul de termoumidificare εv
= Qv Wv
Prin punctul A se trasează dreapta avacircnd raportul de termoumidificare εv iar punctul B se fixează pe această dreaptă adoptacircndu-se o anumită diferenţă de temperatură faţă de starea A
Aerul recirculat A se amestecă cu aerul proaspăt E şi rezultă starea de amestec M De regulă xM gt xB deci aerul va trebui să fie uscat
Pe verticala din B se fixează starea D avacircnd xD= xB şi ᵩD = 90hellip98
Calculul necesarului de frig pentru depozit de fructe
32
Se uneşte M cu D iar apoi se prelungeşte acest segment pacircnă la intersecţia cu ϕ = 100 rezultacircnd starea P avacircnd temperatura tp
Circulacircnd aerul cu starea M peste o suprafaţă rece avacircnd temperatura tp se va obţine procesul de răcire şi uscare MD
Temperatura suprafeţei tp se asigură cu o instalaţie frigorifică a cărei temperature de vaporizare va fi t0 lt tp
Ultimul proces din aparatul de condiţionare va fi icircncălzirea finală DB
Calculul agregatului de condiţionare a aerului pe timp de vară se efectuează asemănător cu cel a agregatului de condiţionare a aerului pe timp de iarnă cu observaţia că pe timp de vară nu este necesară umidificarea
331 Date
Vtotal = 616 m3 tint = 1ᵒC tex = 318 φint = 90 φext = 60 ρaer = 12 [kgm3]
Starea A
tA = ti + 3 = 4deg xA = 00043[kj
kg] φA = 86 hA = 1489[
kj
kg]
Starea B
tB = 1degC xB = 00036 [kj
kg] φB = 90 hB = 1024[
kj
kg]
Starea E
tE = 318degC xE = 00171[kj
kg] φE = 60 hE = 7519[
kj
kg]
Starea M
hM =hE + n ∙ hA
n + 1=
7513 + 20 ∙ 1489
21= 1775[
kj
kg]
xM =xE + n ∙ xA
n + 1=
00171 + 20 ∙ 00043
21= 00049[
kj
kg]
Rezulta din diagrama Mollier
Starea D
hD = 108 [kj
kg] xD = 0003[
kj
kg] φD = 97
Raportul de recirculare n = 20
Debitul de aer ventilat V =Vtotal∙20
24h=
616lowast20
24= 513 [m3h]
Debitul masic m = V ∙ ρaer = 513 lowast 12 =
6156[kg
h]
3600= 0171 [kgs]
tp = minus3degC t0 = tp minus 9degC = minus3 minus 9 = minus12degC
Puterea termica a vaporizatorului ( puterea frigorifică )
ФV = Ф0
Puterea termica a icircncalzitorului
ФI = 119898 ∙ (hB - hD)
Cantitatea de apa condensată icircn unitatea de timp pe suprafața de racire este
Calculul necesarului de frig pentru depozit de fructe
33
ẆV = 119898 ∙ (XM - XD)
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
34
4 Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
Există două domenii principale icircn care se utilizează frigul artificial icircn lucrările de construcţii şi anume
icircngheţarea terenurilor acvifere icircn vederea săpării puţurilor de mină a barajelor a depozitelor de gaze lichefiate etc
prerăcirea componentelor betonului icircn cazul executării unor masive de beton ca de exemplu baraje
41 51 IcircNGHEŢAREA SOLULUI
411 511 CONSIDERAŢII GENERALE PRIVIND IcircNGHEŢAREA SOLULUI
Icircngheţarea artificială a solului reprezintă una dintre cele mai interesante şi icircn acelaşi timp şi importante aplicaţii practice a frigului artificial Totodată este una dintre primele aplicaţii industriale a tehnicii frigului şi care a asigurat o dezvoltare deosebită a industriei extractive Aşa se explică faptul că odată apărută maşina frigorifică cu absorbţie realizată icircn 1859 de către Ferdinand Carre este folosită la săparea primului puţ de mină prin icircngheţarea artificială a rocilor Dar nu numai industria minieră foloseşte icircn ultimul secol procedeul consolidării rocilor la săpararea unor lucrări subterane Lucrări inginereşti de tot genul ca metrouri staţii subterane de pompare rezervoare de gaze lichefiate poduri lucrări portuare şi altele asemănătoare amplasate icircn zone acvifere au fost realizate prin metoda consolidării prin frig a rocilor
Această metodă a consolidării rocilor prin frig artificial realizează icircn jurul lucrării inginereşti subterane un perete icircngheţat protector pe durata lucrărilor de construcţii Acest perete asigură o izolare hidraulică şi icircn acelaşi timp şi o protecţie mecanică Rezistenţa mecanică a rocilor creşte pe măsură ce temperatura lor scade icircncacirct metoda expusă mai sus prezintă avantajul reglării capacităţii portante a peretelui icircngheţat
Apa conţinută icircn terenuri prin icircngheţare capătă proprietăţile cimentului exprimate prin forţele de coeziune mari care apar icircntre cristalele de gheaţă şi grăunţii de rocă
Pentru obţinerea peretelui protector se folosesc sonde de icircngheţare forate pe conturul lucrării subterane şi prin care circulă agentul de răcire care poate fi un agent intermediar ca de exemplu saramura de clorură de calciu sau agentul frigorific de exemplu amoniacul Icircn funcţie de grosimea peretelui şi de rezistenţa mecanică pe care trebuie să o aibă se va alege temperatura agentului de răcire distanţa dintre sonde şi durata de icircngheţare
Instalaţia de consolidare prin frig a rocilor cuprinde trei părţi principale staţia frigorifică reţeaua de distribuţie a agentului de răcire (saramura) şi sondele de icircngheţare a solului
Staţia frigorifică cuprinde instalaţia frigorifică propriu-zisă cu comprimare mecanică de vapori sau prin absorbţie icircntr-o treaptă sau icircn două trepte Icircn funcţie de condiţiile de amplasament ale obiectivului staţia frigorifică poate fi de construcţie staţionară (icircn minerit) sau mobilă (la metrouri)
Reţeaua de distribuţie alcătuită din conducte metalice sau din mase plastice are rolul de a face legătura icircntre staţia frigorifică şi sondele de icircngheţare Pentru reducerea pierderilor de frig reţeaua de distribuţie se izolează termic
Sondele de icircngheţare constituie schimbătorul de căldură subteran prin care se extrage căldura de la terenul supus icircngheţării Icircn fig 51 se prezintă schiţa unei sonde de icircngheţare cu ajutorul saramurii Saramura rece cu temperatura icircntre -10 ordmC pacircnă la -35 ordmC
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
35
coboară prin ţeava interioară şi apoi se icircntoarce prin spaţiul inelar dintre cele două conducte concentrice
Figura 41 Fig 51 Sonda de icircngheţare 1 - şiu (tub scurt de oţel cu pereţi groşi rezistent) 2 - ţeava interioară 3 - ţeava exterioară (burlan de
icircngheţare) 4 - capul sondei
Circulaţia continuă a saramurii prin sonda de icircngheţare face ca rocile ce icircnconjoară sondele inclusiv apa conţinută icircn spaţiile libere să se răcească treptat Icircn jurul sondei icircncepe să se formeze stratul de rocă icircngheţată diametrul cilindrului de teren icircngheţat se măreşte icircn timp Aşa cum s-a arătat icircn capitolul 3 rezultă că dezvoltarea radială a cilindrului de rocă icircngheţată icircn jurul sondei se desfăşoară cu o viteza variabilă de icircnaintare la icircnceput viteza de icircnaintare a frontului de gheaţă este mai mare după care scade icircn timp Apoi se atinge stadiul staţionar de transfer de căldură cacircnd cilindrul nu mai creşte icircn dimensiuni Reiese că distanţa dintre sondele de icircngheţare este determinată de raza maximă a cilindrului de teren icircngheţat Pentru a realiza peretele icircngheţat care să reziste la solicitările la care este supus se impune ca distanţa dintre sondele vecine să fie mai mică decacirct raza maximă a terenului icircngheţat astfel icircncacirct cilindrii formaţi să se unească icircntre ei Icircn fig 52 se prezintă evoluţia icircn timp a icircngheţării terenului icircn jurul sondelor Icircn faza iniţială a icircnceput răcirea dar icircncă nu s-a format teren icircngheţat Icircn faza a II-a (după circa 20 zile) icircn jurul fiecărei sonde se formează cacircte un cilindru de teren icircngheţat fără ca aceştia să se unească Icircn faza a III-a (după circa 30 zile) cilindrii se icircntretaie şi formează peretele protector
Figura 42 Fig 52 Evoluţia cilindrilor individuali de rocă icircngheţată 1 - sonda de icircngheţare 2 - sonda de măsurători termice 3 - teren icircngheţat
Această evoluţie poate fi urmărită cu suficientă precizie prin măsurarea temperaturii masivului cu ajutorul unor sonde de măsurători termice 2 montate la distanţe bine stabilite de sondele vecine de icircngheţare Astfel icircn faza I-a temperatura este cea iniţială deci neafectată de prezenţa sondelor icircn faza a II-a temperatura este mai scăzută dar mai mare de 0 ordmC Cum icircn practică sondele de icircngheţare au o abatere de la poziţia verticală (sau de la cea impusă prin proiect) sondele de măsurători termice sunt prevăzute icircntre sondele
I II III
1
2 2 2
3 3
SARAMURĂ CALDĂ
IEŞIRE
INTRARE SARAMURĂ A E RECE
1
2
3
4
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
36
cele mai distanţate icircntre ele acolo unde evoluţia peretelui de protecţie este cea mai defavorabilă
Primele realizări inginereşti de consolidare prin frig artificial a terenurilor acvifere metodă prin care vor fi aduse la lumină multe bogăţii subterane sunt legate de numele inginerului de mine şi metalurgie Friederich Herman Poetsch El a obţinut icircn 27 februarie 1883 brevetul pentru procedeul său de adacircncire a puţurilor verticale icircn roci bogate icircn apă (şi curgătoare) Poetsch a reuşit să experimenteze procedeul său la adacircncirea unor puţuri de mină dar a avut şi multe insuccese icircncacirct la 9 iunie 1902 moare sărac şi dezamăgit Metoda de icircngheţare prin frig artificial a terenurilor a avut mare succes icircn Franţa Astfel numai icircn perioada 1892 - 1898 icircn bazinele carbonifere Nord şi Pas de Calais s-au săpat circa 20 puţuri pacircnă la o adacircncime de 100 m prin aplicarea metodei icircngheţării după planurile lui Poetsch
Desigur că nu ar putea fi omis numele lui Louis Gebhard care realizează numeroase lucrări de adacircncire a puţurilor prin icircngheţare atacirct icircn Germania cacirct şi icircn Franţa Anglia Olanda şi Polonia ceea ce face ca metoda propusă de Poetch să devină o tehnologie demnă de toată icircncrederea cu siguranţă absolută şi cu un mare randament
Gebhard un mare practician icircncepe sa folosească icircn locul instalaţiilor cu absorbţie realizate de F Carre pe cu cele cu comprimare mecanică de vapori realizate de Karl von Linde cu icircncepere din anul 1874
Poetsch icircn 1888 prevede extinderea procedeului de icircngheţare la construcţia podurilor la construcţii navale lucrări de fortificaţii la protecţia fundaţiilor subterane şi a bazinelor cu apă El susţine că poate să rezolve orice problemă sub apă chiar şi puţuri icircncepute şi abandonate
Icircn anul 1900 se depăşeşte bariera adacircncimii de 100 m Realizarea unor puţuri mai adacircnci (peste 100 m) ridică unele probleme icircn plus faţă de puţurile de mai mică adacircncime deoarece abaterile de la verticalitate pot conduce la formarea unor ferestre icircn peretele protector
Icircn ţara noastră această tehnologie de forare a unor puţuri de mină cacirct şi a galeriilor de metrou prin icircngheţarea solului a fost folosită cu icircncepere din anul 1961 aşa cum se prezintă icircn paragraful 513
412 512 CONSTRUCŢIA INSTALAŢIEI DE IcircNGHEŢARE A SOLULUI
Icircn funcţie de forma şi mărimea lucrării care se realizează la adăpostul terenului icircngheţat principial se pot utiliza următoarele tipuri de instalaţii
a) cu răcire indirectă denumită şi cu dublu schimb (fig53)
b)cu răcire directă icircn circuit icircnchis (fig 54)
c)răcire directă icircn circuit deschis (fig55)
a) Răcirea indirectă se utilizează icircn practică cel mai mult fiind cunoscută icircncă de la icircnceputurile metodei de icircngheţare a solului
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
37
Figura 43 Fig 53 Instalaţia frigorifică cu răcire indirectă 1 - compresor 2 - condensator3 - ventil de laminare 4 - vaporizator 5 - bazin de răcire a saramurii 6
- agitator 7 - pompă de saramură 8 - sonde de icircngheţare
Ca agent frigorific se poate folosi amoniacul sau freonii iar ca agent intermediar se utilizează soluţiile de clorură de calciu clorura de sodiu sau magneziu sărurile respective fiind relativ uşor de procurat
Instalaţiile frigorifice cuprind unul sau mai multe blocuri frigorifice Acest mod de compunere prezintă avantaje icircn ceea ce priveşte montarea cacirct şi exploatarea instalaţiilor se poate asigura o reducere icircn trepte a puterii frigorifice pe măsură ce creşte rezistenţa termică a stratului de teren icircngheţat
Componentele principale ale instalaţiei frigorifice se montează grupat pe cele trei secţiuni secţia de compresoare secţia condensatoarelor şi secţia vaporizatoarelor De regulă compresoarele se montează fie icircn aer liber atunci cacircnd tipul lor permite fie acoperite sub şarpante protectoare
Pe măsură ce se scot din funcţiune blocurile frigorifice se demontează şi se pot monta la un nou obiectiv
b) Răcirea directă icircn circuit icircnchis (fig 54) se utilizează icircn cazul icircn care adacircncimea de icircngheţare este mică
Figura 44 Fig 54 Instalaţia frigorifică cu răcire directă icircn circuit icircnchis 1 - compresor 2 - condensator 3 - ventil de laminare 4 - sonde de icircngheţare
Sondele de icircngheţare constituie vaporizatorul instalaţiei frigorifice Icircn cazul unor sonde de lungime mare icircnălţimea coloanei de agent frigorific este de asemenea mare Ca urmare a presiunii hidrostatice variabile şi temperatura de vaporizare este variabilă fiind mai mare
1
2
1111111 Apă
3
4
1
2
Apă 3
4
5
6
7
8
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
38
la capătul inferior şi mai mică la capătul superior Din acest motiv adacircncimea sondelor de icircngheţare nu poate depăşi anumite limite şi icircn plus se recurge la fragmentarea coloanei de lichid cu ajutorul unor pereţi despărţitori
Pierderile de agent frigorific mai mari decacirct icircn cazul răcirii indirecte reprezintă un alt inconvenient al acestui mod de răcire
c) Răcirea directă icircn circuit deschis constă icircn introducerea agentului frigorific (cel mai frecvent azot lichid) icircn sondele de icircngheţare fără ca acesta să mai fie folosit după vaporizare
La presiunea atmosferică azotul lichid fierbe la temperatura de -196 ordmC icircncacirct vaporii reci de azot icircnainte de a fi evacuaţi se folosesc de asemenea pentru congelarea solului fiind circulaţi prin sonde de icircngheţare (Fig 55)
Figura 45 Fig 55 Icircngheţarea cu azot lichid icircn două trepte 1 - ventil de laminare 2 - sonda de icircngheţare 3 - sonda de icircngheţare cu vapori de azot
Această metodă se foloseşte cacircnd se urmăreşte o icircngheţare rapidă şi volumul de teren icircngheţat este redus
Se vor prezenta icircn continuare unele elemente constructive ale instalaţiilor de icircngheţare
Reţeaua de saramură (fig 56) are rolul de a asigura transferul de căldură de la sol către agentul frigorific Cuprinde două schimbătoare de căldură cel subteran alcătuit din sondele de icircngheţare şi cel de suprafaţă reprezentat de vaporizatorul imersat icircn saramură Icircntre cele două schimbătoare de căldură există conducte magistrale distribuitoare - colectoare şi racorduri la sonde
Saramura răcită prin intermediul vaporizatorului 1 este circulată cu pompa 2 prin magistrala de tur a reţelei 3 Sondele de icircngheţare 5 se leagă prin vane la distribuitorul 4 şi colectorul 6 ambele de construcţie inelară Printr-o asemenea construcţie şi mod de legare a sondelor prezentate icircn figura 56 se asigură o echilibrare a căderilor de presiune pe sondele de icircngheţare şi ca urmare o alimentare uniformă cu agent intermediar şi deci şi o răcire uniformă pentru toate sondele
1
2
AZOT LICHID
VAPORI
AZOT -40OC
3
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
39
Figura 46 Fig 56 Schema reţelei de saramură 1- vaporizatorul 2 - pompa de saramură 3 - magistrala de tur 4 - distribuitorul inelar 5 -sondele de
icircngheţare 6 - colectorul inelar 7 - magistrale de retur M - manometru D - debitmetru T - termometru
Magistralele 3 şi 7 de acelaşi diametru şi lungime variabilă (determinată de o serie de factori) se pot monta atacirct la suprafaţă cacirct şi icircn canal
Magistralele se dimensionează icircn funcţie de puterea frigorifică a schimbătorului de căldură subteran alcătuit din sondele de icircngheţare
F0 qNHd [W] (51)
unde d - diametrul exterior al sondei de icircngheţare m
H - adacircncimea de icircngheţare m
N - numărul de sonde de icircngheţare
qF - densitatea fluxului termic raportat la suprafaţa exterioară a sondei La temperatura saramurii de - 20 ordmC se poate considera qF = (260290) Wm2
Debitul volumic V de agent intermediar icircn reţeaua de icircngheţare icircn funcţie de care se aleg
pompele se determină cu relaţia
tc
V o
(52)
icircn care este densitatea agentului intermediar kgm3
c - căldura specifică a agentului intermediar JkgK
t - creşterea temperaturii agentului (saramura) icircn sondele de icircngheţare K
La icircnceputul perioadei de răcire diferenţa de temperatură este t = 56 K ca apoi să scadă la 12 K
Icircn conductele magistrale se recomandă ca viteza saramurii să fie w = 0915ms
Icircn acest caz diametrul conductelor de transport a saramurii este dat de relaţia
w
V4D
[m] (53)
Icircn funcţie de valoarea determinată pentru D se aleg conducte metalice de diametru nominal cuprins icircntre 75200 mm Dacă rezultă D gt 200 mm se vor alege două conducte cu diametrul mai mic de 200 mm
2
T
T
M
M D
D
NH
3
3
4
6
5
7
1
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
40
Conductele magistrale se realizează prin icircmbinări cu flanşe sau sudate iar la lungimi mai mari de 100150 m se vor prevedea coturi compensatoare Pentru reducerea pierderilor de frig magistralele vor fi izolate termic
Distribuitorul de saramură răcită şi colectorul de saramură de la sonde sunt construcţii metalice identice
Icircn figura 57 se prezintă modul de racordare a sondelor de icircngheţare 5 la distribuitorul 1 şi colectorul 2 Vanele 3 asigură icircnchiderea deci oprirea circulaţiei şi reglajul debitului Prin aceste vane se poate izola o anumită sondă care nu funcţionează normal sau la care se observă o anumită defecţiune
Figura 47 Fig 57 Racordarea sondelor de icircngheţare la distribuitor şi colector 1 - distribuitor 2 - colector 3 - vane 4 - racord elastic 5 - sonda de icircngheţare
Poziţia distribuitorului şi colectorului faţă de racircndul sondelor de icircngheţare poate fi laterală de o singură parte sau laterală de ambele părţi ale sondelor Amplasamentul trebuie astfel făcut icircncacirct să fie posibilă vizitarea supravegherea şi eventual icircnlocuirea sondelor de icircngheţare
Racordarea sondelor la distribuitor şi colector se face prin cacircte un racord elastic (fig 57) Dimensionarea distribuitoarelor şi a colectoarelor se face din condiţia ca viteza saramurii să nu depăşească 0915 ms
Coloanele de distribuţie şi colectare urmăresc icircn teren forma şirului de sonde de icircngheţare şi pot avea acelaşi traseu sau trasee diferite Configuraţia traseului poate fi icircn linie sau circulară Icircn oricare din situaţiile prezentate distanţele dintre ştuţurile de racord şi sondele de icircngheţare sunt variabile astfel icircncacirct racordurile rigide prin flanşe şi sudură sunt greu de realizat Cea mai practică soluţie de racord icircn acest caz este furtunul de cauciuc (fig 57)
Icircn reţeaua de saramură poate pătrunde aer prin procesul de pompare ceea ce conduce la intensificarea acţiunii corosive a saramurii Icircn scopul icircndepărtării aerului nedorit pe partea superioară a conductelor icircn punctele cele mai ridicate ale acestora se montează robineţi de evacuare periodică a aerului şi eventual a altor gaze
Pe conductele magistrale se vor monta aparate de măsură şi control debitmetre termometre şi manometre (fig 56) Icircn acest caz se poate aprecia funcţionarea fiecărei sonde după depunerile exterioare de gheaţă pe racordul metalic sau de cauciuc lăsate neizolate termic tocmai icircn acest scop Icircn scopul urmăririi regimului de lucru sub aspect
5
4
1
2 3
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
41
hidraulic şi termic icircn mod individual se pot monta aparate de măsură şi control pe fiecare sondă de icircngheţare dar această soluţie este mai costisitoare
Sonda de icircngheţare realizează transferul de căldură de la terenul ce urmează a fi icircngheţat spre agentul frigorific (la răcirea directă) sau agentul intermediar (la răcirea indirectă)
Icircn figura 51 s-a prezentat schema de principiu a unei sonde de icircngheţare cu saramură activă pe toată lungimea Conducta exterioară sau burlanul de icircngheţare 3 este o conductă din oţel etanşă şi rezistentă la eforturile mecanice care apar datorită presiunii solului şi variaţiei de temperatură icircntre momentul fixării ei icircn sol şi cel al funcţionării la o temperatura sub 00C
Icircn procesul de icircngheţare coloana de burlane care poate atinge lungimi de sute de metri se contractă icircnsă nu liber deoarece ea este stracircnsă icircn masivul de roci La o variaţie de temperatură icircntre momentul iniţial (fără saramură) şi momentul pornirii circulaţiei de saramură de 400C conducta din oţel de 500 m adacircncime ar trebui să se contracte cu
tHH = 500 11 10-6 40 = 0220 m = 22 cm
Datorită fixării coloanei icircn gaura forată efortul unitar de icircntindere ce apare icircn urma scăderii temperaturii este
tE = 22 1010 11 10-10 40 = 968 105 Nm2 = 9680 Ncm2
La acest efort de icircntindere apărut datorită contracţiei coloanei se mai adaugă efortul de acelaşi semn provocat de dilatarea masivului de rocă acviferă icircngheţată Icircn scopul compensării eforturilor de icircntindere s-a propus icircmbinarea coloanei cu nipluri elastice O asemenea soluţie este mai scumpă şi icircn plus micşorează secţiunea liberă de curgere ceea ce conduce la icircncălzirea excedentară a saramurii
La lucrări subterane de mare adacircncime ca puţurile de mină depozite subterane se folosesc burlane de 1397 x 7 mm pentru a fi posibilă determinarea abaterii de la poziţie verticală
La tunelurile de metrou şi icircn general la lucrările la care adacircncimea de icircngheţare nu depăşeşte 50 - 60 m diametrul cel mai frecvent utilizat este 1143 x 7 mm
Ţeava interioară 2 (fig 51) numită şi tub de alimentare de regulă ţeava uşoară de instalaţii de 50 mm diametrul se introduce icircn burlanul exterior 3 fără icircnsă a atinge şiul de bază 1 al sondei Se asigură icircn acest mod un volum minimal de depuneri solide care circulă cu saramura icircn mod incidental Icircn scopul economisirii de metal tubul de alimentare poate fi din material plastic ceea ce prezintă marele avantaj al lipsei coroziunii şi al refolosirii materialului respectiv
Şiul de fund are rolul de a asigura icircnchiderea burlanului exterior icircn partea sa inferioară Cel mai adesea are formă conică pentru a asigura introducerea cu uşurinţă a coloanei metalice icircn gaura de sondă Această componentă a sondei de icircngheţare se execută fie prin turnare sau se confecţionează cu ajutorul sudurii
Corespunzător profilului geologic al terenului icircn care se lucrează se icircntacirclnesc şi cazuri cacircnd nu este nevoie să se icircngheţe terenul pe toată icircnălţimea sondelor ci numai la partea lor inferioară Icircn acest caz se folosesc sonde de icircngheţare zonală (fig 58) cu ajutorul cărora se asigură congelarea doar a zonei inferioare ceea ce prezintă avantaje economice deosebite nu se consumă energie pentru a icircngheţa icircn mod inutil formaţiuni geologice consistente şi uscate şi nu se reduce ritmul lucrărilor de săpare printr-o eventuală mărire a rezistenţei rocilor
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
42
Figura 48 Fig 58 Sonda de icircngheţare zonală
1 - burlan exterior 2 - tub de alimentare 3 - şiu 4 - tub de evacuare
Figura 49 Fig59 - Sonda de icircngheţare cu agent
frigorific 1 - tub exterior 2 - perete despărţitor 3 - şiu 4 -
ştuţ (ţeavă de preaplin) 5 - condensator - vaporizator
Icircn cazul răcirii directe sondele de icircngheţare cu agent frigorific sunt de construcţie specială (fig 59) Particularitatea acestor sonde este prezenţa pereţilor despărţitori 2 dispuşi unul sub celălalt la circa 3 m fiecare perete fiind prevăzut cu un ştuţ de preaplin O asemenea construcţie are rolul de a fracţiona coloane de lichid ceea ce asigură o răcire mai uniformă pe lungimea sondei
Fiecare sondă este prevăzută la partea superioară cu cacircte o cămaşă de răcire Sondele se umplu cu amoniac lichid icircntr-o asemenea cantitate icircncacirct fiecare secţie să fie icircnecată cu lichid respectiv pacircnă la partea superioară a ştuţurilor 4 Ca urmare a fluxurilor de căldură de la sol se produce fierberea amoniacului icircn toate secţiile sondei Vaporii formaţi se ridică prin ştuţurile 4 şi ajungacircnd la partea superioară a sondei se condensează cedacircnd căldură agentului (amoniac) din cămăşile de răcire
Ca urmare cămăşile de răcire de la partea superioară a sondelor constituie vaporizatorul instalaţiei frigorifice Amoniacul care se condensează la partea superioară a sondei curge icircnapoi (de sus icircn jos) prin ştuţurile 4 Folosirea pereţilor despărţitori şi a ştuţurilor micşorează influenţa presiunii hidrostatice a lichidului asupra temperaturii de vaporizare a amoniacului Asemenea sonde de icircngheţare se folosesc pentru lucrări de mică adacircncime
Amplasarea sondelor se face icircn funcţie de o serie de factori formă poziţia şi dimensiunile lucrării care se realizează structura terenului temperatura şi viteza agentului etc
Icircn cazul puţurilor de mină de secţiune circulară sondele se amplasează pe un cerc
concentric de diametru D mai mare decacirct diametrul de săpare Ds cu grosimea a peretelui icircngheţat
sDD (54)
Trebuie să se ţină seama şi de deviaţia sondelor de la poziţia verticală icircncacirct pentru adacircncimi mari se utilizează relaţia
3
2 4
1
VAPORI 5 LICHID
3
2
4 1
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
43
a21DD s (55)
unde a = 003 H este abaterea medie statistică de la verticală a sondelor
Distanţa dintre sonde se ia de obicei de 1014 m icircn terenuri rezistente şi de 0809 m icircn terenuri slabe
Pentru adacircncimi de peste 500 m se recomandă să se dispună sondele pe două cercuri concentrice pentru a se forma un perete de grosime mai mare şi deci mai rezistent
La icircngheţarea terenului icircn jurul puţurilor de secţiune dreptunghiulară sondele se pot dispune pe dreptunghi sau elipsă Icircn aceste situaţii centura de teren icircngheţat poate fi solicitată la icircntindere ceea ce este de nedorit deoarece limita de rezistenţa la icircntindere a terenurilor icircngheţate este de circa 3 ori mai mică decacirct limita rezistenţei la compresiune Din acest motiv chiar şi la puţurile de mină de secţiune dreptunghiulară sondele se dispun pe unul sau două cercuri (fig 510)
Pentru realizarea galeriilor icircnclinate icircngheţarea terenului se realizează cu sonde verticale (fig 511) sau combinat atacirct cu sonde verticale cacirct şi cu sonde icircnclinate (fig 512)
Distanţa dintre sondele verticale (fig 511) se ia de 23 m iar distanţa dintre racircnduri este de 1525 m
Se poate folosi cacircte un racircnd de sonde icircnclinate montate deasupra galeriei (fig 212 a) sau sonde icircnclinate sub galerie şi sonde verticale scurte deasupra galeriei (fig 512 b)
SONDA
154 m
16
6 m
226
262
85
SONDA
Figura 411 Fig 511 Amplasarea sondelor verticale pentru realizarea galeriei icircnclinate
Figura 411 Fig 510 Dispunerea sondelor icircn jurul puţurilor de mină de secţiune
dreptunghiulară
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
44
Figura 412 Fig 512 Realizarea galeriilor icircnclinate cu sonde verticale (1) şi sonde oblice (2)
I - secţiunea longitudinală II - secţiunea transversală a) sonde icircnclinate deasupra galeriei b) sonde icircnclinate sub galerie
413 513 UTILIZAREA METODEI DE IcircNGHEŢARE A SOLULUI IcircN ŢARA NOASTRĂ
a)Puţuri de mină
Aplicarea metodei de icircngheţare a solului pentru lucrări de minerit a avut loc la noi icircn ţară icircncepacircnd cu anul 1960 la puţul Godeni din bazinul carbonifer Cacircmpulung - Muscel Proiectul a fost elaborat icircn anul 1959 la IPROMIN Bucureşti iar lucrarea a fost executată cu Trustul Minier Argeş avacircnd icircn subantrepriză de specialitate Icircntreprinderea Frigotehnica Bucureşti şi Trustul de prospecţiuni explorări şi deschideri de mine noi Bucureşti
Adacircncimea de săpare a puţului Godeni a trebuit sa fie de 202 m Sondele de icircngheţare constituite din două ţevi concentrice (fig 51) cu diametrele exterioare de 146 mm şi respectiv 57 mm icircn număr de 27 au fost amplasate pe un cerc cu diametrul de 10 m la distanţa de 117 m una de alta
Instalaţia frigorifică a fost dimensionată cu mare precauţie pentru a avea o siguranţă mărită icircn funcţionarea ei Toate părţile componente ale instalaţiei frigorifice au fost proiectate şi executate icircn ţară
La proiectarea instalaţiei s-a avut icircn vedere funcţionarea de scurtă durată şi variaţia puterii frigorifice icircn timp S-a utilizat răcirea indirectă cu soluţie de clorură de calciu iar ca agent frigorific a fost folosit amoniacul Pentru a avea elasticitatea necesară icircn funcţionare la diferite puteri frigorifice au fost folosite grupuri de utilaje frigorifice şi anume
6 compresoare 4 AU - 20 (200000 kcal Nh =233 kW fiecare)
3 baterii de condensatoare atmosferice a cacircte 300 m2 (900 m2)
bazine pentru răcirea saramurii fiecare cu cacircte 2 vaporizatoare superintensive de 50 m2 (600 m2)
2 grupuri a cacircte 5 pompe pentru recircularea saramurii
Puterea frigorifică a instalaţiei montate a fost de 12106 kcal Nh =1395 kW şi s-a caracterizat prin următoarele date tehnice la exploatare
85
1
2
I 85
1
2
I
85
1
2
II
85
1
2 II
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
45
o suprafaţa de schimb de căldură a sondelor 2500 m2 o puterea instalaţiei 750 kW o debitul saramurii icircn
o icircn perioada activă 350 m3h o icircn perioada pasivă 70 m3h
o viteza de circulaţie a saramurii icircn sondă o tur 18 ms 036 ms o retur 029 ms 006 ms
o volumul rocilor icircngheţate circa 10000 m3 o consumul specific de frig mediu 50000 m3 o durata icircngheţării (perioada activă) 130 zile
Icircn timpul răcirii şi deci a icircngheţării solului puterea frigorifică scade icircn mod continuu icircncacirct treptat s-a scos din funcţiune cacircte un compresor icircn perioada pasivă (de săpare a puţului) s-a menţinut icircn lucru doar un singur compresor şi grupul de utilaje aferent
După terminarea lucrărilor de la puţul Godeni icircn anii următori aceeaşi instalaţie s-a montat la puţul Poenari din acelaşi bazin carbonifer unde sondele au fost amplasate pe un cerc cu diametrul de 11 m la distanţa de 128 m una de alta
Un alt puţ realizat prin această tehnologie de icircngheţare a solului a fost puţul Jugur de la acelaşi bazin carbonifer Centrala frigorifică a cuprins 15 compresoare 3 AV - 20 (150000 kcal Nh fiecare=175kW) repartizate icircn 5 linii tehnologice independente cu icircntreg utilajul aferent Fiecare linie este compusă din
o butelie de răcire intermediară BRI - 700 un condensator cu evaporare forţată CEF - 180 un bazin cu patru grupuri vaporizatoare intensive de cacircte 165 m2 (icircn total 66 m2)
Sondele de icircngheţare icircn număr de 27 bucăţi au fost prevăzute să se amplaseze pe un cerc cu diametrul de 104 m la distanţă de 121 m Sondele sunt de tipul celei indicată icircn figura 58 deci cu răcire zonală avacircnd următoarele caracteristici diametrul exterior al burlanului este de 146 mm iar tuburile interioare au 57 mm (la exterior) tubul de alimentare are lungimea de 430 m iar cel de evacuare este de 220 m Ca urmare sondele de icircngheţare trebuie să producă icircngheţarea solului numai pe adacircncimea de la 220 m la 430 m Prin proiect s-au prevăzut următoarele date temperatura saramurii - 35 ordmC viteza saramurii icircn conducte de tur 18 ms viteza icircn conducte de retur (pe adacircncimea de răcit) 06 ms durata icircngheţării (perioada activă) a fost de 75 zile
Au fost prevăzute temperaturi scăzute şi viteze mari de congelare deoarece cilindrul icircngheţat trebuie să preia presiuni de pacircnă la 56 bar
b)Tunelurile pentru metroul din Bucureşti
Icircncepacircnd cu anul 1976 pentru realizarea metroului din Bucureşti s-a procedat la aplicarea metodei de icircngheţare a solului icircntr-o zonă considerată experimentală dar cu realizări efective de galerii
Prin proiect s-a prevăzut consolidarea prin icircngheţare artificială a profilului de săpare a tunelurilor de metrou pe o lungime de circa 550 m pe ambele fire Amplasamentul sondelor s-a făcut icircn două variante (pentru experimentare) pentru un fir de tunel ambele racircnduri de sonde s-au fixat icircn profilul circular de săpare iar pentru cel de al doilea fir de tunel sondele au fost forate icircn afara profilului de icircnaintare (fig 513) Au fost folosite sonde cu saramură cu posibilitatea de icircngheţare pe toată icircnălţimea de 16 m cacirct şi sonde cu icircngheţare zonală icircntre adacircncimile de 7 m şi 16 m Distanţa dintre sonde a fost fixată la 14 m
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
46
Pentru a se icircmpiedica accesul apelor icircn frontul de săpare datorate unor eventuale zone neicircngheţate traseul de tunel icircngheţat a fost icircmpărţit icircn incinte icircnchise prin timpane transversale La distanţe de 3050 m icircn lungul traseului au fost montate sonde de icircngheţare aşezate icircn plan normal pe axul tunelului prin care să se icircnchidă accesul apelor spre frontul de săpare
Echipamentul frigorific principal cuprinde
- 8 compresoare frigorifice 3 AV - 20 funcţionacircnd icircntr-o treaptă pentru care
corespunde puterea frigorifică de 12 106 kcal Nh =1395 kW
- 4 condensatoare de evaporare forţată CEF - 250
- 3 bazine de răcire a saramurii echipate cu cacircte 4 grupuri de vaporizatoare superintensive de cacircte 51 m2 (total 612 m2)
- 3 grupuri de cacircte 2 pompe a 220 m3h pentru circulaţia saramurii pe traseele de distribuţie şi prin sonde
Figura 413 Fig513 Amplasamentul sondelor de icircngheţare
Centrala frigorifică este stabilă adăpostită icircntr-o baracă metalică demontabilă existacircnd posibilitatea de reamplasare rapidă a instalaţiei icircntr-un alt loc Agentul frigorific utilizat este amoniacul iar agentul intermediar este clorura de calciu
Icircn perioada principală de icircngheţare temperatura de vaporizare este to = -22 ordmC asiguracircnd răcirea saramurii la -17 ordmC iar pe retur saramura a avut temperatura cu 15 ordmC mai ridicată
La o asemenea lucrare realizată icircn oraş se impune protejarea contra icircngheţului a straturilor de deasupra galeriilor icircn care sunt amplasate instalaţiile de apă - canal ceea ce presupune folosirea sondelor cu icircngheţare zonală care să nu fie active la partea superioară
c) Puţuri pentru prospectarea balastierelor
Procedeul şi instalaţia frigorifică au avut caracter de noutate şi s-a aplicat icircncepacircnd cu anul 1966 la mai multe obiective icircn general pe văile racircurilor unde s-au construit hidrocentrale
A
A B
B
A-A
000 -300 -700 -1061 -1300
65
800
B-B
000 -300 -700 -1061 -1300
65
550
ARGILA
ARGILA
NISIP
NISIP
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
47
Echipamentul frigorific principal cuprinde un agregat frigorific pentru amoniac de 20000 kcal Nh = 233 kW rezervor de amoniac separator de lichid şi anexe - toate fiind montate pe o remorcă
S-au folosit sonde de icircngheţare cu agent frigorific icircn număr de 8 bucăţi cu diametrul exterior de 133 mm montate pe un cerc cu diametrul de 2 m la distanţa de 076 m lungimea lor fiind de 75 m Legarea sondelor la distribuitor şi colector s-a făcut cu racorduri flexibile
Sondele au o construcţie specială fiind prevăzute cu 4 pereţi transversali cu ştuţuri de preaplin formacircndu-se astfel 5 compartimente Agentul lichid se introduce icircn compartimentul cel mai de sus şi se scurge prin ştuţuri pacircnă la baza sondei Conducta de aspiraţie străbate toate compartimentele vaporii fiind aspiraţi din compartimentul cel mai de jos Circulaţia vaporilor formaţi se face ca şi a lichidului de sus icircn jos obţinacircndu-se astfel o răcire uniformă şi eficientă pe toată icircnălţimea sondei
Durata icircngheţării respectiv a formării centurii de teren icircngheţat la adăpostul căreia să se poată efectua săparea şi preluarea de probe de sol este de 10 zile
414 514 CAcircMPUL DE TEMPERATURĂ IcircN SOLUL IcircNGHEŢAT
Cacircnd prin sonda de icircngheţare circulă saramură a cărei temperatura este sub 0 ordmC practic - 20 ordmC-25 ordmC icircn jurul sondei se formează un cacircmp termic care icircn cazul unei singure sonde poate fi reprezentat prin suprafeţe cilindrice coaxiale de temperatură constantă (izoterme)
După distanţa radială se deosebesc icircn sol din punct de vedere termic trei zone zona cilindrică din imediata vecinătate a sondei care este icircn zona icircngheţată zona răcită cuprinsă icircntre suprafaţa cilindrică izotermă de 0 ordmC şi izoterma de temperatură naturală şi a treia zonă cea de temperatura naturală (fig 514)
Icircn zona icircngheţată temperatura masivului variază de la temperatura peretelui metalic al sondei pacircnă la 0 ordmC Icircn zona răcită temperatura masivului creşte de la 0 ordmC pacircnă la temperatura naturală a masivului
Figura 414 Fig 514 Cacircmpul de temperatură icircn jurul unei sonde de icircngheţare
Este important să se cunoască cacircmpul termic icircn terenul supus icircngheţării deoarece acesta oferă date privind zona de răspacircndire a consolidării rocilor prin solidificarea apei cacirct şi a
t [oC]
r [m]
t (r)
ZONA RACITA
ZONA INGHETAT
A
ts TEMPERATURA NATURALA A ROCII
-20
-10
40
10 0 20 30
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
48
rezistenţei mecanice a rocii icircngheţate Se cunoaşte faptul că rezistenţa mecanică depinde direct de temperatură
Studiul variaţiei temperaturii icircn zona de influenţă a unei sonde şi a tuturor sondelor simultan oferă posibilitatea calculării dimensiunilor la proiectarea construcţiei peretelui protector cacirct şi controlul procesului icircn timpul desfăşurării lucrărilor
Pentru a se stabili relaţia de variaţie a temperaturii icircn zona icircngheţată icircn funcţie de raza r se consideră ecuaţia diferenţială
dr
dtr2q (56)
icircn care q este fluxul unitar de căldură corespunzător lungimii de 1 m din sonda de icircngheţare Wm
- conductivitatea termica a terenului Wm
Integrarea directă a ecuaţiei analitice se poate face icircn ipoteze simplificatoare consideracircnd
= const şi q = const ceea ce este justificat la valori mari ale timpului de răcire
Se separa variabilele
r
dr
2
qdt
(57)
Se consideră cunoscute temperaturile t1 la suprafaţa sondei de raza r1 și t2 = 0 ordmC la raza r2 corespunzătoare suprafeţei exterioare a cilindrului icircngheţat Se integrează ecuaţia (6-7) și cunoscacircnd limitele de integrare se va determina constanta de integrare
Cr ln2
qt
(58)
pentru r = r1 t = t1 deci
11 rln2
qtC
(59)
1
1r
rln
2
qtt
(510)
Se pune condiţia ca pentru r = r2 t = t2
1
212
r
rln
2
qtt
(511)
Se elimina q intre relaţiile (510) și (511) şi se obţine
1
2
1121
r
rln
r
rln
tttt (512)
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
49
Figura 415 Fig 515 Schema schimbătorului de căldură subteran
Pentru t2 = 0 ordmC relaţia (5-12) devine
)rrln(
)rrln(tt
12
21 (513)
Icircn figura 515 se prezintă o secţiune axială printr-o sondă de icircngheţare şi variaţia temperaturii icircn limitele t0 - temperatura agentului de răcire şi ts - temperatura naturală a solului
Cantitatea de căldură transferată de la masivul neicircngheţat spre agentul de răcire prin unitatea de lungimea de conducta şi unitatea de timp se calculează cu expresia
221
2
1o
1
moo
os
d
1
d
dln
1
d
dln
2
1
d
1
ttq
(514)
Icircn calculele inginereşti cel mai frecvent se determină nu fluxul termic pe unitatea de lungime a conductei ci fluxul termic qF raportat la unitatea de suprafaţă a conductei metalice la 1 m2 de suprafaţa exterioară sau interioară Mărimea qF se calculează astfel
22
o
1
2
1
o
o
1
m
o
o
oS
o
F
d
d
d
dln
2
d
d
dln
2
d1
tt
d
(515)
Fluxul termic qF prin unitatea de suprafaţă a sondei de icircngheţare calculat pentru adacircncimea de 100 m icircn regim laminar de curgere a agentului de răcire prin spaţiul inelar al sondei cu viteza w = 01 ms la diametre ale cilindrului de rocă icircngheţata
de la 02 la 3 m pentru to = -20 ordmC do = 01 m 1 = 233 WmK variază de la 720 la 230 Wm2 aşa cum se poate observa din figura 516 şi tabelul 51
d2
d1
d0
t
qF
t0
t2
t1 2
m 1
m
ts
Conducta Teren icircngheţat Teren
neicircngheţat
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
50
Figura 416 Fig 516 Variaţia fluxului termic qF prin unitatea de suprafaţă a sondei de icircngheţare 1 - regim turbulent 2 regim laminar
Tabelul 51Variaţia fluxului termic qF [Wm2]
Diametrul cilindrului de rocă icircngheţată icircn m
02 04 05 08 10 15 20
qF regim laminar 1160 550 387 330 302
qF regim laminar 720 465 423 350 321 283 258
Se observă ca densitatea fluxului de căldura qF scade foarte mult de la 800900 Wm2 la icircnceputul operaţiei de consolidare prin frig a rocilor pacircnă la 230250 Wm2 cacircnd cilindrul de rocă icircngheţata atinge diametrul de 23 m Ca urmare a acestei situaţii şi puterea frigorifică a instalaţiei va scădea icircn decursul a 6080 zile tot cu raportul de 800230 = 35
Instalaţia frigorifică va fi constituită din grupuri de utilaje (module) ce vor fi scoase treptat din funcţiune pe măsură ce se reduce densitatea fluxului de căldură qF ca urmare a creşterii grosimii stratului de teren icircngheţat Icircn practică pentru calcule se va considera qF = (260290) Wm2
O mărime importanta pentru proiectarea instalaţiei şi aprecierea procesului de consolidare a rocilor este timpul de icircngheţare Pentru calculul duratei de icircngheţare se pot folosi relaţiile prezentate icircn capitolul 3 la formarea gheţii pe suprafeţe cilindrice exterioare La aprecierea valorii pentru ls - căldura latentă de solidificare se avea icircn vedere conţinutul de apă din terenul supus icircngheţării
Dacă icircntre relaţiile pentru dependenţele (r) şi qF(r) se elimină r se obţine dependenţa
qF() Eliminarea nu se poate face direct ci fie cu ajutorul calculatorului fie printr-o construcţie grafică prezentată icircn figura 517
Studiul variaţiei temperaturii icircn solul icircngheţat cacirct și variaţia icircn timp a densităţii fluxului de căldura se poate face cu ajutorul calculatorului electronic
1200
1000
800
600
400
200
0 05 1 15 2 25 3
qF [Wm2]
Diametrul cilindrului de rocă icircngheţată [m]
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
51
Figura 417 Fig 517 Stabilirea dependentei qF() pe baza dependentelor qF(r) și (r)
415 515 ELEMENTE DE PROIECTARE A INSTALAŢIEI FRIGORIFICE PENTRU IcircNGHEŢAREA SOLULUI
Pentru proiectarea instalaţiei frigorifice trebuie sa se stabilească la icircnceput elementele de baza și anume
- puterea frigorifică maximă care apare la icircnceputul perioadei de răcire cacircnd pătrunderile de căldura spre agentul de răcire din sondele de icircngheţare au valori mai mari temperatura de vaporizare a agentului frigorific plecacircnd de la temperatura minimă sau medie din solul icircngheţat şi avacircnd icircn vedere modul de răcire directă sau indirectă
Se calculează cantitatea totală de căldură ce trebuie extrasă din terenul supus răcirii şi icircngheţării Se cunoaşte structura terenului icircngheţat deci se cunosc icircnălţimile h1 h2hn ale diferitelor straturi componente cacirct şi proprietăţile termofizice ale acestora
Grosimea centurii de teren icircngheţat se stabileşte icircn urma calculelor de rezistenţa materialelor icircncacirct se pot calcula volumele ocupate de straturile componente V1 V2Vn
Cantitatea de căldură ce trebuie extrasă din zona icircngheţată cuprinde două componente și anume
cantitatea de căldura Qa corespunzătoare răcirii şi icircngheţării apei
cantitatea de căldura Qt necesara răcirii părţii solide a terenului
n
1kfgsikaakka tcltcVQ (516)
unde
k - reprezintă conţinutul icircn apă din stratul respectiv [m3m3]
a - densitatea apei [kgm3]
ca cg - căldura specifica a apei respectiv a gheţii Jkg K
tik - temperatura iniţiala a stratului respectiv (de ordinul k)
tf - temperatura medie finala a masivului icircngheţat
ls - căldura latentă de solidificare a apei
r
q
q
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
52
fik
n
1kkkkkt ttc1VQ
(517)
k - densitatea părţii de teren solid (uscat) din stratul k
ck - căldura specifică a terenului uscat din stratul k
Cantitatea de căldură extrasă din terenul răcit reprezintă circa 1018 din cantitatea de căldură extrasă din zona de teren icircngheţat
Deci cantitatea totală de căldură Q ce va trebui preluată de către instalaţia frigorifică se poate aprecia astfel
Q = (110118) (Qa + Qt) (518)
Cu relaţia (51) se calculează puterea frigorifica a instalaţiei adoptacircnd o valoare medie pentru densitatea fluxului de căldura qF
Se poate aprecia timpul de funcţionare a instalaţiei frigorifice
o
Q
(519)
La anumite grosimi ale cochiliei de teren icircngheţat icircn jurul sondei densitatea fluxului termic scade sub valoarea medie adoptată icircn calcule şi ca urmare icircncepacircnd de la acest moment se va putea reduce treptat puterea frigorifica a instalaţiei prin scoaterea din funcţiune a unor grupuri
La proiectare se pot avea icircn vedere unele recomandări practice pentru stabilirea necesarului de frig pentru icircngheţarea unui m3 la -10 ordmC este necesar un consum specific de frig de 66000 kJ la 10 umiditate de 155000 kJ la 35 umiditate și de 210000 kJ la 50 umiditate
42 52 RĂCIREA BETONULUI LA CONSTRUCŢIILE MASIVE
421 521 INSTALAŢII DE PRERĂCIRE A COMPONENTELOR BETONULUI
Formarea betonului din elementele sale componente (nisip pietriş ciment şi apă) este icircnsoţită de fenomene fizico - chimice icircn care se degajă căldură şi ca urmare temperatura acestuia creşte Icircn cazul unor masive din beton (baraje) dacă viteza de turnare (icircn sezonul cald cacircnd se efectuază construcţia) este mai mare şi nu se asigura evacuarea căldurii corpul rezultă la o temperatura medie mai mare decacirct temperatura medie anuală Răcirea naturală conduce la contracţia masivului şi ca urmare la apariţia sub acţiunea tensiunilor interne a unor fisuri
Pentru ca variaţiile de temperatura icircntre centrul barajului şi straturile exterioare să fie cacirct mai mici se impune ca masivul respectiv să fie turnat la temperatura medie anuală a zonei respective Icircn acest scop se pot folosi două metode prin prerăcirea componentelor betonului și prin răcirea masei barajului
Icircn vederea reducerii căldurii degajată icircn reacţia dintre ciment şi apă au fost realizate sortimente de ciment caracterizate prin călduri masice reduse ce se degajă icircn procesul de priză
Prin prerăcirea componentelor betonului se urmăreşte ca betonul sa aibă temperatura medie a locului de amplasament şi prin aceasta evitarea apariţiei unor diferenţe mari de temperatură ce pun icircn pericol construcţia
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
53
Icircn funcţie de valoarea diferenţei de temperatură care trebuie realizată se poate adopta o anumită schemă de răcire pentru fiecare component icircn parte sau numai pentru unele din aceste părţi componente
Se pot folosi instalaţii frigorifice cu comprimare mecanică de vapori pentru răcirea apei a aerului sau formarea gheţii mărunte utilizate la prerăcirea componentelor betonului Folosirea gheţii fulgi sau solzi este limitată atacirct din cauza conţinutului de apă impus cacirct şi ca urmare a pericolului ca gheaţa să nu se topească icircn procesul de malaxare ci la turnare sau icircn procesul de priză ceea ce duce la formarea de goluri icircn beton
De asemenea se pot folosi instalaţiile frigorifice cu ejecţie
Icircn vederea stabilirii necesarului de frig pentru preratildecirea componentelor betonului se calculează mai icircntacirci cantitatea de catildelduratilde Qo1 ce trebuie evacuatatilde dintr-un m3 de beton avacircndu-se icircn vedere proporţiile icircn care participatilde cimentul nisipul pietrişul şi apa Fiecare component are o temperatură iniţialatilde şi urmeazatilde a fi răcit pacircnatilde la o temperatura finalatilde tf aceeaşi pentru toţi componenţii
fpppfnnnfccc1o ttcmttcmttcmQ
fnaanfpaapfaaa ttcmttcmttcm Jm3 (520)
unde
mc mn mp ma - masele de ciment nisip pietriş şi apă conţinute icircntr-un m3 de beton [kgm3]
cc cn cp cw - căldurile specifice masice ale cimentului nisipului pietrişului şi nisipul dintr-un m3 de beton [kgm3]
Puterea frigorifică se determină cu relaţia
3b1oo 10VQ [kW] (521)
icircn care bV reprezintă fluxul de betonare icircn m3s
Se prezintă icircn continuare cele mai folosite metode de prerăcire a componentelor betonului
4211 a) Instalaţie de prerăcire cu apă
Staţia de preparare a betonului este deservită de o instalaţie frigorifică cu comprimare mecanică de vapori care asigură răcirea apei
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
54
Figura 418 Fig 518 Schema de lucru a instalaţiei de prerăcire a betonului cu ajutorul apei 1 - ciment 2 - vagon nisip 3 - vagon pietris 4 - tancuri de răcire a pietrişului 5 - sită 6 - siloz de
nisip 7 - siloz de ciment 8 - rezervor de distribuţie 9 - răcitor de nisip 10 - răcitor de ciment 11 - răcitor de apă 12 - rezervor de apă răcită 13 - răcitor de apă 14 - instalaţie de prepararea betonului
I II III IV V - fazele de răcire a pietrişului
Icircn figura 518 se prezintă schema de lucru a unei asemenea instalaţii de prerăcire a betonului cu ajutorul apei folosită la construcţia barajului de la Detroit (SUA) Apa este răcită de la 16 la 15 ordmC şi transmisă apoi la instalaţia de preparare a betonului şi icircn cinci rezervoare a cacircte 90 m3 fiecare icircn care se răceşte pietrişul
Procesul de răcire a pietrişului cuprinde cinci faze
- faza I - introducerea apei icircn rezervor 10 minute
- fazele II şi III - introducerea simultană a apei şi a pietrişului 50 minute
- faza IV - evacuarea apei 15 minute
- faza V - evacuarea pietrişului 15 minute
Icircntregul proces de răcire a pietrişului durează 90 minute Pentru răcirea cimentului şi nisipului se utilizează schimbătoare de căldură cu ax elicoidal la care apa de răcire circulă prin arborele gol şi prin manta
Rezervoarele 12 pentru apa răcită au fiecare volumul de 114 m3
Beton 635oC
190 m3h
65oC
24oC
18oC
1
2
3
4
5
6
7
8
10
9
11
12
13
14
Apă 16oC
15oC
Cim
en
t
26 l
h
Nis
ip 1
12
lh
10
oC
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
55
42111 Aplicaţie numerică
Să se calculeze puterea frigorifică necesară prerăcirii betonului prin metode şi condiţiile prezentate mai sus Se cunosc următoarele date de calcul
mp = 1700 kgm3 beton
mc = 135 kgm3 beton
mn = 590 kgm3 beton
ma = 60 kgm3 beton
cc = cn = cp = 921 Jkg K
ca = 4180 Jkg K
map = 16 kgm3 beton
man = 38 kgm3 beton
tp = 18 ordmC
tc = 66 ordmC
tn = 21 ordmC tf = 635 ordmC
052803000
190Vb m3s
Se calculează componentele cantităţii de căldură Q01
3fcccc 10741735666921135ttcmQ Jm3
3fnnnn 10796135621921590ttcmQ Jm3
3fpppp 1024018356189211700ttcmQ Jm3
3faaaa 10420235616418060ttcmQ Jm3
3fpaapap 1077935618418016ttcmQ Jm3
3fnaaan 10232735621418038ttcmQ Jm3
Rezulta
3anapapnc1o 1039144QQQQQQQ Jm3
3o 10 206705280103914410VQ 33
b1o kW
4212 b) Instalaţii de prerăcire cu aer apă
Pentru răcirea componentelor betonului se utilizează icircn acest caz fie apa fie aerul ca agenţi intermediari răciţi cu ajutorul instalaţiilor frigorifice
Icircn figura 519 se prezintă schema unei asemenea instalaţii folosită la construcţia barajului de la Sariyar din Turcia
Răcirea aerului se poate face fie direct prin vaporizarea unui agent frigorific fie indirect cu un agent intermediar de răcire ca de exemplu saramura de clorură de calciu Aerul răcit pacircnă la -6 ordmC este suflat icircn silozurile cu pietriş de dimensiuni icircntre 4150 mm
Apa răcită icircn bazinul la pacircnă la 05 ordm este trimisă din colectorul 12 la staţia de preparare a betonului servind la scăderea temperaturii acestuia
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
56
Figura 419 Fig 519 Schema instalaţiei de prerăcire a betonului cu aer şi apă 1 - compresor 2 - condensator 3 - ventile de laminare 4 - vaporizatoare 5 - bazin de răcire a
saramurii 6 - pompă de saramură 7 - răcitor umed de aer 8 - ventilatoare 9 - silozuri de pietriş 10 - bazin de răcire a apei 11 - pompă 12 - colector de apă răcită
Figura 420 Fig 520 Schema instalaţiei de prerăcire cu aer şi apă 1 - siloz de pietriş şi nisip 2 - siloz de ciment 3 rezervor de apă 4 - răcitor de aer 5 - răcitor de apă
4 - răcitor de apă 6 - buncăr de sortare 7 - instalaţie de preparare beton
Pentru intensificarea procesului de răcire a pietrişului aerul este răcit sub 0 ordmC Acest procedeu are avantajul unei funcţionări fără icircntrerupere a procesului de preparare a betonului dar prezintă şi o serie de dezavantaje debite foarte mari de aer de răcire posibilitatea antrenării particulelor fine de agregat icircn răcitorul de aer şi depunerea acestora pe suprafaţa de schimb de căldură Ca urmare instalaţia se va curăţa la circa 14 zile Icircn figura 520 se prezintă o altă schemă de instalaţie de prerăcire a betonului cu aer şi apă folosită la construcţia unui baraj din India
Apă
295oC
Ciment
433oC
Pietriş şi nisip
378oC
Apă 6oC
Ciment 433oC
Aer
Pietriş
45oC Nisip 222oC
22oC
Ap
ă
45
oC
Ap
ă 2
2o
C
Ae
r 5
5o
C
Be
ton
12
8o
C
Apă 22oC
2
1
3 4 5
8
9
5 7
12
1oC
11
05oC 9oC 9oC
-9oC
-10oC -10oC
-10oC 2oC
6oC
10 4 4 6
8 8
8
8 8
9 9 9 9
1
2
3 3
7
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
57
Pietrişul şi nisipul se separă icircntre ele icircn buncărul de sortare 6 şi apoi fiecare circulă pe cacircte o bandă transportoare prin camera de răcire 7 Pietrişul este răcit cu ajutorul apei
Fig
ura
42
1 F
ig 5
21
Sc
he
ma
in
sta
laţi
ei
de
ră
cir
e icirc
n v
id a
co
mp
on
en
telo
r b
eto
nu
lui
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
58
reci icircncacirct ajunge la o temperatură mai scăzută decacirct nisipul răcit cu aer Prin camera 7 se circulă şi aer rece care se introduce la temperatura de 55 ordmC Cimentul se introduce la instalaţia de preparare a betonului 9 fără a fi răcit
O altă posibilitate de prerăcire a agregatelor (pietriş şi nisip) şi a apei utilizată mai recent la construirea barajelor icircntrebuinţează răcirea icircn vid la care agregatele uşor umezite icircn recipiente sub presiune se răcesc după nevoie (prin reglarea vacuumului) la o temperatură mai scăzută sau mai ridicată Căldura necesară evaporării umidităţii de pe agregate şi din ele (apa legată) este luată chiar de la corpurile respective (pietriş nisip) şi ca urmare acestea se răcesc
O asemenea instalaţie utilizată la Hortwell icircn SUA (figura 521) cuprinde 3 recipienţi de cacircte 150 m3 pentru răcirea pietrişului şi 3 recipienţi de cacircte 80 m3 pentru răcirea nisipului
Pietrişul şi nisipul cu temperatura maximă de 43 ordmC se pot răci pacircnă la temperatura necesară de 45 ordmC Pentru realizarea vidului necesar se folosesc două cazane de abur care produc 77 th fiecare
422 522 RĂCIREA INTERIOARĂ A MASIVULUI DE BETON
Prerăcirea betonului se recomandă icircn condiţiile unei zone tropicale sau temperate de amplasare a construcţiei masive nu se recomandă icircn cazul amplasării barajului icircn munţi unde temperatura aerului este scăzută Icircn asemenea situaţii se recomandă răcirea betonului prin conducte amplasate icircn masiv prin care circulă apă rece
La răcirea interioară cu conducte montate icircn beton are loc o eliminarea a căldurii simultan cu producerea ei icircn procesul de priză producacircndu-se şi o răcire pacircnă la temperatura necesară Pentru răcire se folosesc conducte de oţel cu diametre de 1525 mm montate la distanţe de 1223 m icircn plan orizontal şi de 153 m icircn plan vertical Lungimea conductelor icircntr-un m3 de beton este de 0204 şi a fiecărei serpentine de 140250 m
Debitul apei de răcire ce circulă prin 1 m3 de beton este de (0553) dm3h
Figura 422 Fig 522 Reţea de conducte de răcire a betonului icircn secţiunea unui baraj 1 - galerie pentru măsurători 2 - galerie de conducte de apă de răcire
Serpentinele se montează şi se fixează pe suprafaţă de beton (fig522) Capetele serpentinelor se leagă de o coloană verticală prin mufe metalice sau de cauciuc Diametrul distribuitorului şi al coloanei este cuprins icircntre 150200 mm După montaj aceste conducte se verifică la presiunea de lucru
1 2
Ax
a
ba
raju
lui
Calculul necesarului de frig pentru depozit de fructe
26
Figura 32 Fig15 Construcţia panourilor de tip sandwich
Rolul panourilor plastifiate este de a preicircntacircmpina pătrunderea vaporilor icircn interiorul izolaţiei eliminacircnd necesitatea barierei de vapori Panourile folosesc metoda de icircmbinare nut-feder reducacircndu-se astfel transferul de căldură cu mediul extern
Deoarece avem un singur depozit vom adopta coeficienţii de transfer de căldură prin
convecţie funcţie de t
Aleg pentru t = = te - ti = 318 - 1 = 308 0C k = 023 Wm2K
Din catalogul de produse INCOLD Italia se alege poliuretan 100 mm = 0023 WmK
Tablă din oţel galvanizat plastifiat
Calculul necesarului de frig pentru depozit de fructe
27
Tabelul 317 Tabel24 Calculul grosimi izolației
ei
i
i
izizk
111
Coeficientul global de transfer de căldură se determină utilizand relaţia
eiz
iz
i
i
i
k
11
1
n
i i
i
1
- suma rezistenţelor termice ale tuturor straturilor din care este realizat
peretele[m2KW]
iz - grosimea stratului de izolaţie termică [m]
iz - conductivitatea termică a materialului izolator [WmK]
e - coeficient de convecţie pe partea exterioară a peretelui [WmK]
i - coeficient de convecţie pe partea interioară a peretelui [WmK]
32 32 Bilantul caloric al spatiului climatizat pe timp de vară Necesarul de frig pentru frigorifer
Se stabileşte consumul zilnic de frig pe icircntreg frigoriferul şi pentru fiecare icircncăpere icircn parte luacircndu-se icircn considerare cele mai nefavorabile condiţii de lucru
temperatura aerului exterior pentru luna cea mai caldă a anului
icircncărcarea maximă şi simultană a camerelor de refrigerare
Spaţiul frigorific
Perete k αi αe 1αi 1αe R 1k λiz
δiz
calc δiz
ales Kr
[Wm2K] [m2KW] [WmK] [m] [m]
N 0229 10 18 010 006 0590 4367 0023 0097 0100 023
E 0224 10 12 010 008 0618 4464 0023 0098 0100 023
DR S 0221 10 12 010 008 0618 4525 0023 0100 0100 023
V 0223 10 12 010 008 0618 4484 0023 0099 0100 023
T 0221 10 12 010 008 0618 4525 0023 0100 0100 023
P 0228 10 0 000 000 0435 4386 0023 0000 0100 023
N 0221 25 12 004 008 0558 4525 0023 0101 0100 023
E 0224 25 12 004 008 0558 4464 0023 0100 0100 023
CP S 0224 25 12 004 008 0558 4464 0023 0100 0100 023
V 0223 25 12 004 008 0558 4484 0023 0100 0100 023
T 0221 25 12 004 008 0558 4525 0023 0101 0100 023
P 0228 25 0 000 000 0435 4386 0023 0000 0100 023
Calculul necesarului de frig pentru depozit de fructe
28
camerele vecine celei căreia i se face calculul necesarului de frig sunt goale şi au temperatura vestibulului sau a sasului
Aceste calcule determină necesarul de frig pe categorii de consumatori grupaţi după temperatura cerută şi permit stabilirea puterilor frigorifice icircn vederea proiectării instalaţiei
Pentru calculele termice sunt necesare următoarele
planul frigoriferului care a fost stabilit
dimensiunile camerelor
temperaturile necesare icircn fiecare cameră
Se consideră
1degC icircn depozitele de refrigerate
orientarea frigoriferului după punctele cardinale
condiţii climatice icircn lunile cele mai călduroase pentru zona geografică respectivă
Consumul de frig se calculează pentru 24 ore cu relaţia
Qnec = Q1 + Q2 + Q3 + Q4 [kcal24h]
Q1 - neeesarul de frig pentru acoperirea pătrunderilor de căldură prin cenvecţie
conducţie şi radiaţie din mediul icircnconjurător prin pereţi pardosea și plafon
Q2 - necesarul de frig tehnologic pentru procesele de răcire refrigerere şi
congelare eliminarea căldurii de respiraţie seu pentru unele procese chimice şi
biochimice
Q3 - necesarul de frig pentru ventilarea camerelor frigorifice cu aer proaspat care
trebuie racit şi uscat
Q4 - necesarul de frig rezulticircnd din condiţii de exploatare acoperirea căldurii
provenite din iluminat din funcţionarea motoarelor căldura provenită de la persoanele ce
manipulează produsele datorită deschiderii uşilor etc
321 Consumul de frig Q1
Se determină pentru fiecare spaţiu icircn parte cu relaţia
RttkFQ1 [ W ]
F - reprezintă suprafaţa pereţilor a pardoselei şi a plafonului corespunzător fiecărui
spaţiu frigorific icircn parte icircn m2 Ca suprafaţă de transfer se va considera suprafaţa
exterioară a perimetrului izolat termic
k - reprezintă coeficientul global de transmitere a căldurii prin convecţie conducţie şi radiaţie
prin pereţi plafon şi pardoseală (toate izolate termic) icircn [W(m2 middot grd)] Valoarea coeficientului k a
fost calculată icircn tabelul 24 (kr)
Δt - reprezintă diferenţa de temperaturi dintre temperatura exterioară suprafeţei de
transfer termic considerată şi temperatura interioară spaţiului frigorific
Calculul necesarului de frig pentru depozit de fructe
29
Diferenţa de temperatură ΔtR se ia icircn consideraţie numai la pereţii exteriori şi la
plafoane care sunt şi acoperiş pentru clădire
ΔtR = 0degC pentru pereţi exteriori orientaţi spre N
ΔtR = (5 10)degC pentru pereţi exteriori orientaţi spre E V S-E S-V
ΔtR = 15 degC pentru pereţi exteriori orientaţi spre S
ΔtR = (15 18)degC pentru plafoane care sunt şi acoperiş (terasă)
Calculul valorilor mărimii sumQ1 se recomandă a se efectua tabelar conform tabelului 25
Valoarea mărimii sum Q1 la aparate se obţine prin icircnsumarea fluxurilor termice prin toate cele 6 suprafeţe delimitatoare
La stabilirea valorii mărimii sum Q1 se consideră doar unul dintre fluxurile termice prin suprafeţele ce separă spaţiile frigorifice vecine Pentru aparatele de răcire din spaţiile frigorifice se consideră situaţia cea mai grea pentru fiecare spaţiu icircn parte respectiv că spaţiile vecine nu sunt răcite
Spaţiul frigorifi
c
Perete
Dimensiuni
Supraf F
[m2]
Kr [Wm2K]
Δt [grd]
Δtr
Q1 [W] sumQ1 q a [m]
b [m]
N 15 4 60 023 308 42504
246068
708
E 7 4 28 023 308 8 24987 892
DR S 15 4 60 023 185 15 46202 770
V 7 4 28 023 308 19835 708
T 15 7 105 023 308 74382 708
P 15 7 105 023 158 38157 363
N 7 4 28 023 185 11914
133566
426
E 7 4 28 023 268 8 22411 800
CP S 7 4 28 023 268 15 26919 961
V 7 4 28 023 185 11914 426
T 7 7 49 023 268 30204 616
P 7 7 49 023 268 30204 616
Tabelul 318 Tebel25 Calculul valorilor mărimii Q1
322 Necesarul de frig Q2
sum Q2 - necesarul de frig tehnologic pentru procesele de răcire refrigerare şi
congelare
Q2d = mcp(tc-ti)=500003644 = 4186000(243600)= 842 kW
Q2c = 2600036419 = 1798160 = 208 KW
Q2 = 208 + 842 = 293 = 30kW
unde
Q2d - necesarul de frig tehnologic depozit
Q2c - necesarul de frig tehnologic camera de preracire
Calculul necesarului de frig pentru depozit de fructe
30
m - cantitatea de produse introduse icircn tunelul de congelare icircn kg
te ti - temperaturi specifice corespunzătoare temperaturii iniţiale a produsului cald
(24 ordmC) respectiv temperaturii finale a produsului refrigerat (1 ordmC)
Căldura specfifică mere cp = 364 [kJkgK]
323 Necesarul de frig Q3
Icircn funcţie de natura produselor din spaţiul frigorific este necesar uneori să se realizeze ventilarea spaţiului prin asigurarea unui anumit număr de schimburi ale aerului din incintă icircn 24h Ca exemplu icircntotdeauna va fi necesară ventilarea prin introducere de aer proaspăt icircn spaţiile de păstrare pentru legume fructe şi ouă refrigerate Aceste produse vii respiră icircn timpul păstrării şi necesită icircn consecinţă ventilarea spaţiilor de păstrare
Acest consum de frig se ia icircn considerare doar la depozitele de refrigerare care se ventilează Se stabilește cu relația
Q3 = V ∙ a ∙ ᵖi ∙ (hex - hi) [kJ24]
V - volumul camerelor ventilateicircn m3
a = 24 schimburi pe zi pentru depozitele de mere
ᵖi - reprezintă densitatea aerului la temperature interioară icircn kgm3
Pentru depozitele de refrigerare considerăm umiditatea relativă ᵠi = 95 și ti=1 ordmC
rezultacircnd icircn acest caz hi= 9 kJkg
Parametri aerului exterior pentru zona icircn care este amplasat depozitul sunt temp ex 318
și umiditatea ext 60 rezultand din diagram mollier entalpia aerului Calcul facut icircn
programul Coolpack
ρi = 12 kgm3
hex = 7519 kJkg
Q3 = 616 2 12 (7519 - 9) (243600)= 00025 kW
324 Necesarul de frig Q4
Q4 - frigul consumat pentru acoperirea pierderilor icircn timpul exploatarii datorat deschiderii
usilor a corpurilor de iluminat a motoarelor electrice a oamenilor Se admite Q4 =
(01hellip04)Q1
Q4 = 02 379617 = 759234 = 008 kW
Qtotal = sum 119824120783 + Q2 + Q3 + Q4 = 004 + 30 + 000025 + 008 = 3012 = 31 kW
33 33 Stabilirea directiei raportului de termoumiditate și trasarea procesului de conditionare a aerului pe diagrama i-X pe timp de vară
Icircn fig16 este reprezentat un agregat pentru condiţionarea aerului pe timp de vară cu recirculare parţială
Calculul necesarului de frig pentru depozit de fructe
31
Figura 33 Figura16 Schema aparatului de condiţionare a aerului pe timp de vară cu recirculare parţială
F - filtru V - vaporizator C - compressor K - condensator VL - ventil de laminare I - icircncălzitor Vt - ventilator
Procesele de lucru pot fi reprezentate icircn diagrama h-x ca icircn figura următore
Figura 34 Fig17
A reprezintă starea aerului recirculat provenit din spaţiul condiţionat iar E este starea aerului exterior
Aerul tratat icircn aparatul de condiţionare care se introduce icircn incintă avacircnd starea B
trebuie să preia degajările de căldură Qv [kW] şi de umiditate Wv [kgs]
Direcţia procesului suferit de aer icircn incintă este dată de raportul de termoumidificare εv
= Qv Wv
Prin punctul A se trasează dreapta avacircnd raportul de termoumidificare εv iar punctul B se fixează pe această dreaptă adoptacircndu-se o anumită diferenţă de temperatură faţă de starea A
Aerul recirculat A se amestecă cu aerul proaspăt E şi rezultă starea de amestec M De regulă xM gt xB deci aerul va trebui să fie uscat
Pe verticala din B se fixează starea D avacircnd xD= xB şi ᵩD = 90hellip98
Calculul necesarului de frig pentru depozit de fructe
32
Se uneşte M cu D iar apoi se prelungeşte acest segment pacircnă la intersecţia cu ϕ = 100 rezultacircnd starea P avacircnd temperatura tp
Circulacircnd aerul cu starea M peste o suprafaţă rece avacircnd temperatura tp se va obţine procesul de răcire şi uscare MD
Temperatura suprafeţei tp se asigură cu o instalaţie frigorifică a cărei temperature de vaporizare va fi t0 lt tp
Ultimul proces din aparatul de condiţionare va fi icircncălzirea finală DB
Calculul agregatului de condiţionare a aerului pe timp de vară se efectuează asemănător cu cel a agregatului de condiţionare a aerului pe timp de iarnă cu observaţia că pe timp de vară nu este necesară umidificarea
331 Date
Vtotal = 616 m3 tint = 1ᵒC tex = 318 φint = 90 φext = 60 ρaer = 12 [kgm3]
Starea A
tA = ti + 3 = 4deg xA = 00043[kj
kg] φA = 86 hA = 1489[
kj
kg]
Starea B
tB = 1degC xB = 00036 [kj
kg] φB = 90 hB = 1024[
kj
kg]
Starea E
tE = 318degC xE = 00171[kj
kg] φE = 60 hE = 7519[
kj
kg]
Starea M
hM =hE + n ∙ hA
n + 1=
7513 + 20 ∙ 1489
21= 1775[
kj
kg]
xM =xE + n ∙ xA
n + 1=
00171 + 20 ∙ 00043
21= 00049[
kj
kg]
Rezulta din diagrama Mollier
Starea D
hD = 108 [kj
kg] xD = 0003[
kj
kg] φD = 97
Raportul de recirculare n = 20
Debitul de aer ventilat V =Vtotal∙20
24h=
616lowast20
24= 513 [m3h]
Debitul masic m = V ∙ ρaer = 513 lowast 12 =
6156[kg
h]
3600= 0171 [kgs]
tp = minus3degC t0 = tp minus 9degC = minus3 minus 9 = minus12degC
Puterea termica a vaporizatorului ( puterea frigorifică )
ФV = Ф0
Puterea termica a icircncalzitorului
ФI = 119898 ∙ (hB - hD)
Cantitatea de apa condensată icircn unitatea de timp pe suprafața de racire este
Calculul necesarului de frig pentru depozit de fructe
33
ẆV = 119898 ∙ (XM - XD)
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
34
4 Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
Există două domenii principale icircn care se utilizează frigul artificial icircn lucrările de construcţii şi anume
icircngheţarea terenurilor acvifere icircn vederea săpării puţurilor de mină a barajelor a depozitelor de gaze lichefiate etc
prerăcirea componentelor betonului icircn cazul executării unor masive de beton ca de exemplu baraje
41 51 IcircNGHEŢAREA SOLULUI
411 511 CONSIDERAŢII GENERALE PRIVIND IcircNGHEŢAREA SOLULUI
Icircngheţarea artificială a solului reprezintă una dintre cele mai interesante şi icircn acelaşi timp şi importante aplicaţii practice a frigului artificial Totodată este una dintre primele aplicaţii industriale a tehnicii frigului şi care a asigurat o dezvoltare deosebită a industriei extractive Aşa se explică faptul că odată apărută maşina frigorifică cu absorbţie realizată icircn 1859 de către Ferdinand Carre este folosită la săparea primului puţ de mină prin icircngheţarea artificială a rocilor Dar nu numai industria minieră foloseşte icircn ultimul secol procedeul consolidării rocilor la săpararea unor lucrări subterane Lucrări inginereşti de tot genul ca metrouri staţii subterane de pompare rezervoare de gaze lichefiate poduri lucrări portuare şi altele asemănătoare amplasate icircn zone acvifere au fost realizate prin metoda consolidării prin frig a rocilor
Această metodă a consolidării rocilor prin frig artificial realizează icircn jurul lucrării inginereşti subterane un perete icircngheţat protector pe durata lucrărilor de construcţii Acest perete asigură o izolare hidraulică şi icircn acelaşi timp şi o protecţie mecanică Rezistenţa mecanică a rocilor creşte pe măsură ce temperatura lor scade icircncacirct metoda expusă mai sus prezintă avantajul reglării capacităţii portante a peretelui icircngheţat
Apa conţinută icircn terenuri prin icircngheţare capătă proprietăţile cimentului exprimate prin forţele de coeziune mari care apar icircntre cristalele de gheaţă şi grăunţii de rocă
Pentru obţinerea peretelui protector se folosesc sonde de icircngheţare forate pe conturul lucrării subterane şi prin care circulă agentul de răcire care poate fi un agent intermediar ca de exemplu saramura de clorură de calciu sau agentul frigorific de exemplu amoniacul Icircn funcţie de grosimea peretelui şi de rezistenţa mecanică pe care trebuie să o aibă se va alege temperatura agentului de răcire distanţa dintre sonde şi durata de icircngheţare
Instalaţia de consolidare prin frig a rocilor cuprinde trei părţi principale staţia frigorifică reţeaua de distribuţie a agentului de răcire (saramura) şi sondele de icircngheţare a solului
Staţia frigorifică cuprinde instalaţia frigorifică propriu-zisă cu comprimare mecanică de vapori sau prin absorbţie icircntr-o treaptă sau icircn două trepte Icircn funcţie de condiţiile de amplasament ale obiectivului staţia frigorifică poate fi de construcţie staţionară (icircn minerit) sau mobilă (la metrouri)
Reţeaua de distribuţie alcătuită din conducte metalice sau din mase plastice are rolul de a face legătura icircntre staţia frigorifică şi sondele de icircngheţare Pentru reducerea pierderilor de frig reţeaua de distribuţie se izolează termic
Sondele de icircngheţare constituie schimbătorul de căldură subteran prin care se extrage căldura de la terenul supus icircngheţării Icircn fig 51 se prezintă schiţa unei sonde de icircngheţare cu ajutorul saramurii Saramura rece cu temperatura icircntre -10 ordmC pacircnă la -35 ordmC
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
35
coboară prin ţeava interioară şi apoi se icircntoarce prin spaţiul inelar dintre cele două conducte concentrice
Figura 41 Fig 51 Sonda de icircngheţare 1 - şiu (tub scurt de oţel cu pereţi groşi rezistent) 2 - ţeava interioară 3 - ţeava exterioară (burlan de
icircngheţare) 4 - capul sondei
Circulaţia continuă a saramurii prin sonda de icircngheţare face ca rocile ce icircnconjoară sondele inclusiv apa conţinută icircn spaţiile libere să se răcească treptat Icircn jurul sondei icircncepe să se formeze stratul de rocă icircngheţată diametrul cilindrului de teren icircngheţat se măreşte icircn timp Aşa cum s-a arătat icircn capitolul 3 rezultă că dezvoltarea radială a cilindrului de rocă icircngheţată icircn jurul sondei se desfăşoară cu o viteza variabilă de icircnaintare la icircnceput viteza de icircnaintare a frontului de gheaţă este mai mare după care scade icircn timp Apoi se atinge stadiul staţionar de transfer de căldură cacircnd cilindrul nu mai creşte icircn dimensiuni Reiese că distanţa dintre sondele de icircngheţare este determinată de raza maximă a cilindrului de teren icircngheţat Pentru a realiza peretele icircngheţat care să reziste la solicitările la care este supus se impune ca distanţa dintre sondele vecine să fie mai mică decacirct raza maximă a terenului icircngheţat astfel icircncacirct cilindrii formaţi să se unească icircntre ei Icircn fig 52 se prezintă evoluţia icircn timp a icircngheţării terenului icircn jurul sondelor Icircn faza iniţială a icircnceput răcirea dar icircncă nu s-a format teren icircngheţat Icircn faza a II-a (după circa 20 zile) icircn jurul fiecărei sonde se formează cacircte un cilindru de teren icircngheţat fără ca aceştia să se unească Icircn faza a III-a (după circa 30 zile) cilindrii se icircntretaie şi formează peretele protector
Figura 42 Fig 52 Evoluţia cilindrilor individuali de rocă icircngheţată 1 - sonda de icircngheţare 2 - sonda de măsurători termice 3 - teren icircngheţat
Această evoluţie poate fi urmărită cu suficientă precizie prin măsurarea temperaturii masivului cu ajutorul unor sonde de măsurători termice 2 montate la distanţe bine stabilite de sondele vecine de icircngheţare Astfel icircn faza I-a temperatura este cea iniţială deci neafectată de prezenţa sondelor icircn faza a II-a temperatura este mai scăzută dar mai mare de 0 ordmC Cum icircn practică sondele de icircngheţare au o abatere de la poziţia verticală (sau de la cea impusă prin proiect) sondele de măsurători termice sunt prevăzute icircntre sondele
I II III
1
2 2 2
3 3
SARAMURĂ CALDĂ
IEŞIRE
INTRARE SARAMURĂ A E RECE
1
2
3
4
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
36
cele mai distanţate icircntre ele acolo unde evoluţia peretelui de protecţie este cea mai defavorabilă
Primele realizări inginereşti de consolidare prin frig artificial a terenurilor acvifere metodă prin care vor fi aduse la lumină multe bogăţii subterane sunt legate de numele inginerului de mine şi metalurgie Friederich Herman Poetsch El a obţinut icircn 27 februarie 1883 brevetul pentru procedeul său de adacircncire a puţurilor verticale icircn roci bogate icircn apă (şi curgătoare) Poetsch a reuşit să experimenteze procedeul său la adacircncirea unor puţuri de mină dar a avut şi multe insuccese icircncacirct la 9 iunie 1902 moare sărac şi dezamăgit Metoda de icircngheţare prin frig artificial a terenurilor a avut mare succes icircn Franţa Astfel numai icircn perioada 1892 - 1898 icircn bazinele carbonifere Nord şi Pas de Calais s-au săpat circa 20 puţuri pacircnă la o adacircncime de 100 m prin aplicarea metodei icircngheţării după planurile lui Poetsch
Desigur că nu ar putea fi omis numele lui Louis Gebhard care realizează numeroase lucrări de adacircncire a puţurilor prin icircngheţare atacirct icircn Germania cacirct şi icircn Franţa Anglia Olanda şi Polonia ceea ce face ca metoda propusă de Poetch să devină o tehnologie demnă de toată icircncrederea cu siguranţă absolută şi cu un mare randament
Gebhard un mare practician icircncepe sa folosească icircn locul instalaţiilor cu absorbţie realizate de F Carre pe cu cele cu comprimare mecanică de vapori realizate de Karl von Linde cu icircncepere din anul 1874
Poetsch icircn 1888 prevede extinderea procedeului de icircngheţare la construcţia podurilor la construcţii navale lucrări de fortificaţii la protecţia fundaţiilor subterane şi a bazinelor cu apă El susţine că poate să rezolve orice problemă sub apă chiar şi puţuri icircncepute şi abandonate
Icircn anul 1900 se depăşeşte bariera adacircncimii de 100 m Realizarea unor puţuri mai adacircnci (peste 100 m) ridică unele probleme icircn plus faţă de puţurile de mai mică adacircncime deoarece abaterile de la verticalitate pot conduce la formarea unor ferestre icircn peretele protector
Icircn ţara noastră această tehnologie de forare a unor puţuri de mină cacirct şi a galeriilor de metrou prin icircngheţarea solului a fost folosită cu icircncepere din anul 1961 aşa cum se prezintă icircn paragraful 513
412 512 CONSTRUCŢIA INSTALAŢIEI DE IcircNGHEŢARE A SOLULUI
Icircn funcţie de forma şi mărimea lucrării care se realizează la adăpostul terenului icircngheţat principial se pot utiliza următoarele tipuri de instalaţii
a) cu răcire indirectă denumită şi cu dublu schimb (fig53)
b)cu răcire directă icircn circuit icircnchis (fig 54)
c)răcire directă icircn circuit deschis (fig55)
a) Răcirea indirectă se utilizează icircn practică cel mai mult fiind cunoscută icircncă de la icircnceputurile metodei de icircngheţare a solului
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
37
Figura 43 Fig 53 Instalaţia frigorifică cu răcire indirectă 1 - compresor 2 - condensator3 - ventil de laminare 4 - vaporizator 5 - bazin de răcire a saramurii 6
- agitator 7 - pompă de saramură 8 - sonde de icircngheţare
Ca agent frigorific se poate folosi amoniacul sau freonii iar ca agent intermediar se utilizează soluţiile de clorură de calciu clorura de sodiu sau magneziu sărurile respective fiind relativ uşor de procurat
Instalaţiile frigorifice cuprind unul sau mai multe blocuri frigorifice Acest mod de compunere prezintă avantaje icircn ceea ce priveşte montarea cacirct şi exploatarea instalaţiilor se poate asigura o reducere icircn trepte a puterii frigorifice pe măsură ce creşte rezistenţa termică a stratului de teren icircngheţat
Componentele principale ale instalaţiei frigorifice se montează grupat pe cele trei secţiuni secţia de compresoare secţia condensatoarelor şi secţia vaporizatoarelor De regulă compresoarele se montează fie icircn aer liber atunci cacircnd tipul lor permite fie acoperite sub şarpante protectoare
Pe măsură ce se scot din funcţiune blocurile frigorifice se demontează şi se pot monta la un nou obiectiv
b) Răcirea directă icircn circuit icircnchis (fig 54) se utilizează icircn cazul icircn care adacircncimea de icircngheţare este mică
Figura 44 Fig 54 Instalaţia frigorifică cu răcire directă icircn circuit icircnchis 1 - compresor 2 - condensator 3 - ventil de laminare 4 - sonde de icircngheţare
Sondele de icircngheţare constituie vaporizatorul instalaţiei frigorifice Icircn cazul unor sonde de lungime mare icircnălţimea coloanei de agent frigorific este de asemenea mare Ca urmare a presiunii hidrostatice variabile şi temperatura de vaporizare este variabilă fiind mai mare
1
2
1111111 Apă
3
4
1
2
Apă 3
4
5
6
7
8
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
38
la capătul inferior şi mai mică la capătul superior Din acest motiv adacircncimea sondelor de icircngheţare nu poate depăşi anumite limite şi icircn plus se recurge la fragmentarea coloanei de lichid cu ajutorul unor pereţi despărţitori
Pierderile de agent frigorific mai mari decacirct icircn cazul răcirii indirecte reprezintă un alt inconvenient al acestui mod de răcire
c) Răcirea directă icircn circuit deschis constă icircn introducerea agentului frigorific (cel mai frecvent azot lichid) icircn sondele de icircngheţare fără ca acesta să mai fie folosit după vaporizare
La presiunea atmosferică azotul lichid fierbe la temperatura de -196 ordmC icircncacirct vaporii reci de azot icircnainte de a fi evacuaţi se folosesc de asemenea pentru congelarea solului fiind circulaţi prin sonde de icircngheţare (Fig 55)
Figura 45 Fig 55 Icircngheţarea cu azot lichid icircn două trepte 1 - ventil de laminare 2 - sonda de icircngheţare 3 - sonda de icircngheţare cu vapori de azot
Această metodă se foloseşte cacircnd se urmăreşte o icircngheţare rapidă şi volumul de teren icircngheţat este redus
Se vor prezenta icircn continuare unele elemente constructive ale instalaţiilor de icircngheţare
Reţeaua de saramură (fig 56) are rolul de a asigura transferul de căldură de la sol către agentul frigorific Cuprinde două schimbătoare de căldură cel subteran alcătuit din sondele de icircngheţare şi cel de suprafaţă reprezentat de vaporizatorul imersat icircn saramură Icircntre cele două schimbătoare de căldură există conducte magistrale distribuitoare - colectoare şi racorduri la sonde
Saramura răcită prin intermediul vaporizatorului 1 este circulată cu pompa 2 prin magistrala de tur a reţelei 3 Sondele de icircngheţare 5 se leagă prin vane la distribuitorul 4 şi colectorul 6 ambele de construcţie inelară Printr-o asemenea construcţie şi mod de legare a sondelor prezentate icircn figura 56 se asigură o echilibrare a căderilor de presiune pe sondele de icircngheţare şi ca urmare o alimentare uniformă cu agent intermediar şi deci şi o răcire uniformă pentru toate sondele
1
2
AZOT LICHID
VAPORI
AZOT -40OC
3
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
39
Figura 46 Fig 56 Schema reţelei de saramură 1- vaporizatorul 2 - pompa de saramură 3 - magistrala de tur 4 - distribuitorul inelar 5 -sondele de
icircngheţare 6 - colectorul inelar 7 - magistrale de retur M - manometru D - debitmetru T - termometru
Magistralele 3 şi 7 de acelaşi diametru şi lungime variabilă (determinată de o serie de factori) se pot monta atacirct la suprafaţă cacirct şi icircn canal
Magistralele se dimensionează icircn funcţie de puterea frigorifică a schimbătorului de căldură subteran alcătuit din sondele de icircngheţare
F0 qNHd [W] (51)
unde d - diametrul exterior al sondei de icircngheţare m
H - adacircncimea de icircngheţare m
N - numărul de sonde de icircngheţare
qF - densitatea fluxului termic raportat la suprafaţa exterioară a sondei La temperatura saramurii de - 20 ordmC se poate considera qF = (260290) Wm2
Debitul volumic V de agent intermediar icircn reţeaua de icircngheţare icircn funcţie de care se aleg
pompele se determină cu relaţia
tc
V o
(52)
icircn care este densitatea agentului intermediar kgm3
c - căldura specifică a agentului intermediar JkgK
t - creşterea temperaturii agentului (saramura) icircn sondele de icircngheţare K
La icircnceputul perioadei de răcire diferenţa de temperatură este t = 56 K ca apoi să scadă la 12 K
Icircn conductele magistrale se recomandă ca viteza saramurii să fie w = 0915ms
Icircn acest caz diametrul conductelor de transport a saramurii este dat de relaţia
w
V4D
[m] (53)
Icircn funcţie de valoarea determinată pentru D se aleg conducte metalice de diametru nominal cuprins icircntre 75200 mm Dacă rezultă D gt 200 mm se vor alege două conducte cu diametrul mai mic de 200 mm
2
T
T
M
M D
D
NH
3
3
4
6
5
7
1
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
40
Conductele magistrale se realizează prin icircmbinări cu flanşe sau sudate iar la lungimi mai mari de 100150 m se vor prevedea coturi compensatoare Pentru reducerea pierderilor de frig magistralele vor fi izolate termic
Distribuitorul de saramură răcită şi colectorul de saramură de la sonde sunt construcţii metalice identice
Icircn figura 57 se prezintă modul de racordare a sondelor de icircngheţare 5 la distribuitorul 1 şi colectorul 2 Vanele 3 asigură icircnchiderea deci oprirea circulaţiei şi reglajul debitului Prin aceste vane se poate izola o anumită sondă care nu funcţionează normal sau la care se observă o anumită defecţiune
Figura 47 Fig 57 Racordarea sondelor de icircngheţare la distribuitor şi colector 1 - distribuitor 2 - colector 3 - vane 4 - racord elastic 5 - sonda de icircngheţare
Poziţia distribuitorului şi colectorului faţă de racircndul sondelor de icircngheţare poate fi laterală de o singură parte sau laterală de ambele părţi ale sondelor Amplasamentul trebuie astfel făcut icircncacirct să fie posibilă vizitarea supravegherea şi eventual icircnlocuirea sondelor de icircngheţare
Racordarea sondelor la distribuitor şi colector se face prin cacircte un racord elastic (fig 57) Dimensionarea distribuitoarelor şi a colectoarelor se face din condiţia ca viteza saramurii să nu depăşească 0915 ms
Coloanele de distribuţie şi colectare urmăresc icircn teren forma şirului de sonde de icircngheţare şi pot avea acelaşi traseu sau trasee diferite Configuraţia traseului poate fi icircn linie sau circulară Icircn oricare din situaţiile prezentate distanţele dintre ştuţurile de racord şi sondele de icircngheţare sunt variabile astfel icircncacirct racordurile rigide prin flanşe şi sudură sunt greu de realizat Cea mai practică soluţie de racord icircn acest caz este furtunul de cauciuc (fig 57)
Icircn reţeaua de saramură poate pătrunde aer prin procesul de pompare ceea ce conduce la intensificarea acţiunii corosive a saramurii Icircn scopul icircndepărtării aerului nedorit pe partea superioară a conductelor icircn punctele cele mai ridicate ale acestora se montează robineţi de evacuare periodică a aerului şi eventual a altor gaze
Pe conductele magistrale se vor monta aparate de măsură şi control debitmetre termometre şi manometre (fig 56) Icircn acest caz se poate aprecia funcţionarea fiecărei sonde după depunerile exterioare de gheaţă pe racordul metalic sau de cauciuc lăsate neizolate termic tocmai icircn acest scop Icircn scopul urmăririi regimului de lucru sub aspect
5
4
1
2 3
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
41
hidraulic şi termic icircn mod individual se pot monta aparate de măsură şi control pe fiecare sondă de icircngheţare dar această soluţie este mai costisitoare
Sonda de icircngheţare realizează transferul de căldură de la terenul ce urmează a fi icircngheţat spre agentul frigorific (la răcirea directă) sau agentul intermediar (la răcirea indirectă)
Icircn figura 51 s-a prezentat schema de principiu a unei sonde de icircngheţare cu saramură activă pe toată lungimea Conducta exterioară sau burlanul de icircngheţare 3 este o conductă din oţel etanşă şi rezistentă la eforturile mecanice care apar datorită presiunii solului şi variaţiei de temperatură icircntre momentul fixării ei icircn sol şi cel al funcţionării la o temperatura sub 00C
Icircn procesul de icircngheţare coloana de burlane care poate atinge lungimi de sute de metri se contractă icircnsă nu liber deoarece ea este stracircnsă icircn masivul de roci La o variaţie de temperatură icircntre momentul iniţial (fără saramură) şi momentul pornirii circulaţiei de saramură de 400C conducta din oţel de 500 m adacircncime ar trebui să se contracte cu
tHH = 500 11 10-6 40 = 0220 m = 22 cm
Datorită fixării coloanei icircn gaura forată efortul unitar de icircntindere ce apare icircn urma scăderii temperaturii este
tE = 22 1010 11 10-10 40 = 968 105 Nm2 = 9680 Ncm2
La acest efort de icircntindere apărut datorită contracţiei coloanei se mai adaugă efortul de acelaşi semn provocat de dilatarea masivului de rocă acviferă icircngheţată Icircn scopul compensării eforturilor de icircntindere s-a propus icircmbinarea coloanei cu nipluri elastice O asemenea soluţie este mai scumpă şi icircn plus micşorează secţiunea liberă de curgere ceea ce conduce la icircncălzirea excedentară a saramurii
La lucrări subterane de mare adacircncime ca puţurile de mină depozite subterane se folosesc burlane de 1397 x 7 mm pentru a fi posibilă determinarea abaterii de la poziţie verticală
La tunelurile de metrou şi icircn general la lucrările la care adacircncimea de icircngheţare nu depăşeşte 50 - 60 m diametrul cel mai frecvent utilizat este 1143 x 7 mm
Ţeava interioară 2 (fig 51) numită şi tub de alimentare de regulă ţeava uşoară de instalaţii de 50 mm diametrul se introduce icircn burlanul exterior 3 fără icircnsă a atinge şiul de bază 1 al sondei Se asigură icircn acest mod un volum minimal de depuneri solide care circulă cu saramura icircn mod incidental Icircn scopul economisirii de metal tubul de alimentare poate fi din material plastic ceea ce prezintă marele avantaj al lipsei coroziunii şi al refolosirii materialului respectiv
Şiul de fund are rolul de a asigura icircnchiderea burlanului exterior icircn partea sa inferioară Cel mai adesea are formă conică pentru a asigura introducerea cu uşurinţă a coloanei metalice icircn gaura de sondă Această componentă a sondei de icircngheţare se execută fie prin turnare sau se confecţionează cu ajutorul sudurii
Corespunzător profilului geologic al terenului icircn care se lucrează se icircntacirclnesc şi cazuri cacircnd nu este nevoie să se icircngheţe terenul pe toată icircnălţimea sondelor ci numai la partea lor inferioară Icircn acest caz se folosesc sonde de icircngheţare zonală (fig 58) cu ajutorul cărora se asigură congelarea doar a zonei inferioare ceea ce prezintă avantaje economice deosebite nu se consumă energie pentru a icircngheţa icircn mod inutil formaţiuni geologice consistente şi uscate şi nu se reduce ritmul lucrărilor de săpare printr-o eventuală mărire a rezistenţei rocilor
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
42
Figura 48 Fig 58 Sonda de icircngheţare zonală
1 - burlan exterior 2 - tub de alimentare 3 - şiu 4 - tub de evacuare
Figura 49 Fig59 - Sonda de icircngheţare cu agent
frigorific 1 - tub exterior 2 - perete despărţitor 3 - şiu 4 -
ştuţ (ţeavă de preaplin) 5 - condensator - vaporizator
Icircn cazul răcirii directe sondele de icircngheţare cu agent frigorific sunt de construcţie specială (fig 59) Particularitatea acestor sonde este prezenţa pereţilor despărţitori 2 dispuşi unul sub celălalt la circa 3 m fiecare perete fiind prevăzut cu un ştuţ de preaplin O asemenea construcţie are rolul de a fracţiona coloane de lichid ceea ce asigură o răcire mai uniformă pe lungimea sondei
Fiecare sondă este prevăzută la partea superioară cu cacircte o cămaşă de răcire Sondele se umplu cu amoniac lichid icircntr-o asemenea cantitate icircncacirct fiecare secţie să fie icircnecată cu lichid respectiv pacircnă la partea superioară a ştuţurilor 4 Ca urmare a fluxurilor de căldură de la sol se produce fierberea amoniacului icircn toate secţiile sondei Vaporii formaţi se ridică prin ştuţurile 4 şi ajungacircnd la partea superioară a sondei se condensează cedacircnd căldură agentului (amoniac) din cămăşile de răcire
Ca urmare cămăşile de răcire de la partea superioară a sondelor constituie vaporizatorul instalaţiei frigorifice Amoniacul care se condensează la partea superioară a sondei curge icircnapoi (de sus icircn jos) prin ştuţurile 4 Folosirea pereţilor despărţitori şi a ştuţurilor micşorează influenţa presiunii hidrostatice a lichidului asupra temperaturii de vaporizare a amoniacului Asemenea sonde de icircngheţare se folosesc pentru lucrări de mică adacircncime
Amplasarea sondelor se face icircn funcţie de o serie de factori formă poziţia şi dimensiunile lucrării care se realizează structura terenului temperatura şi viteza agentului etc
Icircn cazul puţurilor de mină de secţiune circulară sondele se amplasează pe un cerc
concentric de diametru D mai mare decacirct diametrul de săpare Ds cu grosimea a peretelui icircngheţat
sDD (54)
Trebuie să se ţină seama şi de deviaţia sondelor de la poziţia verticală icircncacirct pentru adacircncimi mari se utilizează relaţia
3
2 4
1
VAPORI 5 LICHID
3
2
4 1
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
43
a21DD s (55)
unde a = 003 H este abaterea medie statistică de la verticală a sondelor
Distanţa dintre sonde se ia de obicei de 1014 m icircn terenuri rezistente şi de 0809 m icircn terenuri slabe
Pentru adacircncimi de peste 500 m se recomandă să se dispună sondele pe două cercuri concentrice pentru a se forma un perete de grosime mai mare şi deci mai rezistent
La icircngheţarea terenului icircn jurul puţurilor de secţiune dreptunghiulară sondele se pot dispune pe dreptunghi sau elipsă Icircn aceste situaţii centura de teren icircngheţat poate fi solicitată la icircntindere ceea ce este de nedorit deoarece limita de rezistenţa la icircntindere a terenurilor icircngheţate este de circa 3 ori mai mică decacirct limita rezistenţei la compresiune Din acest motiv chiar şi la puţurile de mină de secţiune dreptunghiulară sondele se dispun pe unul sau două cercuri (fig 510)
Pentru realizarea galeriilor icircnclinate icircngheţarea terenului se realizează cu sonde verticale (fig 511) sau combinat atacirct cu sonde verticale cacirct şi cu sonde icircnclinate (fig 512)
Distanţa dintre sondele verticale (fig 511) se ia de 23 m iar distanţa dintre racircnduri este de 1525 m
Se poate folosi cacircte un racircnd de sonde icircnclinate montate deasupra galeriei (fig 212 a) sau sonde icircnclinate sub galerie şi sonde verticale scurte deasupra galeriei (fig 512 b)
SONDA
154 m
16
6 m
226
262
85
SONDA
Figura 411 Fig 511 Amplasarea sondelor verticale pentru realizarea galeriei icircnclinate
Figura 411 Fig 510 Dispunerea sondelor icircn jurul puţurilor de mină de secţiune
dreptunghiulară
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
44
Figura 412 Fig 512 Realizarea galeriilor icircnclinate cu sonde verticale (1) şi sonde oblice (2)
I - secţiunea longitudinală II - secţiunea transversală a) sonde icircnclinate deasupra galeriei b) sonde icircnclinate sub galerie
413 513 UTILIZAREA METODEI DE IcircNGHEŢARE A SOLULUI IcircN ŢARA NOASTRĂ
a)Puţuri de mină
Aplicarea metodei de icircngheţare a solului pentru lucrări de minerit a avut loc la noi icircn ţară icircncepacircnd cu anul 1960 la puţul Godeni din bazinul carbonifer Cacircmpulung - Muscel Proiectul a fost elaborat icircn anul 1959 la IPROMIN Bucureşti iar lucrarea a fost executată cu Trustul Minier Argeş avacircnd icircn subantrepriză de specialitate Icircntreprinderea Frigotehnica Bucureşti şi Trustul de prospecţiuni explorări şi deschideri de mine noi Bucureşti
Adacircncimea de săpare a puţului Godeni a trebuit sa fie de 202 m Sondele de icircngheţare constituite din două ţevi concentrice (fig 51) cu diametrele exterioare de 146 mm şi respectiv 57 mm icircn număr de 27 au fost amplasate pe un cerc cu diametrul de 10 m la distanţa de 117 m una de alta
Instalaţia frigorifică a fost dimensionată cu mare precauţie pentru a avea o siguranţă mărită icircn funcţionarea ei Toate părţile componente ale instalaţiei frigorifice au fost proiectate şi executate icircn ţară
La proiectarea instalaţiei s-a avut icircn vedere funcţionarea de scurtă durată şi variaţia puterii frigorifice icircn timp S-a utilizat răcirea indirectă cu soluţie de clorură de calciu iar ca agent frigorific a fost folosit amoniacul Pentru a avea elasticitatea necesară icircn funcţionare la diferite puteri frigorifice au fost folosite grupuri de utilaje frigorifice şi anume
6 compresoare 4 AU - 20 (200000 kcal Nh =233 kW fiecare)
3 baterii de condensatoare atmosferice a cacircte 300 m2 (900 m2)
bazine pentru răcirea saramurii fiecare cu cacircte 2 vaporizatoare superintensive de 50 m2 (600 m2)
2 grupuri a cacircte 5 pompe pentru recircularea saramurii
Puterea frigorifică a instalaţiei montate a fost de 12106 kcal Nh =1395 kW şi s-a caracterizat prin următoarele date tehnice la exploatare
85
1
2
I 85
1
2
I
85
1
2
II
85
1
2 II
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
45
o suprafaţa de schimb de căldură a sondelor 2500 m2 o puterea instalaţiei 750 kW o debitul saramurii icircn
o icircn perioada activă 350 m3h o icircn perioada pasivă 70 m3h
o viteza de circulaţie a saramurii icircn sondă o tur 18 ms 036 ms o retur 029 ms 006 ms
o volumul rocilor icircngheţate circa 10000 m3 o consumul specific de frig mediu 50000 m3 o durata icircngheţării (perioada activă) 130 zile
Icircn timpul răcirii şi deci a icircngheţării solului puterea frigorifică scade icircn mod continuu icircncacirct treptat s-a scos din funcţiune cacircte un compresor icircn perioada pasivă (de săpare a puţului) s-a menţinut icircn lucru doar un singur compresor şi grupul de utilaje aferent
După terminarea lucrărilor de la puţul Godeni icircn anii următori aceeaşi instalaţie s-a montat la puţul Poenari din acelaşi bazin carbonifer unde sondele au fost amplasate pe un cerc cu diametrul de 11 m la distanţa de 128 m una de alta
Un alt puţ realizat prin această tehnologie de icircngheţare a solului a fost puţul Jugur de la acelaşi bazin carbonifer Centrala frigorifică a cuprins 15 compresoare 3 AV - 20 (150000 kcal Nh fiecare=175kW) repartizate icircn 5 linii tehnologice independente cu icircntreg utilajul aferent Fiecare linie este compusă din
o butelie de răcire intermediară BRI - 700 un condensator cu evaporare forţată CEF - 180 un bazin cu patru grupuri vaporizatoare intensive de cacircte 165 m2 (icircn total 66 m2)
Sondele de icircngheţare icircn număr de 27 bucăţi au fost prevăzute să se amplaseze pe un cerc cu diametrul de 104 m la distanţă de 121 m Sondele sunt de tipul celei indicată icircn figura 58 deci cu răcire zonală avacircnd următoarele caracteristici diametrul exterior al burlanului este de 146 mm iar tuburile interioare au 57 mm (la exterior) tubul de alimentare are lungimea de 430 m iar cel de evacuare este de 220 m Ca urmare sondele de icircngheţare trebuie să producă icircngheţarea solului numai pe adacircncimea de la 220 m la 430 m Prin proiect s-au prevăzut următoarele date temperatura saramurii - 35 ordmC viteza saramurii icircn conducte de tur 18 ms viteza icircn conducte de retur (pe adacircncimea de răcit) 06 ms durata icircngheţării (perioada activă) a fost de 75 zile
Au fost prevăzute temperaturi scăzute şi viteze mari de congelare deoarece cilindrul icircngheţat trebuie să preia presiuni de pacircnă la 56 bar
b)Tunelurile pentru metroul din Bucureşti
Icircncepacircnd cu anul 1976 pentru realizarea metroului din Bucureşti s-a procedat la aplicarea metodei de icircngheţare a solului icircntr-o zonă considerată experimentală dar cu realizări efective de galerii
Prin proiect s-a prevăzut consolidarea prin icircngheţare artificială a profilului de săpare a tunelurilor de metrou pe o lungime de circa 550 m pe ambele fire Amplasamentul sondelor s-a făcut icircn două variante (pentru experimentare) pentru un fir de tunel ambele racircnduri de sonde s-au fixat icircn profilul circular de săpare iar pentru cel de al doilea fir de tunel sondele au fost forate icircn afara profilului de icircnaintare (fig 513) Au fost folosite sonde cu saramură cu posibilitatea de icircngheţare pe toată icircnălţimea de 16 m cacirct şi sonde cu icircngheţare zonală icircntre adacircncimile de 7 m şi 16 m Distanţa dintre sonde a fost fixată la 14 m
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
46
Pentru a se icircmpiedica accesul apelor icircn frontul de săpare datorate unor eventuale zone neicircngheţate traseul de tunel icircngheţat a fost icircmpărţit icircn incinte icircnchise prin timpane transversale La distanţe de 3050 m icircn lungul traseului au fost montate sonde de icircngheţare aşezate icircn plan normal pe axul tunelului prin care să se icircnchidă accesul apelor spre frontul de săpare
Echipamentul frigorific principal cuprinde
- 8 compresoare frigorifice 3 AV - 20 funcţionacircnd icircntr-o treaptă pentru care
corespunde puterea frigorifică de 12 106 kcal Nh =1395 kW
- 4 condensatoare de evaporare forţată CEF - 250
- 3 bazine de răcire a saramurii echipate cu cacircte 4 grupuri de vaporizatoare superintensive de cacircte 51 m2 (total 612 m2)
- 3 grupuri de cacircte 2 pompe a 220 m3h pentru circulaţia saramurii pe traseele de distribuţie şi prin sonde
Figura 413 Fig513 Amplasamentul sondelor de icircngheţare
Centrala frigorifică este stabilă adăpostită icircntr-o baracă metalică demontabilă existacircnd posibilitatea de reamplasare rapidă a instalaţiei icircntr-un alt loc Agentul frigorific utilizat este amoniacul iar agentul intermediar este clorura de calciu
Icircn perioada principală de icircngheţare temperatura de vaporizare este to = -22 ordmC asiguracircnd răcirea saramurii la -17 ordmC iar pe retur saramura a avut temperatura cu 15 ordmC mai ridicată
La o asemenea lucrare realizată icircn oraş se impune protejarea contra icircngheţului a straturilor de deasupra galeriilor icircn care sunt amplasate instalaţiile de apă - canal ceea ce presupune folosirea sondelor cu icircngheţare zonală care să nu fie active la partea superioară
c) Puţuri pentru prospectarea balastierelor
Procedeul şi instalaţia frigorifică au avut caracter de noutate şi s-a aplicat icircncepacircnd cu anul 1966 la mai multe obiective icircn general pe văile racircurilor unde s-au construit hidrocentrale
A
A B
B
A-A
000 -300 -700 -1061 -1300
65
800
B-B
000 -300 -700 -1061 -1300
65
550
ARGILA
ARGILA
NISIP
NISIP
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
47
Echipamentul frigorific principal cuprinde un agregat frigorific pentru amoniac de 20000 kcal Nh = 233 kW rezervor de amoniac separator de lichid şi anexe - toate fiind montate pe o remorcă
S-au folosit sonde de icircngheţare cu agent frigorific icircn număr de 8 bucăţi cu diametrul exterior de 133 mm montate pe un cerc cu diametrul de 2 m la distanţa de 076 m lungimea lor fiind de 75 m Legarea sondelor la distribuitor şi colector s-a făcut cu racorduri flexibile
Sondele au o construcţie specială fiind prevăzute cu 4 pereţi transversali cu ştuţuri de preaplin formacircndu-se astfel 5 compartimente Agentul lichid se introduce icircn compartimentul cel mai de sus şi se scurge prin ştuţuri pacircnă la baza sondei Conducta de aspiraţie străbate toate compartimentele vaporii fiind aspiraţi din compartimentul cel mai de jos Circulaţia vaporilor formaţi se face ca şi a lichidului de sus icircn jos obţinacircndu-se astfel o răcire uniformă şi eficientă pe toată icircnălţimea sondei
Durata icircngheţării respectiv a formării centurii de teren icircngheţat la adăpostul căreia să se poată efectua săparea şi preluarea de probe de sol este de 10 zile
414 514 CAcircMPUL DE TEMPERATURĂ IcircN SOLUL IcircNGHEŢAT
Cacircnd prin sonda de icircngheţare circulă saramură a cărei temperatura este sub 0 ordmC practic - 20 ordmC-25 ordmC icircn jurul sondei se formează un cacircmp termic care icircn cazul unei singure sonde poate fi reprezentat prin suprafeţe cilindrice coaxiale de temperatură constantă (izoterme)
După distanţa radială se deosebesc icircn sol din punct de vedere termic trei zone zona cilindrică din imediata vecinătate a sondei care este icircn zona icircngheţată zona răcită cuprinsă icircntre suprafaţa cilindrică izotermă de 0 ordmC şi izoterma de temperatură naturală şi a treia zonă cea de temperatura naturală (fig 514)
Icircn zona icircngheţată temperatura masivului variază de la temperatura peretelui metalic al sondei pacircnă la 0 ordmC Icircn zona răcită temperatura masivului creşte de la 0 ordmC pacircnă la temperatura naturală a masivului
Figura 414 Fig 514 Cacircmpul de temperatură icircn jurul unei sonde de icircngheţare
Este important să se cunoască cacircmpul termic icircn terenul supus icircngheţării deoarece acesta oferă date privind zona de răspacircndire a consolidării rocilor prin solidificarea apei cacirct şi a
t [oC]
r [m]
t (r)
ZONA RACITA
ZONA INGHETAT
A
ts TEMPERATURA NATURALA A ROCII
-20
-10
40
10 0 20 30
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
48
rezistenţei mecanice a rocii icircngheţate Se cunoaşte faptul că rezistenţa mecanică depinde direct de temperatură
Studiul variaţiei temperaturii icircn zona de influenţă a unei sonde şi a tuturor sondelor simultan oferă posibilitatea calculării dimensiunilor la proiectarea construcţiei peretelui protector cacirct şi controlul procesului icircn timpul desfăşurării lucrărilor
Pentru a se stabili relaţia de variaţie a temperaturii icircn zona icircngheţată icircn funcţie de raza r se consideră ecuaţia diferenţială
dr
dtr2q (56)
icircn care q este fluxul unitar de căldură corespunzător lungimii de 1 m din sonda de icircngheţare Wm
- conductivitatea termica a terenului Wm
Integrarea directă a ecuaţiei analitice se poate face icircn ipoteze simplificatoare consideracircnd
= const şi q = const ceea ce este justificat la valori mari ale timpului de răcire
Se separa variabilele
r
dr
2
qdt
(57)
Se consideră cunoscute temperaturile t1 la suprafaţa sondei de raza r1 și t2 = 0 ordmC la raza r2 corespunzătoare suprafeţei exterioare a cilindrului icircngheţat Se integrează ecuaţia (6-7) și cunoscacircnd limitele de integrare se va determina constanta de integrare
Cr ln2
qt
(58)
pentru r = r1 t = t1 deci
11 rln2
qtC
(59)
1
1r
rln
2
qtt
(510)
Se pune condiţia ca pentru r = r2 t = t2
1
212
r
rln
2
qtt
(511)
Se elimina q intre relaţiile (510) și (511) şi se obţine
1
2
1121
r
rln
r
rln
tttt (512)
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
49
Figura 415 Fig 515 Schema schimbătorului de căldură subteran
Pentru t2 = 0 ordmC relaţia (5-12) devine
)rrln(
)rrln(tt
12
21 (513)
Icircn figura 515 se prezintă o secţiune axială printr-o sondă de icircngheţare şi variaţia temperaturii icircn limitele t0 - temperatura agentului de răcire şi ts - temperatura naturală a solului
Cantitatea de căldură transferată de la masivul neicircngheţat spre agentul de răcire prin unitatea de lungimea de conducta şi unitatea de timp se calculează cu expresia
221
2
1o
1
moo
os
d
1
d
dln
1
d
dln
2
1
d
1
ttq
(514)
Icircn calculele inginereşti cel mai frecvent se determină nu fluxul termic pe unitatea de lungime a conductei ci fluxul termic qF raportat la unitatea de suprafaţă a conductei metalice la 1 m2 de suprafaţa exterioară sau interioară Mărimea qF se calculează astfel
22
o
1
2
1
o
o
1
m
o
o
oS
o
F
d
d
d
dln
2
d
d
dln
2
d1
tt
d
(515)
Fluxul termic qF prin unitatea de suprafaţă a sondei de icircngheţare calculat pentru adacircncimea de 100 m icircn regim laminar de curgere a agentului de răcire prin spaţiul inelar al sondei cu viteza w = 01 ms la diametre ale cilindrului de rocă icircngheţata
de la 02 la 3 m pentru to = -20 ordmC do = 01 m 1 = 233 WmK variază de la 720 la 230 Wm2 aşa cum se poate observa din figura 516 şi tabelul 51
d2
d1
d0
t
qF
t0
t2
t1 2
m 1
m
ts
Conducta Teren icircngheţat Teren
neicircngheţat
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
50
Figura 416 Fig 516 Variaţia fluxului termic qF prin unitatea de suprafaţă a sondei de icircngheţare 1 - regim turbulent 2 regim laminar
Tabelul 51Variaţia fluxului termic qF [Wm2]
Diametrul cilindrului de rocă icircngheţată icircn m
02 04 05 08 10 15 20
qF regim laminar 1160 550 387 330 302
qF regim laminar 720 465 423 350 321 283 258
Se observă ca densitatea fluxului de căldura qF scade foarte mult de la 800900 Wm2 la icircnceputul operaţiei de consolidare prin frig a rocilor pacircnă la 230250 Wm2 cacircnd cilindrul de rocă icircngheţata atinge diametrul de 23 m Ca urmare a acestei situaţii şi puterea frigorifică a instalaţiei va scădea icircn decursul a 6080 zile tot cu raportul de 800230 = 35
Instalaţia frigorifică va fi constituită din grupuri de utilaje (module) ce vor fi scoase treptat din funcţiune pe măsură ce se reduce densitatea fluxului de căldură qF ca urmare a creşterii grosimii stratului de teren icircngheţat Icircn practică pentru calcule se va considera qF = (260290) Wm2
O mărime importanta pentru proiectarea instalaţiei şi aprecierea procesului de consolidare a rocilor este timpul de icircngheţare Pentru calculul duratei de icircngheţare se pot folosi relaţiile prezentate icircn capitolul 3 la formarea gheţii pe suprafeţe cilindrice exterioare La aprecierea valorii pentru ls - căldura latentă de solidificare se avea icircn vedere conţinutul de apă din terenul supus icircngheţării
Dacă icircntre relaţiile pentru dependenţele (r) şi qF(r) se elimină r se obţine dependenţa
qF() Eliminarea nu se poate face direct ci fie cu ajutorul calculatorului fie printr-o construcţie grafică prezentată icircn figura 517
Studiul variaţiei temperaturii icircn solul icircngheţat cacirct și variaţia icircn timp a densităţii fluxului de căldura se poate face cu ajutorul calculatorului electronic
1200
1000
800
600
400
200
0 05 1 15 2 25 3
qF [Wm2]
Diametrul cilindrului de rocă icircngheţată [m]
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
51
Figura 417 Fig 517 Stabilirea dependentei qF() pe baza dependentelor qF(r) și (r)
415 515 ELEMENTE DE PROIECTARE A INSTALAŢIEI FRIGORIFICE PENTRU IcircNGHEŢAREA SOLULUI
Pentru proiectarea instalaţiei frigorifice trebuie sa se stabilească la icircnceput elementele de baza și anume
- puterea frigorifică maximă care apare la icircnceputul perioadei de răcire cacircnd pătrunderile de căldura spre agentul de răcire din sondele de icircngheţare au valori mai mari temperatura de vaporizare a agentului frigorific plecacircnd de la temperatura minimă sau medie din solul icircngheţat şi avacircnd icircn vedere modul de răcire directă sau indirectă
Se calculează cantitatea totală de căldură ce trebuie extrasă din terenul supus răcirii şi icircngheţării Se cunoaşte structura terenului icircngheţat deci se cunosc icircnălţimile h1 h2hn ale diferitelor straturi componente cacirct şi proprietăţile termofizice ale acestora
Grosimea centurii de teren icircngheţat se stabileşte icircn urma calculelor de rezistenţa materialelor icircncacirct se pot calcula volumele ocupate de straturile componente V1 V2Vn
Cantitatea de căldură ce trebuie extrasă din zona icircngheţată cuprinde două componente și anume
cantitatea de căldura Qa corespunzătoare răcirii şi icircngheţării apei
cantitatea de căldura Qt necesara răcirii părţii solide a terenului
n
1kfgsikaakka tcltcVQ (516)
unde
k - reprezintă conţinutul icircn apă din stratul respectiv [m3m3]
a - densitatea apei [kgm3]
ca cg - căldura specifica a apei respectiv a gheţii Jkg K
tik - temperatura iniţiala a stratului respectiv (de ordinul k)
tf - temperatura medie finala a masivului icircngheţat
ls - căldura latentă de solidificare a apei
r
q
q
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
52
fik
n
1kkkkkt ttc1VQ
(517)
k - densitatea părţii de teren solid (uscat) din stratul k
ck - căldura specifică a terenului uscat din stratul k
Cantitatea de căldură extrasă din terenul răcit reprezintă circa 1018 din cantitatea de căldură extrasă din zona de teren icircngheţat
Deci cantitatea totală de căldură Q ce va trebui preluată de către instalaţia frigorifică se poate aprecia astfel
Q = (110118) (Qa + Qt) (518)
Cu relaţia (51) se calculează puterea frigorifica a instalaţiei adoptacircnd o valoare medie pentru densitatea fluxului de căldura qF
Se poate aprecia timpul de funcţionare a instalaţiei frigorifice
o
Q
(519)
La anumite grosimi ale cochiliei de teren icircngheţat icircn jurul sondei densitatea fluxului termic scade sub valoarea medie adoptată icircn calcule şi ca urmare icircncepacircnd de la acest moment se va putea reduce treptat puterea frigorifica a instalaţiei prin scoaterea din funcţiune a unor grupuri
La proiectare se pot avea icircn vedere unele recomandări practice pentru stabilirea necesarului de frig pentru icircngheţarea unui m3 la -10 ordmC este necesar un consum specific de frig de 66000 kJ la 10 umiditate de 155000 kJ la 35 umiditate și de 210000 kJ la 50 umiditate
42 52 RĂCIREA BETONULUI LA CONSTRUCŢIILE MASIVE
421 521 INSTALAŢII DE PRERĂCIRE A COMPONENTELOR BETONULUI
Formarea betonului din elementele sale componente (nisip pietriş ciment şi apă) este icircnsoţită de fenomene fizico - chimice icircn care se degajă căldură şi ca urmare temperatura acestuia creşte Icircn cazul unor masive din beton (baraje) dacă viteza de turnare (icircn sezonul cald cacircnd se efectuază construcţia) este mai mare şi nu se asigura evacuarea căldurii corpul rezultă la o temperatura medie mai mare decacirct temperatura medie anuală Răcirea naturală conduce la contracţia masivului şi ca urmare la apariţia sub acţiunea tensiunilor interne a unor fisuri
Pentru ca variaţiile de temperatura icircntre centrul barajului şi straturile exterioare să fie cacirct mai mici se impune ca masivul respectiv să fie turnat la temperatura medie anuală a zonei respective Icircn acest scop se pot folosi două metode prin prerăcirea componentelor betonului și prin răcirea masei barajului
Icircn vederea reducerii căldurii degajată icircn reacţia dintre ciment şi apă au fost realizate sortimente de ciment caracterizate prin călduri masice reduse ce se degajă icircn procesul de priză
Prin prerăcirea componentelor betonului se urmăreşte ca betonul sa aibă temperatura medie a locului de amplasament şi prin aceasta evitarea apariţiei unor diferenţe mari de temperatură ce pun icircn pericol construcţia
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
53
Icircn funcţie de valoarea diferenţei de temperatură care trebuie realizată se poate adopta o anumită schemă de răcire pentru fiecare component icircn parte sau numai pentru unele din aceste părţi componente
Se pot folosi instalaţii frigorifice cu comprimare mecanică de vapori pentru răcirea apei a aerului sau formarea gheţii mărunte utilizate la prerăcirea componentelor betonului Folosirea gheţii fulgi sau solzi este limitată atacirct din cauza conţinutului de apă impus cacirct şi ca urmare a pericolului ca gheaţa să nu se topească icircn procesul de malaxare ci la turnare sau icircn procesul de priză ceea ce duce la formarea de goluri icircn beton
De asemenea se pot folosi instalaţiile frigorifice cu ejecţie
Icircn vederea stabilirii necesarului de frig pentru preratildecirea componentelor betonului se calculează mai icircntacirci cantitatea de catildelduratilde Qo1 ce trebuie evacuatatilde dintr-un m3 de beton avacircndu-se icircn vedere proporţiile icircn care participatilde cimentul nisipul pietrişul şi apa Fiecare component are o temperatură iniţialatilde şi urmeazatilde a fi răcit pacircnatilde la o temperatura finalatilde tf aceeaşi pentru toţi componenţii
fpppfnnnfccc1o ttcmttcmttcmQ
fnaanfpaapfaaa ttcmttcmttcm Jm3 (520)
unde
mc mn mp ma - masele de ciment nisip pietriş şi apă conţinute icircntr-un m3 de beton [kgm3]
cc cn cp cw - căldurile specifice masice ale cimentului nisipului pietrişului şi nisipul dintr-un m3 de beton [kgm3]
Puterea frigorifică se determină cu relaţia
3b1oo 10VQ [kW] (521)
icircn care bV reprezintă fluxul de betonare icircn m3s
Se prezintă icircn continuare cele mai folosite metode de prerăcire a componentelor betonului
4211 a) Instalaţie de prerăcire cu apă
Staţia de preparare a betonului este deservită de o instalaţie frigorifică cu comprimare mecanică de vapori care asigură răcirea apei
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
54
Figura 418 Fig 518 Schema de lucru a instalaţiei de prerăcire a betonului cu ajutorul apei 1 - ciment 2 - vagon nisip 3 - vagon pietris 4 - tancuri de răcire a pietrişului 5 - sită 6 - siloz de
nisip 7 - siloz de ciment 8 - rezervor de distribuţie 9 - răcitor de nisip 10 - răcitor de ciment 11 - răcitor de apă 12 - rezervor de apă răcită 13 - răcitor de apă 14 - instalaţie de prepararea betonului
I II III IV V - fazele de răcire a pietrişului
Icircn figura 518 se prezintă schema de lucru a unei asemenea instalaţii de prerăcire a betonului cu ajutorul apei folosită la construcţia barajului de la Detroit (SUA) Apa este răcită de la 16 la 15 ordmC şi transmisă apoi la instalaţia de preparare a betonului şi icircn cinci rezervoare a cacircte 90 m3 fiecare icircn care se răceşte pietrişul
Procesul de răcire a pietrişului cuprinde cinci faze
- faza I - introducerea apei icircn rezervor 10 minute
- fazele II şi III - introducerea simultană a apei şi a pietrişului 50 minute
- faza IV - evacuarea apei 15 minute
- faza V - evacuarea pietrişului 15 minute
Icircntregul proces de răcire a pietrişului durează 90 minute Pentru răcirea cimentului şi nisipului se utilizează schimbătoare de căldură cu ax elicoidal la care apa de răcire circulă prin arborele gol şi prin manta
Rezervoarele 12 pentru apa răcită au fiecare volumul de 114 m3
Beton 635oC
190 m3h
65oC
24oC
18oC
1
2
3
4
5
6
7
8
10
9
11
12
13
14
Apă 16oC
15oC
Cim
en
t
26 l
h
Nis
ip 1
12
lh
10
oC
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
55
42111 Aplicaţie numerică
Să se calculeze puterea frigorifică necesară prerăcirii betonului prin metode şi condiţiile prezentate mai sus Se cunosc următoarele date de calcul
mp = 1700 kgm3 beton
mc = 135 kgm3 beton
mn = 590 kgm3 beton
ma = 60 kgm3 beton
cc = cn = cp = 921 Jkg K
ca = 4180 Jkg K
map = 16 kgm3 beton
man = 38 kgm3 beton
tp = 18 ordmC
tc = 66 ordmC
tn = 21 ordmC tf = 635 ordmC
052803000
190Vb m3s
Se calculează componentele cantităţii de căldură Q01
3fcccc 10741735666921135ttcmQ Jm3
3fnnnn 10796135621921590ttcmQ Jm3
3fpppp 1024018356189211700ttcmQ Jm3
3faaaa 10420235616418060ttcmQ Jm3
3fpaapap 1077935618418016ttcmQ Jm3
3fnaaan 10232735621418038ttcmQ Jm3
Rezulta
3anapapnc1o 1039144QQQQQQQ Jm3
3o 10 206705280103914410VQ 33
b1o kW
4212 b) Instalaţii de prerăcire cu aer apă
Pentru răcirea componentelor betonului se utilizează icircn acest caz fie apa fie aerul ca agenţi intermediari răciţi cu ajutorul instalaţiilor frigorifice
Icircn figura 519 se prezintă schema unei asemenea instalaţii folosită la construcţia barajului de la Sariyar din Turcia
Răcirea aerului se poate face fie direct prin vaporizarea unui agent frigorific fie indirect cu un agent intermediar de răcire ca de exemplu saramura de clorură de calciu Aerul răcit pacircnă la -6 ordmC este suflat icircn silozurile cu pietriş de dimensiuni icircntre 4150 mm
Apa răcită icircn bazinul la pacircnă la 05 ordm este trimisă din colectorul 12 la staţia de preparare a betonului servind la scăderea temperaturii acestuia
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
56
Figura 419 Fig 519 Schema instalaţiei de prerăcire a betonului cu aer şi apă 1 - compresor 2 - condensator 3 - ventile de laminare 4 - vaporizatoare 5 - bazin de răcire a
saramurii 6 - pompă de saramură 7 - răcitor umed de aer 8 - ventilatoare 9 - silozuri de pietriş 10 - bazin de răcire a apei 11 - pompă 12 - colector de apă răcită
Figura 420 Fig 520 Schema instalaţiei de prerăcire cu aer şi apă 1 - siloz de pietriş şi nisip 2 - siloz de ciment 3 rezervor de apă 4 - răcitor de aer 5 - răcitor de apă
4 - răcitor de apă 6 - buncăr de sortare 7 - instalaţie de preparare beton
Pentru intensificarea procesului de răcire a pietrişului aerul este răcit sub 0 ordmC Acest procedeu are avantajul unei funcţionări fără icircntrerupere a procesului de preparare a betonului dar prezintă şi o serie de dezavantaje debite foarte mari de aer de răcire posibilitatea antrenării particulelor fine de agregat icircn răcitorul de aer şi depunerea acestora pe suprafaţa de schimb de căldură Ca urmare instalaţia se va curăţa la circa 14 zile Icircn figura 520 se prezintă o altă schemă de instalaţie de prerăcire a betonului cu aer şi apă folosită la construcţia unui baraj din India
Apă
295oC
Ciment
433oC
Pietriş şi nisip
378oC
Apă 6oC
Ciment 433oC
Aer
Pietriş
45oC Nisip 222oC
22oC
Ap
ă
45
oC
Ap
ă 2
2o
C
Ae
r 5
5o
C
Be
ton
12
8o
C
Apă 22oC
2
1
3 4 5
8
9
5 7
12
1oC
11
05oC 9oC 9oC
-9oC
-10oC -10oC
-10oC 2oC
6oC
10 4 4 6
8 8
8
8 8
9 9 9 9
1
2
3 3
7
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
57
Pietrişul şi nisipul se separă icircntre ele icircn buncărul de sortare 6 şi apoi fiecare circulă pe cacircte o bandă transportoare prin camera de răcire 7 Pietrişul este răcit cu ajutorul apei
Fig
ura
42
1 F
ig 5
21
Sc
he
ma
in
sta
laţi
ei
de
ră
cir
e icirc
n v
id a
co
mp
on
en
telo
r b
eto
nu
lui
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
58
reci icircncacirct ajunge la o temperatură mai scăzută decacirct nisipul răcit cu aer Prin camera 7 se circulă şi aer rece care se introduce la temperatura de 55 ordmC Cimentul se introduce la instalaţia de preparare a betonului 9 fără a fi răcit
O altă posibilitate de prerăcire a agregatelor (pietriş şi nisip) şi a apei utilizată mai recent la construirea barajelor icircntrebuinţează răcirea icircn vid la care agregatele uşor umezite icircn recipiente sub presiune se răcesc după nevoie (prin reglarea vacuumului) la o temperatură mai scăzută sau mai ridicată Căldura necesară evaporării umidităţii de pe agregate şi din ele (apa legată) este luată chiar de la corpurile respective (pietriş nisip) şi ca urmare acestea se răcesc
O asemenea instalaţie utilizată la Hortwell icircn SUA (figura 521) cuprinde 3 recipienţi de cacircte 150 m3 pentru răcirea pietrişului şi 3 recipienţi de cacircte 80 m3 pentru răcirea nisipului
Pietrişul şi nisipul cu temperatura maximă de 43 ordmC se pot răci pacircnă la temperatura necesară de 45 ordmC Pentru realizarea vidului necesar se folosesc două cazane de abur care produc 77 th fiecare
422 522 RĂCIREA INTERIOARĂ A MASIVULUI DE BETON
Prerăcirea betonului se recomandă icircn condiţiile unei zone tropicale sau temperate de amplasare a construcţiei masive nu se recomandă icircn cazul amplasării barajului icircn munţi unde temperatura aerului este scăzută Icircn asemenea situaţii se recomandă răcirea betonului prin conducte amplasate icircn masiv prin care circulă apă rece
La răcirea interioară cu conducte montate icircn beton are loc o eliminarea a căldurii simultan cu producerea ei icircn procesul de priză producacircndu-se şi o răcire pacircnă la temperatura necesară Pentru răcire se folosesc conducte de oţel cu diametre de 1525 mm montate la distanţe de 1223 m icircn plan orizontal şi de 153 m icircn plan vertical Lungimea conductelor icircntr-un m3 de beton este de 0204 şi a fiecărei serpentine de 140250 m
Debitul apei de răcire ce circulă prin 1 m3 de beton este de (0553) dm3h
Figura 422 Fig 522 Reţea de conducte de răcire a betonului icircn secţiunea unui baraj 1 - galerie pentru măsurători 2 - galerie de conducte de apă de răcire
Serpentinele se montează şi se fixează pe suprafaţă de beton (fig522) Capetele serpentinelor se leagă de o coloană verticală prin mufe metalice sau de cauciuc Diametrul distribuitorului şi al coloanei este cuprins icircntre 150200 mm După montaj aceste conducte se verifică la presiunea de lucru
1 2
Ax
a
ba
raju
lui
Calculul necesarului de frig pentru depozit de fructe
27
Tabelul 317 Tabel24 Calculul grosimi izolației
ei
i
i
izizk
111
Coeficientul global de transfer de căldură se determină utilizand relaţia
eiz
iz
i
i
i
k
11
1
n
i i
i
1
- suma rezistenţelor termice ale tuturor straturilor din care este realizat
peretele[m2KW]
iz - grosimea stratului de izolaţie termică [m]
iz - conductivitatea termică a materialului izolator [WmK]
e - coeficient de convecţie pe partea exterioară a peretelui [WmK]
i - coeficient de convecţie pe partea interioară a peretelui [WmK]
32 32 Bilantul caloric al spatiului climatizat pe timp de vară Necesarul de frig pentru frigorifer
Se stabileşte consumul zilnic de frig pe icircntreg frigoriferul şi pentru fiecare icircncăpere icircn parte luacircndu-se icircn considerare cele mai nefavorabile condiţii de lucru
temperatura aerului exterior pentru luna cea mai caldă a anului
icircncărcarea maximă şi simultană a camerelor de refrigerare
Spaţiul frigorific
Perete k αi αe 1αi 1αe R 1k λiz
δiz
calc δiz
ales Kr
[Wm2K] [m2KW] [WmK] [m] [m]
N 0229 10 18 010 006 0590 4367 0023 0097 0100 023
E 0224 10 12 010 008 0618 4464 0023 0098 0100 023
DR S 0221 10 12 010 008 0618 4525 0023 0100 0100 023
V 0223 10 12 010 008 0618 4484 0023 0099 0100 023
T 0221 10 12 010 008 0618 4525 0023 0100 0100 023
P 0228 10 0 000 000 0435 4386 0023 0000 0100 023
N 0221 25 12 004 008 0558 4525 0023 0101 0100 023
E 0224 25 12 004 008 0558 4464 0023 0100 0100 023
CP S 0224 25 12 004 008 0558 4464 0023 0100 0100 023
V 0223 25 12 004 008 0558 4484 0023 0100 0100 023
T 0221 25 12 004 008 0558 4525 0023 0101 0100 023
P 0228 25 0 000 000 0435 4386 0023 0000 0100 023
Calculul necesarului de frig pentru depozit de fructe
28
camerele vecine celei căreia i se face calculul necesarului de frig sunt goale şi au temperatura vestibulului sau a sasului
Aceste calcule determină necesarul de frig pe categorii de consumatori grupaţi după temperatura cerută şi permit stabilirea puterilor frigorifice icircn vederea proiectării instalaţiei
Pentru calculele termice sunt necesare următoarele
planul frigoriferului care a fost stabilit
dimensiunile camerelor
temperaturile necesare icircn fiecare cameră
Se consideră
1degC icircn depozitele de refrigerate
orientarea frigoriferului după punctele cardinale
condiţii climatice icircn lunile cele mai călduroase pentru zona geografică respectivă
Consumul de frig se calculează pentru 24 ore cu relaţia
Qnec = Q1 + Q2 + Q3 + Q4 [kcal24h]
Q1 - neeesarul de frig pentru acoperirea pătrunderilor de căldură prin cenvecţie
conducţie şi radiaţie din mediul icircnconjurător prin pereţi pardosea și plafon
Q2 - necesarul de frig tehnologic pentru procesele de răcire refrigerere şi
congelare eliminarea căldurii de respiraţie seu pentru unele procese chimice şi
biochimice
Q3 - necesarul de frig pentru ventilarea camerelor frigorifice cu aer proaspat care
trebuie racit şi uscat
Q4 - necesarul de frig rezulticircnd din condiţii de exploatare acoperirea căldurii
provenite din iluminat din funcţionarea motoarelor căldura provenită de la persoanele ce
manipulează produsele datorită deschiderii uşilor etc
321 Consumul de frig Q1
Se determină pentru fiecare spaţiu icircn parte cu relaţia
RttkFQ1 [ W ]
F - reprezintă suprafaţa pereţilor a pardoselei şi a plafonului corespunzător fiecărui
spaţiu frigorific icircn parte icircn m2 Ca suprafaţă de transfer se va considera suprafaţa
exterioară a perimetrului izolat termic
k - reprezintă coeficientul global de transmitere a căldurii prin convecţie conducţie şi radiaţie
prin pereţi plafon şi pardoseală (toate izolate termic) icircn [W(m2 middot grd)] Valoarea coeficientului k a
fost calculată icircn tabelul 24 (kr)
Δt - reprezintă diferenţa de temperaturi dintre temperatura exterioară suprafeţei de
transfer termic considerată şi temperatura interioară spaţiului frigorific
Calculul necesarului de frig pentru depozit de fructe
29
Diferenţa de temperatură ΔtR se ia icircn consideraţie numai la pereţii exteriori şi la
plafoane care sunt şi acoperiş pentru clădire
ΔtR = 0degC pentru pereţi exteriori orientaţi spre N
ΔtR = (5 10)degC pentru pereţi exteriori orientaţi spre E V S-E S-V
ΔtR = 15 degC pentru pereţi exteriori orientaţi spre S
ΔtR = (15 18)degC pentru plafoane care sunt şi acoperiş (terasă)
Calculul valorilor mărimii sumQ1 se recomandă a se efectua tabelar conform tabelului 25
Valoarea mărimii sum Q1 la aparate se obţine prin icircnsumarea fluxurilor termice prin toate cele 6 suprafeţe delimitatoare
La stabilirea valorii mărimii sum Q1 se consideră doar unul dintre fluxurile termice prin suprafeţele ce separă spaţiile frigorifice vecine Pentru aparatele de răcire din spaţiile frigorifice se consideră situaţia cea mai grea pentru fiecare spaţiu icircn parte respectiv că spaţiile vecine nu sunt răcite
Spaţiul frigorifi
c
Perete
Dimensiuni
Supraf F
[m2]
Kr [Wm2K]
Δt [grd]
Δtr
Q1 [W] sumQ1 q a [m]
b [m]
N 15 4 60 023 308 42504
246068
708
E 7 4 28 023 308 8 24987 892
DR S 15 4 60 023 185 15 46202 770
V 7 4 28 023 308 19835 708
T 15 7 105 023 308 74382 708
P 15 7 105 023 158 38157 363
N 7 4 28 023 185 11914
133566
426
E 7 4 28 023 268 8 22411 800
CP S 7 4 28 023 268 15 26919 961
V 7 4 28 023 185 11914 426
T 7 7 49 023 268 30204 616
P 7 7 49 023 268 30204 616
Tabelul 318 Tebel25 Calculul valorilor mărimii Q1
322 Necesarul de frig Q2
sum Q2 - necesarul de frig tehnologic pentru procesele de răcire refrigerare şi
congelare
Q2d = mcp(tc-ti)=500003644 = 4186000(243600)= 842 kW
Q2c = 2600036419 = 1798160 = 208 KW
Q2 = 208 + 842 = 293 = 30kW
unde
Q2d - necesarul de frig tehnologic depozit
Q2c - necesarul de frig tehnologic camera de preracire
Calculul necesarului de frig pentru depozit de fructe
30
m - cantitatea de produse introduse icircn tunelul de congelare icircn kg
te ti - temperaturi specifice corespunzătoare temperaturii iniţiale a produsului cald
(24 ordmC) respectiv temperaturii finale a produsului refrigerat (1 ordmC)
Căldura specfifică mere cp = 364 [kJkgK]
323 Necesarul de frig Q3
Icircn funcţie de natura produselor din spaţiul frigorific este necesar uneori să se realizeze ventilarea spaţiului prin asigurarea unui anumit număr de schimburi ale aerului din incintă icircn 24h Ca exemplu icircntotdeauna va fi necesară ventilarea prin introducere de aer proaspăt icircn spaţiile de păstrare pentru legume fructe şi ouă refrigerate Aceste produse vii respiră icircn timpul păstrării şi necesită icircn consecinţă ventilarea spaţiilor de păstrare
Acest consum de frig se ia icircn considerare doar la depozitele de refrigerare care se ventilează Se stabilește cu relația
Q3 = V ∙ a ∙ ᵖi ∙ (hex - hi) [kJ24]
V - volumul camerelor ventilateicircn m3
a = 24 schimburi pe zi pentru depozitele de mere
ᵖi - reprezintă densitatea aerului la temperature interioară icircn kgm3
Pentru depozitele de refrigerare considerăm umiditatea relativă ᵠi = 95 și ti=1 ordmC
rezultacircnd icircn acest caz hi= 9 kJkg
Parametri aerului exterior pentru zona icircn care este amplasat depozitul sunt temp ex 318
și umiditatea ext 60 rezultand din diagram mollier entalpia aerului Calcul facut icircn
programul Coolpack
ρi = 12 kgm3
hex = 7519 kJkg
Q3 = 616 2 12 (7519 - 9) (243600)= 00025 kW
324 Necesarul de frig Q4
Q4 - frigul consumat pentru acoperirea pierderilor icircn timpul exploatarii datorat deschiderii
usilor a corpurilor de iluminat a motoarelor electrice a oamenilor Se admite Q4 =
(01hellip04)Q1
Q4 = 02 379617 = 759234 = 008 kW
Qtotal = sum 119824120783 + Q2 + Q3 + Q4 = 004 + 30 + 000025 + 008 = 3012 = 31 kW
33 33 Stabilirea directiei raportului de termoumiditate și trasarea procesului de conditionare a aerului pe diagrama i-X pe timp de vară
Icircn fig16 este reprezentat un agregat pentru condiţionarea aerului pe timp de vară cu recirculare parţială
Calculul necesarului de frig pentru depozit de fructe
31
Figura 33 Figura16 Schema aparatului de condiţionare a aerului pe timp de vară cu recirculare parţială
F - filtru V - vaporizator C - compressor K - condensator VL - ventil de laminare I - icircncălzitor Vt - ventilator
Procesele de lucru pot fi reprezentate icircn diagrama h-x ca icircn figura următore
Figura 34 Fig17
A reprezintă starea aerului recirculat provenit din spaţiul condiţionat iar E este starea aerului exterior
Aerul tratat icircn aparatul de condiţionare care se introduce icircn incintă avacircnd starea B
trebuie să preia degajările de căldură Qv [kW] şi de umiditate Wv [kgs]
Direcţia procesului suferit de aer icircn incintă este dată de raportul de termoumidificare εv
= Qv Wv
Prin punctul A se trasează dreapta avacircnd raportul de termoumidificare εv iar punctul B se fixează pe această dreaptă adoptacircndu-se o anumită diferenţă de temperatură faţă de starea A
Aerul recirculat A se amestecă cu aerul proaspăt E şi rezultă starea de amestec M De regulă xM gt xB deci aerul va trebui să fie uscat
Pe verticala din B se fixează starea D avacircnd xD= xB şi ᵩD = 90hellip98
Calculul necesarului de frig pentru depozit de fructe
32
Se uneşte M cu D iar apoi se prelungeşte acest segment pacircnă la intersecţia cu ϕ = 100 rezultacircnd starea P avacircnd temperatura tp
Circulacircnd aerul cu starea M peste o suprafaţă rece avacircnd temperatura tp se va obţine procesul de răcire şi uscare MD
Temperatura suprafeţei tp se asigură cu o instalaţie frigorifică a cărei temperature de vaporizare va fi t0 lt tp
Ultimul proces din aparatul de condiţionare va fi icircncălzirea finală DB
Calculul agregatului de condiţionare a aerului pe timp de vară se efectuează asemănător cu cel a agregatului de condiţionare a aerului pe timp de iarnă cu observaţia că pe timp de vară nu este necesară umidificarea
331 Date
Vtotal = 616 m3 tint = 1ᵒC tex = 318 φint = 90 φext = 60 ρaer = 12 [kgm3]
Starea A
tA = ti + 3 = 4deg xA = 00043[kj
kg] φA = 86 hA = 1489[
kj
kg]
Starea B
tB = 1degC xB = 00036 [kj
kg] φB = 90 hB = 1024[
kj
kg]
Starea E
tE = 318degC xE = 00171[kj
kg] φE = 60 hE = 7519[
kj
kg]
Starea M
hM =hE + n ∙ hA
n + 1=
7513 + 20 ∙ 1489
21= 1775[
kj
kg]
xM =xE + n ∙ xA
n + 1=
00171 + 20 ∙ 00043
21= 00049[
kj
kg]
Rezulta din diagrama Mollier
Starea D
hD = 108 [kj
kg] xD = 0003[
kj
kg] φD = 97
Raportul de recirculare n = 20
Debitul de aer ventilat V =Vtotal∙20
24h=
616lowast20
24= 513 [m3h]
Debitul masic m = V ∙ ρaer = 513 lowast 12 =
6156[kg
h]
3600= 0171 [kgs]
tp = minus3degC t0 = tp minus 9degC = minus3 minus 9 = minus12degC
Puterea termica a vaporizatorului ( puterea frigorifică )
ФV = Ф0
Puterea termica a icircncalzitorului
ФI = 119898 ∙ (hB - hD)
Cantitatea de apa condensată icircn unitatea de timp pe suprafața de racire este
Calculul necesarului de frig pentru depozit de fructe
33
ẆV = 119898 ∙ (XM - XD)
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
34
4 Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
Există două domenii principale icircn care se utilizează frigul artificial icircn lucrările de construcţii şi anume
icircngheţarea terenurilor acvifere icircn vederea săpării puţurilor de mină a barajelor a depozitelor de gaze lichefiate etc
prerăcirea componentelor betonului icircn cazul executării unor masive de beton ca de exemplu baraje
41 51 IcircNGHEŢAREA SOLULUI
411 511 CONSIDERAŢII GENERALE PRIVIND IcircNGHEŢAREA SOLULUI
Icircngheţarea artificială a solului reprezintă una dintre cele mai interesante şi icircn acelaşi timp şi importante aplicaţii practice a frigului artificial Totodată este una dintre primele aplicaţii industriale a tehnicii frigului şi care a asigurat o dezvoltare deosebită a industriei extractive Aşa se explică faptul că odată apărută maşina frigorifică cu absorbţie realizată icircn 1859 de către Ferdinand Carre este folosită la săparea primului puţ de mină prin icircngheţarea artificială a rocilor Dar nu numai industria minieră foloseşte icircn ultimul secol procedeul consolidării rocilor la săpararea unor lucrări subterane Lucrări inginereşti de tot genul ca metrouri staţii subterane de pompare rezervoare de gaze lichefiate poduri lucrări portuare şi altele asemănătoare amplasate icircn zone acvifere au fost realizate prin metoda consolidării prin frig a rocilor
Această metodă a consolidării rocilor prin frig artificial realizează icircn jurul lucrării inginereşti subterane un perete icircngheţat protector pe durata lucrărilor de construcţii Acest perete asigură o izolare hidraulică şi icircn acelaşi timp şi o protecţie mecanică Rezistenţa mecanică a rocilor creşte pe măsură ce temperatura lor scade icircncacirct metoda expusă mai sus prezintă avantajul reglării capacităţii portante a peretelui icircngheţat
Apa conţinută icircn terenuri prin icircngheţare capătă proprietăţile cimentului exprimate prin forţele de coeziune mari care apar icircntre cristalele de gheaţă şi grăunţii de rocă
Pentru obţinerea peretelui protector se folosesc sonde de icircngheţare forate pe conturul lucrării subterane şi prin care circulă agentul de răcire care poate fi un agent intermediar ca de exemplu saramura de clorură de calciu sau agentul frigorific de exemplu amoniacul Icircn funcţie de grosimea peretelui şi de rezistenţa mecanică pe care trebuie să o aibă se va alege temperatura agentului de răcire distanţa dintre sonde şi durata de icircngheţare
Instalaţia de consolidare prin frig a rocilor cuprinde trei părţi principale staţia frigorifică reţeaua de distribuţie a agentului de răcire (saramura) şi sondele de icircngheţare a solului
Staţia frigorifică cuprinde instalaţia frigorifică propriu-zisă cu comprimare mecanică de vapori sau prin absorbţie icircntr-o treaptă sau icircn două trepte Icircn funcţie de condiţiile de amplasament ale obiectivului staţia frigorifică poate fi de construcţie staţionară (icircn minerit) sau mobilă (la metrouri)
Reţeaua de distribuţie alcătuită din conducte metalice sau din mase plastice are rolul de a face legătura icircntre staţia frigorifică şi sondele de icircngheţare Pentru reducerea pierderilor de frig reţeaua de distribuţie se izolează termic
Sondele de icircngheţare constituie schimbătorul de căldură subteran prin care se extrage căldura de la terenul supus icircngheţării Icircn fig 51 se prezintă schiţa unei sonde de icircngheţare cu ajutorul saramurii Saramura rece cu temperatura icircntre -10 ordmC pacircnă la -35 ordmC
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
35
coboară prin ţeava interioară şi apoi se icircntoarce prin spaţiul inelar dintre cele două conducte concentrice
Figura 41 Fig 51 Sonda de icircngheţare 1 - şiu (tub scurt de oţel cu pereţi groşi rezistent) 2 - ţeava interioară 3 - ţeava exterioară (burlan de
icircngheţare) 4 - capul sondei
Circulaţia continuă a saramurii prin sonda de icircngheţare face ca rocile ce icircnconjoară sondele inclusiv apa conţinută icircn spaţiile libere să se răcească treptat Icircn jurul sondei icircncepe să se formeze stratul de rocă icircngheţată diametrul cilindrului de teren icircngheţat se măreşte icircn timp Aşa cum s-a arătat icircn capitolul 3 rezultă că dezvoltarea radială a cilindrului de rocă icircngheţată icircn jurul sondei se desfăşoară cu o viteza variabilă de icircnaintare la icircnceput viteza de icircnaintare a frontului de gheaţă este mai mare după care scade icircn timp Apoi se atinge stadiul staţionar de transfer de căldură cacircnd cilindrul nu mai creşte icircn dimensiuni Reiese că distanţa dintre sondele de icircngheţare este determinată de raza maximă a cilindrului de teren icircngheţat Pentru a realiza peretele icircngheţat care să reziste la solicitările la care este supus se impune ca distanţa dintre sondele vecine să fie mai mică decacirct raza maximă a terenului icircngheţat astfel icircncacirct cilindrii formaţi să se unească icircntre ei Icircn fig 52 se prezintă evoluţia icircn timp a icircngheţării terenului icircn jurul sondelor Icircn faza iniţială a icircnceput răcirea dar icircncă nu s-a format teren icircngheţat Icircn faza a II-a (după circa 20 zile) icircn jurul fiecărei sonde se formează cacircte un cilindru de teren icircngheţat fără ca aceştia să se unească Icircn faza a III-a (după circa 30 zile) cilindrii se icircntretaie şi formează peretele protector
Figura 42 Fig 52 Evoluţia cilindrilor individuali de rocă icircngheţată 1 - sonda de icircngheţare 2 - sonda de măsurători termice 3 - teren icircngheţat
Această evoluţie poate fi urmărită cu suficientă precizie prin măsurarea temperaturii masivului cu ajutorul unor sonde de măsurători termice 2 montate la distanţe bine stabilite de sondele vecine de icircngheţare Astfel icircn faza I-a temperatura este cea iniţială deci neafectată de prezenţa sondelor icircn faza a II-a temperatura este mai scăzută dar mai mare de 0 ordmC Cum icircn practică sondele de icircngheţare au o abatere de la poziţia verticală (sau de la cea impusă prin proiect) sondele de măsurători termice sunt prevăzute icircntre sondele
I II III
1
2 2 2
3 3
SARAMURĂ CALDĂ
IEŞIRE
INTRARE SARAMURĂ A E RECE
1
2
3
4
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
36
cele mai distanţate icircntre ele acolo unde evoluţia peretelui de protecţie este cea mai defavorabilă
Primele realizări inginereşti de consolidare prin frig artificial a terenurilor acvifere metodă prin care vor fi aduse la lumină multe bogăţii subterane sunt legate de numele inginerului de mine şi metalurgie Friederich Herman Poetsch El a obţinut icircn 27 februarie 1883 brevetul pentru procedeul său de adacircncire a puţurilor verticale icircn roci bogate icircn apă (şi curgătoare) Poetsch a reuşit să experimenteze procedeul său la adacircncirea unor puţuri de mină dar a avut şi multe insuccese icircncacirct la 9 iunie 1902 moare sărac şi dezamăgit Metoda de icircngheţare prin frig artificial a terenurilor a avut mare succes icircn Franţa Astfel numai icircn perioada 1892 - 1898 icircn bazinele carbonifere Nord şi Pas de Calais s-au săpat circa 20 puţuri pacircnă la o adacircncime de 100 m prin aplicarea metodei icircngheţării după planurile lui Poetsch
Desigur că nu ar putea fi omis numele lui Louis Gebhard care realizează numeroase lucrări de adacircncire a puţurilor prin icircngheţare atacirct icircn Germania cacirct şi icircn Franţa Anglia Olanda şi Polonia ceea ce face ca metoda propusă de Poetch să devină o tehnologie demnă de toată icircncrederea cu siguranţă absolută şi cu un mare randament
Gebhard un mare practician icircncepe sa folosească icircn locul instalaţiilor cu absorbţie realizate de F Carre pe cu cele cu comprimare mecanică de vapori realizate de Karl von Linde cu icircncepere din anul 1874
Poetsch icircn 1888 prevede extinderea procedeului de icircngheţare la construcţia podurilor la construcţii navale lucrări de fortificaţii la protecţia fundaţiilor subterane şi a bazinelor cu apă El susţine că poate să rezolve orice problemă sub apă chiar şi puţuri icircncepute şi abandonate
Icircn anul 1900 se depăşeşte bariera adacircncimii de 100 m Realizarea unor puţuri mai adacircnci (peste 100 m) ridică unele probleme icircn plus faţă de puţurile de mai mică adacircncime deoarece abaterile de la verticalitate pot conduce la formarea unor ferestre icircn peretele protector
Icircn ţara noastră această tehnologie de forare a unor puţuri de mină cacirct şi a galeriilor de metrou prin icircngheţarea solului a fost folosită cu icircncepere din anul 1961 aşa cum se prezintă icircn paragraful 513
412 512 CONSTRUCŢIA INSTALAŢIEI DE IcircNGHEŢARE A SOLULUI
Icircn funcţie de forma şi mărimea lucrării care se realizează la adăpostul terenului icircngheţat principial se pot utiliza următoarele tipuri de instalaţii
a) cu răcire indirectă denumită şi cu dublu schimb (fig53)
b)cu răcire directă icircn circuit icircnchis (fig 54)
c)răcire directă icircn circuit deschis (fig55)
a) Răcirea indirectă se utilizează icircn practică cel mai mult fiind cunoscută icircncă de la icircnceputurile metodei de icircngheţare a solului
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
37
Figura 43 Fig 53 Instalaţia frigorifică cu răcire indirectă 1 - compresor 2 - condensator3 - ventil de laminare 4 - vaporizator 5 - bazin de răcire a saramurii 6
- agitator 7 - pompă de saramură 8 - sonde de icircngheţare
Ca agent frigorific se poate folosi amoniacul sau freonii iar ca agent intermediar se utilizează soluţiile de clorură de calciu clorura de sodiu sau magneziu sărurile respective fiind relativ uşor de procurat
Instalaţiile frigorifice cuprind unul sau mai multe blocuri frigorifice Acest mod de compunere prezintă avantaje icircn ceea ce priveşte montarea cacirct şi exploatarea instalaţiilor se poate asigura o reducere icircn trepte a puterii frigorifice pe măsură ce creşte rezistenţa termică a stratului de teren icircngheţat
Componentele principale ale instalaţiei frigorifice se montează grupat pe cele trei secţiuni secţia de compresoare secţia condensatoarelor şi secţia vaporizatoarelor De regulă compresoarele se montează fie icircn aer liber atunci cacircnd tipul lor permite fie acoperite sub şarpante protectoare
Pe măsură ce se scot din funcţiune blocurile frigorifice se demontează şi se pot monta la un nou obiectiv
b) Răcirea directă icircn circuit icircnchis (fig 54) se utilizează icircn cazul icircn care adacircncimea de icircngheţare este mică
Figura 44 Fig 54 Instalaţia frigorifică cu răcire directă icircn circuit icircnchis 1 - compresor 2 - condensator 3 - ventil de laminare 4 - sonde de icircngheţare
Sondele de icircngheţare constituie vaporizatorul instalaţiei frigorifice Icircn cazul unor sonde de lungime mare icircnălţimea coloanei de agent frigorific este de asemenea mare Ca urmare a presiunii hidrostatice variabile şi temperatura de vaporizare este variabilă fiind mai mare
1
2
1111111 Apă
3
4
1
2
Apă 3
4
5
6
7
8
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
38
la capătul inferior şi mai mică la capătul superior Din acest motiv adacircncimea sondelor de icircngheţare nu poate depăşi anumite limite şi icircn plus se recurge la fragmentarea coloanei de lichid cu ajutorul unor pereţi despărţitori
Pierderile de agent frigorific mai mari decacirct icircn cazul răcirii indirecte reprezintă un alt inconvenient al acestui mod de răcire
c) Răcirea directă icircn circuit deschis constă icircn introducerea agentului frigorific (cel mai frecvent azot lichid) icircn sondele de icircngheţare fără ca acesta să mai fie folosit după vaporizare
La presiunea atmosferică azotul lichid fierbe la temperatura de -196 ordmC icircncacirct vaporii reci de azot icircnainte de a fi evacuaţi se folosesc de asemenea pentru congelarea solului fiind circulaţi prin sonde de icircngheţare (Fig 55)
Figura 45 Fig 55 Icircngheţarea cu azot lichid icircn două trepte 1 - ventil de laminare 2 - sonda de icircngheţare 3 - sonda de icircngheţare cu vapori de azot
Această metodă se foloseşte cacircnd se urmăreşte o icircngheţare rapidă şi volumul de teren icircngheţat este redus
Se vor prezenta icircn continuare unele elemente constructive ale instalaţiilor de icircngheţare
Reţeaua de saramură (fig 56) are rolul de a asigura transferul de căldură de la sol către agentul frigorific Cuprinde două schimbătoare de căldură cel subteran alcătuit din sondele de icircngheţare şi cel de suprafaţă reprezentat de vaporizatorul imersat icircn saramură Icircntre cele două schimbătoare de căldură există conducte magistrale distribuitoare - colectoare şi racorduri la sonde
Saramura răcită prin intermediul vaporizatorului 1 este circulată cu pompa 2 prin magistrala de tur a reţelei 3 Sondele de icircngheţare 5 se leagă prin vane la distribuitorul 4 şi colectorul 6 ambele de construcţie inelară Printr-o asemenea construcţie şi mod de legare a sondelor prezentate icircn figura 56 se asigură o echilibrare a căderilor de presiune pe sondele de icircngheţare şi ca urmare o alimentare uniformă cu agent intermediar şi deci şi o răcire uniformă pentru toate sondele
1
2
AZOT LICHID
VAPORI
AZOT -40OC
3
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
39
Figura 46 Fig 56 Schema reţelei de saramură 1- vaporizatorul 2 - pompa de saramură 3 - magistrala de tur 4 - distribuitorul inelar 5 -sondele de
icircngheţare 6 - colectorul inelar 7 - magistrale de retur M - manometru D - debitmetru T - termometru
Magistralele 3 şi 7 de acelaşi diametru şi lungime variabilă (determinată de o serie de factori) se pot monta atacirct la suprafaţă cacirct şi icircn canal
Magistralele se dimensionează icircn funcţie de puterea frigorifică a schimbătorului de căldură subteran alcătuit din sondele de icircngheţare
F0 qNHd [W] (51)
unde d - diametrul exterior al sondei de icircngheţare m
H - adacircncimea de icircngheţare m
N - numărul de sonde de icircngheţare
qF - densitatea fluxului termic raportat la suprafaţa exterioară a sondei La temperatura saramurii de - 20 ordmC se poate considera qF = (260290) Wm2
Debitul volumic V de agent intermediar icircn reţeaua de icircngheţare icircn funcţie de care se aleg
pompele se determină cu relaţia
tc
V o
(52)
icircn care este densitatea agentului intermediar kgm3
c - căldura specifică a agentului intermediar JkgK
t - creşterea temperaturii agentului (saramura) icircn sondele de icircngheţare K
La icircnceputul perioadei de răcire diferenţa de temperatură este t = 56 K ca apoi să scadă la 12 K
Icircn conductele magistrale se recomandă ca viteza saramurii să fie w = 0915ms
Icircn acest caz diametrul conductelor de transport a saramurii este dat de relaţia
w
V4D
[m] (53)
Icircn funcţie de valoarea determinată pentru D se aleg conducte metalice de diametru nominal cuprins icircntre 75200 mm Dacă rezultă D gt 200 mm se vor alege două conducte cu diametrul mai mic de 200 mm
2
T
T
M
M D
D
NH
3
3
4
6
5
7
1
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
40
Conductele magistrale se realizează prin icircmbinări cu flanşe sau sudate iar la lungimi mai mari de 100150 m se vor prevedea coturi compensatoare Pentru reducerea pierderilor de frig magistralele vor fi izolate termic
Distribuitorul de saramură răcită şi colectorul de saramură de la sonde sunt construcţii metalice identice
Icircn figura 57 se prezintă modul de racordare a sondelor de icircngheţare 5 la distribuitorul 1 şi colectorul 2 Vanele 3 asigură icircnchiderea deci oprirea circulaţiei şi reglajul debitului Prin aceste vane se poate izola o anumită sondă care nu funcţionează normal sau la care se observă o anumită defecţiune
Figura 47 Fig 57 Racordarea sondelor de icircngheţare la distribuitor şi colector 1 - distribuitor 2 - colector 3 - vane 4 - racord elastic 5 - sonda de icircngheţare
Poziţia distribuitorului şi colectorului faţă de racircndul sondelor de icircngheţare poate fi laterală de o singură parte sau laterală de ambele părţi ale sondelor Amplasamentul trebuie astfel făcut icircncacirct să fie posibilă vizitarea supravegherea şi eventual icircnlocuirea sondelor de icircngheţare
Racordarea sondelor la distribuitor şi colector se face prin cacircte un racord elastic (fig 57) Dimensionarea distribuitoarelor şi a colectoarelor se face din condiţia ca viteza saramurii să nu depăşească 0915 ms
Coloanele de distribuţie şi colectare urmăresc icircn teren forma şirului de sonde de icircngheţare şi pot avea acelaşi traseu sau trasee diferite Configuraţia traseului poate fi icircn linie sau circulară Icircn oricare din situaţiile prezentate distanţele dintre ştuţurile de racord şi sondele de icircngheţare sunt variabile astfel icircncacirct racordurile rigide prin flanşe şi sudură sunt greu de realizat Cea mai practică soluţie de racord icircn acest caz este furtunul de cauciuc (fig 57)
Icircn reţeaua de saramură poate pătrunde aer prin procesul de pompare ceea ce conduce la intensificarea acţiunii corosive a saramurii Icircn scopul icircndepărtării aerului nedorit pe partea superioară a conductelor icircn punctele cele mai ridicate ale acestora se montează robineţi de evacuare periodică a aerului şi eventual a altor gaze
Pe conductele magistrale se vor monta aparate de măsură şi control debitmetre termometre şi manometre (fig 56) Icircn acest caz se poate aprecia funcţionarea fiecărei sonde după depunerile exterioare de gheaţă pe racordul metalic sau de cauciuc lăsate neizolate termic tocmai icircn acest scop Icircn scopul urmăririi regimului de lucru sub aspect
5
4
1
2 3
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
41
hidraulic şi termic icircn mod individual se pot monta aparate de măsură şi control pe fiecare sondă de icircngheţare dar această soluţie este mai costisitoare
Sonda de icircngheţare realizează transferul de căldură de la terenul ce urmează a fi icircngheţat spre agentul frigorific (la răcirea directă) sau agentul intermediar (la răcirea indirectă)
Icircn figura 51 s-a prezentat schema de principiu a unei sonde de icircngheţare cu saramură activă pe toată lungimea Conducta exterioară sau burlanul de icircngheţare 3 este o conductă din oţel etanşă şi rezistentă la eforturile mecanice care apar datorită presiunii solului şi variaţiei de temperatură icircntre momentul fixării ei icircn sol şi cel al funcţionării la o temperatura sub 00C
Icircn procesul de icircngheţare coloana de burlane care poate atinge lungimi de sute de metri se contractă icircnsă nu liber deoarece ea este stracircnsă icircn masivul de roci La o variaţie de temperatură icircntre momentul iniţial (fără saramură) şi momentul pornirii circulaţiei de saramură de 400C conducta din oţel de 500 m adacircncime ar trebui să se contracte cu
tHH = 500 11 10-6 40 = 0220 m = 22 cm
Datorită fixării coloanei icircn gaura forată efortul unitar de icircntindere ce apare icircn urma scăderii temperaturii este
tE = 22 1010 11 10-10 40 = 968 105 Nm2 = 9680 Ncm2
La acest efort de icircntindere apărut datorită contracţiei coloanei se mai adaugă efortul de acelaşi semn provocat de dilatarea masivului de rocă acviferă icircngheţată Icircn scopul compensării eforturilor de icircntindere s-a propus icircmbinarea coloanei cu nipluri elastice O asemenea soluţie este mai scumpă şi icircn plus micşorează secţiunea liberă de curgere ceea ce conduce la icircncălzirea excedentară a saramurii
La lucrări subterane de mare adacircncime ca puţurile de mină depozite subterane se folosesc burlane de 1397 x 7 mm pentru a fi posibilă determinarea abaterii de la poziţie verticală
La tunelurile de metrou şi icircn general la lucrările la care adacircncimea de icircngheţare nu depăşeşte 50 - 60 m diametrul cel mai frecvent utilizat este 1143 x 7 mm
Ţeava interioară 2 (fig 51) numită şi tub de alimentare de regulă ţeava uşoară de instalaţii de 50 mm diametrul se introduce icircn burlanul exterior 3 fără icircnsă a atinge şiul de bază 1 al sondei Se asigură icircn acest mod un volum minimal de depuneri solide care circulă cu saramura icircn mod incidental Icircn scopul economisirii de metal tubul de alimentare poate fi din material plastic ceea ce prezintă marele avantaj al lipsei coroziunii şi al refolosirii materialului respectiv
Şiul de fund are rolul de a asigura icircnchiderea burlanului exterior icircn partea sa inferioară Cel mai adesea are formă conică pentru a asigura introducerea cu uşurinţă a coloanei metalice icircn gaura de sondă Această componentă a sondei de icircngheţare se execută fie prin turnare sau se confecţionează cu ajutorul sudurii
Corespunzător profilului geologic al terenului icircn care se lucrează se icircntacirclnesc şi cazuri cacircnd nu este nevoie să se icircngheţe terenul pe toată icircnălţimea sondelor ci numai la partea lor inferioară Icircn acest caz se folosesc sonde de icircngheţare zonală (fig 58) cu ajutorul cărora se asigură congelarea doar a zonei inferioare ceea ce prezintă avantaje economice deosebite nu se consumă energie pentru a icircngheţa icircn mod inutil formaţiuni geologice consistente şi uscate şi nu se reduce ritmul lucrărilor de săpare printr-o eventuală mărire a rezistenţei rocilor
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
42
Figura 48 Fig 58 Sonda de icircngheţare zonală
1 - burlan exterior 2 - tub de alimentare 3 - şiu 4 - tub de evacuare
Figura 49 Fig59 - Sonda de icircngheţare cu agent
frigorific 1 - tub exterior 2 - perete despărţitor 3 - şiu 4 -
ştuţ (ţeavă de preaplin) 5 - condensator - vaporizator
Icircn cazul răcirii directe sondele de icircngheţare cu agent frigorific sunt de construcţie specială (fig 59) Particularitatea acestor sonde este prezenţa pereţilor despărţitori 2 dispuşi unul sub celălalt la circa 3 m fiecare perete fiind prevăzut cu un ştuţ de preaplin O asemenea construcţie are rolul de a fracţiona coloane de lichid ceea ce asigură o răcire mai uniformă pe lungimea sondei
Fiecare sondă este prevăzută la partea superioară cu cacircte o cămaşă de răcire Sondele se umplu cu amoniac lichid icircntr-o asemenea cantitate icircncacirct fiecare secţie să fie icircnecată cu lichid respectiv pacircnă la partea superioară a ştuţurilor 4 Ca urmare a fluxurilor de căldură de la sol se produce fierberea amoniacului icircn toate secţiile sondei Vaporii formaţi se ridică prin ştuţurile 4 şi ajungacircnd la partea superioară a sondei se condensează cedacircnd căldură agentului (amoniac) din cămăşile de răcire
Ca urmare cămăşile de răcire de la partea superioară a sondelor constituie vaporizatorul instalaţiei frigorifice Amoniacul care se condensează la partea superioară a sondei curge icircnapoi (de sus icircn jos) prin ştuţurile 4 Folosirea pereţilor despărţitori şi a ştuţurilor micşorează influenţa presiunii hidrostatice a lichidului asupra temperaturii de vaporizare a amoniacului Asemenea sonde de icircngheţare se folosesc pentru lucrări de mică adacircncime
Amplasarea sondelor se face icircn funcţie de o serie de factori formă poziţia şi dimensiunile lucrării care se realizează structura terenului temperatura şi viteza agentului etc
Icircn cazul puţurilor de mină de secţiune circulară sondele se amplasează pe un cerc
concentric de diametru D mai mare decacirct diametrul de săpare Ds cu grosimea a peretelui icircngheţat
sDD (54)
Trebuie să se ţină seama şi de deviaţia sondelor de la poziţia verticală icircncacirct pentru adacircncimi mari se utilizează relaţia
3
2 4
1
VAPORI 5 LICHID
3
2
4 1
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
43
a21DD s (55)
unde a = 003 H este abaterea medie statistică de la verticală a sondelor
Distanţa dintre sonde se ia de obicei de 1014 m icircn terenuri rezistente şi de 0809 m icircn terenuri slabe
Pentru adacircncimi de peste 500 m se recomandă să se dispună sondele pe două cercuri concentrice pentru a se forma un perete de grosime mai mare şi deci mai rezistent
La icircngheţarea terenului icircn jurul puţurilor de secţiune dreptunghiulară sondele se pot dispune pe dreptunghi sau elipsă Icircn aceste situaţii centura de teren icircngheţat poate fi solicitată la icircntindere ceea ce este de nedorit deoarece limita de rezistenţa la icircntindere a terenurilor icircngheţate este de circa 3 ori mai mică decacirct limita rezistenţei la compresiune Din acest motiv chiar şi la puţurile de mină de secţiune dreptunghiulară sondele se dispun pe unul sau două cercuri (fig 510)
Pentru realizarea galeriilor icircnclinate icircngheţarea terenului se realizează cu sonde verticale (fig 511) sau combinat atacirct cu sonde verticale cacirct şi cu sonde icircnclinate (fig 512)
Distanţa dintre sondele verticale (fig 511) se ia de 23 m iar distanţa dintre racircnduri este de 1525 m
Se poate folosi cacircte un racircnd de sonde icircnclinate montate deasupra galeriei (fig 212 a) sau sonde icircnclinate sub galerie şi sonde verticale scurte deasupra galeriei (fig 512 b)
SONDA
154 m
16
6 m
226
262
85
SONDA
Figura 411 Fig 511 Amplasarea sondelor verticale pentru realizarea galeriei icircnclinate
Figura 411 Fig 510 Dispunerea sondelor icircn jurul puţurilor de mină de secţiune
dreptunghiulară
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
44
Figura 412 Fig 512 Realizarea galeriilor icircnclinate cu sonde verticale (1) şi sonde oblice (2)
I - secţiunea longitudinală II - secţiunea transversală a) sonde icircnclinate deasupra galeriei b) sonde icircnclinate sub galerie
413 513 UTILIZAREA METODEI DE IcircNGHEŢARE A SOLULUI IcircN ŢARA NOASTRĂ
a)Puţuri de mină
Aplicarea metodei de icircngheţare a solului pentru lucrări de minerit a avut loc la noi icircn ţară icircncepacircnd cu anul 1960 la puţul Godeni din bazinul carbonifer Cacircmpulung - Muscel Proiectul a fost elaborat icircn anul 1959 la IPROMIN Bucureşti iar lucrarea a fost executată cu Trustul Minier Argeş avacircnd icircn subantrepriză de specialitate Icircntreprinderea Frigotehnica Bucureşti şi Trustul de prospecţiuni explorări şi deschideri de mine noi Bucureşti
Adacircncimea de săpare a puţului Godeni a trebuit sa fie de 202 m Sondele de icircngheţare constituite din două ţevi concentrice (fig 51) cu diametrele exterioare de 146 mm şi respectiv 57 mm icircn număr de 27 au fost amplasate pe un cerc cu diametrul de 10 m la distanţa de 117 m una de alta
Instalaţia frigorifică a fost dimensionată cu mare precauţie pentru a avea o siguranţă mărită icircn funcţionarea ei Toate părţile componente ale instalaţiei frigorifice au fost proiectate şi executate icircn ţară
La proiectarea instalaţiei s-a avut icircn vedere funcţionarea de scurtă durată şi variaţia puterii frigorifice icircn timp S-a utilizat răcirea indirectă cu soluţie de clorură de calciu iar ca agent frigorific a fost folosit amoniacul Pentru a avea elasticitatea necesară icircn funcţionare la diferite puteri frigorifice au fost folosite grupuri de utilaje frigorifice şi anume
6 compresoare 4 AU - 20 (200000 kcal Nh =233 kW fiecare)
3 baterii de condensatoare atmosferice a cacircte 300 m2 (900 m2)
bazine pentru răcirea saramurii fiecare cu cacircte 2 vaporizatoare superintensive de 50 m2 (600 m2)
2 grupuri a cacircte 5 pompe pentru recircularea saramurii
Puterea frigorifică a instalaţiei montate a fost de 12106 kcal Nh =1395 kW şi s-a caracterizat prin următoarele date tehnice la exploatare
85
1
2
I 85
1
2
I
85
1
2
II
85
1
2 II
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
45
o suprafaţa de schimb de căldură a sondelor 2500 m2 o puterea instalaţiei 750 kW o debitul saramurii icircn
o icircn perioada activă 350 m3h o icircn perioada pasivă 70 m3h
o viteza de circulaţie a saramurii icircn sondă o tur 18 ms 036 ms o retur 029 ms 006 ms
o volumul rocilor icircngheţate circa 10000 m3 o consumul specific de frig mediu 50000 m3 o durata icircngheţării (perioada activă) 130 zile
Icircn timpul răcirii şi deci a icircngheţării solului puterea frigorifică scade icircn mod continuu icircncacirct treptat s-a scos din funcţiune cacircte un compresor icircn perioada pasivă (de săpare a puţului) s-a menţinut icircn lucru doar un singur compresor şi grupul de utilaje aferent
După terminarea lucrărilor de la puţul Godeni icircn anii următori aceeaşi instalaţie s-a montat la puţul Poenari din acelaşi bazin carbonifer unde sondele au fost amplasate pe un cerc cu diametrul de 11 m la distanţa de 128 m una de alta
Un alt puţ realizat prin această tehnologie de icircngheţare a solului a fost puţul Jugur de la acelaşi bazin carbonifer Centrala frigorifică a cuprins 15 compresoare 3 AV - 20 (150000 kcal Nh fiecare=175kW) repartizate icircn 5 linii tehnologice independente cu icircntreg utilajul aferent Fiecare linie este compusă din
o butelie de răcire intermediară BRI - 700 un condensator cu evaporare forţată CEF - 180 un bazin cu patru grupuri vaporizatoare intensive de cacircte 165 m2 (icircn total 66 m2)
Sondele de icircngheţare icircn număr de 27 bucăţi au fost prevăzute să se amplaseze pe un cerc cu diametrul de 104 m la distanţă de 121 m Sondele sunt de tipul celei indicată icircn figura 58 deci cu răcire zonală avacircnd următoarele caracteristici diametrul exterior al burlanului este de 146 mm iar tuburile interioare au 57 mm (la exterior) tubul de alimentare are lungimea de 430 m iar cel de evacuare este de 220 m Ca urmare sondele de icircngheţare trebuie să producă icircngheţarea solului numai pe adacircncimea de la 220 m la 430 m Prin proiect s-au prevăzut următoarele date temperatura saramurii - 35 ordmC viteza saramurii icircn conducte de tur 18 ms viteza icircn conducte de retur (pe adacircncimea de răcit) 06 ms durata icircngheţării (perioada activă) a fost de 75 zile
Au fost prevăzute temperaturi scăzute şi viteze mari de congelare deoarece cilindrul icircngheţat trebuie să preia presiuni de pacircnă la 56 bar
b)Tunelurile pentru metroul din Bucureşti
Icircncepacircnd cu anul 1976 pentru realizarea metroului din Bucureşti s-a procedat la aplicarea metodei de icircngheţare a solului icircntr-o zonă considerată experimentală dar cu realizări efective de galerii
Prin proiect s-a prevăzut consolidarea prin icircngheţare artificială a profilului de săpare a tunelurilor de metrou pe o lungime de circa 550 m pe ambele fire Amplasamentul sondelor s-a făcut icircn două variante (pentru experimentare) pentru un fir de tunel ambele racircnduri de sonde s-au fixat icircn profilul circular de săpare iar pentru cel de al doilea fir de tunel sondele au fost forate icircn afara profilului de icircnaintare (fig 513) Au fost folosite sonde cu saramură cu posibilitatea de icircngheţare pe toată icircnălţimea de 16 m cacirct şi sonde cu icircngheţare zonală icircntre adacircncimile de 7 m şi 16 m Distanţa dintre sonde a fost fixată la 14 m
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
46
Pentru a se icircmpiedica accesul apelor icircn frontul de săpare datorate unor eventuale zone neicircngheţate traseul de tunel icircngheţat a fost icircmpărţit icircn incinte icircnchise prin timpane transversale La distanţe de 3050 m icircn lungul traseului au fost montate sonde de icircngheţare aşezate icircn plan normal pe axul tunelului prin care să se icircnchidă accesul apelor spre frontul de săpare
Echipamentul frigorific principal cuprinde
- 8 compresoare frigorifice 3 AV - 20 funcţionacircnd icircntr-o treaptă pentru care
corespunde puterea frigorifică de 12 106 kcal Nh =1395 kW
- 4 condensatoare de evaporare forţată CEF - 250
- 3 bazine de răcire a saramurii echipate cu cacircte 4 grupuri de vaporizatoare superintensive de cacircte 51 m2 (total 612 m2)
- 3 grupuri de cacircte 2 pompe a 220 m3h pentru circulaţia saramurii pe traseele de distribuţie şi prin sonde
Figura 413 Fig513 Amplasamentul sondelor de icircngheţare
Centrala frigorifică este stabilă adăpostită icircntr-o baracă metalică demontabilă existacircnd posibilitatea de reamplasare rapidă a instalaţiei icircntr-un alt loc Agentul frigorific utilizat este amoniacul iar agentul intermediar este clorura de calciu
Icircn perioada principală de icircngheţare temperatura de vaporizare este to = -22 ordmC asiguracircnd răcirea saramurii la -17 ordmC iar pe retur saramura a avut temperatura cu 15 ordmC mai ridicată
La o asemenea lucrare realizată icircn oraş se impune protejarea contra icircngheţului a straturilor de deasupra galeriilor icircn care sunt amplasate instalaţiile de apă - canal ceea ce presupune folosirea sondelor cu icircngheţare zonală care să nu fie active la partea superioară
c) Puţuri pentru prospectarea balastierelor
Procedeul şi instalaţia frigorifică au avut caracter de noutate şi s-a aplicat icircncepacircnd cu anul 1966 la mai multe obiective icircn general pe văile racircurilor unde s-au construit hidrocentrale
A
A B
B
A-A
000 -300 -700 -1061 -1300
65
800
B-B
000 -300 -700 -1061 -1300
65
550
ARGILA
ARGILA
NISIP
NISIP
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
47
Echipamentul frigorific principal cuprinde un agregat frigorific pentru amoniac de 20000 kcal Nh = 233 kW rezervor de amoniac separator de lichid şi anexe - toate fiind montate pe o remorcă
S-au folosit sonde de icircngheţare cu agent frigorific icircn număr de 8 bucăţi cu diametrul exterior de 133 mm montate pe un cerc cu diametrul de 2 m la distanţa de 076 m lungimea lor fiind de 75 m Legarea sondelor la distribuitor şi colector s-a făcut cu racorduri flexibile
Sondele au o construcţie specială fiind prevăzute cu 4 pereţi transversali cu ştuţuri de preaplin formacircndu-se astfel 5 compartimente Agentul lichid se introduce icircn compartimentul cel mai de sus şi se scurge prin ştuţuri pacircnă la baza sondei Conducta de aspiraţie străbate toate compartimentele vaporii fiind aspiraţi din compartimentul cel mai de jos Circulaţia vaporilor formaţi se face ca şi a lichidului de sus icircn jos obţinacircndu-se astfel o răcire uniformă şi eficientă pe toată icircnălţimea sondei
Durata icircngheţării respectiv a formării centurii de teren icircngheţat la adăpostul căreia să se poată efectua săparea şi preluarea de probe de sol este de 10 zile
414 514 CAcircMPUL DE TEMPERATURĂ IcircN SOLUL IcircNGHEŢAT
Cacircnd prin sonda de icircngheţare circulă saramură a cărei temperatura este sub 0 ordmC practic - 20 ordmC-25 ordmC icircn jurul sondei se formează un cacircmp termic care icircn cazul unei singure sonde poate fi reprezentat prin suprafeţe cilindrice coaxiale de temperatură constantă (izoterme)
După distanţa radială se deosebesc icircn sol din punct de vedere termic trei zone zona cilindrică din imediata vecinătate a sondei care este icircn zona icircngheţată zona răcită cuprinsă icircntre suprafaţa cilindrică izotermă de 0 ordmC şi izoterma de temperatură naturală şi a treia zonă cea de temperatura naturală (fig 514)
Icircn zona icircngheţată temperatura masivului variază de la temperatura peretelui metalic al sondei pacircnă la 0 ordmC Icircn zona răcită temperatura masivului creşte de la 0 ordmC pacircnă la temperatura naturală a masivului
Figura 414 Fig 514 Cacircmpul de temperatură icircn jurul unei sonde de icircngheţare
Este important să se cunoască cacircmpul termic icircn terenul supus icircngheţării deoarece acesta oferă date privind zona de răspacircndire a consolidării rocilor prin solidificarea apei cacirct şi a
t [oC]
r [m]
t (r)
ZONA RACITA
ZONA INGHETAT
A
ts TEMPERATURA NATURALA A ROCII
-20
-10
40
10 0 20 30
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
48
rezistenţei mecanice a rocii icircngheţate Se cunoaşte faptul că rezistenţa mecanică depinde direct de temperatură
Studiul variaţiei temperaturii icircn zona de influenţă a unei sonde şi a tuturor sondelor simultan oferă posibilitatea calculării dimensiunilor la proiectarea construcţiei peretelui protector cacirct şi controlul procesului icircn timpul desfăşurării lucrărilor
Pentru a se stabili relaţia de variaţie a temperaturii icircn zona icircngheţată icircn funcţie de raza r se consideră ecuaţia diferenţială
dr
dtr2q (56)
icircn care q este fluxul unitar de căldură corespunzător lungimii de 1 m din sonda de icircngheţare Wm
- conductivitatea termica a terenului Wm
Integrarea directă a ecuaţiei analitice se poate face icircn ipoteze simplificatoare consideracircnd
= const şi q = const ceea ce este justificat la valori mari ale timpului de răcire
Se separa variabilele
r
dr
2
qdt
(57)
Se consideră cunoscute temperaturile t1 la suprafaţa sondei de raza r1 și t2 = 0 ordmC la raza r2 corespunzătoare suprafeţei exterioare a cilindrului icircngheţat Se integrează ecuaţia (6-7) și cunoscacircnd limitele de integrare se va determina constanta de integrare
Cr ln2
qt
(58)
pentru r = r1 t = t1 deci
11 rln2
qtC
(59)
1
1r
rln
2
qtt
(510)
Se pune condiţia ca pentru r = r2 t = t2
1
212
r
rln
2
qtt
(511)
Se elimina q intre relaţiile (510) și (511) şi se obţine
1
2
1121
r
rln
r
rln
tttt (512)
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
49
Figura 415 Fig 515 Schema schimbătorului de căldură subteran
Pentru t2 = 0 ordmC relaţia (5-12) devine
)rrln(
)rrln(tt
12
21 (513)
Icircn figura 515 se prezintă o secţiune axială printr-o sondă de icircngheţare şi variaţia temperaturii icircn limitele t0 - temperatura agentului de răcire şi ts - temperatura naturală a solului
Cantitatea de căldură transferată de la masivul neicircngheţat spre agentul de răcire prin unitatea de lungimea de conducta şi unitatea de timp se calculează cu expresia
221
2
1o
1
moo
os
d
1
d
dln
1
d
dln
2
1
d
1
ttq
(514)
Icircn calculele inginereşti cel mai frecvent se determină nu fluxul termic pe unitatea de lungime a conductei ci fluxul termic qF raportat la unitatea de suprafaţă a conductei metalice la 1 m2 de suprafaţa exterioară sau interioară Mărimea qF se calculează astfel
22
o
1
2
1
o
o
1
m
o
o
oS
o
F
d
d
d
dln
2
d
d
dln
2
d1
tt
d
(515)
Fluxul termic qF prin unitatea de suprafaţă a sondei de icircngheţare calculat pentru adacircncimea de 100 m icircn regim laminar de curgere a agentului de răcire prin spaţiul inelar al sondei cu viteza w = 01 ms la diametre ale cilindrului de rocă icircngheţata
de la 02 la 3 m pentru to = -20 ordmC do = 01 m 1 = 233 WmK variază de la 720 la 230 Wm2 aşa cum se poate observa din figura 516 şi tabelul 51
d2
d1
d0
t
qF
t0
t2
t1 2
m 1
m
ts
Conducta Teren icircngheţat Teren
neicircngheţat
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
50
Figura 416 Fig 516 Variaţia fluxului termic qF prin unitatea de suprafaţă a sondei de icircngheţare 1 - regim turbulent 2 regim laminar
Tabelul 51Variaţia fluxului termic qF [Wm2]
Diametrul cilindrului de rocă icircngheţată icircn m
02 04 05 08 10 15 20
qF regim laminar 1160 550 387 330 302
qF regim laminar 720 465 423 350 321 283 258
Se observă ca densitatea fluxului de căldura qF scade foarte mult de la 800900 Wm2 la icircnceputul operaţiei de consolidare prin frig a rocilor pacircnă la 230250 Wm2 cacircnd cilindrul de rocă icircngheţata atinge diametrul de 23 m Ca urmare a acestei situaţii şi puterea frigorifică a instalaţiei va scădea icircn decursul a 6080 zile tot cu raportul de 800230 = 35
Instalaţia frigorifică va fi constituită din grupuri de utilaje (module) ce vor fi scoase treptat din funcţiune pe măsură ce se reduce densitatea fluxului de căldură qF ca urmare a creşterii grosimii stratului de teren icircngheţat Icircn practică pentru calcule se va considera qF = (260290) Wm2
O mărime importanta pentru proiectarea instalaţiei şi aprecierea procesului de consolidare a rocilor este timpul de icircngheţare Pentru calculul duratei de icircngheţare se pot folosi relaţiile prezentate icircn capitolul 3 la formarea gheţii pe suprafeţe cilindrice exterioare La aprecierea valorii pentru ls - căldura latentă de solidificare se avea icircn vedere conţinutul de apă din terenul supus icircngheţării
Dacă icircntre relaţiile pentru dependenţele (r) şi qF(r) se elimină r se obţine dependenţa
qF() Eliminarea nu se poate face direct ci fie cu ajutorul calculatorului fie printr-o construcţie grafică prezentată icircn figura 517
Studiul variaţiei temperaturii icircn solul icircngheţat cacirct și variaţia icircn timp a densităţii fluxului de căldura se poate face cu ajutorul calculatorului electronic
1200
1000
800
600
400
200
0 05 1 15 2 25 3
qF [Wm2]
Diametrul cilindrului de rocă icircngheţată [m]
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
51
Figura 417 Fig 517 Stabilirea dependentei qF() pe baza dependentelor qF(r) și (r)
415 515 ELEMENTE DE PROIECTARE A INSTALAŢIEI FRIGORIFICE PENTRU IcircNGHEŢAREA SOLULUI
Pentru proiectarea instalaţiei frigorifice trebuie sa se stabilească la icircnceput elementele de baza și anume
- puterea frigorifică maximă care apare la icircnceputul perioadei de răcire cacircnd pătrunderile de căldura spre agentul de răcire din sondele de icircngheţare au valori mai mari temperatura de vaporizare a agentului frigorific plecacircnd de la temperatura minimă sau medie din solul icircngheţat şi avacircnd icircn vedere modul de răcire directă sau indirectă
Se calculează cantitatea totală de căldură ce trebuie extrasă din terenul supus răcirii şi icircngheţării Se cunoaşte structura terenului icircngheţat deci se cunosc icircnălţimile h1 h2hn ale diferitelor straturi componente cacirct şi proprietăţile termofizice ale acestora
Grosimea centurii de teren icircngheţat se stabileşte icircn urma calculelor de rezistenţa materialelor icircncacirct se pot calcula volumele ocupate de straturile componente V1 V2Vn
Cantitatea de căldură ce trebuie extrasă din zona icircngheţată cuprinde două componente și anume
cantitatea de căldura Qa corespunzătoare răcirii şi icircngheţării apei
cantitatea de căldura Qt necesara răcirii părţii solide a terenului
n
1kfgsikaakka tcltcVQ (516)
unde
k - reprezintă conţinutul icircn apă din stratul respectiv [m3m3]
a - densitatea apei [kgm3]
ca cg - căldura specifica a apei respectiv a gheţii Jkg K
tik - temperatura iniţiala a stratului respectiv (de ordinul k)
tf - temperatura medie finala a masivului icircngheţat
ls - căldura latentă de solidificare a apei
r
q
q
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
52
fik
n
1kkkkkt ttc1VQ
(517)
k - densitatea părţii de teren solid (uscat) din stratul k
ck - căldura specifică a terenului uscat din stratul k
Cantitatea de căldură extrasă din terenul răcit reprezintă circa 1018 din cantitatea de căldură extrasă din zona de teren icircngheţat
Deci cantitatea totală de căldură Q ce va trebui preluată de către instalaţia frigorifică se poate aprecia astfel
Q = (110118) (Qa + Qt) (518)
Cu relaţia (51) se calculează puterea frigorifica a instalaţiei adoptacircnd o valoare medie pentru densitatea fluxului de căldura qF
Se poate aprecia timpul de funcţionare a instalaţiei frigorifice
o
Q
(519)
La anumite grosimi ale cochiliei de teren icircngheţat icircn jurul sondei densitatea fluxului termic scade sub valoarea medie adoptată icircn calcule şi ca urmare icircncepacircnd de la acest moment se va putea reduce treptat puterea frigorifica a instalaţiei prin scoaterea din funcţiune a unor grupuri
La proiectare se pot avea icircn vedere unele recomandări practice pentru stabilirea necesarului de frig pentru icircngheţarea unui m3 la -10 ordmC este necesar un consum specific de frig de 66000 kJ la 10 umiditate de 155000 kJ la 35 umiditate și de 210000 kJ la 50 umiditate
42 52 RĂCIREA BETONULUI LA CONSTRUCŢIILE MASIVE
421 521 INSTALAŢII DE PRERĂCIRE A COMPONENTELOR BETONULUI
Formarea betonului din elementele sale componente (nisip pietriş ciment şi apă) este icircnsoţită de fenomene fizico - chimice icircn care se degajă căldură şi ca urmare temperatura acestuia creşte Icircn cazul unor masive din beton (baraje) dacă viteza de turnare (icircn sezonul cald cacircnd se efectuază construcţia) este mai mare şi nu se asigura evacuarea căldurii corpul rezultă la o temperatura medie mai mare decacirct temperatura medie anuală Răcirea naturală conduce la contracţia masivului şi ca urmare la apariţia sub acţiunea tensiunilor interne a unor fisuri
Pentru ca variaţiile de temperatura icircntre centrul barajului şi straturile exterioare să fie cacirct mai mici se impune ca masivul respectiv să fie turnat la temperatura medie anuală a zonei respective Icircn acest scop se pot folosi două metode prin prerăcirea componentelor betonului și prin răcirea masei barajului
Icircn vederea reducerii căldurii degajată icircn reacţia dintre ciment şi apă au fost realizate sortimente de ciment caracterizate prin călduri masice reduse ce se degajă icircn procesul de priză
Prin prerăcirea componentelor betonului se urmăreşte ca betonul sa aibă temperatura medie a locului de amplasament şi prin aceasta evitarea apariţiei unor diferenţe mari de temperatură ce pun icircn pericol construcţia
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
53
Icircn funcţie de valoarea diferenţei de temperatură care trebuie realizată se poate adopta o anumită schemă de răcire pentru fiecare component icircn parte sau numai pentru unele din aceste părţi componente
Se pot folosi instalaţii frigorifice cu comprimare mecanică de vapori pentru răcirea apei a aerului sau formarea gheţii mărunte utilizate la prerăcirea componentelor betonului Folosirea gheţii fulgi sau solzi este limitată atacirct din cauza conţinutului de apă impus cacirct şi ca urmare a pericolului ca gheaţa să nu se topească icircn procesul de malaxare ci la turnare sau icircn procesul de priză ceea ce duce la formarea de goluri icircn beton
De asemenea se pot folosi instalaţiile frigorifice cu ejecţie
Icircn vederea stabilirii necesarului de frig pentru preratildecirea componentelor betonului se calculează mai icircntacirci cantitatea de catildelduratilde Qo1 ce trebuie evacuatatilde dintr-un m3 de beton avacircndu-se icircn vedere proporţiile icircn care participatilde cimentul nisipul pietrişul şi apa Fiecare component are o temperatură iniţialatilde şi urmeazatilde a fi răcit pacircnatilde la o temperatura finalatilde tf aceeaşi pentru toţi componenţii
fpppfnnnfccc1o ttcmttcmttcmQ
fnaanfpaapfaaa ttcmttcmttcm Jm3 (520)
unde
mc mn mp ma - masele de ciment nisip pietriş şi apă conţinute icircntr-un m3 de beton [kgm3]
cc cn cp cw - căldurile specifice masice ale cimentului nisipului pietrişului şi nisipul dintr-un m3 de beton [kgm3]
Puterea frigorifică se determină cu relaţia
3b1oo 10VQ [kW] (521)
icircn care bV reprezintă fluxul de betonare icircn m3s
Se prezintă icircn continuare cele mai folosite metode de prerăcire a componentelor betonului
4211 a) Instalaţie de prerăcire cu apă
Staţia de preparare a betonului este deservită de o instalaţie frigorifică cu comprimare mecanică de vapori care asigură răcirea apei
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
54
Figura 418 Fig 518 Schema de lucru a instalaţiei de prerăcire a betonului cu ajutorul apei 1 - ciment 2 - vagon nisip 3 - vagon pietris 4 - tancuri de răcire a pietrişului 5 - sită 6 - siloz de
nisip 7 - siloz de ciment 8 - rezervor de distribuţie 9 - răcitor de nisip 10 - răcitor de ciment 11 - răcitor de apă 12 - rezervor de apă răcită 13 - răcitor de apă 14 - instalaţie de prepararea betonului
I II III IV V - fazele de răcire a pietrişului
Icircn figura 518 se prezintă schema de lucru a unei asemenea instalaţii de prerăcire a betonului cu ajutorul apei folosită la construcţia barajului de la Detroit (SUA) Apa este răcită de la 16 la 15 ordmC şi transmisă apoi la instalaţia de preparare a betonului şi icircn cinci rezervoare a cacircte 90 m3 fiecare icircn care se răceşte pietrişul
Procesul de răcire a pietrişului cuprinde cinci faze
- faza I - introducerea apei icircn rezervor 10 minute
- fazele II şi III - introducerea simultană a apei şi a pietrişului 50 minute
- faza IV - evacuarea apei 15 minute
- faza V - evacuarea pietrişului 15 minute
Icircntregul proces de răcire a pietrişului durează 90 minute Pentru răcirea cimentului şi nisipului se utilizează schimbătoare de căldură cu ax elicoidal la care apa de răcire circulă prin arborele gol şi prin manta
Rezervoarele 12 pentru apa răcită au fiecare volumul de 114 m3
Beton 635oC
190 m3h
65oC
24oC
18oC
1
2
3
4
5
6
7
8
10
9
11
12
13
14
Apă 16oC
15oC
Cim
en
t
26 l
h
Nis
ip 1
12
lh
10
oC
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
55
42111 Aplicaţie numerică
Să se calculeze puterea frigorifică necesară prerăcirii betonului prin metode şi condiţiile prezentate mai sus Se cunosc următoarele date de calcul
mp = 1700 kgm3 beton
mc = 135 kgm3 beton
mn = 590 kgm3 beton
ma = 60 kgm3 beton
cc = cn = cp = 921 Jkg K
ca = 4180 Jkg K
map = 16 kgm3 beton
man = 38 kgm3 beton
tp = 18 ordmC
tc = 66 ordmC
tn = 21 ordmC tf = 635 ordmC
052803000
190Vb m3s
Se calculează componentele cantităţii de căldură Q01
3fcccc 10741735666921135ttcmQ Jm3
3fnnnn 10796135621921590ttcmQ Jm3
3fpppp 1024018356189211700ttcmQ Jm3
3faaaa 10420235616418060ttcmQ Jm3
3fpaapap 1077935618418016ttcmQ Jm3
3fnaaan 10232735621418038ttcmQ Jm3
Rezulta
3anapapnc1o 1039144QQQQQQQ Jm3
3o 10 206705280103914410VQ 33
b1o kW
4212 b) Instalaţii de prerăcire cu aer apă
Pentru răcirea componentelor betonului se utilizează icircn acest caz fie apa fie aerul ca agenţi intermediari răciţi cu ajutorul instalaţiilor frigorifice
Icircn figura 519 se prezintă schema unei asemenea instalaţii folosită la construcţia barajului de la Sariyar din Turcia
Răcirea aerului se poate face fie direct prin vaporizarea unui agent frigorific fie indirect cu un agent intermediar de răcire ca de exemplu saramura de clorură de calciu Aerul răcit pacircnă la -6 ordmC este suflat icircn silozurile cu pietriş de dimensiuni icircntre 4150 mm
Apa răcită icircn bazinul la pacircnă la 05 ordm este trimisă din colectorul 12 la staţia de preparare a betonului servind la scăderea temperaturii acestuia
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
56
Figura 419 Fig 519 Schema instalaţiei de prerăcire a betonului cu aer şi apă 1 - compresor 2 - condensator 3 - ventile de laminare 4 - vaporizatoare 5 - bazin de răcire a
saramurii 6 - pompă de saramură 7 - răcitor umed de aer 8 - ventilatoare 9 - silozuri de pietriş 10 - bazin de răcire a apei 11 - pompă 12 - colector de apă răcită
Figura 420 Fig 520 Schema instalaţiei de prerăcire cu aer şi apă 1 - siloz de pietriş şi nisip 2 - siloz de ciment 3 rezervor de apă 4 - răcitor de aer 5 - răcitor de apă
4 - răcitor de apă 6 - buncăr de sortare 7 - instalaţie de preparare beton
Pentru intensificarea procesului de răcire a pietrişului aerul este răcit sub 0 ordmC Acest procedeu are avantajul unei funcţionări fără icircntrerupere a procesului de preparare a betonului dar prezintă şi o serie de dezavantaje debite foarte mari de aer de răcire posibilitatea antrenării particulelor fine de agregat icircn răcitorul de aer şi depunerea acestora pe suprafaţa de schimb de căldură Ca urmare instalaţia se va curăţa la circa 14 zile Icircn figura 520 se prezintă o altă schemă de instalaţie de prerăcire a betonului cu aer şi apă folosită la construcţia unui baraj din India
Apă
295oC
Ciment
433oC
Pietriş şi nisip
378oC
Apă 6oC
Ciment 433oC
Aer
Pietriş
45oC Nisip 222oC
22oC
Ap
ă
45
oC
Ap
ă 2
2o
C
Ae
r 5
5o
C
Be
ton
12
8o
C
Apă 22oC
2
1
3 4 5
8
9
5 7
12
1oC
11
05oC 9oC 9oC
-9oC
-10oC -10oC
-10oC 2oC
6oC
10 4 4 6
8 8
8
8 8
9 9 9 9
1
2
3 3
7
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
57
Pietrişul şi nisipul se separă icircntre ele icircn buncărul de sortare 6 şi apoi fiecare circulă pe cacircte o bandă transportoare prin camera de răcire 7 Pietrişul este răcit cu ajutorul apei
Fig
ura
42
1 F
ig 5
21
Sc
he
ma
in
sta
laţi
ei
de
ră
cir
e icirc
n v
id a
co
mp
on
en
telo
r b
eto
nu
lui
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
58
reci icircncacirct ajunge la o temperatură mai scăzută decacirct nisipul răcit cu aer Prin camera 7 se circulă şi aer rece care se introduce la temperatura de 55 ordmC Cimentul se introduce la instalaţia de preparare a betonului 9 fără a fi răcit
O altă posibilitate de prerăcire a agregatelor (pietriş şi nisip) şi a apei utilizată mai recent la construirea barajelor icircntrebuinţează răcirea icircn vid la care agregatele uşor umezite icircn recipiente sub presiune se răcesc după nevoie (prin reglarea vacuumului) la o temperatură mai scăzută sau mai ridicată Căldura necesară evaporării umidităţii de pe agregate şi din ele (apa legată) este luată chiar de la corpurile respective (pietriş nisip) şi ca urmare acestea se răcesc
O asemenea instalaţie utilizată la Hortwell icircn SUA (figura 521) cuprinde 3 recipienţi de cacircte 150 m3 pentru răcirea pietrişului şi 3 recipienţi de cacircte 80 m3 pentru răcirea nisipului
Pietrişul şi nisipul cu temperatura maximă de 43 ordmC se pot răci pacircnă la temperatura necesară de 45 ordmC Pentru realizarea vidului necesar se folosesc două cazane de abur care produc 77 th fiecare
422 522 RĂCIREA INTERIOARĂ A MASIVULUI DE BETON
Prerăcirea betonului se recomandă icircn condiţiile unei zone tropicale sau temperate de amplasare a construcţiei masive nu se recomandă icircn cazul amplasării barajului icircn munţi unde temperatura aerului este scăzută Icircn asemenea situaţii se recomandă răcirea betonului prin conducte amplasate icircn masiv prin care circulă apă rece
La răcirea interioară cu conducte montate icircn beton are loc o eliminarea a căldurii simultan cu producerea ei icircn procesul de priză producacircndu-se şi o răcire pacircnă la temperatura necesară Pentru răcire se folosesc conducte de oţel cu diametre de 1525 mm montate la distanţe de 1223 m icircn plan orizontal şi de 153 m icircn plan vertical Lungimea conductelor icircntr-un m3 de beton este de 0204 şi a fiecărei serpentine de 140250 m
Debitul apei de răcire ce circulă prin 1 m3 de beton este de (0553) dm3h
Figura 422 Fig 522 Reţea de conducte de răcire a betonului icircn secţiunea unui baraj 1 - galerie pentru măsurători 2 - galerie de conducte de apă de răcire
Serpentinele se montează şi se fixează pe suprafaţă de beton (fig522) Capetele serpentinelor se leagă de o coloană verticală prin mufe metalice sau de cauciuc Diametrul distribuitorului şi al coloanei este cuprins icircntre 150200 mm După montaj aceste conducte se verifică la presiunea de lucru
1 2
Ax
a
ba
raju
lui
Calculul necesarului de frig pentru depozit de fructe
28
camerele vecine celei căreia i se face calculul necesarului de frig sunt goale şi au temperatura vestibulului sau a sasului
Aceste calcule determină necesarul de frig pe categorii de consumatori grupaţi după temperatura cerută şi permit stabilirea puterilor frigorifice icircn vederea proiectării instalaţiei
Pentru calculele termice sunt necesare următoarele
planul frigoriferului care a fost stabilit
dimensiunile camerelor
temperaturile necesare icircn fiecare cameră
Se consideră
1degC icircn depozitele de refrigerate
orientarea frigoriferului după punctele cardinale
condiţii climatice icircn lunile cele mai călduroase pentru zona geografică respectivă
Consumul de frig se calculează pentru 24 ore cu relaţia
Qnec = Q1 + Q2 + Q3 + Q4 [kcal24h]
Q1 - neeesarul de frig pentru acoperirea pătrunderilor de căldură prin cenvecţie
conducţie şi radiaţie din mediul icircnconjurător prin pereţi pardosea și plafon
Q2 - necesarul de frig tehnologic pentru procesele de răcire refrigerere şi
congelare eliminarea căldurii de respiraţie seu pentru unele procese chimice şi
biochimice
Q3 - necesarul de frig pentru ventilarea camerelor frigorifice cu aer proaspat care
trebuie racit şi uscat
Q4 - necesarul de frig rezulticircnd din condiţii de exploatare acoperirea căldurii
provenite din iluminat din funcţionarea motoarelor căldura provenită de la persoanele ce
manipulează produsele datorită deschiderii uşilor etc
321 Consumul de frig Q1
Se determină pentru fiecare spaţiu icircn parte cu relaţia
RttkFQ1 [ W ]
F - reprezintă suprafaţa pereţilor a pardoselei şi a plafonului corespunzător fiecărui
spaţiu frigorific icircn parte icircn m2 Ca suprafaţă de transfer se va considera suprafaţa
exterioară a perimetrului izolat termic
k - reprezintă coeficientul global de transmitere a căldurii prin convecţie conducţie şi radiaţie
prin pereţi plafon şi pardoseală (toate izolate termic) icircn [W(m2 middot grd)] Valoarea coeficientului k a
fost calculată icircn tabelul 24 (kr)
Δt - reprezintă diferenţa de temperaturi dintre temperatura exterioară suprafeţei de
transfer termic considerată şi temperatura interioară spaţiului frigorific
Calculul necesarului de frig pentru depozit de fructe
29
Diferenţa de temperatură ΔtR se ia icircn consideraţie numai la pereţii exteriori şi la
plafoane care sunt şi acoperiş pentru clădire
ΔtR = 0degC pentru pereţi exteriori orientaţi spre N
ΔtR = (5 10)degC pentru pereţi exteriori orientaţi spre E V S-E S-V
ΔtR = 15 degC pentru pereţi exteriori orientaţi spre S
ΔtR = (15 18)degC pentru plafoane care sunt şi acoperiş (terasă)
Calculul valorilor mărimii sumQ1 se recomandă a se efectua tabelar conform tabelului 25
Valoarea mărimii sum Q1 la aparate se obţine prin icircnsumarea fluxurilor termice prin toate cele 6 suprafeţe delimitatoare
La stabilirea valorii mărimii sum Q1 se consideră doar unul dintre fluxurile termice prin suprafeţele ce separă spaţiile frigorifice vecine Pentru aparatele de răcire din spaţiile frigorifice se consideră situaţia cea mai grea pentru fiecare spaţiu icircn parte respectiv că spaţiile vecine nu sunt răcite
Spaţiul frigorifi
c
Perete
Dimensiuni
Supraf F
[m2]
Kr [Wm2K]
Δt [grd]
Δtr
Q1 [W] sumQ1 q a [m]
b [m]
N 15 4 60 023 308 42504
246068
708
E 7 4 28 023 308 8 24987 892
DR S 15 4 60 023 185 15 46202 770
V 7 4 28 023 308 19835 708
T 15 7 105 023 308 74382 708
P 15 7 105 023 158 38157 363
N 7 4 28 023 185 11914
133566
426
E 7 4 28 023 268 8 22411 800
CP S 7 4 28 023 268 15 26919 961
V 7 4 28 023 185 11914 426
T 7 7 49 023 268 30204 616
P 7 7 49 023 268 30204 616
Tabelul 318 Tebel25 Calculul valorilor mărimii Q1
322 Necesarul de frig Q2
sum Q2 - necesarul de frig tehnologic pentru procesele de răcire refrigerare şi
congelare
Q2d = mcp(tc-ti)=500003644 = 4186000(243600)= 842 kW
Q2c = 2600036419 = 1798160 = 208 KW
Q2 = 208 + 842 = 293 = 30kW
unde
Q2d - necesarul de frig tehnologic depozit
Q2c - necesarul de frig tehnologic camera de preracire
Calculul necesarului de frig pentru depozit de fructe
30
m - cantitatea de produse introduse icircn tunelul de congelare icircn kg
te ti - temperaturi specifice corespunzătoare temperaturii iniţiale a produsului cald
(24 ordmC) respectiv temperaturii finale a produsului refrigerat (1 ordmC)
Căldura specfifică mere cp = 364 [kJkgK]
323 Necesarul de frig Q3
Icircn funcţie de natura produselor din spaţiul frigorific este necesar uneori să se realizeze ventilarea spaţiului prin asigurarea unui anumit număr de schimburi ale aerului din incintă icircn 24h Ca exemplu icircntotdeauna va fi necesară ventilarea prin introducere de aer proaspăt icircn spaţiile de păstrare pentru legume fructe şi ouă refrigerate Aceste produse vii respiră icircn timpul păstrării şi necesită icircn consecinţă ventilarea spaţiilor de păstrare
Acest consum de frig se ia icircn considerare doar la depozitele de refrigerare care se ventilează Se stabilește cu relația
Q3 = V ∙ a ∙ ᵖi ∙ (hex - hi) [kJ24]
V - volumul camerelor ventilateicircn m3
a = 24 schimburi pe zi pentru depozitele de mere
ᵖi - reprezintă densitatea aerului la temperature interioară icircn kgm3
Pentru depozitele de refrigerare considerăm umiditatea relativă ᵠi = 95 și ti=1 ordmC
rezultacircnd icircn acest caz hi= 9 kJkg
Parametri aerului exterior pentru zona icircn care este amplasat depozitul sunt temp ex 318
și umiditatea ext 60 rezultand din diagram mollier entalpia aerului Calcul facut icircn
programul Coolpack
ρi = 12 kgm3
hex = 7519 kJkg
Q3 = 616 2 12 (7519 - 9) (243600)= 00025 kW
324 Necesarul de frig Q4
Q4 - frigul consumat pentru acoperirea pierderilor icircn timpul exploatarii datorat deschiderii
usilor a corpurilor de iluminat a motoarelor electrice a oamenilor Se admite Q4 =
(01hellip04)Q1
Q4 = 02 379617 = 759234 = 008 kW
Qtotal = sum 119824120783 + Q2 + Q3 + Q4 = 004 + 30 + 000025 + 008 = 3012 = 31 kW
33 33 Stabilirea directiei raportului de termoumiditate și trasarea procesului de conditionare a aerului pe diagrama i-X pe timp de vară
Icircn fig16 este reprezentat un agregat pentru condiţionarea aerului pe timp de vară cu recirculare parţială
Calculul necesarului de frig pentru depozit de fructe
31
Figura 33 Figura16 Schema aparatului de condiţionare a aerului pe timp de vară cu recirculare parţială
F - filtru V - vaporizator C - compressor K - condensator VL - ventil de laminare I - icircncălzitor Vt - ventilator
Procesele de lucru pot fi reprezentate icircn diagrama h-x ca icircn figura următore
Figura 34 Fig17
A reprezintă starea aerului recirculat provenit din spaţiul condiţionat iar E este starea aerului exterior
Aerul tratat icircn aparatul de condiţionare care se introduce icircn incintă avacircnd starea B
trebuie să preia degajările de căldură Qv [kW] şi de umiditate Wv [kgs]
Direcţia procesului suferit de aer icircn incintă este dată de raportul de termoumidificare εv
= Qv Wv
Prin punctul A se trasează dreapta avacircnd raportul de termoumidificare εv iar punctul B se fixează pe această dreaptă adoptacircndu-se o anumită diferenţă de temperatură faţă de starea A
Aerul recirculat A se amestecă cu aerul proaspăt E şi rezultă starea de amestec M De regulă xM gt xB deci aerul va trebui să fie uscat
Pe verticala din B se fixează starea D avacircnd xD= xB şi ᵩD = 90hellip98
Calculul necesarului de frig pentru depozit de fructe
32
Se uneşte M cu D iar apoi se prelungeşte acest segment pacircnă la intersecţia cu ϕ = 100 rezultacircnd starea P avacircnd temperatura tp
Circulacircnd aerul cu starea M peste o suprafaţă rece avacircnd temperatura tp se va obţine procesul de răcire şi uscare MD
Temperatura suprafeţei tp se asigură cu o instalaţie frigorifică a cărei temperature de vaporizare va fi t0 lt tp
Ultimul proces din aparatul de condiţionare va fi icircncălzirea finală DB
Calculul agregatului de condiţionare a aerului pe timp de vară se efectuează asemănător cu cel a agregatului de condiţionare a aerului pe timp de iarnă cu observaţia că pe timp de vară nu este necesară umidificarea
331 Date
Vtotal = 616 m3 tint = 1ᵒC tex = 318 φint = 90 φext = 60 ρaer = 12 [kgm3]
Starea A
tA = ti + 3 = 4deg xA = 00043[kj
kg] φA = 86 hA = 1489[
kj
kg]
Starea B
tB = 1degC xB = 00036 [kj
kg] φB = 90 hB = 1024[
kj
kg]
Starea E
tE = 318degC xE = 00171[kj
kg] φE = 60 hE = 7519[
kj
kg]
Starea M
hM =hE + n ∙ hA
n + 1=
7513 + 20 ∙ 1489
21= 1775[
kj
kg]
xM =xE + n ∙ xA
n + 1=
00171 + 20 ∙ 00043
21= 00049[
kj
kg]
Rezulta din diagrama Mollier
Starea D
hD = 108 [kj
kg] xD = 0003[
kj
kg] φD = 97
Raportul de recirculare n = 20
Debitul de aer ventilat V =Vtotal∙20
24h=
616lowast20
24= 513 [m3h]
Debitul masic m = V ∙ ρaer = 513 lowast 12 =
6156[kg
h]
3600= 0171 [kgs]
tp = minus3degC t0 = tp minus 9degC = minus3 minus 9 = minus12degC
Puterea termica a vaporizatorului ( puterea frigorifică )
ФV = Ф0
Puterea termica a icircncalzitorului
ФI = 119898 ∙ (hB - hD)
Cantitatea de apa condensată icircn unitatea de timp pe suprafața de racire este
Calculul necesarului de frig pentru depozit de fructe
33
ẆV = 119898 ∙ (XM - XD)
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
34
4 Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
Există două domenii principale icircn care se utilizează frigul artificial icircn lucrările de construcţii şi anume
icircngheţarea terenurilor acvifere icircn vederea săpării puţurilor de mină a barajelor a depozitelor de gaze lichefiate etc
prerăcirea componentelor betonului icircn cazul executării unor masive de beton ca de exemplu baraje
41 51 IcircNGHEŢAREA SOLULUI
411 511 CONSIDERAŢII GENERALE PRIVIND IcircNGHEŢAREA SOLULUI
Icircngheţarea artificială a solului reprezintă una dintre cele mai interesante şi icircn acelaşi timp şi importante aplicaţii practice a frigului artificial Totodată este una dintre primele aplicaţii industriale a tehnicii frigului şi care a asigurat o dezvoltare deosebită a industriei extractive Aşa se explică faptul că odată apărută maşina frigorifică cu absorbţie realizată icircn 1859 de către Ferdinand Carre este folosită la săparea primului puţ de mină prin icircngheţarea artificială a rocilor Dar nu numai industria minieră foloseşte icircn ultimul secol procedeul consolidării rocilor la săpararea unor lucrări subterane Lucrări inginereşti de tot genul ca metrouri staţii subterane de pompare rezervoare de gaze lichefiate poduri lucrări portuare şi altele asemănătoare amplasate icircn zone acvifere au fost realizate prin metoda consolidării prin frig a rocilor
Această metodă a consolidării rocilor prin frig artificial realizează icircn jurul lucrării inginereşti subterane un perete icircngheţat protector pe durata lucrărilor de construcţii Acest perete asigură o izolare hidraulică şi icircn acelaşi timp şi o protecţie mecanică Rezistenţa mecanică a rocilor creşte pe măsură ce temperatura lor scade icircncacirct metoda expusă mai sus prezintă avantajul reglării capacităţii portante a peretelui icircngheţat
Apa conţinută icircn terenuri prin icircngheţare capătă proprietăţile cimentului exprimate prin forţele de coeziune mari care apar icircntre cristalele de gheaţă şi grăunţii de rocă
Pentru obţinerea peretelui protector se folosesc sonde de icircngheţare forate pe conturul lucrării subterane şi prin care circulă agentul de răcire care poate fi un agent intermediar ca de exemplu saramura de clorură de calciu sau agentul frigorific de exemplu amoniacul Icircn funcţie de grosimea peretelui şi de rezistenţa mecanică pe care trebuie să o aibă se va alege temperatura agentului de răcire distanţa dintre sonde şi durata de icircngheţare
Instalaţia de consolidare prin frig a rocilor cuprinde trei părţi principale staţia frigorifică reţeaua de distribuţie a agentului de răcire (saramura) şi sondele de icircngheţare a solului
Staţia frigorifică cuprinde instalaţia frigorifică propriu-zisă cu comprimare mecanică de vapori sau prin absorbţie icircntr-o treaptă sau icircn două trepte Icircn funcţie de condiţiile de amplasament ale obiectivului staţia frigorifică poate fi de construcţie staţionară (icircn minerit) sau mobilă (la metrouri)
Reţeaua de distribuţie alcătuită din conducte metalice sau din mase plastice are rolul de a face legătura icircntre staţia frigorifică şi sondele de icircngheţare Pentru reducerea pierderilor de frig reţeaua de distribuţie se izolează termic
Sondele de icircngheţare constituie schimbătorul de căldură subteran prin care se extrage căldura de la terenul supus icircngheţării Icircn fig 51 se prezintă schiţa unei sonde de icircngheţare cu ajutorul saramurii Saramura rece cu temperatura icircntre -10 ordmC pacircnă la -35 ordmC
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
35
coboară prin ţeava interioară şi apoi se icircntoarce prin spaţiul inelar dintre cele două conducte concentrice
Figura 41 Fig 51 Sonda de icircngheţare 1 - şiu (tub scurt de oţel cu pereţi groşi rezistent) 2 - ţeava interioară 3 - ţeava exterioară (burlan de
icircngheţare) 4 - capul sondei
Circulaţia continuă a saramurii prin sonda de icircngheţare face ca rocile ce icircnconjoară sondele inclusiv apa conţinută icircn spaţiile libere să se răcească treptat Icircn jurul sondei icircncepe să se formeze stratul de rocă icircngheţată diametrul cilindrului de teren icircngheţat se măreşte icircn timp Aşa cum s-a arătat icircn capitolul 3 rezultă că dezvoltarea radială a cilindrului de rocă icircngheţată icircn jurul sondei se desfăşoară cu o viteza variabilă de icircnaintare la icircnceput viteza de icircnaintare a frontului de gheaţă este mai mare după care scade icircn timp Apoi se atinge stadiul staţionar de transfer de căldură cacircnd cilindrul nu mai creşte icircn dimensiuni Reiese că distanţa dintre sondele de icircngheţare este determinată de raza maximă a cilindrului de teren icircngheţat Pentru a realiza peretele icircngheţat care să reziste la solicitările la care este supus se impune ca distanţa dintre sondele vecine să fie mai mică decacirct raza maximă a terenului icircngheţat astfel icircncacirct cilindrii formaţi să se unească icircntre ei Icircn fig 52 se prezintă evoluţia icircn timp a icircngheţării terenului icircn jurul sondelor Icircn faza iniţială a icircnceput răcirea dar icircncă nu s-a format teren icircngheţat Icircn faza a II-a (după circa 20 zile) icircn jurul fiecărei sonde se formează cacircte un cilindru de teren icircngheţat fără ca aceştia să se unească Icircn faza a III-a (după circa 30 zile) cilindrii se icircntretaie şi formează peretele protector
Figura 42 Fig 52 Evoluţia cilindrilor individuali de rocă icircngheţată 1 - sonda de icircngheţare 2 - sonda de măsurători termice 3 - teren icircngheţat
Această evoluţie poate fi urmărită cu suficientă precizie prin măsurarea temperaturii masivului cu ajutorul unor sonde de măsurători termice 2 montate la distanţe bine stabilite de sondele vecine de icircngheţare Astfel icircn faza I-a temperatura este cea iniţială deci neafectată de prezenţa sondelor icircn faza a II-a temperatura este mai scăzută dar mai mare de 0 ordmC Cum icircn practică sondele de icircngheţare au o abatere de la poziţia verticală (sau de la cea impusă prin proiect) sondele de măsurători termice sunt prevăzute icircntre sondele
I II III
1
2 2 2
3 3
SARAMURĂ CALDĂ
IEŞIRE
INTRARE SARAMURĂ A E RECE
1
2
3
4
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
36
cele mai distanţate icircntre ele acolo unde evoluţia peretelui de protecţie este cea mai defavorabilă
Primele realizări inginereşti de consolidare prin frig artificial a terenurilor acvifere metodă prin care vor fi aduse la lumină multe bogăţii subterane sunt legate de numele inginerului de mine şi metalurgie Friederich Herman Poetsch El a obţinut icircn 27 februarie 1883 brevetul pentru procedeul său de adacircncire a puţurilor verticale icircn roci bogate icircn apă (şi curgătoare) Poetsch a reuşit să experimenteze procedeul său la adacircncirea unor puţuri de mină dar a avut şi multe insuccese icircncacirct la 9 iunie 1902 moare sărac şi dezamăgit Metoda de icircngheţare prin frig artificial a terenurilor a avut mare succes icircn Franţa Astfel numai icircn perioada 1892 - 1898 icircn bazinele carbonifere Nord şi Pas de Calais s-au săpat circa 20 puţuri pacircnă la o adacircncime de 100 m prin aplicarea metodei icircngheţării după planurile lui Poetsch
Desigur că nu ar putea fi omis numele lui Louis Gebhard care realizează numeroase lucrări de adacircncire a puţurilor prin icircngheţare atacirct icircn Germania cacirct şi icircn Franţa Anglia Olanda şi Polonia ceea ce face ca metoda propusă de Poetch să devină o tehnologie demnă de toată icircncrederea cu siguranţă absolută şi cu un mare randament
Gebhard un mare practician icircncepe sa folosească icircn locul instalaţiilor cu absorbţie realizate de F Carre pe cu cele cu comprimare mecanică de vapori realizate de Karl von Linde cu icircncepere din anul 1874
Poetsch icircn 1888 prevede extinderea procedeului de icircngheţare la construcţia podurilor la construcţii navale lucrări de fortificaţii la protecţia fundaţiilor subterane şi a bazinelor cu apă El susţine că poate să rezolve orice problemă sub apă chiar şi puţuri icircncepute şi abandonate
Icircn anul 1900 se depăşeşte bariera adacircncimii de 100 m Realizarea unor puţuri mai adacircnci (peste 100 m) ridică unele probleme icircn plus faţă de puţurile de mai mică adacircncime deoarece abaterile de la verticalitate pot conduce la formarea unor ferestre icircn peretele protector
Icircn ţara noastră această tehnologie de forare a unor puţuri de mină cacirct şi a galeriilor de metrou prin icircngheţarea solului a fost folosită cu icircncepere din anul 1961 aşa cum se prezintă icircn paragraful 513
412 512 CONSTRUCŢIA INSTALAŢIEI DE IcircNGHEŢARE A SOLULUI
Icircn funcţie de forma şi mărimea lucrării care se realizează la adăpostul terenului icircngheţat principial se pot utiliza următoarele tipuri de instalaţii
a) cu răcire indirectă denumită şi cu dublu schimb (fig53)
b)cu răcire directă icircn circuit icircnchis (fig 54)
c)răcire directă icircn circuit deschis (fig55)
a) Răcirea indirectă se utilizează icircn practică cel mai mult fiind cunoscută icircncă de la icircnceputurile metodei de icircngheţare a solului
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
37
Figura 43 Fig 53 Instalaţia frigorifică cu răcire indirectă 1 - compresor 2 - condensator3 - ventil de laminare 4 - vaporizator 5 - bazin de răcire a saramurii 6
- agitator 7 - pompă de saramură 8 - sonde de icircngheţare
Ca agent frigorific se poate folosi amoniacul sau freonii iar ca agent intermediar se utilizează soluţiile de clorură de calciu clorura de sodiu sau magneziu sărurile respective fiind relativ uşor de procurat
Instalaţiile frigorifice cuprind unul sau mai multe blocuri frigorifice Acest mod de compunere prezintă avantaje icircn ceea ce priveşte montarea cacirct şi exploatarea instalaţiilor se poate asigura o reducere icircn trepte a puterii frigorifice pe măsură ce creşte rezistenţa termică a stratului de teren icircngheţat
Componentele principale ale instalaţiei frigorifice se montează grupat pe cele trei secţiuni secţia de compresoare secţia condensatoarelor şi secţia vaporizatoarelor De regulă compresoarele se montează fie icircn aer liber atunci cacircnd tipul lor permite fie acoperite sub şarpante protectoare
Pe măsură ce se scot din funcţiune blocurile frigorifice se demontează şi se pot monta la un nou obiectiv
b) Răcirea directă icircn circuit icircnchis (fig 54) se utilizează icircn cazul icircn care adacircncimea de icircngheţare este mică
Figura 44 Fig 54 Instalaţia frigorifică cu răcire directă icircn circuit icircnchis 1 - compresor 2 - condensator 3 - ventil de laminare 4 - sonde de icircngheţare
Sondele de icircngheţare constituie vaporizatorul instalaţiei frigorifice Icircn cazul unor sonde de lungime mare icircnălţimea coloanei de agent frigorific este de asemenea mare Ca urmare a presiunii hidrostatice variabile şi temperatura de vaporizare este variabilă fiind mai mare
1
2
1111111 Apă
3
4
1
2
Apă 3
4
5
6
7
8
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
38
la capătul inferior şi mai mică la capătul superior Din acest motiv adacircncimea sondelor de icircngheţare nu poate depăşi anumite limite şi icircn plus se recurge la fragmentarea coloanei de lichid cu ajutorul unor pereţi despărţitori
Pierderile de agent frigorific mai mari decacirct icircn cazul răcirii indirecte reprezintă un alt inconvenient al acestui mod de răcire
c) Răcirea directă icircn circuit deschis constă icircn introducerea agentului frigorific (cel mai frecvent azot lichid) icircn sondele de icircngheţare fără ca acesta să mai fie folosit după vaporizare
La presiunea atmosferică azotul lichid fierbe la temperatura de -196 ordmC icircncacirct vaporii reci de azot icircnainte de a fi evacuaţi se folosesc de asemenea pentru congelarea solului fiind circulaţi prin sonde de icircngheţare (Fig 55)
Figura 45 Fig 55 Icircngheţarea cu azot lichid icircn două trepte 1 - ventil de laminare 2 - sonda de icircngheţare 3 - sonda de icircngheţare cu vapori de azot
Această metodă se foloseşte cacircnd se urmăreşte o icircngheţare rapidă şi volumul de teren icircngheţat este redus
Se vor prezenta icircn continuare unele elemente constructive ale instalaţiilor de icircngheţare
Reţeaua de saramură (fig 56) are rolul de a asigura transferul de căldură de la sol către agentul frigorific Cuprinde două schimbătoare de căldură cel subteran alcătuit din sondele de icircngheţare şi cel de suprafaţă reprezentat de vaporizatorul imersat icircn saramură Icircntre cele două schimbătoare de căldură există conducte magistrale distribuitoare - colectoare şi racorduri la sonde
Saramura răcită prin intermediul vaporizatorului 1 este circulată cu pompa 2 prin magistrala de tur a reţelei 3 Sondele de icircngheţare 5 se leagă prin vane la distribuitorul 4 şi colectorul 6 ambele de construcţie inelară Printr-o asemenea construcţie şi mod de legare a sondelor prezentate icircn figura 56 se asigură o echilibrare a căderilor de presiune pe sondele de icircngheţare şi ca urmare o alimentare uniformă cu agent intermediar şi deci şi o răcire uniformă pentru toate sondele
1
2
AZOT LICHID
VAPORI
AZOT -40OC
3
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
39
Figura 46 Fig 56 Schema reţelei de saramură 1- vaporizatorul 2 - pompa de saramură 3 - magistrala de tur 4 - distribuitorul inelar 5 -sondele de
icircngheţare 6 - colectorul inelar 7 - magistrale de retur M - manometru D - debitmetru T - termometru
Magistralele 3 şi 7 de acelaşi diametru şi lungime variabilă (determinată de o serie de factori) se pot monta atacirct la suprafaţă cacirct şi icircn canal
Magistralele se dimensionează icircn funcţie de puterea frigorifică a schimbătorului de căldură subteran alcătuit din sondele de icircngheţare
F0 qNHd [W] (51)
unde d - diametrul exterior al sondei de icircngheţare m
H - adacircncimea de icircngheţare m
N - numărul de sonde de icircngheţare
qF - densitatea fluxului termic raportat la suprafaţa exterioară a sondei La temperatura saramurii de - 20 ordmC se poate considera qF = (260290) Wm2
Debitul volumic V de agent intermediar icircn reţeaua de icircngheţare icircn funcţie de care se aleg
pompele se determină cu relaţia
tc
V o
(52)
icircn care este densitatea agentului intermediar kgm3
c - căldura specifică a agentului intermediar JkgK
t - creşterea temperaturii agentului (saramura) icircn sondele de icircngheţare K
La icircnceputul perioadei de răcire diferenţa de temperatură este t = 56 K ca apoi să scadă la 12 K
Icircn conductele magistrale se recomandă ca viteza saramurii să fie w = 0915ms
Icircn acest caz diametrul conductelor de transport a saramurii este dat de relaţia
w
V4D
[m] (53)
Icircn funcţie de valoarea determinată pentru D se aleg conducte metalice de diametru nominal cuprins icircntre 75200 mm Dacă rezultă D gt 200 mm se vor alege două conducte cu diametrul mai mic de 200 mm
2
T
T
M
M D
D
NH
3
3
4
6
5
7
1
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
40
Conductele magistrale se realizează prin icircmbinări cu flanşe sau sudate iar la lungimi mai mari de 100150 m se vor prevedea coturi compensatoare Pentru reducerea pierderilor de frig magistralele vor fi izolate termic
Distribuitorul de saramură răcită şi colectorul de saramură de la sonde sunt construcţii metalice identice
Icircn figura 57 se prezintă modul de racordare a sondelor de icircngheţare 5 la distribuitorul 1 şi colectorul 2 Vanele 3 asigură icircnchiderea deci oprirea circulaţiei şi reglajul debitului Prin aceste vane se poate izola o anumită sondă care nu funcţionează normal sau la care se observă o anumită defecţiune
Figura 47 Fig 57 Racordarea sondelor de icircngheţare la distribuitor şi colector 1 - distribuitor 2 - colector 3 - vane 4 - racord elastic 5 - sonda de icircngheţare
Poziţia distribuitorului şi colectorului faţă de racircndul sondelor de icircngheţare poate fi laterală de o singură parte sau laterală de ambele părţi ale sondelor Amplasamentul trebuie astfel făcut icircncacirct să fie posibilă vizitarea supravegherea şi eventual icircnlocuirea sondelor de icircngheţare
Racordarea sondelor la distribuitor şi colector se face prin cacircte un racord elastic (fig 57) Dimensionarea distribuitoarelor şi a colectoarelor se face din condiţia ca viteza saramurii să nu depăşească 0915 ms
Coloanele de distribuţie şi colectare urmăresc icircn teren forma şirului de sonde de icircngheţare şi pot avea acelaşi traseu sau trasee diferite Configuraţia traseului poate fi icircn linie sau circulară Icircn oricare din situaţiile prezentate distanţele dintre ştuţurile de racord şi sondele de icircngheţare sunt variabile astfel icircncacirct racordurile rigide prin flanşe şi sudură sunt greu de realizat Cea mai practică soluţie de racord icircn acest caz este furtunul de cauciuc (fig 57)
Icircn reţeaua de saramură poate pătrunde aer prin procesul de pompare ceea ce conduce la intensificarea acţiunii corosive a saramurii Icircn scopul icircndepărtării aerului nedorit pe partea superioară a conductelor icircn punctele cele mai ridicate ale acestora se montează robineţi de evacuare periodică a aerului şi eventual a altor gaze
Pe conductele magistrale se vor monta aparate de măsură şi control debitmetre termometre şi manometre (fig 56) Icircn acest caz se poate aprecia funcţionarea fiecărei sonde după depunerile exterioare de gheaţă pe racordul metalic sau de cauciuc lăsate neizolate termic tocmai icircn acest scop Icircn scopul urmăririi regimului de lucru sub aspect
5
4
1
2 3
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
41
hidraulic şi termic icircn mod individual se pot monta aparate de măsură şi control pe fiecare sondă de icircngheţare dar această soluţie este mai costisitoare
Sonda de icircngheţare realizează transferul de căldură de la terenul ce urmează a fi icircngheţat spre agentul frigorific (la răcirea directă) sau agentul intermediar (la răcirea indirectă)
Icircn figura 51 s-a prezentat schema de principiu a unei sonde de icircngheţare cu saramură activă pe toată lungimea Conducta exterioară sau burlanul de icircngheţare 3 este o conductă din oţel etanşă şi rezistentă la eforturile mecanice care apar datorită presiunii solului şi variaţiei de temperatură icircntre momentul fixării ei icircn sol şi cel al funcţionării la o temperatura sub 00C
Icircn procesul de icircngheţare coloana de burlane care poate atinge lungimi de sute de metri se contractă icircnsă nu liber deoarece ea este stracircnsă icircn masivul de roci La o variaţie de temperatură icircntre momentul iniţial (fără saramură) şi momentul pornirii circulaţiei de saramură de 400C conducta din oţel de 500 m adacircncime ar trebui să se contracte cu
tHH = 500 11 10-6 40 = 0220 m = 22 cm
Datorită fixării coloanei icircn gaura forată efortul unitar de icircntindere ce apare icircn urma scăderii temperaturii este
tE = 22 1010 11 10-10 40 = 968 105 Nm2 = 9680 Ncm2
La acest efort de icircntindere apărut datorită contracţiei coloanei se mai adaugă efortul de acelaşi semn provocat de dilatarea masivului de rocă acviferă icircngheţată Icircn scopul compensării eforturilor de icircntindere s-a propus icircmbinarea coloanei cu nipluri elastice O asemenea soluţie este mai scumpă şi icircn plus micşorează secţiunea liberă de curgere ceea ce conduce la icircncălzirea excedentară a saramurii
La lucrări subterane de mare adacircncime ca puţurile de mină depozite subterane se folosesc burlane de 1397 x 7 mm pentru a fi posibilă determinarea abaterii de la poziţie verticală
La tunelurile de metrou şi icircn general la lucrările la care adacircncimea de icircngheţare nu depăşeşte 50 - 60 m diametrul cel mai frecvent utilizat este 1143 x 7 mm
Ţeava interioară 2 (fig 51) numită şi tub de alimentare de regulă ţeava uşoară de instalaţii de 50 mm diametrul se introduce icircn burlanul exterior 3 fără icircnsă a atinge şiul de bază 1 al sondei Se asigură icircn acest mod un volum minimal de depuneri solide care circulă cu saramura icircn mod incidental Icircn scopul economisirii de metal tubul de alimentare poate fi din material plastic ceea ce prezintă marele avantaj al lipsei coroziunii şi al refolosirii materialului respectiv
Şiul de fund are rolul de a asigura icircnchiderea burlanului exterior icircn partea sa inferioară Cel mai adesea are formă conică pentru a asigura introducerea cu uşurinţă a coloanei metalice icircn gaura de sondă Această componentă a sondei de icircngheţare se execută fie prin turnare sau se confecţionează cu ajutorul sudurii
Corespunzător profilului geologic al terenului icircn care se lucrează se icircntacirclnesc şi cazuri cacircnd nu este nevoie să se icircngheţe terenul pe toată icircnălţimea sondelor ci numai la partea lor inferioară Icircn acest caz se folosesc sonde de icircngheţare zonală (fig 58) cu ajutorul cărora se asigură congelarea doar a zonei inferioare ceea ce prezintă avantaje economice deosebite nu se consumă energie pentru a icircngheţa icircn mod inutil formaţiuni geologice consistente şi uscate şi nu se reduce ritmul lucrărilor de săpare printr-o eventuală mărire a rezistenţei rocilor
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
42
Figura 48 Fig 58 Sonda de icircngheţare zonală
1 - burlan exterior 2 - tub de alimentare 3 - şiu 4 - tub de evacuare
Figura 49 Fig59 - Sonda de icircngheţare cu agent
frigorific 1 - tub exterior 2 - perete despărţitor 3 - şiu 4 -
ştuţ (ţeavă de preaplin) 5 - condensator - vaporizator
Icircn cazul răcirii directe sondele de icircngheţare cu agent frigorific sunt de construcţie specială (fig 59) Particularitatea acestor sonde este prezenţa pereţilor despărţitori 2 dispuşi unul sub celălalt la circa 3 m fiecare perete fiind prevăzut cu un ştuţ de preaplin O asemenea construcţie are rolul de a fracţiona coloane de lichid ceea ce asigură o răcire mai uniformă pe lungimea sondei
Fiecare sondă este prevăzută la partea superioară cu cacircte o cămaşă de răcire Sondele se umplu cu amoniac lichid icircntr-o asemenea cantitate icircncacirct fiecare secţie să fie icircnecată cu lichid respectiv pacircnă la partea superioară a ştuţurilor 4 Ca urmare a fluxurilor de căldură de la sol se produce fierberea amoniacului icircn toate secţiile sondei Vaporii formaţi se ridică prin ştuţurile 4 şi ajungacircnd la partea superioară a sondei se condensează cedacircnd căldură agentului (amoniac) din cămăşile de răcire
Ca urmare cămăşile de răcire de la partea superioară a sondelor constituie vaporizatorul instalaţiei frigorifice Amoniacul care se condensează la partea superioară a sondei curge icircnapoi (de sus icircn jos) prin ştuţurile 4 Folosirea pereţilor despărţitori şi a ştuţurilor micşorează influenţa presiunii hidrostatice a lichidului asupra temperaturii de vaporizare a amoniacului Asemenea sonde de icircngheţare se folosesc pentru lucrări de mică adacircncime
Amplasarea sondelor se face icircn funcţie de o serie de factori formă poziţia şi dimensiunile lucrării care se realizează structura terenului temperatura şi viteza agentului etc
Icircn cazul puţurilor de mină de secţiune circulară sondele se amplasează pe un cerc
concentric de diametru D mai mare decacirct diametrul de săpare Ds cu grosimea a peretelui icircngheţat
sDD (54)
Trebuie să se ţină seama şi de deviaţia sondelor de la poziţia verticală icircncacirct pentru adacircncimi mari se utilizează relaţia
3
2 4
1
VAPORI 5 LICHID
3
2
4 1
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
43
a21DD s (55)
unde a = 003 H este abaterea medie statistică de la verticală a sondelor
Distanţa dintre sonde se ia de obicei de 1014 m icircn terenuri rezistente şi de 0809 m icircn terenuri slabe
Pentru adacircncimi de peste 500 m se recomandă să se dispună sondele pe două cercuri concentrice pentru a se forma un perete de grosime mai mare şi deci mai rezistent
La icircngheţarea terenului icircn jurul puţurilor de secţiune dreptunghiulară sondele se pot dispune pe dreptunghi sau elipsă Icircn aceste situaţii centura de teren icircngheţat poate fi solicitată la icircntindere ceea ce este de nedorit deoarece limita de rezistenţa la icircntindere a terenurilor icircngheţate este de circa 3 ori mai mică decacirct limita rezistenţei la compresiune Din acest motiv chiar şi la puţurile de mină de secţiune dreptunghiulară sondele se dispun pe unul sau două cercuri (fig 510)
Pentru realizarea galeriilor icircnclinate icircngheţarea terenului se realizează cu sonde verticale (fig 511) sau combinat atacirct cu sonde verticale cacirct şi cu sonde icircnclinate (fig 512)
Distanţa dintre sondele verticale (fig 511) se ia de 23 m iar distanţa dintre racircnduri este de 1525 m
Se poate folosi cacircte un racircnd de sonde icircnclinate montate deasupra galeriei (fig 212 a) sau sonde icircnclinate sub galerie şi sonde verticale scurte deasupra galeriei (fig 512 b)
SONDA
154 m
16
6 m
226
262
85
SONDA
Figura 411 Fig 511 Amplasarea sondelor verticale pentru realizarea galeriei icircnclinate
Figura 411 Fig 510 Dispunerea sondelor icircn jurul puţurilor de mină de secţiune
dreptunghiulară
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
44
Figura 412 Fig 512 Realizarea galeriilor icircnclinate cu sonde verticale (1) şi sonde oblice (2)
I - secţiunea longitudinală II - secţiunea transversală a) sonde icircnclinate deasupra galeriei b) sonde icircnclinate sub galerie
413 513 UTILIZAREA METODEI DE IcircNGHEŢARE A SOLULUI IcircN ŢARA NOASTRĂ
a)Puţuri de mină
Aplicarea metodei de icircngheţare a solului pentru lucrări de minerit a avut loc la noi icircn ţară icircncepacircnd cu anul 1960 la puţul Godeni din bazinul carbonifer Cacircmpulung - Muscel Proiectul a fost elaborat icircn anul 1959 la IPROMIN Bucureşti iar lucrarea a fost executată cu Trustul Minier Argeş avacircnd icircn subantrepriză de specialitate Icircntreprinderea Frigotehnica Bucureşti şi Trustul de prospecţiuni explorări şi deschideri de mine noi Bucureşti
Adacircncimea de săpare a puţului Godeni a trebuit sa fie de 202 m Sondele de icircngheţare constituite din două ţevi concentrice (fig 51) cu diametrele exterioare de 146 mm şi respectiv 57 mm icircn număr de 27 au fost amplasate pe un cerc cu diametrul de 10 m la distanţa de 117 m una de alta
Instalaţia frigorifică a fost dimensionată cu mare precauţie pentru a avea o siguranţă mărită icircn funcţionarea ei Toate părţile componente ale instalaţiei frigorifice au fost proiectate şi executate icircn ţară
La proiectarea instalaţiei s-a avut icircn vedere funcţionarea de scurtă durată şi variaţia puterii frigorifice icircn timp S-a utilizat răcirea indirectă cu soluţie de clorură de calciu iar ca agent frigorific a fost folosit amoniacul Pentru a avea elasticitatea necesară icircn funcţionare la diferite puteri frigorifice au fost folosite grupuri de utilaje frigorifice şi anume
6 compresoare 4 AU - 20 (200000 kcal Nh =233 kW fiecare)
3 baterii de condensatoare atmosferice a cacircte 300 m2 (900 m2)
bazine pentru răcirea saramurii fiecare cu cacircte 2 vaporizatoare superintensive de 50 m2 (600 m2)
2 grupuri a cacircte 5 pompe pentru recircularea saramurii
Puterea frigorifică a instalaţiei montate a fost de 12106 kcal Nh =1395 kW şi s-a caracterizat prin următoarele date tehnice la exploatare
85
1
2
I 85
1
2
I
85
1
2
II
85
1
2 II
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
45
o suprafaţa de schimb de căldură a sondelor 2500 m2 o puterea instalaţiei 750 kW o debitul saramurii icircn
o icircn perioada activă 350 m3h o icircn perioada pasivă 70 m3h
o viteza de circulaţie a saramurii icircn sondă o tur 18 ms 036 ms o retur 029 ms 006 ms
o volumul rocilor icircngheţate circa 10000 m3 o consumul specific de frig mediu 50000 m3 o durata icircngheţării (perioada activă) 130 zile
Icircn timpul răcirii şi deci a icircngheţării solului puterea frigorifică scade icircn mod continuu icircncacirct treptat s-a scos din funcţiune cacircte un compresor icircn perioada pasivă (de săpare a puţului) s-a menţinut icircn lucru doar un singur compresor şi grupul de utilaje aferent
După terminarea lucrărilor de la puţul Godeni icircn anii următori aceeaşi instalaţie s-a montat la puţul Poenari din acelaşi bazin carbonifer unde sondele au fost amplasate pe un cerc cu diametrul de 11 m la distanţa de 128 m una de alta
Un alt puţ realizat prin această tehnologie de icircngheţare a solului a fost puţul Jugur de la acelaşi bazin carbonifer Centrala frigorifică a cuprins 15 compresoare 3 AV - 20 (150000 kcal Nh fiecare=175kW) repartizate icircn 5 linii tehnologice independente cu icircntreg utilajul aferent Fiecare linie este compusă din
o butelie de răcire intermediară BRI - 700 un condensator cu evaporare forţată CEF - 180 un bazin cu patru grupuri vaporizatoare intensive de cacircte 165 m2 (icircn total 66 m2)
Sondele de icircngheţare icircn număr de 27 bucăţi au fost prevăzute să se amplaseze pe un cerc cu diametrul de 104 m la distanţă de 121 m Sondele sunt de tipul celei indicată icircn figura 58 deci cu răcire zonală avacircnd următoarele caracteristici diametrul exterior al burlanului este de 146 mm iar tuburile interioare au 57 mm (la exterior) tubul de alimentare are lungimea de 430 m iar cel de evacuare este de 220 m Ca urmare sondele de icircngheţare trebuie să producă icircngheţarea solului numai pe adacircncimea de la 220 m la 430 m Prin proiect s-au prevăzut următoarele date temperatura saramurii - 35 ordmC viteza saramurii icircn conducte de tur 18 ms viteza icircn conducte de retur (pe adacircncimea de răcit) 06 ms durata icircngheţării (perioada activă) a fost de 75 zile
Au fost prevăzute temperaturi scăzute şi viteze mari de congelare deoarece cilindrul icircngheţat trebuie să preia presiuni de pacircnă la 56 bar
b)Tunelurile pentru metroul din Bucureşti
Icircncepacircnd cu anul 1976 pentru realizarea metroului din Bucureşti s-a procedat la aplicarea metodei de icircngheţare a solului icircntr-o zonă considerată experimentală dar cu realizări efective de galerii
Prin proiect s-a prevăzut consolidarea prin icircngheţare artificială a profilului de săpare a tunelurilor de metrou pe o lungime de circa 550 m pe ambele fire Amplasamentul sondelor s-a făcut icircn două variante (pentru experimentare) pentru un fir de tunel ambele racircnduri de sonde s-au fixat icircn profilul circular de săpare iar pentru cel de al doilea fir de tunel sondele au fost forate icircn afara profilului de icircnaintare (fig 513) Au fost folosite sonde cu saramură cu posibilitatea de icircngheţare pe toată icircnălţimea de 16 m cacirct şi sonde cu icircngheţare zonală icircntre adacircncimile de 7 m şi 16 m Distanţa dintre sonde a fost fixată la 14 m
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
46
Pentru a se icircmpiedica accesul apelor icircn frontul de săpare datorate unor eventuale zone neicircngheţate traseul de tunel icircngheţat a fost icircmpărţit icircn incinte icircnchise prin timpane transversale La distanţe de 3050 m icircn lungul traseului au fost montate sonde de icircngheţare aşezate icircn plan normal pe axul tunelului prin care să se icircnchidă accesul apelor spre frontul de săpare
Echipamentul frigorific principal cuprinde
- 8 compresoare frigorifice 3 AV - 20 funcţionacircnd icircntr-o treaptă pentru care
corespunde puterea frigorifică de 12 106 kcal Nh =1395 kW
- 4 condensatoare de evaporare forţată CEF - 250
- 3 bazine de răcire a saramurii echipate cu cacircte 4 grupuri de vaporizatoare superintensive de cacircte 51 m2 (total 612 m2)
- 3 grupuri de cacircte 2 pompe a 220 m3h pentru circulaţia saramurii pe traseele de distribuţie şi prin sonde
Figura 413 Fig513 Amplasamentul sondelor de icircngheţare
Centrala frigorifică este stabilă adăpostită icircntr-o baracă metalică demontabilă existacircnd posibilitatea de reamplasare rapidă a instalaţiei icircntr-un alt loc Agentul frigorific utilizat este amoniacul iar agentul intermediar este clorura de calciu
Icircn perioada principală de icircngheţare temperatura de vaporizare este to = -22 ordmC asiguracircnd răcirea saramurii la -17 ordmC iar pe retur saramura a avut temperatura cu 15 ordmC mai ridicată
La o asemenea lucrare realizată icircn oraş se impune protejarea contra icircngheţului a straturilor de deasupra galeriilor icircn care sunt amplasate instalaţiile de apă - canal ceea ce presupune folosirea sondelor cu icircngheţare zonală care să nu fie active la partea superioară
c) Puţuri pentru prospectarea balastierelor
Procedeul şi instalaţia frigorifică au avut caracter de noutate şi s-a aplicat icircncepacircnd cu anul 1966 la mai multe obiective icircn general pe văile racircurilor unde s-au construit hidrocentrale
A
A B
B
A-A
000 -300 -700 -1061 -1300
65
800
B-B
000 -300 -700 -1061 -1300
65
550
ARGILA
ARGILA
NISIP
NISIP
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
47
Echipamentul frigorific principal cuprinde un agregat frigorific pentru amoniac de 20000 kcal Nh = 233 kW rezervor de amoniac separator de lichid şi anexe - toate fiind montate pe o remorcă
S-au folosit sonde de icircngheţare cu agent frigorific icircn număr de 8 bucăţi cu diametrul exterior de 133 mm montate pe un cerc cu diametrul de 2 m la distanţa de 076 m lungimea lor fiind de 75 m Legarea sondelor la distribuitor şi colector s-a făcut cu racorduri flexibile
Sondele au o construcţie specială fiind prevăzute cu 4 pereţi transversali cu ştuţuri de preaplin formacircndu-se astfel 5 compartimente Agentul lichid se introduce icircn compartimentul cel mai de sus şi se scurge prin ştuţuri pacircnă la baza sondei Conducta de aspiraţie străbate toate compartimentele vaporii fiind aspiraţi din compartimentul cel mai de jos Circulaţia vaporilor formaţi se face ca şi a lichidului de sus icircn jos obţinacircndu-se astfel o răcire uniformă şi eficientă pe toată icircnălţimea sondei
Durata icircngheţării respectiv a formării centurii de teren icircngheţat la adăpostul căreia să se poată efectua săparea şi preluarea de probe de sol este de 10 zile
414 514 CAcircMPUL DE TEMPERATURĂ IcircN SOLUL IcircNGHEŢAT
Cacircnd prin sonda de icircngheţare circulă saramură a cărei temperatura este sub 0 ordmC practic - 20 ordmC-25 ordmC icircn jurul sondei se formează un cacircmp termic care icircn cazul unei singure sonde poate fi reprezentat prin suprafeţe cilindrice coaxiale de temperatură constantă (izoterme)
După distanţa radială se deosebesc icircn sol din punct de vedere termic trei zone zona cilindrică din imediata vecinătate a sondei care este icircn zona icircngheţată zona răcită cuprinsă icircntre suprafaţa cilindrică izotermă de 0 ordmC şi izoterma de temperatură naturală şi a treia zonă cea de temperatura naturală (fig 514)
Icircn zona icircngheţată temperatura masivului variază de la temperatura peretelui metalic al sondei pacircnă la 0 ordmC Icircn zona răcită temperatura masivului creşte de la 0 ordmC pacircnă la temperatura naturală a masivului
Figura 414 Fig 514 Cacircmpul de temperatură icircn jurul unei sonde de icircngheţare
Este important să se cunoască cacircmpul termic icircn terenul supus icircngheţării deoarece acesta oferă date privind zona de răspacircndire a consolidării rocilor prin solidificarea apei cacirct şi a
t [oC]
r [m]
t (r)
ZONA RACITA
ZONA INGHETAT
A
ts TEMPERATURA NATURALA A ROCII
-20
-10
40
10 0 20 30
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
48
rezistenţei mecanice a rocii icircngheţate Se cunoaşte faptul că rezistenţa mecanică depinde direct de temperatură
Studiul variaţiei temperaturii icircn zona de influenţă a unei sonde şi a tuturor sondelor simultan oferă posibilitatea calculării dimensiunilor la proiectarea construcţiei peretelui protector cacirct şi controlul procesului icircn timpul desfăşurării lucrărilor
Pentru a se stabili relaţia de variaţie a temperaturii icircn zona icircngheţată icircn funcţie de raza r se consideră ecuaţia diferenţială
dr
dtr2q (56)
icircn care q este fluxul unitar de căldură corespunzător lungimii de 1 m din sonda de icircngheţare Wm
- conductivitatea termica a terenului Wm
Integrarea directă a ecuaţiei analitice se poate face icircn ipoteze simplificatoare consideracircnd
= const şi q = const ceea ce este justificat la valori mari ale timpului de răcire
Se separa variabilele
r
dr
2
qdt
(57)
Se consideră cunoscute temperaturile t1 la suprafaţa sondei de raza r1 și t2 = 0 ordmC la raza r2 corespunzătoare suprafeţei exterioare a cilindrului icircngheţat Se integrează ecuaţia (6-7) și cunoscacircnd limitele de integrare se va determina constanta de integrare
Cr ln2
qt
(58)
pentru r = r1 t = t1 deci
11 rln2
qtC
(59)
1
1r
rln
2
qtt
(510)
Se pune condiţia ca pentru r = r2 t = t2
1
212
r
rln
2
qtt
(511)
Se elimina q intre relaţiile (510) și (511) şi se obţine
1
2
1121
r
rln
r
rln
tttt (512)
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
49
Figura 415 Fig 515 Schema schimbătorului de căldură subteran
Pentru t2 = 0 ordmC relaţia (5-12) devine
)rrln(
)rrln(tt
12
21 (513)
Icircn figura 515 se prezintă o secţiune axială printr-o sondă de icircngheţare şi variaţia temperaturii icircn limitele t0 - temperatura agentului de răcire şi ts - temperatura naturală a solului
Cantitatea de căldură transferată de la masivul neicircngheţat spre agentul de răcire prin unitatea de lungimea de conducta şi unitatea de timp se calculează cu expresia
221
2
1o
1
moo
os
d
1
d
dln
1
d
dln
2
1
d
1
ttq
(514)
Icircn calculele inginereşti cel mai frecvent se determină nu fluxul termic pe unitatea de lungime a conductei ci fluxul termic qF raportat la unitatea de suprafaţă a conductei metalice la 1 m2 de suprafaţa exterioară sau interioară Mărimea qF se calculează astfel
22
o
1
2
1
o
o
1
m
o
o
oS
o
F
d
d
d
dln
2
d
d
dln
2
d1
tt
d
(515)
Fluxul termic qF prin unitatea de suprafaţă a sondei de icircngheţare calculat pentru adacircncimea de 100 m icircn regim laminar de curgere a agentului de răcire prin spaţiul inelar al sondei cu viteza w = 01 ms la diametre ale cilindrului de rocă icircngheţata
de la 02 la 3 m pentru to = -20 ordmC do = 01 m 1 = 233 WmK variază de la 720 la 230 Wm2 aşa cum se poate observa din figura 516 şi tabelul 51
d2
d1
d0
t
qF
t0
t2
t1 2
m 1
m
ts
Conducta Teren icircngheţat Teren
neicircngheţat
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
50
Figura 416 Fig 516 Variaţia fluxului termic qF prin unitatea de suprafaţă a sondei de icircngheţare 1 - regim turbulent 2 regim laminar
Tabelul 51Variaţia fluxului termic qF [Wm2]
Diametrul cilindrului de rocă icircngheţată icircn m
02 04 05 08 10 15 20
qF regim laminar 1160 550 387 330 302
qF regim laminar 720 465 423 350 321 283 258
Se observă ca densitatea fluxului de căldura qF scade foarte mult de la 800900 Wm2 la icircnceputul operaţiei de consolidare prin frig a rocilor pacircnă la 230250 Wm2 cacircnd cilindrul de rocă icircngheţata atinge diametrul de 23 m Ca urmare a acestei situaţii şi puterea frigorifică a instalaţiei va scădea icircn decursul a 6080 zile tot cu raportul de 800230 = 35
Instalaţia frigorifică va fi constituită din grupuri de utilaje (module) ce vor fi scoase treptat din funcţiune pe măsură ce se reduce densitatea fluxului de căldură qF ca urmare a creşterii grosimii stratului de teren icircngheţat Icircn practică pentru calcule se va considera qF = (260290) Wm2
O mărime importanta pentru proiectarea instalaţiei şi aprecierea procesului de consolidare a rocilor este timpul de icircngheţare Pentru calculul duratei de icircngheţare se pot folosi relaţiile prezentate icircn capitolul 3 la formarea gheţii pe suprafeţe cilindrice exterioare La aprecierea valorii pentru ls - căldura latentă de solidificare se avea icircn vedere conţinutul de apă din terenul supus icircngheţării
Dacă icircntre relaţiile pentru dependenţele (r) şi qF(r) se elimină r se obţine dependenţa
qF() Eliminarea nu se poate face direct ci fie cu ajutorul calculatorului fie printr-o construcţie grafică prezentată icircn figura 517
Studiul variaţiei temperaturii icircn solul icircngheţat cacirct și variaţia icircn timp a densităţii fluxului de căldura se poate face cu ajutorul calculatorului electronic
1200
1000
800
600
400
200
0 05 1 15 2 25 3
qF [Wm2]
Diametrul cilindrului de rocă icircngheţată [m]
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
51
Figura 417 Fig 517 Stabilirea dependentei qF() pe baza dependentelor qF(r) și (r)
415 515 ELEMENTE DE PROIECTARE A INSTALAŢIEI FRIGORIFICE PENTRU IcircNGHEŢAREA SOLULUI
Pentru proiectarea instalaţiei frigorifice trebuie sa se stabilească la icircnceput elementele de baza și anume
- puterea frigorifică maximă care apare la icircnceputul perioadei de răcire cacircnd pătrunderile de căldura spre agentul de răcire din sondele de icircngheţare au valori mai mari temperatura de vaporizare a agentului frigorific plecacircnd de la temperatura minimă sau medie din solul icircngheţat şi avacircnd icircn vedere modul de răcire directă sau indirectă
Se calculează cantitatea totală de căldură ce trebuie extrasă din terenul supus răcirii şi icircngheţării Se cunoaşte structura terenului icircngheţat deci se cunosc icircnălţimile h1 h2hn ale diferitelor straturi componente cacirct şi proprietăţile termofizice ale acestora
Grosimea centurii de teren icircngheţat se stabileşte icircn urma calculelor de rezistenţa materialelor icircncacirct se pot calcula volumele ocupate de straturile componente V1 V2Vn
Cantitatea de căldură ce trebuie extrasă din zona icircngheţată cuprinde două componente și anume
cantitatea de căldura Qa corespunzătoare răcirii şi icircngheţării apei
cantitatea de căldura Qt necesara răcirii părţii solide a terenului
n
1kfgsikaakka tcltcVQ (516)
unde
k - reprezintă conţinutul icircn apă din stratul respectiv [m3m3]
a - densitatea apei [kgm3]
ca cg - căldura specifica a apei respectiv a gheţii Jkg K
tik - temperatura iniţiala a stratului respectiv (de ordinul k)
tf - temperatura medie finala a masivului icircngheţat
ls - căldura latentă de solidificare a apei
r
q
q
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
52
fik
n
1kkkkkt ttc1VQ
(517)
k - densitatea părţii de teren solid (uscat) din stratul k
ck - căldura specifică a terenului uscat din stratul k
Cantitatea de căldură extrasă din terenul răcit reprezintă circa 1018 din cantitatea de căldură extrasă din zona de teren icircngheţat
Deci cantitatea totală de căldură Q ce va trebui preluată de către instalaţia frigorifică se poate aprecia astfel
Q = (110118) (Qa + Qt) (518)
Cu relaţia (51) se calculează puterea frigorifica a instalaţiei adoptacircnd o valoare medie pentru densitatea fluxului de căldura qF
Se poate aprecia timpul de funcţionare a instalaţiei frigorifice
o
Q
(519)
La anumite grosimi ale cochiliei de teren icircngheţat icircn jurul sondei densitatea fluxului termic scade sub valoarea medie adoptată icircn calcule şi ca urmare icircncepacircnd de la acest moment se va putea reduce treptat puterea frigorifica a instalaţiei prin scoaterea din funcţiune a unor grupuri
La proiectare se pot avea icircn vedere unele recomandări practice pentru stabilirea necesarului de frig pentru icircngheţarea unui m3 la -10 ordmC este necesar un consum specific de frig de 66000 kJ la 10 umiditate de 155000 kJ la 35 umiditate și de 210000 kJ la 50 umiditate
42 52 RĂCIREA BETONULUI LA CONSTRUCŢIILE MASIVE
421 521 INSTALAŢII DE PRERĂCIRE A COMPONENTELOR BETONULUI
Formarea betonului din elementele sale componente (nisip pietriş ciment şi apă) este icircnsoţită de fenomene fizico - chimice icircn care se degajă căldură şi ca urmare temperatura acestuia creşte Icircn cazul unor masive din beton (baraje) dacă viteza de turnare (icircn sezonul cald cacircnd se efectuază construcţia) este mai mare şi nu se asigura evacuarea căldurii corpul rezultă la o temperatura medie mai mare decacirct temperatura medie anuală Răcirea naturală conduce la contracţia masivului şi ca urmare la apariţia sub acţiunea tensiunilor interne a unor fisuri
Pentru ca variaţiile de temperatura icircntre centrul barajului şi straturile exterioare să fie cacirct mai mici se impune ca masivul respectiv să fie turnat la temperatura medie anuală a zonei respective Icircn acest scop se pot folosi două metode prin prerăcirea componentelor betonului și prin răcirea masei barajului
Icircn vederea reducerii căldurii degajată icircn reacţia dintre ciment şi apă au fost realizate sortimente de ciment caracterizate prin călduri masice reduse ce se degajă icircn procesul de priză
Prin prerăcirea componentelor betonului se urmăreşte ca betonul sa aibă temperatura medie a locului de amplasament şi prin aceasta evitarea apariţiei unor diferenţe mari de temperatură ce pun icircn pericol construcţia
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
53
Icircn funcţie de valoarea diferenţei de temperatură care trebuie realizată se poate adopta o anumită schemă de răcire pentru fiecare component icircn parte sau numai pentru unele din aceste părţi componente
Se pot folosi instalaţii frigorifice cu comprimare mecanică de vapori pentru răcirea apei a aerului sau formarea gheţii mărunte utilizate la prerăcirea componentelor betonului Folosirea gheţii fulgi sau solzi este limitată atacirct din cauza conţinutului de apă impus cacirct şi ca urmare a pericolului ca gheaţa să nu se topească icircn procesul de malaxare ci la turnare sau icircn procesul de priză ceea ce duce la formarea de goluri icircn beton
De asemenea se pot folosi instalaţiile frigorifice cu ejecţie
Icircn vederea stabilirii necesarului de frig pentru preratildecirea componentelor betonului se calculează mai icircntacirci cantitatea de catildelduratilde Qo1 ce trebuie evacuatatilde dintr-un m3 de beton avacircndu-se icircn vedere proporţiile icircn care participatilde cimentul nisipul pietrişul şi apa Fiecare component are o temperatură iniţialatilde şi urmeazatilde a fi răcit pacircnatilde la o temperatura finalatilde tf aceeaşi pentru toţi componenţii
fpppfnnnfccc1o ttcmttcmttcmQ
fnaanfpaapfaaa ttcmttcmttcm Jm3 (520)
unde
mc mn mp ma - masele de ciment nisip pietriş şi apă conţinute icircntr-un m3 de beton [kgm3]
cc cn cp cw - căldurile specifice masice ale cimentului nisipului pietrişului şi nisipul dintr-un m3 de beton [kgm3]
Puterea frigorifică se determină cu relaţia
3b1oo 10VQ [kW] (521)
icircn care bV reprezintă fluxul de betonare icircn m3s
Se prezintă icircn continuare cele mai folosite metode de prerăcire a componentelor betonului
4211 a) Instalaţie de prerăcire cu apă
Staţia de preparare a betonului este deservită de o instalaţie frigorifică cu comprimare mecanică de vapori care asigură răcirea apei
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
54
Figura 418 Fig 518 Schema de lucru a instalaţiei de prerăcire a betonului cu ajutorul apei 1 - ciment 2 - vagon nisip 3 - vagon pietris 4 - tancuri de răcire a pietrişului 5 - sită 6 - siloz de
nisip 7 - siloz de ciment 8 - rezervor de distribuţie 9 - răcitor de nisip 10 - răcitor de ciment 11 - răcitor de apă 12 - rezervor de apă răcită 13 - răcitor de apă 14 - instalaţie de prepararea betonului
I II III IV V - fazele de răcire a pietrişului
Icircn figura 518 se prezintă schema de lucru a unei asemenea instalaţii de prerăcire a betonului cu ajutorul apei folosită la construcţia barajului de la Detroit (SUA) Apa este răcită de la 16 la 15 ordmC şi transmisă apoi la instalaţia de preparare a betonului şi icircn cinci rezervoare a cacircte 90 m3 fiecare icircn care se răceşte pietrişul
Procesul de răcire a pietrişului cuprinde cinci faze
- faza I - introducerea apei icircn rezervor 10 minute
- fazele II şi III - introducerea simultană a apei şi a pietrişului 50 minute
- faza IV - evacuarea apei 15 minute
- faza V - evacuarea pietrişului 15 minute
Icircntregul proces de răcire a pietrişului durează 90 minute Pentru răcirea cimentului şi nisipului se utilizează schimbătoare de căldură cu ax elicoidal la care apa de răcire circulă prin arborele gol şi prin manta
Rezervoarele 12 pentru apa răcită au fiecare volumul de 114 m3
Beton 635oC
190 m3h
65oC
24oC
18oC
1
2
3
4
5
6
7
8
10
9
11
12
13
14
Apă 16oC
15oC
Cim
en
t
26 l
h
Nis
ip 1
12
lh
10
oC
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
55
42111 Aplicaţie numerică
Să se calculeze puterea frigorifică necesară prerăcirii betonului prin metode şi condiţiile prezentate mai sus Se cunosc următoarele date de calcul
mp = 1700 kgm3 beton
mc = 135 kgm3 beton
mn = 590 kgm3 beton
ma = 60 kgm3 beton
cc = cn = cp = 921 Jkg K
ca = 4180 Jkg K
map = 16 kgm3 beton
man = 38 kgm3 beton
tp = 18 ordmC
tc = 66 ordmC
tn = 21 ordmC tf = 635 ordmC
052803000
190Vb m3s
Se calculează componentele cantităţii de căldură Q01
3fcccc 10741735666921135ttcmQ Jm3
3fnnnn 10796135621921590ttcmQ Jm3
3fpppp 1024018356189211700ttcmQ Jm3
3faaaa 10420235616418060ttcmQ Jm3
3fpaapap 1077935618418016ttcmQ Jm3
3fnaaan 10232735621418038ttcmQ Jm3
Rezulta
3anapapnc1o 1039144QQQQQQQ Jm3
3o 10 206705280103914410VQ 33
b1o kW
4212 b) Instalaţii de prerăcire cu aer apă
Pentru răcirea componentelor betonului se utilizează icircn acest caz fie apa fie aerul ca agenţi intermediari răciţi cu ajutorul instalaţiilor frigorifice
Icircn figura 519 se prezintă schema unei asemenea instalaţii folosită la construcţia barajului de la Sariyar din Turcia
Răcirea aerului se poate face fie direct prin vaporizarea unui agent frigorific fie indirect cu un agent intermediar de răcire ca de exemplu saramura de clorură de calciu Aerul răcit pacircnă la -6 ordmC este suflat icircn silozurile cu pietriş de dimensiuni icircntre 4150 mm
Apa răcită icircn bazinul la pacircnă la 05 ordm este trimisă din colectorul 12 la staţia de preparare a betonului servind la scăderea temperaturii acestuia
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
56
Figura 419 Fig 519 Schema instalaţiei de prerăcire a betonului cu aer şi apă 1 - compresor 2 - condensator 3 - ventile de laminare 4 - vaporizatoare 5 - bazin de răcire a
saramurii 6 - pompă de saramură 7 - răcitor umed de aer 8 - ventilatoare 9 - silozuri de pietriş 10 - bazin de răcire a apei 11 - pompă 12 - colector de apă răcită
Figura 420 Fig 520 Schema instalaţiei de prerăcire cu aer şi apă 1 - siloz de pietriş şi nisip 2 - siloz de ciment 3 rezervor de apă 4 - răcitor de aer 5 - răcitor de apă
4 - răcitor de apă 6 - buncăr de sortare 7 - instalaţie de preparare beton
Pentru intensificarea procesului de răcire a pietrişului aerul este răcit sub 0 ordmC Acest procedeu are avantajul unei funcţionări fără icircntrerupere a procesului de preparare a betonului dar prezintă şi o serie de dezavantaje debite foarte mari de aer de răcire posibilitatea antrenării particulelor fine de agregat icircn răcitorul de aer şi depunerea acestora pe suprafaţa de schimb de căldură Ca urmare instalaţia se va curăţa la circa 14 zile Icircn figura 520 se prezintă o altă schemă de instalaţie de prerăcire a betonului cu aer şi apă folosită la construcţia unui baraj din India
Apă
295oC
Ciment
433oC
Pietriş şi nisip
378oC
Apă 6oC
Ciment 433oC
Aer
Pietriş
45oC Nisip 222oC
22oC
Ap
ă
45
oC
Ap
ă 2
2o
C
Ae
r 5
5o
C
Be
ton
12
8o
C
Apă 22oC
2
1
3 4 5
8
9
5 7
12
1oC
11
05oC 9oC 9oC
-9oC
-10oC -10oC
-10oC 2oC
6oC
10 4 4 6
8 8
8
8 8
9 9 9 9
1
2
3 3
7
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
57
Pietrişul şi nisipul se separă icircntre ele icircn buncărul de sortare 6 şi apoi fiecare circulă pe cacircte o bandă transportoare prin camera de răcire 7 Pietrişul este răcit cu ajutorul apei
Fig
ura
42
1 F
ig 5
21
Sc
he
ma
in
sta
laţi
ei
de
ră
cir
e icirc
n v
id a
co
mp
on
en
telo
r b
eto
nu
lui
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
58
reci icircncacirct ajunge la o temperatură mai scăzută decacirct nisipul răcit cu aer Prin camera 7 se circulă şi aer rece care se introduce la temperatura de 55 ordmC Cimentul se introduce la instalaţia de preparare a betonului 9 fără a fi răcit
O altă posibilitate de prerăcire a agregatelor (pietriş şi nisip) şi a apei utilizată mai recent la construirea barajelor icircntrebuinţează răcirea icircn vid la care agregatele uşor umezite icircn recipiente sub presiune se răcesc după nevoie (prin reglarea vacuumului) la o temperatură mai scăzută sau mai ridicată Căldura necesară evaporării umidităţii de pe agregate şi din ele (apa legată) este luată chiar de la corpurile respective (pietriş nisip) şi ca urmare acestea se răcesc
O asemenea instalaţie utilizată la Hortwell icircn SUA (figura 521) cuprinde 3 recipienţi de cacircte 150 m3 pentru răcirea pietrişului şi 3 recipienţi de cacircte 80 m3 pentru răcirea nisipului
Pietrişul şi nisipul cu temperatura maximă de 43 ordmC se pot răci pacircnă la temperatura necesară de 45 ordmC Pentru realizarea vidului necesar se folosesc două cazane de abur care produc 77 th fiecare
422 522 RĂCIREA INTERIOARĂ A MASIVULUI DE BETON
Prerăcirea betonului se recomandă icircn condiţiile unei zone tropicale sau temperate de amplasare a construcţiei masive nu se recomandă icircn cazul amplasării barajului icircn munţi unde temperatura aerului este scăzută Icircn asemenea situaţii se recomandă răcirea betonului prin conducte amplasate icircn masiv prin care circulă apă rece
La răcirea interioară cu conducte montate icircn beton are loc o eliminarea a căldurii simultan cu producerea ei icircn procesul de priză producacircndu-se şi o răcire pacircnă la temperatura necesară Pentru răcire se folosesc conducte de oţel cu diametre de 1525 mm montate la distanţe de 1223 m icircn plan orizontal şi de 153 m icircn plan vertical Lungimea conductelor icircntr-un m3 de beton este de 0204 şi a fiecărei serpentine de 140250 m
Debitul apei de răcire ce circulă prin 1 m3 de beton este de (0553) dm3h
Figura 422 Fig 522 Reţea de conducte de răcire a betonului icircn secţiunea unui baraj 1 - galerie pentru măsurători 2 - galerie de conducte de apă de răcire
Serpentinele se montează şi se fixează pe suprafaţă de beton (fig522) Capetele serpentinelor se leagă de o coloană verticală prin mufe metalice sau de cauciuc Diametrul distribuitorului şi al coloanei este cuprins icircntre 150200 mm După montaj aceste conducte se verifică la presiunea de lucru
1 2
Ax
a
ba
raju
lui
Calculul necesarului de frig pentru depozit de fructe
29
Diferenţa de temperatură ΔtR se ia icircn consideraţie numai la pereţii exteriori şi la
plafoane care sunt şi acoperiş pentru clădire
ΔtR = 0degC pentru pereţi exteriori orientaţi spre N
ΔtR = (5 10)degC pentru pereţi exteriori orientaţi spre E V S-E S-V
ΔtR = 15 degC pentru pereţi exteriori orientaţi spre S
ΔtR = (15 18)degC pentru plafoane care sunt şi acoperiş (terasă)
Calculul valorilor mărimii sumQ1 se recomandă a se efectua tabelar conform tabelului 25
Valoarea mărimii sum Q1 la aparate se obţine prin icircnsumarea fluxurilor termice prin toate cele 6 suprafeţe delimitatoare
La stabilirea valorii mărimii sum Q1 se consideră doar unul dintre fluxurile termice prin suprafeţele ce separă spaţiile frigorifice vecine Pentru aparatele de răcire din spaţiile frigorifice se consideră situaţia cea mai grea pentru fiecare spaţiu icircn parte respectiv că spaţiile vecine nu sunt răcite
Spaţiul frigorifi
c
Perete
Dimensiuni
Supraf F
[m2]
Kr [Wm2K]
Δt [grd]
Δtr
Q1 [W] sumQ1 q a [m]
b [m]
N 15 4 60 023 308 42504
246068
708
E 7 4 28 023 308 8 24987 892
DR S 15 4 60 023 185 15 46202 770
V 7 4 28 023 308 19835 708
T 15 7 105 023 308 74382 708
P 15 7 105 023 158 38157 363
N 7 4 28 023 185 11914
133566
426
E 7 4 28 023 268 8 22411 800
CP S 7 4 28 023 268 15 26919 961
V 7 4 28 023 185 11914 426
T 7 7 49 023 268 30204 616
P 7 7 49 023 268 30204 616
Tabelul 318 Tebel25 Calculul valorilor mărimii Q1
322 Necesarul de frig Q2
sum Q2 - necesarul de frig tehnologic pentru procesele de răcire refrigerare şi
congelare
Q2d = mcp(tc-ti)=500003644 = 4186000(243600)= 842 kW
Q2c = 2600036419 = 1798160 = 208 KW
Q2 = 208 + 842 = 293 = 30kW
unde
Q2d - necesarul de frig tehnologic depozit
Q2c - necesarul de frig tehnologic camera de preracire
Calculul necesarului de frig pentru depozit de fructe
30
m - cantitatea de produse introduse icircn tunelul de congelare icircn kg
te ti - temperaturi specifice corespunzătoare temperaturii iniţiale a produsului cald
(24 ordmC) respectiv temperaturii finale a produsului refrigerat (1 ordmC)
Căldura specfifică mere cp = 364 [kJkgK]
323 Necesarul de frig Q3
Icircn funcţie de natura produselor din spaţiul frigorific este necesar uneori să se realizeze ventilarea spaţiului prin asigurarea unui anumit număr de schimburi ale aerului din incintă icircn 24h Ca exemplu icircntotdeauna va fi necesară ventilarea prin introducere de aer proaspăt icircn spaţiile de păstrare pentru legume fructe şi ouă refrigerate Aceste produse vii respiră icircn timpul păstrării şi necesită icircn consecinţă ventilarea spaţiilor de păstrare
Acest consum de frig se ia icircn considerare doar la depozitele de refrigerare care se ventilează Se stabilește cu relația
Q3 = V ∙ a ∙ ᵖi ∙ (hex - hi) [kJ24]
V - volumul camerelor ventilateicircn m3
a = 24 schimburi pe zi pentru depozitele de mere
ᵖi - reprezintă densitatea aerului la temperature interioară icircn kgm3
Pentru depozitele de refrigerare considerăm umiditatea relativă ᵠi = 95 și ti=1 ordmC
rezultacircnd icircn acest caz hi= 9 kJkg
Parametri aerului exterior pentru zona icircn care este amplasat depozitul sunt temp ex 318
și umiditatea ext 60 rezultand din diagram mollier entalpia aerului Calcul facut icircn
programul Coolpack
ρi = 12 kgm3
hex = 7519 kJkg
Q3 = 616 2 12 (7519 - 9) (243600)= 00025 kW
324 Necesarul de frig Q4
Q4 - frigul consumat pentru acoperirea pierderilor icircn timpul exploatarii datorat deschiderii
usilor a corpurilor de iluminat a motoarelor electrice a oamenilor Se admite Q4 =
(01hellip04)Q1
Q4 = 02 379617 = 759234 = 008 kW
Qtotal = sum 119824120783 + Q2 + Q3 + Q4 = 004 + 30 + 000025 + 008 = 3012 = 31 kW
33 33 Stabilirea directiei raportului de termoumiditate și trasarea procesului de conditionare a aerului pe diagrama i-X pe timp de vară
Icircn fig16 este reprezentat un agregat pentru condiţionarea aerului pe timp de vară cu recirculare parţială
Calculul necesarului de frig pentru depozit de fructe
31
Figura 33 Figura16 Schema aparatului de condiţionare a aerului pe timp de vară cu recirculare parţială
F - filtru V - vaporizator C - compressor K - condensator VL - ventil de laminare I - icircncălzitor Vt - ventilator
Procesele de lucru pot fi reprezentate icircn diagrama h-x ca icircn figura următore
Figura 34 Fig17
A reprezintă starea aerului recirculat provenit din spaţiul condiţionat iar E este starea aerului exterior
Aerul tratat icircn aparatul de condiţionare care se introduce icircn incintă avacircnd starea B
trebuie să preia degajările de căldură Qv [kW] şi de umiditate Wv [kgs]
Direcţia procesului suferit de aer icircn incintă este dată de raportul de termoumidificare εv
= Qv Wv
Prin punctul A se trasează dreapta avacircnd raportul de termoumidificare εv iar punctul B se fixează pe această dreaptă adoptacircndu-se o anumită diferenţă de temperatură faţă de starea A
Aerul recirculat A se amestecă cu aerul proaspăt E şi rezultă starea de amestec M De regulă xM gt xB deci aerul va trebui să fie uscat
Pe verticala din B se fixează starea D avacircnd xD= xB şi ᵩD = 90hellip98
Calculul necesarului de frig pentru depozit de fructe
32
Se uneşte M cu D iar apoi se prelungeşte acest segment pacircnă la intersecţia cu ϕ = 100 rezultacircnd starea P avacircnd temperatura tp
Circulacircnd aerul cu starea M peste o suprafaţă rece avacircnd temperatura tp se va obţine procesul de răcire şi uscare MD
Temperatura suprafeţei tp se asigură cu o instalaţie frigorifică a cărei temperature de vaporizare va fi t0 lt tp
Ultimul proces din aparatul de condiţionare va fi icircncălzirea finală DB
Calculul agregatului de condiţionare a aerului pe timp de vară se efectuează asemănător cu cel a agregatului de condiţionare a aerului pe timp de iarnă cu observaţia că pe timp de vară nu este necesară umidificarea
331 Date
Vtotal = 616 m3 tint = 1ᵒC tex = 318 φint = 90 φext = 60 ρaer = 12 [kgm3]
Starea A
tA = ti + 3 = 4deg xA = 00043[kj
kg] φA = 86 hA = 1489[
kj
kg]
Starea B
tB = 1degC xB = 00036 [kj
kg] φB = 90 hB = 1024[
kj
kg]
Starea E
tE = 318degC xE = 00171[kj
kg] φE = 60 hE = 7519[
kj
kg]
Starea M
hM =hE + n ∙ hA
n + 1=
7513 + 20 ∙ 1489
21= 1775[
kj
kg]
xM =xE + n ∙ xA
n + 1=
00171 + 20 ∙ 00043
21= 00049[
kj
kg]
Rezulta din diagrama Mollier
Starea D
hD = 108 [kj
kg] xD = 0003[
kj
kg] φD = 97
Raportul de recirculare n = 20
Debitul de aer ventilat V =Vtotal∙20
24h=
616lowast20
24= 513 [m3h]
Debitul masic m = V ∙ ρaer = 513 lowast 12 =
6156[kg
h]
3600= 0171 [kgs]
tp = minus3degC t0 = tp minus 9degC = minus3 minus 9 = minus12degC
Puterea termica a vaporizatorului ( puterea frigorifică )
ФV = Ф0
Puterea termica a icircncalzitorului
ФI = 119898 ∙ (hB - hD)
Cantitatea de apa condensată icircn unitatea de timp pe suprafața de racire este
Calculul necesarului de frig pentru depozit de fructe
33
ẆV = 119898 ∙ (XM - XD)
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
34
4 Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
Există două domenii principale icircn care se utilizează frigul artificial icircn lucrările de construcţii şi anume
icircngheţarea terenurilor acvifere icircn vederea săpării puţurilor de mină a barajelor a depozitelor de gaze lichefiate etc
prerăcirea componentelor betonului icircn cazul executării unor masive de beton ca de exemplu baraje
41 51 IcircNGHEŢAREA SOLULUI
411 511 CONSIDERAŢII GENERALE PRIVIND IcircNGHEŢAREA SOLULUI
Icircngheţarea artificială a solului reprezintă una dintre cele mai interesante şi icircn acelaşi timp şi importante aplicaţii practice a frigului artificial Totodată este una dintre primele aplicaţii industriale a tehnicii frigului şi care a asigurat o dezvoltare deosebită a industriei extractive Aşa se explică faptul că odată apărută maşina frigorifică cu absorbţie realizată icircn 1859 de către Ferdinand Carre este folosită la săparea primului puţ de mină prin icircngheţarea artificială a rocilor Dar nu numai industria minieră foloseşte icircn ultimul secol procedeul consolidării rocilor la săpararea unor lucrări subterane Lucrări inginereşti de tot genul ca metrouri staţii subterane de pompare rezervoare de gaze lichefiate poduri lucrări portuare şi altele asemănătoare amplasate icircn zone acvifere au fost realizate prin metoda consolidării prin frig a rocilor
Această metodă a consolidării rocilor prin frig artificial realizează icircn jurul lucrării inginereşti subterane un perete icircngheţat protector pe durata lucrărilor de construcţii Acest perete asigură o izolare hidraulică şi icircn acelaşi timp şi o protecţie mecanică Rezistenţa mecanică a rocilor creşte pe măsură ce temperatura lor scade icircncacirct metoda expusă mai sus prezintă avantajul reglării capacităţii portante a peretelui icircngheţat
Apa conţinută icircn terenuri prin icircngheţare capătă proprietăţile cimentului exprimate prin forţele de coeziune mari care apar icircntre cristalele de gheaţă şi grăunţii de rocă
Pentru obţinerea peretelui protector se folosesc sonde de icircngheţare forate pe conturul lucrării subterane şi prin care circulă agentul de răcire care poate fi un agent intermediar ca de exemplu saramura de clorură de calciu sau agentul frigorific de exemplu amoniacul Icircn funcţie de grosimea peretelui şi de rezistenţa mecanică pe care trebuie să o aibă se va alege temperatura agentului de răcire distanţa dintre sonde şi durata de icircngheţare
Instalaţia de consolidare prin frig a rocilor cuprinde trei părţi principale staţia frigorifică reţeaua de distribuţie a agentului de răcire (saramura) şi sondele de icircngheţare a solului
Staţia frigorifică cuprinde instalaţia frigorifică propriu-zisă cu comprimare mecanică de vapori sau prin absorbţie icircntr-o treaptă sau icircn două trepte Icircn funcţie de condiţiile de amplasament ale obiectivului staţia frigorifică poate fi de construcţie staţionară (icircn minerit) sau mobilă (la metrouri)
Reţeaua de distribuţie alcătuită din conducte metalice sau din mase plastice are rolul de a face legătura icircntre staţia frigorifică şi sondele de icircngheţare Pentru reducerea pierderilor de frig reţeaua de distribuţie se izolează termic
Sondele de icircngheţare constituie schimbătorul de căldură subteran prin care se extrage căldura de la terenul supus icircngheţării Icircn fig 51 se prezintă schiţa unei sonde de icircngheţare cu ajutorul saramurii Saramura rece cu temperatura icircntre -10 ordmC pacircnă la -35 ordmC
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
35
coboară prin ţeava interioară şi apoi se icircntoarce prin spaţiul inelar dintre cele două conducte concentrice
Figura 41 Fig 51 Sonda de icircngheţare 1 - şiu (tub scurt de oţel cu pereţi groşi rezistent) 2 - ţeava interioară 3 - ţeava exterioară (burlan de
icircngheţare) 4 - capul sondei
Circulaţia continuă a saramurii prin sonda de icircngheţare face ca rocile ce icircnconjoară sondele inclusiv apa conţinută icircn spaţiile libere să se răcească treptat Icircn jurul sondei icircncepe să se formeze stratul de rocă icircngheţată diametrul cilindrului de teren icircngheţat se măreşte icircn timp Aşa cum s-a arătat icircn capitolul 3 rezultă că dezvoltarea radială a cilindrului de rocă icircngheţată icircn jurul sondei se desfăşoară cu o viteza variabilă de icircnaintare la icircnceput viteza de icircnaintare a frontului de gheaţă este mai mare după care scade icircn timp Apoi se atinge stadiul staţionar de transfer de căldură cacircnd cilindrul nu mai creşte icircn dimensiuni Reiese că distanţa dintre sondele de icircngheţare este determinată de raza maximă a cilindrului de teren icircngheţat Pentru a realiza peretele icircngheţat care să reziste la solicitările la care este supus se impune ca distanţa dintre sondele vecine să fie mai mică decacirct raza maximă a terenului icircngheţat astfel icircncacirct cilindrii formaţi să se unească icircntre ei Icircn fig 52 se prezintă evoluţia icircn timp a icircngheţării terenului icircn jurul sondelor Icircn faza iniţială a icircnceput răcirea dar icircncă nu s-a format teren icircngheţat Icircn faza a II-a (după circa 20 zile) icircn jurul fiecărei sonde se formează cacircte un cilindru de teren icircngheţat fără ca aceştia să se unească Icircn faza a III-a (după circa 30 zile) cilindrii se icircntretaie şi formează peretele protector
Figura 42 Fig 52 Evoluţia cilindrilor individuali de rocă icircngheţată 1 - sonda de icircngheţare 2 - sonda de măsurători termice 3 - teren icircngheţat
Această evoluţie poate fi urmărită cu suficientă precizie prin măsurarea temperaturii masivului cu ajutorul unor sonde de măsurători termice 2 montate la distanţe bine stabilite de sondele vecine de icircngheţare Astfel icircn faza I-a temperatura este cea iniţială deci neafectată de prezenţa sondelor icircn faza a II-a temperatura este mai scăzută dar mai mare de 0 ordmC Cum icircn practică sondele de icircngheţare au o abatere de la poziţia verticală (sau de la cea impusă prin proiect) sondele de măsurători termice sunt prevăzute icircntre sondele
I II III
1
2 2 2
3 3
SARAMURĂ CALDĂ
IEŞIRE
INTRARE SARAMURĂ A E RECE
1
2
3
4
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
36
cele mai distanţate icircntre ele acolo unde evoluţia peretelui de protecţie este cea mai defavorabilă
Primele realizări inginereşti de consolidare prin frig artificial a terenurilor acvifere metodă prin care vor fi aduse la lumină multe bogăţii subterane sunt legate de numele inginerului de mine şi metalurgie Friederich Herman Poetsch El a obţinut icircn 27 februarie 1883 brevetul pentru procedeul său de adacircncire a puţurilor verticale icircn roci bogate icircn apă (şi curgătoare) Poetsch a reuşit să experimenteze procedeul său la adacircncirea unor puţuri de mină dar a avut şi multe insuccese icircncacirct la 9 iunie 1902 moare sărac şi dezamăgit Metoda de icircngheţare prin frig artificial a terenurilor a avut mare succes icircn Franţa Astfel numai icircn perioada 1892 - 1898 icircn bazinele carbonifere Nord şi Pas de Calais s-au săpat circa 20 puţuri pacircnă la o adacircncime de 100 m prin aplicarea metodei icircngheţării după planurile lui Poetsch
Desigur că nu ar putea fi omis numele lui Louis Gebhard care realizează numeroase lucrări de adacircncire a puţurilor prin icircngheţare atacirct icircn Germania cacirct şi icircn Franţa Anglia Olanda şi Polonia ceea ce face ca metoda propusă de Poetch să devină o tehnologie demnă de toată icircncrederea cu siguranţă absolută şi cu un mare randament
Gebhard un mare practician icircncepe sa folosească icircn locul instalaţiilor cu absorbţie realizate de F Carre pe cu cele cu comprimare mecanică de vapori realizate de Karl von Linde cu icircncepere din anul 1874
Poetsch icircn 1888 prevede extinderea procedeului de icircngheţare la construcţia podurilor la construcţii navale lucrări de fortificaţii la protecţia fundaţiilor subterane şi a bazinelor cu apă El susţine că poate să rezolve orice problemă sub apă chiar şi puţuri icircncepute şi abandonate
Icircn anul 1900 se depăşeşte bariera adacircncimii de 100 m Realizarea unor puţuri mai adacircnci (peste 100 m) ridică unele probleme icircn plus faţă de puţurile de mai mică adacircncime deoarece abaterile de la verticalitate pot conduce la formarea unor ferestre icircn peretele protector
Icircn ţara noastră această tehnologie de forare a unor puţuri de mină cacirct şi a galeriilor de metrou prin icircngheţarea solului a fost folosită cu icircncepere din anul 1961 aşa cum se prezintă icircn paragraful 513
412 512 CONSTRUCŢIA INSTALAŢIEI DE IcircNGHEŢARE A SOLULUI
Icircn funcţie de forma şi mărimea lucrării care se realizează la adăpostul terenului icircngheţat principial se pot utiliza următoarele tipuri de instalaţii
a) cu răcire indirectă denumită şi cu dublu schimb (fig53)
b)cu răcire directă icircn circuit icircnchis (fig 54)
c)răcire directă icircn circuit deschis (fig55)
a) Răcirea indirectă se utilizează icircn practică cel mai mult fiind cunoscută icircncă de la icircnceputurile metodei de icircngheţare a solului
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
37
Figura 43 Fig 53 Instalaţia frigorifică cu răcire indirectă 1 - compresor 2 - condensator3 - ventil de laminare 4 - vaporizator 5 - bazin de răcire a saramurii 6
- agitator 7 - pompă de saramură 8 - sonde de icircngheţare
Ca agent frigorific se poate folosi amoniacul sau freonii iar ca agent intermediar se utilizează soluţiile de clorură de calciu clorura de sodiu sau magneziu sărurile respective fiind relativ uşor de procurat
Instalaţiile frigorifice cuprind unul sau mai multe blocuri frigorifice Acest mod de compunere prezintă avantaje icircn ceea ce priveşte montarea cacirct şi exploatarea instalaţiilor se poate asigura o reducere icircn trepte a puterii frigorifice pe măsură ce creşte rezistenţa termică a stratului de teren icircngheţat
Componentele principale ale instalaţiei frigorifice se montează grupat pe cele trei secţiuni secţia de compresoare secţia condensatoarelor şi secţia vaporizatoarelor De regulă compresoarele se montează fie icircn aer liber atunci cacircnd tipul lor permite fie acoperite sub şarpante protectoare
Pe măsură ce se scot din funcţiune blocurile frigorifice se demontează şi se pot monta la un nou obiectiv
b) Răcirea directă icircn circuit icircnchis (fig 54) se utilizează icircn cazul icircn care adacircncimea de icircngheţare este mică
Figura 44 Fig 54 Instalaţia frigorifică cu răcire directă icircn circuit icircnchis 1 - compresor 2 - condensator 3 - ventil de laminare 4 - sonde de icircngheţare
Sondele de icircngheţare constituie vaporizatorul instalaţiei frigorifice Icircn cazul unor sonde de lungime mare icircnălţimea coloanei de agent frigorific este de asemenea mare Ca urmare a presiunii hidrostatice variabile şi temperatura de vaporizare este variabilă fiind mai mare
1
2
1111111 Apă
3
4
1
2
Apă 3
4
5
6
7
8
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
38
la capătul inferior şi mai mică la capătul superior Din acest motiv adacircncimea sondelor de icircngheţare nu poate depăşi anumite limite şi icircn plus se recurge la fragmentarea coloanei de lichid cu ajutorul unor pereţi despărţitori
Pierderile de agent frigorific mai mari decacirct icircn cazul răcirii indirecte reprezintă un alt inconvenient al acestui mod de răcire
c) Răcirea directă icircn circuit deschis constă icircn introducerea agentului frigorific (cel mai frecvent azot lichid) icircn sondele de icircngheţare fără ca acesta să mai fie folosit după vaporizare
La presiunea atmosferică azotul lichid fierbe la temperatura de -196 ordmC icircncacirct vaporii reci de azot icircnainte de a fi evacuaţi se folosesc de asemenea pentru congelarea solului fiind circulaţi prin sonde de icircngheţare (Fig 55)
Figura 45 Fig 55 Icircngheţarea cu azot lichid icircn două trepte 1 - ventil de laminare 2 - sonda de icircngheţare 3 - sonda de icircngheţare cu vapori de azot
Această metodă se foloseşte cacircnd se urmăreşte o icircngheţare rapidă şi volumul de teren icircngheţat este redus
Se vor prezenta icircn continuare unele elemente constructive ale instalaţiilor de icircngheţare
Reţeaua de saramură (fig 56) are rolul de a asigura transferul de căldură de la sol către agentul frigorific Cuprinde două schimbătoare de căldură cel subteran alcătuit din sondele de icircngheţare şi cel de suprafaţă reprezentat de vaporizatorul imersat icircn saramură Icircntre cele două schimbătoare de căldură există conducte magistrale distribuitoare - colectoare şi racorduri la sonde
Saramura răcită prin intermediul vaporizatorului 1 este circulată cu pompa 2 prin magistrala de tur a reţelei 3 Sondele de icircngheţare 5 se leagă prin vane la distribuitorul 4 şi colectorul 6 ambele de construcţie inelară Printr-o asemenea construcţie şi mod de legare a sondelor prezentate icircn figura 56 se asigură o echilibrare a căderilor de presiune pe sondele de icircngheţare şi ca urmare o alimentare uniformă cu agent intermediar şi deci şi o răcire uniformă pentru toate sondele
1
2
AZOT LICHID
VAPORI
AZOT -40OC
3
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
39
Figura 46 Fig 56 Schema reţelei de saramură 1- vaporizatorul 2 - pompa de saramură 3 - magistrala de tur 4 - distribuitorul inelar 5 -sondele de
icircngheţare 6 - colectorul inelar 7 - magistrale de retur M - manometru D - debitmetru T - termometru
Magistralele 3 şi 7 de acelaşi diametru şi lungime variabilă (determinată de o serie de factori) se pot monta atacirct la suprafaţă cacirct şi icircn canal
Magistralele se dimensionează icircn funcţie de puterea frigorifică a schimbătorului de căldură subteran alcătuit din sondele de icircngheţare
F0 qNHd [W] (51)
unde d - diametrul exterior al sondei de icircngheţare m
H - adacircncimea de icircngheţare m
N - numărul de sonde de icircngheţare
qF - densitatea fluxului termic raportat la suprafaţa exterioară a sondei La temperatura saramurii de - 20 ordmC se poate considera qF = (260290) Wm2
Debitul volumic V de agent intermediar icircn reţeaua de icircngheţare icircn funcţie de care se aleg
pompele se determină cu relaţia
tc
V o
(52)
icircn care este densitatea agentului intermediar kgm3
c - căldura specifică a agentului intermediar JkgK
t - creşterea temperaturii agentului (saramura) icircn sondele de icircngheţare K
La icircnceputul perioadei de răcire diferenţa de temperatură este t = 56 K ca apoi să scadă la 12 K
Icircn conductele magistrale se recomandă ca viteza saramurii să fie w = 0915ms
Icircn acest caz diametrul conductelor de transport a saramurii este dat de relaţia
w
V4D
[m] (53)
Icircn funcţie de valoarea determinată pentru D se aleg conducte metalice de diametru nominal cuprins icircntre 75200 mm Dacă rezultă D gt 200 mm se vor alege două conducte cu diametrul mai mic de 200 mm
2
T
T
M
M D
D
NH
3
3
4
6
5
7
1
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
40
Conductele magistrale se realizează prin icircmbinări cu flanşe sau sudate iar la lungimi mai mari de 100150 m se vor prevedea coturi compensatoare Pentru reducerea pierderilor de frig magistralele vor fi izolate termic
Distribuitorul de saramură răcită şi colectorul de saramură de la sonde sunt construcţii metalice identice
Icircn figura 57 se prezintă modul de racordare a sondelor de icircngheţare 5 la distribuitorul 1 şi colectorul 2 Vanele 3 asigură icircnchiderea deci oprirea circulaţiei şi reglajul debitului Prin aceste vane se poate izola o anumită sondă care nu funcţionează normal sau la care se observă o anumită defecţiune
Figura 47 Fig 57 Racordarea sondelor de icircngheţare la distribuitor şi colector 1 - distribuitor 2 - colector 3 - vane 4 - racord elastic 5 - sonda de icircngheţare
Poziţia distribuitorului şi colectorului faţă de racircndul sondelor de icircngheţare poate fi laterală de o singură parte sau laterală de ambele părţi ale sondelor Amplasamentul trebuie astfel făcut icircncacirct să fie posibilă vizitarea supravegherea şi eventual icircnlocuirea sondelor de icircngheţare
Racordarea sondelor la distribuitor şi colector se face prin cacircte un racord elastic (fig 57) Dimensionarea distribuitoarelor şi a colectoarelor se face din condiţia ca viteza saramurii să nu depăşească 0915 ms
Coloanele de distribuţie şi colectare urmăresc icircn teren forma şirului de sonde de icircngheţare şi pot avea acelaşi traseu sau trasee diferite Configuraţia traseului poate fi icircn linie sau circulară Icircn oricare din situaţiile prezentate distanţele dintre ştuţurile de racord şi sondele de icircngheţare sunt variabile astfel icircncacirct racordurile rigide prin flanşe şi sudură sunt greu de realizat Cea mai practică soluţie de racord icircn acest caz este furtunul de cauciuc (fig 57)
Icircn reţeaua de saramură poate pătrunde aer prin procesul de pompare ceea ce conduce la intensificarea acţiunii corosive a saramurii Icircn scopul icircndepărtării aerului nedorit pe partea superioară a conductelor icircn punctele cele mai ridicate ale acestora se montează robineţi de evacuare periodică a aerului şi eventual a altor gaze
Pe conductele magistrale se vor monta aparate de măsură şi control debitmetre termometre şi manometre (fig 56) Icircn acest caz se poate aprecia funcţionarea fiecărei sonde după depunerile exterioare de gheaţă pe racordul metalic sau de cauciuc lăsate neizolate termic tocmai icircn acest scop Icircn scopul urmăririi regimului de lucru sub aspect
5
4
1
2 3
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
41
hidraulic şi termic icircn mod individual se pot monta aparate de măsură şi control pe fiecare sondă de icircngheţare dar această soluţie este mai costisitoare
Sonda de icircngheţare realizează transferul de căldură de la terenul ce urmează a fi icircngheţat spre agentul frigorific (la răcirea directă) sau agentul intermediar (la răcirea indirectă)
Icircn figura 51 s-a prezentat schema de principiu a unei sonde de icircngheţare cu saramură activă pe toată lungimea Conducta exterioară sau burlanul de icircngheţare 3 este o conductă din oţel etanşă şi rezistentă la eforturile mecanice care apar datorită presiunii solului şi variaţiei de temperatură icircntre momentul fixării ei icircn sol şi cel al funcţionării la o temperatura sub 00C
Icircn procesul de icircngheţare coloana de burlane care poate atinge lungimi de sute de metri se contractă icircnsă nu liber deoarece ea este stracircnsă icircn masivul de roci La o variaţie de temperatură icircntre momentul iniţial (fără saramură) şi momentul pornirii circulaţiei de saramură de 400C conducta din oţel de 500 m adacircncime ar trebui să se contracte cu
tHH = 500 11 10-6 40 = 0220 m = 22 cm
Datorită fixării coloanei icircn gaura forată efortul unitar de icircntindere ce apare icircn urma scăderii temperaturii este
tE = 22 1010 11 10-10 40 = 968 105 Nm2 = 9680 Ncm2
La acest efort de icircntindere apărut datorită contracţiei coloanei se mai adaugă efortul de acelaşi semn provocat de dilatarea masivului de rocă acviferă icircngheţată Icircn scopul compensării eforturilor de icircntindere s-a propus icircmbinarea coloanei cu nipluri elastice O asemenea soluţie este mai scumpă şi icircn plus micşorează secţiunea liberă de curgere ceea ce conduce la icircncălzirea excedentară a saramurii
La lucrări subterane de mare adacircncime ca puţurile de mină depozite subterane se folosesc burlane de 1397 x 7 mm pentru a fi posibilă determinarea abaterii de la poziţie verticală
La tunelurile de metrou şi icircn general la lucrările la care adacircncimea de icircngheţare nu depăşeşte 50 - 60 m diametrul cel mai frecvent utilizat este 1143 x 7 mm
Ţeava interioară 2 (fig 51) numită şi tub de alimentare de regulă ţeava uşoară de instalaţii de 50 mm diametrul se introduce icircn burlanul exterior 3 fără icircnsă a atinge şiul de bază 1 al sondei Se asigură icircn acest mod un volum minimal de depuneri solide care circulă cu saramura icircn mod incidental Icircn scopul economisirii de metal tubul de alimentare poate fi din material plastic ceea ce prezintă marele avantaj al lipsei coroziunii şi al refolosirii materialului respectiv
Şiul de fund are rolul de a asigura icircnchiderea burlanului exterior icircn partea sa inferioară Cel mai adesea are formă conică pentru a asigura introducerea cu uşurinţă a coloanei metalice icircn gaura de sondă Această componentă a sondei de icircngheţare se execută fie prin turnare sau se confecţionează cu ajutorul sudurii
Corespunzător profilului geologic al terenului icircn care se lucrează se icircntacirclnesc şi cazuri cacircnd nu este nevoie să se icircngheţe terenul pe toată icircnălţimea sondelor ci numai la partea lor inferioară Icircn acest caz se folosesc sonde de icircngheţare zonală (fig 58) cu ajutorul cărora se asigură congelarea doar a zonei inferioare ceea ce prezintă avantaje economice deosebite nu se consumă energie pentru a icircngheţa icircn mod inutil formaţiuni geologice consistente şi uscate şi nu se reduce ritmul lucrărilor de săpare printr-o eventuală mărire a rezistenţei rocilor
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
42
Figura 48 Fig 58 Sonda de icircngheţare zonală
1 - burlan exterior 2 - tub de alimentare 3 - şiu 4 - tub de evacuare
Figura 49 Fig59 - Sonda de icircngheţare cu agent
frigorific 1 - tub exterior 2 - perete despărţitor 3 - şiu 4 -
ştuţ (ţeavă de preaplin) 5 - condensator - vaporizator
Icircn cazul răcirii directe sondele de icircngheţare cu agent frigorific sunt de construcţie specială (fig 59) Particularitatea acestor sonde este prezenţa pereţilor despărţitori 2 dispuşi unul sub celălalt la circa 3 m fiecare perete fiind prevăzut cu un ştuţ de preaplin O asemenea construcţie are rolul de a fracţiona coloane de lichid ceea ce asigură o răcire mai uniformă pe lungimea sondei
Fiecare sondă este prevăzută la partea superioară cu cacircte o cămaşă de răcire Sondele se umplu cu amoniac lichid icircntr-o asemenea cantitate icircncacirct fiecare secţie să fie icircnecată cu lichid respectiv pacircnă la partea superioară a ştuţurilor 4 Ca urmare a fluxurilor de căldură de la sol se produce fierberea amoniacului icircn toate secţiile sondei Vaporii formaţi se ridică prin ştuţurile 4 şi ajungacircnd la partea superioară a sondei se condensează cedacircnd căldură agentului (amoniac) din cămăşile de răcire
Ca urmare cămăşile de răcire de la partea superioară a sondelor constituie vaporizatorul instalaţiei frigorifice Amoniacul care se condensează la partea superioară a sondei curge icircnapoi (de sus icircn jos) prin ştuţurile 4 Folosirea pereţilor despărţitori şi a ştuţurilor micşorează influenţa presiunii hidrostatice a lichidului asupra temperaturii de vaporizare a amoniacului Asemenea sonde de icircngheţare se folosesc pentru lucrări de mică adacircncime
Amplasarea sondelor se face icircn funcţie de o serie de factori formă poziţia şi dimensiunile lucrării care se realizează structura terenului temperatura şi viteza agentului etc
Icircn cazul puţurilor de mină de secţiune circulară sondele se amplasează pe un cerc
concentric de diametru D mai mare decacirct diametrul de săpare Ds cu grosimea a peretelui icircngheţat
sDD (54)
Trebuie să se ţină seama şi de deviaţia sondelor de la poziţia verticală icircncacirct pentru adacircncimi mari se utilizează relaţia
3
2 4
1
VAPORI 5 LICHID
3
2
4 1
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
43
a21DD s (55)
unde a = 003 H este abaterea medie statistică de la verticală a sondelor
Distanţa dintre sonde se ia de obicei de 1014 m icircn terenuri rezistente şi de 0809 m icircn terenuri slabe
Pentru adacircncimi de peste 500 m se recomandă să se dispună sondele pe două cercuri concentrice pentru a se forma un perete de grosime mai mare şi deci mai rezistent
La icircngheţarea terenului icircn jurul puţurilor de secţiune dreptunghiulară sondele se pot dispune pe dreptunghi sau elipsă Icircn aceste situaţii centura de teren icircngheţat poate fi solicitată la icircntindere ceea ce este de nedorit deoarece limita de rezistenţa la icircntindere a terenurilor icircngheţate este de circa 3 ori mai mică decacirct limita rezistenţei la compresiune Din acest motiv chiar şi la puţurile de mină de secţiune dreptunghiulară sondele se dispun pe unul sau două cercuri (fig 510)
Pentru realizarea galeriilor icircnclinate icircngheţarea terenului se realizează cu sonde verticale (fig 511) sau combinat atacirct cu sonde verticale cacirct şi cu sonde icircnclinate (fig 512)
Distanţa dintre sondele verticale (fig 511) se ia de 23 m iar distanţa dintre racircnduri este de 1525 m
Se poate folosi cacircte un racircnd de sonde icircnclinate montate deasupra galeriei (fig 212 a) sau sonde icircnclinate sub galerie şi sonde verticale scurte deasupra galeriei (fig 512 b)
SONDA
154 m
16
6 m
226
262
85
SONDA
Figura 411 Fig 511 Amplasarea sondelor verticale pentru realizarea galeriei icircnclinate
Figura 411 Fig 510 Dispunerea sondelor icircn jurul puţurilor de mină de secţiune
dreptunghiulară
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
44
Figura 412 Fig 512 Realizarea galeriilor icircnclinate cu sonde verticale (1) şi sonde oblice (2)
I - secţiunea longitudinală II - secţiunea transversală a) sonde icircnclinate deasupra galeriei b) sonde icircnclinate sub galerie
413 513 UTILIZAREA METODEI DE IcircNGHEŢARE A SOLULUI IcircN ŢARA NOASTRĂ
a)Puţuri de mină
Aplicarea metodei de icircngheţare a solului pentru lucrări de minerit a avut loc la noi icircn ţară icircncepacircnd cu anul 1960 la puţul Godeni din bazinul carbonifer Cacircmpulung - Muscel Proiectul a fost elaborat icircn anul 1959 la IPROMIN Bucureşti iar lucrarea a fost executată cu Trustul Minier Argeş avacircnd icircn subantrepriză de specialitate Icircntreprinderea Frigotehnica Bucureşti şi Trustul de prospecţiuni explorări şi deschideri de mine noi Bucureşti
Adacircncimea de săpare a puţului Godeni a trebuit sa fie de 202 m Sondele de icircngheţare constituite din două ţevi concentrice (fig 51) cu diametrele exterioare de 146 mm şi respectiv 57 mm icircn număr de 27 au fost amplasate pe un cerc cu diametrul de 10 m la distanţa de 117 m una de alta
Instalaţia frigorifică a fost dimensionată cu mare precauţie pentru a avea o siguranţă mărită icircn funcţionarea ei Toate părţile componente ale instalaţiei frigorifice au fost proiectate şi executate icircn ţară
La proiectarea instalaţiei s-a avut icircn vedere funcţionarea de scurtă durată şi variaţia puterii frigorifice icircn timp S-a utilizat răcirea indirectă cu soluţie de clorură de calciu iar ca agent frigorific a fost folosit amoniacul Pentru a avea elasticitatea necesară icircn funcţionare la diferite puteri frigorifice au fost folosite grupuri de utilaje frigorifice şi anume
6 compresoare 4 AU - 20 (200000 kcal Nh =233 kW fiecare)
3 baterii de condensatoare atmosferice a cacircte 300 m2 (900 m2)
bazine pentru răcirea saramurii fiecare cu cacircte 2 vaporizatoare superintensive de 50 m2 (600 m2)
2 grupuri a cacircte 5 pompe pentru recircularea saramurii
Puterea frigorifică a instalaţiei montate a fost de 12106 kcal Nh =1395 kW şi s-a caracterizat prin următoarele date tehnice la exploatare
85
1
2
I 85
1
2
I
85
1
2
II
85
1
2 II
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
45
o suprafaţa de schimb de căldură a sondelor 2500 m2 o puterea instalaţiei 750 kW o debitul saramurii icircn
o icircn perioada activă 350 m3h o icircn perioada pasivă 70 m3h
o viteza de circulaţie a saramurii icircn sondă o tur 18 ms 036 ms o retur 029 ms 006 ms
o volumul rocilor icircngheţate circa 10000 m3 o consumul specific de frig mediu 50000 m3 o durata icircngheţării (perioada activă) 130 zile
Icircn timpul răcirii şi deci a icircngheţării solului puterea frigorifică scade icircn mod continuu icircncacirct treptat s-a scos din funcţiune cacircte un compresor icircn perioada pasivă (de săpare a puţului) s-a menţinut icircn lucru doar un singur compresor şi grupul de utilaje aferent
După terminarea lucrărilor de la puţul Godeni icircn anii următori aceeaşi instalaţie s-a montat la puţul Poenari din acelaşi bazin carbonifer unde sondele au fost amplasate pe un cerc cu diametrul de 11 m la distanţa de 128 m una de alta
Un alt puţ realizat prin această tehnologie de icircngheţare a solului a fost puţul Jugur de la acelaşi bazin carbonifer Centrala frigorifică a cuprins 15 compresoare 3 AV - 20 (150000 kcal Nh fiecare=175kW) repartizate icircn 5 linii tehnologice independente cu icircntreg utilajul aferent Fiecare linie este compusă din
o butelie de răcire intermediară BRI - 700 un condensator cu evaporare forţată CEF - 180 un bazin cu patru grupuri vaporizatoare intensive de cacircte 165 m2 (icircn total 66 m2)
Sondele de icircngheţare icircn număr de 27 bucăţi au fost prevăzute să se amplaseze pe un cerc cu diametrul de 104 m la distanţă de 121 m Sondele sunt de tipul celei indicată icircn figura 58 deci cu răcire zonală avacircnd următoarele caracteristici diametrul exterior al burlanului este de 146 mm iar tuburile interioare au 57 mm (la exterior) tubul de alimentare are lungimea de 430 m iar cel de evacuare este de 220 m Ca urmare sondele de icircngheţare trebuie să producă icircngheţarea solului numai pe adacircncimea de la 220 m la 430 m Prin proiect s-au prevăzut următoarele date temperatura saramurii - 35 ordmC viteza saramurii icircn conducte de tur 18 ms viteza icircn conducte de retur (pe adacircncimea de răcit) 06 ms durata icircngheţării (perioada activă) a fost de 75 zile
Au fost prevăzute temperaturi scăzute şi viteze mari de congelare deoarece cilindrul icircngheţat trebuie să preia presiuni de pacircnă la 56 bar
b)Tunelurile pentru metroul din Bucureşti
Icircncepacircnd cu anul 1976 pentru realizarea metroului din Bucureşti s-a procedat la aplicarea metodei de icircngheţare a solului icircntr-o zonă considerată experimentală dar cu realizări efective de galerii
Prin proiect s-a prevăzut consolidarea prin icircngheţare artificială a profilului de săpare a tunelurilor de metrou pe o lungime de circa 550 m pe ambele fire Amplasamentul sondelor s-a făcut icircn două variante (pentru experimentare) pentru un fir de tunel ambele racircnduri de sonde s-au fixat icircn profilul circular de săpare iar pentru cel de al doilea fir de tunel sondele au fost forate icircn afara profilului de icircnaintare (fig 513) Au fost folosite sonde cu saramură cu posibilitatea de icircngheţare pe toată icircnălţimea de 16 m cacirct şi sonde cu icircngheţare zonală icircntre adacircncimile de 7 m şi 16 m Distanţa dintre sonde a fost fixată la 14 m
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
46
Pentru a se icircmpiedica accesul apelor icircn frontul de săpare datorate unor eventuale zone neicircngheţate traseul de tunel icircngheţat a fost icircmpărţit icircn incinte icircnchise prin timpane transversale La distanţe de 3050 m icircn lungul traseului au fost montate sonde de icircngheţare aşezate icircn plan normal pe axul tunelului prin care să se icircnchidă accesul apelor spre frontul de săpare
Echipamentul frigorific principal cuprinde
- 8 compresoare frigorifice 3 AV - 20 funcţionacircnd icircntr-o treaptă pentru care
corespunde puterea frigorifică de 12 106 kcal Nh =1395 kW
- 4 condensatoare de evaporare forţată CEF - 250
- 3 bazine de răcire a saramurii echipate cu cacircte 4 grupuri de vaporizatoare superintensive de cacircte 51 m2 (total 612 m2)
- 3 grupuri de cacircte 2 pompe a 220 m3h pentru circulaţia saramurii pe traseele de distribuţie şi prin sonde
Figura 413 Fig513 Amplasamentul sondelor de icircngheţare
Centrala frigorifică este stabilă adăpostită icircntr-o baracă metalică demontabilă existacircnd posibilitatea de reamplasare rapidă a instalaţiei icircntr-un alt loc Agentul frigorific utilizat este amoniacul iar agentul intermediar este clorura de calciu
Icircn perioada principală de icircngheţare temperatura de vaporizare este to = -22 ordmC asiguracircnd răcirea saramurii la -17 ordmC iar pe retur saramura a avut temperatura cu 15 ordmC mai ridicată
La o asemenea lucrare realizată icircn oraş se impune protejarea contra icircngheţului a straturilor de deasupra galeriilor icircn care sunt amplasate instalaţiile de apă - canal ceea ce presupune folosirea sondelor cu icircngheţare zonală care să nu fie active la partea superioară
c) Puţuri pentru prospectarea balastierelor
Procedeul şi instalaţia frigorifică au avut caracter de noutate şi s-a aplicat icircncepacircnd cu anul 1966 la mai multe obiective icircn general pe văile racircurilor unde s-au construit hidrocentrale
A
A B
B
A-A
000 -300 -700 -1061 -1300
65
800
B-B
000 -300 -700 -1061 -1300
65
550
ARGILA
ARGILA
NISIP
NISIP
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
47
Echipamentul frigorific principal cuprinde un agregat frigorific pentru amoniac de 20000 kcal Nh = 233 kW rezervor de amoniac separator de lichid şi anexe - toate fiind montate pe o remorcă
S-au folosit sonde de icircngheţare cu agent frigorific icircn număr de 8 bucăţi cu diametrul exterior de 133 mm montate pe un cerc cu diametrul de 2 m la distanţa de 076 m lungimea lor fiind de 75 m Legarea sondelor la distribuitor şi colector s-a făcut cu racorduri flexibile
Sondele au o construcţie specială fiind prevăzute cu 4 pereţi transversali cu ştuţuri de preaplin formacircndu-se astfel 5 compartimente Agentul lichid se introduce icircn compartimentul cel mai de sus şi se scurge prin ştuţuri pacircnă la baza sondei Conducta de aspiraţie străbate toate compartimentele vaporii fiind aspiraţi din compartimentul cel mai de jos Circulaţia vaporilor formaţi se face ca şi a lichidului de sus icircn jos obţinacircndu-se astfel o răcire uniformă şi eficientă pe toată icircnălţimea sondei
Durata icircngheţării respectiv a formării centurii de teren icircngheţat la adăpostul căreia să se poată efectua săparea şi preluarea de probe de sol este de 10 zile
414 514 CAcircMPUL DE TEMPERATURĂ IcircN SOLUL IcircNGHEŢAT
Cacircnd prin sonda de icircngheţare circulă saramură a cărei temperatura este sub 0 ordmC practic - 20 ordmC-25 ordmC icircn jurul sondei se formează un cacircmp termic care icircn cazul unei singure sonde poate fi reprezentat prin suprafeţe cilindrice coaxiale de temperatură constantă (izoterme)
După distanţa radială se deosebesc icircn sol din punct de vedere termic trei zone zona cilindrică din imediata vecinătate a sondei care este icircn zona icircngheţată zona răcită cuprinsă icircntre suprafaţa cilindrică izotermă de 0 ordmC şi izoterma de temperatură naturală şi a treia zonă cea de temperatura naturală (fig 514)
Icircn zona icircngheţată temperatura masivului variază de la temperatura peretelui metalic al sondei pacircnă la 0 ordmC Icircn zona răcită temperatura masivului creşte de la 0 ordmC pacircnă la temperatura naturală a masivului
Figura 414 Fig 514 Cacircmpul de temperatură icircn jurul unei sonde de icircngheţare
Este important să se cunoască cacircmpul termic icircn terenul supus icircngheţării deoarece acesta oferă date privind zona de răspacircndire a consolidării rocilor prin solidificarea apei cacirct şi a
t [oC]
r [m]
t (r)
ZONA RACITA
ZONA INGHETAT
A
ts TEMPERATURA NATURALA A ROCII
-20
-10
40
10 0 20 30
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
48
rezistenţei mecanice a rocii icircngheţate Se cunoaşte faptul că rezistenţa mecanică depinde direct de temperatură
Studiul variaţiei temperaturii icircn zona de influenţă a unei sonde şi a tuturor sondelor simultan oferă posibilitatea calculării dimensiunilor la proiectarea construcţiei peretelui protector cacirct şi controlul procesului icircn timpul desfăşurării lucrărilor
Pentru a se stabili relaţia de variaţie a temperaturii icircn zona icircngheţată icircn funcţie de raza r se consideră ecuaţia diferenţială
dr
dtr2q (56)
icircn care q este fluxul unitar de căldură corespunzător lungimii de 1 m din sonda de icircngheţare Wm
- conductivitatea termica a terenului Wm
Integrarea directă a ecuaţiei analitice se poate face icircn ipoteze simplificatoare consideracircnd
= const şi q = const ceea ce este justificat la valori mari ale timpului de răcire
Se separa variabilele
r
dr
2
qdt
(57)
Se consideră cunoscute temperaturile t1 la suprafaţa sondei de raza r1 și t2 = 0 ordmC la raza r2 corespunzătoare suprafeţei exterioare a cilindrului icircngheţat Se integrează ecuaţia (6-7) și cunoscacircnd limitele de integrare se va determina constanta de integrare
Cr ln2
qt
(58)
pentru r = r1 t = t1 deci
11 rln2
qtC
(59)
1
1r
rln
2
qtt
(510)
Se pune condiţia ca pentru r = r2 t = t2
1
212
r
rln
2
qtt
(511)
Se elimina q intre relaţiile (510) și (511) şi se obţine
1
2
1121
r
rln
r
rln
tttt (512)
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
49
Figura 415 Fig 515 Schema schimbătorului de căldură subteran
Pentru t2 = 0 ordmC relaţia (5-12) devine
)rrln(
)rrln(tt
12
21 (513)
Icircn figura 515 se prezintă o secţiune axială printr-o sondă de icircngheţare şi variaţia temperaturii icircn limitele t0 - temperatura agentului de răcire şi ts - temperatura naturală a solului
Cantitatea de căldură transferată de la masivul neicircngheţat spre agentul de răcire prin unitatea de lungimea de conducta şi unitatea de timp se calculează cu expresia
221
2
1o
1
moo
os
d
1
d
dln
1
d
dln
2
1
d
1
ttq
(514)
Icircn calculele inginereşti cel mai frecvent se determină nu fluxul termic pe unitatea de lungime a conductei ci fluxul termic qF raportat la unitatea de suprafaţă a conductei metalice la 1 m2 de suprafaţa exterioară sau interioară Mărimea qF se calculează astfel
22
o
1
2
1
o
o
1
m
o
o
oS
o
F
d
d
d
dln
2
d
d
dln
2
d1
tt
d
(515)
Fluxul termic qF prin unitatea de suprafaţă a sondei de icircngheţare calculat pentru adacircncimea de 100 m icircn regim laminar de curgere a agentului de răcire prin spaţiul inelar al sondei cu viteza w = 01 ms la diametre ale cilindrului de rocă icircngheţata
de la 02 la 3 m pentru to = -20 ordmC do = 01 m 1 = 233 WmK variază de la 720 la 230 Wm2 aşa cum se poate observa din figura 516 şi tabelul 51
d2
d1
d0
t
qF
t0
t2
t1 2
m 1
m
ts
Conducta Teren icircngheţat Teren
neicircngheţat
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
50
Figura 416 Fig 516 Variaţia fluxului termic qF prin unitatea de suprafaţă a sondei de icircngheţare 1 - regim turbulent 2 regim laminar
Tabelul 51Variaţia fluxului termic qF [Wm2]
Diametrul cilindrului de rocă icircngheţată icircn m
02 04 05 08 10 15 20
qF regim laminar 1160 550 387 330 302
qF regim laminar 720 465 423 350 321 283 258
Se observă ca densitatea fluxului de căldura qF scade foarte mult de la 800900 Wm2 la icircnceputul operaţiei de consolidare prin frig a rocilor pacircnă la 230250 Wm2 cacircnd cilindrul de rocă icircngheţata atinge diametrul de 23 m Ca urmare a acestei situaţii şi puterea frigorifică a instalaţiei va scădea icircn decursul a 6080 zile tot cu raportul de 800230 = 35
Instalaţia frigorifică va fi constituită din grupuri de utilaje (module) ce vor fi scoase treptat din funcţiune pe măsură ce se reduce densitatea fluxului de căldură qF ca urmare a creşterii grosimii stratului de teren icircngheţat Icircn practică pentru calcule se va considera qF = (260290) Wm2
O mărime importanta pentru proiectarea instalaţiei şi aprecierea procesului de consolidare a rocilor este timpul de icircngheţare Pentru calculul duratei de icircngheţare se pot folosi relaţiile prezentate icircn capitolul 3 la formarea gheţii pe suprafeţe cilindrice exterioare La aprecierea valorii pentru ls - căldura latentă de solidificare se avea icircn vedere conţinutul de apă din terenul supus icircngheţării
Dacă icircntre relaţiile pentru dependenţele (r) şi qF(r) se elimină r se obţine dependenţa
qF() Eliminarea nu se poate face direct ci fie cu ajutorul calculatorului fie printr-o construcţie grafică prezentată icircn figura 517
Studiul variaţiei temperaturii icircn solul icircngheţat cacirct și variaţia icircn timp a densităţii fluxului de căldura se poate face cu ajutorul calculatorului electronic
1200
1000
800
600
400
200
0 05 1 15 2 25 3
qF [Wm2]
Diametrul cilindrului de rocă icircngheţată [m]
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
51
Figura 417 Fig 517 Stabilirea dependentei qF() pe baza dependentelor qF(r) și (r)
415 515 ELEMENTE DE PROIECTARE A INSTALAŢIEI FRIGORIFICE PENTRU IcircNGHEŢAREA SOLULUI
Pentru proiectarea instalaţiei frigorifice trebuie sa se stabilească la icircnceput elementele de baza și anume
- puterea frigorifică maximă care apare la icircnceputul perioadei de răcire cacircnd pătrunderile de căldura spre agentul de răcire din sondele de icircngheţare au valori mai mari temperatura de vaporizare a agentului frigorific plecacircnd de la temperatura minimă sau medie din solul icircngheţat şi avacircnd icircn vedere modul de răcire directă sau indirectă
Se calculează cantitatea totală de căldură ce trebuie extrasă din terenul supus răcirii şi icircngheţării Se cunoaşte structura terenului icircngheţat deci se cunosc icircnălţimile h1 h2hn ale diferitelor straturi componente cacirct şi proprietăţile termofizice ale acestora
Grosimea centurii de teren icircngheţat se stabileşte icircn urma calculelor de rezistenţa materialelor icircncacirct se pot calcula volumele ocupate de straturile componente V1 V2Vn
Cantitatea de căldură ce trebuie extrasă din zona icircngheţată cuprinde două componente și anume
cantitatea de căldura Qa corespunzătoare răcirii şi icircngheţării apei
cantitatea de căldura Qt necesara răcirii părţii solide a terenului
n
1kfgsikaakka tcltcVQ (516)
unde
k - reprezintă conţinutul icircn apă din stratul respectiv [m3m3]
a - densitatea apei [kgm3]
ca cg - căldura specifica a apei respectiv a gheţii Jkg K
tik - temperatura iniţiala a stratului respectiv (de ordinul k)
tf - temperatura medie finala a masivului icircngheţat
ls - căldura latentă de solidificare a apei
r
q
q
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
52
fik
n
1kkkkkt ttc1VQ
(517)
k - densitatea părţii de teren solid (uscat) din stratul k
ck - căldura specifică a terenului uscat din stratul k
Cantitatea de căldură extrasă din terenul răcit reprezintă circa 1018 din cantitatea de căldură extrasă din zona de teren icircngheţat
Deci cantitatea totală de căldură Q ce va trebui preluată de către instalaţia frigorifică se poate aprecia astfel
Q = (110118) (Qa + Qt) (518)
Cu relaţia (51) se calculează puterea frigorifica a instalaţiei adoptacircnd o valoare medie pentru densitatea fluxului de căldura qF
Se poate aprecia timpul de funcţionare a instalaţiei frigorifice
o
Q
(519)
La anumite grosimi ale cochiliei de teren icircngheţat icircn jurul sondei densitatea fluxului termic scade sub valoarea medie adoptată icircn calcule şi ca urmare icircncepacircnd de la acest moment se va putea reduce treptat puterea frigorifica a instalaţiei prin scoaterea din funcţiune a unor grupuri
La proiectare se pot avea icircn vedere unele recomandări practice pentru stabilirea necesarului de frig pentru icircngheţarea unui m3 la -10 ordmC este necesar un consum specific de frig de 66000 kJ la 10 umiditate de 155000 kJ la 35 umiditate și de 210000 kJ la 50 umiditate
42 52 RĂCIREA BETONULUI LA CONSTRUCŢIILE MASIVE
421 521 INSTALAŢII DE PRERĂCIRE A COMPONENTELOR BETONULUI
Formarea betonului din elementele sale componente (nisip pietriş ciment şi apă) este icircnsoţită de fenomene fizico - chimice icircn care se degajă căldură şi ca urmare temperatura acestuia creşte Icircn cazul unor masive din beton (baraje) dacă viteza de turnare (icircn sezonul cald cacircnd se efectuază construcţia) este mai mare şi nu se asigura evacuarea căldurii corpul rezultă la o temperatura medie mai mare decacirct temperatura medie anuală Răcirea naturală conduce la contracţia masivului şi ca urmare la apariţia sub acţiunea tensiunilor interne a unor fisuri
Pentru ca variaţiile de temperatura icircntre centrul barajului şi straturile exterioare să fie cacirct mai mici se impune ca masivul respectiv să fie turnat la temperatura medie anuală a zonei respective Icircn acest scop se pot folosi două metode prin prerăcirea componentelor betonului și prin răcirea masei barajului
Icircn vederea reducerii căldurii degajată icircn reacţia dintre ciment şi apă au fost realizate sortimente de ciment caracterizate prin călduri masice reduse ce se degajă icircn procesul de priză
Prin prerăcirea componentelor betonului se urmăreşte ca betonul sa aibă temperatura medie a locului de amplasament şi prin aceasta evitarea apariţiei unor diferenţe mari de temperatură ce pun icircn pericol construcţia
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
53
Icircn funcţie de valoarea diferenţei de temperatură care trebuie realizată se poate adopta o anumită schemă de răcire pentru fiecare component icircn parte sau numai pentru unele din aceste părţi componente
Se pot folosi instalaţii frigorifice cu comprimare mecanică de vapori pentru răcirea apei a aerului sau formarea gheţii mărunte utilizate la prerăcirea componentelor betonului Folosirea gheţii fulgi sau solzi este limitată atacirct din cauza conţinutului de apă impus cacirct şi ca urmare a pericolului ca gheaţa să nu se topească icircn procesul de malaxare ci la turnare sau icircn procesul de priză ceea ce duce la formarea de goluri icircn beton
De asemenea se pot folosi instalaţiile frigorifice cu ejecţie
Icircn vederea stabilirii necesarului de frig pentru preratildecirea componentelor betonului se calculează mai icircntacirci cantitatea de catildelduratilde Qo1 ce trebuie evacuatatilde dintr-un m3 de beton avacircndu-se icircn vedere proporţiile icircn care participatilde cimentul nisipul pietrişul şi apa Fiecare component are o temperatură iniţialatilde şi urmeazatilde a fi răcit pacircnatilde la o temperatura finalatilde tf aceeaşi pentru toţi componenţii
fpppfnnnfccc1o ttcmttcmttcmQ
fnaanfpaapfaaa ttcmttcmttcm Jm3 (520)
unde
mc mn mp ma - masele de ciment nisip pietriş şi apă conţinute icircntr-un m3 de beton [kgm3]
cc cn cp cw - căldurile specifice masice ale cimentului nisipului pietrişului şi nisipul dintr-un m3 de beton [kgm3]
Puterea frigorifică se determină cu relaţia
3b1oo 10VQ [kW] (521)
icircn care bV reprezintă fluxul de betonare icircn m3s
Se prezintă icircn continuare cele mai folosite metode de prerăcire a componentelor betonului
4211 a) Instalaţie de prerăcire cu apă
Staţia de preparare a betonului este deservită de o instalaţie frigorifică cu comprimare mecanică de vapori care asigură răcirea apei
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
54
Figura 418 Fig 518 Schema de lucru a instalaţiei de prerăcire a betonului cu ajutorul apei 1 - ciment 2 - vagon nisip 3 - vagon pietris 4 - tancuri de răcire a pietrişului 5 - sită 6 - siloz de
nisip 7 - siloz de ciment 8 - rezervor de distribuţie 9 - răcitor de nisip 10 - răcitor de ciment 11 - răcitor de apă 12 - rezervor de apă răcită 13 - răcitor de apă 14 - instalaţie de prepararea betonului
I II III IV V - fazele de răcire a pietrişului
Icircn figura 518 se prezintă schema de lucru a unei asemenea instalaţii de prerăcire a betonului cu ajutorul apei folosită la construcţia barajului de la Detroit (SUA) Apa este răcită de la 16 la 15 ordmC şi transmisă apoi la instalaţia de preparare a betonului şi icircn cinci rezervoare a cacircte 90 m3 fiecare icircn care se răceşte pietrişul
Procesul de răcire a pietrişului cuprinde cinci faze
- faza I - introducerea apei icircn rezervor 10 minute
- fazele II şi III - introducerea simultană a apei şi a pietrişului 50 minute
- faza IV - evacuarea apei 15 minute
- faza V - evacuarea pietrişului 15 minute
Icircntregul proces de răcire a pietrişului durează 90 minute Pentru răcirea cimentului şi nisipului se utilizează schimbătoare de căldură cu ax elicoidal la care apa de răcire circulă prin arborele gol şi prin manta
Rezervoarele 12 pentru apa răcită au fiecare volumul de 114 m3
Beton 635oC
190 m3h
65oC
24oC
18oC
1
2
3
4
5
6
7
8
10
9
11
12
13
14
Apă 16oC
15oC
Cim
en
t
26 l
h
Nis
ip 1
12
lh
10
oC
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
55
42111 Aplicaţie numerică
Să se calculeze puterea frigorifică necesară prerăcirii betonului prin metode şi condiţiile prezentate mai sus Se cunosc următoarele date de calcul
mp = 1700 kgm3 beton
mc = 135 kgm3 beton
mn = 590 kgm3 beton
ma = 60 kgm3 beton
cc = cn = cp = 921 Jkg K
ca = 4180 Jkg K
map = 16 kgm3 beton
man = 38 kgm3 beton
tp = 18 ordmC
tc = 66 ordmC
tn = 21 ordmC tf = 635 ordmC
052803000
190Vb m3s
Se calculează componentele cantităţii de căldură Q01
3fcccc 10741735666921135ttcmQ Jm3
3fnnnn 10796135621921590ttcmQ Jm3
3fpppp 1024018356189211700ttcmQ Jm3
3faaaa 10420235616418060ttcmQ Jm3
3fpaapap 1077935618418016ttcmQ Jm3
3fnaaan 10232735621418038ttcmQ Jm3
Rezulta
3anapapnc1o 1039144QQQQQQQ Jm3
3o 10 206705280103914410VQ 33
b1o kW
4212 b) Instalaţii de prerăcire cu aer apă
Pentru răcirea componentelor betonului se utilizează icircn acest caz fie apa fie aerul ca agenţi intermediari răciţi cu ajutorul instalaţiilor frigorifice
Icircn figura 519 se prezintă schema unei asemenea instalaţii folosită la construcţia barajului de la Sariyar din Turcia
Răcirea aerului se poate face fie direct prin vaporizarea unui agent frigorific fie indirect cu un agent intermediar de răcire ca de exemplu saramura de clorură de calciu Aerul răcit pacircnă la -6 ordmC este suflat icircn silozurile cu pietriş de dimensiuni icircntre 4150 mm
Apa răcită icircn bazinul la pacircnă la 05 ordm este trimisă din colectorul 12 la staţia de preparare a betonului servind la scăderea temperaturii acestuia
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
56
Figura 419 Fig 519 Schema instalaţiei de prerăcire a betonului cu aer şi apă 1 - compresor 2 - condensator 3 - ventile de laminare 4 - vaporizatoare 5 - bazin de răcire a
saramurii 6 - pompă de saramură 7 - răcitor umed de aer 8 - ventilatoare 9 - silozuri de pietriş 10 - bazin de răcire a apei 11 - pompă 12 - colector de apă răcită
Figura 420 Fig 520 Schema instalaţiei de prerăcire cu aer şi apă 1 - siloz de pietriş şi nisip 2 - siloz de ciment 3 rezervor de apă 4 - răcitor de aer 5 - răcitor de apă
4 - răcitor de apă 6 - buncăr de sortare 7 - instalaţie de preparare beton
Pentru intensificarea procesului de răcire a pietrişului aerul este răcit sub 0 ordmC Acest procedeu are avantajul unei funcţionări fără icircntrerupere a procesului de preparare a betonului dar prezintă şi o serie de dezavantaje debite foarte mari de aer de răcire posibilitatea antrenării particulelor fine de agregat icircn răcitorul de aer şi depunerea acestora pe suprafaţa de schimb de căldură Ca urmare instalaţia se va curăţa la circa 14 zile Icircn figura 520 se prezintă o altă schemă de instalaţie de prerăcire a betonului cu aer şi apă folosită la construcţia unui baraj din India
Apă
295oC
Ciment
433oC
Pietriş şi nisip
378oC
Apă 6oC
Ciment 433oC
Aer
Pietriş
45oC Nisip 222oC
22oC
Ap
ă
45
oC
Ap
ă 2
2o
C
Ae
r 5
5o
C
Be
ton
12
8o
C
Apă 22oC
2
1
3 4 5
8
9
5 7
12
1oC
11
05oC 9oC 9oC
-9oC
-10oC -10oC
-10oC 2oC
6oC
10 4 4 6
8 8
8
8 8
9 9 9 9
1
2
3 3
7
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
57
Pietrişul şi nisipul se separă icircntre ele icircn buncărul de sortare 6 şi apoi fiecare circulă pe cacircte o bandă transportoare prin camera de răcire 7 Pietrişul este răcit cu ajutorul apei
Fig
ura
42
1 F
ig 5
21
Sc
he
ma
in
sta
laţi
ei
de
ră
cir
e icirc
n v
id a
co
mp
on
en
telo
r b
eto
nu
lui
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
58
reci icircncacirct ajunge la o temperatură mai scăzută decacirct nisipul răcit cu aer Prin camera 7 se circulă şi aer rece care se introduce la temperatura de 55 ordmC Cimentul se introduce la instalaţia de preparare a betonului 9 fără a fi răcit
O altă posibilitate de prerăcire a agregatelor (pietriş şi nisip) şi a apei utilizată mai recent la construirea barajelor icircntrebuinţează răcirea icircn vid la care agregatele uşor umezite icircn recipiente sub presiune se răcesc după nevoie (prin reglarea vacuumului) la o temperatură mai scăzută sau mai ridicată Căldura necesară evaporării umidităţii de pe agregate şi din ele (apa legată) este luată chiar de la corpurile respective (pietriş nisip) şi ca urmare acestea se răcesc
O asemenea instalaţie utilizată la Hortwell icircn SUA (figura 521) cuprinde 3 recipienţi de cacircte 150 m3 pentru răcirea pietrişului şi 3 recipienţi de cacircte 80 m3 pentru răcirea nisipului
Pietrişul şi nisipul cu temperatura maximă de 43 ordmC se pot răci pacircnă la temperatura necesară de 45 ordmC Pentru realizarea vidului necesar se folosesc două cazane de abur care produc 77 th fiecare
422 522 RĂCIREA INTERIOARĂ A MASIVULUI DE BETON
Prerăcirea betonului se recomandă icircn condiţiile unei zone tropicale sau temperate de amplasare a construcţiei masive nu se recomandă icircn cazul amplasării barajului icircn munţi unde temperatura aerului este scăzută Icircn asemenea situaţii se recomandă răcirea betonului prin conducte amplasate icircn masiv prin care circulă apă rece
La răcirea interioară cu conducte montate icircn beton are loc o eliminarea a căldurii simultan cu producerea ei icircn procesul de priză producacircndu-se şi o răcire pacircnă la temperatura necesară Pentru răcire se folosesc conducte de oţel cu diametre de 1525 mm montate la distanţe de 1223 m icircn plan orizontal şi de 153 m icircn plan vertical Lungimea conductelor icircntr-un m3 de beton este de 0204 şi a fiecărei serpentine de 140250 m
Debitul apei de răcire ce circulă prin 1 m3 de beton este de (0553) dm3h
Figura 422 Fig 522 Reţea de conducte de răcire a betonului icircn secţiunea unui baraj 1 - galerie pentru măsurători 2 - galerie de conducte de apă de răcire
Serpentinele se montează şi se fixează pe suprafaţă de beton (fig522) Capetele serpentinelor se leagă de o coloană verticală prin mufe metalice sau de cauciuc Diametrul distribuitorului şi al coloanei este cuprins icircntre 150200 mm După montaj aceste conducte se verifică la presiunea de lucru
1 2
Ax
a
ba
raju
lui
Calculul necesarului de frig pentru depozit de fructe
30
m - cantitatea de produse introduse icircn tunelul de congelare icircn kg
te ti - temperaturi specifice corespunzătoare temperaturii iniţiale a produsului cald
(24 ordmC) respectiv temperaturii finale a produsului refrigerat (1 ordmC)
Căldura specfifică mere cp = 364 [kJkgK]
323 Necesarul de frig Q3
Icircn funcţie de natura produselor din spaţiul frigorific este necesar uneori să se realizeze ventilarea spaţiului prin asigurarea unui anumit număr de schimburi ale aerului din incintă icircn 24h Ca exemplu icircntotdeauna va fi necesară ventilarea prin introducere de aer proaspăt icircn spaţiile de păstrare pentru legume fructe şi ouă refrigerate Aceste produse vii respiră icircn timpul păstrării şi necesită icircn consecinţă ventilarea spaţiilor de păstrare
Acest consum de frig se ia icircn considerare doar la depozitele de refrigerare care se ventilează Se stabilește cu relația
Q3 = V ∙ a ∙ ᵖi ∙ (hex - hi) [kJ24]
V - volumul camerelor ventilateicircn m3
a = 24 schimburi pe zi pentru depozitele de mere
ᵖi - reprezintă densitatea aerului la temperature interioară icircn kgm3
Pentru depozitele de refrigerare considerăm umiditatea relativă ᵠi = 95 și ti=1 ordmC
rezultacircnd icircn acest caz hi= 9 kJkg
Parametri aerului exterior pentru zona icircn care este amplasat depozitul sunt temp ex 318
și umiditatea ext 60 rezultand din diagram mollier entalpia aerului Calcul facut icircn
programul Coolpack
ρi = 12 kgm3
hex = 7519 kJkg
Q3 = 616 2 12 (7519 - 9) (243600)= 00025 kW
324 Necesarul de frig Q4
Q4 - frigul consumat pentru acoperirea pierderilor icircn timpul exploatarii datorat deschiderii
usilor a corpurilor de iluminat a motoarelor electrice a oamenilor Se admite Q4 =
(01hellip04)Q1
Q4 = 02 379617 = 759234 = 008 kW
Qtotal = sum 119824120783 + Q2 + Q3 + Q4 = 004 + 30 + 000025 + 008 = 3012 = 31 kW
33 33 Stabilirea directiei raportului de termoumiditate și trasarea procesului de conditionare a aerului pe diagrama i-X pe timp de vară
Icircn fig16 este reprezentat un agregat pentru condiţionarea aerului pe timp de vară cu recirculare parţială
Calculul necesarului de frig pentru depozit de fructe
31
Figura 33 Figura16 Schema aparatului de condiţionare a aerului pe timp de vară cu recirculare parţială
F - filtru V - vaporizator C - compressor K - condensator VL - ventil de laminare I - icircncălzitor Vt - ventilator
Procesele de lucru pot fi reprezentate icircn diagrama h-x ca icircn figura următore
Figura 34 Fig17
A reprezintă starea aerului recirculat provenit din spaţiul condiţionat iar E este starea aerului exterior
Aerul tratat icircn aparatul de condiţionare care se introduce icircn incintă avacircnd starea B
trebuie să preia degajările de căldură Qv [kW] şi de umiditate Wv [kgs]
Direcţia procesului suferit de aer icircn incintă este dată de raportul de termoumidificare εv
= Qv Wv
Prin punctul A se trasează dreapta avacircnd raportul de termoumidificare εv iar punctul B se fixează pe această dreaptă adoptacircndu-se o anumită diferenţă de temperatură faţă de starea A
Aerul recirculat A se amestecă cu aerul proaspăt E şi rezultă starea de amestec M De regulă xM gt xB deci aerul va trebui să fie uscat
Pe verticala din B se fixează starea D avacircnd xD= xB şi ᵩD = 90hellip98
Calculul necesarului de frig pentru depozit de fructe
32
Se uneşte M cu D iar apoi se prelungeşte acest segment pacircnă la intersecţia cu ϕ = 100 rezultacircnd starea P avacircnd temperatura tp
Circulacircnd aerul cu starea M peste o suprafaţă rece avacircnd temperatura tp se va obţine procesul de răcire şi uscare MD
Temperatura suprafeţei tp se asigură cu o instalaţie frigorifică a cărei temperature de vaporizare va fi t0 lt tp
Ultimul proces din aparatul de condiţionare va fi icircncălzirea finală DB
Calculul agregatului de condiţionare a aerului pe timp de vară se efectuează asemănător cu cel a agregatului de condiţionare a aerului pe timp de iarnă cu observaţia că pe timp de vară nu este necesară umidificarea
331 Date
Vtotal = 616 m3 tint = 1ᵒC tex = 318 φint = 90 φext = 60 ρaer = 12 [kgm3]
Starea A
tA = ti + 3 = 4deg xA = 00043[kj
kg] φA = 86 hA = 1489[
kj
kg]
Starea B
tB = 1degC xB = 00036 [kj
kg] φB = 90 hB = 1024[
kj
kg]
Starea E
tE = 318degC xE = 00171[kj
kg] φE = 60 hE = 7519[
kj
kg]
Starea M
hM =hE + n ∙ hA
n + 1=
7513 + 20 ∙ 1489
21= 1775[
kj
kg]
xM =xE + n ∙ xA
n + 1=
00171 + 20 ∙ 00043
21= 00049[
kj
kg]
Rezulta din diagrama Mollier
Starea D
hD = 108 [kj
kg] xD = 0003[
kj
kg] φD = 97
Raportul de recirculare n = 20
Debitul de aer ventilat V =Vtotal∙20
24h=
616lowast20
24= 513 [m3h]
Debitul masic m = V ∙ ρaer = 513 lowast 12 =
6156[kg
h]
3600= 0171 [kgs]
tp = minus3degC t0 = tp minus 9degC = minus3 minus 9 = minus12degC
Puterea termica a vaporizatorului ( puterea frigorifică )
ФV = Ф0
Puterea termica a icircncalzitorului
ФI = 119898 ∙ (hB - hD)
Cantitatea de apa condensată icircn unitatea de timp pe suprafața de racire este
Calculul necesarului de frig pentru depozit de fructe
33
ẆV = 119898 ∙ (XM - XD)
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
34
4 Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
Există două domenii principale icircn care se utilizează frigul artificial icircn lucrările de construcţii şi anume
icircngheţarea terenurilor acvifere icircn vederea săpării puţurilor de mină a barajelor a depozitelor de gaze lichefiate etc
prerăcirea componentelor betonului icircn cazul executării unor masive de beton ca de exemplu baraje
41 51 IcircNGHEŢAREA SOLULUI
411 511 CONSIDERAŢII GENERALE PRIVIND IcircNGHEŢAREA SOLULUI
Icircngheţarea artificială a solului reprezintă una dintre cele mai interesante şi icircn acelaşi timp şi importante aplicaţii practice a frigului artificial Totodată este una dintre primele aplicaţii industriale a tehnicii frigului şi care a asigurat o dezvoltare deosebită a industriei extractive Aşa se explică faptul că odată apărută maşina frigorifică cu absorbţie realizată icircn 1859 de către Ferdinand Carre este folosită la săparea primului puţ de mină prin icircngheţarea artificială a rocilor Dar nu numai industria minieră foloseşte icircn ultimul secol procedeul consolidării rocilor la săpararea unor lucrări subterane Lucrări inginereşti de tot genul ca metrouri staţii subterane de pompare rezervoare de gaze lichefiate poduri lucrări portuare şi altele asemănătoare amplasate icircn zone acvifere au fost realizate prin metoda consolidării prin frig a rocilor
Această metodă a consolidării rocilor prin frig artificial realizează icircn jurul lucrării inginereşti subterane un perete icircngheţat protector pe durata lucrărilor de construcţii Acest perete asigură o izolare hidraulică şi icircn acelaşi timp şi o protecţie mecanică Rezistenţa mecanică a rocilor creşte pe măsură ce temperatura lor scade icircncacirct metoda expusă mai sus prezintă avantajul reglării capacităţii portante a peretelui icircngheţat
Apa conţinută icircn terenuri prin icircngheţare capătă proprietăţile cimentului exprimate prin forţele de coeziune mari care apar icircntre cristalele de gheaţă şi grăunţii de rocă
Pentru obţinerea peretelui protector se folosesc sonde de icircngheţare forate pe conturul lucrării subterane şi prin care circulă agentul de răcire care poate fi un agent intermediar ca de exemplu saramura de clorură de calciu sau agentul frigorific de exemplu amoniacul Icircn funcţie de grosimea peretelui şi de rezistenţa mecanică pe care trebuie să o aibă se va alege temperatura agentului de răcire distanţa dintre sonde şi durata de icircngheţare
Instalaţia de consolidare prin frig a rocilor cuprinde trei părţi principale staţia frigorifică reţeaua de distribuţie a agentului de răcire (saramura) şi sondele de icircngheţare a solului
Staţia frigorifică cuprinde instalaţia frigorifică propriu-zisă cu comprimare mecanică de vapori sau prin absorbţie icircntr-o treaptă sau icircn două trepte Icircn funcţie de condiţiile de amplasament ale obiectivului staţia frigorifică poate fi de construcţie staţionară (icircn minerit) sau mobilă (la metrouri)
Reţeaua de distribuţie alcătuită din conducte metalice sau din mase plastice are rolul de a face legătura icircntre staţia frigorifică şi sondele de icircngheţare Pentru reducerea pierderilor de frig reţeaua de distribuţie se izolează termic
Sondele de icircngheţare constituie schimbătorul de căldură subteran prin care se extrage căldura de la terenul supus icircngheţării Icircn fig 51 se prezintă schiţa unei sonde de icircngheţare cu ajutorul saramurii Saramura rece cu temperatura icircntre -10 ordmC pacircnă la -35 ordmC
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
35
coboară prin ţeava interioară şi apoi se icircntoarce prin spaţiul inelar dintre cele două conducte concentrice
Figura 41 Fig 51 Sonda de icircngheţare 1 - şiu (tub scurt de oţel cu pereţi groşi rezistent) 2 - ţeava interioară 3 - ţeava exterioară (burlan de
icircngheţare) 4 - capul sondei
Circulaţia continuă a saramurii prin sonda de icircngheţare face ca rocile ce icircnconjoară sondele inclusiv apa conţinută icircn spaţiile libere să se răcească treptat Icircn jurul sondei icircncepe să se formeze stratul de rocă icircngheţată diametrul cilindrului de teren icircngheţat se măreşte icircn timp Aşa cum s-a arătat icircn capitolul 3 rezultă că dezvoltarea radială a cilindrului de rocă icircngheţată icircn jurul sondei se desfăşoară cu o viteza variabilă de icircnaintare la icircnceput viteza de icircnaintare a frontului de gheaţă este mai mare după care scade icircn timp Apoi se atinge stadiul staţionar de transfer de căldură cacircnd cilindrul nu mai creşte icircn dimensiuni Reiese că distanţa dintre sondele de icircngheţare este determinată de raza maximă a cilindrului de teren icircngheţat Pentru a realiza peretele icircngheţat care să reziste la solicitările la care este supus se impune ca distanţa dintre sondele vecine să fie mai mică decacirct raza maximă a terenului icircngheţat astfel icircncacirct cilindrii formaţi să se unească icircntre ei Icircn fig 52 se prezintă evoluţia icircn timp a icircngheţării terenului icircn jurul sondelor Icircn faza iniţială a icircnceput răcirea dar icircncă nu s-a format teren icircngheţat Icircn faza a II-a (după circa 20 zile) icircn jurul fiecărei sonde se formează cacircte un cilindru de teren icircngheţat fără ca aceştia să se unească Icircn faza a III-a (după circa 30 zile) cilindrii se icircntretaie şi formează peretele protector
Figura 42 Fig 52 Evoluţia cilindrilor individuali de rocă icircngheţată 1 - sonda de icircngheţare 2 - sonda de măsurători termice 3 - teren icircngheţat
Această evoluţie poate fi urmărită cu suficientă precizie prin măsurarea temperaturii masivului cu ajutorul unor sonde de măsurători termice 2 montate la distanţe bine stabilite de sondele vecine de icircngheţare Astfel icircn faza I-a temperatura este cea iniţială deci neafectată de prezenţa sondelor icircn faza a II-a temperatura este mai scăzută dar mai mare de 0 ordmC Cum icircn practică sondele de icircngheţare au o abatere de la poziţia verticală (sau de la cea impusă prin proiect) sondele de măsurători termice sunt prevăzute icircntre sondele
I II III
1
2 2 2
3 3
SARAMURĂ CALDĂ
IEŞIRE
INTRARE SARAMURĂ A E RECE
1
2
3
4
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
36
cele mai distanţate icircntre ele acolo unde evoluţia peretelui de protecţie este cea mai defavorabilă
Primele realizări inginereşti de consolidare prin frig artificial a terenurilor acvifere metodă prin care vor fi aduse la lumină multe bogăţii subterane sunt legate de numele inginerului de mine şi metalurgie Friederich Herman Poetsch El a obţinut icircn 27 februarie 1883 brevetul pentru procedeul său de adacircncire a puţurilor verticale icircn roci bogate icircn apă (şi curgătoare) Poetsch a reuşit să experimenteze procedeul său la adacircncirea unor puţuri de mină dar a avut şi multe insuccese icircncacirct la 9 iunie 1902 moare sărac şi dezamăgit Metoda de icircngheţare prin frig artificial a terenurilor a avut mare succes icircn Franţa Astfel numai icircn perioada 1892 - 1898 icircn bazinele carbonifere Nord şi Pas de Calais s-au săpat circa 20 puţuri pacircnă la o adacircncime de 100 m prin aplicarea metodei icircngheţării după planurile lui Poetsch
Desigur că nu ar putea fi omis numele lui Louis Gebhard care realizează numeroase lucrări de adacircncire a puţurilor prin icircngheţare atacirct icircn Germania cacirct şi icircn Franţa Anglia Olanda şi Polonia ceea ce face ca metoda propusă de Poetch să devină o tehnologie demnă de toată icircncrederea cu siguranţă absolută şi cu un mare randament
Gebhard un mare practician icircncepe sa folosească icircn locul instalaţiilor cu absorbţie realizate de F Carre pe cu cele cu comprimare mecanică de vapori realizate de Karl von Linde cu icircncepere din anul 1874
Poetsch icircn 1888 prevede extinderea procedeului de icircngheţare la construcţia podurilor la construcţii navale lucrări de fortificaţii la protecţia fundaţiilor subterane şi a bazinelor cu apă El susţine că poate să rezolve orice problemă sub apă chiar şi puţuri icircncepute şi abandonate
Icircn anul 1900 se depăşeşte bariera adacircncimii de 100 m Realizarea unor puţuri mai adacircnci (peste 100 m) ridică unele probleme icircn plus faţă de puţurile de mai mică adacircncime deoarece abaterile de la verticalitate pot conduce la formarea unor ferestre icircn peretele protector
Icircn ţara noastră această tehnologie de forare a unor puţuri de mină cacirct şi a galeriilor de metrou prin icircngheţarea solului a fost folosită cu icircncepere din anul 1961 aşa cum se prezintă icircn paragraful 513
412 512 CONSTRUCŢIA INSTALAŢIEI DE IcircNGHEŢARE A SOLULUI
Icircn funcţie de forma şi mărimea lucrării care se realizează la adăpostul terenului icircngheţat principial se pot utiliza următoarele tipuri de instalaţii
a) cu răcire indirectă denumită şi cu dublu schimb (fig53)
b)cu răcire directă icircn circuit icircnchis (fig 54)
c)răcire directă icircn circuit deschis (fig55)
a) Răcirea indirectă se utilizează icircn practică cel mai mult fiind cunoscută icircncă de la icircnceputurile metodei de icircngheţare a solului
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
37
Figura 43 Fig 53 Instalaţia frigorifică cu răcire indirectă 1 - compresor 2 - condensator3 - ventil de laminare 4 - vaporizator 5 - bazin de răcire a saramurii 6
- agitator 7 - pompă de saramură 8 - sonde de icircngheţare
Ca agent frigorific se poate folosi amoniacul sau freonii iar ca agent intermediar se utilizează soluţiile de clorură de calciu clorura de sodiu sau magneziu sărurile respective fiind relativ uşor de procurat
Instalaţiile frigorifice cuprind unul sau mai multe blocuri frigorifice Acest mod de compunere prezintă avantaje icircn ceea ce priveşte montarea cacirct şi exploatarea instalaţiilor se poate asigura o reducere icircn trepte a puterii frigorifice pe măsură ce creşte rezistenţa termică a stratului de teren icircngheţat
Componentele principale ale instalaţiei frigorifice se montează grupat pe cele trei secţiuni secţia de compresoare secţia condensatoarelor şi secţia vaporizatoarelor De regulă compresoarele se montează fie icircn aer liber atunci cacircnd tipul lor permite fie acoperite sub şarpante protectoare
Pe măsură ce se scot din funcţiune blocurile frigorifice se demontează şi se pot monta la un nou obiectiv
b) Răcirea directă icircn circuit icircnchis (fig 54) se utilizează icircn cazul icircn care adacircncimea de icircngheţare este mică
Figura 44 Fig 54 Instalaţia frigorifică cu răcire directă icircn circuit icircnchis 1 - compresor 2 - condensator 3 - ventil de laminare 4 - sonde de icircngheţare
Sondele de icircngheţare constituie vaporizatorul instalaţiei frigorifice Icircn cazul unor sonde de lungime mare icircnălţimea coloanei de agent frigorific este de asemenea mare Ca urmare a presiunii hidrostatice variabile şi temperatura de vaporizare este variabilă fiind mai mare
1
2
1111111 Apă
3
4
1
2
Apă 3
4
5
6
7
8
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
38
la capătul inferior şi mai mică la capătul superior Din acest motiv adacircncimea sondelor de icircngheţare nu poate depăşi anumite limite şi icircn plus se recurge la fragmentarea coloanei de lichid cu ajutorul unor pereţi despărţitori
Pierderile de agent frigorific mai mari decacirct icircn cazul răcirii indirecte reprezintă un alt inconvenient al acestui mod de răcire
c) Răcirea directă icircn circuit deschis constă icircn introducerea agentului frigorific (cel mai frecvent azot lichid) icircn sondele de icircngheţare fără ca acesta să mai fie folosit după vaporizare
La presiunea atmosferică azotul lichid fierbe la temperatura de -196 ordmC icircncacirct vaporii reci de azot icircnainte de a fi evacuaţi se folosesc de asemenea pentru congelarea solului fiind circulaţi prin sonde de icircngheţare (Fig 55)
Figura 45 Fig 55 Icircngheţarea cu azot lichid icircn două trepte 1 - ventil de laminare 2 - sonda de icircngheţare 3 - sonda de icircngheţare cu vapori de azot
Această metodă se foloseşte cacircnd se urmăreşte o icircngheţare rapidă şi volumul de teren icircngheţat este redus
Se vor prezenta icircn continuare unele elemente constructive ale instalaţiilor de icircngheţare
Reţeaua de saramură (fig 56) are rolul de a asigura transferul de căldură de la sol către agentul frigorific Cuprinde două schimbătoare de căldură cel subteran alcătuit din sondele de icircngheţare şi cel de suprafaţă reprezentat de vaporizatorul imersat icircn saramură Icircntre cele două schimbătoare de căldură există conducte magistrale distribuitoare - colectoare şi racorduri la sonde
Saramura răcită prin intermediul vaporizatorului 1 este circulată cu pompa 2 prin magistrala de tur a reţelei 3 Sondele de icircngheţare 5 se leagă prin vane la distribuitorul 4 şi colectorul 6 ambele de construcţie inelară Printr-o asemenea construcţie şi mod de legare a sondelor prezentate icircn figura 56 se asigură o echilibrare a căderilor de presiune pe sondele de icircngheţare şi ca urmare o alimentare uniformă cu agent intermediar şi deci şi o răcire uniformă pentru toate sondele
1
2
AZOT LICHID
VAPORI
AZOT -40OC
3
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
39
Figura 46 Fig 56 Schema reţelei de saramură 1- vaporizatorul 2 - pompa de saramură 3 - magistrala de tur 4 - distribuitorul inelar 5 -sondele de
icircngheţare 6 - colectorul inelar 7 - magistrale de retur M - manometru D - debitmetru T - termometru
Magistralele 3 şi 7 de acelaşi diametru şi lungime variabilă (determinată de o serie de factori) se pot monta atacirct la suprafaţă cacirct şi icircn canal
Magistralele se dimensionează icircn funcţie de puterea frigorifică a schimbătorului de căldură subteran alcătuit din sondele de icircngheţare
F0 qNHd [W] (51)
unde d - diametrul exterior al sondei de icircngheţare m
H - adacircncimea de icircngheţare m
N - numărul de sonde de icircngheţare
qF - densitatea fluxului termic raportat la suprafaţa exterioară a sondei La temperatura saramurii de - 20 ordmC se poate considera qF = (260290) Wm2
Debitul volumic V de agent intermediar icircn reţeaua de icircngheţare icircn funcţie de care se aleg
pompele se determină cu relaţia
tc
V o
(52)
icircn care este densitatea agentului intermediar kgm3
c - căldura specifică a agentului intermediar JkgK
t - creşterea temperaturii agentului (saramura) icircn sondele de icircngheţare K
La icircnceputul perioadei de răcire diferenţa de temperatură este t = 56 K ca apoi să scadă la 12 K
Icircn conductele magistrale se recomandă ca viteza saramurii să fie w = 0915ms
Icircn acest caz diametrul conductelor de transport a saramurii este dat de relaţia
w
V4D
[m] (53)
Icircn funcţie de valoarea determinată pentru D se aleg conducte metalice de diametru nominal cuprins icircntre 75200 mm Dacă rezultă D gt 200 mm se vor alege două conducte cu diametrul mai mic de 200 mm
2
T
T
M
M D
D
NH
3
3
4
6
5
7
1
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
40
Conductele magistrale se realizează prin icircmbinări cu flanşe sau sudate iar la lungimi mai mari de 100150 m se vor prevedea coturi compensatoare Pentru reducerea pierderilor de frig magistralele vor fi izolate termic
Distribuitorul de saramură răcită şi colectorul de saramură de la sonde sunt construcţii metalice identice
Icircn figura 57 se prezintă modul de racordare a sondelor de icircngheţare 5 la distribuitorul 1 şi colectorul 2 Vanele 3 asigură icircnchiderea deci oprirea circulaţiei şi reglajul debitului Prin aceste vane se poate izola o anumită sondă care nu funcţionează normal sau la care se observă o anumită defecţiune
Figura 47 Fig 57 Racordarea sondelor de icircngheţare la distribuitor şi colector 1 - distribuitor 2 - colector 3 - vane 4 - racord elastic 5 - sonda de icircngheţare
Poziţia distribuitorului şi colectorului faţă de racircndul sondelor de icircngheţare poate fi laterală de o singură parte sau laterală de ambele părţi ale sondelor Amplasamentul trebuie astfel făcut icircncacirct să fie posibilă vizitarea supravegherea şi eventual icircnlocuirea sondelor de icircngheţare
Racordarea sondelor la distribuitor şi colector se face prin cacircte un racord elastic (fig 57) Dimensionarea distribuitoarelor şi a colectoarelor se face din condiţia ca viteza saramurii să nu depăşească 0915 ms
Coloanele de distribuţie şi colectare urmăresc icircn teren forma şirului de sonde de icircngheţare şi pot avea acelaşi traseu sau trasee diferite Configuraţia traseului poate fi icircn linie sau circulară Icircn oricare din situaţiile prezentate distanţele dintre ştuţurile de racord şi sondele de icircngheţare sunt variabile astfel icircncacirct racordurile rigide prin flanşe şi sudură sunt greu de realizat Cea mai practică soluţie de racord icircn acest caz este furtunul de cauciuc (fig 57)
Icircn reţeaua de saramură poate pătrunde aer prin procesul de pompare ceea ce conduce la intensificarea acţiunii corosive a saramurii Icircn scopul icircndepărtării aerului nedorit pe partea superioară a conductelor icircn punctele cele mai ridicate ale acestora se montează robineţi de evacuare periodică a aerului şi eventual a altor gaze
Pe conductele magistrale se vor monta aparate de măsură şi control debitmetre termometre şi manometre (fig 56) Icircn acest caz se poate aprecia funcţionarea fiecărei sonde după depunerile exterioare de gheaţă pe racordul metalic sau de cauciuc lăsate neizolate termic tocmai icircn acest scop Icircn scopul urmăririi regimului de lucru sub aspect
5
4
1
2 3
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
41
hidraulic şi termic icircn mod individual se pot monta aparate de măsură şi control pe fiecare sondă de icircngheţare dar această soluţie este mai costisitoare
Sonda de icircngheţare realizează transferul de căldură de la terenul ce urmează a fi icircngheţat spre agentul frigorific (la răcirea directă) sau agentul intermediar (la răcirea indirectă)
Icircn figura 51 s-a prezentat schema de principiu a unei sonde de icircngheţare cu saramură activă pe toată lungimea Conducta exterioară sau burlanul de icircngheţare 3 este o conductă din oţel etanşă şi rezistentă la eforturile mecanice care apar datorită presiunii solului şi variaţiei de temperatură icircntre momentul fixării ei icircn sol şi cel al funcţionării la o temperatura sub 00C
Icircn procesul de icircngheţare coloana de burlane care poate atinge lungimi de sute de metri se contractă icircnsă nu liber deoarece ea este stracircnsă icircn masivul de roci La o variaţie de temperatură icircntre momentul iniţial (fără saramură) şi momentul pornirii circulaţiei de saramură de 400C conducta din oţel de 500 m adacircncime ar trebui să se contracte cu
tHH = 500 11 10-6 40 = 0220 m = 22 cm
Datorită fixării coloanei icircn gaura forată efortul unitar de icircntindere ce apare icircn urma scăderii temperaturii este
tE = 22 1010 11 10-10 40 = 968 105 Nm2 = 9680 Ncm2
La acest efort de icircntindere apărut datorită contracţiei coloanei se mai adaugă efortul de acelaşi semn provocat de dilatarea masivului de rocă acviferă icircngheţată Icircn scopul compensării eforturilor de icircntindere s-a propus icircmbinarea coloanei cu nipluri elastice O asemenea soluţie este mai scumpă şi icircn plus micşorează secţiunea liberă de curgere ceea ce conduce la icircncălzirea excedentară a saramurii
La lucrări subterane de mare adacircncime ca puţurile de mină depozite subterane se folosesc burlane de 1397 x 7 mm pentru a fi posibilă determinarea abaterii de la poziţie verticală
La tunelurile de metrou şi icircn general la lucrările la care adacircncimea de icircngheţare nu depăşeşte 50 - 60 m diametrul cel mai frecvent utilizat este 1143 x 7 mm
Ţeava interioară 2 (fig 51) numită şi tub de alimentare de regulă ţeava uşoară de instalaţii de 50 mm diametrul se introduce icircn burlanul exterior 3 fără icircnsă a atinge şiul de bază 1 al sondei Se asigură icircn acest mod un volum minimal de depuneri solide care circulă cu saramura icircn mod incidental Icircn scopul economisirii de metal tubul de alimentare poate fi din material plastic ceea ce prezintă marele avantaj al lipsei coroziunii şi al refolosirii materialului respectiv
Şiul de fund are rolul de a asigura icircnchiderea burlanului exterior icircn partea sa inferioară Cel mai adesea are formă conică pentru a asigura introducerea cu uşurinţă a coloanei metalice icircn gaura de sondă Această componentă a sondei de icircngheţare se execută fie prin turnare sau se confecţionează cu ajutorul sudurii
Corespunzător profilului geologic al terenului icircn care se lucrează se icircntacirclnesc şi cazuri cacircnd nu este nevoie să se icircngheţe terenul pe toată icircnălţimea sondelor ci numai la partea lor inferioară Icircn acest caz se folosesc sonde de icircngheţare zonală (fig 58) cu ajutorul cărora se asigură congelarea doar a zonei inferioare ceea ce prezintă avantaje economice deosebite nu se consumă energie pentru a icircngheţa icircn mod inutil formaţiuni geologice consistente şi uscate şi nu se reduce ritmul lucrărilor de săpare printr-o eventuală mărire a rezistenţei rocilor
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
42
Figura 48 Fig 58 Sonda de icircngheţare zonală
1 - burlan exterior 2 - tub de alimentare 3 - şiu 4 - tub de evacuare
Figura 49 Fig59 - Sonda de icircngheţare cu agent
frigorific 1 - tub exterior 2 - perete despărţitor 3 - şiu 4 -
ştuţ (ţeavă de preaplin) 5 - condensator - vaporizator
Icircn cazul răcirii directe sondele de icircngheţare cu agent frigorific sunt de construcţie specială (fig 59) Particularitatea acestor sonde este prezenţa pereţilor despărţitori 2 dispuşi unul sub celălalt la circa 3 m fiecare perete fiind prevăzut cu un ştuţ de preaplin O asemenea construcţie are rolul de a fracţiona coloane de lichid ceea ce asigură o răcire mai uniformă pe lungimea sondei
Fiecare sondă este prevăzută la partea superioară cu cacircte o cămaşă de răcire Sondele se umplu cu amoniac lichid icircntr-o asemenea cantitate icircncacirct fiecare secţie să fie icircnecată cu lichid respectiv pacircnă la partea superioară a ştuţurilor 4 Ca urmare a fluxurilor de căldură de la sol se produce fierberea amoniacului icircn toate secţiile sondei Vaporii formaţi se ridică prin ştuţurile 4 şi ajungacircnd la partea superioară a sondei se condensează cedacircnd căldură agentului (amoniac) din cămăşile de răcire
Ca urmare cămăşile de răcire de la partea superioară a sondelor constituie vaporizatorul instalaţiei frigorifice Amoniacul care se condensează la partea superioară a sondei curge icircnapoi (de sus icircn jos) prin ştuţurile 4 Folosirea pereţilor despărţitori şi a ştuţurilor micşorează influenţa presiunii hidrostatice a lichidului asupra temperaturii de vaporizare a amoniacului Asemenea sonde de icircngheţare se folosesc pentru lucrări de mică adacircncime
Amplasarea sondelor se face icircn funcţie de o serie de factori formă poziţia şi dimensiunile lucrării care se realizează structura terenului temperatura şi viteza agentului etc
Icircn cazul puţurilor de mină de secţiune circulară sondele se amplasează pe un cerc
concentric de diametru D mai mare decacirct diametrul de săpare Ds cu grosimea a peretelui icircngheţat
sDD (54)
Trebuie să se ţină seama şi de deviaţia sondelor de la poziţia verticală icircncacirct pentru adacircncimi mari se utilizează relaţia
3
2 4
1
VAPORI 5 LICHID
3
2
4 1
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
43
a21DD s (55)
unde a = 003 H este abaterea medie statistică de la verticală a sondelor
Distanţa dintre sonde se ia de obicei de 1014 m icircn terenuri rezistente şi de 0809 m icircn terenuri slabe
Pentru adacircncimi de peste 500 m se recomandă să se dispună sondele pe două cercuri concentrice pentru a se forma un perete de grosime mai mare şi deci mai rezistent
La icircngheţarea terenului icircn jurul puţurilor de secţiune dreptunghiulară sondele se pot dispune pe dreptunghi sau elipsă Icircn aceste situaţii centura de teren icircngheţat poate fi solicitată la icircntindere ceea ce este de nedorit deoarece limita de rezistenţa la icircntindere a terenurilor icircngheţate este de circa 3 ori mai mică decacirct limita rezistenţei la compresiune Din acest motiv chiar şi la puţurile de mină de secţiune dreptunghiulară sondele se dispun pe unul sau două cercuri (fig 510)
Pentru realizarea galeriilor icircnclinate icircngheţarea terenului se realizează cu sonde verticale (fig 511) sau combinat atacirct cu sonde verticale cacirct şi cu sonde icircnclinate (fig 512)
Distanţa dintre sondele verticale (fig 511) se ia de 23 m iar distanţa dintre racircnduri este de 1525 m
Se poate folosi cacircte un racircnd de sonde icircnclinate montate deasupra galeriei (fig 212 a) sau sonde icircnclinate sub galerie şi sonde verticale scurte deasupra galeriei (fig 512 b)
SONDA
154 m
16
6 m
226
262
85
SONDA
Figura 411 Fig 511 Amplasarea sondelor verticale pentru realizarea galeriei icircnclinate
Figura 411 Fig 510 Dispunerea sondelor icircn jurul puţurilor de mină de secţiune
dreptunghiulară
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
44
Figura 412 Fig 512 Realizarea galeriilor icircnclinate cu sonde verticale (1) şi sonde oblice (2)
I - secţiunea longitudinală II - secţiunea transversală a) sonde icircnclinate deasupra galeriei b) sonde icircnclinate sub galerie
413 513 UTILIZAREA METODEI DE IcircNGHEŢARE A SOLULUI IcircN ŢARA NOASTRĂ
a)Puţuri de mină
Aplicarea metodei de icircngheţare a solului pentru lucrări de minerit a avut loc la noi icircn ţară icircncepacircnd cu anul 1960 la puţul Godeni din bazinul carbonifer Cacircmpulung - Muscel Proiectul a fost elaborat icircn anul 1959 la IPROMIN Bucureşti iar lucrarea a fost executată cu Trustul Minier Argeş avacircnd icircn subantrepriză de specialitate Icircntreprinderea Frigotehnica Bucureşti şi Trustul de prospecţiuni explorări şi deschideri de mine noi Bucureşti
Adacircncimea de săpare a puţului Godeni a trebuit sa fie de 202 m Sondele de icircngheţare constituite din două ţevi concentrice (fig 51) cu diametrele exterioare de 146 mm şi respectiv 57 mm icircn număr de 27 au fost amplasate pe un cerc cu diametrul de 10 m la distanţa de 117 m una de alta
Instalaţia frigorifică a fost dimensionată cu mare precauţie pentru a avea o siguranţă mărită icircn funcţionarea ei Toate părţile componente ale instalaţiei frigorifice au fost proiectate şi executate icircn ţară
La proiectarea instalaţiei s-a avut icircn vedere funcţionarea de scurtă durată şi variaţia puterii frigorifice icircn timp S-a utilizat răcirea indirectă cu soluţie de clorură de calciu iar ca agent frigorific a fost folosit amoniacul Pentru a avea elasticitatea necesară icircn funcţionare la diferite puteri frigorifice au fost folosite grupuri de utilaje frigorifice şi anume
6 compresoare 4 AU - 20 (200000 kcal Nh =233 kW fiecare)
3 baterii de condensatoare atmosferice a cacircte 300 m2 (900 m2)
bazine pentru răcirea saramurii fiecare cu cacircte 2 vaporizatoare superintensive de 50 m2 (600 m2)
2 grupuri a cacircte 5 pompe pentru recircularea saramurii
Puterea frigorifică a instalaţiei montate a fost de 12106 kcal Nh =1395 kW şi s-a caracterizat prin următoarele date tehnice la exploatare
85
1
2
I 85
1
2
I
85
1
2
II
85
1
2 II
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
45
o suprafaţa de schimb de căldură a sondelor 2500 m2 o puterea instalaţiei 750 kW o debitul saramurii icircn
o icircn perioada activă 350 m3h o icircn perioada pasivă 70 m3h
o viteza de circulaţie a saramurii icircn sondă o tur 18 ms 036 ms o retur 029 ms 006 ms
o volumul rocilor icircngheţate circa 10000 m3 o consumul specific de frig mediu 50000 m3 o durata icircngheţării (perioada activă) 130 zile
Icircn timpul răcirii şi deci a icircngheţării solului puterea frigorifică scade icircn mod continuu icircncacirct treptat s-a scos din funcţiune cacircte un compresor icircn perioada pasivă (de săpare a puţului) s-a menţinut icircn lucru doar un singur compresor şi grupul de utilaje aferent
După terminarea lucrărilor de la puţul Godeni icircn anii următori aceeaşi instalaţie s-a montat la puţul Poenari din acelaşi bazin carbonifer unde sondele au fost amplasate pe un cerc cu diametrul de 11 m la distanţa de 128 m una de alta
Un alt puţ realizat prin această tehnologie de icircngheţare a solului a fost puţul Jugur de la acelaşi bazin carbonifer Centrala frigorifică a cuprins 15 compresoare 3 AV - 20 (150000 kcal Nh fiecare=175kW) repartizate icircn 5 linii tehnologice independente cu icircntreg utilajul aferent Fiecare linie este compusă din
o butelie de răcire intermediară BRI - 700 un condensator cu evaporare forţată CEF - 180 un bazin cu patru grupuri vaporizatoare intensive de cacircte 165 m2 (icircn total 66 m2)
Sondele de icircngheţare icircn număr de 27 bucăţi au fost prevăzute să se amplaseze pe un cerc cu diametrul de 104 m la distanţă de 121 m Sondele sunt de tipul celei indicată icircn figura 58 deci cu răcire zonală avacircnd următoarele caracteristici diametrul exterior al burlanului este de 146 mm iar tuburile interioare au 57 mm (la exterior) tubul de alimentare are lungimea de 430 m iar cel de evacuare este de 220 m Ca urmare sondele de icircngheţare trebuie să producă icircngheţarea solului numai pe adacircncimea de la 220 m la 430 m Prin proiect s-au prevăzut următoarele date temperatura saramurii - 35 ordmC viteza saramurii icircn conducte de tur 18 ms viteza icircn conducte de retur (pe adacircncimea de răcit) 06 ms durata icircngheţării (perioada activă) a fost de 75 zile
Au fost prevăzute temperaturi scăzute şi viteze mari de congelare deoarece cilindrul icircngheţat trebuie să preia presiuni de pacircnă la 56 bar
b)Tunelurile pentru metroul din Bucureşti
Icircncepacircnd cu anul 1976 pentru realizarea metroului din Bucureşti s-a procedat la aplicarea metodei de icircngheţare a solului icircntr-o zonă considerată experimentală dar cu realizări efective de galerii
Prin proiect s-a prevăzut consolidarea prin icircngheţare artificială a profilului de săpare a tunelurilor de metrou pe o lungime de circa 550 m pe ambele fire Amplasamentul sondelor s-a făcut icircn două variante (pentru experimentare) pentru un fir de tunel ambele racircnduri de sonde s-au fixat icircn profilul circular de săpare iar pentru cel de al doilea fir de tunel sondele au fost forate icircn afara profilului de icircnaintare (fig 513) Au fost folosite sonde cu saramură cu posibilitatea de icircngheţare pe toată icircnălţimea de 16 m cacirct şi sonde cu icircngheţare zonală icircntre adacircncimile de 7 m şi 16 m Distanţa dintre sonde a fost fixată la 14 m
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
46
Pentru a se icircmpiedica accesul apelor icircn frontul de săpare datorate unor eventuale zone neicircngheţate traseul de tunel icircngheţat a fost icircmpărţit icircn incinte icircnchise prin timpane transversale La distanţe de 3050 m icircn lungul traseului au fost montate sonde de icircngheţare aşezate icircn plan normal pe axul tunelului prin care să se icircnchidă accesul apelor spre frontul de săpare
Echipamentul frigorific principal cuprinde
- 8 compresoare frigorifice 3 AV - 20 funcţionacircnd icircntr-o treaptă pentru care
corespunde puterea frigorifică de 12 106 kcal Nh =1395 kW
- 4 condensatoare de evaporare forţată CEF - 250
- 3 bazine de răcire a saramurii echipate cu cacircte 4 grupuri de vaporizatoare superintensive de cacircte 51 m2 (total 612 m2)
- 3 grupuri de cacircte 2 pompe a 220 m3h pentru circulaţia saramurii pe traseele de distribuţie şi prin sonde
Figura 413 Fig513 Amplasamentul sondelor de icircngheţare
Centrala frigorifică este stabilă adăpostită icircntr-o baracă metalică demontabilă existacircnd posibilitatea de reamplasare rapidă a instalaţiei icircntr-un alt loc Agentul frigorific utilizat este amoniacul iar agentul intermediar este clorura de calciu
Icircn perioada principală de icircngheţare temperatura de vaporizare este to = -22 ordmC asiguracircnd răcirea saramurii la -17 ordmC iar pe retur saramura a avut temperatura cu 15 ordmC mai ridicată
La o asemenea lucrare realizată icircn oraş se impune protejarea contra icircngheţului a straturilor de deasupra galeriilor icircn care sunt amplasate instalaţiile de apă - canal ceea ce presupune folosirea sondelor cu icircngheţare zonală care să nu fie active la partea superioară
c) Puţuri pentru prospectarea balastierelor
Procedeul şi instalaţia frigorifică au avut caracter de noutate şi s-a aplicat icircncepacircnd cu anul 1966 la mai multe obiective icircn general pe văile racircurilor unde s-au construit hidrocentrale
A
A B
B
A-A
000 -300 -700 -1061 -1300
65
800
B-B
000 -300 -700 -1061 -1300
65
550
ARGILA
ARGILA
NISIP
NISIP
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
47
Echipamentul frigorific principal cuprinde un agregat frigorific pentru amoniac de 20000 kcal Nh = 233 kW rezervor de amoniac separator de lichid şi anexe - toate fiind montate pe o remorcă
S-au folosit sonde de icircngheţare cu agent frigorific icircn număr de 8 bucăţi cu diametrul exterior de 133 mm montate pe un cerc cu diametrul de 2 m la distanţa de 076 m lungimea lor fiind de 75 m Legarea sondelor la distribuitor şi colector s-a făcut cu racorduri flexibile
Sondele au o construcţie specială fiind prevăzute cu 4 pereţi transversali cu ştuţuri de preaplin formacircndu-se astfel 5 compartimente Agentul lichid se introduce icircn compartimentul cel mai de sus şi se scurge prin ştuţuri pacircnă la baza sondei Conducta de aspiraţie străbate toate compartimentele vaporii fiind aspiraţi din compartimentul cel mai de jos Circulaţia vaporilor formaţi se face ca şi a lichidului de sus icircn jos obţinacircndu-se astfel o răcire uniformă şi eficientă pe toată icircnălţimea sondei
Durata icircngheţării respectiv a formării centurii de teren icircngheţat la adăpostul căreia să se poată efectua săparea şi preluarea de probe de sol este de 10 zile
414 514 CAcircMPUL DE TEMPERATURĂ IcircN SOLUL IcircNGHEŢAT
Cacircnd prin sonda de icircngheţare circulă saramură a cărei temperatura este sub 0 ordmC practic - 20 ordmC-25 ordmC icircn jurul sondei se formează un cacircmp termic care icircn cazul unei singure sonde poate fi reprezentat prin suprafeţe cilindrice coaxiale de temperatură constantă (izoterme)
După distanţa radială se deosebesc icircn sol din punct de vedere termic trei zone zona cilindrică din imediata vecinătate a sondei care este icircn zona icircngheţată zona răcită cuprinsă icircntre suprafaţa cilindrică izotermă de 0 ordmC şi izoterma de temperatură naturală şi a treia zonă cea de temperatura naturală (fig 514)
Icircn zona icircngheţată temperatura masivului variază de la temperatura peretelui metalic al sondei pacircnă la 0 ordmC Icircn zona răcită temperatura masivului creşte de la 0 ordmC pacircnă la temperatura naturală a masivului
Figura 414 Fig 514 Cacircmpul de temperatură icircn jurul unei sonde de icircngheţare
Este important să se cunoască cacircmpul termic icircn terenul supus icircngheţării deoarece acesta oferă date privind zona de răspacircndire a consolidării rocilor prin solidificarea apei cacirct şi a
t [oC]
r [m]
t (r)
ZONA RACITA
ZONA INGHETAT
A
ts TEMPERATURA NATURALA A ROCII
-20
-10
40
10 0 20 30
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
48
rezistenţei mecanice a rocii icircngheţate Se cunoaşte faptul că rezistenţa mecanică depinde direct de temperatură
Studiul variaţiei temperaturii icircn zona de influenţă a unei sonde şi a tuturor sondelor simultan oferă posibilitatea calculării dimensiunilor la proiectarea construcţiei peretelui protector cacirct şi controlul procesului icircn timpul desfăşurării lucrărilor
Pentru a se stabili relaţia de variaţie a temperaturii icircn zona icircngheţată icircn funcţie de raza r se consideră ecuaţia diferenţială
dr
dtr2q (56)
icircn care q este fluxul unitar de căldură corespunzător lungimii de 1 m din sonda de icircngheţare Wm
- conductivitatea termica a terenului Wm
Integrarea directă a ecuaţiei analitice se poate face icircn ipoteze simplificatoare consideracircnd
= const şi q = const ceea ce este justificat la valori mari ale timpului de răcire
Se separa variabilele
r
dr
2
qdt
(57)
Se consideră cunoscute temperaturile t1 la suprafaţa sondei de raza r1 și t2 = 0 ordmC la raza r2 corespunzătoare suprafeţei exterioare a cilindrului icircngheţat Se integrează ecuaţia (6-7) și cunoscacircnd limitele de integrare se va determina constanta de integrare
Cr ln2
qt
(58)
pentru r = r1 t = t1 deci
11 rln2
qtC
(59)
1
1r
rln
2
qtt
(510)
Se pune condiţia ca pentru r = r2 t = t2
1
212
r
rln
2
qtt
(511)
Se elimina q intre relaţiile (510) și (511) şi se obţine
1
2
1121
r
rln
r
rln
tttt (512)
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
49
Figura 415 Fig 515 Schema schimbătorului de căldură subteran
Pentru t2 = 0 ordmC relaţia (5-12) devine
)rrln(
)rrln(tt
12
21 (513)
Icircn figura 515 se prezintă o secţiune axială printr-o sondă de icircngheţare şi variaţia temperaturii icircn limitele t0 - temperatura agentului de răcire şi ts - temperatura naturală a solului
Cantitatea de căldură transferată de la masivul neicircngheţat spre agentul de răcire prin unitatea de lungimea de conducta şi unitatea de timp se calculează cu expresia
221
2
1o
1
moo
os
d
1
d
dln
1
d
dln
2
1
d
1
ttq
(514)
Icircn calculele inginereşti cel mai frecvent se determină nu fluxul termic pe unitatea de lungime a conductei ci fluxul termic qF raportat la unitatea de suprafaţă a conductei metalice la 1 m2 de suprafaţa exterioară sau interioară Mărimea qF se calculează astfel
22
o
1
2
1
o
o
1
m
o
o
oS
o
F
d
d
d
dln
2
d
d
dln
2
d1
tt
d
(515)
Fluxul termic qF prin unitatea de suprafaţă a sondei de icircngheţare calculat pentru adacircncimea de 100 m icircn regim laminar de curgere a agentului de răcire prin spaţiul inelar al sondei cu viteza w = 01 ms la diametre ale cilindrului de rocă icircngheţata
de la 02 la 3 m pentru to = -20 ordmC do = 01 m 1 = 233 WmK variază de la 720 la 230 Wm2 aşa cum se poate observa din figura 516 şi tabelul 51
d2
d1
d0
t
qF
t0
t2
t1 2
m 1
m
ts
Conducta Teren icircngheţat Teren
neicircngheţat
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
50
Figura 416 Fig 516 Variaţia fluxului termic qF prin unitatea de suprafaţă a sondei de icircngheţare 1 - regim turbulent 2 regim laminar
Tabelul 51Variaţia fluxului termic qF [Wm2]
Diametrul cilindrului de rocă icircngheţată icircn m
02 04 05 08 10 15 20
qF regim laminar 1160 550 387 330 302
qF regim laminar 720 465 423 350 321 283 258
Se observă ca densitatea fluxului de căldura qF scade foarte mult de la 800900 Wm2 la icircnceputul operaţiei de consolidare prin frig a rocilor pacircnă la 230250 Wm2 cacircnd cilindrul de rocă icircngheţata atinge diametrul de 23 m Ca urmare a acestei situaţii şi puterea frigorifică a instalaţiei va scădea icircn decursul a 6080 zile tot cu raportul de 800230 = 35
Instalaţia frigorifică va fi constituită din grupuri de utilaje (module) ce vor fi scoase treptat din funcţiune pe măsură ce se reduce densitatea fluxului de căldură qF ca urmare a creşterii grosimii stratului de teren icircngheţat Icircn practică pentru calcule se va considera qF = (260290) Wm2
O mărime importanta pentru proiectarea instalaţiei şi aprecierea procesului de consolidare a rocilor este timpul de icircngheţare Pentru calculul duratei de icircngheţare se pot folosi relaţiile prezentate icircn capitolul 3 la formarea gheţii pe suprafeţe cilindrice exterioare La aprecierea valorii pentru ls - căldura latentă de solidificare se avea icircn vedere conţinutul de apă din terenul supus icircngheţării
Dacă icircntre relaţiile pentru dependenţele (r) şi qF(r) se elimină r se obţine dependenţa
qF() Eliminarea nu se poate face direct ci fie cu ajutorul calculatorului fie printr-o construcţie grafică prezentată icircn figura 517
Studiul variaţiei temperaturii icircn solul icircngheţat cacirct și variaţia icircn timp a densităţii fluxului de căldura se poate face cu ajutorul calculatorului electronic
1200
1000
800
600
400
200
0 05 1 15 2 25 3
qF [Wm2]
Diametrul cilindrului de rocă icircngheţată [m]
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
51
Figura 417 Fig 517 Stabilirea dependentei qF() pe baza dependentelor qF(r) și (r)
415 515 ELEMENTE DE PROIECTARE A INSTALAŢIEI FRIGORIFICE PENTRU IcircNGHEŢAREA SOLULUI
Pentru proiectarea instalaţiei frigorifice trebuie sa se stabilească la icircnceput elementele de baza și anume
- puterea frigorifică maximă care apare la icircnceputul perioadei de răcire cacircnd pătrunderile de căldura spre agentul de răcire din sondele de icircngheţare au valori mai mari temperatura de vaporizare a agentului frigorific plecacircnd de la temperatura minimă sau medie din solul icircngheţat şi avacircnd icircn vedere modul de răcire directă sau indirectă
Se calculează cantitatea totală de căldură ce trebuie extrasă din terenul supus răcirii şi icircngheţării Se cunoaşte structura terenului icircngheţat deci se cunosc icircnălţimile h1 h2hn ale diferitelor straturi componente cacirct şi proprietăţile termofizice ale acestora
Grosimea centurii de teren icircngheţat se stabileşte icircn urma calculelor de rezistenţa materialelor icircncacirct se pot calcula volumele ocupate de straturile componente V1 V2Vn
Cantitatea de căldură ce trebuie extrasă din zona icircngheţată cuprinde două componente și anume
cantitatea de căldura Qa corespunzătoare răcirii şi icircngheţării apei
cantitatea de căldura Qt necesara răcirii părţii solide a terenului
n
1kfgsikaakka tcltcVQ (516)
unde
k - reprezintă conţinutul icircn apă din stratul respectiv [m3m3]
a - densitatea apei [kgm3]
ca cg - căldura specifica a apei respectiv a gheţii Jkg K
tik - temperatura iniţiala a stratului respectiv (de ordinul k)
tf - temperatura medie finala a masivului icircngheţat
ls - căldura latentă de solidificare a apei
r
q
q
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
52
fik
n
1kkkkkt ttc1VQ
(517)
k - densitatea părţii de teren solid (uscat) din stratul k
ck - căldura specifică a terenului uscat din stratul k
Cantitatea de căldură extrasă din terenul răcit reprezintă circa 1018 din cantitatea de căldură extrasă din zona de teren icircngheţat
Deci cantitatea totală de căldură Q ce va trebui preluată de către instalaţia frigorifică se poate aprecia astfel
Q = (110118) (Qa + Qt) (518)
Cu relaţia (51) se calculează puterea frigorifica a instalaţiei adoptacircnd o valoare medie pentru densitatea fluxului de căldura qF
Se poate aprecia timpul de funcţionare a instalaţiei frigorifice
o
Q
(519)
La anumite grosimi ale cochiliei de teren icircngheţat icircn jurul sondei densitatea fluxului termic scade sub valoarea medie adoptată icircn calcule şi ca urmare icircncepacircnd de la acest moment se va putea reduce treptat puterea frigorifica a instalaţiei prin scoaterea din funcţiune a unor grupuri
La proiectare se pot avea icircn vedere unele recomandări practice pentru stabilirea necesarului de frig pentru icircngheţarea unui m3 la -10 ordmC este necesar un consum specific de frig de 66000 kJ la 10 umiditate de 155000 kJ la 35 umiditate și de 210000 kJ la 50 umiditate
42 52 RĂCIREA BETONULUI LA CONSTRUCŢIILE MASIVE
421 521 INSTALAŢII DE PRERĂCIRE A COMPONENTELOR BETONULUI
Formarea betonului din elementele sale componente (nisip pietriş ciment şi apă) este icircnsoţită de fenomene fizico - chimice icircn care se degajă căldură şi ca urmare temperatura acestuia creşte Icircn cazul unor masive din beton (baraje) dacă viteza de turnare (icircn sezonul cald cacircnd se efectuază construcţia) este mai mare şi nu se asigura evacuarea căldurii corpul rezultă la o temperatura medie mai mare decacirct temperatura medie anuală Răcirea naturală conduce la contracţia masivului şi ca urmare la apariţia sub acţiunea tensiunilor interne a unor fisuri
Pentru ca variaţiile de temperatura icircntre centrul barajului şi straturile exterioare să fie cacirct mai mici se impune ca masivul respectiv să fie turnat la temperatura medie anuală a zonei respective Icircn acest scop se pot folosi două metode prin prerăcirea componentelor betonului și prin răcirea masei barajului
Icircn vederea reducerii căldurii degajată icircn reacţia dintre ciment şi apă au fost realizate sortimente de ciment caracterizate prin călduri masice reduse ce se degajă icircn procesul de priză
Prin prerăcirea componentelor betonului se urmăreşte ca betonul sa aibă temperatura medie a locului de amplasament şi prin aceasta evitarea apariţiei unor diferenţe mari de temperatură ce pun icircn pericol construcţia
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
53
Icircn funcţie de valoarea diferenţei de temperatură care trebuie realizată se poate adopta o anumită schemă de răcire pentru fiecare component icircn parte sau numai pentru unele din aceste părţi componente
Se pot folosi instalaţii frigorifice cu comprimare mecanică de vapori pentru răcirea apei a aerului sau formarea gheţii mărunte utilizate la prerăcirea componentelor betonului Folosirea gheţii fulgi sau solzi este limitată atacirct din cauza conţinutului de apă impus cacirct şi ca urmare a pericolului ca gheaţa să nu se topească icircn procesul de malaxare ci la turnare sau icircn procesul de priză ceea ce duce la formarea de goluri icircn beton
De asemenea se pot folosi instalaţiile frigorifice cu ejecţie
Icircn vederea stabilirii necesarului de frig pentru preratildecirea componentelor betonului se calculează mai icircntacirci cantitatea de catildelduratilde Qo1 ce trebuie evacuatatilde dintr-un m3 de beton avacircndu-se icircn vedere proporţiile icircn care participatilde cimentul nisipul pietrişul şi apa Fiecare component are o temperatură iniţialatilde şi urmeazatilde a fi răcit pacircnatilde la o temperatura finalatilde tf aceeaşi pentru toţi componenţii
fpppfnnnfccc1o ttcmttcmttcmQ
fnaanfpaapfaaa ttcmttcmttcm Jm3 (520)
unde
mc mn mp ma - masele de ciment nisip pietriş şi apă conţinute icircntr-un m3 de beton [kgm3]
cc cn cp cw - căldurile specifice masice ale cimentului nisipului pietrişului şi nisipul dintr-un m3 de beton [kgm3]
Puterea frigorifică se determină cu relaţia
3b1oo 10VQ [kW] (521)
icircn care bV reprezintă fluxul de betonare icircn m3s
Se prezintă icircn continuare cele mai folosite metode de prerăcire a componentelor betonului
4211 a) Instalaţie de prerăcire cu apă
Staţia de preparare a betonului este deservită de o instalaţie frigorifică cu comprimare mecanică de vapori care asigură răcirea apei
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
54
Figura 418 Fig 518 Schema de lucru a instalaţiei de prerăcire a betonului cu ajutorul apei 1 - ciment 2 - vagon nisip 3 - vagon pietris 4 - tancuri de răcire a pietrişului 5 - sită 6 - siloz de
nisip 7 - siloz de ciment 8 - rezervor de distribuţie 9 - răcitor de nisip 10 - răcitor de ciment 11 - răcitor de apă 12 - rezervor de apă răcită 13 - răcitor de apă 14 - instalaţie de prepararea betonului
I II III IV V - fazele de răcire a pietrişului
Icircn figura 518 se prezintă schema de lucru a unei asemenea instalaţii de prerăcire a betonului cu ajutorul apei folosită la construcţia barajului de la Detroit (SUA) Apa este răcită de la 16 la 15 ordmC şi transmisă apoi la instalaţia de preparare a betonului şi icircn cinci rezervoare a cacircte 90 m3 fiecare icircn care se răceşte pietrişul
Procesul de răcire a pietrişului cuprinde cinci faze
- faza I - introducerea apei icircn rezervor 10 minute
- fazele II şi III - introducerea simultană a apei şi a pietrişului 50 minute
- faza IV - evacuarea apei 15 minute
- faza V - evacuarea pietrişului 15 minute
Icircntregul proces de răcire a pietrişului durează 90 minute Pentru răcirea cimentului şi nisipului se utilizează schimbătoare de căldură cu ax elicoidal la care apa de răcire circulă prin arborele gol şi prin manta
Rezervoarele 12 pentru apa răcită au fiecare volumul de 114 m3
Beton 635oC
190 m3h
65oC
24oC
18oC
1
2
3
4
5
6
7
8
10
9
11
12
13
14
Apă 16oC
15oC
Cim
en
t
26 l
h
Nis
ip 1
12
lh
10
oC
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
55
42111 Aplicaţie numerică
Să se calculeze puterea frigorifică necesară prerăcirii betonului prin metode şi condiţiile prezentate mai sus Se cunosc următoarele date de calcul
mp = 1700 kgm3 beton
mc = 135 kgm3 beton
mn = 590 kgm3 beton
ma = 60 kgm3 beton
cc = cn = cp = 921 Jkg K
ca = 4180 Jkg K
map = 16 kgm3 beton
man = 38 kgm3 beton
tp = 18 ordmC
tc = 66 ordmC
tn = 21 ordmC tf = 635 ordmC
052803000
190Vb m3s
Se calculează componentele cantităţii de căldură Q01
3fcccc 10741735666921135ttcmQ Jm3
3fnnnn 10796135621921590ttcmQ Jm3
3fpppp 1024018356189211700ttcmQ Jm3
3faaaa 10420235616418060ttcmQ Jm3
3fpaapap 1077935618418016ttcmQ Jm3
3fnaaan 10232735621418038ttcmQ Jm3
Rezulta
3anapapnc1o 1039144QQQQQQQ Jm3
3o 10 206705280103914410VQ 33
b1o kW
4212 b) Instalaţii de prerăcire cu aer apă
Pentru răcirea componentelor betonului se utilizează icircn acest caz fie apa fie aerul ca agenţi intermediari răciţi cu ajutorul instalaţiilor frigorifice
Icircn figura 519 se prezintă schema unei asemenea instalaţii folosită la construcţia barajului de la Sariyar din Turcia
Răcirea aerului se poate face fie direct prin vaporizarea unui agent frigorific fie indirect cu un agent intermediar de răcire ca de exemplu saramura de clorură de calciu Aerul răcit pacircnă la -6 ordmC este suflat icircn silozurile cu pietriş de dimensiuni icircntre 4150 mm
Apa răcită icircn bazinul la pacircnă la 05 ordm este trimisă din colectorul 12 la staţia de preparare a betonului servind la scăderea temperaturii acestuia
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
56
Figura 419 Fig 519 Schema instalaţiei de prerăcire a betonului cu aer şi apă 1 - compresor 2 - condensator 3 - ventile de laminare 4 - vaporizatoare 5 - bazin de răcire a
saramurii 6 - pompă de saramură 7 - răcitor umed de aer 8 - ventilatoare 9 - silozuri de pietriş 10 - bazin de răcire a apei 11 - pompă 12 - colector de apă răcită
Figura 420 Fig 520 Schema instalaţiei de prerăcire cu aer şi apă 1 - siloz de pietriş şi nisip 2 - siloz de ciment 3 rezervor de apă 4 - răcitor de aer 5 - răcitor de apă
4 - răcitor de apă 6 - buncăr de sortare 7 - instalaţie de preparare beton
Pentru intensificarea procesului de răcire a pietrişului aerul este răcit sub 0 ordmC Acest procedeu are avantajul unei funcţionări fără icircntrerupere a procesului de preparare a betonului dar prezintă şi o serie de dezavantaje debite foarte mari de aer de răcire posibilitatea antrenării particulelor fine de agregat icircn răcitorul de aer şi depunerea acestora pe suprafaţa de schimb de căldură Ca urmare instalaţia se va curăţa la circa 14 zile Icircn figura 520 se prezintă o altă schemă de instalaţie de prerăcire a betonului cu aer şi apă folosită la construcţia unui baraj din India
Apă
295oC
Ciment
433oC
Pietriş şi nisip
378oC
Apă 6oC
Ciment 433oC
Aer
Pietriş
45oC Nisip 222oC
22oC
Ap
ă
45
oC
Ap
ă 2
2o
C
Ae
r 5
5o
C
Be
ton
12
8o
C
Apă 22oC
2
1
3 4 5
8
9
5 7
12
1oC
11
05oC 9oC 9oC
-9oC
-10oC -10oC
-10oC 2oC
6oC
10 4 4 6
8 8
8
8 8
9 9 9 9
1
2
3 3
7
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
57
Pietrişul şi nisipul se separă icircntre ele icircn buncărul de sortare 6 şi apoi fiecare circulă pe cacircte o bandă transportoare prin camera de răcire 7 Pietrişul este răcit cu ajutorul apei
Fig
ura
42
1 F
ig 5
21
Sc
he
ma
in
sta
laţi
ei
de
ră
cir
e icirc
n v
id a
co
mp
on
en
telo
r b
eto
nu
lui
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
58
reci icircncacirct ajunge la o temperatură mai scăzută decacirct nisipul răcit cu aer Prin camera 7 se circulă şi aer rece care se introduce la temperatura de 55 ordmC Cimentul se introduce la instalaţia de preparare a betonului 9 fără a fi răcit
O altă posibilitate de prerăcire a agregatelor (pietriş şi nisip) şi a apei utilizată mai recent la construirea barajelor icircntrebuinţează răcirea icircn vid la care agregatele uşor umezite icircn recipiente sub presiune se răcesc după nevoie (prin reglarea vacuumului) la o temperatură mai scăzută sau mai ridicată Căldura necesară evaporării umidităţii de pe agregate şi din ele (apa legată) este luată chiar de la corpurile respective (pietriş nisip) şi ca urmare acestea se răcesc
O asemenea instalaţie utilizată la Hortwell icircn SUA (figura 521) cuprinde 3 recipienţi de cacircte 150 m3 pentru răcirea pietrişului şi 3 recipienţi de cacircte 80 m3 pentru răcirea nisipului
Pietrişul şi nisipul cu temperatura maximă de 43 ordmC se pot răci pacircnă la temperatura necesară de 45 ordmC Pentru realizarea vidului necesar se folosesc două cazane de abur care produc 77 th fiecare
422 522 RĂCIREA INTERIOARĂ A MASIVULUI DE BETON
Prerăcirea betonului se recomandă icircn condiţiile unei zone tropicale sau temperate de amplasare a construcţiei masive nu se recomandă icircn cazul amplasării barajului icircn munţi unde temperatura aerului este scăzută Icircn asemenea situaţii se recomandă răcirea betonului prin conducte amplasate icircn masiv prin care circulă apă rece
La răcirea interioară cu conducte montate icircn beton are loc o eliminarea a căldurii simultan cu producerea ei icircn procesul de priză producacircndu-se şi o răcire pacircnă la temperatura necesară Pentru răcire se folosesc conducte de oţel cu diametre de 1525 mm montate la distanţe de 1223 m icircn plan orizontal şi de 153 m icircn plan vertical Lungimea conductelor icircntr-un m3 de beton este de 0204 şi a fiecărei serpentine de 140250 m
Debitul apei de răcire ce circulă prin 1 m3 de beton este de (0553) dm3h
Figura 422 Fig 522 Reţea de conducte de răcire a betonului icircn secţiunea unui baraj 1 - galerie pentru măsurători 2 - galerie de conducte de apă de răcire
Serpentinele se montează şi se fixează pe suprafaţă de beton (fig522) Capetele serpentinelor se leagă de o coloană verticală prin mufe metalice sau de cauciuc Diametrul distribuitorului şi al coloanei este cuprins icircntre 150200 mm După montaj aceste conducte se verifică la presiunea de lucru
1 2
Ax
a
ba
raju
lui
Calculul necesarului de frig pentru depozit de fructe
31
Figura 33 Figura16 Schema aparatului de condiţionare a aerului pe timp de vară cu recirculare parţială
F - filtru V - vaporizator C - compressor K - condensator VL - ventil de laminare I - icircncălzitor Vt - ventilator
Procesele de lucru pot fi reprezentate icircn diagrama h-x ca icircn figura următore
Figura 34 Fig17
A reprezintă starea aerului recirculat provenit din spaţiul condiţionat iar E este starea aerului exterior
Aerul tratat icircn aparatul de condiţionare care se introduce icircn incintă avacircnd starea B
trebuie să preia degajările de căldură Qv [kW] şi de umiditate Wv [kgs]
Direcţia procesului suferit de aer icircn incintă este dată de raportul de termoumidificare εv
= Qv Wv
Prin punctul A se trasează dreapta avacircnd raportul de termoumidificare εv iar punctul B se fixează pe această dreaptă adoptacircndu-se o anumită diferenţă de temperatură faţă de starea A
Aerul recirculat A se amestecă cu aerul proaspăt E şi rezultă starea de amestec M De regulă xM gt xB deci aerul va trebui să fie uscat
Pe verticala din B se fixează starea D avacircnd xD= xB şi ᵩD = 90hellip98
Calculul necesarului de frig pentru depozit de fructe
32
Se uneşte M cu D iar apoi se prelungeşte acest segment pacircnă la intersecţia cu ϕ = 100 rezultacircnd starea P avacircnd temperatura tp
Circulacircnd aerul cu starea M peste o suprafaţă rece avacircnd temperatura tp se va obţine procesul de răcire şi uscare MD
Temperatura suprafeţei tp se asigură cu o instalaţie frigorifică a cărei temperature de vaporizare va fi t0 lt tp
Ultimul proces din aparatul de condiţionare va fi icircncălzirea finală DB
Calculul agregatului de condiţionare a aerului pe timp de vară se efectuează asemănător cu cel a agregatului de condiţionare a aerului pe timp de iarnă cu observaţia că pe timp de vară nu este necesară umidificarea
331 Date
Vtotal = 616 m3 tint = 1ᵒC tex = 318 φint = 90 φext = 60 ρaer = 12 [kgm3]
Starea A
tA = ti + 3 = 4deg xA = 00043[kj
kg] φA = 86 hA = 1489[
kj
kg]
Starea B
tB = 1degC xB = 00036 [kj
kg] φB = 90 hB = 1024[
kj
kg]
Starea E
tE = 318degC xE = 00171[kj
kg] φE = 60 hE = 7519[
kj
kg]
Starea M
hM =hE + n ∙ hA
n + 1=
7513 + 20 ∙ 1489
21= 1775[
kj
kg]
xM =xE + n ∙ xA
n + 1=
00171 + 20 ∙ 00043
21= 00049[
kj
kg]
Rezulta din diagrama Mollier
Starea D
hD = 108 [kj
kg] xD = 0003[
kj
kg] φD = 97
Raportul de recirculare n = 20
Debitul de aer ventilat V =Vtotal∙20
24h=
616lowast20
24= 513 [m3h]
Debitul masic m = V ∙ ρaer = 513 lowast 12 =
6156[kg
h]
3600= 0171 [kgs]
tp = minus3degC t0 = tp minus 9degC = minus3 minus 9 = minus12degC
Puterea termica a vaporizatorului ( puterea frigorifică )
ФV = Ф0
Puterea termica a icircncalzitorului
ФI = 119898 ∙ (hB - hD)
Cantitatea de apa condensată icircn unitatea de timp pe suprafața de racire este
Calculul necesarului de frig pentru depozit de fructe
33
ẆV = 119898 ∙ (XM - XD)
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
34
4 Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
Există două domenii principale icircn care se utilizează frigul artificial icircn lucrările de construcţii şi anume
icircngheţarea terenurilor acvifere icircn vederea săpării puţurilor de mină a barajelor a depozitelor de gaze lichefiate etc
prerăcirea componentelor betonului icircn cazul executării unor masive de beton ca de exemplu baraje
41 51 IcircNGHEŢAREA SOLULUI
411 511 CONSIDERAŢII GENERALE PRIVIND IcircNGHEŢAREA SOLULUI
Icircngheţarea artificială a solului reprezintă una dintre cele mai interesante şi icircn acelaşi timp şi importante aplicaţii practice a frigului artificial Totodată este una dintre primele aplicaţii industriale a tehnicii frigului şi care a asigurat o dezvoltare deosebită a industriei extractive Aşa se explică faptul că odată apărută maşina frigorifică cu absorbţie realizată icircn 1859 de către Ferdinand Carre este folosită la săparea primului puţ de mină prin icircngheţarea artificială a rocilor Dar nu numai industria minieră foloseşte icircn ultimul secol procedeul consolidării rocilor la săpararea unor lucrări subterane Lucrări inginereşti de tot genul ca metrouri staţii subterane de pompare rezervoare de gaze lichefiate poduri lucrări portuare şi altele asemănătoare amplasate icircn zone acvifere au fost realizate prin metoda consolidării prin frig a rocilor
Această metodă a consolidării rocilor prin frig artificial realizează icircn jurul lucrării inginereşti subterane un perete icircngheţat protector pe durata lucrărilor de construcţii Acest perete asigură o izolare hidraulică şi icircn acelaşi timp şi o protecţie mecanică Rezistenţa mecanică a rocilor creşte pe măsură ce temperatura lor scade icircncacirct metoda expusă mai sus prezintă avantajul reglării capacităţii portante a peretelui icircngheţat
Apa conţinută icircn terenuri prin icircngheţare capătă proprietăţile cimentului exprimate prin forţele de coeziune mari care apar icircntre cristalele de gheaţă şi grăunţii de rocă
Pentru obţinerea peretelui protector se folosesc sonde de icircngheţare forate pe conturul lucrării subterane şi prin care circulă agentul de răcire care poate fi un agent intermediar ca de exemplu saramura de clorură de calciu sau agentul frigorific de exemplu amoniacul Icircn funcţie de grosimea peretelui şi de rezistenţa mecanică pe care trebuie să o aibă se va alege temperatura agentului de răcire distanţa dintre sonde şi durata de icircngheţare
Instalaţia de consolidare prin frig a rocilor cuprinde trei părţi principale staţia frigorifică reţeaua de distribuţie a agentului de răcire (saramura) şi sondele de icircngheţare a solului
Staţia frigorifică cuprinde instalaţia frigorifică propriu-zisă cu comprimare mecanică de vapori sau prin absorbţie icircntr-o treaptă sau icircn două trepte Icircn funcţie de condiţiile de amplasament ale obiectivului staţia frigorifică poate fi de construcţie staţionară (icircn minerit) sau mobilă (la metrouri)
Reţeaua de distribuţie alcătuită din conducte metalice sau din mase plastice are rolul de a face legătura icircntre staţia frigorifică şi sondele de icircngheţare Pentru reducerea pierderilor de frig reţeaua de distribuţie se izolează termic
Sondele de icircngheţare constituie schimbătorul de căldură subteran prin care se extrage căldura de la terenul supus icircngheţării Icircn fig 51 se prezintă schiţa unei sonde de icircngheţare cu ajutorul saramurii Saramura rece cu temperatura icircntre -10 ordmC pacircnă la -35 ordmC
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
35
coboară prin ţeava interioară şi apoi se icircntoarce prin spaţiul inelar dintre cele două conducte concentrice
Figura 41 Fig 51 Sonda de icircngheţare 1 - şiu (tub scurt de oţel cu pereţi groşi rezistent) 2 - ţeava interioară 3 - ţeava exterioară (burlan de
icircngheţare) 4 - capul sondei
Circulaţia continuă a saramurii prin sonda de icircngheţare face ca rocile ce icircnconjoară sondele inclusiv apa conţinută icircn spaţiile libere să se răcească treptat Icircn jurul sondei icircncepe să se formeze stratul de rocă icircngheţată diametrul cilindrului de teren icircngheţat se măreşte icircn timp Aşa cum s-a arătat icircn capitolul 3 rezultă că dezvoltarea radială a cilindrului de rocă icircngheţată icircn jurul sondei se desfăşoară cu o viteza variabilă de icircnaintare la icircnceput viteza de icircnaintare a frontului de gheaţă este mai mare după care scade icircn timp Apoi se atinge stadiul staţionar de transfer de căldură cacircnd cilindrul nu mai creşte icircn dimensiuni Reiese că distanţa dintre sondele de icircngheţare este determinată de raza maximă a cilindrului de teren icircngheţat Pentru a realiza peretele icircngheţat care să reziste la solicitările la care este supus se impune ca distanţa dintre sondele vecine să fie mai mică decacirct raza maximă a terenului icircngheţat astfel icircncacirct cilindrii formaţi să se unească icircntre ei Icircn fig 52 se prezintă evoluţia icircn timp a icircngheţării terenului icircn jurul sondelor Icircn faza iniţială a icircnceput răcirea dar icircncă nu s-a format teren icircngheţat Icircn faza a II-a (după circa 20 zile) icircn jurul fiecărei sonde se formează cacircte un cilindru de teren icircngheţat fără ca aceştia să se unească Icircn faza a III-a (după circa 30 zile) cilindrii se icircntretaie şi formează peretele protector
Figura 42 Fig 52 Evoluţia cilindrilor individuali de rocă icircngheţată 1 - sonda de icircngheţare 2 - sonda de măsurători termice 3 - teren icircngheţat
Această evoluţie poate fi urmărită cu suficientă precizie prin măsurarea temperaturii masivului cu ajutorul unor sonde de măsurători termice 2 montate la distanţe bine stabilite de sondele vecine de icircngheţare Astfel icircn faza I-a temperatura este cea iniţială deci neafectată de prezenţa sondelor icircn faza a II-a temperatura este mai scăzută dar mai mare de 0 ordmC Cum icircn practică sondele de icircngheţare au o abatere de la poziţia verticală (sau de la cea impusă prin proiect) sondele de măsurători termice sunt prevăzute icircntre sondele
I II III
1
2 2 2
3 3
SARAMURĂ CALDĂ
IEŞIRE
INTRARE SARAMURĂ A E RECE
1
2
3
4
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
36
cele mai distanţate icircntre ele acolo unde evoluţia peretelui de protecţie este cea mai defavorabilă
Primele realizări inginereşti de consolidare prin frig artificial a terenurilor acvifere metodă prin care vor fi aduse la lumină multe bogăţii subterane sunt legate de numele inginerului de mine şi metalurgie Friederich Herman Poetsch El a obţinut icircn 27 februarie 1883 brevetul pentru procedeul său de adacircncire a puţurilor verticale icircn roci bogate icircn apă (şi curgătoare) Poetsch a reuşit să experimenteze procedeul său la adacircncirea unor puţuri de mină dar a avut şi multe insuccese icircncacirct la 9 iunie 1902 moare sărac şi dezamăgit Metoda de icircngheţare prin frig artificial a terenurilor a avut mare succes icircn Franţa Astfel numai icircn perioada 1892 - 1898 icircn bazinele carbonifere Nord şi Pas de Calais s-au săpat circa 20 puţuri pacircnă la o adacircncime de 100 m prin aplicarea metodei icircngheţării după planurile lui Poetsch
Desigur că nu ar putea fi omis numele lui Louis Gebhard care realizează numeroase lucrări de adacircncire a puţurilor prin icircngheţare atacirct icircn Germania cacirct şi icircn Franţa Anglia Olanda şi Polonia ceea ce face ca metoda propusă de Poetch să devină o tehnologie demnă de toată icircncrederea cu siguranţă absolută şi cu un mare randament
Gebhard un mare practician icircncepe sa folosească icircn locul instalaţiilor cu absorbţie realizate de F Carre pe cu cele cu comprimare mecanică de vapori realizate de Karl von Linde cu icircncepere din anul 1874
Poetsch icircn 1888 prevede extinderea procedeului de icircngheţare la construcţia podurilor la construcţii navale lucrări de fortificaţii la protecţia fundaţiilor subterane şi a bazinelor cu apă El susţine că poate să rezolve orice problemă sub apă chiar şi puţuri icircncepute şi abandonate
Icircn anul 1900 se depăşeşte bariera adacircncimii de 100 m Realizarea unor puţuri mai adacircnci (peste 100 m) ridică unele probleme icircn plus faţă de puţurile de mai mică adacircncime deoarece abaterile de la verticalitate pot conduce la formarea unor ferestre icircn peretele protector
Icircn ţara noastră această tehnologie de forare a unor puţuri de mină cacirct şi a galeriilor de metrou prin icircngheţarea solului a fost folosită cu icircncepere din anul 1961 aşa cum se prezintă icircn paragraful 513
412 512 CONSTRUCŢIA INSTALAŢIEI DE IcircNGHEŢARE A SOLULUI
Icircn funcţie de forma şi mărimea lucrării care se realizează la adăpostul terenului icircngheţat principial se pot utiliza următoarele tipuri de instalaţii
a) cu răcire indirectă denumită şi cu dublu schimb (fig53)
b)cu răcire directă icircn circuit icircnchis (fig 54)
c)răcire directă icircn circuit deschis (fig55)
a) Răcirea indirectă se utilizează icircn practică cel mai mult fiind cunoscută icircncă de la icircnceputurile metodei de icircngheţare a solului
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
37
Figura 43 Fig 53 Instalaţia frigorifică cu răcire indirectă 1 - compresor 2 - condensator3 - ventil de laminare 4 - vaporizator 5 - bazin de răcire a saramurii 6
- agitator 7 - pompă de saramură 8 - sonde de icircngheţare
Ca agent frigorific se poate folosi amoniacul sau freonii iar ca agent intermediar se utilizează soluţiile de clorură de calciu clorura de sodiu sau magneziu sărurile respective fiind relativ uşor de procurat
Instalaţiile frigorifice cuprind unul sau mai multe blocuri frigorifice Acest mod de compunere prezintă avantaje icircn ceea ce priveşte montarea cacirct şi exploatarea instalaţiilor se poate asigura o reducere icircn trepte a puterii frigorifice pe măsură ce creşte rezistenţa termică a stratului de teren icircngheţat
Componentele principale ale instalaţiei frigorifice se montează grupat pe cele trei secţiuni secţia de compresoare secţia condensatoarelor şi secţia vaporizatoarelor De regulă compresoarele se montează fie icircn aer liber atunci cacircnd tipul lor permite fie acoperite sub şarpante protectoare
Pe măsură ce se scot din funcţiune blocurile frigorifice se demontează şi se pot monta la un nou obiectiv
b) Răcirea directă icircn circuit icircnchis (fig 54) se utilizează icircn cazul icircn care adacircncimea de icircngheţare este mică
Figura 44 Fig 54 Instalaţia frigorifică cu răcire directă icircn circuit icircnchis 1 - compresor 2 - condensator 3 - ventil de laminare 4 - sonde de icircngheţare
Sondele de icircngheţare constituie vaporizatorul instalaţiei frigorifice Icircn cazul unor sonde de lungime mare icircnălţimea coloanei de agent frigorific este de asemenea mare Ca urmare a presiunii hidrostatice variabile şi temperatura de vaporizare este variabilă fiind mai mare
1
2
1111111 Apă
3
4
1
2
Apă 3
4
5
6
7
8
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
38
la capătul inferior şi mai mică la capătul superior Din acest motiv adacircncimea sondelor de icircngheţare nu poate depăşi anumite limite şi icircn plus se recurge la fragmentarea coloanei de lichid cu ajutorul unor pereţi despărţitori
Pierderile de agent frigorific mai mari decacirct icircn cazul răcirii indirecte reprezintă un alt inconvenient al acestui mod de răcire
c) Răcirea directă icircn circuit deschis constă icircn introducerea agentului frigorific (cel mai frecvent azot lichid) icircn sondele de icircngheţare fără ca acesta să mai fie folosit după vaporizare
La presiunea atmosferică azotul lichid fierbe la temperatura de -196 ordmC icircncacirct vaporii reci de azot icircnainte de a fi evacuaţi se folosesc de asemenea pentru congelarea solului fiind circulaţi prin sonde de icircngheţare (Fig 55)
Figura 45 Fig 55 Icircngheţarea cu azot lichid icircn două trepte 1 - ventil de laminare 2 - sonda de icircngheţare 3 - sonda de icircngheţare cu vapori de azot
Această metodă se foloseşte cacircnd se urmăreşte o icircngheţare rapidă şi volumul de teren icircngheţat este redus
Se vor prezenta icircn continuare unele elemente constructive ale instalaţiilor de icircngheţare
Reţeaua de saramură (fig 56) are rolul de a asigura transferul de căldură de la sol către agentul frigorific Cuprinde două schimbătoare de căldură cel subteran alcătuit din sondele de icircngheţare şi cel de suprafaţă reprezentat de vaporizatorul imersat icircn saramură Icircntre cele două schimbătoare de căldură există conducte magistrale distribuitoare - colectoare şi racorduri la sonde
Saramura răcită prin intermediul vaporizatorului 1 este circulată cu pompa 2 prin magistrala de tur a reţelei 3 Sondele de icircngheţare 5 se leagă prin vane la distribuitorul 4 şi colectorul 6 ambele de construcţie inelară Printr-o asemenea construcţie şi mod de legare a sondelor prezentate icircn figura 56 se asigură o echilibrare a căderilor de presiune pe sondele de icircngheţare şi ca urmare o alimentare uniformă cu agent intermediar şi deci şi o răcire uniformă pentru toate sondele
1
2
AZOT LICHID
VAPORI
AZOT -40OC
3
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
39
Figura 46 Fig 56 Schema reţelei de saramură 1- vaporizatorul 2 - pompa de saramură 3 - magistrala de tur 4 - distribuitorul inelar 5 -sondele de
icircngheţare 6 - colectorul inelar 7 - magistrale de retur M - manometru D - debitmetru T - termometru
Magistralele 3 şi 7 de acelaşi diametru şi lungime variabilă (determinată de o serie de factori) se pot monta atacirct la suprafaţă cacirct şi icircn canal
Magistralele se dimensionează icircn funcţie de puterea frigorifică a schimbătorului de căldură subteran alcătuit din sondele de icircngheţare
F0 qNHd [W] (51)
unde d - diametrul exterior al sondei de icircngheţare m
H - adacircncimea de icircngheţare m
N - numărul de sonde de icircngheţare
qF - densitatea fluxului termic raportat la suprafaţa exterioară a sondei La temperatura saramurii de - 20 ordmC se poate considera qF = (260290) Wm2
Debitul volumic V de agent intermediar icircn reţeaua de icircngheţare icircn funcţie de care se aleg
pompele se determină cu relaţia
tc
V o
(52)
icircn care este densitatea agentului intermediar kgm3
c - căldura specifică a agentului intermediar JkgK
t - creşterea temperaturii agentului (saramura) icircn sondele de icircngheţare K
La icircnceputul perioadei de răcire diferenţa de temperatură este t = 56 K ca apoi să scadă la 12 K
Icircn conductele magistrale se recomandă ca viteza saramurii să fie w = 0915ms
Icircn acest caz diametrul conductelor de transport a saramurii este dat de relaţia
w
V4D
[m] (53)
Icircn funcţie de valoarea determinată pentru D se aleg conducte metalice de diametru nominal cuprins icircntre 75200 mm Dacă rezultă D gt 200 mm se vor alege două conducte cu diametrul mai mic de 200 mm
2
T
T
M
M D
D
NH
3
3
4
6
5
7
1
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
40
Conductele magistrale se realizează prin icircmbinări cu flanşe sau sudate iar la lungimi mai mari de 100150 m se vor prevedea coturi compensatoare Pentru reducerea pierderilor de frig magistralele vor fi izolate termic
Distribuitorul de saramură răcită şi colectorul de saramură de la sonde sunt construcţii metalice identice
Icircn figura 57 se prezintă modul de racordare a sondelor de icircngheţare 5 la distribuitorul 1 şi colectorul 2 Vanele 3 asigură icircnchiderea deci oprirea circulaţiei şi reglajul debitului Prin aceste vane se poate izola o anumită sondă care nu funcţionează normal sau la care se observă o anumită defecţiune
Figura 47 Fig 57 Racordarea sondelor de icircngheţare la distribuitor şi colector 1 - distribuitor 2 - colector 3 - vane 4 - racord elastic 5 - sonda de icircngheţare
Poziţia distribuitorului şi colectorului faţă de racircndul sondelor de icircngheţare poate fi laterală de o singură parte sau laterală de ambele părţi ale sondelor Amplasamentul trebuie astfel făcut icircncacirct să fie posibilă vizitarea supravegherea şi eventual icircnlocuirea sondelor de icircngheţare
Racordarea sondelor la distribuitor şi colector se face prin cacircte un racord elastic (fig 57) Dimensionarea distribuitoarelor şi a colectoarelor se face din condiţia ca viteza saramurii să nu depăşească 0915 ms
Coloanele de distribuţie şi colectare urmăresc icircn teren forma şirului de sonde de icircngheţare şi pot avea acelaşi traseu sau trasee diferite Configuraţia traseului poate fi icircn linie sau circulară Icircn oricare din situaţiile prezentate distanţele dintre ştuţurile de racord şi sondele de icircngheţare sunt variabile astfel icircncacirct racordurile rigide prin flanşe şi sudură sunt greu de realizat Cea mai practică soluţie de racord icircn acest caz este furtunul de cauciuc (fig 57)
Icircn reţeaua de saramură poate pătrunde aer prin procesul de pompare ceea ce conduce la intensificarea acţiunii corosive a saramurii Icircn scopul icircndepărtării aerului nedorit pe partea superioară a conductelor icircn punctele cele mai ridicate ale acestora se montează robineţi de evacuare periodică a aerului şi eventual a altor gaze
Pe conductele magistrale se vor monta aparate de măsură şi control debitmetre termometre şi manometre (fig 56) Icircn acest caz se poate aprecia funcţionarea fiecărei sonde după depunerile exterioare de gheaţă pe racordul metalic sau de cauciuc lăsate neizolate termic tocmai icircn acest scop Icircn scopul urmăririi regimului de lucru sub aspect
5
4
1
2 3
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
41
hidraulic şi termic icircn mod individual se pot monta aparate de măsură şi control pe fiecare sondă de icircngheţare dar această soluţie este mai costisitoare
Sonda de icircngheţare realizează transferul de căldură de la terenul ce urmează a fi icircngheţat spre agentul frigorific (la răcirea directă) sau agentul intermediar (la răcirea indirectă)
Icircn figura 51 s-a prezentat schema de principiu a unei sonde de icircngheţare cu saramură activă pe toată lungimea Conducta exterioară sau burlanul de icircngheţare 3 este o conductă din oţel etanşă şi rezistentă la eforturile mecanice care apar datorită presiunii solului şi variaţiei de temperatură icircntre momentul fixării ei icircn sol şi cel al funcţionării la o temperatura sub 00C
Icircn procesul de icircngheţare coloana de burlane care poate atinge lungimi de sute de metri se contractă icircnsă nu liber deoarece ea este stracircnsă icircn masivul de roci La o variaţie de temperatură icircntre momentul iniţial (fără saramură) şi momentul pornirii circulaţiei de saramură de 400C conducta din oţel de 500 m adacircncime ar trebui să se contracte cu
tHH = 500 11 10-6 40 = 0220 m = 22 cm
Datorită fixării coloanei icircn gaura forată efortul unitar de icircntindere ce apare icircn urma scăderii temperaturii este
tE = 22 1010 11 10-10 40 = 968 105 Nm2 = 9680 Ncm2
La acest efort de icircntindere apărut datorită contracţiei coloanei se mai adaugă efortul de acelaşi semn provocat de dilatarea masivului de rocă acviferă icircngheţată Icircn scopul compensării eforturilor de icircntindere s-a propus icircmbinarea coloanei cu nipluri elastice O asemenea soluţie este mai scumpă şi icircn plus micşorează secţiunea liberă de curgere ceea ce conduce la icircncălzirea excedentară a saramurii
La lucrări subterane de mare adacircncime ca puţurile de mină depozite subterane se folosesc burlane de 1397 x 7 mm pentru a fi posibilă determinarea abaterii de la poziţie verticală
La tunelurile de metrou şi icircn general la lucrările la care adacircncimea de icircngheţare nu depăşeşte 50 - 60 m diametrul cel mai frecvent utilizat este 1143 x 7 mm
Ţeava interioară 2 (fig 51) numită şi tub de alimentare de regulă ţeava uşoară de instalaţii de 50 mm diametrul se introduce icircn burlanul exterior 3 fără icircnsă a atinge şiul de bază 1 al sondei Se asigură icircn acest mod un volum minimal de depuneri solide care circulă cu saramura icircn mod incidental Icircn scopul economisirii de metal tubul de alimentare poate fi din material plastic ceea ce prezintă marele avantaj al lipsei coroziunii şi al refolosirii materialului respectiv
Şiul de fund are rolul de a asigura icircnchiderea burlanului exterior icircn partea sa inferioară Cel mai adesea are formă conică pentru a asigura introducerea cu uşurinţă a coloanei metalice icircn gaura de sondă Această componentă a sondei de icircngheţare se execută fie prin turnare sau se confecţionează cu ajutorul sudurii
Corespunzător profilului geologic al terenului icircn care se lucrează se icircntacirclnesc şi cazuri cacircnd nu este nevoie să se icircngheţe terenul pe toată icircnălţimea sondelor ci numai la partea lor inferioară Icircn acest caz se folosesc sonde de icircngheţare zonală (fig 58) cu ajutorul cărora se asigură congelarea doar a zonei inferioare ceea ce prezintă avantaje economice deosebite nu se consumă energie pentru a icircngheţa icircn mod inutil formaţiuni geologice consistente şi uscate şi nu se reduce ritmul lucrărilor de săpare printr-o eventuală mărire a rezistenţei rocilor
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
42
Figura 48 Fig 58 Sonda de icircngheţare zonală
1 - burlan exterior 2 - tub de alimentare 3 - şiu 4 - tub de evacuare
Figura 49 Fig59 - Sonda de icircngheţare cu agent
frigorific 1 - tub exterior 2 - perete despărţitor 3 - şiu 4 -
ştuţ (ţeavă de preaplin) 5 - condensator - vaporizator
Icircn cazul răcirii directe sondele de icircngheţare cu agent frigorific sunt de construcţie specială (fig 59) Particularitatea acestor sonde este prezenţa pereţilor despărţitori 2 dispuşi unul sub celălalt la circa 3 m fiecare perete fiind prevăzut cu un ştuţ de preaplin O asemenea construcţie are rolul de a fracţiona coloane de lichid ceea ce asigură o răcire mai uniformă pe lungimea sondei
Fiecare sondă este prevăzută la partea superioară cu cacircte o cămaşă de răcire Sondele se umplu cu amoniac lichid icircntr-o asemenea cantitate icircncacirct fiecare secţie să fie icircnecată cu lichid respectiv pacircnă la partea superioară a ştuţurilor 4 Ca urmare a fluxurilor de căldură de la sol se produce fierberea amoniacului icircn toate secţiile sondei Vaporii formaţi se ridică prin ştuţurile 4 şi ajungacircnd la partea superioară a sondei se condensează cedacircnd căldură agentului (amoniac) din cămăşile de răcire
Ca urmare cămăşile de răcire de la partea superioară a sondelor constituie vaporizatorul instalaţiei frigorifice Amoniacul care se condensează la partea superioară a sondei curge icircnapoi (de sus icircn jos) prin ştuţurile 4 Folosirea pereţilor despărţitori şi a ştuţurilor micşorează influenţa presiunii hidrostatice a lichidului asupra temperaturii de vaporizare a amoniacului Asemenea sonde de icircngheţare se folosesc pentru lucrări de mică adacircncime
Amplasarea sondelor se face icircn funcţie de o serie de factori formă poziţia şi dimensiunile lucrării care se realizează structura terenului temperatura şi viteza agentului etc
Icircn cazul puţurilor de mină de secţiune circulară sondele se amplasează pe un cerc
concentric de diametru D mai mare decacirct diametrul de săpare Ds cu grosimea a peretelui icircngheţat
sDD (54)
Trebuie să se ţină seama şi de deviaţia sondelor de la poziţia verticală icircncacirct pentru adacircncimi mari se utilizează relaţia
3
2 4
1
VAPORI 5 LICHID
3
2
4 1
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
43
a21DD s (55)
unde a = 003 H este abaterea medie statistică de la verticală a sondelor
Distanţa dintre sonde se ia de obicei de 1014 m icircn terenuri rezistente şi de 0809 m icircn terenuri slabe
Pentru adacircncimi de peste 500 m se recomandă să se dispună sondele pe două cercuri concentrice pentru a se forma un perete de grosime mai mare şi deci mai rezistent
La icircngheţarea terenului icircn jurul puţurilor de secţiune dreptunghiulară sondele se pot dispune pe dreptunghi sau elipsă Icircn aceste situaţii centura de teren icircngheţat poate fi solicitată la icircntindere ceea ce este de nedorit deoarece limita de rezistenţa la icircntindere a terenurilor icircngheţate este de circa 3 ori mai mică decacirct limita rezistenţei la compresiune Din acest motiv chiar şi la puţurile de mină de secţiune dreptunghiulară sondele se dispun pe unul sau două cercuri (fig 510)
Pentru realizarea galeriilor icircnclinate icircngheţarea terenului se realizează cu sonde verticale (fig 511) sau combinat atacirct cu sonde verticale cacirct şi cu sonde icircnclinate (fig 512)
Distanţa dintre sondele verticale (fig 511) se ia de 23 m iar distanţa dintre racircnduri este de 1525 m
Se poate folosi cacircte un racircnd de sonde icircnclinate montate deasupra galeriei (fig 212 a) sau sonde icircnclinate sub galerie şi sonde verticale scurte deasupra galeriei (fig 512 b)
SONDA
154 m
16
6 m
226
262
85
SONDA
Figura 411 Fig 511 Amplasarea sondelor verticale pentru realizarea galeriei icircnclinate
Figura 411 Fig 510 Dispunerea sondelor icircn jurul puţurilor de mină de secţiune
dreptunghiulară
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
44
Figura 412 Fig 512 Realizarea galeriilor icircnclinate cu sonde verticale (1) şi sonde oblice (2)
I - secţiunea longitudinală II - secţiunea transversală a) sonde icircnclinate deasupra galeriei b) sonde icircnclinate sub galerie
413 513 UTILIZAREA METODEI DE IcircNGHEŢARE A SOLULUI IcircN ŢARA NOASTRĂ
a)Puţuri de mină
Aplicarea metodei de icircngheţare a solului pentru lucrări de minerit a avut loc la noi icircn ţară icircncepacircnd cu anul 1960 la puţul Godeni din bazinul carbonifer Cacircmpulung - Muscel Proiectul a fost elaborat icircn anul 1959 la IPROMIN Bucureşti iar lucrarea a fost executată cu Trustul Minier Argeş avacircnd icircn subantrepriză de specialitate Icircntreprinderea Frigotehnica Bucureşti şi Trustul de prospecţiuni explorări şi deschideri de mine noi Bucureşti
Adacircncimea de săpare a puţului Godeni a trebuit sa fie de 202 m Sondele de icircngheţare constituite din două ţevi concentrice (fig 51) cu diametrele exterioare de 146 mm şi respectiv 57 mm icircn număr de 27 au fost amplasate pe un cerc cu diametrul de 10 m la distanţa de 117 m una de alta
Instalaţia frigorifică a fost dimensionată cu mare precauţie pentru a avea o siguranţă mărită icircn funcţionarea ei Toate părţile componente ale instalaţiei frigorifice au fost proiectate şi executate icircn ţară
La proiectarea instalaţiei s-a avut icircn vedere funcţionarea de scurtă durată şi variaţia puterii frigorifice icircn timp S-a utilizat răcirea indirectă cu soluţie de clorură de calciu iar ca agent frigorific a fost folosit amoniacul Pentru a avea elasticitatea necesară icircn funcţionare la diferite puteri frigorifice au fost folosite grupuri de utilaje frigorifice şi anume
6 compresoare 4 AU - 20 (200000 kcal Nh =233 kW fiecare)
3 baterii de condensatoare atmosferice a cacircte 300 m2 (900 m2)
bazine pentru răcirea saramurii fiecare cu cacircte 2 vaporizatoare superintensive de 50 m2 (600 m2)
2 grupuri a cacircte 5 pompe pentru recircularea saramurii
Puterea frigorifică a instalaţiei montate a fost de 12106 kcal Nh =1395 kW şi s-a caracterizat prin următoarele date tehnice la exploatare
85
1
2
I 85
1
2
I
85
1
2
II
85
1
2 II
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
45
o suprafaţa de schimb de căldură a sondelor 2500 m2 o puterea instalaţiei 750 kW o debitul saramurii icircn
o icircn perioada activă 350 m3h o icircn perioada pasivă 70 m3h
o viteza de circulaţie a saramurii icircn sondă o tur 18 ms 036 ms o retur 029 ms 006 ms
o volumul rocilor icircngheţate circa 10000 m3 o consumul specific de frig mediu 50000 m3 o durata icircngheţării (perioada activă) 130 zile
Icircn timpul răcirii şi deci a icircngheţării solului puterea frigorifică scade icircn mod continuu icircncacirct treptat s-a scos din funcţiune cacircte un compresor icircn perioada pasivă (de săpare a puţului) s-a menţinut icircn lucru doar un singur compresor şi grupul de utilaje aferent
După terminarea lucrărilor de la puţul Godeni icircn anii următori aceeaşi instalaţie s-a montat la puţul Poenari din acelaşi bazin carbonifer unde sondele au fost amplasate pe un cerc cu diametrul de 11 m la distanţa de 128 m una de alta
Un alt puţ realizat prin această tehnologie de icircngheţare a solului a fost puţul Jugur de la acelaşi bazin carbonifer Centrala frigorifică a cuprins 15 compresoare 3 AV - 20 (150000 kcal Nh fiecare=175kW) repartizate icircn 5 linii tehnologice independente cu icircntreg utilajul aferent Fiecare linie este compusă din
o butelie de răcire intermediară BRI - 700 un condensator cu evaporare forţată CEF - 180 un bazin cu patru grupuri vaporizatoare intensive de cacircte 165 m2 (icircn total 66 m2)
Sondele de icircngheţare icircn număr de 27 bucăţi au fost prevăzute să se amplaseze pe un cerc cu diametrul de 104 m la distanţă de 121 m Sondele sunt de tipul celei indicată icircn figura 58 deci cu răcire zonală avacircnd următoarele caracteristici diametrul exterior al burlanului este de 146 mm iar tuburile interioare au 57 mm (la exterior) tubul de alimentare are lungimea de 430 m iar cel de evacuare este de 220 m Ca urmare sondele de icircngheţare trebuie să producă icircngheţarea solului numai pe adacircncimea de la 220 m la 430 m Prin proiect s-au prevăzut următoarele date temperatura saramurii - 35 ordmC viteza saramurii icircn conducte de tur 18 ms viteza icircn conducte de retur (pe adacircncimea de răcit) 06 ms durata icircngheţării (perioada activă) a fost de 75 zile
Au fost prevăzute temperaturi scăzute şi viteze mari de congelare deoarece cilindrul icircngheţat trebuie să preia presiuni de pacircnă la 56 bar
b)Tunelurile pentru metroul din Bucureşti
Icircncepacircnd cu anul 1976 pentru realizarea metroului din Bucureşti s-a procedat la aplicarea metodei de icircngheţare a solului icircntr-o zonă considerată experimentală dar cu realizări efective de galerii
Prin proiect s-a prevăzut consolidarea prin icircngheţare artificială a profilului de săpare a tunelurilor de metrou pe o lungime de circa 550 m pe ambele fire Amplasamentul sondelor s-a făcut icircn două variante (pentru experimentare) pentru un fir de tunel ambele racircnduri de sonde s-au fixat icircn profilul circular de săpare iar pentru cel de al doilea fir de tunel sondele au fost forate icircn afara profilului de icircnaintare (fig 513) Au fost folosite sonde cu saramură cu posibilitatea de icircngheţare pe toată icircnălţimea de 16 m cacirct şi sonde cu icircngheţare zonală icircntre adacircncimile de 7 m şi 16 m Distanţa dintre sonde a fost fixată la 14 m
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
46
Pentru a se icircmpiedica accesul apelor icircn frontul de săpare datorate unor eventuale zone neicircngheţate traseul de tunel icircngheţat a fost icircmpărţit icircn incinte icircnchise prin timpane transversale La distanţe de 3050 m icircn lungul traseului au fost montate sonde de icircngheţare aşezate icircn plan normal pe axul tunelului prin care să se icircnchidă accesul apelor spre frontul de săpare
Echipamentul frigorific principal cuprinde
- 8 compresoare frigorifice 3 AV - 20 funcţionacircnd icircntr-o treaptă pentru care
corespunde puterea frigorifică de 12 106 kcal Nh =1395 kW
- 4 condensatoare de evaporare forţată CEF - 250
- 3 bazine de răcire a saramurii echipate cu cacircte 4 grupuri de vaporizatoare superintensive de cacircte 51 m2 (total 612 m2)
- 3 grupuri de cacircte 2 pompe a 220 m3h pentru circulaţia saramurii pe traseele de distribuţie şi prin sonde
Figura 413 Fig513 Amplasamentul sondelor de icircngheţare
Centrala frigorifică este stabilă adăpostită icircntr-o baracă metalică demontabilă existacircnd posibilitatea de reamplasare rapidă a instalaţiei icircntr-un alt loc Agentul frigorific utilizat este amoniacul iar agentul intermediar este clorura de calciu
Icircn perioada principală de icircngheţare temperatura de vaporizare este to = -22 ordmC asiguracircnd răcirea saramurii la -17 ordmC iar pe retur saramura a avut temperatura cu 15 ordmC mai ridicată
La o asemenea lucrare realizată icircn oraş se impune protejarea contra icircngheţului a straturilor de deasupra galeriilor icircn care sunt amplasate instalaţiile de apă - canal ceea ce presupune folosirea sondelor cu icircngheţare zonală care să nu fie active la partea superioară
c) Puţuri pentru prospectarea balastierelor
Procedeul şi instalaţia frigorifică au avut caracter de noutate şi s-a aplicat icircncepacircnd cu anul 1966 la mai multe obiective icircn general pe văile racircurilor unde s-au construit hidrocentrale
A
A B
B
A-A
000 -300 -700 -1061 -1300
65
800
B-B
000 -300 -700 -1061 -1300
65
550
ARGILA
ARGILA
NISIP
NISIP
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
47
Echipamentul frigorific principal cuprinde un agregat frigorific pentru amoniac de 20000 kcal Nh = 233 kW rezervor de amoniac separator de lichid şi anexe - toate fiind montate pe o remorcă
S-au folosit sonde de icircngheţare cu agent frigorific icircn număr de 8 bucăţi cu diametrul exterior de 133 mm montate pe un cerc cu diametrul de 2 m la distanţa de 076 m lungimea lor fiind de 75 m Legarea sondelor la distribuitor şi colector s-a făcut cu racorduri flexibile
Sondele au o construcţie specială fiind prevăzute cu 4 pereţi transversali cu ştuţuri de preaplin formacircndu-se astfel 5 compartimente Agentul lichid se introduce icircn compartimentul cel mai de sus şi se scurge prin ştuţuri pacircnă la baza sondei Conducta de aspiraţie străbate toate compartimentele vaporii fiind aspiraţi din compartimentul cel mai de jos Circulaţia vaporilor formaţi se face ca şi a lichidului de sus icircn jos obţinacircndu-se astfel o răcire uniformă şi eficientă pe toată icircnălţimea sondei
Durata icircngheţării respectiv a formării centurii de teren icircngheţat la adăpostul căreia să se poată efectua săparea şi preluarea de probe de sol este de 10 zile
414 514 CAcircMPUL DE TEMPERATURĂ IcircN SOLUL IcircNGHEŢAT
Cacircnd prin sonda de icircngheţare circulă saramură a cărei temperatura este sub 0 ordmC practic - 20 ordmC-25 ordmC icircn jurul sondei se formează un cacircmp termic care icircn cazul unei singure sonde poate fi reprezentat prin suprafeţe cilindrice coaxiale de temperatură constantă (izoterme)
După distanţa radială se deosebesc icircn sol din punct de vedere termic trei zone zona cilindrică din imediata vecinătate a sondei care este icircn zona icircngheţată zona răcită cuprinsă icircntre suprafaţa cilindrică izotermă de 0 ordmC şi izoterma de temperatură naturală şi a treia zonă cea de temperatura naturală (fig 514)
Icircn zona icircngheţată temperatura masivului variază de la temperatura peretelui metalic al sondei pacircnă la 0 ordmC Icircn zona răcită temperatura masivului creşte de la 0 ordmC pacircnă la temperatura naturală a masivului
Figura 414 Fig 514 Cacircmpul de temperatură icircn jurul unei sonde de icircngheţare
Este important să se cunoască cacircmpul termic icircn terenul supus icircngheţării deoarece acesta oferă date privind zona de răspacircndire a consolidării rocilor prin solidificarea apei cacirct şi a
t [oC]
r [m]
t (r)
ZONA RACITA
ZONA INGHETAT
A
ts TEMPERATURA NATURALA A ROCII
-20
-10
40
10 0 20 30
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
48
rezistenţei mecanice a rocii icircngheţate Se cunoaşte faptul că rezistenţa mecanică depinde direct de temperatură
Studiul variaţiei temperaturii icircn zona de influenţă a unei sonde şi a tuturor sondelor simultan oferă posibilitatea calculării dimensiunilor la proiectarea construcţiei peretelui protector cacirct şi controlul procesului icircn timpul desfăşurării lucrărilor
Pentru a se stabili relaţia de variaţie a temperaturii icircn zona icircngheţată icircn funcţie de raza r se consideră ecuaţia diferenţială
dr
dtr2q (56)
icircn care q este fluxul unitar de căldură corespunzător lungimii de 1 m din sonda de icircngheţare Wm
- conductivitatea termica a terenului Wm
Integrarea directă a ecuaţiei analitice se poate face icircn ipoteze simplificatoare consideracircnd
= const şi q = const ceea ce este justificat la valori mari ale timpului de răcire
Se separa variabilele
r
dr
2
qdt
(57)
Se consideră cunoscute temperaturile t1 la suprafaţa sondei de raza r1 și t2 = 0 ordmC la raza r2 corespunzătoare suprafeţei exterioare a cilindrului icircngheţat Se integrează ecuaţia (6-7) și cunoscacircnd limitele de integrare se va determina constanta de integrare
Cr ln2
qt
(58)
pentru r = r1 t = t1 deci
11 rln2
qtC
(59)
1
1r
rln
2
qtt
(510)
Se pune condiţia ca pentru r = r2 t = t2
1
212
r
rln
2
qtt
(511)
Se elimina q intre relaţiile (510) și (511) şi se obţine
1
2
1121
r
rln
r
rln
tttt (512)
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
49
Figura 415 Fig 515 Schema schimbătorului de căldură subteran
Pentru t2 = 0 ordmC relaţia (5-12) devine
)rrln(
)rrln(tt
12
21 (513)
Icircn figura 515 se prezintă o secţiune axială printr-o sondă de icircngheţare şi variaţia temperaturii icircn limitele t0 - temperatura agentului de răcire şi ts - temperatura naturală a solului
Cantitatea de căldură transferată de la masivul neicircngheţat spre agentul de răcire prin unitatea de lungimea de conducta şi unitatea de timp se calculează cu expresia
221
2
1o
1
moo
os
d
1
d
dln
1
d
dln
2
1
d
1
ttq
(514)
Icircn calculele inginereşti cel mai frecvent se determină nu fluxul termic pe unitatea de lungime a conductei ci fluxul termic qF raportat la unitatea de suprafaţă a conductei metalice la 1 m2 de suprafaţa exterioară sau interioară Mărimea qF se calculează astfel
22
o
1
2
1
o
o
1
m
o
o
oS
o
F
d
d
d
dln
2
d
d
dln
2
d1
tt
d
(515)
Fluxul termic qF prin unitatea de suprafaţă a sondei de icircngheţare calculat pentru adacircncimea de 100 m icircn regim laminar de curgere a agentului de răcire prin spaţiul inelar al sondei cu viteza w = 01 ms la diametre ale cilindrului de rocă icircngheţata
de la 02 la 3 m pentru to = -20 ordmC do = 01 m 1 = 233 WmK variază de la 720 la 230 Wm2 aşa cum se poate observa din figura 516 şi tabelul 51
d2
d1
d0
t
qF
t0
t2
t1 2
m 1
m
ts
Conducta Teren icircngheţat Teren
neicircngheţat
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
50
Figura 416 Fig 516 Variaţia fluxului termic qF prin unitatea de suprafaţă a sondei de icircngheţare 1 - regim turbulent 2 regim laminar
Tabelul 51Variaţia fluxului termic qF [Wm2]
Diametrul cilindrului de rocă icircngheţată icircn m
02 04 05 08 10 15 20
qF regim laminar 1160 550 387 330 302
qF regim laminar 720 465 423 350 321 283 258
Se observă ca densitatea fluxului de căldura qF scade foarte mult de la 800900 Wm2 la icircnceputul operaţiei de consolidare prin frig a rocilor pacircnă la 230250 Wm2 cacircnd cilindrul de rocă icircngheţata atinge diametrul de 23 m Ca urmare a acestei situaţii şi puterea frigorifică a instalaţiei va scădea icircn decursul a 6080 zile tot cu raportul de 800230 = 35
Instalaţia frigorifică va fi constituită din grupuri de utilaje (module) ce vor fi scoase treptat din funcţiune pe măsură ce se reduce densitatea fluxului de căldură qF ca urmare a creşterii grosimii stratului de teren icircngheţat Icircn practică pentru calcule se va considera qF = (260290) Wm2
O mărime importanta pentru proiectarea instalaţiei şi aprecierea procesului de consolidare a rocilor este timpul de icircngheţare Pentru calculul duratei de icircngheţare se pot folosi relaţiile prezentate icircn capitolul 3 la formarea gheţii pe suprafeţe cilindrice exterioare La aprecierea valorii pentru ls - căldura latentă de solidificare se avea icircn vedere conţinutul de apă din terenul supus icircngheţării
Dacă icircntre relaţiile pentru dependenţele (r) şi qF(r) se elimină r se obţine dependenţa
qF() Eliminarea nu se poate face direct ci fie cu ajutorul calculatorului fie printr-o construcţie grafică prezentată icircn figura 517
Studiul variaţiei temperaturii icircn solul icircngheţat cacirct și variaţia icircn timp a densităţii fluxului de căldura se poate face cu ajutorul calculatorului electronic
1200
1000
800
600
400
200
0 05 1 15 2 25 3
qF [Wm2]
Diametrul cilindrului de rocă icircngheţată [m]
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
51
Figura 417 Fig 517 Stabilirea dependentei qF() pe baza dependentelor qF(r) și (r)
415 515 ELEMENTE DE PROIECTARE A INSTALAŢIEI FRIGORIFICE PENTRU IcircNGHEŢAREA SOLULUI
Pentru proiectarea instalaţiei frigorifice trebuie sa se stabilească la icircnceput elementele de baza și anume
- puterea frigorifică maximă care apare la icircnceputul perioadei de răcire cacircnd pătrunderile de căldura spre agentul de răcire din sondele de icircngheţare au valori mai mari temperatura de vaporizare a agentului frigorific plecacircnd de la temperatura minimă sau medie din solul icircngheţat şi avacircnd icircn vedere modul de răcire directă sau indirectă
Se calculează cantitatea totală de căldură ce trebuie extrasă din terenul supus răcirii şi icircngheţării Se cunoaşte structura terenului icircngheţat deci se cunosc icircnălţimile h1 h2hn ale diferitelor straturi componente cacirct şi proprietăţile termofizice ale acestora
Grosimea centurii de teren icircngheţat se stabileşte icircn urma calculelor de rezistenţa materialelor icircncacirct se pot calcula volumele ocupate de straturile componente V1 V2Vn
Cantitatea de căldură ce trebuie extrasă din zona icircngheţată cuprinde două componente și anume
cantitatea de căldura Qa corespunzătoare răcirii şi icircngheţării apei
cantitatea de căldura Qt necesara răcirii părţii solide a terenului
n
1kfgsikaakka tcltcVQ (516)
unde
k - reprezintă conţinutul icircn apă din stratul respectiv [m3m3]
a - densitatea apei [kgm3]
ca cg - căldura specifica a apei respectiv a gheţii Jkg K
tik - temperatura iniţiala a stratului respectiv (de ordinul k)
tf - temperatura medie finala a masivului icircngheţat
ls - căldura latentă de solidificare a apei
r
q
q
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
52
fik
n
1kkkkkt ttc1VQ
(517)
k - densitatea părţii de teren solid (uscat) din stratul k
ck - căldura specifică a terenului uscat din stratul k
Cantitatea de căldură extrasă din terenul răcit reprezintă circa 1018 din cantitatea de căldură extrasă din zona de teren icircngheţat
Deci cantitatea totală de căldură Q ce va trebui preluată de către instalaţia frigorifică se poate aprecia astfel
Q = (110118) (Qa + Qt) (518)
Cu relaţia (51) se calculează puterea frigorifica a instalaţiei adoptacircnd o valoare medie pentru densitatea fluxului de căldura qF
Se poate aprecia timpul de funcţionare a instalaţiei frigorifice
o
Q
(519)
La anumite grosimi ale cochiliei de teren icircngheţat icircn jurul sondei densitatea fluxului termic scade sub valoarea medie adoptată icircn calcule şi ca urmare icircncepacircnd de la acest moment se va putea reduce treptat puterea frigorifica a instalaţiei prin scoaterea din funcţiune a unor grupuri
La proiectare se pot avea icircn vedere unele recomandări practice pentru stabilirea necesarului de frig pentru icircngheţarea unui m3 la -10 ordmC este necesar un consum specific de frig de 66000 kJ la 10 umiditate de 155000 kJ la 35 umiditate și de 210000 kJ la 50 umiditate
42 52 RĂCIREA BETONULUI LA CONSTRUCŢIILE MASIVE
421 521 INSTALAŢII DE PRERĂCIRE A COMPONENTELOR BETONULUI
Formarea betonului din elementele sale componente (nisip pietriş ciment şi apă) este icircnsoţită de fenomene fizico - chimice icircn care se degajă căldură şi ca urmare temperatura acestuia creşte Icircn cazul unor masive din beton (baraje) dacă viteza de turnare (icircn sezonul cald cacircnd se efectuază construcţia) este mai mare şi nu se asigura evacuarea căldurii corpul rezultă la o temperatura medie mai mare decacirct temperatura medie anuală Răcirea naturală conduce la contracţia masivului şi ca urmare la apariţia sub acţiunea tensiunilor interne a unor fisuri
Pentru ca variaţiile de temperatura icircntre centrul barajului şi straturile exterioare să fie cacirct mai mici se impune ca masivul respectiv să fie turnat la temperatura medie anuală a zonei respective Icircn acest scop se pot folosi două metode prin prerăcirea componentelor betonului și prin răcirea masei barajului
Icircn vederea reducerii căldurii degajată icircn reacţia dintre ciment şi apă au fost realizate sortimente de ciment caracterizate prin călduri masice reduse ce se degajă icircn procesul de priză
Prin prerăcirea componentelor betonului se urmăreşte ca betonul sa aibă temperatura medie a locului de amplasament şi prin aceasta evitarea apariţiei unor diferenţe mari de temperatură ce pun icircn pericol construcţia
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
53
Icircn funcţie de valoarea diferenţei de temperatură care trebuie realizată se poate adopta o anumită schemă de răcire pentru fiecare component icircn parte sau numai pentru unele din aceste părţi componente
Se pot folosi instalaţii frigorifice cu comprimare mecanică de vapori pentru răcirea apei a aerului sau formarea gheţii mărunte utilizate la prerăcirea componentelor betonului Folosirea gheţii fulgi sau solzi este limitată atacirct din cauza conţinutului de apă impus cacirct şi ca urmare a pericolului ca gheaţa să nu se topească icircn procesul de malaxare ci la turnare sau icircn procesul de priză ceea ce duce la formarea de goluri icircn beton
De asemenea se pot folosi instalaţiile frigorifice cu ejecţie
Icircn vederea stabilirii necesarului de frig pentru preratildecirea componentelor betonului se calculează mai icircntacirci cantitatea de catildelduratilde Qo1 ce trebuie evacuatatilde dintr-un m3 de beton avacircndu-se icircn vedere proporţiile icircn care participatilde cimentul nisipul pietrişul şi apa Fiecare component are o temperatură iniţialatilde şi urmeazatilde a fi răcit pacircnatilde la o temperatura finalatilde tf aceeaşi pentru toţi componenţii
fpppfnnnfccc1o ttcmttcmttcmQ
fnaanfpaapfaaa ttcmttcmttcm Jm3 (520)
unde
mc mn mp ma - masele de ciment nisip pietriş şi apă conţinute icircntr-un m3 de beton [kgm3]
cc cn cp cw - căldurile specifice masice ale cimentului nisipului pietrişului şi nisipul dintr-un m3 de beton [kgm3]
Puterea frigorifică se determină cu relaţia
3b1oo 10VQ [kW] (521)
icircn care bV reprezintă fluxul de betonare icircn m3s
Se prezintă icircn continuare cele mai folosite metode de prerăcire a componentelor betonului
4211 a) Instalaţie de prerăcire cu apă
Staţia de preparare a betonului este deservită de o instalaţie frigorifică cu comprimare mecanică de vapori care asigură răcirea apei
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
54
Figura 418 Fig 518 Schema de lucru a instalaţiei de prerăcire a betonului cu ajutorul apei 1 - ciment 2 - vagon nisip 3 - vagon pietris 4 - tancuri de răcire a pietrişului 5 - sită 6 - siloz de
nisip 7 - siloz de ciment 8 - rezervor de distribuţie 9 - răcitor de nisip 10 - răcitor de ciment 11 - răcitor de apă 12 - rezervor de apă răcită 13 - răcitor de apă 14 - instalaţie de prepararea betonului
I II III IV V - fazele de răcire a pietrişului
Icircn figura 518 se prezintă schema de lucru a unei asemenea instalaţii de prerăcire a betonului cu ajutorul apei folosită la construcţia barajului de la Detroit (SUA) Apa este răcită de la 16 la 15 ordmC şi transmisă apoi la instalaţia de preparare a betonului şi icircn cinci rezervoare a cacircte 90 m3 fiecare icircn care se răceşte pietrişul
Procesul de răcire a pietrişului cuprinde cinci faze
- faza I - introducerea apei icircn rezervor 10 minute
- fazele II şi III - introducerea simultană a apei şi a pietrişului 50 minute
- faza IV - evacuarea apei 15 minute
- faza V - evacuarea pietrişului 15 minute
Icircntregul proces de răcire a pietrişului durează 90 minute Pentru răcirea cimentului şi nisipului se utilizează schimbătoare de căldură cu ax elicoidal la care apa de răcire circulă prin arborele gol şi prin manta
Rezervoarele 12 pentru apa răcită au fiecare volumul de 114 m3
Beton 635oC
190 m3h
65oC
24oC
18oC
1
2
3
4
5
6
7
8
10
9
11
12
13
14
Apă 16oC
15oC
Cim
en
t
26 l
h
Nis
ip 1
12
lh
10
oC
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
55
42111 Aplicaţie numerică
Să se calculeze puterea frigorifică necesară prerăcirii betonului prin metode şi condiţiile prezentate mai sus Se cunosc următoarele date de calcul
mp = 1700 kgm3 beton
mc = 135 kgm3 beton
mn = 590 kgm3 beton
ma = 60 kgm3 beton
cc = cn = cp = 921 Jkg K
ca = 4180 Jkg K
map = 16 kgm3 beton
man = 38 kgm3 beton
tp = 18 ordmC
tc = 66 ordmC
tn = 21 ordmC tf = 635 ordmC
052803000
190Vb m3s
Se calculează componentele cantităţii de căldură Q01
3fcccc 10741735666921135ttcmQ Jm3
3fnnnn 10796135621921590ttcmQ Jm3
3fpppp 1024018356189211700ttcmQ Jm3
3faaaa 10420235616418060ttcmQ Jm3
3fpaapap 1077935618418016ttcmQ Jm3
3fnaaan 10232735621418038ttcmQ Jm3
Rezulta
3anapapnc1o 1039144QQQQQQQ Jm3
3o 10 206705280103914410VQ 33
b1o kW
4212 b) Instalaţii de prerăcire cu aer apă
Pentru răcirea componentelor betonului se utilizează icircn acest caz fie apa fie aerul ca agenţi intermediari răciţi cu ajutorul instalaţiilor frigorifice
Icircn figura 519 se prezintă schema unei asemenea instalaţii folosită la construcţia barajului de la Sariyar din Turcia
Răcirea aerului se poate face fie direct prin vaporizarea unui agent frigorific fie indirect cu un agent intermediar de răcire ca de exemplu saramura de clorură de calciu Aerul răcit pacircnă la -6 ordmC este suflat icircn silozurile cu pietriş de dimensiuni icircntre 4150 mm
Apa răcită icircn bazinul la pacircnă la 05 ordm este trimisă din colectorul 12 la staţia de preparare a betonului servind la scăderea temperaturii acestuia
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
56
Figura 419 Fig 519 Schema instalaţiei de prerăcire a betonului cu aer şi apă 1 - compresor 2 - condensator 3 - ventile de laminare 4 - vaporizatoare 5 - bazin de răcire a
saramurii 6 - pompă de saramură 7 - răcitor umed de aer 8 - ventilatoare 9 - silozuri de pietriş 10 - bazin de răcire a apei 11 - pompă 12 - colector de apă răcită
Figura 420 Fig 520 Schema instalaţiei de prerăcire cu aer şi apă 1 - siloz de pietriş şi nisip 2 - siloz de ciment 3 rezervor de apă 4 - răcitor de aer 5 - răcitor de apă
4 - răcitor de apă 6 - buncăr de sortare 7 - instalaţie de preparare beton
Pentru intensificarea procesului de răcire a pietrişului aerul este răcit sub 0 ordmC Acest procedeu are avantajul unei funcţionări fără icircntrerupere a procesului de preparare a betonului dar prezintă şi o serie de dezavantaje debite foarte mari de aer de răcire posibilitatea antrenării particulelor fine de agregat icircn răcitorul de aer şi depunerea acestora pe suprafaţa de schimb de căldură Ca urmare instalaţia se va curăţa la circa 14 zile Icircn figura 520 se prezintă o altă schemă de instalaţie de prerăcire a betonului cu aer şi apă folosită la construcţia unui baraj din India
Apă
295oC
Ciment
433oC
Pietriş şi nisip
378oC
Apă 6oC
Ciment 433oC
Aer
Pietriş
45oC Nisip 222oC
22oC
Ap
ă
45
oC
Ap
ă 2
2o
C
Ae
r 5
5o
C
Be
ton
12
8o
C
Apă 22oC
2
1
3 4 5
8
9
5 7
12
1oC
11
05oC 9oC 9oC
-9oC
-10oC -10oC
-10oC 2oC
6oC
10 4 4 6
8 8
8
8 8
9 9 9 9
1
2
3 3
7
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
57
Pietrişul şi nisipul se separă icircntre ele icircn buncărul de sortare 6 şi apoi fiecare circulă pe cacircte o bandă transportoare prin camera de răcire 7 Pietrişul este răcit cu ajutorul apei
Fig
ura
42
1 F
ig 5
21
Sc
he
ma
in
sta
laţi
ei
de
ră
cir
e icirc
n v
id a
co
mp
on
en
telo
r b
eto
nu
lui
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
58
reci icircncacirct ajunge la o temperatură mai scăzută decacirct nisipul răcit cu aer Prin camera 7 se circulă şi aer rece care se introduce la temperatura de 55 ordmC Cimentul se introduce la instalaţia de preparare a betonului 9 fără a fi răcit
O altă posibilitate de prerăcire a agregatelor (pietriş şi nisip) şi a apei utilizată mai recent la construirea barajelor icircntrebuinţează răcirea icircn vid la care agregatele uşor umezite icircn recipiente sub presiune se răcesc după nevoie (prin reglarea vacuumului) la o temperatură mai scăzută sau mai ridicată Căldura necesară evaporării umidităţii de pe agregate şi din ele (apa legată) este luată chiar de la corpurile respective (pietriş nisip) şi ca urmare acestea se răcesc
O asemenea instalaţie utilizată la Hortwell icircn SUA (figura 521) cuprinde 3 recipienţi de cacircte 150 m3 pentru răcirea pietrişului şi 3 recipienţi de cacircte 80 m3 pentru răcirea nisipului
Pietrişul şi nisipul cu temperatura maximă de 43 ordmC se pot răci pacircnă la temperatura necesară de 45 ordmC Pentru realizarea vidului necesar se folosesc două cazane de abur care produc 77 th fiecare
422 522 RĂCIREA INTERIOARĂ A MASIVULUI DE BETON
Prerăcirea betonului se recomandă icircn condiţiile unei zone tropicale sau temperate de amplasare a construcţiei masive nu se recomandă icircn cazul amplasării barajului icircn munţi unde temperatura aerului este scăzută Icircn asemenea situaţii se recomandă răcirea betonului prin conducte amplasate icircn masiv prin care circulă apă rece
La răcirea interioară cu conducte montate icircn beton are loc o eliminarea a căldurii simultan cu producerea ei icircn procesul de priză producacircndu-se şi o răcire pacircnă la temperatura necesară Pentru răcire se folosesc conducte de oţel cu diametre de 1525 mm montate la distanţe de 1223 m icircn plan orizontal şi de 153 m icircn plan vertical Lungimea conductelor icircntr-un m3 de beton este de 0204 şi a fiecărei serpentine de 140250 m
Debitul apei de răcire ce circulă prin 1 m3 de beton este de (0553) dm3h
Figura 422 Fig 522 Reţea de conducte de răcire a betonului icircn secţiunea unui baraj 1 - galerie pentru măsurători 2 - galerie de conducte de apă de răcire
Serpentinele se montează şi se fixează pe suprafaţă de beton (fig522) Capetele serpentinelor se leagă de o coloană verticală prin mufe metalice sau de cauciuc Diametrul distribuitorului şi al coloanei este cuprins icircntre 150200 mm După montaj aceste conducte se verifică la presiunea de lucru
1 2
Ax
a
ba
raju
lui
Calculul necesarului de frig pentru depozit de fructe
32
Se uneşte M cu D iar apoi se prelungeşte acest segment pacircnă la intersecţia cu ϕ = 100 rezultacircnd starea P avacircnd temperatura tp
Circulacircnd aerul cu starea M peste o suprafaţă rece avacircnd temperatura tp se va obţine procesul de răcire şi uscare MD
Temperatura suprafeţei tp se asigură cu o instalaţie frigorifică a cărei temperature de vaporizare va fi t0 lt tp
Ultimul proces din aparatul de condiţionare va fi icircncălzirea finală DB
Calculul agregatului de condiţionare a aerului pe timp de vară se efectuează asemănător cu cel a agregatului de condiţionare a aerului pe timp de iarnă cu observaţia că pe timp de vară nu este necesară umidificarea
331 Date
Vtotal = 616 m3 tint = 1ᵒC tex = 318 φint = 90 φext = 60 ρaer = 12 [kgm3]
Starea A
tA = ti + 3 = 4deg xA = 00043[kj
kg] φA = 86 hA = 1489[
kj
kg]
Starea B
tB = 1degC xB = 00036 [kj
kg] φB = 90 hB = 1024[
kj
kg]
Starea E
tE = 318degC xE = 00171[kj
kg] φE = 60 hE = 7519[
kj
kg]
Starea M
hM =hE + n ∙ hA
n + 1=
7513 + 20 ∙ 1489
21= 1775[
kj
kg]
xM =xE + n ∙ xA
n + 1=
00171 + 20 ∙ 00043
21= 00049[
kj
kg]
Rezulta din diagrama Mollier
Starea D
hD = 108 [kj
kg] xD = 0003[
kj
kg] φD = 97
Raportul de recirculare n = 20
Debitul de aer ventilat V =Vtotal∙20
24h=
616lowast20
24= 513 [m3h]
Debitul masic m = V ∙ ρaer = 513 lowast 12 =
6156[kg
h]
3600= 0171 [kgs]
tp = minus3degC t0 = tp minus 9degC = minus3 minus 9 = minus12degC
Puterea termica a vaporizatorului ( puterea frigorifică )
ФV = Ф0
Puterea termica a icircncalzitorului
ФI = 119898 ∙ (hB - hD)
Cantitatea de apa condensată icircn unitatea de timp pe suprafața de racire este
Calculul necesarului de frig pentru depozit de fructe
33
ẆV = 119898 ∙ (XM - XD)
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
34
4 Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
Există două domenii principale icircn care se utilizează frigul artificial icircn lucrările de construcţii şi anume
icircngheţarea terenurilor acvifere icircn vederea săpării puţurilor de mină a barajelor a depozitelor de gaze lichefiate etc
prerăcirea componentelor betonului icircn cazul executării unor masive de beton ca de exemplu baraje
41 51 IcircNGHEŢAREA SOLULUI
411 511 CONSIDERAŢII GENERALE PRIVIND IcircNGHEŢAREA SOLULUI
Icircngheţarea artificială a solului reprezintă una dintre cele mai interesante şi icircn acelaşi timp şi importante aplicaţii practice a frigului artificial Totodată este una dintre primele aplicaţii industriale a tehnicii frigului şi care a asigurat o dezvoltare deosebită a industriei extractive Aşa se explică faptul că odată apărută maşina frigorifică cu absorbţie realizată icircn 1859 de către Ferdinand Carre este folosită la săparea primului puţ de mină prin icircngheţarea artificială a rocilor Dar nu numai industria minieră foloseşte icircn ultimul secol procedeul consolidării rocilor la săpararea unor lucrări subterane Lucrări inginereşti de tot genul ca metrouri staţii subterane de pompare rezervoare de gaze lichefiate poduri lucrări portuare şi altele asemănătoare amplasate icircn zone acvifere au fost realizate prin metoda consolidării prin frig a rocilor
Această metodă a consolidării rocilor prin frig artificial realizează icircn jurul lucrării inginereşti subterane un perete icircngheţat protector pe durata lucrărilor de construcţii Acest perete asigură o izolare hidraulică şi icircn acelaşi timp şi o protecţie mecanică Rezistenţa mecanică a rocilor creşte pe măsură ce temperatura lor scade icircncacirct metoda expusă mai sus prezintă avantajul reglării capacităţii portante a peretelui icircngheţat
Apa conţinută icircn terenuri prin icircngheţare capătă proprietăţile cimentului exprimate prin forţele de coeziune mari care apar icircntre cristalele de gheaţă şi grăunţii de rocă
Pentru obţinerea peretelui protector se folosesc sonde de icircngheţare forate pe conturul lucrării subterane şi prin care circulă agentul de răcire care poate fi un agent intermediar ca de exemplu saramura de clorură de calciu sau agentul frigorific de exemplu amoniacul Icircn funcţie de grosimea peretelui şi de rezistenţa mecanică pe care trebuie să o aibă se va alege temperatura agentului de răcire distanţa dintre sonde şi durata de icircngheţare
Instalaţia de consolidare prin frig a rocilor cuprinde trei părţi principale staţia frigorifică reţeaua de distribuţie a agentului de răcire (saramura) şi sondele de icircngheţare a solului
Staţia frigorifică cuprinde instalaţia frigorifică propriu-zisă cu comprimare mecanică de vapori sau prin absorbţie icircntr-o treaptă sau icircn două trepte Icircn funcţie de condiţiile de amplasament ale obiectivului staţia frigorifică poate fi de construcţie staţionară (icircn minerit) sau mobilă (la metrouri)
Reţeaua de distribuţie alcătuită din conducte metalice sau din mase plastice are rolul de a face legătura icircntre staţia frigorifică şi sondele de icircngheţare Pentru reducerea pierderilor de frig reţeaua de distribuţie se izolează termic
Sondele de icircngheţare constituie schimbătorul de căldură subteran prin care se extrage căldura de la terenul supus icircngheţării Icircn fig 51 se prezintă schiţa unei sonde de icircngheţare cu ajutorul saramurii Saramura rece cu temperatura icircntre -10 ordmC pacircnă la -35 ordmC
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
35
coboară prin ţeava interioară şi apoi se icircntoarce prin spaţiul inelar dintre cele două conducte concentrice
Figura 41 Fig 51 Sonda de icircngheţare 1 - şiu (tub scurt de oţel cu pereţi groşi rezistent) 2 - ţeava interioară 3 - ţeava exterioară (burlan de
icircngheţare) 4 - capul sondei
Circulaţia continuă a saramurii prin sonda de icircngheţare face ca rocile ce icircnconjoară sondele inclusiv apa conţinută icircn spaţiile libere să se răcească treptat Icircn jurul sondei icircncepe să se formeze stratul de rocă icircngheţată diametrul cilindrului de teren icircngheţat se măreşte icircn timp Aşa cum s-a arătat icircn capitolul 3 rezultă că dezvoltarea radială a cilindrului de rocă icircngheţată icircn jurul sondei se desfăşoară cu o viteza variabilă de icircnaintare la icircnceput viteza de icircnaintare a frontului de gheaţă este mai mare după care scade icircn timp Apoi se atinge stadiul staţionar de transfer de căldură cacircnd cilindrul nu mai creşte icircn dimensiuni Reiese că distanţa dintre sondele de icircngheţare este determinată de raza maximă a cilindrului de teren icircngheţat Pentru a realiza peretele icircngheţat care să reziste la solicitările la care este supus se impune ca distanţa dintre sondele vecine să fie mai mică decacirct raza maximă a terenului icircngheţat astfel icircncacirct cilindrii formaţi să se unească icircntre ei Icircn fig 52 se prezintă evoluţia icircn timp a icircngheţării terenului icircn jurul sondelor Icircn faza iniţială a icircnceput răcirea dar icircncă nu s-a format teren icircngheţat Icircn faza a II-a (după circa 20 zile) icircn jurul fiecărei sonde se formează cacircte un cilindru de teren icircngheţat fără ca aceştia să se unească Icircn faza a III-a (după circa 30 zile) cilindrii se icircntretaie şi formează peretele protector
Figura 42 Fig 52 Evoluţia cilindrilor individuali de rocă icircngheţată 1 - sonda de icircngheţare 2 - sonda de măsurători termice 3 - teren icircngheţat
Această evoluţie poate fi urmărită cu suficientă precizie prin măsurarea temperaturii masivului cu ajutorul unor sonde de măsurători termice 2 montate la distanţe bine stabilite de sondele vecine de icircngheţare Astfel icircn faza I-a temperatura este cea iniţială deci neafectată de prezenţa sondelor icircn faza a II-a temperatura este mai scăzută dar mai mare de 0 ordmC Cum icircn practică sondele de icircngheţare au o abatere de la poziţia verticală (sau de la cea impusă prin proiect) sondele de măsurători termice sunt prevăzute icircntre sondele
I II III
1
2 2 2
3 3
SARAMURĂ CALDĂ
IEŞIRE
INTRARE SARAMURĂ A E RECE
1
2
3
4
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
36
cele mai distanţate icircntre ele acolo unde evoluţia peretelui de protecţie este cea mai defavorabilă
Primele realizări inginereşti de consolidare prin frig artificial a terenurilor acvifere metodă prin care vor fi aduse la lumină multe bogăţii subterane sunt legate de numele inginerului de mine şi metalurgie Friederich Herman Poetsch El a obţinut icircn 27 februarie 1883 brevetul pentru procedeul său de adacircncire a puţurilor verticale icircn roci bogate icircn apă (şi curgătoare) Poetsch a reuşit să experimenteze procedeul său la adacircncirea unor puţuri de mină dar a avut şi multe insuccese icircncacirct la 9 iunie 1902 moare sărac şi dezamăgit Metoda de icircngheţare prin frig artificial a terenurilor a avut mare succes icircn Franţa Astfel numai icircn perioada 1892 - 1898 icircn bazinele carbonifere Nord şi Pas de Calais s-au săpat circa 20 puţuri pacircnă la o adacircncime de 100 m prin aplicarea metodei icircngheţării după planurile lui Poetsch
Desigur că nu ar putea fi omis numele lui Louis Gebhard care realizează numeroase lucrări de adacircncire a puţurilor prin icircngheţare atacirct icircn Germania cacirct şi icircn Franţa Anglia Olanda şi Polonia ceea ce face ca metoda propusă de Poetch să devină o tehnologie demnă de toată icircncrederea cu siguranţă absolută şi cu un mare randament
Gebhard un mare practician icircncepe sa folosească icircn locul instalaţiilor cu absorbţie realizate de F Carre pe cu cele cu comprimare mecanică de vapori realizate de Karl von Linde cu icircncepere din anul 1874
Poetsch icircn 1888 prevede extinderea procedeului de icircngheţare la construcţia podurilor la construcţii navale lucrări de fortificaţii la protecţia fundaţiilor subterane şi a bazinelor cu apă El susţine că poate să rezolve orice problemă sub apă chiar şi puţuri icircncepute şi abandonate
Icircn anul 1900 se depăşeşte bariera adacircncimii de 100 m Realizarea unor puţuri mai adacircnci (peste 100 m) ridică unele probleme icircn plus faţă de puţurile de mai mică adacircncime deoarece abaterile de la verticalitate pot conduce la formarea unor ferestre icircn peretele protector
Icircn ţara noastră această tehnologie de forare a unor puţuri de mină cacirct şi a galeriilor de metrou prin icircngheţarea solului a fost folosită cu icircncepere din anul 1961 aşa cum se prezintă icircn paragraful 513
412 512 CONSTRUCŢIA INSTALAŢIEI DE IcircNGHEŢARE A SOLULUI
Icircn funcţie de forma şi mărimea lucrării care se realizează la adăpostul terenului icircngheţat principial se pot utiliza următoarele tipuri de instalaţii
a) cu răcire indirectă denumită şi cu dublu schimb (fig53)
b)cu răcire directă icircn circuit icircnchis (fig 54)
c)răcire directă icircn circuit deschis (fig55)
a) Răcirea indirectă se utilizează icircn practică cel mai mult fiind cunoscută icircncă de la icircnceputurile metodei de icircngheţare a solului
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
37
Figura 43 Fig 53 Instalaţia frigorifică cu răcire indirectă 1 - compresor 2 - condensator3 - ventil de laminare 4 - vaporizator 5 - bazin de răcire a saramurii 6
- agitator 7 - pompă de saramură 8 - sonde de icircngheţare
Ca agent frigorific se poate folosi amoniacul sau freonii iar ca agent intermediar se utilizează soluţiile de clorură de calciu clorura de sodiu sau magneziu sărurile respective fiind relativ uşor de procurat
Instalaţiile frigorifice cuprind unul sau mai multe blocuri frigorifice Acest mod de compunere prezintă avantaje icircn ceea ce priveşte montarea cacirct şi exploatarea instalaţiilor se poate asigura o reducere icircn trepte a puterii frigorifice pe măsură ce creşte rezistenţa termică a stratului de teren icircngheţat
Componentele principale ale instalaţiei frigorifice se montează grupat pe cele trei secţiuni secţia de compresoare secţia condensatoarelor şi secţia vaporizatoarelor De regulă compresoarele se montează fie icircn aer liber atunci cacircnd tipul lor permite fie acoperite sub şarpante protectoare
Pe măsură ce se scot din funcţiune blocurile frigorifice se demontează şi se pot monta la un nou obiectiv
b) Răcirea directă icircn circuit icircnchis (fig 54) se utilizează icircn cazul icircn care adacircncimea de icircngheţare este mică
Figura 44 Fig 54 Instalaţia frigorifică cu răcire directă icircn circuit icircnchis 1 - compresor 2 - condensator 3 - ventil de laminare 4 - sonde de icircngheţare
Sondele de icircngheţare constituie vaporizatorul instalaţiei frigorifice Icircn cazul unor sonde de lungime mare icircnălţimea coloanei de agent frigorific este de asemenea mare Ca urmare a presiunii hidrostatice variabile şi temperatura de vaporizare este variabilă fiind mai mare
1
2
1111111 Apă
3
4
1
2
Apă 3
4
5
6
7
8
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
38
la capătul inferior şi mai mică la capătul superior Din acest motiv adacircncimea sondelor de icircngheţare nu poate depăşi anumite limite şi icircn plus se recurge la fragmentarea coloanei de lichid cu ajutorul unor pereţi despărţitori
Pierderile de agent frigorific mai mari decacirct icircn cazul răcirii indirecte reprezintă un alt inconvenient al acestui mod de răcire
c) Răcirea directă icircn circuit deschis constă icircn introducerea agentului frigorific (cel mai frecvent azot lichid) icircn sondele de icircngheţare fără ca acesta să mai fie folosit după vaporizare
La presiunea atmosferică azotul lichid fierbe la temperatura de -196 ordmC icircncacirct vaporii reci de azot icircnainte de a fi evacuaţi se folosesc de asemenea pentru congelarea solului fiind circulaţi prin sonde de icircngheţare (Fig 55)
Figura 45 Fig 55 Icircngheţarea cu azot lichid icircn două trepte 1 - ventil de laminare 2 - sonda de icircngheţare 3 - sonda de icircngheţare cu vapori de azot
Această metodă se foloseşte cacircnd se urmăreşte o icircngheţare rapidă şi volumul de teren icircngheţat este redus
Se vor prezenta icircn continuare unele elemente constructive ale instalaţiilor de icircngheţare
Reţeaua de saramură (fig 56) are rolul de a asigura transferul de căldură de la sol către agentul frigorific Cuprinde două schimbătoare de căldură cel subteran alcătuit din sondele de icircngheţare şi cel de suprafaţă reprezentat de vaporizatorul imersat icircn saramură Icircntre cele două schimbătoare de căldură există conducte magistrale distribuitoare - colectoare şi racorduri la sonde
Saramura răcită prin intermediul vaporizatorului 1 este circulată cu pompa 2 prin magistrala de tur a reţelei 3 Sondele de icircngheţare 5 se leagă prin vane la distribuitorul 4 şi colectorul 6 ambele de construcţie inelară Printr-o asemenea construcţie şi mod de legare a sondelor prezentate icircn figura 56 se asigură o echilibrare a căderilor de presiune pe sondele de icircngheţare şi ca urmare o alimentare uniformă cu agent intermediar şi deci şi o răcire uniformă pentru toate sondele
1
2
AZOT LICHID
VAPORI
AZOT -40OC
3
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
39
Figura 46 Fig 56 Schema reţelei de saramură 1- vaporizatorul 2 - pompa de saramură 3 - magistrala de tur 4 - distribuitorul inelar 5 -sondele de
icircngheţare 6 - colectorul inelar 7 - magistrale de retur M - manometru D - debitmetru T - termometru
Magistralele 3 şi 7 de acelaşi diametru şi lungime variabilă (determinată de o serie de factori) se pot monta atacirct la suprafaţă cacirct şi icircn canal
Magistralele se dimensionează icircn funcţie de puterea frigorifică a schimbătorului de căldură subteran alcătuit din sondele de icircngheţare
F0 qNHd [W] (51)
unde d - diametrul exterior al sondei de icircngheţare m
H - adacircncimea de icircngheţare m
N - numărul de sonde de icircngheţare
qF - densitatea fluxului termic raportat la suprafaţa exterioară a sondei La temperatura saramurii de - 20 ordmC se poate considera qF = (260290) Wm2
Debitul volumic V de agent intermediar icircn reţeaua de icircngheţare icircn funcţie de care se aleg
pompele se determină cu relaţia
tc
V o
(52)
icircn care este densitatea agentului intermediar kgm3
c - căldura specifică a agentului intermediar JkgK
t - creşterea temperaturii agentului (saramura) icircn sondele de icircngheţare K
La icircnceputul perioadei de răcire diferenţa de temperatură este t = 56 K ca apoi să scadă la 12 K
Icircn conductele magistrale se recomandă ca viteza saramurii să fie w = 0915ms
Icircn acest caz diametrul conductelor de transport a saramurii este dat de relaţia
w
V4D
[m] (53)
Icircn funcţie de valoarea determinată pentru D se aleg conducte metalice de diametru nominal cuprins icircntre 75200 mm Dacă rezultă D gt 200 mm se vor alege două conducte cu diametrul mai mic de 200 mm
2
T
T
M
M D
D
NH
3
3
4
6
5
7
1
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
40
Conductele magistrale se realizează prin icircmbinări cu flanşe sau sudate iar la lungimi mai mari de 100150 m se vor prevedea coturi compensatoare Pentru reducerea pierderilor de frig magistralele vor fi izolate termic
Distribuitorul de saramură răcită şi colectorul de saramură de la sonde sunt construcţii metalice identice
Icircn figura 57 se prezintă modul de racordare a sondelor de icircngheţare 5 la distribuitorul 1 şi colectorul 2 Vanele 3 asigură icircnchiderea deci oprirea circulaţiei şi reglajul debitului Prin aceste vane se poate izola o anumită sondă care nu funcţionează normal sau la care se observă o anumită defecţiune
Figura 47 Fig 57 Racordarea sondelor de icircngheţare la distribuitor şi colector 1 - distribuitor 2 - colector 3 - vane 4 - racord elastic 5 - sonda de icircngheţare
Poziţia distribuitorului şi colectorului faţă de racircndul sondelor de icircngheţare poate fi laterală de o singură parte sau laterală de ambele părţi ale sondelor Amplasamentul trebuie astfel făcut icircncacirct să fie posibilă vizitarea supravegherea şi eventual icircnlocuirea sondelor de icircngheţare
Racordarea sondelor la distribuitor şi colector se face prin cacircte un racord elastic (fig 57) Dimensionarea distribuitoarelor şi a colectoarelor se face din condiţia ca viteza saramurii să nu depăşească 0915 ms
Coloanele de distribuţie şi colectare urmăresc icircn teren forma şirului de sonde de icircngheţare şi pot avea acelaşi traseu sau trasee diferite Configuraţia traseului poate fi icircn linie sau circulară Icircn oricare din situaţiile prezentate distanţele dintre ştuţurile de racord şi sondele de icircngheţare sunt variabile astfel icircncacirct racordurile rigide prin flanşe şi sudură sunt greu de realizat Cea mai practică soluţie de racord icircn acest caz este furtunul de cauciuc (fig 57)
Icircn reţeaua de saramură poate pătrunde aer prin procesul de pompare ceea ce conduce la intensificarea acţiunii corosive a saramurii Icircn scopul icircndepărtării aerului nedorit pe partea superioară a conductelor icircn punctele cele mai ridicate ale acestora se montează robineţi de evacuare periodică a aerului şi eventual a altor gaze
Pe conductele magistrale se vor monta aparate de măsură şi control debitmetre termometre şi manometre (fig 56) Icircn acest caz se poate aprecia funcţionarea fiecărei sonde după depunerile exterioare de gheaţă pe racordul metalic sau de cauciuc lăsate neizolate termic tocmai icircn acest scop Icircn scopul urmăririi regimului de lucru sub aspect
5
4
1
2 3
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
41
hidraulic şi termic icircn mod individual se pot monta aparate de măsură şi control pe fiecare sondă de icircngheţare dar această soluţie este mai costisitoare
Sonda de icircngheţare realizează transferul de căldură de la terenul ce urmează a fi icircngheţat spre agentul frigorific (la răcirea directă) sau agentul intermediar (la răcirea indirectă)
Icircn figura 51 s-a prezentat schema de principiu a unei sonde de icircngheţare cu saramură activă pe toată lungimea Conducta exterioară sau burlanul de icircngheţare 3 este o conductă din oţel etanşă şi rezistentă la eforturile mecanice care apar datorită presiunii solului şi variaţiei de temperatură icircntre momentul fixării ei icircn sol şi cel al funcţionării la o temperatura sub 00C
Icircn procesul de icircngheţare coloana de burlane care poate atinge lungimi de sute de metri se contractă icircnsă nu liber deoarece ea este stracircnsă icircn masivul de roci La o variaţie de temperatură icircntre momentul iniţial (fără saramură) şi momentul pornirii circulaţiei de saramură de 400C conducta din oţel de 500 m adacircncime ar trebui să se contracte cu
tHH = 500 11 10-6 40 = 0220 m = 22 cm
Datorită fixării coloanei icircn gaura forată efortul unitar de icircntindere ce apare icircn urma scăderii temperaturii este
tE = 22 1010 11 10-10 40 = 968 105 Nm2 = 9680 Ncm2
La acest efort de icircntindere apărut datorită contracţiei coloanei se mai adaugă efortul de acelaşi semn provocat de dilatarea masivului de rocă acviferă icircngheţată Icircn scopul compensării eforturilor de icircntindere s-a propus icircmbinarea coloanei cu nipluri elastice O asemenea soluţie este mai scumpă şi icircn plus micşorează secţiunea liberă de curgere ceea ce conduce la icircncălzirea excedentară a saramurii
La lucrări subterane de mare adacircncime ca puţurile de mină depozite subterane se folosesc burlane de 1397 x 7 mm pentru a fi posibilă determinarea abaterii de la poziţie verticală
La tunelurile de metrou şi icircn general la lucrările la care adacircncimea de icircngheţare nu depăşeşte 50 - 60 m diametrul cel mai frecvent utilizat este 1143 x 7 mm
Ţeava interioară 2 (fig 51) numită şi tub de alimentare de regulă ţeava uşoară de instalaţii de 50 mm diametrul se introduce icircn burlanul exterior 3 fără icircnsă a atinge şiul de bază 1 al sondei Se asigură icircn acest mod un volum minimal de depuneri solide care circulă cu saramura icircn mod incidental Icircn scopul economisirii de metal tubul de alimentare poate fi din material plastic ceea ce prezintă marele avantaj al lipsei coroziunii şi al refolosirii materialului respectiv
Şiul de fund are rolul de a asigura icircnchiderea burlanului exterior icircn partea sa inferioară Cel mai adesea are formă conică pentru a asigura introducerea cu uşurinţă a coloanei metalice icircn gaura de sondă Această componentă a sondei de icircngheţare se execută fie prin turnare sau se confecţionează cu ajutorul sudurii
Corespunzător profilului geologic al terenului icircn care se lucrează se icircntacirclnesc şi cazuri cacircnd nu este nevoie să se icircngheţe terenul pe toată icircnălţimea sondelor ci numai la partea lor inferioară Icircn acest caz se folosesc sonde de icircngheţare zonală (fig 58) cu ajutorul cărora se asigură congelarea doar a zonei inferioare ceea ce prezintă avantaje economice deosebite nu se consumă energie pentru a icircngheţa icircn mod inutil formaţiuni geologice consistente şi uscate şi nu se reduce ritmul lucrărilor de săpare printr-o eventuală mărire a rezistenţei rocilor
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
42
Figura 48 Fig 58 Sonda de icircngheţare zonală
1 - burlan exterior 2 - tub de alimentare 3 - şiu 4 - tub de evacuare
Figura 49 Fig59 - Sonda de icircngheţare cu agent
frigorific 1 - tub exterior 2 - perete despărţitor 3 - şiu 4 -
ştuţ (ţeavă de preaplin) 5 - condensator - vaporizator
Icircn cazul răcirii directe sondele de icircngheţare cu agent frigorific sunt de construcţie specială (fig 59) Particularitatea acestor sonde este prezenţa pereţilor despărţitori 2 dispuşi unul sub celălalt la circa 3 m fiecare perete fiind prevăzut cu un ştuţ de preaplin O asemenea construcţie are rolul de a fracţiona coloane de lichid ceea ce asigură o răcire mai uniformă pe lungimea sondei
Fiecare sondă este prevăzută la partea superioară cu cacircte o cămaşă de răcire Sondele se umplu cu amoniac lichid icircntr-o asemenea cantitate icircncacirct fiecare secţie să fie icircnecată cu lichid respectiv pacircnă la partea superioară a ştuţurilor 4 Ca urmare a fluxurilor de căldură de la sol se produce fierberea amoniacului icircn toate secţiile sondei Vaporii formaţi se ridică prin ştuţurile 4 şi ajungacircnd la partea superioară a sondei se condensează cedacircnd căldură agentului (amoniac) din cămăşile de răcire
Ca urmare cămăşile de răcire de la partea superioară a sondelor constituie vaporizatorul instalaţiei frigorifice Amoniacul care se condensează la partea superioară a sondei curge icircnapoi (de sus icircn jos) prin ştuţurile 4 Folosirea pereţilor despărţitori şi a ştuţurilor micşorează influenţa presiunii hidrostatice a lichidului asupra temperaturii de vaporizare a amoniacului Asemenea sonde de icircngheţare se folosesc pentru lucrări de mică adacircncime
Amplasarea sondelor se face icircn funcţie de o serie de factori formă poziţia şi dimensiunile lucrării care se realizează structura terenului temperatura şi viteza agentului etc
Icircn cazul puţurilor de mină de secţiune circulară sondele se amplasează pe un cerc
concentric de diametru D mai mare decacirct diametrul de săpare Ds cu grosimea a peretelui icircngheţat
sDD (54)
Trebuie să se ţină seama şi de deviaţia sondelor de la poziţia verticală icircncacirct pentru adacircncimi mari se utilizează relaţia
3
2 4
1
VAPORI 5 LICHID
3
2
4 1
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
43
a21DD s (55)
unde a = 003 H este abaterea medie statistică de la verticală a sondelor
Distanţa dintre sonde se ia de obicei de 1014 m icircn terenuri rezistente şi de 0809 m icircn terenuri slabe
Pentru adacircncimi de peste 500 m se recomandă să se dispună sondele pe două cercuri concentrice pentru a se forma un perete de grosime mai mare şi deci mai rezistent
La icircngheţarea terenului icircn jurul puţurilor de secţiune dreptunghiulară sondele se pot dispune pe dreptunghi sau elipsă Icircn aceste situaţii centura de teren icircngheţat poate fi solicitată la icircntindere ceea ce este de nedorit deoarece limita de rezistenţa la icircntindere a terenurilor icircngheţate este de circa 3 ori mai mică decacirct limita rezistenţei la compresiune Din acest motiv chiar şi la puţurile de mină de secţiune dreptunghiulară sondele se dispun pe unul sau două cercuri (fig 510)
Pentru realizarea galeriilor icircnclinate icircngheţarea terenului se realizează cu sonde verticale (fig 511) sau combinat atacirct cu sonde verticale cacirct şi cu sonde icircnclinate (fig 512)
Distanţa dintre sondele verticale (fig 511) se ia de 23 m iar distanţa dintre racircnduri este de 1525 m
Se poate folosi cacircte un racircnd de sonde icircnclinate montate deasupra galeriei (fig 212 a) sau sonde icircnclinate sub galerie şi sonde verticale scurte deasupra galeriei (fig 512 b)
SONDA
154 m
16
6 m
226
262
85
SONDA
Figura 411 Fig 511 Amplasarea sondelor verticale pentru realizarea galeriei icircnclinate
Figura 411 Fig 510 Dispunerea sondelor icircn jurul puţurilor de mină de secţiune
dreptunghiulară
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
44
Figura 412 Fig 512 Realizarea galeriilor icircnclinate cu sonde verticale (1) şi sonde oblice (2)
I - secţiunea longitudinală II - secţiunea transversală a) sonde icircnclinate deasupra galeriei b) sonde icircnclinate sub galerie
413 513 UTILIZAREA METODEI DE IcircNGHEŢARE A SOLULUI IcircN ŢARA NOASTRĂ
a)Puţuri de mină
Aplicarea metodei de icircngheţare a solului pentru lucrări de minerit a avut loc la noi icircn ţară icircncepacircnd cu anul 1960 la puţul Godeni din bazinul carbonifer Cacircmpulung - Muscel Proiectul a fost elaborat icircn anul 1959 la IPROMIN Bucureşti iar lucrarea a fost executată cu Trustul Minier Argeş avacircnd icircn subantrepriză de specialitate Icircntreprinderea Frigotehnica Bucureşti şi Trustul de prospecţiuni explorări şi deschideri de mine noi Bucureşti
Adacircncimea de săpare a puţului Godeni a trebuit sa fie de 202 m Sondele de icircngheţare constituite din două ţevi concentrice (fig 51) cu diametrele exterioare de 146 mm şi respectiv 57 mm icircn număr de 27 au fost amplasate pe un cerc cu diametrul de 10 m la distanţa de 117 m una de alta
Instalaţia frigorifică a fost dimensionată cu mare precauţie pentru a avea o siguranţă mărită icircn funcţionarea ei Toate părţile componente ale instalaţiei frigorifice au fost proiectate şi executate icircn ţară
La proiectarea instalaţiei s-a avut icircn vedere funcţionarea de scurtă durată şi variaţia puterii frigorifice icircn timp S-a utilizat răcirea indirectă cu soluţie de clorură de calciu iar ca agent frigorific a fost folosit amoniacul Pentru a avea elasticitatea necesară icircn funcţionare la diferite puteri frigorifice au fost folosite grupuri de utilaje frigorifice şi anume
6 compresoare 4 AU - 20 (200000 kcal Nh =233 kW fiecare)
3 baterii de condensatoare atmosferice a cacircte 300 m2 (900 m2)
bazine pentru răcirea saramurii fiecare cu cacircte 2 vaporizatoare superintensive de 50 m2 (600 m2)
2 grupuri a cacircte 5 pompe pentru recircularea saramurii
Puterea frigorifică a instalaţiei montate a fost de 12106 kcal Nh =1395 kW şi s-a caracterizat prin următoarele date tehnice la exploatare
85
1
2
I 85
1
2
I
85
1
2
II
85
1
2 II
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
45
o suprafaţa de schimb de căldură a sondelor 2500 m2 o puterea instalaţiei 750 kW o debitul saramurii icircn
o icircn perioada activă 350 m3h o icircn perioada pasivă 70 m3h
o viteza de circulaţie a saramurii icircn sondă o tur 18 ms 036 ms o retur 029 ms 006 ms
o volumul rocilor icircngheţate circa 10000 m3 o consumul specific de frig mediu 50000 m3 o durata icircngheţării (perioada activă) 130 zile
Icircn timpul răcirii şi deci a icircngheţării solului puterea frigorifică scade icircn mod continuu icircncacirct treptat s-a scos din funcţiune cacircte un compresor icircn perioada pasivă (de săpare a puţului) s-a menţinut icircn lucru doar un singur compresor şi grupul de utilaje aferent
După terminarea lucrărilor de la puţul Godeni icircn anii următori aceeaşi instalaţie s-a montat la puţul Poenari din acelaşi bazin carbonifer unde sondele au fost amplasate pe un cerc cu diametrul de 11 m la distanţa de 128 m una de alta
Un alt puţ realizat prin această tehnologie de icircngheţare a solului a fost puţul Jugur de la acelaşi bazin carbonifer Centrala frigorifică a cuprins 15 compresoare 3 AV - 20 (150000 kcal Nh fiecare=175kW) repartizate icircn 5 linii tehnologice independente cu icircntreg utilajul aferent Fiecare linie este compusă din
o butelie de răcire intermediară BRI - 700 un condensator cu evaporare forţată CEF - 180 un bazin cu patru grupuri vaporizatoare intensive de cacircte 165 m2 (icircn total 66 m2)
Sondele de icircngheţare icircn număr de 27 bucăţi au fost prevăzute să se amplaseze pe un cerc cu diametrul de 104 m la distanţă de 121 m Sondele sunt de tipul celei indicată icircn figura 58 deci cu răcire zonală avacircnd următoarele caracteristici diametrul exterior al burlanului este de 146 mm iar tuburile interioare au 57 mm (la exterior) tubul de alimentare are lungimea de 430 m iar cel de evacuare este de 220 m Ca urmare sondele de icircngheţare trebuie să producă icircngheţarea solului numai pe adacircncimea de la 220 m la 430 m Prin proiect s-au prevăzut următoarele date temperatura saramurii - 35 ordmC viteza saramurii icircn conducte de tur 18 ms viteza icircn conducte de retur (pe adacircncimea de răcit) 06 ms durata icircngheţării (perioada activă) a fost de 75 zile
Au fost prevăzute temperaturi scăzute şi viteze mari de congelare deoarece cilindrul icircngheţat trebuie să preia presiuni de pacircnă la 56 bar
b)Tunelurile pentru metroul din Bucureşti
Icircncepacircnd cu anul 1976 pentru realizarea metroului din Bucureşti s-a procedat la aplicarea metodei de icircngheţare a solului icircntr-o zonă considerată experimentală dar cu realizări efective de galerii
Prin proiect s-a prevăzut consolidarea prin icircngheţare artificială a profilului de săpare a tunelurilor de metrou pe o lungime de circa 550 m pe ambele fire Amplasamentul sondelor s-a făcut icircn două variante (pentru experimentare) pentru un fir de tunel ambele racircnduri de sonde s-au fixat icircn profilul circular de săpare iar pentru cel de al doilea fir de tunel sondele au fost forate icircn afara profilului de icircnaintare (fig 513) Au fost folosite sonde cu saramură cu posibilitatea de icircngheţare pe toată icircnălţimea de 16 m cacirct şi sonde cu icircngheţare zonală icircntre adacircncimile de 7 m şi 16 m Distanţa dintre sonde a fost fixată la 14 m
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
46
Pentru a se icircmpiedica accesul apelor icircn frontul de săpare datorate unor eventuale zone neicircngheţate traseul de tunel icircngheţat a fost icircmpărţit icircn incinte icircnchise prin timpane transversale La distanţe de 3050 m icircn lungul traseului au fost montate sonde de icircngheţare aşezate icircn plan normal pe axul tunelului prin care să se icircnchidă accesul apelor spre frontul de săpare
Echipamentul frigorific principal cuprinde
- 8 compresoare frigorifice 3 AV - 20 funcţionacircnd icircntr-o treaptă pentru care
corespunde puterea frigorifică de 12 106 kcal Nh =1395 kW
- 4 condensatoare de evaporare forţată CEF - 250
- 3 bazine de răcire a saramurii echipate cu cacircte 4 grupuri de vaporizatoare superintensive de cacircte 51 m2 (total 612 m2)
- 3 grupuri de cacircte 2 pompe a 220 m3h pentru circulaţia saramurii pe traseele de distribuţie şi prin sonde
Figura 413 Fig513 Amplasamentul sondelor de icircngheţare
Centrala frigorifică este stabilă adăpostită icircntr-o baracă metalică demontabilă existacircnd posibilitatea de reamplasare rapidă a instalaţiei icircntr-un alt loc Agentul frigorific utilizat este amoniacul iar agentul intermediar este clorura de calciu
Icircn perioada principală de icircngheţare temperatura de vaporizare este to = -22 ordmC asiguracircnd răcirea saramurii la -17 ordmC iar pe retur saramura a avut temperatura cu 15 ordmC mai ridicată
La o asemenea lucrare realizată icircn oraş se impune protejarea contra icircngheţului a straturilor de deasupra galeriilor icircn care sunt amplasate instalaţiile de apă - canal ceea ce presupune folosirea sondelor cu icircngheţare zonală care să nu fie active la partea superioară
c) Puţuri pentru prospectarea balastierelor
Procedeul şi instalaţia frigorifică au avut caracter de noutate şi s-a aplicat icircncepacircnd cu anul 1966 la mai multe obiective icircn general pe văile racircurilor unde s-au construit hidrocentrale
A
A B
B
A-A
000 -300 -700 -1061 -1300
65
800
B-B
000 -300 -700 -1061 -1300
65
550
ARGILA
ARGILA
NISIP
NISIP
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
47
Echipamentul frigorific principal cuprinde un agregat frigorific pentru amoniac de 20000 kcal Nh = 233 kW rezervor de amoniac separator de lichid şi anexe - toate fiind montate pe o remorcă
S-au folosit sonde de icircngheţare cu agent frigorific icircn număr de 8 bucăţi cu diametrul exterior de 133 mm montate pe un cerc cu diametrul de 2 m la distanţa de 076 m lungimea lor fiind de 75 m Legarea sondelor la distribuitor şi colector s-a făcut cu racorduri flexibile
Sondele au o construcţie specială fiind prevăzute cu 4 pereţi transversali cu ştuţuri de preaplin formacircndu-se astfel 5 compartimente Agentul lichid se introduce icircn compartimentul cel mai de sus şi se scurge prin ştuţuri pacircnă la baza sondei Conducta de aspiraţie străbate toate compartimentele vaporii fiind aspiraţi din compartimentul cel mai de jos Circulaţia vaporilor formaţi se face ca şi a lichidului de sus icircn jos obţinacircndu-se astfel o răcire uniformă şi eficientă pe toată icircnălţimea sondei
Durata icircngheţării respectiv a formării centurii de teren icircngheţat la adăpostul căreia să se poată efectua săparea şi preluarea de probe de sol este de 10 zile
414 514 CAcircMPUL DE TEMPERATURĂ IcircN SOLUL IcircNGHEŢAT
Cacircnd prin sonda de icircngheţare circulă saramură a cărei temperatura este sub 0 ordmC practic - 20 ordmC-25 ordmC icircn jurul sondei se formează un cacircmp termic care icircn cazul unei singure sonde poate fi reprezentat prin suprafeţe cilindrice coaxiale de temperatură constantă (izoterme)
După distanţa radială se deosebesc icircn sol din punct de vedere termic trei zone zona cilindrică din imediata vecinătate a sondei care este icircn zona icircngheţată zona răcită cuprinsă icircntre suprafaţa cilindrică izotermă de 0 ordmC şi izoterma de temperatură naturală şi a treia zonă cea de temperatura naturală (fig 514)
Icircn zona icircngheţată temperatura masivului variază de la temperatura peretelui metalic al sondei pacircnă la 0 ordmC Icircn zona răcită temperatura masivului creşte de la 0 ordmC pacircnă la temperatura naturală a masivului
Figura 414 Fig 514 Cacircmpul de temperatură icircn jurul unei sonde de icircngheţare
Este important să se cunoască cacircmpul termic icircn terenul supus icircngheţării deoarece acesta oferă date privind zona de răspacircndire a consolidării rocilor prin solidificarea apei cacirct şi a
t [oC]
r [m]
t (r)
ZONA RACITA
ZONA INGHETAT
A
ts TEMPERATURA NATURALA A ROCII
-20
-10
40
10 0 20 30
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
48
rezistenţei mecanice a rocii icircngheţate Se cunoaşte faptul că rezistenţa mecanică depinde direct de temperatură
Studiul variaţiei temperaturii icircn zona de influenţă a unei sonde şi a tuturor sondelor simultan oferă posibilitatea calculării dimensiunilor la proiectarea construcţiei peretelui protector cacirct şi controlul procesului icircn timpul desfăşurării lucrărilor
Pentru a se stabili relaţia de variaţie a temperaturii icircn zona icircngheţată icircn funcţie de raza r se consideră ecuaţia diferenţială
dr
dtr2q (56)
icircn care q este fluxul unitar de căldură corespunzător lungimii de 1 m din sonda de icircngheţare Wm
- conductivitatea termica a terenului Wm
Integrarea directă a ecuaţiei analitice se poate face icircn ipoteze simplificatoare consideracircnd
= const şi q = const ceea ce este justificat la valori mari ale timpului de răcire
Se separa variabilele
r
dr
2
qdt
(57)
Se consideră cunoscute temperaturile t1 la suprafaţa sondei de raza r1 și t2 = 0 ordmC la raza r2 corespunzătoare suprafeţei exterioare a cilindrului icircngheţat Se integrează ecuaţia (6-7) și cunoscacircnd limitele de integrare se va determina constanta de integrare
Cr ln2
qt
(58)
pentru r = r1 t = t1 deci
11 rln2
qtC
(59)
1
1r
rln
2
qtt
(510)
Se pune condiţia ca pentru r = r2 t = t2
1
212
r
rln
2
qtt
(511)
Se elimina q intre relaţiile (510) și (511) şi se obţine
1
2
1121
r
rln
r
rln
tttt (512)
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
49
Figura 415 Fig 515 Schema schimbătorului de căldură subteran
Pentru t2 = 0 ordmC relaţia (5-12) devine
)rrln(
)rrln(tt
12
21 (513)
Icircn figura 515 se prezintă o secţiune axială printr-o sondă de icircngheţare şi variaţia temperaturii icircn limitele t0 - temperatura agentului de răcire şi ts - temperatura naturală a solului
Cantitatea de căldură transferată de la masivul neicircngheţat spre agentul de răcire prin unitatea de lungimea de conducta şi unitatea de timp se calculează cu expresia
221
2
1o
1
moo
os
d
1
d
dln
1
d
dln
2
1
d
1
ttq
(514)
Icircn calculele inginereşti cel mai frecvent se determină nu fluxul termic pe unitatea de lungime a conductei ci fluxul termic qF raportat la unitatea de suprafaţă a conductei metalice la 1 m2 de suprafaţa exterioară sau interioară Mărimea qF se calculează astfel
22
o
1
2
1
o
o
1
m
o
o
oS
o
F
d
d
d
dln
2
d
d
dln
2
d1
tt
d
(515)
Fluxul termic qF prin unitatea de suprafaţă a sondei de icircngheţare calculat pentru adacircncimea de 100 m icircn regim laminar de curgere a agentului de răcire prin spaţiul inelar al sondei cu viteza w = 01 ms la diametre ale cilindrului de rocă icircngheţata
de la 02 la 3 m pentru to = -20 ordmC do = 01 m 1 = 233 WmK variază de la 720 la 230 Wm2 aşa cum se poate observa din figura 516 şi tabelul 51
d2
d1
d0
t
qF
t0
t2
t1 2
m 1
m
ts
Conducta Teren icircngheţat Teren
neicircngheţat
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
50
Figura 416 Fig 516 Variaţia fluxului termic qF prin unitatea de suprafaţă a sondei de icircngheţare 1 - regim turbulent 2 regim laminar
Tabelul 51Variaţia fluxului termic qF [Wm2]
Diametrul cilindrului de rocă icircngheţată icircn m
02 04 05 08 10 15 20
qF regim laminar 1160 550 387 330 302
qF regim laminar 720 465 423 350 321 283 258
Se observă ca densitatea fluxului de căldura qF scade foarte mult de la 800900 Wm2 la icircnceputul operaţiei de consolidare prin frig a rocilor pacircnă la 230250 Wm2 cacircnd cilindrul de rocă icircngheţata atinge diametrul de 23 m Ca urmare a acestei situaţii şi puterea frigorifică a instalaţiei va scădea icircn decursul a 6080 zile tot cu raportul de 800230 = 35
Instalaţia frigorifică va fi constituită din grupuri de utilaje (module) ce vor fi scoase treptat din funcţiune pe măsură ce se reduce densitatea fluxului de căldură qF ca urmare a creşterii grosimii stratului de teren icircngheţat Icircn practică pentru calcule se va considera qF = (260290) Wm2
O mărime importanta pentru proiectarea instalaţiei şi aprecierea procesului de consolidare a rocilor este timpul de icircngheţare Pentru calculul duratei de icircngheţare se pot folosi relaţiile prezentate icircn capitolul 3 la formarea gheţii pe suprafeţe cilindrice exterioare La aprecierea valorii pentru ls - căldura latentă de solidificare se avea icircn vedere conţinutul de apă din terenul supus icircngheţării
Dacă icircntre relaţiile pentru dependenţele (r) şi qF(r) se elimină r se obţine dependenţa
qF() Eliminarea nu se poate face direct ci fie cu ajutorul calculatorului fie printr-o construcţie grafică prezentată icircn figura 517
Studiul variaţiei temperaturii icircn solul icircngheţat cacirct și variaţia icircn timp a densităţii fluxului de căldura se poate face cu ajutorul calculatorului electronic
1200
1000
800
600
400
200
0 05 1 15 2 25 3
qF [Wm2]
Diametrul cilindrului de rocă icircngheţată [m]
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
51
Figura 417 Fig 517 Stabilirea dependentei qF() pe baza dependentelor qF(r) și (r)
415 515 ELEMENTE DE PROIECTARE A INSTALAŢIEI FRIGORIFICE PENTRU IcircNGHEŢAREA SOLULUI
Pentru proiectarea instalaţiei frigorifice trebuie sa se stabilească la icircnceput elementele de baza și anume
- puterea frigorifică maximă care apare la icircnceputul perioadei de răcire cacircnd pătrunderile de căldura spre agentul de răcire din sondele de icircngheţare au valori mai mari temperatura de vaporizare a agentului frigorific plecacircnd de la temperatura minimă sau medie din solul icircngheţat şi avacircnd icircn vedere modul de răcire directă sau indirectă
Se calculează cantitatea totală de căldură ce trebuie extrasă din terenul supus răcirii şi icircngheţării Se cunoaşte structura terenului icircngheţat deci se cunosc icircnălţimile h1 h2hn ale diferitelor straturi componente cacirct şi proprietăţile termofizice ale acestora
Grosimea centurii de teren icircngheţat se stabileşte icircn urma calculelor de rezistenţa materialelor icircncacirct se pot calcula volumele ocupate de straturile componente V1 V2Vn
Cantitatea de căldură ce trebuie extrasă din zona icircngheţată cuprinde două componente și anume
cantitatea de căldura Qa corespunzătoare răcirii şi icircngheţării apei
cantitatea de căldura Qt necesara răcirii părţii solide a terenului
n
1kfgsikaakka tcltcVQ (516)
unde
k - reprezintă conţinutul icircn apă din stratul respectiv [m3m3]
a - densitatea apei [kgm3]
ca cg - căldura specifica a apei respectiv a gheţii Jkg K
tik - temperatura iniţiala a stratului respectiv (de ordinul k)
tf - temperatura medie finala a masivului icircngheţat
ls - căldura latentă de solidificare a apei
r
q
q
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
52
fik
n
1kkkkkt ttc1VQ
(517)
k - densitatea părţii de teren solid (uscat) din stratul k
ck - căldura specifică a terenului uscat din stratul k
Cantitatea de căldură extrasă din terenul răcit reprezintă circa 1018 din cantitatea de căldură extrasă din zona de teren icircngheţat
Deci cantitatea totală de căldură Q ce va trebui preluată de către instalaţia frigorifică se poate aprecia astfel
Q = (110118) (Qa + Qt) (518)
Cu relaţia (51) se calculează puterea frigorifica a instalaţiei adoptacircnd o valoare medie pentru densitatea fluxului de căldura qF
Se poate aprecia timpul de funcţionare a instalaţiei frigorifice
o
Q
(519)
La anumite grosimi ale cochiliei de teren icircngheţat icircn jurul sondei densitatea fluxului termic scade sub valoarea medie adoptată icircn calcule şi ca urmare icircncepacircnd de la acest moment se va putea reduce treptat puterea frigorifica a instalaţiei prin scoaterea din funcţiune a unor grupuri
La proiectare se pot avea icircn vedere unele recomandări practice pentru stabilirea necesarului de frig pentru icircngheţarea unui m3 la -10 ordmC este necesar un consum specific de frig de 66000 kJ la 10 umiditate de 155000 kJ la 35 umiditate și de 210000 kJ la 50 umiditate
42 52 RĂCIREA BETONULUI LA CONSTRUCŢIILE MASIVE
421 521 INSTALAŢII DE PRERĂCIRE A COMPONENTELOR BETONULUI
Formarea betonului din elementele sale componente (nisip pietriş ciment şi apă) este icircnsoţită de fenomene fizico - chimice icircn care se degajă căldură şi ca urmare temperatura acestuia creşte Icircn cazul unor masive din beton (baraje) dacă viteza de turnare (icircn sezonul cald cacircnd se efectuază construcţia) este mai mare şi nu se asigura evacuarea căldurii corpul rezultă la o temperatura medie mai mare decacirct temperatura medie anuală Răcirea naturală conduce la contracţia masivului şi ca urmare la apariţia sub acţiunea tensiunilor interne a unor fisuri
Pentru ca variaţiile de temperatura icircntre centrul barajului şi straturile exterioare să fie cacirct mai mici se impune ca masivul respectiv să fie turnat la temperatura medie anuală a zonei respective Icircn acest scop se pot folosi două metode prin prerăcirea componentelor betonului și prin răcirea masei barajului
Icircn vederea reducerii căldurii degajată icircn reacţia dintre ciment şi apă au fost realizate sortimente de ciment caracterizate prin călduri masice reduse ce se degajă icircn procesul de priză
Prin prerăcirea componentelor betonului se urmăreşte ca betonul sa aibă temperatura medie a locului de amplasament şi prin aceasta evitarea apariţiei unor diferenţe mari de temperatură ce pun icircn pericol construcţia
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
53
Icircn funcţie de valoarea diferenţei de temperatură care trebuie realizată se poate adopta o anumită schemă de răcire pentru fiecare component icircn parte sau numai pentru unele din aceste părţi componente
Se pot folosi instalaţii frigorifice cu comprimare mecanică de vapori pentru răcirea apei a aerului sau formarea gheţii mărunte utilizate la prerăcirea componentelor betonului Folosirea gheţii fulgi sau solzi este limitată atacirct din cauza conţinutului de apă impus cacirct şi ca urmare a pericolului ca gheaţa să nu se topească icircn procesul de malaxare ci la turnare sau icircn procesul de priză ceea ce duce la formarea de goluri icircn beton
De asemenea se pot folosi instalaţiile frigorifice cu ejecţie
Icircn vederea stabilirii necesarului de frig pentru preratildecirea componentelor betonului se calculează mai icircntacirci cantitatea de catildelduratilde Qo1 ce trebuie evacuatatilde dintr-un m3 de beton avacircndu-se icircn vedere proporţiile icircn care participatilde cimentul nisipul pietrişul şi apa Fiecare component are o temperatură iniţialatilde şi urmeazatilde a fi răcit pacircnatilde la o temperatura finalatilde tf aceeaşi pentru toţi componenţii
fpppfnnnfccc1o ttcmttcmttcmQ
fnaanfpaapfaaa ttcmttcmttcm Jm3 (520)
unde
mc mn mp ma - masele de ciment nisip pietriş şi apă conţinute icircntr-un m3 de beton [kgm3]
cc cn cp cw - căldurile specifice masice ale cimentului nisipului pietrişului şi nisipul dintr-un m3 de beton [kgm3]
Puterea frigorifică se determină cu relaţia
3b1oo 10VQ [kW] (521)
icircn care bV reprezintă fluxul de betonare icircn m3s
Se prezintă icircn continuare cele mai folosite metode de prerăcire a componentelor betonului
4211 a) Instalaţie de prerăcire cu apă
Staţia de preparare a betonului este deservită de o instalaţie frigorifică cu comprimare mecanică de vapori care asigură răcirea apei
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
54
Figura 418 Fig 518 Schema de lucru a instalaţiei de prerăcire a betonului cu ajutorul apei 1 - ciment 2 - vagon nisip 3 - vagon pietris 4 - tancuri de răcire a pietrişului 5 - sită 6 - siloz de
nisip 7 - siloz de ciment 8 - rezervor de distribuţie 9 - răcitor de nisip 10 - răcitor de ciment 11 - răcitor de apă 12 - rezervor de apă răcită 13 - răcitor de apă 14 - instalaţie de prepararea betonului
I II III IV V - fazele de răcire a pietrişului
Icircn figura 518 se prezintă schema de lucru a unei asemenea instalaţii de prerăcire a betonului cu ajutorul apei folosită la construcţia barajului de la Detroit (SUA) Apa este răcită de la 16 la 15 ordmC şi transmisă apoi la instalaţia de preparare a betonului şi icircn cinci rezervoare a cacircte 90 m3 fiecare icircn care se răceşte pietrişul
Procesul de răcire a pietrişului cuprinde cinci faze
- faza I - introducerea apei icircn rezervor 10 minute
- fazele II şi III - introducerea simultană a apei şi a pietrişului 50 minute
- faza IV - evacuarea apei 15 minute
- faza V - evacuarea pietrişului 15 minute
Icircntregul proces de răcire a pietrişului durează 90 minute Pentru răcirea cimentului şi nisipului se utilizează schimbătoare de căldură cu ax elicoidal la care apa de răcire circulă prin arborele gol şi prin manta
Rezervoarele 12 pentru apa răcită au fiecare volumul de 114 m3
Beton 635oC
190 m3h
65oC
24oC
18oC
1
2
3
4
5
6
7
8
10
9
11
12
13
14
Apă 16oC
15oC
Cim
en
t
26 l
h
Nis
ip 1
12
lh
10
oC
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
55
42111 Aplicaţie numerică
Să se calculeze puterea frigorifică necesară prerăcirii betonului prin metode şi condiţiile prezentate mai sus Se cunosc următoarele date de calcul
mp = 1700 kgm3 beton
mc = 135 kgm3 beton
mn = 590 kgm3 beton
ma = 60 kgm3 beton
cc = cn = cp = 921 Jkg K
ca = 4180 Jkg K
map = 16 kgm3 beton
man = 38 kgm3 beton
tp = 18 ordmC
tc = 66 ordmC
tn = 21 ordmC tf = 635 ordmC
052803000
190Vb m3s
Se calculează componentele cantităţii de căldură Q01
3fcccc 10741735666921135ttcmQ Jm3
3fnnnn 10796135621921590ttcmQ Jm3
3fpppp 1024018356189211700ttcmQ Jm3
3faaaa 10420235616418060ttcmQ Jm3
3fpaapap 1077935618418016ttcmQ Jm3
3fnaaan 10232735621418038ttcmQ Jm3
Rezulta
3anapapnc1o 1039144QQQQQQQ Jm3
3o 10 206705280103914410VQ 33
b1o kW
4212 b) Instalaţii de prerăcire cu aer apă
Pentru răcirea componentelor betonului se utilizează icircn acest caz fie apa fie aerul ca agenţi intermediari răciţi cu ajutorul instalaţiilor frigorifice
Icircn figura 519 se prezintă schema unei asemenea instalaţii folosită la construcţia barajului de la Sariyar din Turcia
Răcirea aerului se poate face fie direct prin vaporizarea unui agent frigorific fie indirect cu un agent intermediar de răcire ca de exemplu saramura de clorură de calciu Aerul răcit pacircnă la -6 ordmC este suflat icircn silozurile cu pietriş de dimensiuni icircntre 4150 mm
Apa răcită icircn bazinul la pacircnă la 05 ordm este trimisă din colectorul 12 la staţia de preparare a betonului servind la scăderea temperaturii acestuia
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
56
Figura 419 Fig 519 Schema instalaţiei de prerăcire a betonului cu aer şi apă 1 - compresor 2 - condensator 3 - ventile de laminare 4 - vaporizatoare 5 - bazin de răcire a
saramurii 6 - pompă de saramură 7 - răcitor umed de aer 8 - ventilatoare 9 - silozuri de pietriş 10 - bazin de răcire a apei 11 - pompă 12 - colector de apă răcită
Figura 420 Fig 520 Schema instalaţiei de prerăcire cu aer şi apă 1 - siloz de pietriş şi nisip 2 - siloz de ciment 3 rezervor de apă 4 - răcitor de aer 5 - răcitor de apă
4 - răcitor de apă 6 - buncăr de sortare 7 - instalaţie de preparare beton
Pentru intensificarea procesului de răcire a pietrişului aerul este răcit sub 0 ordmC Acest procedeu are avantajul unei funcţionări fără icircntrerupere a procesului de preparare a betonului dar prezintă şi o serie de dezavantaje debite foarte mari de aer de răcire posibilitatea antrenării particulelor fine de agregat icircn răcitorul de aer şi depunerea acestora pe suprafaţa de schimb de căldură Ca urmare instalaţia se va curăţa la circa 14 zile Icircn figura 520 se prezintă o altă schemă de instalaţie de prerăcire a betonului cu aer şi apă folosită la construcţia unui baraj din India
Apă
295oC
Ciment
433oC
Pietriş şi nisip
378oC
Apă 6oC
Ciment 433oC
Aer
Pietriş
45oC Nisip 222oC
22oC
Ap
ă
45
oC
Ap
ă 2
2o
C
Ae
r 5
5o
C
Be
ton
12
8o
C
Apă 22oC
2
1
3 4 5
8
9
5 7
12
1oC
11
05oC 9oC 9oC
-9oC
-10oC -10oC
-10oC 2oC
6oC
10 4 4 6
8 8
8
8 8
9 9 9 9
1
2
3 3
7
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
57
Pietrişul şi nisipul se separă icircntre ele icircn buncărul de sortare 6 şi apoi fiecare circulă pe cacircte o bandă transportoare prin camera de răcire 7 Pietrişul este răcit cu ajutorul apei
Fig
ura
42
1 F
ig 5
21
Sc
he
ma
in
sta
laţi
ei
de
ră
cir
e icirc
n v
id a
co
mp
on
en
telo
r b
eto
nu
lui
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
58
reci icircncacirct ajunge la o temperatură mai scăzută decacirct nisipul răcit cu aer Prin camera 7 se circulă şi aer rece care se introduce la temperatura de 55 ordmC Cimentul se introduce la instalaţia de preparare a betonului 9 fără a fi răcit
O altă posibilitate de prerăcire a agregatelor (pietriş şi nisip) şi a apei utilizată mai recent la construirea barajelor icircntrebuinţează răcirea icircn vid la care agregatele uşor umezite icircn recipiente sub presiune se răcesc după nevoie (prin reglarea vacuumului) la o temperatură mai scăzută sau mai ridicată Căldura necesară evaporării umidităţii de pe agregate şi din ele (apa legată) este luată chiar de la corpurile respective (pietriş nisip) şi ca urmare acestea se răcesc
O asemenea instalaţie utilizată la Hortwell icircn SUA (figura 521) cuprinde 3 recipienţi de cacircte 150 m3 pentru răcirea pietrişului şi 3 recipienţi de cacircte 80 m3 pentru răcirea nisipului
Pietrişul şi nisipul cu temperatura maximă de 43 ordmC se pot răci pacircnă la temperatura necesară de 45 ordmC Pentru realizarea vidului necesar se folosesc două cazane de abur care produc 77 th fiecare
422 522 RĂCIREA INTERIOARĂ A MASIVULUI DE BETON
Prerăcirea betonului se recomandă icircn condiţiile unei zone tropicale sau temperate de amplasare a construcţiei masive nu se recomandă icircn cazul amplasării barajului icircn munţi unde temperatura aerului este scăzută Icircn asemenea situaţii se recomandă răcirea betonului prin conducte amplasate icircn masiv prin care circulă apă rece
La răcirea interioară cu conducte montate icircn beton are loc o eliminarea a căldurii simultan cu producerea ei icircn procesul de priză producacircndu-se şi o răcire pacircnă la temperatura necesară Pentru răcire se folosesc conducte de oţel cu diametre de 1525 mm montate la distanţe de 1223 m icircn plan orizontal şi de 153 m icircn plan vertical Lungimea conductelor icircntr-un m3 de beton este de 0204 şi a fiecărei serpentine de 140250 m
Debitul apei de răcire ce circulă prin 1 m3 de beton este de (0553) dm3h
Figura 422 Fig 522 Reţea de conducte de răcire a betonului icircn secţiunea unui baraj 1 - galerie pentru măsurători 2 - galerie de conducte de apă de răcire
Serpentinele se montează şi se fixează pe suprafaţă de beton (fig522) Capetele serpentinelor se leagă de o coloană verticală prin mufe metalice sau de cauciuc Diametrul distribuitorului şi al coloanei este cuprins icircntre 150200 mm După montaj aceste conducte se verifică la presiunea de lucru
1 2
Ax
a
ba
raju
lui
Calculul necesarului de frig pentru depozit de fructe
33
ẆV = 119898 ∙ (XM - XD)
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
34
4 Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
Există două domenii principale icircn care se utilizează frigul artificial icircn lucrările de construcţii şi anume
icircngheţarea terenurilor acvifere icircn vederea săpării puţurilor de mină a barajelor a depozitelor de gaze lichefiate etc
prerăcirea componentelor betonului icircn cazul executării unor masive de beton ca de exemplu baraje
41 51 IcircNGHEŢAREA SOLULUI
411 511 CONSIDERAŢII GENERALE PRIVIND IcircNGHEŢAREA SOLULUI
Icircngheţarea artificială a solului reprezintă una dintre cele mai interesante şi icircn acelaşi timp şi importante aplicaţii practice a frigului artificial Totodată este una dintre primele aplicaţii industriale a tehnicii frigului şi care a asigurat o dezvoltare deosebită a industriei extractive Aşa se explică faptul că odată apărută maşina frigorifică cu absorbţie realizată icircn 1859 de către Ferdinand Carre este folosită la săparea primului puţ de mină prin icircngheţarea artificială a rocilor Dar nu numai industria minieră foloseşte icircn ultimul secol procedeul consolidării rocilor la săpararea unor lucrări subterane Lucrări inginereşti de tot genul ca metrouri staţii subterane de pompare rezervoare de gaze lichefiate poduri lucrări portuare şi altele asemănătoare amplasate icircn zone acvifere au fost realizate prin metoda consolidării prin frig a rocilor
Această metodă a consolidării rocilor prin frig artificial realizează icircn jurul lucrării inginereşti subterane un perete icircngheţat protector pe durata lucrărilor de construcţii Acest perete asigură o izolare hidraulică şi icircn acelaşi timp şi o protecţie mecanică Rezistenţa mecanică a rocilor creşte pe măsură ce temperatura lor scade icircncacirct metoda expusă mai sus prezintă avantajul reglării capacităţii portante a peretelui icircngheţat
Apa conţinută icircn terenuri prin icircngheţare capătă proprietăţile cimentului exprimate prin forţele de coeziune mari care apar icircntre cristalele de gheaţă şi grăunţii de rocă
Pentru obţinerea peretelui protector se folosesc sonde de icircngheţare forate pe conturul lucrării subterane şi prin care circulă agentul de răcire care poate fi un agent intermediar ca de exemplu saramura de clorură de calciu sau agentul frigorific de exemplu amoniacul Icircn funcţie de grosimea peretelui şi de rezistenţa mecanică pe care trebuie să o aibă se va alege temperatura agentului de răcire distanţa dintre sonde şi durata de icircngheţare
Instalaţia de consolidare prin frig a rocilor cuprinde trei părţi principale staţia frigorifică reţeaua de distribuţie a agentului de răcire (saramura) şi sondele de icircngheţare a solului
Staţia frigorifică cuprinde instalaţia frigorifică propriu-zisă cu comprimare mecanică de vapori sau prin absorbţie icircntr-o treaptă sau icircn două trepte Icircn funcţie de condiţiile de amplasament ale obiectivului staţia frigorifică poate fi de construcţie staţionară (icircn minerit) sau mobilă (la metrouri)
Reţeaua de distribuţie alcătuită din conducte metalice sau din mase plastice are rolul de a face legătura icircntre staţia frigorifică şi sondele de icircngheţare Pentru reducerea pierderilor de frig reţeaua de distribuţie se izolează termic
Sondele de icircngheţare constituie schimbătorul de căldură subteran prin care se extrage căldura de la terenul supus icircngheţării Icircn fig 51 se prezintă schiţa unei sonde de icircngheţare cu ajutorul saramurii Saramura rece cu temperatura icircntre -10 ordmC pacircnă la -35 ordmC
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
35
coboară prin ţeava interioară şi apoi se icircntoarce prin spaţiul inelar dintre cele două conducte concentrice
Figura 41 Fig 51 Sonda de icircngheţare 1 - şiu (tub scurt de oţel cu pereţi groşi rezistent) 2 - ţeava interioară 3 - ţeava exterioară (burlan de
icircngheţare) 4 - capul sondei
Circulaţia continuă a saramurii prin sonda de icircngheţare face ca rocile ce icircnconjoară sondele inclusiv apa conţinută icircn spaţiile libere să se răcească treptat Icircn jurul sondei icircncepe să se formeze stratul de rocă icircngheţată diametrul cilindrului de teren icircngheţat se măreşte icircn timp Aşa cum s-a arătat icircn capitolul 3 rezultă că dezvoltarea radială a cilindrului de rocă icircngheţată icircn jurul sondei se desfăşoară cu o viteza variabilă de icircnaintare la icircnceput viteza de icircnaintare a frontului de gheaţă este mai mare după care scade icircn timp Apoi se atinge stadiul staţionar de transfer de căldură cacircnd cilindrul nu mai creşte icircn dimensiuni Reiese că distanţa dintre sondele de icircngheţare este determinată de raza maximă a cilindrului de teren icircngheţat Pentru a realiza peretele icircngheţat care să reziste la solicitările la care este supus se impune ca distanţa dintre sondele vecine să fie mai mică decacirct raza maximă a terenului icircngheţat astfel icircncacirct cilindrii formaţi să se unească icircntre ei Icircn fig 52 se prezintă evoluţia icircn timp a icircngheţării terenului icircn jurul sondelor Icircn faza iniţială a icircnceput răcirea dar icircncă nu s-a format teren icircngheţat Icircn faza a II-a (după circa 20 zile) icircn jurul fiecărei sonde se formează cacircte un cilindru de teren icircngheţat fără ca aceştia să se unească Icircn faza a III-a (după circa 30 zile) cilindrii se icircntretaie şi formează peretele protector
Figura 42 Fig 52 Evoluţia cilindrilor individuali de rocă icircngheţată 1 - sonda de icircngheţare 2 - sonda de măsurători termice 3 - teren icircngheţat
Această evoluţie poate fi urmărită cu suficientă precizie prin măsurarea temperaturii masivului cu ajutorul unor sonde de măsurători termice 2 montate la distanţe bine stabilite de sondele vecine de icircngheţare Astfel icircn faza I-a temperatura este cea iniţială deci neafectată de prezenţa sondelor icircn faza a II-a temperatura este mai scăzută dar mai mare de 0 ordmC Cum icircn practică sondele de icircngheţare au o abatere de la poziţia verticală (sau de la cea impusă prin proiect) sondele de măsurători termice sunt prevăzute icircntre sondele
I II III
1
2 2 2
3 3
SARAMURĂ CALDĂ
IEŞIRE
INTRARE SARAMURĂ A E RECE
1
2
3
4
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
36
cele mai distanţate icircntre ele acolo unde evoluţia peretelui de protecţie este cea mai defavorabilă
Primele realizări inginereşti de consolidare prin frig artificial a terenurilor acvifere metodă prin care vor fi aduse la lumină multe bogăţii subterane sunt legate de numele inginerului de mine şi metalurgie Friederich Herman Poetsch El a obţinut icircn 27 februarie 1883 brevetul pentru procedeul său de adacircncire a puţurilor verticale icircn roci bogate icircn apă (şi curgătoare) Poetsch a reuşit să experimenteze procedeul său la adacircncirea unor puţuri de mină dar a avut şi multe insuccese icircncacirct la 9 iunie 1902 moare sărac şi dezamăgit Metoda de icircngheţare prin frig artificial a terenurilor a avut mare succes icircn Franţa Astfel numai icircn perioada 1892 - 1898 icircn bazinele carbonifere Nord şi Pas de Calais s-au săpat circa 20 puţuri pacircnă la o adacircncime de 100 m prin aplicarea metodei icircngheţării după planurile lui Poetsch
Desigur că nu ar putea fi omis numele lui Louis Gebhard care realizează numeroase lucrări de adacircncire a puţurilor prin icircngheţare atacirct icircn Germania cacirct şi icircn Franţa Anglia Olanda şi Polonia ceea ce face ca metoda propusă de Poetch să devină o tehnologie demnă de toată icircncrederea cu siguranţă absolută şi cu un mare randament
Gebhard un mare practician icircncepe sa folosească icircn locul instalaţiilor cu absorbţie realizate de F Carre pe cu cele cu comprimare mecanică de vapori realizate de Karl von Linde cu icircncepere din anul 1874
Poetsch icircn 1888 prevede extinderea procedeului de icircngheţare la construcţia podurilor la construcţii navale lucrări de fortificaţii la protecţia fundaţiilor subterane şi a bazinelor cu apă El susţine că poate să rezolve orice problemă sub apă chiar şi puţuri icircncepute şi abandonate
Icircn anul 1900 se depăşeşte bariera adacircncimii de 100 m Realizarea unor puţuri mai adacircnci (peste 100 m) ridică unele probleme icircn plus faţă de puţurile de mai mică adacircncime deoarece abaterile de la verticalitate pot conduce la formarea unor ferestre icircn peretele protector
Icircn ţara noastră această tehnologie de forare a unor puţuri de mină cacirct şi a galeriilor de metrou prin icircngheţarea solului a fost folosită cu icircncepere din anul 1961 aşa cum se prezintă icircn paragraful 513
412 512 CONSTRUCŢIA INSTALAŢIEI DE IcircNGHEŢARE A SOLULUI
Icircn funcţie de forma şi mărimea lucrării care se realizează la adăpostul terenului icircngheţat principial se pot utiliza următoarele tipuri de instalaţii
a) cu răcire indirectă denumită şi cu dublu schimb (fig53)
b)cu răcire directă icircn circuit icircnchis (fig 54)
c)răcire directă icircn circuit deschis (fig55)
a) Răcirea indirectă se utilizează icircn practică cel mai mult fiind cunoscută icircncă de la icircnceputurile metodei de icircngheţare a solului
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
37
Figura 43 Fig 53 Instalaţia frigorifică cu răcire indirectă 1 - compresor 2 - condensator3 - ventil de laminare 4 - vaporizator 5 - bazin de răcire a saramurii 6
- agitator 7 - pompă de saramură 8 - sonde de icircngheţare
Ca agent frigorific se poate folosi amoniacul sau freonii iar ca agent intermediar se utilizează soluţiile de clorură de calciu clorura de sodiu sau magneziu sărurile respective fiind relativ uşor de procurat
Instalaţiile frigorifice cuprind unul sau mai multe blocuri frigorifice Acest mod de compunere prezintă avantaje icircn ceea ce priveşte montarea cacirct şi exploatarea instalaţiilor se poate asigura o reducere icircn trepte a puterii frigorifice pe măsură ce creşte rezistenţa termică a stratului de teren icircngheţat
Componentele principale ale instalaţiei frigorifice se montează grupat pe cele trei secţiuni secţia de compresoare secţia condensatoarelor şi secţia vaporizatoarelor De regulă compresoarele se montează fie icircn aer liber atunci cacircnd tipul lor permite fie acoperite sub şarpante protectoare
Pe măsură ce se scot din funcţiune blocurile frigorifice se demontează şi se pot monta la un nou obiectiv
b) Răcirea directă icircn circuit icircnchis (fig 54) se utilizează icircn cazul icircn care adacircncimea de icircngheţare este mică
Figura 44 Fig 54 Instalaţia frigorifică cu răcire directă icircn circuit icircnchis 1 - compresor 2 - condensator 3 - ventil de laminare 4 - sonde de icircngheţare
Sondele de icircngheţare constituie vaporizatorul instalaţiei frigorifice Icircn cazul unor sonde de lungime mare icircnălţimea coloanei de agent frigorific este de asemenea mare Ca urmare a presiunii hidrostatice variabile şi temperatura de vaporizare este variabilă fiind mai mare
1
2
1111111 Apă
3
4
1
2
Apă 3
4
5
6
7
8
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
38
la capătul inferior şi mai mică la capătul superior Din acest motiv adacircncimea sondelor de icircngheţare nu poate depăşi anumite limite şi icircn plus se recurge la fragmentarea coloanei de lichid cu ajutorul unor pereţi despărţitori
Pierderile de agent frigorific mai mari decacirct icircn cazul răcirii indirecte reprezintă un alt inconvenient al acestui mod de răcire
c) Răcirea directă icircn circuit deschis constă icircn introducerea agentului frigorific (cel mai frecvent azot lichid) icircn sondele de icircngheţare fără ca acesta să mai fie folosit după vaporizare
La presiunea atmosferică azotul lichid fierbe la temperatura de -196 ordmC icircncacirct vaporii reci de azot icircnainte de a fi evacuaţi se folosesc de asemenea pentru congelarea solului fiind circulaţi prin sonde de icircngheţare (Fig 55)
Figura 45 Fig 55 Icircngheţarea cu azot lichid icircn două trepte 1 - ventil de laminare 2 - sonda de icircngheţare 3 - sonda de icircngheţare cu vapori de azot
Această metodă se foloseşte cacircnd se urmăreşte o icircngheţare rapidă şi volumul de teren icircngheţat este redus
Se vor prezenta icircn continuare unele elemente constructive ale instalaţiilor de icircngheţare
Reţeaua de saramură (fig 56) are rolul de a asigura transferul de căldură de la sol către agentul frigorific Cuprinde două schimbătoare de căldură cel subteran alcătuit din sondele de icircngheţare şi cel de suprafaţă reprezentat de vaporizatorul imersat icircn saramură Icircntre cele două schimbătoare de căldură există conducte magistrale distribuitoare - colectoare şi racorduri la sonde
Saramura răcită prin intermediul vaporizatorului 1 este circulată cu pompa 2 prin magistrala de tur a reţelei 3 Sondele de icircngheţare 5 se leagă prin vane la distribuitorul 4 şi colectorul 6 ambele de construcţie inelară Printr-o asemenea construcţie şi mod de legare a sondelor prezentate icircn figura 56 se asigură o echilibrare a căderilor de presiune pe sondele de icircngheţare şi ca urmare o alimentare uniformă cu agent intermediar şi deci şi o răcire uniformă pentru toate sondele
1
2
AZOT LICHID
VAPORI
AZOT -40OC
3
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
39
Figura 46 Fig 56 Schema reţelei de saramură 1- vaporizatorul 2 - pompa de saramură 3 - magistrala de tur 4 - distribuitorul inelar 5 -sondele de
icircngheţare 6 - colectorul inelar 7 - magistrale de retur M - manometru D - debitmetru T - termometru
Magistralele 3 şi 7 de acelaşi diametru şi lungime variabilă (determinată de o serie de factori) se pot monta atacirct la suprafaţă cacirct şi icircn canal
Magistralele se dimensionează icircn funcţie de puterea frigorifică a schimbătorului de căldură subteran alcătuit din sondele de icircngheţare
F0 qNHd [W] (51)
unde d - diametrul exterior al sondei de icircngheţare m
H - adacircncimea de icircngheţare m
N - numărul de sonde de icircngheţare
qF - densitatea fluxului termic raportat la suprafaţa exterioară a sondei La temperatura saramurii de - 20 ordmC se poate considera qF = (260290) Wm2
Debitul volumic V de agent intermediar icircn reţeaua de icircngheţare icircn funcţie de care se aleg
pompele se determină cu relaţia
tc
V o
(52)
icircn care este densitatea agentului intermediar kgm3
c - căldura specifică a agentului intermediar JkgK
t - creşterea temperaturii agentului (saramura) icircn sondele de icircngheţare K
La icircnceputul perioadei de răcire diferenţa de temperatură este t = 56 K ca apoi să scadă la 12 K
Icircn conductele magistrale se recomandă ca viteza saramurii să fie w = 0915ms
Icircn acest caz diametrul conductelor de transport a saramurii este dat de relaţia
w
V4D
[m] (53)
Icircn funcţie de valoarea determinată pentru D se aleg conducte metalice de diametru nominal cuprins icircntre 75200 mm Dacă rezultă D gt 200 mm se vor alege două conducte cu diametrul mai mic de 200 mm
2
T
T
M
M D
D
NH
3
3
4
6
5
7
1
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
40
Conductele magistrale se realizează prin icircmbinări cu flanşe sau sudate iar la lungimi mai mari de 100150 m se vor prevedea coturi compensatoare Pentru reducerea pierderilor de frig magistralele vor fi izolate termic
Distribuitorul de saramură răcită şi colectorul de saramură de la sonde sunt construcţii metalice identice
Icircn figura 57 se prezintă modul de racordare a sondelor de icircngheţare 5 la distribuitorul 1 şi colectorul 2 Vanele 3 asigură icircnchiderea deci oprirea circulaţiei şi reglajul debitului Prin aceste vane se poate izola o anumită sondă care nu funcţionează normal sau la care se observă o anumită defecţiune
Figura 47 Fig 57 Racordarea sondelor de icircngheţare la distribuitor şi colector 1 - distribuitor 2 - colector 3 - vane 4 - racord elastic 5 - sonda de icircngheţare
Poziţia distribuitorului şi colectorului faţă de racircndul sondelor de icircngheţare poate fi laterală de o singură parte sau laterală de ambele părţi ale sondelor Amplasamentul trebuie astfel făcut icircncacirct să fie posibilă vizitarea supravegherea şi eventual icircnlocuirea sondelor de icircngheţare
Racordarea sondelor la distribuitor şi colector se face prin cacircte un racord elastic (fig 57) Dimensionarea distribuitoarelor şi a colectoarelor se face din condiţia ca viteza saramurii să nu depăşească 0915 ms
Coloanele de distribuţie şi colectare urmăresc icircn teren forma şirului de sonde de icircngheţare şi pot avea acelaşi traseu sau trasee diferite Configuraţia traseului poate fi icircn linie sau circulară Icircn oricare din situaţiile prezentate distanţele dintre ştuţurile de racord şi sondele de icircngheţare sunt variabile astfel icircncacirct racordurile rigide prin flanşe şi sudură sunt greu de realizat Cea mai practică soluţie de racord icircn acest caz este furtunul de cauciuc (fig 57)
Icircn reţeaua de saramură poate pătrunde aer prin procesul de pompare ceea ce conduce la intensificarea acţiunii corosive a saramurii Icircn scopul icircndepărtării aerului nedorit pe partea superioară a conductelor icircn punctele cele mai ridicate ale acestora se montează robineţi de evacuare periodică a aerului şi eventual a altor gaze
Pe conductele magistrale se vor monta aparate de măsură şi control debitmetre termometre şi manometre (fig 56) Icircn acest caz se poate aprecia funcţionarea fiecărei sonde după depunerile exterioare de gheaţă pe racordul metalic sau de cauciuc lăsate neizolate termic tocmai icircn acest scop Icircn scopul urmăririi regimului de lucru sub aspect
5
4
1
2 3
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
41
hidraulic şi termic icircn mod individual se pot monta aparate de măsură şi control pe fiecare sondă de icircngheţare dar această soluţie este mai costisitoare
Sonda de icircngheţare realizează transferul de căldură de la terenul ce urmează a fi icircngheţat spre agentul frigorific (la răcirea directă) sau agentul intermediar (la răcirea indirectă)
Icircn figura 51 s-a prezentat schema de principiu a unei sonde de icircngheţare cu saramură activă pe toată lungimea Conducta exterioară sau burlanul de icircngheţare 3 este o conductă din oţel etanşă şi rezistentă la eforturile mecanice care apar datorită presiunii solului şi variaţiei de temperatură icircntre momentul fixării ei icircn sol şi cel al funcţionării la o temperatura sub 00C
Icircn procesul de icircngheţare coloana de burlane care poate atinge lungimi de sute de metri se contractă icircnsă nu liber deoarece ea este stracircnsă icircn masivul de roci La o variaţie de temperatură icircntre momentul iniţial (fără saramură) şi momentul pornirii circulaţiei de saramură de 400C conducta din oţel de 500 m adacircncime ar trebui să se contracte cu
tHH = 500 11 10-6 40 = 0220 m = 22 cm
Datorită fixării coloanei icircn gaura forată efortul unitar de icircntindere ce apare icircn urma scăderii temperaturii este
tE = 22 1010 11 10-10 40 = 968 105 Nm2 = 9680 Ncm2
La acest efort de icircntindere apărut datorită contracţiei coloanei se mai adaugă efortul de acelaşi semn provocat de dilatarea masivului de rocă acviferă icircngheţată Icircn scopul compensării eforturilor de icircntindere s-a propus icircmbinarea coloanei cu nipluri elastice O asemenea soluţie este mai scumpă şi icircn plus micşorează secţiunea liberă de curgere ceea ce conduce la icircncălzirea excedentară a saramurii
La lucrări subterane de mare adacircncime ca puţurile de mină depozite subterane se folosesc burlane de 1397 x 7 mm pentru a fi posibilă determinarea abaterii de la poziţie verticală
La tunelurile de metrou şi icircn general la lucrările la care adacircncimea de icircngheţare nu depăşeşte 50 - 60 m diametrul cel mai frecvent utilizat este 1143 x 7 mm
Ţeava interioară 2 (fig 51) numită şi tub de alimentare de regulă ţeava uşoară de instalaţii de 50 mm diametrul se introduce icircn burlanul exterior 3 fără icircnsă a atinge şiul de bază 1 al sondei Se asigură icircn acest mod un volum minimal de depuneri solide care circulă cu saramura icircn mod incidental Icircn scopul economisirii de metal tubul de alimentare poate fi din material plastic ceea ce prezintă marele avantaj al lipsei coroziunii şi al refolosirii materialului respectiv
Şiul de fund are rolul de a asigura icircnchiderea burlanului exterior icircn partea sa inferioară Cel mai adesea are formă conică pentru a asigura introducerea cu uşurinţă a coloanei metalice icircn gaura de sondă Această componentă a sondei de icircngheţare se execută fie prin turnare sau se confecţionează cu ajutorul sudurii
Corespunzător profilului geologic al terenului icircn care se lucrează se icircntacirclnesc şi cazuri cacircnd nu este nevoie să se icircngheţe terenul pe toată icircnălţimea sondelor ci numai la partea lor inferioară Icircn acest caz se folosesc sonde de icircngheţare zonală (fig 58) cu ajutorul cărora se asigură congelarea doar a zonei inferioare ceea ce prezintă avantaje economice deosebite nu se consumă energie pentru a icircngheţa icircn mod inutil formaţiuni geologice consistente şi uscate şi nu se reduce ritmul lucrărilor de săpare printr-o eventuală mărire a rezistenţei rocilor
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
42
Figura 48 Fig 58 Sonda de icircngheţare zonală
1 - burlan exterior 2 - tub de alimentare 3 - şiu 4 - tub de evacuare
Figura 49 Fig59 - Sonda de icircngheţare cu agent
frigorific 1 - tub exterior 2 - perete despărţitor 3 - şiu 4 -
ştuţ (ţeavă de preaplin) 5 - condensator - vaporizator
Icircn cazul răcirii directe sondele de icircngheţare cu agent frigorific sunt de construcţie specială (fig 59) Particularitatea acestor sonde este prezenţa pereţilor despărţitori 2 dispuşi unul sub celălalt la circa 3 m fiecare perete fiind prevăzut cu un ştuţ de preaplin O asemenea construcţie are rolul de a fracţiona coloane de lichid ceea ce asigură o răcire mai uniformă pe lungimea sondei
Fiecare sondă este prevăzută la partea superioară cu cacircte o cămaşă de răcire Sondele se umplu cu amoniac lichid icircntr-o asemenea cantitate icircncacirct fiecare secţie să fie icircnecată cu lichid respectiv pacircnă la partea superioară a ştuţurilor 4 Ca urmare a fluxurilor de căldură de la sol se produce fierberea amoniacului icircn toate secţiile sondei Vaporii formaţi se ridică prin ştuţurile 4 şi ajungacircnd la partea superioară a sondei se condensează cedacircnd căldură agentului (amoniac) din cămăşile de răcire
Ca urmare cămăşile de răcire de la partea superioară a sondelor constituie vaporizatorul instalaţiei frigorifice Amoniacul care se condensează la partea superioară a sondei curge icircnapoi (de sus icircn jos) prin ştuţurile 4 Folosirea pereţilor despărţitori şi a ştuţurilor micşorează influenţa presiunii hidrostatice a lichidului asupra temperaturii de vaporizare a amoniacului Asemenea sonde de icircngheţare se folosesc pentru lucrări de mică adacircncime
Amplasarea sondelor se face icircn funcţie de o serie de factori formă poziţia şi dimensiunile lucrării care se realizează structura terenului temperatura şi viteza agentului etc
Icircn cazul puţurilor de mină de secţiune circulară sondele se amplasează pe un cerc
concentric de diametru D mai mare decacirct diametrul de săpare Ds cu grosimea a peretelui icircngheţat
sDD (54)
Trebuie să se ţină seama şi de deviaţia sondelor de la poziţia verticală icircncacirct pentru adacircncimi mari se utilizează relaţia
3
2 4
1
VAPORI 5 LICHID
3
2
4 1
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
43
a21DD s (55)
unde a = 003 H este abaterea medie statistică de la verticală a sondelor
Distanţa dintre sonde se ia de obicei de 1014 m icircn terenuri rezistente şi de 0809 m icircn terenuri slabe
Pentru adacircncimi de peste 500 m se recomandă să se dispună sondele pe două cercuri concentrice pentru a se forma un perete de grosime mai mare şi deci mai rezistent
La icircngheţarea terenului icircn jurul puţurilor de secţiune dreptunghiulară sondele se pot dispune pe dreptunghi sau elipsă Icircn aceste situaţii centura de teren icircngheţat poate fi solicitată la icircntindere ceea ce este de nedorit deoarece limita de rezistenţa la icircntindere a terenurilor icircngheţate este de circa 3 ori mai mică decacirct limita rezistenţei la compresiune Din acest motiv chiar şi la puţurile de mină de secţiune dreptunghiulară sondele se dispun pe unul sau două cercuri (fig 510)
Pentru realizarea galeriilor icircnclinate icircngheţarea terenului se realizează cu sonde verticale (fig 511) sau combinat atacirct cu sonde verticale cacirct şi cu sonde icircnclinate (fig 512)
Distanţa dintre sondele verticale (fig 511) se ia de 23 m iar distanţa dintre racircnduri este de 1525 m
Se poate folosi cacircte un racircnd de sonde icircnclinate montate deasupra galeriei (fig 212 a) sau sonde icircnclinate sub galerie şi sonde verticale scurte deasupra galeriei (fig 512 b)
SONDA
154 m
16
6 m
226
262
85
SONDA
Figura 411 Fig 511 Amplasarea sondelor verticale pentru realizarea galeriei icircnclinate
Figura 411 Fig 510 Dispunerea sondelor icircn jurul puţurilor de mină de secţiune
dreptunghiulară
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
44
Figura 412 Fig 512 Realizarea galeriilor icircnclinate cu sonde verticale (1) şi sonde oblice (2)
I - secţiunea longitudinală II - secţiunea transversală a) sonde icircnclinate deasupra galeriei b) sonde icircnclinate sub galerie
413 513 UTILIZAREA METODEI DE IcircNGHEŢARE A SOLULUI IcircN ŢARA NOASTRĂ
a)Puţuri de mină
Aplicarea metodei de icircngheţare a solului pentru lucrări de minerit a avut loc la noi icircn ţară icircncepacircnd cu anul 1960 la puţul Godeni din bazinul carbonifer Cacircmpulung - Muscel Proiectul a fost elaborat icircn anul 1959 la IPROMIN Bucureşti iar lucrarea a fost executată cu Trustul Minier Argeş avacircnd icircn subantrepriză de specialitate Icircntreprinderea Frigotehnica Bucureşti şi Trustul de prospecţiuni explorări şi deschideri de mine noi Bucureşti
Adacircncimea de săpare a puţului Godeni a trebuit sa fie de 202 m Sondele de icircngheţare constituite din două ţevi concentrice (fig 51) cu diametrele exterioare de 146 mm şi respectiv 57 mm icircn număr de 27 au fost amplasate pe un cerc cu diametrul de 10 m la distanţa de 117 m una de alta
Instalaţia frigorifică a fost dimensionată cu mare precauţie pentru a avea o siguranţă mărită icircn funcţionarea ei Toate părţile componente ale instalaţiei frigorifice au fost proiectate şi executate icircn ţară
La proiectarea instalaţiei s-a avut icircn vedere funcţionarea de scurtă durată şi variaţia puterii frigorifice icircn timp S-a utilizat răcirea indirectă cu soluţie de clorură de calciu iar ca agent frigorific a fost folosit amoniacul Pentru a avea elasticitatea necesară icircn funcţionare la diferite puteri frigorifice au fost folosite grupuri de utilaje frigorifice şi anume
6 compresoare 4 AU - 20 (200000 kcal Nh =233 kW fiecare)
3 baterii de condensatoare atmosferice a cacircte 300 m2 (900 m2)
bazine pentru răcirea saramurii fiecare cu cacircte 2 vaporizatoare superintensive de 50 m2 (600 m2)
2 grupuri a cacircte 5 pompe pentru recircularea saramurii
Puterea frigorifică a instalaţiei montate a fost de 12106 kcal Nh =1395 kW şi s-a caracterizat prin următoarele date tehnice la exploatare
85
1
2
I 85
1
2
I
85
1
2
II
85
1
2 II
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
45
o suprafaţa de schimb de căldură a sondelor 2500 m2 o puterea instalaţiei 750 kW o debitul saramurii icircn
o icircn perioada activă 350 m3h o icircn perioada pasivă 70 m3h
o viteza de circulaţie a saramurii icircn sondă o tur 18 ms 036 ms o retur 029 ms 006 ms
o volumul rocilor icircngheţate circa 10000 m3 o consumul specific de frig mediu 50000 m3 o durata icircngheţării (perioada activă) 130 zile
Icircn timpul răcirii şi deci a icircngheţării solului puterea frigorifică scade icircn mod continuu icircncacirct treptat s-a scos din funcţiune cacircte un compresor icircn perioada pasivă (de săpare a puţului) s-a menţinut icircn lucru doar un singur compresor şi grupul de utilaje aferent
După terminarea lucrărilor de la puţul Godeni icircn anii următori aceeaşi instalaţie s-a montat la puţul Poenari din acelaşi bazin carbonifer unde sondele au fost amplasate pe un cerc cu diametrul de 11 m la distanţa de 128 m una de alta
Un alt puţ realizat prin această tehnologie de icircngheţare a solului a fost puţul Jugur de la acelaşi bazin carbonifer Centrala frigorifică a cuprins 15 compresoare 3 AV - 20 (150000 kcal Nh fiecare=175kW) repartizate icircn 5 linii tehnologice independente cu icircntreg utilajul aferent Fiecare linie este compusă din
o butelie de răcire intermediară BRI - 700 un condensator cu evaporare forţată CEF - 180 un bazin cu patru grupuri vaporizatoare intensive de cacircte 165 m2 (icircn total 66 m2)
Sondele de icircngheţare icircn număr de 27 bucăţi au fost prevăzute să se amplaseze pe un cerc cu diametrul de 104 m la distanţă de 121 m Sondele sunt de tipul celei indicată icircn figura 58 deci cu răcire zonală avacircnd următoarele caracteristici diametrul exterior al burlanului este de 146 mm iar tuburile interioare au 57 mm (la exterior) tubul de alimentare are lungimea de 430 m iar cel de evacuare este de 220 m Ca urmare sondele de icircngheţare trebuie să producă icircngheţarea solului numai pe adacircncimea de la 220 m la 430 m Prin proiect s-au prevăzut următoarele date temperatura saramurii - 35 ordmC viteza saramurii icircn conducte de tur 18 ms viteza icircn conducte de retur (pe adacircncimea de răcit) 06 ms durata icircngheţării (perioada activă) a fost de 75 zile
Au fost prevăzute temperaturi scăzute şi viteze mari de congelare deoarece cilindrul icircngheţat trebuie să preia presiuni de pacircnă la 56 bar
b)Tunelurile pentru metroul din Bucureşti
Icircncepacircnd cu anul 1976 pentru realizarea metroului din Bucureşti s-a procedat la aplicarea metodei de icircngheţare a solului icircntr-o zonă considerată experimentală dar cu realizări efective de galerii
Prin proiect s-a prevăzut consolidarea prin icircngheţare artificială a profilului de săpare a tunelurilor de metrou pe o lungime de circa 550 m pe ambele fire Amplasamentul sondelor s-a făcut icircn două variante (pentru experimentare) pentru un fir de tunel ambele racircnduri de sonde s-au fixat icircn profilul circular de săpare iar pentru cel de al doilea fir de tunel sondele au fost forate icircn afara profilului de icircnaintare (fig 513) Au fost folosite sonde cu saramură cu posibilitatea de icircngheţare pe toată icircnălţimea de 16 m cacirct şi sonde cu icircngheţare zonală icircntre adacircncimile de 7 m şi 16 m Distanţa dintre sonde a fost fixată la 14 m
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
46
Pentru a se icircmpiedica accesul apelor icircn frontul de săpare datorate unor eventuale zone neicircngheţate traseul de tunel icircngheţat a fost icircmpărţit icircn incinte icircnchise prin timpane transversale La distanţe de 3050 m icircn lungul traseului au fost montate sonde de icircngheţare aşezate icircn plan normal pe axul tunelului prin care să se icircnchidă accesul apelor spre frontul de săpare
Echipamentul frigorific principal cuprinde
- 8 compresoare frigorifice 3 AV - 20 funcţionacircnd icircntr-o treaptă pentru care
corespunde puterea frigorifică de 12 106 kcal Nh =1395 kW
- 4 condensatoare de evaporare forţată CEF - 250
- 3 bazine de răcire a saramurii echipate cu cacircte 4 grupuri de vaporizatoare superintensive de cacircte 51 m2 (total 612 m2)
- 3 grupuri de cacircte 2 pompe a 220 m3h pentru circulaţia saramurii pe traseele de distribuţie şi prin sonde
Figura 413 Fig513 Amplasamentul sondelor de icircngheţare
Centrala frigorifică este stabilă adăpostită icircntr-o baracă metalică demontabilă existacircnd posibilitatea de reamplasare rapidă a instalaţiei icircntr-un alt loc Agentul frigorific utilizat este amoniacul iar agentul intermediar este clorura de calciu
Icircn perioada principală de icircngheţare temperatura de vaporizare este to = -22 ordmC asiguracircnd răcirea saramurii la -17 ordmC iar pe retur saramura a avut temperatura cu 15 ordmC mai ridicată
La o asemenea lucrare realizată icircn oraş se impune protejarea contra icircngheţului a straturilor de deasupra galeriilor icircn care sunt amplasate instalaţiile de apă - canal ceea ce presupune folosirea sondelor cu icircngheţare zonală care să nu fie active la partea superioară
c) Puţuri pentru prospectarea balastierelor
Procedeul şi instalaţia frigorifică au avut caracter de noutate şi s-a aplicat icircncepacircnd cu anul 1966 la mai multe obiective icircn general pe văile racircurilor unde s-au construit hidrocentrale
A
A B
B
A-A
000 -300 -700 -1061 -1300
65
800
B-B
000 -300 -700 -1061 -1300
65
550
ARGILA
ARGILA
NISIP
NISIP
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
47
Echipamentul frigorific principal cuprinde un agregat frigorific pentru amoniac de 20000 kcal Nh = 233 kW rezervor de amoniac separator de lichid şi anexe - toate fiind montate pe o remorcă
S-au folosit sonde de icircngheţare cu agent frigorific icircn număr de 8 bucăţi cu diametrul exterior de 133 mm montate pe un cerc cu diametrul de 2 m la distanţa de 076 m lungimea lor fiind de 75 m Legarea sondelor la distribuitor şi colector s-a făcut cu racorduri flexibile
Sondele au o construcţie specială fiind prevăzute cu 4 pereţi transversali cu ştuţuri de preaplin formacircndu-se astfel 5 compartimente Agentul lichid se introduce icircn compartimentul cel mai de sus şi se scurge prin ştuţuri pacircnă la baza sondei Conducta de aspiraţie străbate toate compartimentele vaporii fiind aspiraţi din compartimentul cel mai de jos Circulaţia vaporilor formaţi se face ca şi a lichidului de sus icircn jos obţinacircndu-se astfel o răcire uniformă şi eficientă pe toată icircnălţimea sondei
Durata icircngheţării respectiv a formării centurii de teren icircngheţat la adăpostul căreia să se poată efectua săparea şi preluarea de probe de sol este de 10 zile
414 514 CAcircMPUL DE TEMPERATURĂ IcircN SOLUL IcircNGHEŢAT
Cacircnd prin sonda de icircngheţare circulă saramură a cărei temperatura este sub 0 ordmC practic - 20 ordmC-25 ordmC icircn jurul sondei se formează un cacircmp termic care icircn cazul unei singure sonde poate fi reprezentat prin suprafeţe cilindrice coaxiale de temperatură constantă (izoterme)
După distanţa radială se deosebesc icircn sol din punct de vedere termic trei zone zona cilindrică din imediata vecinătate a sondei care este icircn zona icircngheţată zona răcită cuprinsă icircntre suprafaţa cilindrică izotermă de 0 ordmC şi izoterma de temperatură naturală şi a treia zonă cea de temperatura naturală (fig 514)
Icircn zona icircngheţată temperatura masivului variază de la temperatura peretelui metalic al sondei pacircnă la 0 ordmC Icircn zona răcită temperatura masivului creşte de la 0 ordmC pacircnă la temperatura naturală a masivului
Figura 414 Fig 514 Cacircmpul de temperatură icircn jurul unei sonde de icircngheţare
Este important să se cunoască cacircmpul termic icircn terenul supus icircngheţării deoarece acesta oferă date privind zona de răspacircndire a consolidării rocilor prin solidificarea apei cacirct şi a
t [oC]
r [m]
t (r)
ZONA RACITA
ZONA INGHETAT
A
ts TEMPERATURA NATURALA A ROCII
-20
-10
40
10 0 20 30
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
48
rezistenţei mecanice a rocii icircngheţate Se cunoaşte faptul că rezistenţa mecanică depinde direct de temperatură
Studiul variaţiei temperaturii icircn zona de influenţă a unei sonde şi a tuturor sondelor simultan oferă posibilitatea calculării dimensiunilor la proiectarea construcţiei peretelui protector cacirct şi controlul procesului icircn timpul desfăşurării lucrărilor
Pentru a se stabili relaţia de variaţie a temperaturii icircn zona icircngheţată icircn funcţie de raza r se consideră ecuaţia diferenţială
dr
dtr2q (56)
icircn care q este fluxul unitar de căldură corespunzător lungimii de 1 m din sonda de icircngheţare Wm
- conductivitatea termica a terenului Wm
Integrarea directă a ecuaţiei analitice se poate face icircn ipoteze simplificatoare consideracircnd
= const şi q = const ceea ce este justificat la valori mari ale timpului de răcire
Se separa variabilele
r
dr
2
qdt
(57)
Se consideră cunoscute temperaturile t1 la suprafaţa sondei de raza r1 și t2 = 0 ordmC la raza r2 corespunzătoare suprafeţei exterioare a cilindrului icircngheţat Se integrează ecuaţia (6-7) și cunoscacircnd limitele de integrare se va determina constanta de integrare
Cr ln2
qt
(58)
pentru r = r1 t = t1 deci
11 rln2
qtC
(59)
1
1r
rln
2
qtt
(510)
Se pune condiţia ca pentru r = r2 t = t2
1
212
r
rln
2
qtt
(511)
Se elimina q intre relaţiile (510) și (511) şi se obţine
1
2
1121
r
rln
r
rln
tttt (512)
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
49
Figura 415 Fig 515 Schema schimbătorului de căldură subteran
Pentru t2 = 0 ordmC relaţia (5-12) devine
)rrln(
)rrln(tt
12
21 (513)
Icircn figura 515 se prezintă o secţiune axială printr-o sondă de icircngheţare şi variaţia temperaturii icircn limitele t0 - temperatura agentului de răcire şi ts - temperatura naturală a solului
Cantitatea de căldură transferată de la masivul neicircngheţat spre agentul de răcire prin unitatea de lungimea de conducta şi unitatea de timp se calculează cu expresia
221
2
1o
1
moo
os
d
1
d
dln
1
d
dln
2
1
d
1
ttq
(514)
Icircn calculele inginereşti cel mai frecvent se determină nu fluxul termic pe unitatea de lungime a conductei ci fluxul termic qF raportat la unitatea de suprafaţă a conductei metalice la 1 m2 de suprafaţa exterioară sau interioară Mărimea qF se calculează astfel
22
o
1
2
1
o
o
1
m
o
o
oS
o
F
d
d
d
dln
2
d
d
dln
2
d1
tt
d
(515)
Fluxul termic qF prin unitatea de suprafaţă a sondei de icircngheţare calculat pentru adacircncimea de 100 m icircn regim laminar de curgere a agentului de răcire prin spaţiul inelar al sondei cu viteza w = 01 ms la diametre ale cilindrului de rocă icircngheţata
de la 02 la 3 m pentru to = -20 ordmC do = 01 m 1 = 233 WmK variază de la 720 la 230 Wm2 aşa cum se poate observa din figura 516 şi tabelul 51
d2
d1
d0
t
qF
t0
t2
t1 2
m 1
m
ts
Conducta Teren icircngheţat Teren
neicircngheţat
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
50
Figura 416 Fig 516 Variaţia fluxului termic qF prin unitatea de suprafaţă a sondei de icircngheţare 1 - regim turbulent 2 regim laminar
Tabelul 51Variaţia fluxului termic qF [Wm2]
Diametrul cilindrului de rocă icircngheţată icircn m
02 04 05 08 10 15 20
qF regim laminar 1160 550 387 330 302
qF regim laminar 720 465 423 350 321 283 258
Se observă ca densitatea fluxului de căldura qF scade foarte mult de la 800900 Wm2 la icircnceputul operaţiei de consolidare prin frig a rocilor pacircnă la 230250 Wm2 cacircnd cilindrul de rocă icircngheţata atinge diametrul de 23 m Ca urmare a acestei situaţii şi puterea frigorifică a instalaţiei va scădea icircn decursul a 6080 zile tot cu raportul de 800230 = 35
Instalaţia frigorifică va fi constituită din grupuri de utilaje (module) ce vor fi scoase treptat din funcţiune pe măsură ce se reduce densitatea fluxului de căldură qF ca urmare a creşterii grosimii stratului de teren icircngheţat Icircn practică pentru calcule se va considera qF = (260290) Wm2
O mărime importanta pentru proiectarea instalaţiei şi aprecierea procesului de consolidare a rocilor este timpul de icircngheţare Pentru calculul duratei de icircngheţare se pot folosi relaţiile prezentate icircn capitolul 3 la formarea gheţii pe suprafeţe cilindrice exterioare La aprecierea valorii pentru ls - căldura latentă de solidificare se avea icircn vedere conţinutul de apă din terenul supus icircngheţării
Dacă icircntre relaţiile pentru dependenţele (r) şi qF(r) se elimină r se obţine dependenţa
qF() Eliminarea nu se poate face direct ci fie cu ajutorul calculatorului fie printr-o construcţie grafică prezentată icircn figura 517
Studiul variaţiei temperaturii icircn solul icircngheţat cacirct și variaţia icircn timp a densităţii fluxului de căldura se poate face cu ajutorul calculatorului electronic
1200
1000
800
600
400
200
0 05 1 15 2 25 3
qF [Wm2]
Diametrul cilindrului de rocă icircngheţată [m]
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
51
Figura 417 Fig 517 Stabilirea dependentei qF() pe baza dependentelor qF(r) și (r)
415 515 ELEMENTE DE PROIECTARE A INSTALAŢIEI FRIGORIFICE PENTRU IcircNGHEŢAREA SOLULUI
Pentru proiectarea instalaţiei frigorifice trebuie sa se stabilească la icircnceput elementele de baza și anume
- puterea frigorifică maximă care apare la icircnceputul perioadei de răcire cacircnd pătrunderile de căldura spre agentul de răcire din sondele de icircngheţare au valori mai mari temperatura de vaporizare a agentului frigorific plecacircnd de la temperatura minimă sau medie din solul icircngheţat şi avacircnd icircn vedere modul de răcire directă sau indirectă
Se calculează cantitatea totală de căldură ce trebuie extrasă din terenul supus răcirii şi icircngheţării Se cunoaşte structura terenului icircngheţat deci se cunosc icircnălţimile h1 h2hn ale diferitelor straturi componente cacirct şi proprietăţile termofizice ale acestora
Grosimea centurii de teren icircngheţat se stabileşte icircn urma calculelor de rezistenţa materialelor icircncacirct se pot calcula volumele ocupate de straturile componente V1 V2Vn
Cantitatea de căldură ce trebuie extrasă din zona icircngheţată cuprinde două componente și anume
cantitatea de căldura Qa corespunzătoare răcirii şi icircngheţării apei
cantitatea de căldura Qt necesara răcirii părţii solide a terenului
n
1kfgsikaakka tcltcVQ (516)
unde
k - reprezintă conţinutul icircn apă din stratul respectiv [m3m3]
a - densitatea apei [kgm3]
ca cg - căldura specifica a apei respectiv a gheţii Jkg K
tik - temperatura iniţiala a stratului respectiv (de ordinul k)
tf - temperatura medie finala a masivului icircngheţat
ls - căldura latentă de solidificare a apei
r
q
q
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
52
fik
n
1kkkkkt ttc1VQ
(517)
k - densitatea părţii de teren solid (uscat) din stratul k
ck - căldura specifică a terenului uscat din stratul k
Cantitatea de căldură extrasă din terenul răcit reprezintă circa 1018 din cantitatea de căldură extrasă din zona de teren icircngheţat
Deci cantitatea totală de căldură Q ce va trebui preluată de către instalaţia frigorifică se poate aprecia astfel
Q = (110118) (Qa + Qt) (518)
Cu relaţia (51) se calculează puterea frigorifica a instalaţiei adoptacircnd o valoare medie pentru densitatea fluxului de căldura qF
Se poate aprecia timpul de funcţionare a instalaţiei frigorifice
o
Q
(519)
La anumite grosimi ale cochiliei de teren icircngheţat icircn jurul sondei densitatea fluxului termic scade sub valoarea medie adoptată icircn calcule şi ca urmare icircncepacircnd de la acest moment se va putea reduce treptat puterea frigorifica a instalaţiei prin scoaterea din funcţiune a unor grupuri
La proiectare se pot avea icircn vedere unele recomandări practice pentru stabilirea necesarului de frig pentru icircngheţarea unui m3 la -10 ordmC este necesar un consum specific de frig de 66000 kJ la 10 umiditate de 155000 kJ la 35 umiditate și de 210000 kJ la 50 umiditate
42 52 RĂCIREA BETONULUI LA CONSTRUCŢIILE MASIVE
421 521 INSTALAŢII DE PRERĂCIRE A COMPONENTELOR BETONULUI
Formarea betonului din elementele sale componente (nisip pietriş ciment şi apă) este icircnsoţită de fenomene fizico - chimice icircn care se degajă căldură şi ca urmare temperatura acestuia creşte Icircn cazul unor masive din beton (baraje) dacă viteza de turnare (icircn sezonul cald cacircnd se efectuază construcţia) este mai mare şi nu se asigura evacuarea căldurii corpul rezultă la o temperatura medie mai mare decacirct temperatura medie anuală Răcirea naturală conduce la contracţia masivului şi ca urmare la apariţia sub acţiunea tensiunilor interne a unor fisuri
Pentru ca variaţiile de temperatura icircntre centrul barajului şi straturile exterioare să fie cacirct mai mici se impune ca masivul respectiv să fie turnat la temperatura medie anuală a zonei respective Icircn acest scop se pot folosi două metode prin prerăcirea componentelor betonului și prin răcirea masei barajului
Icircn vederea reducerii căldurii degajată icircn reacţia dintre ciment şi apă au fost realizate sortimente de ciment caracterizate prin călduri masice reduse ce se degajă icircn procesul de priză
Prin prerăcirea componentelor betonului se urmăreşte ca betonul sa aibă temperatura medie a locului de amplasament şi prin aceasta evitarea apariţiei unor diferenţe mari de temperatură ce pun icircn pericol construcţia
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
53
Icircn funcţie de valoarea diferenţei de temperatură care trebuie realizată se poate adopta o anumită schemă de răcire pentru fiecare component icircn parte sau numai pentru unele din aceste părţi componente
Se pot folosi instalaţii frigorifice cu comprimare mecanică de vapori pentru răcirea apei a aerului sau formarea gheţii mărunte utilizate la prerăcirea componentelor betonului Folosirea gheţii fulgi sau solzi este limitată atacirct din cauza conţinutului de apă impus cacirct şi ca urmare a pericolului ca gheaţa să nu se topească icircn procesul de malaxare ci la turnare sau icircn procesul de priză ceea ce duce la formarea de goluri icircn beton
De asemenea se pot folosi instalaţiile frigorifice cu ejecţie
Icircn vederea stabilirii necesarului de frig pentru preratildecirea componentelor betonului se calculează mai icircntacirci cantitatea de catildelduratilde Qo1 ce trebuie evacuatatilde dintr-un m3 de beton avacircndu-se icircn vedere proporţiile icircn care participatilde cimentul nisipul pietrişul şi apa Fiecare component are o temperatură iniţialatilde şi urmeazatilde a fi răcit pacircnatilde la o temperatura finalatilde tf aceeaşi pentru toţi componenţii
fpppfnnnfccc1o ttcmttcmttcmQ
fnaanfpaapfaaa ttcmttcmttcm Jm3 (520)
unde
mc mn mp ma - masele de ciment nisip pietriş şi apă conţinute icircntr-un m3 de beton [kgm3]
cc cn cp cw - căldurile specifice masice ale cimentului nisipului pietrişului şi nisipul dintr-un m3 de beton [kgm3]
Puterea frigorifică se determină cu relaţia
3b1oo 10VQ [kW] (521)
icircn care bV reprezintă fluxul de betonare icircn m3s
Se prezintă icircn continuare cele mai folosite metode de prerăcire a componentelor betonului
4211 a) Instalaţie de prerăcire cu apă
Staţia de preparare a betonului este deservită de o instalaţie frigorifică cu comprimare mecanică de vapori care asigură răcirea apei
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
54
Figura 418 Fig 518 Schema de lucru a instalaţiei de prerăcire a betonului cu ajutorul apei 1 - ciment 2 - vagon nisip 3 - vagon pietris 4 - tancuri de răcire a pietrişului 5 - sită 6 - siloz de
nisip 7 - siloz de ciment 8 - rezervor de distribuţie 9 - răcitor de nisip 10 - răcitor de ciment 11 - răcitor de apă 12 - rezervor de apă răcită 13 - răcitor de apă 14 - instalaţie de prepararea betonului
I II III IV V - fazele de răcire a pietrişului
Icircn figura 518 se prezintă schema de lucru a unei asemenea instalaţii de prerăcire a betonului cu ajutorul apei folosită la construcţia barajului de la Detroit (SUA) Apa este răcită de la 16 la 15 ordmC şi transmisă apoi la instalaţia de preparare a betonului şi icircn cinci rezervoare a cacircte 90 m3 fiecare icircn care se răceşte pietrişul
Procesul de răcire a pietrişului cuprinde cinci faze
- faza I - introducerea apei icircn rezervor 10 minute
- fazele II şi III - introducerea simultană a apei şi a pietrişului 50 minute
- faza IV - evacuarea apei 15 minute
- faza V - evacuarea pietrişului 15 minute
Icircntregul proces de răcire a pietrişului durează 90 minute Pentru răcirea cimentului şi nisipului se utilizează schimbătoare de căldură cu ax elicoidal la care apa de răcire circulă prin arborele gol şi prin manta
Rezervoarele 12 pentru apa răcită au fiecare volumul de 114 m3
Beton 635oC
190 m3h
65oC
24oC
18oC
1
2
3
4
5
6
7
8
10
9
11
12
13
14
Apă 16oC
15oC
Cim
en
t
26 l
h
Nis
ip 1
12
lh
10
oC
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
55
42111 Aplicaţie numerică
Să se calculeze puterea frigorifică necesară prerăcirii betonului prin metode şi condiţiile prezentate mai sus Se cunosc următoarele date de calcul
mp = 1700 kgm3 beton
mc = 135 kgm3 beton
mn = 590 kgm3 beton
ma = 60 kgm3 beton
cc = cn = cp = 921 Jkg K
ca = 4180 Jkg K
map = 16 kgm3 beton
man = 38 kgm3 beton
tp = 18 ordmC
tc = 66 ordmC
tn = 21 ordmC tf = 635 ordmC
052803000
190Vb m3s
Se calculează componentele cantităţii de căldură Q01
3fcccc 10741735666921135ttcmQ Jm3
3fnnnn 10796135621921590ttcmQ Jm3
3fpppp 1024018356189211700ttcmQ Jm3
3faaaa 10420235616418060ttcmQ Jm3
3fpaapap 1077935618418016ttcmQ Jm3
3fnaaan 10232735621418038ttcmQ Jm3
Rezulta
3anapapnc1o 1039144QQQQQQQ Jm3
3o 10 206705280103914410VQ 33
b1o kW
4212 b) Instalaţii de prerăcire cu aer apă
Pentru răcirea componentelor betonului se utilizează icircn acest caz fie apa fie aerul ca agenţi intermediari răciţi cu ajutorul instalaţiilor frigorifice
Icircn figura 519 se prezintă schema unei asemenea instalaţii folosită la construcţia barajului de la Sariyar din Turcia
Răcirea aerului se poate face fie direct prin vaporizarea unui agent frigorific fie indirect cu un agent intermediar de răcire ca de exemplu saramura de clorură de calciu Aerul răcit pacircnă la -6 ordmC este suflat icircn silozurile cu pietriş de dimensiuni icircntre 4150 mm
Apa răcită icircn bazinul la pacircnă la 05 ordm este trimisă din colectorul 12 la staţia de preparare a betonului servind la scăderea temperaturii acestuia
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
56
Figura 419 Fig 519 Schema instalaţiei de prerăcire a betonului cu aer şi apă 1 - compresor 2 - condensator 3 - ventile de laminare 4 - vaporizatoare 5 - bazin de răcire a
saramurii 6 - pompă de saramură 7 - răcitor umed de aer 8 - ventilatoare 9 - silozuri de pietriş 10 - bazin de răcire a apei 11 - pompă 12 - colector de apă răcită
Figura 420 Fig 520 Schema instalaţiei de prerăcire cu aer şi apă 1 - siloz de pietriş şi nisip 2 - siloz de ciment 3 rezervor de apă 4 - răcitor de aer 5 - răcitor de apă
4 - răcitor de apă 6 - buncăr de sortare 7 - instalaţie de preparare beton
Pentru intensificarea procesului de răcire a pietrişului aerul este răcit sub 0 ordmC Acest procedeu are avantajul unei funcţionări fără icircntrerupere a procesului de preparare a betonului dar prezintă şi o serie de dezavantaje debite foarte mari de aer de răcire posibilitatea antrenării particulelor fine de agregat icircn răcitorul de aer şi depunerea acestora pe suprafaţa de schimb de căldură Ca urmare instalaţia se va curăţa la circa 14 zile Icircn figura 520 se prezintă o altă schemă de instalaţie de prerăcire a betonului cu aer şi apă folosită la construcţia unui baraj din India
Apă
295oC
Ciment
433oC
Pietriş şi nisip
378oC
Apă 6oC
Ciment 433oC
Aer
Pietriş
45oC Nisip 222oC
22oC
Ap
ă
45
oC
Ap
ă 2
2o
C
Ae
r 5
5o
C
Be
ton
12
8o
C
Apă 22oC
2
1
3 4 5
8
9
5 7
12
1oC
11
05oC 9oC 9oC
-9oC
-10oC -10oC
-10oC 2oC
6oC
10 4 4 6
8 8
8
8 8
9 9 9 9
1
2
3 3
7
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
57
Pietrişul şi nisipul se separă icircntre ele icircn buncărul de sortare 6 şi apoi fiecare circulă pe cacircte o bandă transportoare prin camera de răcire 7 Pietrişul este răcit cu ajutorul apei
Fig
ura
42
1 F
ig 5
21
Sc
he
ma
in
sta
laţi
ei
de
ră
cir
e icirc
n v
id a
co
mp
on
en
telo
r b
eto
nu
lui
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
58
reci icircncacirct ajunge la o temperatură mai scăzută decacirct nisipul răcit cu aer Prin camera 7 se circulă şi aer rece care se introduce la temperatura de 55 ordmC Cimentul se introduce la instalaţia de preparare a betonului 9 fără a fi răcit
O altă posibilitate de prerăcire a agregatelor (pietriş şi nisip) şi a apei utilizată mai recent la construirea barajelor icircntrebuinţează răcirea icircn vid la care agregatele uşor umezite icircn recipiente sub presiune se răcesc după nevoie (prin reglarea vacuumului) la o temperatură mai scăzută sau mai ridicată Căldura necesară evaporării umidităţii de pe agregate şi din ele (apa legată) este luată chiar de la corpurile respective (pietriş nisip) şi ca urmare acestea se răcesc
O asemenea instalaţie utilizată la Hortwell icircn SUA (figura 521) cuprinde 3 recipienţi de cacircte 150 m3 pentru răcirea pietrişului şi 3 recipienţi de cacircte 80 m3 pentru răcirea nisipului
Pietrişul şi nisipul cu temperatura maximă de 43 ordmC se pot răci pacircnă la temperatura necesară de 45 ordmC Pentru realizarea vidului necesar se folosesc două cazane de abur care produc 77 th fiecare
422 522 RĂCIREA INTERIOARĂ A MASIVULUI DE BETON
Prerăcirea betonului se recomandă icircn condiţiile unei zone tropicale sau temperate de amplasare a construcţiei masive nu se recomandă icircn cazul amplasării barajului icircn munţi unde temperatura aerului este scăzută Icircn asemenea situaţii se recomandă răcirea betonului prin conducte amplasate icircn masiv prin care circulă apă rece
La răcirea interioară cu conducte montate icircn beton are loc o eliminarea a căldurii simultan cu producerea ei icircn procesul de priză producacircndu-se şi o răcire pacircnă la temperatura necesară Pentru răcire se folosesc conducte de oţel cu diametre de 1525 mm montate la distanţe de 1223 m icircn plan orizontal şi de 153 m icircn plan vertical Lungimea conductelor icircntr-un m3 de beton este de 0204 şi a fiecărei serpentine de 140250 m
Debitul apei de răcire ce circulă prin 1 m3 de beton este de (0553) dm3h
Figura 422 Fig 522 Reţea de conducte de răcire a betonului icircn secţiunea unui baraj 1 - galerie pentru măsurători 2 - galerie de conducte de apă de răcire
Serpentinele se montează şi se fixează pe suprafaţă de beton (fig522) Capetele serpentinelor se leagă de o coloană verticală prin mufe metalice sau de cauciuc Diametrul distribuitorului şi al coloanei este cuprins icircntre 150200 mm După montaj aceste conducte se verifică la presiunea de lucru
1 2
Ax
a
ba
raju
lui
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
34
4 Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
Există două domenii principale icircn care se utilizează frigul artificial icircn lucrările de construcţii şi anume
icircngheţarea terenurilor acvifere icircn vederea săpării puţurilor de mină a barajelor a depozitelor de gaze lichefiate etc
prerăcirea componentelor betonului icircn cazul executării unor masive de beton ca de exemplu baraje
41 51 IcircNGHEŢAREA SOLULUI
411 511 CONSIDERAŢII GENERALE PRIVIND IcircNGHEŢAREA SOLULUI
Icircngheţarea artificială a solului reprezintă una dintre cele mai interesante şi icircn acelaşi timp şi importante aplicaţii practice a frigului artificial Totodată este una dintre primele aplicaţii industriale a tehnicii frigului şi care a asigurat o dezvoltare deosebită a industriei extractive Aşa se explică faptul că odată apărută maşina frigorifică cu absorbţie realizată icircn 1859 de către Ferdinand Carre este folosită la săparea primului puţ de mină prin icircngheţarea artificială a rocilor Dar nu numai industria minieră foloseşte icircn ultimul secol procedeul consolidării rocilor la săpararea unor lucrări subterane Lucrări inginereşti de tot genul ca metrouri staţii subterane de pompare rezervoare de gaze lichefiate poduri lucrări portuare şi altele asemănătoare amplasate icircn zone acvifere au fost realizate prin metoda consolidării prin frig a rocilor
Această metodă a consolidării rocilor prin frig artificial realizează icircn jurul lucrării inginereşti subterane un perete icircngheţat protector pe durata lucrărilor de construcţii Acest perete asigură o izolare hidraulică şi icircn acelaşi timp şi o protecţie mecanică Rezistenţa mecanică a rocilor creşte pe măsură ce temperatura lor scade icircncacirct metoda expusă mai sus prezintă avantajul reglării capacităţii portante a peretelui icircngheţat
Apa conţinută icircn terenuri prin icircngheţare capătă proprietăţile cimentului exprimate prin forţele de coeziune mari care apar icircntre cristalele de gheaţă şi grăunţii de rocă
Pentru obţinerea peretelui protector se folosesc sonde de icircngheţare forate pe conturul lucrării subterane şi prin care circulă agentul de răcire care poate fi un agent intermediar ca de exemplu saramura de clorură de calciu sau agentul frigorific de exemplu amoniacul Icircn funcţie de grosimea peretelui şi de rezistenţa mecanică pe care trebuie să o aibă se va alege temperatura agentului de răcire distanţa dintre sonde şi durata de icircngheţare
Instalaţia de consolidare prin frig a rocilor cuprinde trei părţi principale staţia frigorifică reţeaua de distribuţie a agentului de răcire (saramura) şi sondele de icircngheţare a solului
Staţia frigorifică cuprinde instalaţia frigorifică propriu-zisă cu comprimare mecanică de vapori sau prin absorbţie icircntr-o treaptă sau icircn două trepte Icircn funcţie de condiţiile de amplasament ale obiectivului staţia frigorifică poate fi de construcţie staţionară (icircn minerit) sau mobilă (la metrouri)
Reţeaua de distribuţie alcătuită din conducte metalice sau din mase plastice are rolul de a face legătura icircntre staţia frigorifică şi sondele de icircngheţare Pentru reducerea pierderilor de frig reţeaua de distribuţie se izolează termic
Sondele de icircngheţare constituie schimbătorul de căldură subteran prin care se extrage căldura de la terenul supus icircngheţării Icircn fig 51 se prezintă schiţa unei sonde de icircngheţare cu ajutorul saramurii Saramura rece cu temperatura icircntre -10 ordmC pacircnă la -35 ordmC
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
35
coboară prin ţeava interioară şi apoi se icircntoarce prin spaţiul inelar dintre cele două conducte concentrice
Figura 41 Fig 51 Sonda de icircngheţare 1 - şiu (tub scurt de oţel cu pereţi groşi rezistent) 2 - ţeava interioară 3 - ţeava exterioară (burlan de
icircngheţare) 4 - capul sondei
Circulaţia continuă a saramurii prin sonda de icircngheţare face ca rocile ce icircnconjoară sondele inclusiv apa conţinută icircn spaţiile libere să se răcească treptat Icircn jurul sondei icircncepe să se formeze stratul de rocă icircngheţată diametrul cilindrului de teren icircngheţat se măreşte icircn timp Aşa cum s-a arătat icircn capitolul 3 rezultă că dezvoltarea radială a cilindrului de rocă icircngheţată icircn jurul sondei se desfăşoară cu o viteza variabilă de icircnaintare la icircnceput viteza de icircnaintare a frontului de gheaţă este mai mare după care scade icircn timp Apoi se atinge stadiul staţionar de transfer de căldură cacircnd cilindrul nu mai creşte icircn dimensiuni Reiese că distanţa dintre sondele de icircngheţare este determinată de raza maximă a cilindrului de teren icircngheţat Pentru a realiza peretele icircngheţat care să reziste la solicitările la care este supus se impune ca distanţa dintre sondele vecine să fie mai mică decacirct raza maximă a terenului icircngheţat astfel icircncacirct cilindrii formaţi să se unească icircntre ei Icircn fig 52 se prezintă evoluţia icircn timp a icircngheţării terenului icircn jurul sondelor Icircn faza iniţială a icircnceput răcirea dar icircncă nu s-a format teren icircngheţat Icircn faza a II-a (după circa 20 zile) icircn jurul fiecărei sonde se formează cacircte un cilindru de teren icircngheţat fără ca aceştia să se unească Icircn faza a III-a (după circa 30 zile) cilindrii se icircntretaie şi formează peretele protector
Figura 42 Fig 52 Evoluţia cilindrilor individuali de rocă icircngheţată 1 - sonda de icircngheţare 2 - sonda de măsurători termice 3 - teren icircngheţat
Această evoluţie poate fi urmărită cu suficientă precizie prin măsurarea temperaturii masivului cu ajutorul unor sonde de măsurători termice 2 montate la distanţe bine stabilite de sondele vecine de icircngheţare Astfel icircn faza I-a temperatura este cea iniţială deci neafectată de prezenţa sondelor icircn faza a II-a temperatura este mai scăzută dar mai mare de 0 ordmC Cum icircn practică sondele de icircngheţare au o abatere de la poziţia verticală (sau de la cea impusă prin proiect) sondele de măsurători termice sunt prevăzute icircntre sondele
I II III
1
2 2 2
3 3
SARAMURĂ CALDĂ
IEŞIRE
INTRARE SARAMURĂ A E RECE
1
2
3
4
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
36
cele mai distanţate icircntre ele acolo unde evoluţia peretelui de protecţie este cea mai defavorabilă
Primele realizări inginereşti de consolidare prin frig artificial a terenurilor acvifere metodă prin care vor fi aduse la lumină multe bogăţii subterane sunt legate de numele inginerului de mine şi metalurgie Friederich Herman Poetsch El a obţinut icircn 27 februarie 1883 brevetul pentru procedeul său de adacircncire a puţurilor verticale icircn roci bogate icircn apă (şi curgătoare) Poetsch a reuşit să experimenteze procedeul său la adacircncirea unor puţuri de mină dar a avut şi multe insuccese icircncacirct la 9 iunie 1902 moare sărac şi dezamăgit Metoda de icircngheţare prin frig artificial a terenurilor a avut mare succes icircn Franţa Astfel numai icircn perioada 1892 - 1898 icircn bazinele carbonifere Nord şi Pas de Calais s-au săpat circa 20 puţuri pacircnă la o adacircncime de 100 m prin aplicarea metodei icircngheţării după planurile lui Poetsch
Desigur că nu ar putea fi omis numele lui Louis Gebhard care realizează numeroase lucrări de adacircncire a puţurilor prin icircngheţare atacirct icircn Germania cacirct şi icircn Franţa Anglia Olanda şi Polonia ceea ce face ca metoda propusă de Poetch să devină o tehnologie demnă de toată icircncrederea cu siguranţă absolută şi cu un mare randament
Gebhard un mare practician icircncepe sa folosească icircn locul instalaţiilor cu absorbţie realizate de F Carre pe cu cele cu comprimare mecanică de vapori realizate de Karl von Linde cu icircncepere din anul 1874
Poetsch icircn 1888 prevede extinderea procedeului de icircngheţare la construcţia podurilor la construcţii navale lucrări de fortificaţii la protecţia fundaţiilor subterane şi a bazinelor cu apă El susţine că poate să rezolve orice problemă sub apă chiar şi puţuri icircncepute şi abandonate
Icircn anul 1900 se depăşeşte bariera adacircncimii de 100 m Realizarea unor puţuri mai adacircnci (peste 100 m) ridică unele probleme icircn plus faţă de puţurile de mai mică adacircncime deoarece abaterile de la verticalitate pot conduce la formarea unor ferestre icircn peretele protector
Icircn ţara noastră această tehnologie de forare a unor puţuri de mină cacirct şi a galeriilor de metrou prin icircngheţarea solului a fost folosită cu icircncepere din anul 1961 aşa cum se prezintă icircn paragraful 513
412 512 CONSTRUCŢIA INSTALAŢIEI DE IcircNGHEŢARE A SOLULUI
Icircn funcţie de forma şi mărimea lucrării care se realizează la adăpostul terenului icircngheţat principial se pot utiliza următoarele tipuri de instalaţii
a) cu răcire indirectă denumită şi cu dublu schimb (fig53)
b)cu răcire directă icircn circuit icircnchis (fig 54)
c)răcire directă icircn circuit deschis (fig55)
a) Răcirea indirectă se utilizează icircn practică cel mai mult fiind cunoscută icircncă de la icircnceputurile metodei de icircngheţare a solului
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
37
Figura 43 Fig 53 Instalaţia frigorifică cu răcire indirectă 1 - compresor 2 - condensator3 - ventil de laminare 4 - vaporizator 5 - bazin de răcire a saramurii 6
- agitator 7 - pompă de saramură 8 - sonde de icircngheţare
Ca agent frigorific se poate folosi amoniacul sau freonii iar ca agent intermediar se utilizează soluţiile de clorură de calciu clorura de sodiu sau magneziu sărurile respective fiind relativ uşor de procurat
Instalaţiile frigorifice cuprind unul sau mai multe blocuri frigorifice Acest mod de compunere prezintă avantaje icircn ceea ce priveşte montarea cacirct şi exploatarea instalaţiilor se poate asigura o reducere icircn trepte a puterii frigorifice pe măsură ce creşte rezistenţa termică a stratului de teren icircngheţat
Componentele principale ale instalaţiei frigorifice se montează grupat pe cele trei secţiuni secţia de compresoare secţia condensatoarelor şi secţia vaporizatoarelor De regulă compresoarele se montează fie icircn aer liber atunci cacircnd tipul lor permite fie acoperite sub şarpante protectoare
Pe măsură ce se scot din funcţiune blocurile frigorifice se demontează şi se pot monta la un nou obiectiv
b) Răcirea directă icircn circuit icircnchis (fig 54) se utilizează icircn cazul icircn care adacircncimea de icircngheţare este mică
Figura 44 Fig 54 Instalaţia frigorifică cu răcire directă icircn circuit icircnchis 1 - compresor 2 - condensator 3 - ventil de laminare 4 - sonde de icircngheţare
Sondele de icircngheţare constituie vaporizatorul instalaţiei frigorifice Icircn cazul unor sonde de lungime mare icircnălţimea coloanei de agent frigorific este de asemenea mare Ca urmare a presiunii hidrostatice variabile şi temperatura de vaporizare este variabilă fiind mai mare
1
2
1111111 Apă
3
4
1
2
Apă 3
4
5
6
7
8
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
38
la capătul inferior şi mai mică la capătul superior Din acest motiv adacircncimea sondelor de icircngheţare nu poate depăşi anumite limite şi icircn plus se recurge la fragmentarea coloanei de lichid cu ajutorul unor pereţi despărţitori
Pierderile de agent frigorific mai mari decacirct icircn cazul răcirii indirecte reprezintă un alt inconvenient al acestui mod de răcire
c) Răcirea directă icircn circuit deschis constă icircn introducerea agentului frigorific (cel mai frecvent azot lichid) icircn sondele de icircngheţare fără ca acesta să mai fie folosit după vaporizare
La presiunea atmosferică azotul lichid fierbe la temperatura de -196 ordmC icircncacirct vaporii reci de azot icircnainte de a fi evacuaţi se folosesc de asemenea pentru congelarea solului fiind circulaţi prin sonde de icircngheţare (Fig 55)
Figura 45 Fig 55 Icircngheţarea cu azot lichid icircn două trepte 1 - ventil de laminare 2 - sonda de icircngheţare 3 - sonda de icircngheţare cu vapori de azot
Această metodă se foloseşte cacircnd se urmăreşte o icircngheţare rapidă şi volumul de teren icircngheţat este redus
Se vor prezenta icircn continuare unele elemente constructive ale instalaţiilor de icircngheţare
Reţeaua de saramură (fig 56) are rolul de a asigura transferul de căldură de la sol către agentul frigorific Cuprinde două schimbătoare de căldură cel subteran alcătuit din sondele de icircngheţare şi cel de suprafaţă reprezentat de vaporizatorul imersat icircn saramură Icircntre cele două schimbătoare de căldură există conducte magistrale distribuitoare - colectoare şi racorduri la sonde
Saramura răcită prin intermediul vaporizatorului 1 este circulată cu pompa 2 prin magistrala de tur a reţelei 3 Sondele de icircngheţare 5 se leagă prin vane la distribuitorul 4 şi colectorul 6 ambele de construcţie inelară Printr-o asemenea construcţie şi mod de legare a sondelor prezentate icircn figura 56 se asigură o echilibrare a căderilor de presiune pe sondele de icircngheţare şi ca urmare o alimentare uniformă cu agent intermediar şi deci şi o răcire uniformă pentru toate sondele
1
2
AZOT LICHID
VAPORI
AZOT -40OC
3
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
39
Figura 46 Fig 56 Schema reţelei de saramură 1- vaporizatorul 2 - pompa de saramură 3 - magistrala de tur 4 - distribuitorul inelar 5 -sondele de
icircngheţare 6 - colectorul inelar 7 - magistrale de retur M - manometru D - debitmetru T - termometru
Magistralele 3 şi 7 de acelaşi diametru şi lungime variabilă (determinată de o serie de factori) se pot monta atacirct la suprafaţă cacirct şi icircn canal
Magistralele se dimensionează icircn funcţie de puterea frigorifică a schimbătorului de căldură subteran alcătuit din sondele de icircngheţare
F0 qNHd [W] (51)
unde d - diametrul exterior al sondei de icircngheţare m
H - adacircncimea de icircngheţare m
N - numărul de sonde de icircngheţare
qF - densitatea fluxului termic raportat la suprafaţa exterioară a sondei La temperatura saramurii de - 20 ordmC se poate considera qF = (260290) Wm2
Debitul volumic V de agent intermediar icircn reţeaua de icircngheţare icircn funcţie de care se aleg
pompele se determină cu relaţia
tc
V o
(52)
icircn care este densitatea agentului intermediar kgm3
c - căldura specifică a agentului intermediar JkgK
t - creşterea temperaturii agentului (saramura) icircn sondele de icircngheţare K
La icircnceputul perioadei de răcire diferenţa de temperatură este t = 56 K ca apoi să scadă la 12 K
Icircn conductele magistrale se recomandă ca viteza saramurii să fie w = 0915ms
Icircn acest caz diametrul conductelor de transport a saramurii este dat de relaţia
w
V4D
[m] (53)
Icircn funcţie de valoarea determinată pentru D se aleg conducte metalice de diametru nominal cuprins icircntre 75200 mm Dacă rezultă D gt 200 mm se vor alege două conducte cu diametrul mai mic de 200 mm
2
T
T
M
M D
D
NH
3
3
4
6
5
7
1
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
40
Conductele magistrale se realizează prin icircmbinări cu flanşe sau sudate iar la lungimi mai mari de 100150 m se vor prevedea coturi compensatoare Pentru reducerea pierderilor de frig magistralele vor fi izolate termic
Distribuitorul de saramură răcită şi colectorul de saramură de la sonde sunt construcţii metalice identice
Icircn figura 57 se prezintă modul de racordare a sondelor de icircngheţare 5 la distribuitorul 1 şi colectorul 2 Vanele 3 asigură icircnchiderea deci oprirea circulaţiei şi reglajul debitului Prin aceste vane se poate izola o anumită sondă care nu funcţionează normal sau la care se observă o anumită defecţiune
Figura 47 Fig 57 Racordarea sondelor de icircngheţare la distribuitor şi colector 1 - distribuitor 2 - colector 3 - vane 4 - racord elastic 5 - sonda de icircngheţare
Poziţia distribuitorului şi colectorului faţă de racircndul sondelor de icircngheţare poate fi laterală de o singură parte sau laterală de ambele părţi ale sondelor Amplasamentul trebuie astfel făcut icircncacirct să fie posibilă vizitarea supravegherea şi eventual icircnlocuirea sondelor de icircngheţare
Racordarea sondelor la distribuitor şi colector se face prin cacircte un racord elastic (fig 57) Dimensionarea distribuitoarelor şi a colectoarelor se face din condiţia ca viteza saramurii să nu depăşească 0915 ms
Coloanele de distribuţie şi colectare urmăresc icircn teren forma şirului de sonde de icircngheţare şi pot avea acelaşi traseu sau trasee diferite Configuraţia traseului poate fi icircn linie sau circulară Icircn oricare din situaţiile prezentate distanţele dintre ştuţurile de racord şi sondele de icircngheţare sunt variabile astfel icircncacirct racordurile rigide prin flanşe şi sudură sunt greu de realizat Cea mai practică soluţie de racord icircn acest caz este furtunul de cauciuc (fig 57)
Icircn reţeaua de saramură poate pătrunde aer prin procesul de pompare ceea ce conduce la intensificarea acţiunii corosive a saramurii Icircn scopul icircndepărtării aerului nedorit pe partea superioară a conductelor icircn punctele cele mai ridicate ale acestora se montează robineţi de evacuare periodică a aerului şi eventual a altor gaze
Pe conductele magistrale se vor monta aparate de măsură şi control debitmetre termometre şi manometre (fig 56) Icircn acest caz se poate aprecia funcţionarea fiecărei sonde după depunerile exterioare de gheaţă pe racordul metalic sau de cauciuc lăsate neizolate termic tocmai icircn acest scop Icircn scopul urmăririi regimului de lucru sub aspect
5
4
1
2 3
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
41
hidraulic şi termic icircn mod individual se pot monta aparate de măsură şi control pe fiecare sondă de icircngheţare dar această soluţie este mai costisitoare
Sonda de icircngheţare realizează transferul de căldură de la terenul ce urmează a fi icircngheţat spre agentul frigorific (la răcirea directă) sau agentul intermediar (la răcirea indirectă)
Icircn figura 51 s-a prezentat schema de principiu a unei sonde de icircngheţare cu saramură activă pe toată lungimea Conducta exterioară sau burlanul de icircngheţare 3 este o conductă din oţel etanşă şi rezistentă la eforturile mecanice care apar datorită presiunii solului şi variaţiei de temperatură icircntre momentul fixării ei icircn sol şi cel al funcţionării la o temperatura sub 00C
Icircn procesul de icircngheţare coloana de burlane care poate atinge lungimi de sute de metri se contractă icircnsă nu liber deoarece ea este stracircnsă icircn masivul de roci La o variaţie de temperatură icircntre momentul iniţial (fără saramură) şi momentul pornirii circulaţiei de saramură de 400C conducta din oţel de 500 m adacircncime ar trebui să se contracte cu
tHH = 500 11 10-6 40 = 0220 m = 22 cm
Datorită fixării coloanei icircn gaura forată efortul unitar de icircntindere ce apare icircn urma scăderii temperaturii este
tE = 22 1010 11 10-10 40 = 968 105 Nm2 = 9680 Ncm2
La acest efort de icircntindere apărut datorită contracţiei coloanei se mai adaugă efortul de acelaşi semn provocat de dilatarea masivului de rocă acviferă icircngheţată Icircn scopul compensării eforturilor de icircntindere s-a propus icircmbinarea coloanei cu nipluri elastice O asemenea soluţie este mai scumpă şi icircn plus micşorează secţiunea liberă de curgere ceea ce conduce la icircncălzirea excedentară a saramurii
La lucrări subterane de mare adacircncime ca puţurile de mină depozite subterane se folosesc burlane de 1397 x 7 mm pentru a fi posibilă determinarea abaterii de la poziţie verticală
La tunelurile de metrou şi icircn general la lucrările la care adacircncimea de icircngheţare nu depăşeşte 50 - 60 m diametrul cel mai frecvent utilizat este 1143 x 7 mm
Ţeava interioară 2 (fig 51) numită şi tub de alimentare de regulă ţeava uşoară de instalaţii de 50 mm diametrul se introduce icircn burlanul exterior 3 fără icircnsă a atinge şiul de bază 1 al sondei Se asigură icircn acest mod un volum minimal de depuneri solide care circulă cu saramura icircn mod incidental Icircn scopul economisirii de metal tubul de alimentare poate fi din material plastic ceea ce prezintă marele avantaj al lipsei coroziunii şi al refolosirii materialului respectiv
Şiul de fund are rolul de a asigura icircnchiderea burlanului exterior icircn partea sa inferioară Cel mai adesea are formă conică pentru a asigura introducerea cu uşurinţă a coloanei metalice icircn gaura de sondă Această componentă a sondei de icircngheţare se execută fie prin turnare sau se confecţionează cu ajutorul sudurii
Corespunzător profilului geologic al terenului icircn care se lucrează se icircntacirclnesc şi cazuri cacircnd nu este nevoie să se icircngheţe terenul pe toată icircnălţimea sondelor ci numai la partea lor inferioară Icircn acest caz se folosesc sonde de icircngheţare zonală (fig 58) cu ajutorul cărora se asigură congelarea doar a zonei inferioare ceea ce prezintă avantaje economice deosebite nu se consumă energie pentru a icircngheţa icircn mod inutil formaţiuni geologice consistente şi uscate şi nu se reduce ritmul lucrărilor de săpare printr-o eventuală mărire a rezistenţei rocilor
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
42
Figura 48 Fig 58 Sonda de icircngheţare zonală
1 - burlan exterior 2 - tub de alimentare 3 - şiu 4 - tub de evacuare
Figura 49 Fig59 - Sonda de icircngheţare cu agent
frigorific 1 - tub exterior 2 - perete despărţitor 3 - şiu 4 -
ştuţ (ţeavă de preaplin) 5 - condensator - vaporizator
Icircn cazul răcirii directe sondele de icircngheţare cu agent frigorific sunt de construcţie specială (fig 59) Particularitatea acestor sonde este prezenţa pereţilor despărţitori 2 dispuşi unul sub celălalt la circa 3 m fiecare perete fiind prevăzut cu un ştuţ de preaplin O asemenea construcţie are rolul de a fracţiona coloane de lichid ceea ce asigură o răcire mai uniformă pe lungimea sondei
Fiecare sondă este prevăzută la partea superioară cu cacircte o cămaşă de răcire Sondele se umplu cu amoniac lichid icircntr-o asemenea cantitate icircncacirct fiecare secţie să fie icircnecată cu lichid respectiv pacircnă la partea superioară a ştuţurilor 4 Ca urmare a fluxurilor de căldură de la sol se produce fierberea amoniacului icircn toate secţiile sondei Vaporii formaţi se ridică prin ştuţurile 4 şi ajungacircnd la partea superioară a sondei se condensează cedacircnd căldură agentului (amoniac) din cămăşile de răcire
Ca urmare cămăşile de răcire de la partea superioară a sondelor constituie vaporizatorul instalaţiei frigorifice Amoniacul care se condensează la partea superioară a sondei curge icircnapoi (de sus icircn jos) prin ştuţurile 4 Folosirea pereţilor despărţitori şi a ştuţurilor micşorează influenţa presiunii hidrostatice a lichidului asupra temperaturii de vaporizare a amoniacului Asemenea sonde de icircngheţare se folosesc pentru lucrări de mică adacircncime
Amplasarea sondelor se face icircn funcţie de o serie de factori formă poziţia şi dimensiunile lucrării care se realizează structura terenului temperatura şi viteza agentului etc
Icircn cazul puţurilor de mină de secţiune circulară sondele se amplasează pe un cerc
concentric de diametru D mai mare decacirct diametrul de săpare Ds cu grosimea a peretelui icircngheţat
sDD (54)
Trebuie să se ţină seama şi de deviaţia sondelor de la poziţia verticală icircncacirct pentru adacircncimi mari se utilizează relaţia
3
2 4
1
VAPORI 5 LICHID
3
2
4 1
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
43
a21DD s (55)
unde a = 003 H este abaterea medie statistică de la verticală a sondelor
Distanţa dintre sonde se ia de obicei de 1014 m icircn terenuri rezistente şi de 0809 m icircn terenuri slabe
Pentru adacircncimi de peste 500 m se recomandă să se dispună sondele pe două cercuri concentrice pentru a se forma un perete de grosime mai mare şi deci mai rezistent
La icircngheţarea terenului icircn jurul puţurilor de secţiune dreptunghiulară sondele se pot dispune pe dreptunghi sau elipsă Icircn aceste situaţii centura de teren icircngheţat poate fi solicitată la icircntindere ceea ce este de nedorit deoarece limita de rezistenţa la icircntindere a terenurilor icircngheţate este de circa 3 ori mai mică decacirct limita rezistenţei la compresiune Din acest motiv chiar şi la puţurile de mină de secţiune dreptunghiulară sondele se dispun pe unul sau două cercuri (fig 510)
Pentru realizarea galeriilor icircnclinate icircngheţarea terenului se realizează cu sonde verticale (fig 511) sau combinat atacirct cu sonde verticale cacirct şi cu sonde icircnclinate (fig 512)
Distanţa dintre sondele verticale (fig 511) se ia de 23 m iar distanţa dintre racircnduri este de 1525 m
Se poate folosi cacircte un racircnd de sonde icircnclinate montate deasupra galeriei (fig 212 a) sau sonde icircnclinate sub galerie şi sonde verticale scurte deasupra galeriei (fig 512 b)
SONDA
154 m
16
6 m
226
262
85
SONDA
Figura 411 Fig 511 Amplasarea sondelor verticale pentru realizarea galeriei icircnclinate
Figura 411 Fig 510 Dispunerea sondelor icircn jurul puţurilor de mină de secţiune
dreptunghiulară
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
44
Figura 412 Fig 512 Realizarea galeriilor icircnclinate cu sonde verticale (1) şi sonde oblice (2)
I - secţiunea longitudinală II - secţiunea transversală a) sonde icircnclinate deasupra galeriei b) sonde icircnclinate sub galerie
413 513 UTILIZAREA METODEI DE IcircNGHEŢARE A SOLULUI IcircN ŢARA NOASTRĂ
a)Puţuri de mină
Aplicarea metodei de icircngheţare a solului pentru lucrări de minerit a avut loc la noi icircn ţară icircncepacircnd cu anul 1960 la puţul Godeni din bazinul carbonifer Cacircmpulung - Muscel Proiectul a fost elaborat icircn anul 1959 la IPROMIN Bucureşti iar lucrarea a fost executată cu Trustul Minier Argeş avacircnd icircn subantrepriză de specialitate Icircntreprinderea Frigotehnica Bucureşti şi Trustul de prospecţiuni explorări şi deschideri de mine noi Bucureşti
Adacircncimea de săpare a puţului Godeni a trebuit sa fie de 202 m Sondele de icircngheţare constituite din două ţevi concentrice (fig 51) cu diametrele exterioare de 146 mm şi respectiv 57 mm icircn număr de 27 au fost amplasate pe un cerc cu diametrul de 10 m la distanţa de 117 m una de alta
Instalaţia frigorifică a fost dimensionată cu mare precauţie pentru a avea o siguranţă mărită icircn funcţionarea ei Toate părţile componente ale instalaţiei frigorifice au fost proiectate şi executate icircn ţară
La proiectarea instalaţiei s-a avut icircn vedere funcţionarea de scurtă durată şi variaţia puterii frigorifice icircn timp S-a utilizat răcirea indirectă cu soluţie de clorură de calciu iar ca agent frigorific a fost folosit amoniacul Pentru a avea elasticitatea necesară icircn funcţionare la diferite puteri frigorifice au fost folosite grupuri de utilaje frigorifice şi anume
6 compresoare 4 AU - 20 (200000 kcal Nh =233 kW fiecare)
3 baterii de condensatoare atmosferice a cacircte 300 m2 (900 m2)
bazine pentru răcirea saramurii fiecare cu cacircte 2 vaporizatoare superintensive de 50 m2 (600 m2)
2 grupuri a cacircte 5 pompe pentru recircularea saramurii
Puterea frigorifică a instalaţiei montate a fost de 12106 kcal Nh =1395 kW şi s-a caracterizat prin următoarele date tehnice la exploatare
85
1
2
I 85
1
2
I
85
1
2
II
85
1
2 II
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
45
o suprafaţa de schimb de căldură a sondelor 2500 m2 o puterea instalaţiei 750 kW o debitul saramurii icircn
o icircn perioada activă 350 m3h o icircn perioada pasivă 70 m3h
o viteza de circulaţie a saramurii icircn sondă o tur 18 ms 036 ms o retur 029 ms 006 ms
o volumul rocilor icircngheţate circa 10000 m3 o consumul specific de frig mediu 50000 m3 o durata icircngheţării (perioada activă) 130 zile
Icircn timpul răcirii şi deci a icircngheţării solului puterea frigorifică scade icircn mod continuu icircncacirct treptat s-a scos din funcţiune cacircte un compresor icircn perioada pasivă (de săpare a puţului) s-a menţinut icircn lucru doar un singur compresor şi grupul de utilaje aferent
După terminarea lucrărilor de la puţul Godeni icircn anii următori aceeaşi instalaţie s-a montat la puţul Poenari din acelaşi bazin carbonifer unde sondele au fost amplasate pe un cerc cu diametrul de 11 m la distanţa de 128 m una de alta
Un alt puţ realizat prin această tehnologie de icircngheţare a solului a fost puţul Jugur de la acelaşi bazin carbonifer Centrala frigorifică a cuprins 15 compresoare 3 AV - 20 (150000 kcal Nh fiecare=175kW) repartizate icircn 5 linii tehnologice independente cu icircntreg utilajul aferent Fiecare linie este compusă din
o butelie de răcire intermediară BRI - 700 un condensator cu evaporare forţată CEF - 180 un bazin cu patru grupuri vaporizatoare intensive de cacircte 165 m2 (icircn total 66 m2)
Sondele de icircngheţare icircn număr de 27 bucăţi au fost prevăzute să se amplaseze pe un cerc cu diametrul de 104 m la distanţă de 121 m Sondele sunt de tipul celei indicată icircn figura 58 deci cu răcire zonală avacircnd următoarele caracteristici diametrul exterior al burlanului este de 146 mm iar tuburile interioare au 57 mm (la exterior) tubul de alimentare are lungimea de 430 m iar cel de evacuare este de 220 m Ca urmare sondele de icircngheţare trebuie să producă icircngheţarea solului numai pe adacircncimea de la 220 m la 430 m Prin proiect s-au prevăzut următoarele date temperatura saramurii - 35 ordmC viteza saramurii icircn conducte de tur 18 ms viteza icircn conducte de retur (pe adacircncimea de răcit) 06 ms durata icircngheţării (perioada activă) a fost de 75 zile
Au fost prevăzute temperaturi scăzute şi viteze mari de congelare deoarece cilindrul icircngheţat trebuie să preia presiuni de pacircnă la 56 bar
b)Tunelurile pentru metroul din Bucureşti
Icircncepacircnd cu anul 1976 pentru realizarea metroului din Bucureşti s-a procedat la aplicarea metodei de icircngheţare a solului icircntr-o zonă considerată experimentală dar cu realizări efective de galerii
Prin proiect s-a prevăzut consolidarea prin icircngheţare artificială a profilului de săpare a tunelurilor de metrou pe o lungime de circa 550 m pe ambele fire Amplasamentul sondelor s-a făcut icircn două variante (pentru experimentare) pentru un fir de tunel ambele racircnduri de sonde s-au fixat icircn profilul circular de săpare iar pentru cel de al doilea fir de tunel sondele au fost forate icircn afara profilului de icircnaintare (fig 513) Au fost folosite sonde cu saramură cu posibilitatea de icircngheţare pe toată icircnălţimea de 16 m cacirct şi sonde cu icircngheţare zonală icircntre adacircncimile de 7 m şi 16 m Distanţa dintre sonde a fost fixată la 14 m
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
46
Pentru a se icircmpiedica accesul apelor icircn frontul de săpare datorate unor eventuale zone neicircngheţate traseul de tunel icircngheţat a fost icircmpărţit icircn incinte icircnchise prin timpane transversale La distanţe de 3050 m icircn lungul traseului au fost montate sonde de icircngheţare aşezate icircn plan normal pe axul tunelului prin care să se icircnchidă accesul apelor spre frontul de săpare
Echipamentul frigorific principal cuprinde
- 8 compresoare frigorifice 3 AV - 20 funcţionacircnd icircntr-o treaptă pentru care
corespunde puterea frigorifică de 12 106 kcal Nh =1395 kW
- 4 condensatoare de evaporare forţată CEF - 250
- 3 bazine de răcire a saramurii echipate cu cacircte 4 grupuri de vaporizatoare superintensive de cacircte 51 m2 (total 612 m2)
- 3 grupuri de cacircte 2 pompe a 220 m3h pentru circulaţia saramurii pe traseele de distribuţie şi prin sonde
Figura 413 Fig513 Amplasamentul sondelor de icircngheţare
Centrala frigorifică este stabilă adăpostită icircntr-o baracă metalică demontabilă existacircnd posibilitatea de reamplasare rapidă a instalaţiei icircntr-un alt loc Agentul frigorific utilizat este amoniacul iar agentul intermediar este clorura de calciu
Icircn perioada principală de icircngheţare temperatura de vaporizare este to = -22 ordmC asiguracircnd răcirea saramurii la -17 ordmC iar pe retur saramura a avut temperatura cu 15 ordmC mai ridicată
La o asemenea lucrare realizată icircn oraş se impune protejarea contra icircngheţului a straturilor de deasupra galeriilor icircn care sunt amplasate instalaţiile de apă - canal ceea ce presupune folosirea sondelor cu icircngheţare zonală care să nu fie active la partea superioară
c) Puţuri pentru prospectarea balastierelor
Procedeul şi instalaţia frigorifică au avut caracter de noutate şi s-a aplicat icircncepacircnd cu anul 1966 la mai multe obiective icircn general pe văile racircurilor unde s-au construit hidrocentrale
A
A B
B
A-A
000 -300 -700 -1061 -1300
65
800
B-B
000 -300 -700 -1061 -1300
65
550
ARGILA
ARGILA
NISIP
NISIP
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
47
Echipamentul frigorific principal cuprinde un agregat frigorific pentru amoniac de 20000 kcal Nh = 233 kW rezervor de amoniac separator de lichid şi anexe - toate fiind montate pe o remorcă
S-au folosit sonde de icircngheţare cu agent frigorific icircn număr de 8 bucăţi cu diametrul exterior de 133 mm montate pe un cerc cu diametrul de 2 m la distanţa de 076 m lungimea lor fiind de 75 m Legarea sondelor la distribuitor şi colector s-a făcut cu racorduri flexibile
Sondele au o construcţie specială fiind prevăzute cu 4 pereţi transversali cu ştuţuri de preaplin formacircndu-se astfel 5 compartimente Agentul lichid se introduce icircn compartimentul cel mai de sus şi se scurge prin ştuţuri pacircnă la baza sondei Conducta de aspiraţie străbate toate compartimentele vaporii fiind aspiraţi din compartimentul cel mai de jos Circulaţia vaporilor formaţi se face ca şi a lichidului de sus icircn jos obţinacircndu-se astfel o răcire uniformă şi eficientă pe toată icircnălţimea sondei
Durata icircngheţării respectiv a formării centurii de teren icircngheţat la adăpostul căreia să se poată efectua săparea şi preluarea de probe de sol este de 10 zile
414 514 CAcircMPUL DE TEMPERATURĂ IcircN SOLUL IcircNGHEŢAT
Cacircnd prin sonda de icircngheţare circulă saramură a cărei temperatura este sub 0 ordmC practic - 20 ordmC-25 ordmC icircn jurul sondei se formează un cacircmp termic care icircn cazul unei singure sonde poate fi reprezentat prin suprafeţe cilindrice coaxiale de temperatură constantă (izoterme)
După distanţa radială se deosebesc icircn sol din punct de vedere termic trei zone zona cilindrică din imediata vecinătate a sondei care este icircn zona icircngheţată zona răcită cuprinsă icircntre suprafaţa cilindrică izotermă de 0 ordmC şi izoterma de temperatură naturală şi a treia zonă cea de temperatura naturală (fig 514)
Icircn zona icircngheţată temperatura masivului variază de la temperatura peretelui metalic al sondei pacircnă la 0 ordmC Icircn zona răcită temperatura masivului creşte de la 0 ordmC pacircnă la temperatura naturală a masivului
Figura 414 Fig 514 Cacircmpul de temperatură icircn jurul unei sonde de icircngheţare
Este important să se cunoască cacircmpul termic icircn terenul supus icircngheţării deoarece acesta oferă date privind zona de răspacircndire a consolidării rocilor prin solidificarea apei cacirct şi a
t [oC]
r [m]
t (r)
ZONA RACITA
ZONA INGHETAT
A
ts TEMPERATURA NATURALA A ROCII
-20
-10
40
10 0 20 30
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
48
rezistenţei mecanice a rocii icircngheţate Se cunoaşte faptul că rezistenţa mecanică depinde direct de temperatură
Studiul variaţiei temperaturii icircn zona de influenţă a unei sonde şi a tuturor sondelor simultan oferă posibilitatea calculării dimensiunilor la proiectarea construcţiei peretelui protector cacirct şi controlul procesului icircn timpul desfăşurării lucrărilor
Pentru a se stabili relaţia de variaţie a temperaturii icircn zona icircngheţată icircn funcţie de raza r se consideră ecuaţia diferenţială
dr
dtr2q (56)
icircn care q este fluxul unitar de căldură corespunzător lungimii de 1 m din sonda de icircngheţare Wm
- conductivitatea termica a terenului Wm
Integrarea directă a ecuaţiei analitice se poate face icircn ipoteze simplificatoare consideracircnd
= const şi q = const ceea ce este justificat la valori mari ale timpului de răcire
Se separa variabilele
r
dr
2
qdt
(57)
Se consideră cunoscute temperaturile t1 la suprafaţa sondei de raza r1 și t2 = 0 ordmC la raza r2 corespunzătoare suprafeţei exterioare a cilindrului icircngheţat Se integrează ecuaţia (6-7) și cunoscacircnd limitele de integrare se va determina constanta de integrare
Cr ln2
qt
(58)
pentru r = r1 t = t1 deci
11 rln2
qtC
(59)
1
1r
rln
2
qtt
(510)
Se pune condiţia ca pentru r = r2 t = t2
1
212
r
rln
2
qtt
(511)
Se elimina q intre relaţiile (510) și (511) şi se obţine
1
2
1121
r
rln
r
rln
tttt (512)
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
49
Figura 415 Fig 515 Schema schimbătorului de căldură subteran
Pentru t2 = 0 ordmC relaţia (5-12) devine
)rrln(
)rrln(tt
12
21 (513)
Icircn figura 515 se prezintă o secţiune axială printr-o sondă de icircngheţare şi variaţia temperaturii icircn limitele t0 - temperatura agentului de răcire şi ts - temperatura naturală a solului
Cantitatea de căldură transferată de la masivul neicircngheţat spre agentul de răcire prin unitatea de lungimea de conducta şi unitatea de timp se calculează cu expresia
221
2
1o
1
moo
os
d
1
d
dln
1
d
dln
2
1
d
1
ttq
(514)
Icircn calculele inginereşti cel mai frecvent se determină nu fluxul termic pe unitatea de lungime a conductei ci fluxul termic qF raportat la unitatea de suprafaţă a conductei metalice la 1 m2 de suprafaţa exterioară sau interioară Mărimea qF se calculează astfel
22
o
1
2
1
o
o
1
m
o
o
oS
o
F
d
d
d
dln
2
d
d
dln
2
d1
tt
d
(515)
Fluxul termic qF prin unitatea de suprafaţă a sondei de icircngheţare calculat pentru adacircncimea de 100 m icircn regim laminar de curgere a agentului de răcire prin spaţiul inelar al sondei cu viteza w = 01 ms la diametre ale cilindrului de rocă icircngheţata
de la 02 la 3 m pentru to = -20 ordmC do = 01 m 1 = 233 WmK variază de la 720 la 230 Wm2 aşa cum se poate observa din figura 516 şi tabelul 51
d2
d1
d0
t
qF
t0
t2
t1 2
m 1
m
ts
Conducta Teren icircngheţat Teren
neicircngheţat
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
50
Figura 416 Fig 516 Variaţia fluxului termic qF prin unitatea de suprafaţă a sondei de icircngheţare 1 - regim turbulent 2 regim laminar
Tabelul 51Variaţia fluxului termic qF [Wm2]
Diametrul cilindrului de rocă icircngheţată icircn m
02 04 05 08 10 15 20
qF regim laminar 1160 550 387 330 302
qF regim laminar 720 465 423 350 321 283 258
Se observă ca densitatea fluxului de căldura qF scade foarte mult de la 800900 Wm2 la icircnceputul operaţiei de consolidare prin frig a rocilor pacircnă la 230250 Wm2 cacircnd cilindrul de rocă icircngheţata atinge diametrul de 23 m Ca urmare a acestei situaţii şi puterea frigorifică a instalaţiei va scădea icircn decursul a 6080 zile tot cu raportul de 800230 = 35
Instalaţia frigorifică va fi constituită din grupuri de utilaje (module) ce vor fi scoase treptat din funcţiune pe măsură ce se reduce densitatea fluxului de căldură qF ca urmare a creşterii grosimii stratului de teren icircngheţat Icircn practică pentru calcule se va considera qF = (260290) Wm2
O mărime importanta pentru proiectarea instalaţiei şi aprecierea procesului de consolidare a rocilor este timpul de icircngheţare Pentru calculul duratei de icircngheţare se pot folosi relaţiile prezentate icircn capitolul 3 la formarea gheţii pe suprafeţe cilindrice exterioare La aprecierea valorii pentru ls - căldura latentă de solidificare se avea icircn vedere conţinutul de apă din terenul supus icircngheţării
Dacă icircntre relaţiile pentru dependenţele (r) şi qF(r) se elimină r se obţine dependenţa
qF() Eliminarea nu se poate face direct ci fie cu ajutorul calculatorului fie printr-o construcţie grafică prezentată icircn figura 517
Studiul variaţiei temperaturii icircn solul icircngheţat cacirct și variaţia icircn timp a densităţii fluxului de căldura se poate face cu ajutorul calculatorului electronic
1200
1000
800
600
400
200
0 05 1 15 2 25 3
qF [Wm2]
Diametrul cilindrului de rocă icircngheţată [m]
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
51
Figura 417 Fig 517 Stabilirea dependentei qF() pe baza dependentelor qF(r) și (r)
415 515 ELEMENTE DE PROIECTARE A INSTALAŢIEI FRIGORIFICE PENTRU IcircNGHEŢAREA SOLULUI
Pentru proiectarea instalaţiei frigorifice trebuie sa se stabilească la icircnceput elementele de baza și anume
- puterea frigorifică maximă care apare la icircnceputul perioadei de răcire cacircnd pătrunderile de căldura spre agentul de răcire din sondele de icircngheţare au valori mai mari temperatura de vaporizare a agentului frigorific plecacircnd de la temperatura minimă sau medie din solul icircngheţat şi avacircnd icircn vedere modul de răcire directă sau indirectă
Se calculează cantitatea totală de căldură ce trebuie extrasă din terenul supus răcirii şi icircngheţării Se cunoaşte structura terenului icircngheţat deci se cunosc icircnălţimile h1 h2hn ale diferitelor straturi componente cacirct şi proprietăţile termofizice ale acestora
Grosimea centurii de teren icircngheţat se stabileşte icircn urma calculelor de rezistenţa materialelor icircncacirct se pot calcula volumele ocupate de straturile componente V1 V2Vn
Cantitatea de căldură ce trebuie extrasă din zona icircngheţată cuprinde două componente și anume
cantitatea de căldura Qa corespunzătoare răcirii şi icircngheţării apei
cantitatea de căldura Qt necesara răcirii părţii solide a terenului
n
1kfgsikaakka tcltcVQ (516)
unde
k - reprezintă conţinutul icircn apă din stratul respectiv [m3m3]
a - densitatea apei [kgm3]
ca cg - căldura specifica a apei respectiv a gheţii Jkg K
tik - temperatura iniţiala a stratului respectiv (de ordinul k)
tf - temperatura medie finala a masivului icircngheţat
ls - căldura latentă de solidificare a apei
r
q
q
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
52
fik
n
1kkkkkt ttc1VQ
(517)
k - densitatea părţii de teren solid (uscat) din stratul k
ck - căldura specifică a terenului uscat din stratul k
Cantitatea de căldură extrasă din terenul răcit reprezintă circa 1018 din cantitatea de căldură extrasă din zona de teren icircngheţat
Deci cantitatea totală de căldură Q ce va trebui preluată de către instalaţia frigorifică se poate aprecia astfel
Q = (110118) (Qa + Qt) (518)
Cu relaţia (51) se calculează puterea frigorifica a instalaţiei adoptacircnd o valoare medie pentru densitatea fluxului de căldura qF
Se poate aprecia timpul de funcţionare a instalaţiei frigorifice
o
Q
(519)
La anumite grosimi ale cochiliei de teren icircngheţat icircn jurul sondei densitatea fluxului termic scade sub valoarea medie adoptată icircn calcule şi ca urmare icircncepacircnd de la acest moment se va putea reduce treptat puterea frigorifica a instalaţiei prin scoaterea din funcţiune a unor grupuri
La proiectare se pot avea icircn vedere unele recomandări practice pentru stabilirea necesarului de frig pentru icircngheţarea unui m3 la -10 ordmC este necesar un consum specific de frig de 66000 kJ la 10 umiditate de 155000 kJ la 35 umiditate și de 210000 kJ la 50 umiditate
42 52 RĂCIREA BETONULUI LA CONSTRUCŢIILE MASIVE
421 521 INSTALAŢII DE PRERĂCIRE A COMPONENTELOR BETONULUI
Formarea betonului din elementele sale componente (nisip pietriş ciment şi apă) este icircnsoţită de fenomene fizico - chimice icircn care se degajă căldură şi ca urmare temperatura acestuia creşte Icircn cazul unor masive din beton (baraje) dacă viteza de turnare (icircn sezonul cald cacircnd se efectuază construcţia) este mai mare şi nu se asigura evacuarea căldurii corpul rezultă la o temperatura medie mai mare decacirct temperatura medie anuală Răcirea naturală conduce la contracţia masivului şi ca urmare la apariţia sub acţiunea tensiunilor interne a unor fisuri
Pentru ca variaţiile de temperatura icircntre centrul barajului şi straturile exterioare să fie cacirct mai mici se impune ca masivul respectiv să fie turnat la temperatura medie anuală a zonei respective Icircn acest scop se pot folosi două metode prin prerăcirea componentelor betonului și prin răcirea masei barajului
Icircn vederea reducerii căldurii degajată icircn reacţia dintre ciment şi apă au fost realizate sortimente de ciment caracterizate prin călduri masice reduse ce se degajă icircn procesul de priză
Prin prerăcirea componentelor betonului se urmăreşte ca betonul sa aibă temperatura medie a locului de amplasament şi prin aceasta evitarea apariţiei unor diferenţe mari de temperatură ce pun icircn pericol construcţia
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
53
Icircn funcţie de valoarea diferenţei de temperatură care trebuie realizată se poate adopta o anumită schemă de răcire pentru fiecare component icircn parte sau numai pentru unele din aceste părţi componente
Se pot folosi instalaţii frigorifice cu comprimare mecanică de vapori pentru răcirea apei a aerului sau formarea gheţii mărunte utilizate la prerăcirea componentelor betonului Folosirea gheţii fulgi sau solzi este limitată atacirct din cauza conţinutului de apă impus cacirct şi ca urmare a pericolului ca gheaţa să nu se topească icircn procesul de malaxare ci la turnare sau icircn procesul de priză ceea ce duce la formarea de goluri icircn beton
De asemenea se pot folosi instalaţiile frigorifice cu ejecţie
Icircn vederea stabilirii necesarului de frig pentru preratildecirea componentelor betonului se calculează mai icircntacirci cantitatea de catildelduratilde Qo1 ce trebuie evacuatatilde dintr-un m3 de beton avacircndu-se icircn vedere proporţiile icircn care participatilde cimentul nisipul pietrişul şi apa Fiecare component are o temperatură iniţialatilde şi urmeazatilde a fi răcit pacircnatilde la o temperatura finalatilde tf aceeaşi pentru toţi componenţii
fpppfnnnfccc1o ttcmttcmttcmQ
fnaanfpaapfaaa ttcmttcmttcm Jm3 (520)
unde
mc mn mp ma - masele de ciment nisip pietriş şi apă conţinute icircntr-un m3 de beton [kgm3]
cc cn cp cw - căldurile specifice masice ale cimentului nisipului pietrişului şi nisipul dintr-un m3 de beton [kgm3]
Puterea frigorifică se determină cu relaţia
3b1oo 10VQ [kW] (521)
icircn care bV reprezintă fluxul de betonare icircn m3s
Se prezintă icircn continuare cele mai folosite metode de prerăcire a componentelor betonului
4211 a) Instalaţie de prerăcire cu apă
Staţia de preparare a betonului este deservită de o instalaţie frigorifică cu comprimare mecanică de vapori care asigură răcirea apei
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
54
Figura 418 Fig 518 Schema de lucru a instalaţiei de prerăcire a betonului cu ajutorul apei 1 - ciment 2 - vagon nisip 3 - vagon pietris 4 - tancuri de răcire a pietrişului 5 - sită 6 - siloz de
nisip 7 - siloz de ciment 8 - rezervor de distribuţie 9 - răcitor de nisip 10 - răcitor de ciment 11 - răcitor de apă 12 - rezervor de apă răcită 13 - răcitor de apă 14 - instalaţie de prepararea betonului
I II III IV V - fazele de răcire a pietrişului
Icircn figura 518 se prezintă schema de lucru a unei asemenea instalaţii de prerăcire a betonului cu ajutorul apei folosită la construcţia barajului de la Detroit (SUA) Apa este răcită de la 16 la 15 ordmC şi transmisă apoi la instalaţia de preparare a betonului şi icircn cinci rezervoare a cacircte 90 m3 fiecare icircn care se răceşte pietrişul
Procesul de răcire a pietrişului cuprinde cinci faze
- faza I - introducerea apei icircn rezervor 10 minute
- fazele II şi III - introducerea simultană a apei şi a pietrişului 50 minute
- faza IV - evacuarea apei 15 minute
- faza V - evacuarea pietrişului 15 minute
Icircntregul proces de răcire a pietrişului durează 90 minute Pentru răcirea cimentului şi nisipului se utilizează schimbătoare de căldură cu ax elicoidal la care apa de răcire circulă prin arborele gol şi prin manta
Rezervoarele 12 pentru apa răcită au fiecare volumul de 114 m3
Beton 635oC
190 m3h
65oC
24oC
18oC
1
2
3
4
5
6
7
8
10
9
11
12
13
14
Apă 16oC
15oC
Cim
en
t
26 l
h
Nis
ip 1
12
lh
10
oC
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
55
42111 Aplicaţie numerică
Să se calculeze puterea frigorifică necesară prerăcirii betonului prin metode şi condiţiile prezentate mai sus Se cunosc următoarele date de calcul
mp = 1700 kgm3 beton
mc = 135 kgm3 beton
mn = 590 kgm3 beton
ma = 60 kgm3 beton
cc = cn = cp = 921 Jkg K
ca = 4180 Jkg K
map = 16 kgm3 beton
man = 38 kgm3 beton
tp = 18 ordmC
tc = 66 ordmC
tn = 21 ordmC tf = 635 ordmC
052803000
190Vb m3s
Se calculează componentele cantităţii de căldură Q01
3fcccc 10741735666921135ttcmQ Jm3
3fnnnn 10796135621921590ttcmQ Jm3
3fpppp 1024018356189211700ttcmQ Jm3
3faaaa 10420235616418060ttcmQ Jm3
3fpaapap 1077935618418016ttcmQ Jm3
3fnaaan 10232735621418038ttcmQ Jm3
Rezulta
3anapapnc1o 1039144QQQQQQQ Jm3
3o 10 206705280103914410VQ 33
b1o kW
4212 b) Instalaţii de prerăcire cu aer apă
Pentru răcirea componentelor betonului se utilizează icircn acest caz fie apa fie aerul ca agenţi intermediari răciţi cu ajutorul instalaţiilor frigorifice
Icircn figura 519 se prezintă schema unei asemenea instalaţii folosită la construcţia barajului de la Sariyar din Turcia
Răcirea aerului se poate face fie direct prin vaporizarea unui agent frigorific fie indirect cu un agent intermediar de răcire ca de exemplu saramura de clorură de calciu Aerul răcit pacircnă la -6 ordmC este suflat icircn silozurile cu pietriş de dimensiuni icircntre 4150 mm
Apa răcită icircn bazinul la pacircnă la 05 ordm este trimisă din colectorul 12 la staţia de preparare a betonului servind la scăderea temperaturii acestuia
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
56
Figura 419 Fig 519 Schema instalaţiei de prerăcire a betonului cu aer şi apă 1 - compresor 2 - condensator 3 - ventile de laminare 4 - vaporizatoare 5 - bazin de răcire a
saramurii 6 - pompă de saramură 7 - răcitor umed de aer 8 - ventilatoare 9 - silozuri de pietriş 10 - bazin de răcire a apei 11 - pompă 12 - colector de apă răcită
Figura 420 Fig 520 Schema instalaţiei de prerăcire cu aer şi apă 1 - siloz de pietriş şi nisip 2 - siloz de ciment 3 rezervor de apă 4 - răcitor de aer 5 - răcitor de apă
4 - răcitor de apă 6 - buncăr de sortare 7 - instalaţie de preparare beton
Pentru intensificarea procesului de răcire a pietrişului aerul este răcit sub 0 ordmC Acest procedeu are avantajul unei funcţionări fără icircntrerupere a procesului de preparare a betonului dar prezintă şi o serie de dezavantaje debite foarte mari de aer de răcire posibilitatea antrenării particulelor fine de agregat icircn răcitorul de aer şi depunerea acestora pe suprafaţa de schimb de căldură Ca urmare instalaţia se va curăţa la circa 14 zile Icircn figura 520 se prezintă o altă schemă de instalaţie de prerăcire a betonului cu aer şi apă folosită la construcţia unui baraj din India
Apă
295oC
Ciment
433oC
Pietriş şi nisip
378oC
Apă 6oC
Ciment 433oC
Aer
Pietriş
45oC Nisip 222oC
22oC
Ap
ă
45
oC
Ap
ă 2
2o
C
Ae
r 5
5o
C
Be
ton
12
8o
C
Apă 22oC
2
1
3 4 5
8
9
5 7
12
1oC
11
05oC 9oC 9oC
-9oC
-10oC -10oC
-10oC 2oC
6oC
10 4 4 6
8 8
8
8 8
9 9 9 9
1
2
3 3
7
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
57
Pietrişul şi nisipul se separă icircntre ele icircn buncărul de sortare 6 şi apoi fiecare circulă pe cacircte o bandă transportoare prin camera de răcire 7 Pietrişul este răcit cu ajutorul apei
Fig
ura
42
1 F
ig 5
21
Sc
he
ma
in
sta
laţi
ei
de
ră
cir
e icirc
n v
id a
co
mp
on
en
telo
r b
eto
nu
lui
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
58
reci icircncacirct ajunge la o temperatură mai scăzută decacirct nisipul răcit cu aer Prin camera 7 se circulă şi aer rece care se introduce la temperatura de 55 ordmC Cimentul se introduce la instalaţia de preparare a betonului 9 fără a fi răcit
O altă posibilitate de prerăcire a agregatelor (pietriş şi nisip) şi a apei utilizată mai recent la construirea barajelor icircntrebuinţează răcirea icircn vid la care agregatele uşor umezite icircn recipiente sub presiune se răcesc după nevoie (prin reglarea vacuumului) la o temperatură mai scăzută sau mai ridicată Căldura necesară evaporării umidităţii de pe agregate şi din ele (apa legată) este luată chiar de la corpurile respective (pietriş nisip) şi ca urmare acestea se răcesc
O asemenea instalaţie utilizată la Hortwell icircn SUA (figura 521) cuprinde 3 recipienţi de cacircte 150 m3 pentru răcirea pietrişului şi 3 recipienţi de cacircte 80 m3 pentru răcirea nisipului
Pietrişul şi nisipul cu temperatura maximă de 43 ordmC se pot răci pacircnă la temperatura necesară de 45 ordmC Pentru realizarea vidului necesar se folosesc două cazane de abur care produc 77 th fiecare
422 522 RĂCIREA INTERIOARĂ A MASIVULUI DE BETON
Prerăcirea betonului se recomandă icircn condiţiile unei zone tropicale sau temperate de amplasare a construcţiei masive nu se recomandă icircn cazul amplasării barajului icircn munţi unde temperatura aerului este scăzută Icircn asemenea situaţii se recomandă răcirea betonului prin conducte amplasate icircn masiv prin care circulă apă rece
La răcirea interioară cu conducte montate icircn beton are loc o eliminarea a căldurii simultan cu producerea ei icircn procesul de priză producacircndu-se şi o răcire pacircnă la temperatura necesară Pentru răcire se folosesc conducte de oţel cu diametre de 1525 mm montate la distanţe de 1223 m icircn plan orizontal şi de 153 m icircn plan vertical Lungimea conductelor icircntr-un m3 de beton este de 0204 şi a fiecărei serpentine de 140250 m
Debitul apei de răcire ce circulă prin 1 m3 de beton este de (0553) dm3h
Figura 422 Fig 522 Reţea de conducte de răcire a betonului icircn secţiunea unui baraj 1 - galerie pentru măsurători 2 - galerie de conducte de apă de răcire
Serpentinele se montează şi se fixează pe suprafaţă de beton (fig522) Capetele serpentinelor se leagă de o coloană verticală prin mufe metalice sau de cauciuc Diametrul distribuitorului şi al coloanei este cuprins icircntre 150200 mm După montaj aceste conducte se verifică la presiunea de lucru
1 2
Ax
a
ba
raju
lui
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
35
coboară prin ţeava interioară şi apoi se icircntoarce prin spaţiul inelar dintre cele două conducte concentrice
Figura 41 Fig 51 Sonda de icircngheţare 1 - şiu (tub scurt de oţel cu pereţi groşi rezistent) 2 - ţeava interioară 3 - ţeava exterioară (burlan de
icircngheţare) 4 - capul sondei
Circulaţia continuă a saramurii prin sonda de icircngheţare face ca rocile ce icircnconjoară sondele inclusiv apa conţinută icircn spaţiile libere să se răcească treptat Icircn jurul sondei icircncepe să se formeze stratul de rocă icircngheţată diametrul cilindrului de teren icircngheţat se măreşte icircn timp Aşa cum s-a arătat icircn capitolul 3 rezultă că dezvoltarea radială a cilindrului de rocă icircngheţată icircn jurul sondei se desfăşoară cu o viteza variabilă de icircnaintare la icircnceput viteza de icircnaintare a frontului de gheaţă este mai mare după care scade icircn timp Apoi se atinge stadiul staţionar de transfer de căldură cacircnd cilindrul nu mai creşte icircn dimensiuni Reiese că distanţa dintre sondele de icircngheţare este determinată de raza maximă a cilindrului de teren icircngheţat Pentru a realiza peretele icircngheţat care să reziste la solicitările la care este supus se impune ca distanţa dintre sondele vecine să fie mai mică decacirct raza maximă a terenului icircngheţat astfel icircncacirct cilindrii formaţi să se unească icircntre ei Icircn fig 52 se prezintă evoluţia icircn timp a icircngheţării terenului icircn jurul sondelor Icircn faza iniţială a icircnceput răcirea dar icircncă nu s-a format teren icircngheţat Icircn faza a II-a (după circa 20 zile) icircn jurul fiecărei sonde se formează cacircte un cilindru de teren icircngheţat fără ca aceştia să se unească Icircn faza a III-a (după circa 30 zile) cilindrii se icircntretaie şi formează peretele protector
Figura 42 Fig 52 Evoluţia cilindrilor individuali de rocă icircngheţată 1 - sonda de icircngheţare 2 - sonda de măsurători termice 3 - teren icircngheţat
Această evoluţie poate fi urmărită cu suficientă precizie prin măsurarea temperaturii masivului cu ajutorul unor sonde de măsurători termice 2 montate la distanţe bine stabilite de sondele vecine de icircngheţare Astfel icircn faza I-a temperatura este cea iniţială deci neafectată de prezenţa sondelor icircn faza a II-a temperatura este mai scăzută dar mai mare de 0 ordmC Cum icircn practică sondele de icircngheţare au o abatere de la poziţia verticală (sau de la cea impusă prin proiect) sondele de măsurători termice sunt prevăzute icircntre sondele
I II III
1
2 2 2
3 3
SARAMURĂ CALDĂ
IEŞIRE
INTRARE SARAMURĂ A E RECE
1
2
3
4
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
36
cele mai distanţate icircntre ele acolo unde evoluţia peretelui de protecţie este cea mai defavorabilă
Primele realizări inginereşti de consolidare prin frig artificial a terenurilor acvifere metodă prin care vor fi aduse la lumină multe bogăţii subterane sunt legate de numele inginerului de mine şi metalurgie Friederich Herman Poetsch El a obţinut icircn 27 februarie 1883 brevetul pentru procedeul său de adacircncire a puţurilor verticale icircn roci bogate icircn apă (şi curgătoare) Poetsch a reuşit să experimenteze procedeul său la adacircncirea unor puţuri de mină dar a avut şi multe insuccese icircncacirct la 9 iunie 1902 moare sărac şi dezamăgit Metoda de icircngheţare prin frig artificial a terenurilor a avut mare succes icircn Franţa Astfel numai icircn perioada 1892 - 1898 icircn bazinele carbonifere Nord şi Pas de Calais s-au săpat circa 20 puţuri pacircnă la o adacircncime de 100 m prin aplicarea metodei icircngheţării după planurile lui Poetsch
Desigur că nu ar putea fi omis numele lui Louis Gebhard care realizează numeroase lucrări de adacircncire a puţurilor prin icircngheţare atacirct icircn Germania cacirct şi icircn Franţa Anglia Olanda şi Polonia ceea ce face ca metoda propusă de Poetch să devină o tehnologie demnă de toată icircncrederea cu siguranţă absolută şi cu un mare randament
Gebhard un mare practician icircncepe sa folosească icircn locul instalaţiilor cu absorbţie realizate de F Carre pe cu cele cu comprimare mecanică de vapori realizate de Karl von Linde cu icircncepere din anul 1874
Poetsch icircn 1888 prevede extinderea procedeului de icircngheţare la construcţia podurilor la construcţii navale lucrări de fortificaţii la protecţia fundaţiilor subterane şi a bazinelor cu apă El susţine că poate să rezolve orice problemă sub apă chiar şi puţuri icircncepute şi abandonate
Icircn anul 1900 se depăşeşte bariera adacircncimii de 100 m Realizarea unor puţuri mai adacircnci (peste 100 m) ridică unele probleme icircn plus faţă de puţurile de mai mică adacircncime deoarece abaterile de la verticalitate pot conduce la formarea unor ferestre icircn peretele protector
Icircn ţara noastră această tehnologie de forare a unor puţuri de mină cacirct şi a galeriilor de metrou prin icircngheţarea solului a fost folosită cu icircncepere din anul 1961 aşa cum se prezintă icircn paragraful 513
412 512 CONSTRUCŢIA INSTALAŢIEI DE IcircNGHEŢARE A SOLULUI
Icircn funcţie de forma şi mărimea lucrării care se realizează la adăpostul terenului icircngheţat principial se pot utiliza următoarele tipuri de instalaţii
a) cu răcire indirectă denumită şi cu dublu schimb (fig53)
b)cu răcire directă icircn circuit icircnchis (fig 54)
c)răcire directă icircn circuit deschis (fig55)
a) Răcirea indirectă se utilizează icircn practică cel mai mult fiind cunoscută icircncă de la icircnceputurile metodei de icircngheţare a solului
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
37
Figura 43 Fig 53 Instalaţia frigorifică cu răcire indirectă 1 - compresor 2 - condensator3 - ventil de laminare 4 - vaporizator 5 - bazin de răcire a saramurii 6
- agitator 7 - pompă de saramură 8 - sonde de icircngheţare
Ca agent frigorific se poate folosi amoniacul sau freonii iar ca agent intermediar se utilizează soluţiile de clorură de calciu clorura de sodiu sau magneziu sărurile respective fiind relativ uşor de procurat
Instalaţiile frigorifice cuprind unul sau mai multe blocuri frigorifice Acest mod de compunere prezintă avantaje icircn ceea ce priveşte montarea cacirct şi exploatarea instalaţiilor se poate asigura o reducere icircn trepte a puterii frigorifice pe măsură ce creşte rezistenţa termică a stratului de teren icircngheţat
Componentele principale ale instalaţiei frigorifice se montează grupat pe cele trei secţiuni secţia de compresoare secţia condensatoarelor şi secţia vaporizatoarelor De regulă compresoarele se montează fie icircn aer liber atunci cacircnd tipul lor permite fie acoperite sub şarpante protectoare
Pe măsură ce se scot din funcţiune blocurile frigorifice se demontează şi se pot monta la un nou obiectiv
b) Răcirea directă icircn circuit icircnchis (fig 54) se utilizează icircn cazul icircn care adacircncimea de icircngheţare este mică
Figura 44 Fig 54 Instalaţia frigorifică cu răcire directă icircn circuit icircnchis 1 - compresor 2 - condensator 3 - ventil de laminare 4 - sonde de icircngheţare
Sondele de icircngheţare constituie vaporizatorul instalaţiei frigorifice Icircn cazul unor sonde de lungime mare icircnălţimea coloanei de agent frigorific este de asemenea mare Ca urmare a presiunii hidrostatice variabile şi temperatura de vaporizare este variabilă fiind mai mare
1
2
1111111 Apă
3
4
1
2
Apă 3
4
5
6
7
8
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
38
la capătul inferior şi mai mică la capătul superior Din acest motiv adacircncimea sondelor de icircngheţare nu poate depăşi anumite limite şi icircn plus se recurge la fragmentarea coloanei de lichid cu ajutorul unor pereţi despărţitori
Pierderile de agent frigorific mai mari decacirct icircn cazul răcirii indirecte reprezintă un alt inconvenient al acestui mod de răcire
c) Răcirea directă icircn circuit deschis constă icircn introducerea agentului frigorific (cel mai frecvent azot lichid) icircn sondele de icircngheţare fără ca acesta să mai fie folosit după vaporizare
La presiunea atmosferică azotul lichid fierbe la temperatura de -196 ordmC icircncacirct vaporii reci de azot icircnainte de a fi evacuaţi se folosesc de asemenea pentru congelarea solului fiind circulaţi prin sonde de icircngheţare (Fig 55)
Figura 45 Fig 55 Icircngheţarea cu azot lichid icircn două trepte 1 - ventil de laminare 2 - sonda de icircngheţare 3 - sonda de icircngheţare cu vapori de azot
Această metodă se foloseşte cacircnd se urmăreşte o icircngheţare rapidă şi volumul de teren icircngheţat este redus
Se vor prezenta icircn continuare unele elemente constructive ale instalaţiilor de icircngheţare
Reţeaua de saramură (fig 56) are rolul de a asigura transferul de căldură de la sol către agentul frigorific Cuprinde două schimbătoare de căldură cel subteran alcătuit din sondele de icircngheţare şi cel de suprafaţă reprezentat de vaporizatorul imersat icircn saramură Icircntre cele două schimbătoare de căldură există conducte magistrale distribuitoare - colectoare şi racorduri la sonde
Saramura răcită prin intermediul vaporizatorului 1 este circulată cu pompa 2 prin magistrala de tur a reţelei 3 Sondele de icircngheţare 5 se leagă prin vane la distribuitorul 4 şi colectorul 6 ambele de construcţie inelară Printr-o asemenea construcţie şi mod de legare a sondelor prezentate icircn figura 56 se asigură o echilibrare a căderilor de presiune pe sondele de icircngheţare şi ca urmare o alimentare uniformă cu agent intermediar şi deci şi o răcire uniformă pentru toate sondele
1
2
AZOT LICHID
VAPORI
AZOT -40OC
3
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
39
Figura 46 Fig 56 Schema reţelei de saramură 1- vaporizatorul 2 - pompa de saramură 3 - magistrala de tur 4 - distribuitorul inelar 5 -sondele de
icircngheţare 6 - colectorul inelar 7 - magistrale de retur M - manometru D - debitmetru T - termometru
Magistralele 3 şi 7 de acelaşi diametru şi lungime variabilă (determinată de o serie de factori) se pot monta atacirct la suprafaţă cacirct şi icircn canal
Magistralele se dimensionează icircn funcţie de puterea frigorifică a schimbătorului de căldură subteran alcătuit din sondele de icircngheţare
F0 qNHd [W] (51)
unde d - diametrul exterior al sondei de icircngheţare m
H - adacircncimea de icircngheţare m
N - numărul de sonde de icircngheţare
qF - densitatea fluxului termic raportat la suprafaţa exterioară a sondei La temperatura saramurii de - 20 ordmC se poate considera qF = (260290) Wm2
Debitul volumic V de agent intermediar icircn reţeaua de icircngheţare icircn funcţie de care se aleg
pompele se determină cu relaţia
tc
V o
(52)
icircn care este densitatea agentului intermediar kgm3
c - căldura specifică a agentului intermediar JkgK
t - creşterea temperaturii agentului (saramura) icircn sondele de icircngheţare K
La icircnceputul perioadei de răcire diferenţa de temperatură este t = 56 K ca apoi să scadă la 12 K
Icircn conductele magistrale se recomandă ca viteza saramurii să fie w = 0915ms
Icircn acest caz diametrul conductelor de transport a saramurii este dat de relaţia
w
V4D
[m] (53)
Icircn funcţie de valoarea determinată pentru D se aleg conducte metalice de diametru nominal cuprins icircntre 75200 mm Dacă rezultă D gt 200 mm se vor alege două conducte cu diametrul mai mic de 200 mm
2
T
T
M
M D
D
NH
3
3
4
6
5
7
1
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
40
Conductele magistrale se realizează prin icircmbinări cu flanşe sau sudate iar la lungimi mai mari de 100150 m se vor prevedea coturi compensatoare Pentru reducerea pierderilor de frig magistralele vor fi izolate termic
Distribuitorul de saramură răcită şi colectorul de saramură de la sonde sunt construcţii metalice identice
Icircn figura 57 se prezintă modul de racordare a sondelor de icircngheţare 5 la distribuitorul 1 şi colectorul 2 Vanele 3 asigură icircnchiderea deci oprirea circulaţiei şi reglajul debitului Prin aceste vane se poate izola o anumită sondă care nu funcţionează normal sau la care se observă o anumită defecţiune
Figura 47 Fig 57 Racordarea sondelor de icircngheţare la distribuitor şi colector 1 - distribuitor 2 - colector 3 - vane 4 - racord elastic 5 - sonda de icircngheţare
Poziţia distribuitorului şi colectorului faţă de racircndul sondelor de icircngheţare poate fi laterală de o singură parte sau laterală de ambele părţi ale sondelor Amplasamentul trebuie astfel făcut icircncacirct să fie posibilă vizitarea supravegherea şi eventual icircnlocuirea sondelor de icircngheţare
Racordarea sondelor la distribuitor şi colector se face prin cacircte un racord elastic (fig 57) Dimensionarea distribuitoarelor şi a colectoarelor se face din condiţia ca viteza saramurii să nu depăşească 0915 ms
Coloanele de distribuţie şi colectare urmăresc icircn teren forma şirului de sonde de icircngheţare şi pot avea acelaşi traseu sau trasee diferite Configuraţia traseului poate fi icircn linie sau circulară Icircn oricare din situaţiile prezentate distanţele dintre ştuţurile de racord şi sondele de icircngheţare sunt variabile astfel icircncacirct racordurile rigide prin flanşe şi sudură sunt greu de realizat Cea mai practică soluţie de racord icircn acest caz este furtunul de cauciuc (fig 57)
Icircn reţeaua de saramură poate pătrunde aer prin procesul de pompare ceea ce conduce la intensificarea acţiunii corosive a saramurii Icircn scopul icircndepărtării aerului nedorit pe partea superioară a conductelor icircn punctele cele mai ridicate ale acestora se montează robineţi de evacuare periodică a aerului şi eventual a altor gaze
Pe conductele magistrale se vor monta aparate de măsură şi control debitmetre termometre şi manometre (fig 56) Icircn acest caz se poate aprecia funcţionarea fiecărei sonde după depunerile exterioare de gheaţă pe racordul metalic sau de cauciuc lăsate neizolate termic tocmai icircn acest scop Icircn scopul urmăririi regimului de lucru sub aspect
5
4
1
2 3
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
41
hidraulic şi termic icircn mod individual se pot monta aparate de măsură şi control pe fiecare sondă de icircngheţare dar această soluţie este mai costisitoare
Sonda de icircngheţare realizează transferul de căldură de la terenul ce urmează a fi icircngheţat spre agentul frigorific (la răcirea directă) sau agentul intermediar (la răcirea indirectă)
Icircn figura 51 s-a prezentat schema de principiu a unei sonde de icircngheţare cu saramură activă pe toată lungimea Conducta exterioară sau burlanul de icircngheţare 3 este o conductă din oţel etanşă şi rezistentă la eforturile mecanice care apar datorită presiunii solului şi variaţiei de temperatură icircntre momentul fixării ei icircn sol şi cel al funcţionării la o temperatura sub 00C
Icircn procesul de icircngheţare coloana de burlane care poate atinge lungimi de sute de metri se contractă icircnsă nu liber deoarece ea este stracircnsă icircn masivul de roci La o variaţie de temperatură icircntre momentul iniţial (fără saramură) şi momentul pornirii circulaţiei de saramură de 400C conducta din oţel de 500 m adacircncime ar trebui să se contracte cu
tHH = 500 11 10-6 40 = 0220 m = 22 cm
Datorită fixării coloanei icircn gaura forată efortul unitar de icircntindere ce apare icircn urma scăderii temperaturii este
tE = 22 1010 11 10-10 40 = 968 105 Nm2 = 9680 Ncm2
La acest efort de icircntindere apărut datorită contracţiei coloanei se mai adaugă efortul de acelaşi semn provocat de dilatarea masivului de rocă acviferă icircngheţată Icircn scopul compensării eforturilor de icircntindere s-a propus icircmbinarea coloanei cu nipluri elastice O asemenea soluţie este mai scumpă şi icircn plus micşorează secţiunea liberă de curgere ceea ce conduce la icircncălzirea excedentară a saramurii
La lucrări subterane de mare adacircncime ca puţurile de mină depozite subterane se folosesc burlane de 1397 x 7 mm pentru a fi posibilă determinarea abaterii de la poziţie verticală
La tunelurile de metrou şi icircn general la lucrările la care adacircncimea de icircngheţare nu depăşeşte 50 - 60 m diametrul cel mai frecvent utilizat este 1143 x 7 mm
Ţeava interioară 2 (fig 51) numită şi tub de alimentare de regulă ţeava uşoară de instalaţii de 50 mm diametrul se introduce icircn burlanul exterior 3 fără icircnsă a atinge şiul de bază 1 al sondei Se asigură icircn acest mod un volum minimal de depuneri solide care circulă cu saramura icircn mod incidental Icircn scopul economisirii de metal tubul de alimentare poate fi din material plastic ceea ce prezintă marele avantaj al lipsei coroziunii şi al refolosirii materialului respectiv
Şiul de fund are rolul de a asigura icircnchiderea burlanului exterior icircn partea sa inferioară Cel mai adesea are formă conică pentru a asigura introducerea cu uşurinţă a coloanei metalice icircn gaura de sondă Această componentă a sondei de icircngheţare se execută fie prin turnare sau se confecţionează cu ajutorul sudurii
Corespunzător profilului geologic al terenului icircn care se lucrează se icircntacirclnesc şi cazuri cacircnd nu este nevoie să se icircngheţe terenul pe toată icircnălţimea sondelor ci numai la partea lor inferioară Icircn acest caz se folosesc sonde de icircngheţare zonală (fig 58) cu ajutorul cărora se asigură congelarea doar a zonei inferioare ceea ce prezintă avantaje economice deosebite nu se consumă energie pentru a icircngheţa icircn mod inutil formaţiuni geologice consistente şi uscate şi nu se reduce ritmul lucrărilor de săpare printr-o eventuală mărire a rezistenţei rocilor
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
42
Figura 48 Fig 58 Sonda de icircngheţare zonală
1 - burlan exterior 2 - tub de alimentare 3 - şiu 4 - tub de evacuare
Figura 49 Fig59 - Sonda de icircngheţare cu agent
frigorific 1 - tub exterior 2 - perete despărţitor 3 - şiu 4 -
ştuţ (ţeavă de preaplin) 5 - condensator - vaporizator
Icircn cazul răcirii directe sondele de icircngheţare cu agent frigorific sunt de construcţie specială (fig 59) Particularitatea acestor sonde este prezenţa pereţilor despărţitori 2 dispuşi unul sub celălalt la circa 3 m fiecare perete fiind prevăzut cu un ştuţ de preaplin O asemenea construcţie are rolul de a fracţiona coloane de lichid ceea ce asigură o răcire mai uniformă pe lungimea sondei
Fiecare sondă este prevăzută la partea superioară cu cacircte o cămaşă de răcire Sondele se umplu cu amoniac lichid icircntr-o asemenea cantitate icircncacirct fiecare secţie să fie icircnecată cu lichid respectiv pacircnă la partea superioară a ştuţurilor 4 Ca urmare a fluxurilor de căldură de la sol se produce fierberea amoniacului icircn toate secţiile sondei Vaporii formaţi se ridică prin ştuţurile 4 şi ajungacircnd la partea superioară a sondei se condensează cedacircnd căldură agentului (amoniac) din cămăşile de răcire
Ca urmare cămăşile de răcire de la partea superioară a sondelor constituie vaporizatorul instalaţiei frigorifice Amoniacul care se condensează la partea superioară a sondei curge icircnapoi (de sus icircn jos) prin ştuţurile 4 Folosirea pereţilor despărţitori şi a ştuţurilor micşorează influenţa presiunii hidrostatice a lichidului asupra temperaturii de vaporizare a amoniacului Asemenea sonde de icircngheţare se folosesc pentru lucrări de mică adacircncime
Amplasarea sondelor se face icircn funcţie de o serie de factori formă poziţia şi dimensiunile lucrării care se realizează structura terenului temperatura şi viteza agentului etc
Icircn cazul puţurilor de mină de secţiune circulară sondele se amplasează pe un cerc
concentric de diametru D mai mare decacirct diametrul de săpare Ds cu grosimea a peretelui icircngheţat
sDD (54)
Trebuie să se ţină seama şi de deviaţia sondelor de la poziţia verticală icircncacirct pentru adacircncimi mari se utilizează relaţia
3
2 4
1
VAPORI 5 LICHID
3
2
4 1
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
43
a21DD s (55)
unde a = 003 H este abaterea medie statistică de la verticală a sondelor
Distanţa dintre sonde se ia de obicei de 1014 m icircn terenuri rezistente şi de 0809 m icircn terenuri slabe
Pentru adacircncimi de peste 500 m se recomandă să se dispună sondele pe două cercuri concentrice pentru a se forma un perete de grosime mai mare şi deci mai rezistent
La icircngheţarea terenului icircn jurul puţurilor de secţiune dreptunghiulară sondele se pot dispune pe dreptunghi sau elipsă Icircn aceste situaţii centura de teren icircngheţat poate fi solicitată la icircntindere ceea ce este de nedorit deoarece limita de rezistenţa la icircntindere a terenurilor icircngheţate este de circa 3 ori mai mică decacirct limita rezistenţei la compresiune Din acest motiv chiar şi la puţurile de mină de secţiune dreptunghiulară sondele se dispun pe unul sau două cercuri (fig 510)
Pentru realizarea galeriilor icircnclinate icircngheţarea terenului se realizează cu sonde verticale (fig 511) sau combinat atacirct cu sonde verticale cacirct şi cu sonde icircnclinate (fig 512)
Distanţa dintre sondele verticale (fig 511) se ia de 23 m iar distanţa dintre racircnduri este de 1525 m
Se poate folosi cacircte un racircnd de sonde icircnclinate montate deasupra galeriei (fig 212 a) sau sonde icircnclinate sub galerie şi sonde verticale scurte deasupra galeriei (fig 512 b)
SONDA
154 m
16
6 m
226
262
85
SONDA
Figura 411 Fig 511 Amplasarea sondelor verticale pentru realizarea galeriei icircnclinate
Figura 411 Fig 510 Dispunerea sondelor icircn jurul puţurilor de mină de secţiune
dreptunghiulară
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
44
Figura 412 Fig 512 Realizarea galeriilor icircnclinate cu sonde verticale (1) şi sonde oblice (2)
I - secţiunea longitudinală II - secţiunea transversală a) sonde icircnclinate deasupra galeriei b) sonde icircnclinate sub galerie
413 513 UTILIZAREA METODEI DE IcircNGHEŢARE A SOLULUI IcircN ŢARA NOASTRĂ
a)Puţuri de mină
Aplicarea metodei de icircngheţare a solului pentru lucrări de minerit a avut loc la noi icircn ţară icircncepacircnd cu anul 1960 la puţul Godeni din bazinul carbonifer Cacircmpulung - Muscel Proiectul a fost elaborat icircn anul 1959 la IPROMIN Bucureşti iar lucrarea a fost executată cu Trustul Minier Argeş avacircnd icircn subantrepriză de specialitate Icircntreprinderea Frigotehnica Bucureşti şi Trustul de prospecţiuni explorări şi deschideri de mine noi Bucureşti
Adacircncimea de săpare a puţului Godeni a trebuit sa fie de 202 m Sondele de icircngheţare constituite din două ţevi concentrice (fig 51) cu diametrele exterioare de 146 mm şi respectiv 57 mm icircn număr de 27 au fost amplasate pe un cerc cu diametrul de 10 m la distanţa de 117 m una de alta
Instalaţia frigorifică a fost dimensionată cu mare precauţie pentru a avea o siguranţă mărită icircn funcţionarea ei Toate părţile componente ale instalaţiei frigorifice au fost proiectate şi executate icircn ţară
La proiectarea instalaţiei s-a avut icircn vedere funcţionarea de scurtă durată şi variaţia puterii frigorifice icircn timp S-a utilizat răcirea indirectă cu soluţie de clorură de calciu iar ca agent frigorific a fost folosit amoniacul Pentru a avea elasticitatea necesară icircn funcţionare la diferite puteri frigorifice au fost folosite grupuri de utilaje frigorifice şi anume
6 compresoare 4 AU - 20 (200000 kcal Nh =233 kW fiecare)
3 baterii de condensatoare atmosferice a cacircte 300 m2 (900 m2)
bazine pentru răcirea saramurii fiecare cu cacircte 2 vaporizatoare superintensive de 50 m2 (600 m2)
2 grupuri a cacircte 5 pompe pentru recircularea saramurii
Puterea frigorifică a instalaţiei montate a fost de 12106 kcal Nh =1395 kW şi s-a caracterizat prin următoarele date tehnice la exploatare
85
1
2
I 85
1
2
I
85
1
2
II
85
1
2 II
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
45
o suprafaţa de schimb de căldură a sondelor 2500 m2 o puterea instalaţiei 750 kW o debitul saramurii icircn
o icircn perioada activă 350 m3h o icircn perioada pasivă 70 m3h
o viteza de circulaţie a saramurii icircn sondă o tur 18 ms 036 ms o retur 029 ms 006 ms
o volumul rocilor icircngheţate circa 10000 m3 o consumul specific de frig mediu 50000 m3 o durata icircngheţării (perioada activă) 130 zile
Icircn timpul răcirii şi deci a icircngheţării solului puterea frigorifică scade icircn mod continuu icircncacirct treptat s-a scos din funcţiune cacircte un compresor icircn perioada pasivă (de săpare a puţului) s-a menţinut icircn lucru doar un singur compresor şi grupul de utilaje aferent
După terminarea lucrărilor de la puţul Godeni icircn anii următori aceeaşi instalaţie s-a montat la puţul Poenari din acelaşi bazin carbonifer unde sondele au fost amplasate pe un cerc cu diametrul de 11 m la distanţa de 128 m una de alta
Un alt puţ realizat prin această tehnologie de icircngheţare a solului a fost puţul Jugur de la acelaşi bazin carbonifer Centrala frigorifică a cuprins 15 compresoare 3 AV - 20 (150000 kcal Nh fiecare=175kW) repartizate icircn 5 linii tehnologice independente cu icircntreg utilajul aferent Fiecare linie este compusă din
o butelie de răcire intermediară BRI - 700 un condensator cu evaporare forţată CEF - 180 un bazin cu patru grupuri vaporizatoare intensive de cacircte 165 m2 (icircn total 66 m2)
Sondele de icircngheţare icircn număr de 27 bucăţi au fost prevăzute să se amplaseze pe un cerc cu diametrul de 104 m la distanţă de 121 m Sondele sunt de tipul celei indicată icircn figura 58 deci cu răcire zonală avacircnd următoarele caracteristici diametrul exterior al burlanului este de 146 mm iar tuburile interioare au 57 mm (la exterior) tubul de alimentare are lungimea de 430 m iar cel de evacuare este de 220 m Ca urmare sondele de icircngheţare trebuie să producă icircngheţarea solului numai pe adacircncimea de la 220 m la 430 m Prin proiect s-au prevăzut următoarele date temperatura saramurii - 35 ordmC viteza saramurii icircn conducte de tur 18 ms viteza icircn conducte de retur (pe adacircncimea de răcit) 06 ms durata icircngheţării (perioada activă) a fost de 75 zile
Au fost prevăzute temperaturi scăzute şi viteze mari de congelare deoarece cilindrul icircngheţat trebuie să preia presiuni de pacircnă la 56 bar
b)Tunelurile pentru metroul din Bucureşti
Icircncepacircnd cu anul 1976 pentru realizarea metroului din Bucureşti s-a procedat la aplicarea metodei de icircngheţare a solului icircntr-o zonă considerată experimentală dar cu realizări efective de galerii
Prin proiect s-a prevăzut consolidarea prin icircngheţare artificială a profilului de săpare a tunelurilor de metrou pe o lungime de circa 550 m pe ambele fire Amplasamentul sondelor s-a făcut icircn două variante (pentru experimentare) pentru un fir de tunel ambele racircnduri de sonde s-au fixat icircn profilul circular de săpare iar pentru cel de al doilea fir de tunel sondele au fost forate icircn afara profilului de icircnaintare (fig 513) Au fost folosite sonde cu saramură cu posibilitatea de icircngheţare pe toată icircnălţimea de 16 m cacirct şi sonde cu icircngheţare zonală icircntre adacircncimile de 7 m şi 16 m Distanţa dintre sonde a fost fixată la 14 m
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
46
Pentru a se icircmpiedica accesul apelor icircn frontul de săpare datorate unor eventuale zone neicircngheţate traseul de tunel icircngheţat a fost icircmpărţit icircn incinte icircnchise prin timpane transversale La distanţe de 3050 m icircn lungul traseului au fost montate sonde de icircngheţare aşezate icircn plan normal pe axul tunelului prin care să se icircnchidă accesul apelor spre frontul de săpare
Echipamentul frigorific principal cuprinde
- 8 compresoare frigorifice 3 AV - 20 funcţionacircnd icircntr-o treaptă pentru care
corespunde puterea frigorifică de 12 106 kcal Nh =1395 kW
- 4 condensatoare de evaporare forţată CEF - 250
- 3 bazine de răcire a saramurii echipate cu cacircte 4 grupuri de vaporizatoare superintensive de cacircte 51 m2 (total 612 m2)
- 3 grupuri de cacircte 2 pompe a 220 m3h pentru circulaţia saramurii pe traseele de distribuţie şi prin sonde
Figura 413 Fig513 Amplasamentul sondelor de icircngheţare
Centrala frigorifică este stabilă adăpostită icircntr-o baracă metalică demontabilă existacircnd posibilitatea de reamplasare rapidă a instalaţiei icircntr-un alt loc Agentul frigorific utilizat este amoniacul iar agentul intermediar este clorura de calciu
Icircn perioada principală de icircngheţare temperatura de vaporizare este to = -22 ordmC asiguracircnd răcirea saramurii la -17 ordmC iar pe retur saramura a avut temperatura cu 15 ordmC mai ridicată
La o asemenea lucrare realizată icircn oraş se impune protejarea contra icircngheţului a straturilor de deasupra galeriilor icircn care sunt amplasate instalaţiile de apă - canal ceea ce presupune folosirea sondelor cu icircngheţare zonală care să nu fie active la partea superioară
c) Puţuri pentru prospectarea balastierelor
Procedeul şi instalaţia frigorifică au avut caracter de noutate şi s-a aplicat icircncepacircnd cu anul 1966 la mai multe obiective icircn general pe văile racircurilor unde s-au construit hidrocentrale
A
A B
B
A-A
000 -300 -700 -1061 -1300
65
800
B-B
000 -300 -700 -1061 -1300
65
550
ARGILA
ARGILA
NISIP
NISIP
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
47
Echipamentul frigorific principal cuprinde un agregat frigorific pentru amoniac de 20000 kcal Nh = 233 kW rezervor de amoniac separator de lichid şi anexe - toate fiind montate pe o remorcă
S-au folosit sonde de icircngheţare cu agent frigorific icircn număr de 8 bucăţi cu diametrul exterior de 133 mm montate pe un cerc cu diametrul de 2 m la distanţa de 076 m lungimea lor fiind de 75 m Legarea sondelor la distribuitor şi colector s-a făcut cu racorduri flexibile
Sondele au o construcţie specială fiind prevăzute cu 4 pereţi transversali cu ştuţuri de preaplin formacircndu-se astfel 5 compartimente Agentul lichid se introduce icircn compartimentul cel mai de sus şi se scurge prin ştuţuri pacircnă la baza sondei Conducta de aspiraţie străbate toate compartimentele vaporii fiind aspiraţi din compartimentul cel mai de jos Circulaţia vaporilor formaţi se face ca şi a lichidului de sus icircn jos obţinacircndu-se astfel o răcire uniformă şi eficientă pe toată icircnălţimea sondei
Durata icircngheţării respectiv a formării centurii de teren icircngheţat la adăpostul căreia să se poată efectua săparea şi preluarea de probe de sol este de 10 zile
414 514 CAcircMPUL DE TEMPERATURĂ IcircN SOLUL IcircNGHEŢAT
Cacircnd prin sonda de icircngheţare circulă saramură a cărei temperatura este sub 0 ordmC practic - 20 ordmC-25 ordmC icircn jurul sondei se formează un cacircmp termic care icircn cazul unei singure sonde poate fi reprezentat prin suprafeţe cilindrice coaxiale de temperatură constantă (izoterme)
După distanţa radială se deosebesc icircn sol din punct de vedere termic trei zone zona cilindrică din imediata vecinătate a sondei care este icircn zona icircngheţată zona răcită cuprinsă icircntre suprafaţa cilindrică izotermă de 0 ordmC şi izoterma de temperatură naturală şi a treia zonă cea de temperatura naturală (fig 514)
Icircn zona icircngheţată temperatura masivului variază de la temperatura peretelui metalic al sondei pacircnă la 0 ordmC Icircn zona răcită temperatura masivului creşte de la 0 ordmC pacircnă la temperatura naturală a masivului
Figura 414 Fig 514 Cacircmpul de temperatură icircn jurul unei sonde de icircngheţare
Este important să se cunoască cacircmpul termic icircn terenul supus icircngheţării deoarece acesta oferă date privind zona de răspacircndire a consolidării rocilor prin solidificarea apei cacirct şi a
t [oC]
r [m]
t (r)
ZONA RACITA
ZONA INGHETAT
A
ts TEMPERATURA NATURALA A ROCII
-20
-10
40
10 0 20 30
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
48
rezistenţei mecanice a rocii icircngheţate Se cunoaşte faptul că rezistenţa mecanică depinde direct de temperatură
Studiul variaţiei temperaturii icircn zona de influenţă a unei sonde şi a tuturor sondelor simultan oferă posibilitatea calculării dimensiunilor la proiectarea construcţiei peretelui protector cacirct şi controlul procesului icircn timpul desfăşurării lucrărilor
Pentru a se stabili relaţia de variaţie a temperaturii icircn zona icircngheţată icircn funcţie de raza r se consideră ecuaţia diferenţială
dr
dtr2q (56)
icircn care q este fluxul unitar de căldură corespunzător lungimii de 1 m din sonda de icircngheţare Wm
- conductivitatea termica a terenului Wm
Integrarea directă a ecuaţiei analitice se poate face icircn ipoteze simplificatoare consideracircnd
= const şi q = const ceea ce este justificat la valori mari ale timpului de răcire
Se separa variabilele
r
dr
2
qdt
(57)
Se consideră cunoscute temperaturile t1 la suprafaţa sondei de raza r1 și t2 = 0 ordmC la raza r2 corespunzătoare suprafeţei exterioare a cilindrului icircngheţat Se integrează ecuaţia (6-7) și cunoscacircnd limitele de integrare se va determina constanta de integrare
Cr ln2
qt
(58)
pentru r = r1 t = t1 deci
11 rln2
qtC
(59)
1
1r
rln
2
qtt
(510)
Se pune condiţia ca pentru r = r2 t = t2
1
212
r
rln
2
qtt
(511)
Se elimina q intre relaţiile (510) și (511) şi se obţine
1
2
1121
r
rln
r
rln
tttt (512)
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
49
Figura 415 Fig 515 Schema schimbătorului de căldură subteran
Pentru t2 = 0 ordmC relaţia (5-12) devine
)rrln(
)rrln(tt
12
21 (513)
Icircn figura 515 se prezintă o secţiune axială printr-o sondă de icircngheţare şi variaţia temperaturii icircn limitele t0 - temperatura agentului de răcire şi ts - temperatura naturală a solului
Cantitatea de căldură transferată de la masivul neicircngheţat spre agentul de răcire prin unitatea de lungimea de conducta şi unitatea de timp se calculează cu expresia
221
2
1o
1
moo
os
d
1
d
dln
1
d
dln
2
1
d
1
ttq
(514)
Icircn calculele inginereşti cel mai frecvent se determină nu fluxul termic pe unitatea de lungime a conductei ci fluxul termic qF raportat la unitatea de suprafaţă a conductei metalice la 1 m2 de suprafaţa exterioară sau interioară Mărimea qF se calculează astfel
22
o
1
2
1
o
o
1
m
o
o
oS
o
F
d
d
d
dln
2
d
d
dln
2
d1
tt
d
(515)
Fluxul termic qF prin unitatea de suprafaţă a sondei de icircngheţare calculat pentru adacircncimea de 100 m icircn regim laminar de curgere a agentului de răcire prin spaţiul inelar al sondei cu viteza w = 01 ms la diametre ale cilindrului de rocă icircngheţata
de la 02 la 3 m pentru to = -20 ordmC do = 01 m 1 = 233 WmK variază de la 720 la 230 Wm2 aşa cum se poate observa din figura 516 şi tabelul 51
d2
d1
d0
t
qF
t0
t2
t1 2
m 1
m
ts
Conducta Teren icircngheţat Teren
neicircngheţat
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
50
Figura 416 Fig 516 Variaţia fluxului termic qF prin unitatea de suprafaţă a sondei de icircngheţare 1 - regim turbulent 2 regim laminar
Tabelul 51Variaţia fluxului termic qF [Wm2]
Diametrul cilindrului de rocă icircngheţată icircn m
02 04 05 08 10 15 20
qF regim laminar 1160 550 387 330 302
qF regim laminar 720 465 423 350 321 283 258
Se observă ca densitatea fluxului de căldura qF scade foarte mult de la 800900 Wm2 la icircnceputul operaţiei de consolidare prin frig a rocilor pacircnă la 230250 Wm2 cacircnd cilindrul de rocă icircngheţata atinge diametrul de 23 m Ca urmare a acestei situaţii şi puterea frigorifică a instalaţiei va scădea icircn decursul a 6080 zile tot cu raportul de 800230 = 35
Instalaţia frigorifică va fi constituită din grupuri de utilaje (module) ce vor fi scoase treptat din funcţiune pe măsură ce se reduce densitatea fluxului de căldură qF ca urmare a creşterii grosimii stratului de teren icircngheţat Icircn practică pentru calcule se va considera qF = (260290) Wm2
O mărime importanta pentru proiectarea instalaţiei şi aprecierea procesului de consolidare a rocilor este timpul de icircngheţare Pentru calculul duratei de icircngheţare se pot folosi relaţiile prezentate icircn capitolul 3 la formarea gheţii pe suprafeţe cilindrice exterioare La aprecierea valorii pentru ls - căldura latentă de solidificare se avea icircn vedere conţinutul de apă din terenul supus icircngheţării
Dacă icircntre relaţiile pentru dependenţele (r) şi qF(r) se elimină r se obţine dependenţa
qF() Eliminarea nu se poate face direct ci fie cu ajutorul calculatorului fie printr-o construcţie grafică prezentată icircn figura 517
Studiul variaţiei temperaturii icircn solul icircngheţat cacirct și variaţia icircn timp a densităţii fluxului de căldura se poate face cu ajutorul calculatorului electronic
1200
1000
800
600
400
200
0 05 1 15 2 25 3
qF [Wm2]
Diametrul cilindrului de rocă icircngheţată [m]
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
51
Figura 417 Fig 517 Stabilirea dependentei qF() pe baza dependentelor qF(r) și (r)
415 515 ELEMENTE DE PROIECTARE A INSTALAŢIEI FRIGORIFICE PENTRU IcircNGHEŢAREA SOLULUI
Pentru proiectarea instalaţiei frigorifice trebuie sa se stabilească la icircnceput elementele de baza și anume
- puterea frigorifică maximă care apare la icircnceputul perioadei de răcire cacircnd pătrunderile de căldura spre agentul de răcire din sondele de icircngheţare au valori mai mari temperatura de vaporizare a agentului frigorific plecacircnd de la temperatura minimă sau medie din solul icircngheţat şi avacircnd icircn vedere modul de răcire directă sau indirectă
Se calculează cantitatea totală de căldură ce trebuie extrasă din terenul supus răcirii şi icircngheţării Se cunoaşte structura terenului icircngheţat deci se cunosc icircnălţimile h1 h2hn ale diferitelor straturi componente cacirct şi proprietăţile termofizice ale acestora
Grosimea centurii de teren icircngheţat se stabileşte icircn urma calculelor de rezistenţa materialelor icircncacirct se pot calcula volumele ocupate de straturile componente V1 V2Vn
Cantitatea de căldură ce trebuie extrasă din zona icircngheţată cuprinde două componente și anume
cantitatea de căldura Qa corespunzătoare răcirii şi icircngheţării apei
cantitatea de căldura Qt necesara răcirii părţii solide a terenului
n
1kfgsikaakka tcltcVQ (516)
unde
k - reprezintă conţinutul icircn apă din stratul respectiv [m3m3]
a - densitatea apei [kgm3]
ca cg - căldura specifica a apei respectiv a gheţii Jkg K
tik - temperatura iniţiala a stratului respectiv (de ordinul k)
tf - temperatura medie finala a masivului icircngheţat
ls - căldura latentă de solidificare a apei
r
q
q
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
52
fik
n
1kkkkkt ttc1VQ
(517)
k - densitatea părţii de teren solid (uscat) din stratul k
ck - căldura specifică a terenului uscat din stratul k
Cantitatea de căldură extrasă din terenul răcit reprezintă circa 1018 din cantitatea de căldură extrasă din zona de teren icircngheţat
Deci cantitatea totală de căldură Q ce va trebui preluată de către instalaţia frigorifică se poate aprecia astfel
Q = (110118) (Qa + Qt) (518)
Cu relaţia (51) se calculează puterea frigorifica a instalaţiei adoptacircnd o valoare medie pentru densitatea fluxului de căldura qF
Se poate aprecia timpul de funcţionare a instalaţiei frigorifice
o
Q
(519)
La anumite grosimi ale cochiliei de teren icircngheţat icircn jurul sondei densitatea fluxului termic scade sub valoarea medie adoptată icircn calcule şi ca urmare icircncepacircnd de la acest moment se va putea reduce treptat puterea frigorifica a instalaţiei prin scoaterea din funcţiune a unor grupuri
La proiectare se pot avea icircn vedere unele recomandări practice pentru stabilirea necesarului de frig pentru icircngheţarea unui m3 la -10 ordmC este necesar un consum specific de frig de 66000 kJ la 10 umiditate de 155000 kJ la 35 umiditate și de 210000 kJ la 50 umiditate
42 52 RĂCIREA BETONULUI LA CONSTRUCŢIILE MASIVE
421 521 INSTALAŢII DE PRERĂCIRE A COMPONENTELOR BETONULUI
Formarea betonului din elementele sale componente (nisip pietriş ciment şi apă) este icircnsoţită de fenomene fizico - chimice icircn care se degajă căldură şi ca urmare temperatura acestuia creşte Icircn cazul unor masive din beton (baraje) dacă viteza de turnare (icircn sezonul cald cacircnd se efectuază construcţia) este mai mare şi nu se asigura evacuarea căldurii corpul rezultă la o temperatura medie mai mare decacirct temperatura medie anuală Răcirea naturală conduce la contracţia masivului şi ca urmare la apariţia sub acţiunea tensiunilor interne a unor fisuri
Pentru ca variaţiile de temperatura icircntre centrul barajului şi straturile exterioare să fie cacirct mai mici se impune ca masivul respectiv să fie turnat la temperatura medie anuală a zonei respective Icircn acest scop se pot folosi două metode prin prerăcirea componentelor betonului și prin răcirea masei barajului
Icircn vederea reducerii căldurii degajată icircn reacţia dintre ciment şi apă au fost realizate sortimente de ciment caracterizate prin călduri masice reduse ce se degajă icircn procesul de priză
Prin prerăcirea componentelor betonului se urmăreşte ca betonul sa aibă temperatura medie a locului de amplasament şi prin aceasta evitarea apariţiei unor diferenţe mari de temperatură ce pun icircn pericol construcţia
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
53
Icircn funcţie de valoarea diferenţei de temperatură care trebuie realizată se poate adopta o anumită schemă de răcire pentru fiecare component icircn parte sau numai pentru unele din aceste părţi componente
Se pot folosi instalaţii frigorifice cu comprimare mecanică de vapori pentru răcirea apei a aerului sau formarea gheţii mărunte utilizate la prerăcirea componentelor betonului Folosirea gheţii fulgi sau solzi este limitată atacirct din cauza conţinutului de apă impus cacirct şi ca urmare a pericolului ca gheaţa să nu se topească icircn procesul de malaxare ci la turnare sau icircn procesul de priză ceea ce duce la formarea de goluri icircn beton
De asemenea se pot folosi instalaţiile frigorifice cu ejecţie
Icircn vederea stabilirii necesarului de frig pentru preratildecirea componentelor betonului se calculează mai icircntacirci cantitatea de catildelduratilde Qo1 ce trebuie evacuatatilde dintr-un m3 de beton avacircndu-se icircn vedere proporţiile icircn care participatilde cimentul nisipul pietrişul şi apa Fiecare component are o temperatură iniţialatilde şi urmeazatilde a fi răcit pacircnatilde la o temperatura finalatilde tf aceeaşi pentru toţi componenţii
fpppfnnnfccc1o ttcmttcmttcmQ
fnaanfpaapfaaa ttcmttcmttcm Jm3 (520)
unde
mc mn mp ma - masele de ciment nisip pietriş şi apă conţinute icircntr-un m3 de beton [kgm3]
cc cn cp cw - căldurile specifice masice ale cimentului nisipului pietrişului şi nisipul dintr-un m3 de beton [kgm3]
Puterea frigorifică se determină cu relaţia
3b1oo 10VQ [kW] (521)
icircn care bV reprezintă fluxul de betonare icircn m3s
Se prezintă icircn continuare cele mai folosite metode de prerăcire a componentelor betonului
4211 a) Instalaţie de prerăcire cu apă
Staţia de preparare a betonului este deservită de o instalaţie frigorifică cu comprimare mecanică de vapori care asigură răcirea apei
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
54
Figura 418 Fig 518 Schema de lucru a instalaţiei de prerăcire a betonului cu ajutorul apei 1 - ciment 2 - vagon nisip 3 - vagon pietris 4 - tancuri de răcire a pietrişului 5 - sită 6 - siloz de
nisip 7 - siloz de ciment 8 - rezervor de distribuţie 9 - răcitor de nisip 10 - răcitor de ciment 11 - răcitor de apă 12 - rezervor de apă răcită 13 - răcitor de apă 14 - instalaţie de prepararea betonului
I II III IV V - fazele de răcire a pietrişului
Icircn figura 518 se prezintă schema de lucru a unei asemenea instalaţii de prerăcire a betonului cu ajutorul apei folosită la construcţia barajului de la Detroit (SUA) Apa este răcită de la 16 la 15 ordmC şi transmisă apoi la instalaţia de preparare a betonului şi icircn cinci rezervoare a cacircte 90 m3 fiecare icircn care se răceşte pietrişul
Procesul de răcire a pietrişului cuprinde cinci faze
- faza I - introducerea apei icircn rezervor 10 minute
- fazele II şi III - introducerea simultană a apei şi a pietrişului 50 minute
- faza IV - evacuarea apei 15 minute
- faza V - evacuarea pietrişului 15 minute
Icircntregul proces de răcire a pietrişului durează 90 minute Pentru răcirea cimentului şi nisipului se utilizează schimbătoare de căldură cu ax elicoidal la care apa de răcire circulă prin arborele gol şi prin manta
Rezervoarele 12 pentru apa răcită au fiecare volumul de 114 m3
Beton 635oC
190 m3h
65oC
24oC
18oC
1
2
3
4
5
6
7
8
10
9
11
12
13
14
Apă 16oC
15oC
Cim
en
t
26 l
h
Nis
ip 1
12
lh
10
oC
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
55
42111 Aplicaţie numerică
Să se calculeze puterea frigorifică necesară prerăcirii betonului prin metode şi condiţiile prezentate mai sus Se cunosc următoarele date de calcul
mp = 1700 kgm3 beton
mc = 135 kgm3 beton
mn = 590 kgm3 beton
ma = 60 kgm3 beton
cc = cn = cp = 921 Jkg K
ca = 4180 Jkg K
map = 16 kgm3 beton
man = 38 kgm3 beton
tp = 18 ordmC
tc = 66 ordmC
tn = 21 ordmC tf = 635 ordmC
052803000
190Vb m3s
Se calculează componentele cantităţii de căldură Q01
3fcccc 10741735666921135ttcmQ Jm3
3fnnnn 10796135621921590ttcmQ Jm3
3fpppp 1024018356189211700ttcmQ Jm3
3faaaa 10420235616418060ttcmQ Jm3
3fpaapap 1077935618418016ttcmQ Jm3
3fnaaan 10232735621418038ttcmQ Jm3
Rezulta
3anapapnc1o 1039144QQQQQQQ Jm3
3o 10 206705280103914410VQ 33
b1o kW
4212 b) Instalaţii de prerăcire cu aer apă
Pentru răcirea componentelor betonului se utilizează icircn acest caz fie apa fie aerul ca agenţi intermediari răciţi cu ajutorul instalaţiilor frigorifice
Icircn figura 519 se prezintă schema unei asemenea instalaţii folosită la construcţia barajului de la Sariyar din Turcia
Răcirea aerului se poate face fie direct prin vaporizarea unui agent frigorific fie indirect cu un agent intermediar de răcire ca de exemplu saramura de clorură de calciu Aerul răcit pacircnă la -6 ordmC este suflat icircn silozurile cu pietriş de dimensiuni icircntre 4150 mm
Apa răcită icircn bazinul la pacircnă la 05 ordm este trimisă din colectorul 12 la staţia de preparare a betonului servind la scăderea temperaturii acestuia
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
56
Figura 419 Fig 519 Schema instalaţiei de prerăcire a betonului cu aer şi apă 1 - compresor 2 - condensator 3 - ventile de laminare 4 - vaporizatoare 5 - bazin de răcire a
saramurii 6 - pompă de saramură 7 - răcitor umed de aer 8 - ventilatoare 9 - silozuri de pietriş 10 - bazin de răcire a apei 11 - pompă 12 - colector de apă răcită
Figura 420 Fig 520 Schema instalaţiei de prerăcire cu aer şi apă 1 - siloz de pietriş şi nisip 2 - siloz de ciment 3 rezervor de apă 4 - răcitor de aer 5 - răcitor de apă
4 - răcitor de apă 6 - buncăr de sortare 7 - instalaţie de preparare beton
Pentru intensificarea procesului de răcire a pietrişului aerul este răcit sub 0 ordmC Acest procedeu are avantajul unei funcţionări fără icircntrerupere a procesului de preparare a betonului dar prezintă şi o serie de dezavantaje debite foarte mari de aer de răcire posibilitatea antrenării particulelor fine de agregat icircn răcitorul de aer şi depunerea acestora pe suprafaţa de schimb de căldură Ca urmare instalaţia se va curăţa la circa 14 zile Icircn figura 520 se prezintă o altă schemă de instalaţie de prerăcire a betonului cu aer şi apă folosită la construcţia unui baraj din India
Apă
295oC
Ciment
433oC
Pietriş şi nisip
378oC
Apă 6oC
Ciment 433oC
Aer
Pietriş
45oC Nisip 222oC
22oC
Ap
ă
45
oC
Ap
ă 2
2o
C
Ae
r 5
5o
C
Be
ton
12
8o
C
Apă 22oC
2
1
3 4 5
8
9
5 7
12
1oC
11
05oC 9oC 9oC
-9oC
-10oC -10oC
-10oC 2oC
6oC
10 4 4 6
8 8
8
8 8
9 9 9 9
1
2
3 3
7
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
57
Pietrişul şi nisipul se separă icircntre ele icircn buncărul de sortare 6 şi apoi fiecare circulă pe cacircte o bandă transportoare prin camera de răcire 7 Pietrişul este răcit cu ajutorul apei
Fig
ura
42
1 F
ig 5
21
Sc
he
ma
in
sta
laţi
ei
de
ră
cir
e icirc
n v
id a
co
mp
on
en
telo
r b
eto
nu
lui
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
58
reci icircncacirct ajunge la o temperatură mai scăzută decacirct nisipul răcit cu aer Prin camera 7 se circulă şi aer rece care se introduce la temperatura de 55 ordmC Cimentul se introduce la instalaţia de preparare a betonului 9 fără a fi răcit
O altă posibilitate de prerăcire a agregatelor (pietriş şi nisip) şi a apei utilizată mai recent la construirea barajelor icircntrebuinţează răcirea icircn vid la care agregatele uşor umezite icircn recipiente sub presiune se răcesc după nevoie (prin reglarea vacuumului) la o temperatură mai scăzută sau mai ridicată Căldura necesară evaporării umidităţii de pe agregate şi din ele (apa legată) este luată chiar de la corpurile respective (pietriş nisip) şi ca urmare acestea se răcesc
O asemenea instalaţie utilizată la Hortwell icircn SUA (figura 521) cuprinde 3 recipienţi de cacircte 150 m3 pentru răcirea pietrişului şi 3 recipienţi de cacircte 80 m3 pentru răcirea nisipului
Pietrişul şi nisipul cu temperatura maximă de 43 ordmC se pot răci pacircnă la temperatura necesară de 45 ordmC Pentru realizarea vidului necesar se folosesc două cazane de abur care produc 77 th fiecare
422 522 RĂCIREA INTERIOARĂ A MASIVULUI DE BETON
Prerăcirea betonului se recomandă icircn condiţiile unei zone tropicale sau temperate de amplasare a construcţiei masive nu se recomandă icircn cazul amplasării barajului icircn munţi unde temperatura aerului este scăzută Icircn asemenea situaţii se recomandă răcirea betonului prin conducte amplasate icircn masiv prin care circulă apă rece
La răcirea interioară cu conducte montate icircn beton are loc o eliminarea a căldurii simultan cu producerea ei icircn procesul de priză producacircndu-se şi o răcire pacircnă la temperatura necesară Pentru răcire se folosesc conducte de oţel cu diametre de 1525 mm montate la distanţe de 1223 m icircn plan orizontal şi de 153 m icircn plan vertical Lungimea conductelor icircntr-un m3 de beton este de 0204 şi a fiecărei serpentine de 140250 m
Debitul apei de răcire ce circulă prin 1 m3 de beton este de (0553) dm3h
Figura 422 Fig 522 Reţea de conducte de răcire a betonului icircn secţiunea unui baraj 1 - galerie pentru măsurători 2 - galerie de conducte de apă de răcire
Serpentinele se montează şi se fixează pe suprafaţă de beton (fig522) Capetele serpentinelor se leagă de o coloană verticală prin mufe metalice sau de cauciuc Diametrul distribuitorului şi al coloanei este cuprins icircntre 150200 mm După montaj aceste conducte se verifică la presiunea de lucru
1 2
Ax
a
ba
raju
lui
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
36
cele mai distanţate icircntre ele acolo unde evoluţia peretelui de protecţie este cea mai defavorabilă
Primele realizări inginereşti de consolidare prin frig artificial a terenurilor acvifere metodă prin care vor fi aduse la lumină multe bogăţii subterane sunt legate de numele inginerului de mine şi metalurgie Friederich Herman Poetsch El a obţinut icircn 27 februarie 1883 brevetul pentru procedeul său de adacircncire a puţurilor verticale icircn roci bogate icircn apă (şi curgătoare) Poetsch a reuşit să experimenteze procedeul său la adacircncirea unor puţuri de mină dar a avut şi multe insuccese icircncacirct la 9 iunie 1902 moare sărac şi dezamăgit Metoda de icircngheţare prin frig artificial a terenurilor a avut mare succes icircn Franţa Astfel numai icircn perioada 1892 - 1898 icircn bazinele carbonifere Nord şi Pas de Calais s-au săpat circa 20 puţuri pacircnă la o adacircncime de 100 m prin aplicarea metodei icircngheţării după planurile lui Poetsch
Desigur că nu ar putea fi omis numele lui Louis Gebhard care realizează numeroase lucrări de adacircncire a puţurilor prin icircngheţare atacirct icircn Germania cacirct şi icircn Franţa Anglia Olanda şi Polonia ceea ce face ca metoda propusă de Poetch să devină o tehnologie demnă de toată icircncrederea cu siguranţă absolută şi cu un mare randament
Gebhard un mare practician icircncepe sa folosească icircn locul instalaţiilor cu absorbţie realizate de F Carre pe cu cele cu comprimare mecanică de vapori realizate de Karl von Linde cu icircncepere din anul 1874
Poetsch icircn 1888 prevede extinderea procedeului de icircngheţare la construcţia podurilor la construcţii navale lucrări de fortificaţii la protecţia fundaţiilor subterane şi a bazinelor cu apă El susţine că poate să rezolve orice problemă sub apă chiar şi puţuri icircncepute şi abandonate
Icircn anul 1900 se depăşeşte bariera adacircncimii de 100 m Realizarea unor puţuri mai adacircnci (peste 100 m) ridică unele probleme icircn plus faţă de puţurile de mai mică adacircncime deoarece abaterile de la verticalitate pot conduce la formarea unor ferestre icircn peretele protector
Icircn ţara noastră această tehnologie de forare a unor puţuri de mină cacirct şi a galeriilor de metrou prin icircngheţarea solului a fost folosită cu icircncepere din anul 1961 aşa cum se prezintă icircn paragraful 513
412 512 CONSTRUCŢIA INSTALAŢIEI DE IcircNGHEŢARE A SOLULUI
Icircn funcţie de forma şi mărimea lucrării care se realizează la adăpostul terenului icircngheţat principial se pot utiliza următoarele tipuri de instalaţii
a) cu răcire indirectă denumită şi cu dublu schimb (fig53)
b)cu răcire directă icircn circuit icircnchis (fig 54)
c)răcire directă icircn circuit deschis (fig55)
a) Răcirea indirectă se utilizează icircn practică cel mai mult fiind cunoscută icircncă de la icircnceputurile metodei de icircngheţare a solului
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
37
Figura 43 Fig 53 Instalaţia frigorifică cu răcire indirectă 1 - compresor 2 - condensator3 - ventil de laminare 4 - vaporizator 5 - bazin de răcire a saramurii 6
- agitator 7 - pompă de saramură 8 - sonde de icircngheţare
Ca agent frigorific se poate folosi amoniacul sau freonii iar ca agent intermediar se utilizează soluţiile de clorură de calciu clorura de sodiu sau magneziu sărurile respective fiind relativ uşor de procurat
Instalaţiile frigorifice cuprind unul sau mai multe blocuri frigorifice Acest mod de compunere prezintă avantaje icircn ceea ce priveşte montarea cacirct şi exploatarea instalaţiilor se poate asigura o reducere icircn trepte a puterii frigorifice pe măsură ce creşte rezistenţa termică a stratului de teren icircngheţat
Componentele principale ale instalaţiei frigorifice se montează grupat pe cele trei secţiuni secţia de compresoare secţia condensatoarelor şi secţia vaporizatoarelor De regulă compresoarele se montează fie icircn aer liber atunci cacircnd tipul lor permite fie acoperite sub şarpante protectoare
Pe măsură ce se scot din funcţiune blocurile frigorifice se demontează şi se pot monta la un nou obiectiv
b) Răcirea directă icircn circuit icircnchis (fig 54) se utilizează icircn cazul icircn care adacircncimea de icircngheţare este mică
Figura 44 Fig 54 Instalaţia frigorifică cu răcire directă icircn circuit icircnchis 1 - compresor 2 - condensator 3 - ventil de laminare 4 - sonde de icircngheţare
Sondele de icircngheţare constituie vaporizatorul instalaţiei frigorifice Icircn cazul unor sonde de lungime mare icircnălţimea coloanei de agent frigorific este de asemenea mare Ca urmare a presiunii hidrostatice variabile şi temperatura de vaporizare este variabilă fiind mai mare
1
2
1111111 Apă
3
4
1
2
Apă 3
4
5
6
7
8
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
38
la capătul inferior şi mai mică la capătul superior Din acest motiv adacircncimea sondelor de icircngheţare nu poate depăşi anumite limite şi icircn plus se recurge la fragmentarea coloanei de lichid cu ajutorul unor pereţi despărţitori
Pierderile de agent frigorific mai mari decacirct icircn cazul răcirii indirecte reprezintă un alt inconvenient al acestui mod de răcire
c) Răcirea directă icircn circuit deschis constă icircn introducerea agentului frigorific (cel mai frecvent azot lichid) icircn sondele de icircngheţare fără ca acesta să mai fie folosit după vaporizare
La presiunea atmosferică azotul lichid fierbe la temperatura de -196 ordmC icircncacirct vaporii reci de azot icircnainte de a fi evacuaţi se folosesc de asemenea pentru congelarea solului fiind circulaţi prin sonde de icircngheţare (Fig 55)
Figura 45 Fig 55 Icircngheţarea cu azot lichid icircn două trepte 1 - ventil de laminare 2 - sonda de icircngheţare 3 - sonda de icircngheţare cu vapori de azot
Această metodă se foloseşte cacircnd se urmăreşte o icircngheţare rapidă şi volumul de teren icircngheţat este redus
Se vor prezenta icircn continuare unele elemente constructive ale instalaţiilor de icircngheţare
Reţeaua de saramură (fig 56) are rolul de a asigura transferul de căldură de la sol către agentul frigorific Cuprinde două schimbătoare de căldură cel subteran alcătuit din sondele de icircngheţare şi cel de suprafaţă reprezentat de vaporizatorul imersat icircn saramură Icircntre cele două schimbătoare de căldură există conducte magistrale distribuitoare - colectoare şi racorduri la sonde
Saramura răcită prin intermediul vaporizatorului 1 este circulată cu pompa 2 prin magistrala de tur a reţelei 3 Sondele de icircngheţare 5 se leagă prin vane la distribuitorul 4 şi colectorul 6 ambele de construcţie inelară Printr-o asemenea construcţie şi mod de legare a sondelor prezentate icircn figura 56 se asigură o echilibrare a căderilor de presiune pe sondele de icircngheţare şi ca urmare o alimentare uniformă cu agent intermediar şi deci şi o răcire uniformă pentru toate sondele
1
2
AZOT LICHID
VAPORI
AZOT -40OC
3
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
39
Figura 46 Fig 56 Schema reţelei de saramură 1- vaporizatorul 2 - pompa de saramură 3 - magistrala de tur 4 - distribuitorul inelar 5 -sondele de
icircngheţare 6 - colectorul inelar 7 - magistrale de retur M - manometru D - debitmetru T - termometru
Magistralele 3 şi 7 de acelaşi diametru şi lungime variabilă (determinată de o serie de factori) se pot monta atacirct la suprafaţă cacirct şi icircn canal
Magistralele se dimensionează icircn funcţie de puterea frigorifică a schimbătorului de căldură subteran alcătuit din sondele de icircngheţare
F0 qNHd [W] (51)
unde d - diametrul exterior al sondei de icircngheţare m
H - adacircncimea de icircngheţare m
N - numărul de sonde de icircngheţare
qF - densitatea fluxului termic raportat la suprafaţa exterioară a sondei La temperatura saramurii de - 20 ordmC se poate considera qF = (260290) Wm2
Debitul volumic V de agent intermediar icircn reţeaua de icircngheţare icircn funcţie de care se aleg
pompele se determină cu relaţia
tc
V o
(52)
icircn care este densitatea agentului intermediar kgm3
c - căldura specifică a agentului intermediar JkgK
t - creşterea temperaturii agentului (saramura) icircn sondele de icircngheţare K
La icircnceputul perioadei de răcire diferenţa de temperatură este t = 56 K ca apoi să scadă la 12 K
Icircn conductele magistrale se recomandă ca viteza saramurii să fie w = 0915ms
Icircn acest caz diametrul conductelor de transport a saramurii este dat de relaţia
w
V4D
[m] (53)
Icircn funcţie de valoarea determinată pentru D se aleg conducte metalice de diametru nominal cuprins icircntre 75200 mm Dacă rezultă D gt 200 mm se vor alege două conducte cu diametrul mai mic de 200 mm
2
T
T
M
M D
D
NH
3
3
4
6
5
7
1
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
40
Conductele magistrale se realizează prin icircmbinări cu flanşe sau sudate iar la lungimi mai mari de 100150 m se vor prevedea coturi compensatoare Pentru reducerea pierderilor de frig magistralele vor fi izolate termic
Distribuitorul de saramură răcită şi colectorul de saramură de la sonde sunt construcţii metalice identice
Icircn figura 57 se prezintă modul de racordare a sondelor de icircngheţare 5 la distribuitorul 1 şi colectorul 2 Vanele 3 asigură icircnchiderea deci oprirea circulaţiei şi reglajul debitului Prin aceste vane se poate izola o anumită sondă care nu funcţionează normal sau la care se observă o anumită defecţiune
Figura 47 Fig 57 Racordarea sondelor de icircngheţare la distribuitor şi colector 1 - distribuitor 2 - colector 3 - vane 4 - racord elastic 5 - sonda de icircngheţare
Poziţia distribuitorului şi colectorului faţă de racircndul sondelor de icircngheţare poate fi laterală de o singură parte sau laterală de ambele părţi ale sondelor Amplasamentul trebuie astfel făcut icircncacirct să fie posibilă vizitarea supravegherea şi eventual icircnlocuirea sondelor de icircngheţare
Racordarea sondelor la distribuitor şi colector se face prin cacircte un racord elastic (fig 57) Dimensionarea distribuitoarelor şi a colectoarelor se face din condiţia ca viteza saramurii să nu depăşească 0915 ms
Coloanele de distribuţie şi colectare urmăresc icircn teren forma şirului de sonde de icircngheţare şi pot avea acelaşi traseu sau trasee diferite Configuraţia traseului poate fi icircn linie sau circulară Icircn oricare din situaţiile prezentate distanţele dintre ştuţurile de racord şi sondele de icircngheţare sunt variabile astfel icircncacirct racordurile rigide prin flanşe şi sudură sunt greu de realizat Cea mai practică soluţie de racord icircn acest caz este furtunul de cauciuc (fig 57)
Icircn reţeaua de saramură poate pătrunde aer prin procesul de pompare ceea ce conduce la intensificarea acţiunii corosive a saramurii Icircn scopul icircndepărtării aerului nedorit pe partea superioară a conductelor icircn punctele cele mai ridicate ale acestora se montează robineţi de evacuare periodică a aerului şi eventual a altor gaze
Pe conductele magistrale se vor monta aparate de măsură şi control debitmetre termometre şi manometre (fig 56) Icircn acest caz se poate aprecia funcţionarea fiecărei sonde după depunerile exterioare de gheaţă pe racordul metalic sau de cauciuc lăsate neizolate termic tocmai icircn acest scop Icircn scopul urmăririi regimului de lucru sub aspect
5
4
1
2 3
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
41
hidraulic şi termic icircn mod individual se pot monta aparate de măsură şi control pe fiecare sondă de icircngheţare dar această soluţie este mai costisitoare
Sonda de icircngheţare realizează transferul de căldură de la terenul ce urmează a fi icircngheţat spre agentul frigorific (la răcirea directă) sau agentul intermediar (la răcirea indirectă)
Icircn figura 51 s-a prezentat schema de principiu a unei sonde de icircngheţare cu saramură activă pe toată lungimea Conducta exterioară sau burlanul de icircngheţare 3 este o conductă din oţel etanşă şi rezistentă la eforturile mecanice care apar datorită presiunii solului şi variaţiei de temperatură icircntre momentul fixării ei icircn sol şi cel al funcţionării la o temperatura sub 00C
Icircn procesul de icircngheţare coloana de burlane care poate atinge lungimi de sute de metri se contractă icircnsă nu liber deoarece ea este stracircnsă icircn masivul de roci La o variaţie de temperatură icircntre momentul iniţial (fără saramură) şi momentul pornirii circulaţiei de saramură de 400C conducta din oţel de 500 m adacircncime ar trebui să se contracte cu
tHH = 500 11 10-6 40 = 0220 m = 22 cm
Datorită fixării coloanei icircn gaura forată efortul unitar de icircntindere ce apare icircn urma scăderii temperaturii este
tE = 22 1010 11 10-10 40 = 968 105 Nm2 = 9680 Ncm2
La acest efort de icircntindere apărut datorită contracţiei coloanei se mai adaugă efortul de acelaşi semn provocat de dilatarea masivului de rocă acviferă icircngheţată Icircn scopul compensării eforturilor de icircntindere s-a propus icircmbinarea coloanei cu nipluri elastice O asemenea soluţie este mai scumpă şi icircn plus micşorează secţiunea liberă de curgere ceea ce conduce la icircncălzirea excedentară a saramurii
La lucrări subterane de mare adacircncime ca puţurile de mină depozite subterane se folosesc burlane de 1397 x 7 mm pentru a fi posibilă determinarea abaterii de la poziţie verticală
La tunelurile de metrou şi icircn general la lucrările la care adacircncimea de icircngheţare nu depăşeşte 50 - 60 m diametrul cel mai frecvent utilizat este 1143 x 7 mm
Ţeava interioară 2 (fig 51) numită şi tub de alimentare de regulă ţeava uşoară de instalaţii de 50 mm diametrul se introduce icircn burlanul exterior 3 fără icircnsă a atinge şiul de bază 1 al sondei Se asigură icircn acest mod un volum minimal de depuneri solide care circulă cu saramura icircn mod incidental Icircn scopul economisirii de metal tubul de alimentare poate fi din material plastic ceea ce prezintă marele avantaj al lipsei coroziunii şi al refolosirii materialului respectiv
Şiul de fund are rolul de a asigura icircnchiderea burlanului exterior icircn partea sa inferioară Cel mai adesea are formă conică pentru a asigura introducerea cu uşurinţă a coloanei metalice icircn gaura de sondă Această componentă a sondei de icircngheţare se execută fie prin turnare sau se confecţionează cu ajutorul sudurii
Corespunzător profilului geologic al terenului icircn care se lucrează se icircntacirclnesc şi cazuri cacircnd nu este nevoie să se icircngheţe terenul pe toată icircnălţimea sondelor ci numai la partea lor inferioară Icircn acest caz se folosesc sonde de icircngheţare zonală (fig 58) cu ajutorul cărora se asigură congelarea doar a zonei inferioare ceea ce prezintă avantaje economice deosebite nu se consumă energie pentru a icircngheţa icircn mod inutil formaţiuni geologice consistente şi uscate şi nu se reduce ritmul lucrărilor de săpare printr-o eventuală mărire a rezistenţei rocilor
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
42
Figura 48 Fig 58 Sonda de icircngheţare zonală
1 - burlan exterior 2 - tub de alimentare 3 - şiu 4 - tub de evacuare
Figura 49 Fig59 - Sonda de icircngheţare cu agent
frigorific 1 - tub exterior 2 - perete despărţitor 3 - şiu 4 -
ştuţ (ţeavă de preaplin) 5 - condensator - vaporizator
Icircn cazul răcirii directe sondele de icircngheţare cu agent frigorific sunt de construcţie specială (fig 59) Particularitatea acestor sonde este prezenţa pereţilor despărţitori 2 dispuşi unul sub celălalt la circa 3 m fiecare perete fiind prevăzut cu un ştuţ de preaplin O asemenea construcţie are rolul de a fracţiona coloane de lichid ceea ce asigură o răcire mai uniformă pe lungimea sondei
Fiecare sondă este prevăzută la partea superioară cu cacircte o cămaşă de răcire Sondele se umplu cu amoniac lichid icircntr-o asemenea cantitate icircncacirct fiecare secţie să fie icircnecată cu lichid respectiv pacircnă la partea superioară a ştuţurilor 4 Ca urmare a fluxurilor de căldură de la sol se produce fierberea amoniacului icircn toate secţiile sondei Vaporii formaţi se ridică prin ştuţurile 4 şi ajungacircnd la partea superioară a sondei se condensează cedacircnd căldură agentului (amoniac) din cămăşile de răcire
Ca urmare cămăşile de răcire de la partea superioară a sondelor constituie vaporizatorul instalaţiei frigorifice Amoniacul care se condensează la partea superioară a sondei curge icircnapoi (de sus icircn jos) prin ştuţurile 4 Folosirea pereţilor despărţitori şi a ştuţurilor micşorează influenţa presiunii hidrostatice a lichidului asupra temperaturii de vaporizare a amoniacului Asemenea sonde de icircngheţare se folosesc pentru lucrări de mică adacircncime
Amplasarea sondelor se face icircn funcţie de o serie de factori formă poziţia şi dimensiunile lucrării care se realizează structura terenului temperatura şi viteza agentului etc
Icircn cazul puţurilor de mină de secţiune circulară sondele se amplasează pe un cerc
concentric de diametru D mai mare decacirct diametrul de săpare Ds cu grosimea a peretelui icircngheţat
sDD (54)
Trebuie să se ţină seama şi de deviaţia sondelor de la poziţia verticală icircncacirct pentru adacircncimi mari se utilizează relaţia
3
2 4
1
VAPORI 5 LICHID
3
2
4 1
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
43
a21DD s (55)
unde a = 003 H este abaterea medie statistică de la verticală a sondelor
Distanţa dintre sonde se ia de obicei de 1014 m icircn terenuri rezistente şi de 0809 m icircn terenuri slabe
Pentru adacircncimi de peste 500 m se recomandă să se dispună sondele pe două cercuri concentrice pentru a se forma un perete de grosime mai mare şi deci mai rezistent
La icircngheţarea terenului icircn jurul puţurilor de secţiune dreptunghiulară sondele se pot dispune pe dreptunghi sau elipsă Icircn aceste situaţii centura de teren icircngheţat poate fi solicitată la icircntindere ceea ce este de nedorit deoarece limita de rezistenţa la icircntindere a terenurilor icircngheţate este de circa 3 ori mai mică decacirct limita rezistenţei la compresiune Din acest motiv chiar şi la puţurile de mină de secţiune dreptunghiulară sondele se dispun pe unul sau două cercuri (fig 510)
Pentru realizarea galeriilor icircnclinate icircngheţarea terenului se realizează cu sonde verticale (fig 511) sau combinat atacirct cu sonde verticale cacirct şi cu sonde icircnclinate (fig 512)
Distanţa dintre sondele verticale (fig 511) se ia de 23 m iar distanţa dintre racircnduri este de 1525 m
Se poate folosi cacircte un racircnd de sonde icircnclinate montate deasupra galeriei (fig 212 a) sau sonde icircnclinate sub galerie şi sonde verticale scurte deasupra galeriei (fig 512 b)
SONDA
154 m
16
6 m
226
262
85
SONDA
Figura 411 Fig 511 Amplasarea sondelor verticale pentru realizarea galeriei icircnclinate
Figura 411 Fig 510 Dispunerea sondelor icircn jurul puţurilor de mină de secţiune
dreptunghiulară
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
44
Figura 412 Fig 512 Realizarea galeriilor icircnclinate cu sonde verticale (1) şi sonde oblice (2)
I - secţiunea longitudinală II - secţiunea transversală a) sonde icircnclinate deasupra galeriei b) sonde icircnclinate sub galerie
413 513 UTILIZAREA METODEI DE IcircNGHEŢARE A SOLULUI IcircN ŢARA NOASTRĂ
a)Puţuri de mină
Aplicarea metodei de icircngheţare a solului pentru lucrări de minerit a avut loc la noi icircn ţară icircncepacircnd cu anul 1960 la puţul Godeni din bazinul carbonifer Cacircmpulung - Muscel Proiectul a fost elaborat icircn anul 1959 la IPROMIN Bucureşti iar lucrarea a fost executată cu Trustul Minier Argeş avacircnd icircn subantrepriză de specialitate Icircntreprinderea Frigotehnica Bucureşti şi Trustul de prospecţiuni explorări şi deschideri de mine noi Bucureşti
Adacircncimea de săpare a puţului Godeni a trebuit sa fie de 202 m Sondele de icircngheţare constituite din două ţevi concentrice (fig 51) cu diametrele exterioare de 146 mm şi respectiv 57 mm icircn număr de 27 au fost amplasate pe un cerc cu diametrul de 10 m la distanţa de 117 m una de alta
Instalaţia frigorifică a fost dimensionată cu mare precauţie pentru a avea o siguranţă mărită icircn funcţionarea ei Toate părţile componente ale instalaţiei frigorifice au fost proiectate şi executate icircn ţară
La proiectarea instalaţiei s-a avut icircn vedere funcţionarea de scurtă durată şi variaţia puterii frigorifice icircn timp S-a utilizat răcirea indirectă cu soluţie de clorură de calciu iar ca agent frigorific a fost folosit amoniacul Pentru a avea elasticitatea necesară icircn funcţionare la diferite puteri frigorifice au fost folosite grupuri de utilaje frigorifice şi anume
6 compresoare 4 AU - 20 (200000 kcal Nh =233 kW fiecare)
3 baterii de condensatoare atmosferice a cacircte 300 m2 (900 m2)
bazine pentru răcirea saramurii fiecare cu cacircte 2 vaporizatoare superintensive de 50 m2 (600 m2)
2 grupuri a cacircte 5 pompe pentru recircularea saramurii
Puterea frigorifică a instalaţiei montate a fost de 12106 kcal Nh =1395 kW şi s-a caracterizat prin următoarele date tehnice la exploatare
85
1
2
I 85
1
2
I
85
1
2
II
85
1
2 II
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
45
o suprafaţa de schimb de căldură a sondelor 2500 m2 o puterea instalaţiei 750 kW o debitul saramurii icircn
o icircn perioada activă 350 m3h o icircn perioada pasivă 70 m3h
o viteza de circulaţie a saramurii icircn sondă o tur 18 ms 036 ms o retur 029 ms 006 ms
o volumul rocilor icircngheţate circa 10000 m3 o consumul specific de frig mediu 50000 m3 o durata icircngheţării (perioada activă) 130 zile
Icircn timpul răcirii şi deci a icircngheţării solului puterea frigorifică scade icircn mod continuu icircncacirct treptat s-a scos din funcţiune cacircte un compresor icircn perioada pasivă (de săpare a puţului) s-a menţinut icircn lucru doar un singur compresor şi grupul de utilaje aferent
După terminarea lucrărilor de la puţul Godeni icircn anii următori aceeaşi instalaţie s-a montat la puţul Poenari din acelaşi bazin carbonifer unde sondele au fost amplasate pe un cerc cu diametrul de 11 m la distanţa de 128 m una de alta
Un alt puţ realizat prin această tehnologie de icircngheţare a solului a fost puţul Jugur de la acelaşi bazin carbonifer Centrala frigorifică a cuprins 15 compresoare 3 AV - 20 (150000 kcal Nh fiecare=175kW) repartizate icircn 5 linii tehnologice independente cu icircntreg utilajul aferent Fiecare linie este compusă din
o butelie de răcire intermediară BRI - 700 un condensator cu evaporare forţată CEF - 180 un bazin cu patru grupuri vaporizatoare intensive de cacircte 165 m2 (icircn total 66 m2)
Sondele de icircngheţare icircn număr de 27 bucăţi au fost prevăzute să se amplaseze pe un cerc cu diametrul de 104 m la distanţă de 121 m Sondele sunt de tipul celei indicată icircn figura 58 deci cu răcire zonală avacircnd următoarele caracteristici diametrul exterior al burlanului este de 146 mm iar tuburile interioare au 57 mm (la exterior) tubul de alimentare are lungimea de 430 m iar cel de evacuare este de 220 m Ca urmare sondele de icircngheţare trebuie să producă icircngheţarea solului numai pe adacircncimea de la 220 m la 430 m Prin proiect s-au prevăzut următoarele date temperatura saramurii - 35 ordmC viteza saramurii icircn conducte de tur 18 ms viteza icircn conducte de retur (pe adacircncimea de răcit) 06 ms durata icircngheţării (perioada activă) a fost de 75 zile
Au fost prevăzute temperaturi scăzute şi viteze mari de congelare deoarece cilindrul icircngheţat trebuie să preia presiuni de pacircnă la 56 bar
b)Tunelurile pentru metroul din Bucureşti
Icircncepacircnd cu anul 1976 pentru realizarea metroului din Bucureşti s-a procedat la aplicarea metodei de icircngheţare a solului icircntr-o zonă considerată experimentală dar cu realizări efective de galerii
Prin proiect s-a prevăzut consolidarea prin icircngheţare artificială a profilului de săpare a tunelurilor de metrou pe o lungime de circa 550 m pe ambele fire Amplasamentul sondelor s-a făcut icircn două variante (pentru experimentare) pentru un fir de tunel ambele racircnduri de sonde s-au fixat icircn profilul circular de săpare iar pentru cel de al doilea fir de tunel sondele au fost forate icircn afara profilului de icircnaintare (fig 513) Au fost folosite sonde cu saramură cu posibilitatea de icircngheţare pe toată icircnălţimea de 16 m cacirct şi sonde cu icircngheţare zonală icircntre adacircncimile de 7 m şi 16 m Distanţa dintre sonde a fost fixată la 14 m
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
46
Pentru a se icircmpiedica accesul apelor icircn frontul de săpare datorate unor eventuale zone neicircngheţate traseul de tunel icircngheţat a fost icircmpărţit icircn incinte icircnchise prin timpane transversale La distanţe de 3050 m icircn lungul traseului au fost montate sonde de icircngheţare aşezate icircn plan normal pe axul tunelului prin care să se icircnchidă accesul apelor spre frontul de săpare
Echipamentul frigorific principal cuprinde
- 8 compresoare frigorifice 3 AV - 20 funcţionacircnd icircntr-o treaptă pentru care
corespunde puterea frigorifică de 12 106 kcal Nh =1395 kW
- 4 condensatoare de evaporare forţată CEF - 250
- 3 bazine de răcire a saramurii echipate cu cacircte 4 grupuri de vaporizatoare superintensive de cacircte 51 m2 (total 612 m2)
- 3 grupuri de cacircte 2 pompe a 220 m3h pentru circulaţia saramurii pe traseele de distribuţie şi prin sonde
Figura 413 Fig513 Amplasamentul sondelor de icircngheţare
Centrala frigorifică este stabilă adăpostită icircntr-o baracă metalică demontabilă existacircnd posibilitatea de reamplasare rapidă a instalaţiei icircntr-un alt loc Agentul frigorific utilizat este amoniacul iar agentul intermediar este clorura de calciu
Icircn perioada principală de icircngheţare temperatura de vaporizare este to = -22 ordmC asiguracircnd răcirea saramurii la -17 ordmC iar pe retur saramura a avut temperatura cu 15 ordmC mai ridicată
La o asemenea lucrare realizată icircn oraş se impune protejarea contra icircngheţului a straturilor de deasupra galeriilor icircn care sunt amplasate instalaţiile de apă - canal ceea ce presupune folosirea sondelor cu icircngheţare zonală care să nu fie active la partea superioară
c) Puţuri pentru prospectarea balastierelor
Procedeul şi instalaţia frigorifică au avut caracter de noutate şi s-a aplicat icircncepacircnd cu anul 1966 la mai multe obiective icircn general pe văile racircurilor unde s-au construit hidrocentrale
A
A B
B
A-A
000 -300 -700 -1061 -1300
65
800
B-B
000 -300 -700 -1061 -1300
65
550
ARGILA
ARGILA
NISIP
NISIP
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
47
Echipamentul frigorific principal cuprinde un agregat frigorific pentru amoniac de 20000 kcal Nh = 233 kW rezervor de amoniac separator de lichid şi anexe - toate fiind montate pe o remorcă
S-au folosit sonde de icircngheţare cu agent frigorific icircn număr de 8 bucăţi cu diametrul exterior de 133 mm montate pe un cerc cu diametrul de 2 m la distanţa de 076 m lungimea lor fiind de 75 m Legarea sondelor la distribuitor şi colector s-a făcut cu racorduri flexibile
Sondele au o construcţie specială fiind prevăzute cu 4 pereţi transversali cu ştuţuri de preaplin formacircndu-se astfel 5 compartimente Agentul lichid se introduce icircn compartimentul cel mai de sus şi se scurge prin ştuţuri pacircnă la baza sondei Conducta de aspiraţie străbate toate compartimentele vaporii fiind aspiraţi din compartimentul cel mai de jos Circulaţia vaporilor formaţi se face ca şi a lichidului de sus icircn jos obţinacircndu-se astfel o răcire uniformă şi eficientă pe toată icircnălţimea sondei
Durata icircngheţării respectiv a formării centurii de teren icircngheţat la adăpostul căreia să se poată efectua săparea şi preluarea de probe de sol este de 10 zile
414 514 CAcircMPUL DE TEMPERATURĂ IcircN SOLUL IcircNGHEŢAT
Cacircnd prin sonda de icircngheţare circulă saramură a cărei temperatura este sub 0 ordmC practic - 20 ordmC-25 ordmC icircn jurul sondei se formează un cacircmp termic care icircn cazul unei singure sonde poate fi reprezentat prin suprafeţe cilindrice coaxiale de temperatură constantă (izoterme)
După distanţa radială se deosebesc icircn sol din punct de vedere termic trei zone zona cilindrică din imediata vecinătate a sondei care este icircn zona icircngheţată zona răcită cuprinsă icircntre suprafaţa cilindrică izotermă de 0 ordmC şi izoterma de temperatură naturală şi a treia zonă cea de temperatura naturală (fig 514)
Icircn zona icircngheţată temperatura masivului variază de la temperatura peretelui metalic al sondei pacircnă la 0 ordmC Icircn zona răcită temperatura masivului creşte de la 0 ordmC pacircnă la temperatura naturală a masivului
Figura 414 Fig 514 Cacircmpul de temperatură icircn jurul unei sonde de icircngheţare
Este important să se cunoască cacircmpul termic icircn terenul supus icircngheţării deoarece acesta oferă date privind zona de răspacircndire a consolidării rocilor prin solidificarea apei cacirct şi a
t [oC]
r [m]
t (r)
ZONA RACITA
ZONA INGHETAT
A
ts TEMPERATURA NATURALA A ROCII
-20
-10
40
10 0 20 30
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
48
rezistenţei mecanice a rocii icircngheţate Se cunoaşte faptul că rezistenţa mecanică depinde direct de temperatură
Studiul variaţiei temperaturii icircn zona de influenţă a unei sonde şi a tuturor sondelor simultan oferă posibilitatea calculării dimensiunilor la proiectarea construcţiei peretelui protector cacirct şi controlul procesului icircn timpul desfăşurării lucrărilor
Pentru a se stabili relaţia de variaţie a temperaturii icircn zona icircngheţată icircn funcţie de raza r se consideră ecuaţia diferenţială
dr
dtr2q (56)
icircn care q este fluxul unitar de căldură corespunzător lungimii de 1 m din sonda de icircngheţare Wm
- conductivitatea termica a terenului Wm
Integrarea directă a ecuaţiei analitice se poate face icircn ipoteze simplificatoare consideracircnd
= const şi q = const ceea ce este justificat la valori mari ale timpului de răcire
Se separa variabilele
r
dr
2
qdt
(57)
Se consideră cunoscute temperaturile t1 la suprafaţa sondei de raza r1 și t2 = 0 ordmC la raza r2 corespunzătoare suprafeţei exterioare a cilindrului icircngheţat Se integrează ecuaţia (6-7) și cunoscacircnd limitele de integrare se va determina constanta de integrare
Cr ln2
qt
(58)
pentru r = r1 t = t1 deci
11 rln2
qtC
(59)
1
1r
rln
2
qtt
(510)
Se pune condiţia ca pentru r = r2 t = t2
1
212
r
rln
2
qtt
(511)
Se elimina q intre relaţiile (510) și (511) şi se obţine
1
2
1121
r
rln
r
rln
tttt (512)
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
49
Figura 415 Fig 515 Schema schimbătorului de căldură subteran
Pentru t2 = 0 ordmC relaţia (5-12) devine
)rrln(
)rrln(tt
12
21 (513)
Icircn figura 515 se prezintă o secţiune axială printr-o sondă de icircngheţare şi variaţia temperaturii icircn limitele t0 - temperatura agentului de răcire şi ts - temperatura naturală a solului
Cantitatea de căldură transferată de la masivul neicircngheţat spre agentul de răcire prin unitatea de lungimea de conducta şi unitatea de timp se calculează cu expresia
221
2
1o
1
moo
os
d
1
d
dln
1
d
dln
2
1
d
1
ttq
(514)
Icircn calculele inginereşti cel mai frecvent se determină nu fluxul termic pe unitatea de lungime a conductei ci fluxul termic qF raportat la unitatea de suprafaţă a conductei metalice la 1 m2 de suprafaţa exterioară sau interioară Mărimea qF se calculează astfel
22
o
1
2
1
o
o
1
m
o
o
oS
o
F
d
d
d
dln
2
d
d
dln
2
d1
tt
d
(515)
Fluxul termic qF prin unitatea de suprafaţă a sondei de icircngheţare calculat pentru adacircncimea de 100 m icircn regim laminar de curgere a agentului de răcire prin spaţiul inelar al sondei cu viteza w = 01 ms la diametre ale cilindrului de rocă icircngheţata
de la 02 la 3 m pentru to = -20 ordmC do = 01 m 1 = 233 WmK variază de la 720 la 230 Wm2 aşa cum se poate observa din figura 516 şi tabelul 51
d2
d1
d0
t
qF
t0
t2
t1 2
m 1
m
ts
Conducta Teren icircngheţat Teren
neicircngheţat
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
50
Figura 416 Fig 516 Variaţia fluxului termic qF prin unitatea de suprafaţă a sondei de icircngheţare 1 - regim turbulent 2 regim laminar
Tabelul 51Variaţia fluxului termic qF [Wm2]
Diametrul cilindrului de rocă icircngheţată icircn m
02 04 05 08 10 15 20
qF regim laminar 1160 550 387 330 302
qF regim laminar 720 465 423 350 321 283 258
Se observă ca densitatea fluxului de căldura qF scade foarte mult de la 800900 Wm2 la icircnceputul operaţiei de consolidare prin frig a rocilor pacircnă la 230250 Wm2 cacircnd cilindrul de rocă icircngheţata atinge diametrul de 23 m Ca urmare a acestei situaţii şi puterea frigorifică a instalaţiei va scădea icircn decursul a 6080 zile tot cu raportul de 800230 = 35
Instalaţia frigorifică va fi constituită din grupuri de utilaje (module) ce vor fi scoase treptat din funcţiune pe măsură ce se reduce densitatea fluxului de căldură qF ca urmare a creşterii grosimii stratului de teren icircngheţat Icircn practică pentru calcule se va considera qF = (260290) Wm2
O mărime importanta pentru proiectarea instalaţiei şi aprecierea procesului de consolidare a rocilor este timpul de icircngheţare Pentru calculul duratei de icircngheţare se pot folosi relaţiile prezentate icircn capitolul 3 la formarea gheţii pe suprafeţe cilindrice exterioare La aprecierea valorii pentru ls - căldura latentă de solidificare se avea icircn vedere conţinutul de apă din terenul supus icircngheţării
Dacă icircntre relaţiile pentru dependenţele (r) şi qF(r) se elimină r se obţine dependenţa
qF() Eliminarea nu se poate face direct ci fie cu ajutorul calculatorului fie printr-o construcţie grafică prezentată icircn figura 517
Studiul variaţiei temperaturii icircn solul icircngheţat cacirct și variaţia icircn timp a densităţii fluxului de căldura se poate face cu ajutorul calculatorului electronic
1200
1000
800
600
400
200
0 05 1 15 2 25 3
qF [Wm2]
Diametrul cilindrului de rocă icircngheţată [m]
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
51
Figura 417 Fig 517 Stabilirea dependentei qF() pe baza dependentelor qF(r) și (r)
415 515 ELEMENTE DE PROIECTARE A INSTALAŢIEI FRIGORIFICE PENTRU IcircNGHEŢAREA SOLULUI
Pentru proiectarea instalaţiei frigorifice trebuie sa se stabilească la icircnceput elementele de baza și anume
- puterea frigorifică maximă care apare la icircnceputul perioadei de răcire cacircnd pătrunderile de căldura spre agentul de răcire din sondele de icircngheţare au valori mai mari temperatura de vaporizare a agentului frigorific plecacircnd de la temperatura minimă sau medie din solul icircngheţat şi avacircnd icircn vedere modul de răcire directă sau indirectă
Se calculează cantitatea totală de căldură ce trebuie extrasă din terenul supus răcirii şi icircngheţării Se cunoaşte structura terenului icircngheţat deci se cunosc icircnălţimile h1 h2hn ale diferitelor straturi componente cacirct şi proprietăţile termofizice ale acestora
Grosimea centurii de teren icircngheţat se stabileşte icircn urma calculelor de rezistenţa materialelor icircncacirct se pot calcula volumele ocupate de straturile componente V1 V2Vn
Cantitatea de căldură ce trebuie extrasă din zona icircngheţată cuprinde două componente și anume
cantitatea de căldura Qa corespunzătoare răcirii şi icircngheţării apei
cantitatea de căldura Qt necesara răcirii părţii solide a terenului
n
1kfgsikaakka tcltcVQ (516)
unde
k - reprezintă conţinutul icircn apă din stratul respectiv [m3m3]
a - densitatea apei [kgm3]
ca cg - căldura specifica a apei respectiv a gheţii Jkg K
tik - temperatura iniţiala a stratului respectiv (de ordinul k)
tf - temperatura medie finala a masivului icircngheţat
ls - căldura latentă de solidificare a apei
r
q
q
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
52
fik
n
1kkkkkt ttc1VQ
(517)
k - densitatea părţii de teren solid (uscat) din stratul k
ck - căldura specifică a terenului uscat din stratul k
Cantitatea de căldură extrasă din terenul răcit reprezintă circa 1018 din cantitatea de căldură extrasă din zona de teren icircngheţat
Deci cantitatea totală de căldură Q ce va trebui preluată de către instalaţia frigorifică se poate aprecia astfel
Q = (110118) (Qa + Qt) (518)
Cu relaţia (51) se calculează puterea frigorifica a instalaţiei adoptacircnd o valoare medie pentru densitatea fluxului de căldura qF
Se poate aprecia timpul de funcţionare a instalaţiei frigorifice
o
Q
(519)
La anumite grosimi ale cochiliei de teren icircngheţat icircn jurul sondei densitatea fluxului termic scade sub valoarea medie adoptată icircn calcule şi ca urmare icircncepacircnd de la acest moment se va putea reduce treptat puterea frigorifica a instalaţiei prin scoaterea din funcţiune a unor grupuri
La proiectare se pot avea icircn vedere unele recomandări practice pentru stabilirea necesarului de frig pentru icircngheţarea unui m3 la -10 ordmC este necesar un consum specific de frig de 66000 kJ la 10 umiditate de 155000 kJ la 35 umiditate și de 210000 kJ la 50 umiditate
42 52 RĂCIREA BETONULUI LA CONSTRUCŢIILE MASIVE
421 521 INSTALAŢII DE PRERĂCIRE A COMPONENTELOR BETONULUI
Formarea betonului din elementele sale componente (nisip pietriş ciment şi apă) este icircnsoţită de fenomene fizico - chimice icircn care se degajă căldură şi ca urmare temperatura acestuia creşte Icircn cazul unor masive din beton (baraje) dacă viteza de turnare (icircn sezonul cald cacircnd se efectuază construcţia) este mai mare şi nu se asigura evacuarea căldurii corpul rezultă la o temperatura medie mai mare decacirct temperatura medie anuală Răcirea naturală conduce la contracţia masivului şi ca urmare la apariţia sub acţiunea tensiunilor interne a unor fisuri
Pentru ca variaţiile de temperatura icircntre centrul barajului şi straturile exterioare să fie cacirct mai mici se impune ca masivul respectiv să fie turnat la temperatura medie anuală a zonei respective Icircn acest scop se pot folosi două metode prin prerăcirea componentelor betonului și prin răcirea masei barajului
Icircn vederea reducerii căldurii degajată icircn reacţia dintre ciment şi apă au fost realizate sortimente de ciment caracterizate prin călduri masice reduse ce se degajă icircn procesul de priză
Prin prerăcirea componentelor betonului se urmăreşte ca betonul sa aibă temperatura medie a locului de amplasament şi prin aceasta evitarea apariţiei unor diferenţe mari de temperatură ce pun icircn pericol construcţia
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
53
Icircn funcţie de valoarea diferenţei de temperatură care trebuie realizată se poate adopta o anumită schemă de răcire pentru fiecare component icircn parte sau numai pentru unele din aceste părţi componente
Se pot folosi instalaţii frigorifice cu comprimare mecanică de vapori pentru răcirea apei a aerului sau formarea gheţii mărunte utilizate la prerăcirea componentelor betonului Folosirea gheţii fulgi sau solzi este limitată atacirct din cauza conţinutului de apă impus cacirct şi ca urmare a pericolului ca gheaţa să nu se topească icircn procesul de malaxare ci la turnare sau icircn procesul de priză ceea ce duce la formarea de goluri icircn beton
De asemenea se pot folosi instalaţiile frigorifice cu ejecţie
Icircn vederea stabilirii necesarului de frig pentru preratildecirea componentelor betonului se calculează mai icircntacirci cantitatea de catildelduratilde Qo1 ce trebuie evacuatatilde dintr-un m3 de beton avacircndu-se icircn vedere proporţiile icircn care participatilde cimentul nisipul pietrişul şi apa Fiecare component are o temperatură iniţialatilde şi urmeazatilde a fi răcit pacircnatilde la o temperatura finalatilde tf aceeaşi pentru toţi componenţii
fpppfnnnfccc1o ttcmttcmttcmQ
fnaanfpaapfaaa ttcmttcmttcm Jm3 (520)
unde
mc mn mp ma - masele de ciment nisip pietriş şi apă conţinute icircntr-un m3 de beton [kgm3]
cc cn cp cw - căldurile specifice masice ale cimentului nisipului pietrişului şi nisipul dintr-un m3 de beton [kgm3]
Puterea frigorifică se determină cu relaţia
3b1oo 10VQ [kW] (521)
icircn care bV reprezintă fluxul de betonare icircn m3s
Se prezintă icircn continuare cele mai folosite metode de prerăcire a componentelor betonului
4211 a) Instalaţie de prerăcire cu apă
Staţia de preparare a betonului este deservită de o instalaţie frigorifică cu comprimare mecanică de vapori care asigură răcirea apei
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
54
Figura 418 Fig 518 Schema de lucru a instalaţiei de prerăcire a betonului cu ajutorul apei 1 - ciment 2 - vagon nisip 3 - vagon pietris 4 - tancuri de răcire a pietrişului 5 - sită 6 - siloz de
nisip 7 - siloz de ciment 8 - rezervor de distribuţie 9 - răcitor de nisip 10 - răcitor de ciment 11 - răcitor de apă 12 - rezervor de apă răcită 13 - răcitor de apă 14 - instalaţie de prepararea betonului
I II III IV V - fazele de răcire a pietrişului
Icircn figura 518 se prezintă schema de lucru a unei asemenea instalaţii de prerăcire a betonului cu ajutorul apei folosită la construcţia barajului de la Detroit (SUA) Apa este răcită de la 16 la 15 ordmC şi transmisă apoi la instalaţia de preparare a betonului şi icircn cinci rezervoare a cacircte 90 m3 fiecare icircn care se răceşte pietrişul
Procesul de răcire a pietrişului cuprinde cinci faze
- faza I - introducerea apei icircn rezervor 10 minute
- fazele II şi III - introducerea simultană a apei şi a pietrişului 50 minute
- faza IV - evacuarea apei 15 minute
- faza V - evacuarea pietrişului 15 minute
Icircntregul proces de răcire a pietrişului durează 90 minute Pentru răcirea cimentului şi nisipului se utilizează schimbătoare de căldură cu ax elicoidal la care apa de răcire circulă prin arborele gol şi prin manta
Rezervoarele 12 pentru apa răcită au fiecare volumul de 114 m3
Beton 635oC
190 m3h
65oC
24oC
18oC
1
2
3
4
5
6
7
8
10
9
11
12
13
14
Apă 16oC
15oC
Cim
en
t
26 l
h
Nis
ip 1
12
lh
10
oC
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
55
42111 Aplicaţie numerică
Să se calculeze puterea frigorifică necesară prerăcirii betonului prin metode şi condiţiile prezentate mai sus Se cunosc următoarele date de calcul
mp = 1700 kgm3 beton
mc = 135 kgm3 beton
mn = 590 kgm3 beton
ma = 60 kgm3 beton
cc = cn = cp = 921 Jkg K
ca = 4180 Jkg K
map = 16 kgm3 beton
man = 38 kgm3 beton
tp = 18 ordmC
tc = 66 ordmC
tn = 21 ordmC tf = 635 ordmC
052803000
190Vb m3s
Se calculează componentele cantităţii de căldură Q01
3fcccc 10741735666921135ttcmQ Jm3
3fnnnn 10796135621921590ttcmQ Jm3
3fpppp 1024018356189211700ttcmQ Jm3
3faaaa 10420235616418060ttcmQ Jm3
3fpaapap 1077935618418016ttcmQ Jm3
3fnaaan 10232735621418038ttcmQ Jm3
Rezulta
3anapapnc1o 1039144QQQQQQQ Jm3
3o 10 206705280103914410VQ 33
b1o kW
4212 b) Instalaţii de prerăcire cu aer apă
Pentru răcirea componentelor betonului se utilizează icircn acest caz fie apa fie aerul ca agenţi intermediari răciţi cu ajutorul instalaţiilor frigorifice
Icircn figura 519 se prezintă schema unei asemenea instalaţii folosită la construcţia barajului de la Sariyar din Turcia
Răcirea aerului se poate face fie direct prin vaporizarea unui agent frigorific fie indirect cu un agent intermediar de răcire ca de exemplu saramura de clorură de calciu Aerul răcit pacircnă la -6 ordmC este suflat icircn silozurile cu pietriş de dimensiuni icircntre 4150 mm
Apa răcită icircn bazinul la pacircnă la 05 ordm este trimisă din colectorul 12 la staţia de preparare a betonului servind la scăderea temperaturii acestuia
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
56
Figura 419 Fig 519 Schema instalaţiei de prerăcire a betonului cu aer şi apă 1 - compresor 2 - condensator 3 - ventile de laminare 4 - vaporizatoare 5 - bazin de răcire a
saramurii 6 - pompă de saramură 7 - răcitor umed de aer 8 - ventilatoare 9 - silozuri de pietriş 10 - bazin de răcire a apei 11 - pompă 12 - colector de apă răcită
Figura 420 Fig 520 Schema instalaţiei de prerăcire cu aer şi apă 1 - siloz de pietriş şi nisip 2 - siloz de ciment 3 rezervor de apă 4 - răcitor de aer 5 - răcitor de apă
4 - răcitor de apă 6 - buncăr de sortare 7 - instalaţie de preparare beton
Pentru intensificarea procesului de răcire a pietrişului aerul este răcit sub 0 ordmC Acest procedeu are avantajul unei funcţionări fără icircntrerupere a procesului de preparare a betonului dar prezintă şi o serie de dezavantaje debite foarte mari de aer de răcire posibilitatea antrenării particulelor fine de agregat icircn răcitorul de aer şi depunerea acestora pe suprafaţa de schimb de căldură Ca urmare instalaţia se va curăţa la circa 14 zile Icircn figura 520 se prezintă o altă schemă de instalaţie de prerăcire a betonului cu aer şi apă folosită la construcţia unui baraj din India
Apă
295oC
Ciment
433oC
Pietriş şi nisip
378oC
Apă 6oC
Ciment 433oC
Aer
Pietriş
45oC Nisip 222oC
22oC
Ap
ă
45
oC
Ap
ă 2
2o
C
Ae
r 5
5o
C
Be
ton
12
8o
C
Apă 22oC
2
1
3 4 5
8
9
5 7
12
1oC
11
05oC 9oC 9oC
-9oC
-10oC -10oC
-10oC 2oC
6oC
10 4 4 6
8 8
8
8 8
9 9 9 9
1
2
3 3
7
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
57
Pietrişul şi nisipul se separă icircntre ele icircn buncărul de sortare 6 şi apoi fiecare circulă pe cacircte o bandă transportoare prin camera de răcire 7 Pietrişul este răcit cu ajutorul apei
Fig
ura
42
1 F
ig 5
21
Sc
he
ma
in
sta
laţi
ei
de
ră
cir
e icirc
n v
id a
co
mp
on
en
telo
r b
eto
nu
lui
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
58
reci icircncacirct ajunge la o temperatură mai scăzută decacirct nisipul răcit cu aer Prin camera 7 se circulă şi aer rece care se introduce la temperatura de 55 ordmC Cimentul se introduce la instalaţia de preparare a betonului 9 fără a fi răcit
O altă posibilitate de prerăcire a agregatelor (pietriş şi nisip) şi a apei utilizată mai recent la construirea barajelor icircntrebuinţează răcirea icircn vid la care agregatele uşor umezite icircn recipiente sub presiune se răcesc după nevoie (prin reglarea vacuumului) la o temperatură mai scăzută sau mai ridicată Căldura necesară evaporării umidităţii de pe agregate şi din ele (apa legată) este luată chiar de la corpurile respective (pietriş nisip) şi ca urmare acestea se răcesc
O asemenea instalaţie utilizată la Hortwell icircn SUA (figura 521) cuprinde 3 recipienţi de cacircte 150 m3 pentru răcirea pietrişului şi 3 recipienţi de cacircte 80 m3 pentru răcirea nisipului
Pietrişul şi nisipul cu temperatura maximă de 43 ordmC se pot răci pacircnă la temperatura necesară de 45 ordmC Pentru realizarea vidului necesar se folosesc două cazane de abur care produc 77 th fiecare
422 522 RĂCIREA INTERIOARĂ A MASIVULUI DE BETON
Prerăcirea betonului se recomandă icircn condiţiile unei zone tropicale sau temperate de amplasare a construcţiei masive nu se recomandă icircn cazul amplasării barajului icircn munţi unde temperatura aerului este scăzută Icircn asemenea situaţii se recomandă răcirea betonului prin conducte amplasate icircn masiv prin care circulă apă rece
La răcirea interioară cu conducte montate icircn beton are loc o eliminarea a căldurii simultan cu producerea ei icircn procesul de priză producacircndu-se şi o răcire pacircnă la temperatura necesară Pentru răcire se folosesc conducte de oţel cu diametre de 1525 mm montate la distanţe de 1223 m icircn plan orizontal şi de 153 m icircn plan vertical Lungimea conductelor icircntr-un m3 de beton este de 0204 şi a fiecărei serpentine de 140250 m
Debitul apei de răcire ce circulă prin 1 m3 de beton este de (0553) dm3h
Figura 422 Fig 522 Reţea de conducte de răcire a betonului icircn secţiunea unui baraj 1 - galerie pentru măsurători 2 - galerie de conducte de apă de răcire
Serpentinele se montează şi se fixează pe suprafaţă de beton (fig522) Capetele serpentinelor se leagă de o coloană verticală prin mufe metalice sau de cauciuc Diametrul distribuitorului şi al coloanei este cuprins icircntre 150200 mm După montaj aceste conducte se verifică la presiunea de lucru
1 2
Ax
a
ba
raju
lui
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
37
Figura 43 Fig 53 Instalaţia frigorifică cu răcire indirectă 1 - compresor 2 - condensator3 - ventil de laminare 4 - vaporizator 5 - bazin de răcire a saramurii 6
- agitator 7 - pompă de saramură 8 - sonde de icircngheţare
Ca agent frigorific se poate folosi amoniacul sau freonii iar ca agent intermediar se utilizează soluţiile de clorură de calciu clorura de sodiu sau magneziu sărurile respective fiind relativ uşor de procurat
Instalaţiile frigorifice cuprind unul sau mai multe blocuri frigorifice Acest mod de compunere prezintă avantaje icircn ceea ce priveşte montarea cacirct şi exploatarea instalaţiilor se poate asigura o reducere icircn trepte a puterii frigorifice pe măsură ce creşte rezistenţa termică a stratului de teren icircngheţat
Componentele principale ale instalaţiei frigorifice se montează grupat pe cele trei secţiuni secţia de compresoare secţia condensatoarelor şi secţia vaporizatoarelor De regulă compresoarele se montează fie icircn aer liber atunci cacircnd tipul lor permite fie acoperite sub şarpante protectoare
Pe măsură ce se scot din funcţiune blocurile frigorifice se demontează şi se pot monta la un nou obiectiv
b) Răcirea directă icircn circuit icircnchis (fig 54) se utilizează icircn cazul icircn care adacircncimea de icircngheţare este mică
Figura 44 Fig 54 Instalaţia frigorifică cu răcire directă icircn circuit icircnchis 1 - compresor 2 - condensator 3 - ventil de laminare 4 - sonde de icircngheţare
Sondele de icircngheţare constituie vaporizatorul instalaţiei frigorifice Icircn cazul unor sonde de lungime mare icircnălţimea coloanei de agent frigorific este de asemenea mare Ca urmare a presiunii hidrostatice variabile şi temperatura de vaporizare este variabilă fiind mai mare
1
2
1111111 Apă
3
4
1
2
Apă 3
4
5
6
7
8
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
38
la capătul inferior şi mai mică la capătul superior Din acest motiv adacircncimea sondelor de icircngheţare nu poate depăşi anumite limite şi icircn plus se recurge la fragmentarea coloanei de lichid cu ajutorul unor pereţi despărţitori
Pierderile de agent frigorific mai mari decacirct icircn cazul răcirii indirecte reprezintă un alt inconvenient al acestui mod de răcire
c) Răcirea directă icircn circuit deschis constă icircn introducerea agentului frigorific (cel mai frecvent azot lichid) icircn sondele de icircngheţare fără ca acesta să mai fie folosit după vaporizare
La presiunea atmosferică azotul lichid fierbe la temperatura de -196 ordmC icircncacirct vaporii reci de azot icircnainte de a fi evacuaţi se folosesc de asemenea pentru congelarea solului fiind circulaţi prin sonde de icircngheţare (Fig 55)
Figura 45 Fig 55 Icircngheţarea cu azot lichid icircn două trepte 1 - ventil de laminare 2 - sonda de icircngheţare 3 - sonda de icircngheţare cu vapori de azot
Această metodă se foloseşte cacircnd se urmăreşte o icircngheţare rapidă şi volumul de teren icircngheţat este redus
Se vor prezenta icircn continuare unele elemente constructive ale instalaţiilor de icircngheţare
Reţeaua de saramură (fig 56) are rolul de a asigura transferul de căldură de la sol către agentul frigorific Cuprinde două schimbătoare de căldură cel subteran alcătuit din sondele de icircngheţare şi cel de suprafaţă reprezentat de vaporizatorul imersat icircn saramură Icircntre cele două schimbătoare de căldură există conducte magistrale distribuitoare - colectoare şi racorduri la sonde
Saramura răcită prin intermediul vaporizatorului 1 este circulată cu pompa 2 prin magistrala de tur a reţelei 3 Sondele de icircngheţare 5 se leagă prin vane la distribuitorul 4 şi colectorul 6 ambele de construcţie inelară Printr-o asemenea construcţie şi mod de legare a sondelor prezentate icircn figura 56 se asigură o echilibrare a căderilor de presiune pe sondele de icircngheţare şi ca urmare o alimentare uniformă cu agent intermediar şi deci şi o răcire uniformă pentru toate sondele
1
2
AZOT LICHID
VAPORI
AZOT -40OC
3
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
39
Figura 46 Fig 56 Schema reţelei de saramură 1- vaporizatorul 2 - pompa de saramură 3 - magistrala de tur 4 - distribuitorul inelar 5 -sondele de
icircngheţare 6 - colectorul inelar 7 - magistrale de retur M - manometru D - debitmetru T - termometru
Magistralele 3 şi 7 de acelaşi diametru şi lungime variabilă (determinată de o serie de factori) se pot monta atacirct la suprafaţă cacirct şi icircn canal
Magistralele se dimensionează icircn funcţie de puterea frigorifică a schimbătorului de căldură subteran alcătuit din sondele de icircngheţare
F0 qNHd [W] (51)
unde d - diametrul exterior al sondei de icircngheţare m
H - adacircncimea de icircngheţare m
N - numărul de sonde de icircngheţare
qF - densitatea fluxului termic raportat la suprafaţa exterioară a sondei La temperatura saramurii de - 20 ordmC se poate considera qF = (260290) Wm2
Debitul volumic V de agent intermediar icircn reţeaua de icircngheţare icircn funcţie de care se aleg
pompele se determină cu relaţia
tc
V o
(52)
icircn care este densitatea agentului intermediar kgm3
c - căldura specifică a agentului intermediar JkgK
t - creşterea temperaturii agentului (saramura) icircn sondele de icircngheţare K
La icircnceputul perioadei de răcire diferenţa de temperatură este t = 56 K ca apoi să scadă la 12 K
Icircn conductele magistrale se recomandă ca viteza saramurii să fie w = 0915ms
Icircn acest caz diametrul conductelor de transport a saramurii este dat de relaţia
w
V4D
[m] (53)
Icircn funcţie de valoarea determinată pentru D se aleg conducte metalice de diametru nominal cuprins icircntre 75200 mm Dacă rezultă D gt 200 mm se vor alege două conducte cu diametrul mai mic de 200 mm
2
T
T
M
M D
D
NH
3
3
4
6
5
7
1
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
40
Conductele magistrale se realizează prin icircmbinări cu flanşe sau sudate iar la lungimi mai mari de 100150 m se vor prevedea coturi compensatoare Pentru reducerea pierderilor de frig magistralele vor fi izolate termic
Distribuitorul de saramură răcită şi colectorul de saramură de la sonde sunt construcţii metalice identice
Icircn figura 57 se prezintă modul de racordare a sondelor de icircngheţare 5 la distribuitorul 1 şi colectorul 2 Vanele 3 asigură icircnchiderea deci oprirea circulaţiei şi reglajul debitului Prin aceste vane se poate izola o anumită sondă care nu funcţionează normal sau la care se observă o anumită defecţiune
Figura 47 Fig 57 Racordarea sondelor de icircngheţare la distribuitor şi colector 1 - distribuitor 2 - colector 3 - vane 4 - racord elastic 5 - sonda de icircngheţare
Poziţia distribuitorului şi colectorului faţă de racircndul sondelor de icircngheţare poate fi laterală de o singură parte sau laterală de ambele părţi ale sondelor Amplasamentul trebuie astfel făcut icircncacirct să fie posibilă vizitarea supravegherea şi eventual icircnlocuirea sondelor de icircngheţare
Racordarea sondelor la distribuitor şi colector se face prin cacircte un racord elastic (fig 57) Dimensionarea distribuitoarelor şi a colectoarelor se face din condiţia ca viteza saramurii să nu depăşească 0915 ms
Coloanele de distribuţie şi colectare urmăresc icircn teren forma şirului de sonde de icircngheţare şi pot avea acelaşi traseu sau trasee diferite Configuraţia traseului poate fi icircn linie sau circulară Icircn oricare din situaţiile prezentate distanţele dintre ştuţurile de racord şi sondele de icircngheţare sunt variabile astfel icircncacirct racordurile rigide prin flanşe şi sudură sunt greu de realizat Cea mai practică soluţie de racord icircn acest caz este furtunul de cauciuc (fig 57)
Icircn reţeaua de saramură poate pătrunde aer prin procesul de pompare ceea ce conduce la intensificarea acţiunii corosive a saramurii Icircn scopul icircndepărtării aerului nedorit pe partea superioară a conductelor icircn punctele cele mai ridicate ale acestora se montează robineţi de evacuare periodică a aerului şi eventual a altor gaze
Pe conductele magistrale se vor monta aparate de măsură şi control debitmetre termometre şi manometre (fig 56) Icircn acest caz se poate aprecia funcţionarea fiecărei sonde după depunerile exterioare de gheaţă pe racordul metalic sau de cauciuc lăsate neizolate termic tocmai icircn acest scop Icircn scopul urmăririi regimului de lucru sub aspect
5
4
1
2 3
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
41
hidraulic şi termic icircn mod individual se pot monta aparate de măsură şi control pe fiecare sondă de icircngheţare dar această soluţie este mai costisitoare
Sonda de icircngheţare realizează transferul de căldură de la terenul ce urmează a fi icircngheţat spre agentul frigorific (la răcirea directă) sau agentul intermediar (la răcirea indirectă)
Icircn figura 51 s-a prezentat schema de principiu a unei sonde de icircngheţare cu saramură activă pe toată lungimea Conducta exterioară sau burlanul de icircngheţare 3 este o conductă din oţel etanşă şi rezistentă la eforturile mecanice care apar datorită presiunii solului şi variaţiei de temperatură icircntre momentul fixării ei icircn sol şi cel al funcţionării la o temperatura sub 00C
Icircn procesul de icircngheţare coloana de burlane care poate atinge lungimi de sute de metri se contractă icircnsă nu liber deoarece ea este stracircnsă icircn masivul de roci La o variaţie de temperatură icircntre momentul iniţial (fără saramură) şi momentul pornirii circulaţiei de saramură de 400C conducta din oţel de 500 m adacircncime ar trebui să se contracte cu
tHH = 500 11 10-6 40 = 0220 m = 22 cm
Datorită fixării coloanei icircn gaura forată efortul unitar de icircntindere ce apare icircn urma scăderii temperaturii este
tE = 22 1010 11 10-10 40 = 968 105 Nm2 = 9680 Ncm2
La acest efort de icircntindere apărut datorită contracţiei coloanei se mai adaugă efortul de acelaşi semn provocat de dilatarea masivului de rocă acviferă icircngheţată Icircn scopul compensării eforturilor de icircntindere s-a propus icircmbinarea coloanei cu nipluri elastice O asemenea soluţie este mai scumpă şi icircn plus micşorează secţiunea liberă de curgere ceea ce conduce la icircncălzirea excedentară a saramurii
La lucrări subterane de mare adacircncime ca puţurile de mină depozite subterane se folosesc burlane de 1397 x 7 mm pentru a fi posibilă determinarea abaterii de la poziţie verticală
La tunelurile de metrou şi icircn general la lucrările la care adacircncimea de icircngheţare nu depăşeşte 50 - 60 m diametrul cel mai frecvent utilizat este 1143 x 7 mm
Ţeava interioară 2 (fig 51) numită şi tub de alimentare de regulă ţeava uşoară de instalaţii de 50 mm diametrul se introduce icircn burlanul exterior 3 fără icircnsă a atinge şiul de bază 1 al sondei Se asigură icircn acest mod un volum minimal de depuneri solide care circulă cu saramura icircn mod incidental Icircn scopul economisirii de metal tubul de alimentare poate fi din material plastic ceea ce prezintă marele avantaj al lipsei coroziunii şi al refolosirii materialului respectiv
Şiul de fund are rolul de a asigura icircnchiderea burlanului exterior icircn partea sa inferioară Cel mai adesea are formă conică pentru a asigura introducerea cu uşurinţă a coloanei metalice icircn gaura de sondă Această componentă a sondei de icircngheţare se execută fie prin turnare sau se confecţionează cu ajutorul sudurii
Corespunzător profilului geologic al terenului icircn care se lucrează se icircntacirclnesc şi cazuri cacircnd nu este nevoie să se icircngheţe terenul pe toată icircnălţimea sondelor ci numai la partea lor inferioară Icircn acest caz se folosesc sonde de icircngheţare zonală (fig 58) cu ajutorul cărora se asigură congelarea doar a zonei inferioare ceea ce prezintă avantaje economice deosebite nu se consumă energie pentru a icircngheţa icircn mod inutil formaţiuni geologice consistente şi uscate şi nu se reduce ritmul lucrărilor de săpare printr-o eventuală mărire a rezistenţei rocilor
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
42
Figura 48 Fig 58 Sonda de icircngheţare zonală
1 - burlan exterior 2 - tub de alimentare 3 - şiu 4 - tub de evacuare
Figura 49 Fig59 - Sonda de icircngheţare cu agent
frigorific 1 - tub exterior 2 - perete despărţitor 3 - şiu 4 -
ştuţ (ţeavă de preaplin) 5 - condensator - vaporizator
Icircn cazul răcirii directe sondele de icircngheţare cu agent frigorific sunt de construcţie specială (fig 59) Particularitatea acestor sonde este prezenţa pereţilor despărţitori 2 dispuşi unul sub celălalt la circa 3 m fiecare perete fiind prevăzut cu un ştuţ de preaplin O asemenea construcţie are rolul de a fracţiona coloane de lichid ceea ce asigură o răcire mai uniformă pe lungimea sondei
Fiecare sondă este prevăzută la partea superioară cu cacircte o cămaşă de răcire Sondele se umplu cu amoniac lichid icircntr-o asemenea cantitate icircncacirct fiecare secţie să fie icircnecată cu lichid respectiv pacircnă la partea superioară a ştuţurilor 4 Ca urmare a fluxurilor de căldură de la sol se produce fierberea amoniacului icircn toate secţiile sondei Vaporii formaţi se ridică prin ştuţurile 4 şi ajungacircnd la partea superioară a sondei se condensează cedacircnd căldură agentului (amoniac) din cămăşile de răcire
Ca urmare cămăşile de răcire de la partea superioară a sondelor constituie vaporizatorul instalaţiei frigorifice Amoniacul care se condensează la partea superioară a sondei curge icircnapoi (de sus icircn jos) prin ştuţurile 4 Folosirea pereţilor despărţitori şi a ştuţurilor micşorează influenţa presiunii hidrostatice a lichidului asupra temperaturii de vaporizare a amoniacului Asemenea sonde de icircngheţare se folosesc pentru lucrări de mică adacircncime
Amplasarea sondelor se face icircn funcţie de o serie de factori formă poziţia şi dimensiunile lucrării care se realizează structura terenului temperatura şi viteza agentului etc
Icircn cazul puţurilor de mină de secţiune circulară sondele se amplasează pe un cerc
concentric de diametru D mai mare decacirct diametrul de săpare Ds cu grosimea a peretelui icircngheţat
sDD (54)
Trebuie să se ţină seama şi de deviaţia sondelor de la poziţia verticală icircncacirct pentru adacircncimi mari se utilizează relaţia
3
2 4
1
VAPORI 5 LICHID
3
2
4 1
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
43
a21DD s (55)
unde a = 003 H este abaterea medie statistică de la verticală a sondelor
Distanţa dintre sonde se ia de obicei de 1014 m icircn terenuri rezistente şi de 0809 m icircn terenuri slabe
Pentru adacircncimi de peste 500 m se recomandă să se dispună sondele pe două cercuri concentrice pentru a se forma un perete de grosime mai mare şi deci mai rezistent
La icircngheţarea terenului icircn jurul puţurilor de secţiune dreptunghiulară sondele se pot dispune pe dreptunghi sau elipsă Icircn aceste situaţii centura de teren icircngheţat poate fi solicitată la icircntindere ceea ce este de nedorit deoarece limita de rezistenţa la icircntindere a terenurilor icircngheţate este de circa 3 ori mai mică decacirct limita rezistenţei la compresiune Din acest motiv chiar şi la puţurile de mină de secţiune dreptunghiulară sondele se dispun pe unul sau două cercuri (fig 510)
Pentru realizarea galeriilor icircnclinate icircngheţarea terenului se realizează cu sonde verticale (fig 511) sau combinat atacirct cu sonde verticale cacirct şi cu sonde icircnclinate (fig 512)
Distanţa dintre sondele verticale (fig 511) se ia de 23 m iar distanţa dintre racircnduri este de 1525 m
Se poate folosi cacircte un racircnd de sonde icircnclinate montate deasupra galeriei (fig 212 a) sau sonde icircnclinate sub galerie şi sonde verticale scurte deasupra galeriei (fig 512 b)
SONDA
154 m
16
6 m
226
262
85
SONDA
Figura 411 Fig 511 Amplasarea sondelor verticale pentru realizarea galeriei icircnclinate
Figura 411 Fig 510 Dispunerea sondelor icircn jurul puţurilor de mină de secţiune
dreptunghiulară
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
44
Figura 412 Fig 512 Realizarea galeriilor icircnclinate cu sonde verticale (1) şi sonde oblice (2)
I - secţiunea longitudinală II - secţiunea transversală a) sonde icircnclinate deasupra galeriei b) sonde icircnclinate sub galerie
413 513 UTILIZAREA METODEI DE IcircNGHEŢARE A SOLULUI IcircN ŢARA NOASTRĂ
a)Puţuri de mină
Aplicarea metodei de icircngheţare a solului pentru lucrări de minerit a avut loc la noi icircn ţară icircncepacircnd cu anul 1960 la puţul Godeni din bazinul carbonifer Cacircmpulung - Muscel Proiectul a fost elaborat icircn anul 1959 la IPROMIN Bucureşti iar lucrarea a fost executată cu Trustul Minier Argeş avacircnd icircn subantrepriză de specialitate Icircntreprinderea Frigotehnica Bucureşti şi Trustul de prospecţiuni explorări şi deschideri de mine noi Bucureşti
Adacircncimea de săpare a puţului Godeni a trebuit sa fie de 202 m Sondele de icircngheţare constituite din două ţevi concentrice (fig 51) cu diametrele exterioare de 146 mm şi respectiv 57 mm icircn număr de 27 au fost amplasate pe un cerc cu diametrul de 10 m la distanţa de 117 m una de alta
Instalaţia frigorifică a fost dimensionată cu mare precauţie pentru a avea o siguranţă mărită icircn funcţionarea ei Toate părţile componente ale instalaţiei frigorifice au fost proiectate şi executate icircn ţară
La proiectarea instalaţiei s-a avut icircn vedere funcţionarea de scurtă durată şi variaţia puterii frigorifice icircn timp S-a utilizat răcirea indirectă cu soluţie de clorură de calciu iar ca agent frigorific a fost folosit amoniacul Pentru a avea elasticitatea necesară icircn funcţionare la diferite puteri frigorifice au fost folosite grupuri de utilaje frigorifice şi anume
6 compresoare 4 AU - 20 (200000 kcal Nh =233 kW fiecare)
3 baterii de condensatoare atmosferice a cacircte 300 m2 (900 m2)
bazine pentru răcirea saramurii fiecare cu cacircte 2 vaporizatoare superintensive de 50 m2 (600 m2)
2 grupuri a cacircte 5 pompe pentru recircularea saramurii
Puterea frigorifică a instalaţiei montate a fost de 12106 kcal Nh =1395 kW şi s-a caracterizat prin următoarele date tehnice la exploatare
85
1
2
I 85
1
2
I
85
1
2
II
85
1
2 II
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
45
o suprafaţa de schimb de căldură a sondelor 2500 m2 o puterea instalaţiei 750 kW o debitul saramurii icircn
o icircn perioada activă 350 m3h o icircn perioada pasivă 70 m3h
o viteza de circulaţie a saramurii icircn sondă o tur 18 ms 036 ms o retur 029 ms 006 ms
o volumul rocilor icircngheţate circa 10000 m3 o consumul specific de frig mediu 50000 m3 o durata icircngheţării (perioada activă) 130 zile
Icircn timpul răcirii şi deci a icircngheţării solului puterea frigorifică scade icircn mod continuu icircncacirct treptat s-a scos din funcţiune cacircte un compresor icircn perioada pasivă (de săpare a puţului) s-a menţinut icircn lucru doar un singur compresor şi grupul de utilaje aferent
După terminarea lucrărilor de la puţul Godeni icircn anii următori aceeaşi instalaţie s-a montat la puţul Poenari din acelaşi bazin carbonifer unde sondele au fost amplasate pe un cerc cu diametrul de 11 m la distanţa de 128 m una de alta
Un alt puţ realizat prin această tehnologie de icircngheţare a solului a fost puţul Jugur de la acelaşi bazin carbonifer Centrala frigorifică a cuprins 15 compresoare 3 AV - 20 (150000 kcal Nh fiecare=175kW) repartizate icircn 5 linii tehnologice independente cu icircntreg utilajul aferent Fiecare linie este compusă din
o butelie de răcire intermediară BRI - 700 un condensator cu evaporare forţată CEF - 180 un bazin cu patru grupuri vaporizatoare intensive de cacircte 165 m2 (icircn total 66 m2)
Sondele de icircngheţare icircn număr de 27 bucăţi au fost prevăzute să se amplaseze pe un cerc cu diametrul de 104 m la distanţă de 121 m Sondele sunt de tipul celei indicată icircn figura 58 deci cu răcire zonală avacircnd următoarele caracteristici diametrul exterior al burlanului este de 146 mm iar tuburile interioare au 57 mm (la exterior) tubul de alimentare are lungimea de 430 m iar cel de evacuare este de 220 m Ca urmare sondele de icircngheţare trebuie să producă icircngheţarea solului numai pe adacircncimea de la 220 m la 430 m Prin proiect s-au prevăzut următoarele date temperatura saramurii - 35 ordmC viteza saramurii icircn conducte de tur 18 ms viteza icircn conducte de retur (pe adacircncimea de răcit) 06 ms durata icircngheţării (perioada activă) a fost de 75 zile
Au fost prevăzute temperaturi scăzute şi viteze mari de congelare deoarece cilindrul icircngheţat trebuie să preia presiuni de pacircnă la 56 bar
b)Tunelurile pentru metroul din Bucureşti
Icircncepacircnd cu anul 1976 pentru realizarea metroului din Bucureşti s-a procedat la aplicarea metodei de icircngheţare a solului icircntr-o zonă considerată experimentală dar cu realizări efective de galerii
Prin proiect s-a prevăzut consolidarea prin icircngheţare artificială a profilului de săpare a tunelurilor de metrou pe o lungime de circa 550 m pe ambele fire Amplasamentul sondelor s-a făcut icircn două variante (pentru experimentare) pentru un fir de tunel ambele racircnduri de sonde s-au fixat icircn profilul circular de săpare iar pentru cel de al doilea fir de tunel sondele au fost forate icircn afara profilului de icircnaintare (fig 513) Au fost folosite sonde cu saramură cu posibilitatea de icircngheţare pe toată icircnălţimea de 16 m cacirct şi sonde cu icircngheţare zonală icircntre adacircncimile de 7 m şi 16 m Distanţa dintre sonde a fost fixată la 14 m
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
46
Pentru a se icircmpiedica accesul apelor icircn frontul de săpare datorate unor eventuale zone neicircngheţate traseul de tunel icircngheţat a fost icircmpărţit icircn incinte icircnchise prin timpane transversale La distanţe de 3050 m icircn lungul traseului au fost montate sonde de icircngheţare aşezate icircn plan normal pe axul tunelului prin care să se icircnchidă accesul apelor spre frontul de săpare
Echipamentul frigorific principal cuprinde
- 8 compresoare frigorifice 3 AV - 20 funcţionacircnd icircntr-o treaptă pentru care
corespunde puterea frigorifică de 12 106 kcal Nh =1395 kW
- 4 condensatoare de evaporare forţată CEF - 250
- 3 bazine de răcire a saramurii echipate cu cacircte 4 grupuri de vaporizatoare superintensive de cacircte 51 m2 (total 612 m2)
- 3 grupuri de cacircte 2 pompe a 220 m3h pentru circulaţia saramurii pe traseele de distribuţie şi prin sonde
Figura 413 Fig513 Amplasamentul sondelor de icircngheţare
Centrala frigorifică este stabilă adăpostită icircntr-o baracă metalică demontabilă existacircnd posibilitatea de reamplasare rapidă a instalaţiei icircntr-un alt loc Agentul frigorific utilizat este amoniacul iar agentul intermediar este clorura de calciu
Icircn perioada principală de icircngheţare temperatura de vaporizare este to = -22 ordmC asiguracircnd răcirea saramurii la -17 ordmC iar pe retur saramura a avut temperatura cu 15 ordmC mai ridicată
La o asemenea lucrare realizată icircn oraş se impune protejarea contra icircngheţului a straturilor de deasupra galeriilor icircn care sunt amplasate instalaţiile de apă - canal ceea ce presupune folosirea sondelor cu icircngheţare zonală care să nu fie active la partea superioară
c) Puţuri pentru prospectarea balastierelor
Procedeul şi instalaţia frigorifică au avut caracter de noutate şi s-a aplicat icircncepacircnd cu anul 1966 la mai multe obiective icircn general pe văile racircurilor unde s-au construit hidrocentrale
A
A B
B
A-A
000 -300 -700 -1061 -1300
65
800
B-B
000 -300 -700 -1061 -1300
65
550
ARGILA
ARGILA
NISIP
NISIP
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
47
Echipamentul frigorific principal cuprinde un agregat frigorific pentru amoniac de 20000 kcal Nh = 233 kW rezervor de amoniac separator de lichid şi anexe - toate fiind montate pe o remorcă
S-au folosit sonde de icircngheţare cu agent frigorific icircn număr de 8 bucăţi cu diametrul exterior de 133 mm montate pe un cerc cu diametrul de 2 m la distanţa de 076 m lungimea lor fiind de 75 m Legarea sondelor la distribuitor şi colector s-a făcut cu racorduri flexibile
Sondele au o construcţie specială fiind prevăzute cu 4 pereţi transversali cu ştuţuri de preaplin formacircndu-se astfel 5 compartimente Agentul lichid se introduce icircn compartimentul cel mai de sus şi se scurge prin ştuţuri pacircnă la baza sondei Conducta de aspiraţie străbate toate compartimentele vaporii fiind aspiraţi din compartimentul cel mai de jos Circulaţia vaporilor formaţi se face ca şi a lichidului de sus icircn jos obţinacircndu-se astfel o răcire uniformă şi eficientă pe toată icircnălţimea sondei
Durata icircngheţării respectiv a formării centurii de teren icircngheţat la adăpostul căreia să se poată efectua săparea şi preluarea de probe de sol este de 10 zile
414 514 CAcircMPUL DE TEMPERATURĂ IcircN SOLUL IcircNGHEŢAT
Cacircnd prin sonda de icircngheţare circulă saramură a cărei temperatura este sub 0 ordmC practic - 20 ordmC-25 ordmC icircn jurul sondei se formează un cacircmp termic care icircn cazul unei singure sonde poate fi reprezentat prin suprafeţe cilindrice coaxiale de temperatură constantă (izoterme)
După distanţa radială se deosebesc icircn sol din punct de vedere termic trei zone zona cilindrică din imediata vecinătate a sondei care este icircn zona icircngheţată zona răcită cuprinsă icircntre suprafaţa cilindrică izotermă de 0 ordmC şi izoterma de temperatură naturală şi a treia zonă cea de temperatura naturală (fig 514)
Icircn zona icircngheţată temperatura masivului variază de la temperatura peretelui metalic al sondei pacircnă la 0 ordmC Icircn zona răcită temperatura masivului creşte de la 0 ordmC pacircnă la temperatura naturală a masivului
Figura 414 Fig 514 Cacircmpul de temperatură icircn jurul unei sonde de icircngheţare
Este important să se cunoască cacircmpul termic icircn terenul supus icircngheţării deoarece acesta oferă date privind zona de răspacircndire a consolidării rocilor prin solidificarea apei cacirct şi a
t [oC]
r [m]
t (r)
ZONA RACITA
ZONA INGHETAT
A
ts TEMPERATURA NATURALA A ROCII
-20
-10
40
10 0 20 30
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
48
rezistenţei mecanice a rocii icircngheţate Se cunoaşte faptul că rezistenţa mecanică depinde direct de temperatură
Studiul variaţiei temperaturii icircn zona de influenţă a unei sonde şi a tuturor sondelor simultan oferă posibilitatea calculării dimensiunilor la proiectarea construcţiei peretelui protector cacirct şi controlul procesului icircn timpul desfăşurării lucrărilor
Pentru a se stabili relaţia de variaţie a temperaturii icircn zona icircngheţată icircn funcţie de raza r se consideră ecuaţia diferenţială
dr
dtr2q (56)
icircn care q este fluxul unitar de căldură corespunzător lungimii de 1 m din sonda de icircngheţare Wm
- conductivitatea termica a terenului Wm
Integrarea directă a ecuaţiei analitice se poate face icircn ipoteze simplificatoare consideracircnd
= const şi q = const ceea ce este justificat la valori mari ale timpului de răcire
Se separa variabilele
r
dr
2
qdt
(57)
Se consideră cunoscute temperaturile t1 la suprafaţa sondei de raza r1 și t2 = 0 ordmC la raza r2 corespunzătoare suprafeţei exterioare a cilindrului icircngheţat Se integrează ecuaţia (6-7) și cunoscacircnd limitele de integrare se va determina constanta de integrare
Cr ln2
qt
(58)
pentru r = r1 t = t1 deci
11 rln2
qtC
(59)
1
1r
rln
2
qtt
(510)
Se pune condiţia ca pentru r = r2 t = t2
1
212
r
rln
2
qtt
(511)
Se elimina q intre relaţiile (510) și (511) şi se obţine
1
2
1121
r
rln
r
rln
tttt (512)
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
49
Figura 415 Fig 515 Schema schimbătorului de căldură subteran
Pentru t2 = 0 ordmC relaţia (5-12) devine
)rrln(
)rrln(tt
12
21 (513)
Icircn figura 515 se prezintă o secţiune axială printr-o sondă de icircngheţare şi variaţia temperaturii icircn limitele t0 - temperatura agentului de răcire şi ts - temperatura naturală a solului
Cantitatea de căldură transferată de la masivul neicircngheţat spre agentul de răcire prin unitatea de lungimea de conducta şi unitatea de timp se calculează cu expresia
221
2
1o
1
moo
os
d
1
d
dln
1
d
dln
2
1
d
1
ttq
(514)
Icircn calculele inginereşti cel mai frecvent se determină nu fluxul termic pe unitatea de lungime a conductei ci fluxul termic qF raportat la unitatea de suprafaţă a conductei metalice la 1 m2 de suprafaţa exterioară sau interioară Mărimea qF se calculează astfel
22
o
1
2
1
o
o
1
m
o
o
oS
o
F
d
d
d
dln
2
d
d
dln
2
d1
tt
d
(515)
Fluxul termic qF prin unitatea de suprafaţă a sondei de icircngheţare calculat pentru adacircncimea de 100 m icircn regim laminar de curgere a agentului de răcire prin spaţiul inelar al sondei cu viteza w = 01 ms la diametre ale cilindrului de rocă icircngheţata
de la 02 la 3 m pentru to = -20 ordmC do = 01 m 1 = 233 WmK variază de la 720 la 230 Wm2 aşa cum se poate observa din figura 516 şi tabelul 51
d2
d1
d0
t
qF
t0
t2
t1 2
m 1
m
ts
Conducta Teren icircngheţat Teren
neicircngheţat
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
50
Figura 416 Fig 516 Variaţia fluxului termic qF prin unitatea de suprafaţă a sondei de icircngheţare 1 - regim turbulent 2 regim laminar
Tabelul 51Variaţia fluxului termic qF [Wm2]
Diametrul cilindrului de rocă icircngheţată icircn m
02 04 05 08 10 15 20
qF regim laminar 1160 550 387 330 302
qF regim laminar 720 465 423 350 321 283 258
Se observă ca densitatea fluxului de căldura qF scade foarte mult de la 800900 Wm2 la icircnceputul operaţiei de consolidare prin frig a rocilor pacircnă la 230250 Wm2 cacircnd cilindrul de rocă icircngheţata atinge diametrul de 23 m Ca urmare a acestei situaţii şi puterea frigorifică a instalaţiei va scădea icircn decursul a 6080 zile tot cu raportul de 800230 = 35
Instalaţia frigorifică va fi constituită din grupuri de utilaje (module) ce vor fi scoase treptat din funcţiune pe măsură ce se reduce densitatea fluxului de căldură qF ca urmare a creşterii grosimii stratului de teren icircngheţat Icircn practică pentru calcule se va considera qF = (260290) Wm2
O mărime importanta pentru proiectarea instalaţiei şi aprecierea procesului de consolidare a rocilor este timpul de icircngheţare Pentru calculul duratei de icircngheţare se pot folosi relaţiile prezentate icircn capitolul 3 la formarea gheţii pe suprafeţe cilindrice exterioare La aprecierea valorii pentru ls - căldura latentă de solidificare se avea icircn vedere conţinutul de apă din terenul supus icircngheţării
Dacă icircntre relaţiile pentru dependenţele (r) şi qF(r) se elimină r se obţine dependenţa
qF() Eliminarea nu se poate face direct ci fie cu ajutorul calculatorului fie printr-o construcţie grafică prezentată icircn figura 517
Studiul variaţiei temperaturii icircn solul icircngheţat cacirct și variaţia icircn timp a densităţii fluxului de căldura se poate face cu ajutorul calculatorului electronic
1200
1000
800
600
400
200
0 05 1 15 2 25 3
qF [Wm2]
Diametrul cilindrului de rocă icircngheţată [m]
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
51
Figura 417 Fig 517 Stabilirea dependentei qF() pe baza dependentelor qF(r) și (r)
415 515 ELEMENTE DE PROIECTARE A INSTALAŢIEI FRIGORIFICE PENTRU IcircNGHEŢAREA SOLULUI
Pentru proiectarea instalaţiei frigorifice trebuie sa se stabilească la icircnceput elementele de baza și anume
- puterea frigorifică maximă care apare la icircnceputul perioadei de răcire cacircnd pătrunderile de căldura spre agentul de răcire din sondele de icircngheţare au valori mai mari temperatura de vaporizare a agentului frigorific plecacircnd de la temperatura minimă sau medie din solul icircngheţat şi avacircnd icircn vedere modul de răcire directă sau indirectă
Se calculează cantitatea totală de căldură ce trebuie extrasă din terenul supus răcirii şi icircngheţării Se cunoaşte structura terenului icircngheţat deci se cunosc icircnălţimile h1 h2hn ale diferitelor straturi componente cacirct şi proprietăţile termofizice ale acestora
Grosimea centurii de teren icircngheţat se stabileşte icircn urma calculelor de rezistenţa materialelor icircncacirct se pot calcula volumele ocupate de straturile componente V1 V2Vn
Cantitatea de căldură ce trebuie extrasă din zona icircngheţată cuprinde două componente și anume
cantitatea de căldura Qa corespunzătoare răcirii şi icircngheţării apei
cantitatea de căldura Qt necesara răcirii părţii solide a terenului
n
1kfgsikaakka tcltcVQ (516)
unde
k - reprezintă conţinutul icircn apă din stratul respectiv [m3m3]
a - densitatea apei [kgm3]
ca cg - căldura specifica a apei respectiv a gheţii Jkg K
tik - temperatura iniţiala a stratului respectiv (de ordinul k)
tf - temperatura medie finala a masivului icircngheţat
ls - căldura latentă de solidificare a apei
r
q
q
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
52
fik
n
1kkkkkt ttc1VQ
(517)
k - densitatea părţii de teren solid (uscat) din stratul k
ck - căldura specifică a terenului uscat din stratul k
Cantitatea de căldură extrasă din terenul răcit reprezintă circa 1018 din cantitatea de căldură extrasă din zona de teren icircngheţat
Deci cantitatea totală de căldură Q ce va trebui preluată de către instalaţia frigorifică se poate aprecia astfel
Q = (110118) (Qa + Qt) (518)
Cu relaţia (51) se calculează puterea frigorifica a instalaţiei adoptacircnd o valoare medie pentru densitatea fluxului de căldura qF
Se poate aprecia timpul de funcţionare a instalaţiei frigorifice
o
Q
(519)
La anumite grosimi ale cochiliei de teren icircngheţat icircn jurul sondei densitatea fluxului termic scade sub valoarea medie adoptată icircn calcule şi ca urmare icircncepacircnd de la acest moment se va putea reduce treptat puterea frigorifica a instalaţiei prin scoaterea din funcţiune a unor grupuri
La proiectare se pot avea icircn vedere unele recomandări practice pentru stabilirea necesarului de frig pentru icircngheţarea unui m3 la -10 ordmC este necesar un consum specific de frig de 66000 kJ la 10 umiditate de 155000 kJ la 35 umiditate și de 210000 kJ la 50 umiditate
42 52 RĂCIREA BETONULUI LA CONSTRUCŢIILE MASIVE
421 521 INSTALAŢII DE PRERĂCIRE A COMPONENTELOR BETONULUI
Formarea betonului din elementele sale componente (nisip pietriş ciment şi apă) este icircnsoţită de fenomene fizico - chimice icircn care se degajă căldură şi ca urmare temperatura acestuia creşte Icircn cazul unor masive din beton (baraje) dacă viteza de turnare (icircn sezonul cald cacircnd se efectuază construcţia) este mai mare şi nu se asigura evacuarea căldurii corpul rezultă la o temperatura medie mai mare decacirct temperatura medie anuală Răcirea naturală conduce la contracţia masivului şi ca urmare la apariţia sub acţiunea tensiunilor interne a unor fisuri
Pentru ca variaţiile de temperatura icircntre centrul barajului şi straturile exterioare să fie cacirct mai mici se impune ca masivul respectiv să fie turnat la temperatura medie anuală a zonei respective Icircn acest scop se pot folosi două metode prin prerăcirea componentelor betonului și prin răcirea masei barajului
Icircn vederea reducerii căldurii degajată icircn reacţia dintre ciment şi apă au fost realizate sortimente de ciment caracterizate prin călduri masice reduse ce se degajă icircn procesul de priză
Prin prerăcirea componentelor betonului se urmăreşte ca betonul sa aibă temperatura medie a locului de amplasament şi prin aceasta evitarea apariţiei unor diferenţe mari de temperatură ce pun icircn pericol construcţia
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
53
Icircn funcţie de valoarea diferenţei de temperatură care trebuie realizată se poate adopta o anumită schemă de răcire pentru fiecare component icircn parte sau numai pentru unele din aceste părţi componente
Se pot folosi instalaţii frigorifice cu comprimare mecanică de vapori pentru răcirea apei a aerului sau formarea gheţii mărunte utilizate la prerăcirea componentelor betonului Folosirea gheţii fulgi sau solzi este limitată atacirct din cauza conţinutului de apă impus cacirct şi ca urmare a pericolului ca gheaţa să nu se topească icircn procesul de malaxare ci la turnare sau icircn procesul de priză ceea ce duce la formarea de goluri icircn beton
De asemenea se pot folosi instalaţiile frigorifice cu ejecţie
Icircn vederea stabilirii necesarului de frig pentru preratildecirea componentelor betonului se calculează mai icircntacirci cantitatea de catildelduratilde Qo1 ce trebuie evacuatatilde dintr-un m3 de beton avacircndu-se icircn vedere proporţiile icircn care participatilde cimentul nisipul pietrişul şi apa Fiecare component are o temperatură iniţialatilde şi urmeazatilde a fi răcit pacircnatilde la o temperatura finalatilde tf aceeaşi pentru toţi componenţii
fpppfnnnfccc1o ttcmttcmttcmQ
fnaanfpaapfaaa ttcmttcmttcm Jm3 (520)
unde
mc mn mp ma - masele de ciment nisip pietriş şi apă conţinute icircntr-un m3 de beton [kgm3]
cc cn cp cw - căldurile specifice masice ale cimentului nisipului pietrişului şi nisipul dintr-un m3 de beton [kgm3]
Puterea frigorifică se determină cu relaţia
3b1oo 10VQ [kW] (521)
icircn care bV reprezintă fluxul de betonare icircn m3s
Se prezintă icircn continuare cele mai folosite metode de prerăcire a componentelor betonului
4211 a) Instalaţie de prerăcire cu apă
Staţia de preparare a betonului este deservită de o instalaţie frigorifică cu comprimare mecanică de vapori care asigură răcirea apei
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
54
Figura 418 Fig 518 Schema de lucru a instalaţiei de prerăcire a betonului cu ajutorul apei 1 - ciment 2 - vagon nisip 3 - vagon pietris 4 - tancuri de răcire a pietrişului 5 - sită 6 - siloz de
nisip 7 - siloz de ciment 8 - rezervor de distribuţie 9 - răcitor de nisip 10 - răcitor de ciment 11 - răcitor de apă 12 - rezervor de apă răcită 13 - răcitor de apă 14 - instalaţie de prepararea betonului
I II III IV V - fazele de răcire a pietrişului
Icircn figura 518 se prezintă schema de lucru a unei asemenea instalaţii de prerăcire a betonului cu ajutorul apei folosită la construcţia barajului de la Detroit (SUA) Apa este răcită de la 16 la 15 ordmC şi transmisă apoi la instalaţia de preparare a betonului şi icircn cinci rezervoare a cacircte 90 m3 fiecare icircn care se răceşte pietrişul
Procesul de răcire a pietrişului cuprinde cinci faze
- faza I - introducerea apei icircn rezervor 10 minute
- fazele II şi III - introducerea simultană a apei şi a pietrişului 50 minute
- faza IV - evacuarea apei 15 minute
- faza V - evacuarea pietrişului 15 minute
Icircntregul proces de răcire a pietrişului durează 90 minute Pentru răcirea cimentului şi nisipului se utilizează schimbătoare de căldură cu ax elicoidal la care apa de răcire circulă prin arborele gol şi prin manta
Rezervoarele 12 pentru apa răcită au fiecare volumul de 114 m3
Beton 635oC
190 m3h
65oC
24oC
18oC
1
2
3
4
5
6
7
8
10
9
11
12
13
14
Apă 16oC
15oC
Cim
en
t
26 l
h
Nis
ip 1
12
lh
10
oC
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
55
42111 Aplicaţie numerică
Să se calculeze puterea frigorifică necesară prerăcirii betonului prin metode şi condiţiile prezentate mai sus Se cunosc următoarele date de calcul
mp = 1700 kgm3 beton
mc = 135 kgm3 beton
mn = 590 kgm3 beton
ma = 60 kgm3 beton
cc = cn = cp = 921 Jkg K
ca = 4180 Jkg K
map = 16 kgm3 beton
man = 38 kgm3 beton
tp = 18 ordmC
tc = 66 ordmC
tn = 21 ordmC tf = 635 ordmC
052803000
190Vb m3s
Se calculează componentele cantităţii de căldură Q01
3fcccc 10741735666921135ttcmQ Jm3
3fnnnn 10796135621921590ttcmQ Jm3
3fpppp 1024018356189211700ttcmQ Jm3
3faaaa 10420235616418060ttcmQ Jm3
3fpaapap 1077935618418016ttcmQ Jm3
3fnaaan 10232735621418038ttcmQ Jm3
Rezulta
3anapapnc1o 1039144QQQQQQQ Jm3
3o 10 206705280103914410VQ 33
b1o kW
4212 b) Instalaţii de prerăcire cu aer apă
Pentru răcirea componentelor betonului se utilizează icircn acest caz fie apa fie aerul ca agenţi intermediari răciţi cu ajutorul instalaţiilor frigorifice
Icircn figura 519 se prezintă schema unei asemenea instalaţii folosită la construcţia barajului de la Sariyar din Turcia
Răcirea aerului se poate face fie direct prin vaporizarea unui agent frigorific fie indirect cu un agent intermediar de răcire ca de exemplu saramura de clorură de calciu Aerul răcit pacircnă la -6 ordmC este suflat icircn silozurile cu pietriş de dimensiuni icircntre 4150 mm
Apa răcită icircn bazinul la pacircnă la 05 ordm este trimisă din colectorul 12 la staţia de preparare a betonului servind la scăderea temperaturii acestuia
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
56
Figura 419 Fig 519 Schema instalaţiei de prerăcire a betonului cu aer şi apă 1 - compresor 2 - condensator 3 - ventile de laminare 4 - vaporizatoare 5 - bazin de răcire a
saramurii 6 - pompă de saramură 7 - răcitor umed de aer 8 - ventilatoare 9 - silozuri de pietriş 10 - bazin de răcire a apei 11 - pompă 12 - colector de apă răcită
Figura 420 Fig 520 Schema instalaţiei de prerăcire cu aer şi apă 1 - siloz de pietriş şi nisip 2 - siloz de ciment 3 rezervor de apă 4 - răcitor de aer 5 - răcitor de apă
4 - răcitor de apă 6 - buncăr de sortare 7 - instalaţie de preparare beton
Pentru intensificarea procesului de răcire a pietrişului aerul este răcit sub 0 ordmC Acest procedeu are avantajul unei funcţionări fără icircntrerupere a procesului de preparare a betonului dar prezintă şi o serie de dezavantaje debite foarte mari de aer de răcire posibilitatea antrenării particulelor fine de agregat icircn răcitorul de aer şi depunerea acestora pe suprafaţa de schimb de căldură Ca urmare instalaţia se va curăţa la circa 14 zile Icircn figura 520 se prezintă o altă schemă de instalaţie de prerăcire a betonului cu aer şi apă folosită la construcţia unui baraj din India
Apă
295oC
Ciment
433oC
Pietriş şi nisip
378oC
Apă 6oC
Ciment 433oC
Aer
Pietriş
45oC Nisip 222oC
22oC
Ap
ă
45
oC
Ap
ă 2
2o
C
Ae
r 5
5o
C
Be
ton
12
8o
C
Apă 22oC
2
1
3 4 5
8
9
5 7
12
1oC
11
05oC 9oC 9oC
-9oC
-10oC -10oC
-10oC 2oC
6oC
10 4 4 6
8 8
8
8 8
9 9 9 9
1
2
3 3
7
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
57
Pietrişul şi nisipul se separă icircntre ele icircn buncărul de sortare 6 şi apoi fiecare circulă pe cacircte o bandă transportoare prin camera de răcire 7 Pietrişul este răcit cu ajutorul apei
Fig
ura
42
1 F
ig 5
21
Sc
he
ma
in
sta
laţi
ei
de
ră
cir
e icirc
n v
id a
co
mp
on
en
telo
r b
eto
nu
lui
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
58
reci icircncacirct ajunge la o temperatură mai scăzută decacirct nisipul răcit cu aer Prin camera 7 se circulă şi aer rece care se introduce la temperatura de 55 ordmC Cimentul se introduce la instalaţia de preparare a betonului 9 fără a fi răcit
O altă posibilitate de prerăcire a agregatelor (pietriş şi nisip) şi a apei utilizată mai recent la construirea barajelor icircntrebuinţează răcirea icircn vid la care agregatele uşor umezite icircn recipiente sub presiune se răcesc după nevoie (prin reglarea vacuumului) la o temperatură mai scăzută sau mai ridicată Căldura necesară evaporării umidităţii de pe agregate şi din ele (apa legată) este luată chiar de la corpurile respective (pietriş nisip) şi ca urmare acestea se răcesc
O asemenea instalaţie utilizată la Hortwell icircn SUA (figura 521) cuprinde 3 recipienţi de cacircte 150 m3 pentru răcirea pietrişului şi 3 recipienţi de cacircte 80 m3 pentru răcirea nisipului
Pietrişul şi nisipul cu temperatura maximă de 43 ordmC se pot răci pacircnă la temperatura necesară de 45 ordmC Pentru realizarea vidului necesar se folosesc două cazane de abur care produc 77 th fiecare
422 522 RĂCIREA INTERIOARĂ A MASIVULUI DE BETON
Prerăcirea betonului se recomandă icircn condiţiile unei zone tropicale sau temperate de amplasare a construcţiei masive nu se recomandă icircn cazul amplasării barajului icircn munţi unde temperatura aerului este scăzută Icircn asemenea situaţii se recomandă răcirea betonului prin conducte amplasate icircn masiv prin care circulă apă rece
La răcirea interioară cu conducte montate icircn beton are loc o eliminarea a căldurii simultan cu producerea ei icircn procesul de priză producacircndu-se şi o răcire pacircnă la temperatura necesară Pentru răcire se folosesc conducte de oţel cu diametre de 1525 mm montate la distanţe de 1223 m icircn plan orizontal şi de 153 m icircn plan vertical Lungimea conductelor icircntr-un m3 de beton este de 0204 şi a fiecărei serpentine de 140250 m
Debitul apei de răcire ce circulă prin 1 m3 de beton este de (0553) dm3h
Figura 422 Fig 522 Reţea de conducte de răcire a betonului icircn secţiunea unui baraj 1 - galerie pentru măsurători 2 - galerie de conducte de apă de răcire
Serpentinele se montează şi se fixează pe suprafaţă de beton (fig522) Capetele serpentinelor se leagă de o coloană verticală prin mufe metalice sau de cauciuc Diametrul distribuitorului şi al coloanei este cuprins icircntre 150200 mm După montaj aceste conducte se verifică la presiunea de lucru
1 2
Ax
a
ba
raju
lui
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
38
la capătul inferior şi mai mică la capătul superior Din acest motiv adacircncimea sondelor de icircngheţare nu poate depăşi anumite limite şi icircn plus se recurge la fragmentarea coloanei de lichid cu ajutorul unor pereţi despărţitori
Pierderile de agent frigorific mai mari decacirct icircn cazul răcirii indirecte reprezintă un alt inconvenient al acestui mod de răcire
c) Răcirea directă icircn circuit deschis constă icircn introducerea agentului frigorific (cel mai frecvent azot lichid) icircn sondele de icircngheţare fără ca acesta să mai fie folosit după vaporizare
La presiunea atmosferică azotul lichid fierbe la temperatura de -196 ordmC icircncacirct vaporii reci de azot icircnainte de a fi evacuaţi se folosesc de asemenea pentru congelarea solului fiind circulaţi prin sonde de icircngheţare (Fig 55)
Figura 45 Fig 55 Icircngheţarea cu azot lichid icircn două trepte 1 - ventil de laminare 2 - sonda de icircngheţare 3 - sonda de icircngheţare cu vapori de azot
Această metodă se foloseşte cacircnd se urmăreşte o icircngheţare rapidă şi volumul de teren icircngheţat este redus
Se vor prezenta icircn continuare unele elemente constructive ale instalaţiilor de icircngheţare
Reţeaua de saramură (fig 56) are rolul de a asigura transferul de căldură de la sol către agentul frigorific Cuprinde două schimbătoare de căldură cel subteran alcătuit din sondele de icircngheţare şi cel de suprafaţă reprezentat de vaporizatorul imersat icircn saramură Icircntre cele două schimbătoare de căldură există conducte magistrale distribuitoare - colectoare şi racorduri la sonde
Saramura răcită prin intermediul vaporizatorului 1 este circulată cu pompa 2 prin magistrala de tur a reţelei 3 Sondele de icircngheţare 5 se leagă prin vane la distribuitorul 4 şi colectorul 6 ambele de construcţie inelară Printr-o asemenea construcţie şi mod de legare a sondelor prezentate icircn figura 56 se asigură o echilibrare a căderilor de presiune pe sondele de icircngheţare şi ca urmare o alimentare uniformă cu agent intermediar şi deci şi o răcire uniformă pentru toate sondele
1
2
AZOT LICHID
VAPORI
AZOT -40OC
3
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
39
Figura 46 Fig 56 Schema reţelei de saramură 1- vaporizatorul 2 - pompa de saramură 3 - magistrala de tur 4 - distribuitorul inelar 5 -sondele de
icircngheţare 6 - colectorul inelar 7 - magistrale de retur M - manometru D - debitmetru T - termometru
Magistralele 3 şi 7 de acelaşi diametru şi lungime variabilă (determinată de o serie de factori) se pot monta atacirct la suprafaţă cacirct şi icircn canal
Magistralele se dimensionează icircn funcţie de puterea frigorifică a schimbătorului de căldură subteran alcătuit din sondele de icircngheţare
F0 qNHd [W] (51)
unde d - diametrul exterior al sondei de icircngheţare m
H - adacircncimea de icircngheţare m
N - numărul de sonde de icircngheţare
qF - densitatea fluxului termic raportat la suprafaţa exterioară a sondei La temperatura saramurii de - 20 ordmC se poate considera qF = (260290) Wm2
Debitul volumic V de agent intermediar icircn reţeaua de icircngheţare icircn funcţie de care se aleg
pompele se determină cu relaţia
tc
V o
(52)
icircn care este densitatea agentului intermediar kgm3
c - căldura specifică a agentului intermediar JkgK
t - creşterea temperaturii agentului (saramura) icircn sondele de icircngheţare K
La icircnceputul perioadei de răcire diferenţa de temperatură este t = 56 K ca apoi să scadă la 12 K
Icircn conductele magistrale se recomandă ca viteza saramurii să fie w = 0915ms
Icircn acest caz diametrul conductelor de transport a saramurii este dat de relaţia
w
V4D
[m] (53)
Icircn funcţie de valoarea determinată pentru D se aleg conducte metalice de diametru nominal cuprins icircntre 75200 mm Dacă rezultă D gt 200 mm se vor alege două conducte cu diametrul mai mic de 200 mm
2
T
T
M
M D
D
NH
3
3
4
6
5
7
1
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
40
Conductele magistrale se realizează prin icircmbinări cu flanşe sau sudate iar la lungimi mai mari de 100150 m se vor prevedea coturi compensatoare Pentru reducerea pierderilor de frig magistralele vor fi izolate termic
Distribuitorul de saramură răcită şi colectorul de saramură de la sonde sunt construcţii metalice identice
Icircn figura 57 se prezintă modul de racordare a sondelor de icircngheţare 5 la distribuitorul 1 şi colectorul 2 Vanele 3 asigură icircnchiderea deci oprirea circulaţiei şi reglajul debitului Prin aceste vane se poate izola o anumită sondă care nu funcţionează normal sau la care se observă o anumită defecţiune
Figura 47 Fig 57 Racordarea sondelor de icircngheţare la distribuitor şi colector 1 - distribuitor 2 - colector 3 - vane 4 - racord elastic 5 - sonda de icircngheţare
Poziţia distribuitorului şi colectorului faţă de racircndul sondelor de icircngheţare poate fi laterală de o singură parte sau laterală de ambele părţi ale sondelor Amplasamentul trebuie astfel făcut icircncacirct să fie posibilă vizitarea supravegherea şi eventual icircnlocuirea sondelor de icircngheţare
Racordarea sondelor la distribuitor şi colector se face prin cacircte un racord elastic (fig 57) Dimensionarea distribuitoarelor şi a colectoarelor se face din condiţia ca viteza saramurii să nu depăşească 0915 ms
Coloanele de distribuţie şi colectare urmăresc icircn teren forma şirului de sonde de icircngheţare şi pot avea acelaşi traseu sau trasee diferite Configuraţia traseului poate fi icircn linie sau circulară Icircn oricare din situaţiile prezentate distanţele dintre ştuţurile de racord şi sondele de icircngheţare sunt variabile astfel icircncacirct racordurile rigide prin flanşe şi sudură sunt greu de realizat Cea mai practică soluţie de racord icircn acest caz este furtunul de cauciuc (fig 57)
Icircn reţeaua de saramură poate pătrunde aer prin procesul de pompare ceea ce conduce la intensificarea acţiunii corosive a saramurii Icircn scopul icircndepărtării aerului nedorit pe partea superioară a conductelor icircn punctele cele mai ridicate ale acestora se montează robineţi de evacuare periodică a aerului şi eventual a altor gaze
Pe conductele magistrale se vor monta aparate de măsură şi control debitmetre termometre şi manometre (fig 56) Icircn acest caz se poate aprecia funcţionarea fiecărei sonde după depunerile exterioare de gheaţă pe racordul metalic sau de cauciuc lăsate neizolate termic tocmai icircn acest scop Icircn scopul urmăririi regimului de lucru sub aspect
5
4
1
2 3
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
41
hidraulic şi termic icircn mod individual se pot monta aparate de măsură şi control pe fiecare sondă de icircngheţare dar această soluţie este mai costisitoare
Sonda de icircngheţare realizează transferul de căldură de la terenul ce urmează a fi icircngheţat spre agentul frigorific (la răcirea directă) sau agentul intermediar (la răcirea indirectă)
Icircn figura 51 s-a prezentat schema de principiu a unei sonde de icircngheţare cu saramură activă pe toată lungimea Conducta exterioară sau burlanul de icircngheţare 3 este o conductă din oţel etanşă şi rezistentă la eforturile mecanice care apar datorită presiunii solului şi variaţiei de temperatură icircntre momentul fixării ei icircn sol şi cel al funcţionării la o temperatura sub 00C
Icircn procesul de icircngheţare coloana de burlane care poate atinge lungimi de sute de metri se contractă icircnsă nu liber deoarece ea este stracircnsă icircn masivul de roci La o variaţie de temperatură icircntre momentul iniţial (fără saramură) şi momentul pornirii circulaţiei de saramură de 400C conducta din oţel de 500 m adacircncime ar trebui să se contracte cu
tHH = 500 11 10-6 40 = 0220 m = 22 cm
Datorită fixării coloanei icircn gaura forată efortul unitar de icircntindere ce apare icircn urma scăderii temperaturii este
tE = 22 1010 11 10-10 40 = 968 105 Nm2 = 9680 Ncm2
La acest efort de icircntindere apărut datorită contracţiei coloanei se mai adaugă efortul de acelaşi semn provocat de dilatarea masivului de rocă acviferă icircngheţată Icircn scopul compensării eforturilor de icircntindere s-a propus icircmbinarea coloanei cu nipluri elastice O asemenea soluţie este mai scumpă şi icircn plus micşorează secţiunea liberă de curgere ceea ce conduce la icircncălzirea excedentară a saramurii
La lucrări subterane de mare adacircncime ca puţurile de mină depozite subterane se folosesc burlane de 1397 x 7 mm pentru a fi posibilă determinarea abaterii de la poziţie verticală
La tunelurile de metrou şi icircn general la lucrările la care adacircncimea de icircngheţare nu depăşeşte 50 - 60 m diametrul cel mai frecvent utilizat este 1143 x 7 mm
Ţeava interioară 2 (fig 51) numită şi tub de alimentare de regulă ţeava uşoară de instalaţii de 50 mm diametrul se introduce icircn burlanul exterior 3 fără icircnsă a atinge şiul de bază 1 al sondei Se asigură icircn acest mod un volum minimal de depuneri solide care circulă cu saramura icircn mod incidental Icircn scopul economisirii de metal tubul de alimentare poate fi din material plastic ceea ce prezintă marele avantaj al lipsei coroziunii şi al refolosirii materialului respectiv
Şiul de fund are rolul de a asigura icircnchiderea burlanului exterior icircn partea sa inferioară Cel mai adesea are formă conică pentru a asigura introducerea cu uşurinţă a coloanei metalice icircn gaura de sondă Această componentă a sondei de icircngheţare se execută fie prin turnare sau se confecţionează cu ajutorul sudurii
Corespunzător profilului geologic al terenului icircn care se lucrează se icircntacirclnesc şi cazuri cacircnd nu este nevoie să se icircngheţe terenul pe toată icircnălţimea sondelor ci numai la partea lor inferioară Icircn acest caz se folosesc sonde de icircngheţare zonală (fig 58) cu ajutorul cărora se asigură congelarea doar a zonei inferioare ceea ce prezintă avantaje economice deosebite nu se consumă energie pentru a icircngheţa icircn mod inutil formaţiuni geologice consistente şi uscate şi nu se reduce ritmul lucrărilor de săpare printr-o eventuală mărire a rezistenţei rocilor
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
42
Figura 48 Fig 58 Sonda de icircngheţare zonală
1 - burlan exterior 2 - tub de alimentare 3 - şiu 4 - tub de evacuare
Figura 49 Fig59 - Sonda de icircngheţare cu agent
frigorific 1 - tub exterior 2 - perete despărţitor 3 - şiu 4 -
ştuţ (ţeavă de preaplin) 5 - condensator - vaporizator
Icircn cazul răcirii directe sondele de icircngheţare cu agent frigorific sunt de construcţie specială (fig 59) Particularitatea acestor sonde este prezenţa pereţilor despărţitori 2 dispuşi unul sub celălalt la circa 3 m fiecare perete fiind prevăzut cu un ştuţ de preaplin O asemenea construcţie are rolul de a fracţiona coloane de lichid ceea ce asigură o răcire mai uniformă pe lungimea sondei
Fiecare sondă este prevăzută la partea superioară cu cacircte o cămaşă de răcire Sondele se umplu cu amoniac lichid icircntr-o asemenea cantitate icircncacirct fiecare secţie să fie icircnecată cu lichid respectiv pacircnă la partea superioară a ştuţurilor 4 Ca urmare a fluxurilor de căldură de la sol se produce fierberea amoniacului icircn toate secţiile sondei Vaporii formaţi se ridică prin ştuţurile 4 şi ajungacircnd la partea superioară a sondei se condensează cedacircnd căldură agentului (amoniac) din cămăşile de răcire
Ca urmare cămăşile de răcire de la partea superioară a sondelor constituie vaporizatorul instalaţiei frigorifice Amoniacul care se condensează la partea superioară a sondei curge icircnapoi (de sus icircn jos) prin ştuţurile 4 Folosirea pereţilor despărţitori şi a ştuţurilor micşorează influenţa presiunii hidrostatice a lichidului asupra temperaturii de vaporizare a amoniacului Asemenea sonde de icircngheţare se folosesc pentru lucrări de mică adacircncime
Amplasarea sondelor se face icircn funcţie de o serie de factori formă poziţia şi dimensiunile lucrării care se realizează structura terenului temperatura şi viteza agentului etc
Icircn cazul puţurilor de mină de secţiune circulară sondele se amplasează pe un cerc
concentric de diametru D mai mare decacirct diametrul de săpare Ds cu grosimea a peretelui icircngheţat
sDD (54)
Trebuie să se ţină seama şi de deviaţia sondelor de la poziţia verticală icircncacirct pentru adacircncimi mari se utilizează relaţia
3
2 4
1
VAPORI 5 LICHID
3
2
4 1
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
43
a21DD s (55)
unde a = 003 H este abaterea medie statistică de la verticală a sondelor
Distanţa dintre sonde se ia de obicei de 1014 m icircn terenuri rezistente şi de 0809 m icircn terenuri slabe
Pentru adacircncimi de peste 500 m se recomandă să se dispună sondele pe două cercuri concentrice pentru a se forma un perete de grosime mai mare şi deci mai rezistent
La icircngheţarea terenului icircn jurul puţurilor de secţiune dreptunghiulară sondele se pot dispune pe dreptunghi sau elipsă Icircn aceste situaţii centura de teren icircngheţat poate fi solicitată la icircntindere ceea ce este de nedorit deoarece limita de rezistenţa la icircntindere a terenurilor icircngheţate este de circa 3 ori mai mică decacirct limita rezistenţei la compresiune Din acest motiv chiar şi la puţurile de mină de secţiune dreptunghiulară sondele se dispun pe unul sau două cercuri (fig 510)
Pentru realizarea galeriilor icircnclinate icircngheţarea terenului se realizează cu sonde verticale (fig 511) sau combinat atacirct cu sonde verticale cacirct şi cu sonde icircnclinate (fig 512)
Distanţa dintre sondele verticale (fig 511) se ia de 23 m iar distanţa dintre racircnduri este de 1525 m
Se poate folosi cacircte un racircnd de sonde icircnclinate montate deasupra galeriei (fig 212 a) sau sonde icircnclinate sub galerie şi sonde verticale scurte deasupra galeriei (fig 512 b)
SONDA
154 m
16
6 m
226
262
85
SONDA
Figura 411 Fig 511 Amplasarea sondelor verticale pentru realizarea galeriei icircnclinate
Figura 411 Fig 510 Dispunerea sondelor icircn jurul puţurilor de mină de secţiune
dreptunghiulară
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
44
Figura 412 Fig 512 Realizarea galeriilor icircnclinate cu sonde verticale (1) şi sonde oblice (2)
I - secţiunea longitudinală II - secţiunea transversală a) sonde icircnclinate deasupra galeriei b) sonde icircnclinate sub galerie
413 513 UTILIZAREA METODEI DE IcircNGHEŢARE A SOLULUI IcircN ŢARA NOASTRĂ
a)Puţuri de mină
Aplicarea metodei de icircngheţare a solului pentru lucrări de minerit a avut loc la noi icircn ţară icircncepacircnd cu anul 1960 la puţul Godeni din bazinul carbonifer Cacircmpulung - Muscel Proiectul a fost elaborat icircn anul 1959 la IPROMIN Bucureşti iar lucrarea a fost executată cu Trustul Minier Argeş avacircnd icircn subantrepriză de specialitate Icircntreprinderea Frigotehnica Bucureşti şi Trustul de prospecţiuni explorări şi deschideri de mine noi Bucureşti
Adacircncimea de săpare a puţului Godeni a trebuit sa fie de 202 m Sondele de icircngheţare constituite din două ţevi concentrice (fig 51) cu diametrele exterioare de 146 mm şi respectiv 57 mm icircn număr de 27 au fost amplasate pe un cerc cu diametrul de 10 m la distanţa de 117 m una de alta
Instalaţia frigorifică a fost dimensionată cu mare precauţie pentru a avea o siguranţă mărită icircn funcţionarea ei Toate părţile componente ale instalaţiei frigorifice au fost proiectate şi executate icircn ţară
La proiectarea instalaţiei s-a avut icircn vedere funcţionarea de scurtă durată şi variaţia puterii frigorifice icircn timp S-a utilizat răcirea indirectă cu soluţie de clorură de calciu iar ca agent frigorific a fost folosit amoniacul Pentru a avea elasticitatea necesară icircn funcţionare la diferite puteri frigorifice au fost folosite grupuri de utilaje frigorifice şi anume
6 compresoare 4 AU - 20 (200000 kcal Nh =233 kW fiecare)
3 baterii de condensatoare atmosferice a cacircte 300 m2 (900 m2)
bazine pentru răcirea saramurii fiecare cu cacircte 2 vaporizatoare superintensive de 50 m2 (600 m2)
2 grupuri a cacircte 5 pompe pentru recircularea saramurii
Puterea frigorifică a instalaţiei montate a fost de 12106 kcal Nh =1395 kW şi s-a caracterizat prin următoarele date tehnice la exploatare
85
1
2
I 85
1
2
I
85
1
2
II
85
1
2 II
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
45
o suprafaţa de schimb de căldură a sondelor 2500 m2 o puterea instalaţiei 750 kW o debitul saramurii icircn
o icircn perioada activă 350 m3h o icircn perioada pasivă 70 m3h
o viteza de circulaţie a saramurii icircn sondă o tur 18 ms 036 ms o retur 029 ms 006 ms
o volumul rocilor icircngheţate circa 10000 m3 o consumul specific de frig mediu 50000 m3 o durata icircngheţării (perioada activă) 130 zile
Icircn timpul răcirii şi deci a icircngheţării solului puterea frigorifică scade icircn mod continuu icircncacirct treptat s-a scos din funcţiune cacircte un compresor icircn perioada pasivă (de săpare a puţului) s-a menţinut icircn lucru doar un singur compresor şi grupul de utilaje aferent
După terminarea lucrărilor de la puţul Godeni icircn anii următori aceeaşi instalaţie s-a montat la puţul Poenari din acelaşi bazin carbonifer unde sondele au fost amplasate pe un cerc cu diametrul de 11 m la distanţa de 128 m una de alta
Un alt puţ realizat prin această tehnologie de icircngheţare a solului a fost puţul Jugur de la acelaşi bazin carbonifer Centrala frigorifică a cuprins 15 compresoare 3 AV - 20 (150000 kcal Nh fiecare=175kW) repartizate icircn 5 linii tehnologice independente cu icircntreg utilajul aferent Fiecare linie este compusă din
o butelie de răcire intermediară BRI - 700 un condensator cu evaporare forţată CEF - 180 un bazin cu patru grupuri vaporizatoare intensive de cacircte 165 m2 (icircn total 66 m2)
Sondele de icircngheţare icircn număr de 27 bucăţi au fost prevăzute să se amplaseze pe un cerc cu diametrul de 104 m la distanţă de 121 m Sondele sunt de tipul celei indicată icircn figura 58 deci cu răcire zonală avacircnd următoarele caracteristici diametrul exterior al burlanului este de 146 mm iar tuburile interioare au 57 mm (la exterior) tubul de alimentare are lungimea de 430 m iar cel de evacuare este de 220 m Ca urmare sondele de icircngheţare trebuie să producă icircngheţarea solului numai pe adacircncimea de la 220 m la 430 m Prin proiect s-au prevăzut următoarele date temperatura saramurii - 35 ordmC viteza saramurii icircn conducte de tur 18 ms viteza icircn conducte de retur (pe adacircncimea de răcit) 06 ms durata icircngheţării (perioada activă) a fost de 75 zile
Au fost prevăzute temperaturi scăzute şi viteze mari de congelare deoarece cilindrul icircngheţat trebuie să preia presiuni de pacircnă la 56 bar
b)Tunelurile pentru metroul din Bucureşti
Icircncepacircnd cu anul 1976 pentru realizarea metroului din Bucureşti s-a procedat la aplicarea metodei de icircngheţare a solului icircntr-o zonă considerată experimentală dar cu realizări efective de galerii
Prin proiect s-a prevăzut consolidarea prin icircngheţare artificială a profilului de săpare a tunelurilor de metrou pe o lungime de circa 550 m pe ambele fire Amplasamentul sondelor s-a făcut icircn două variante (pentru experimentare) pentru un fir de tunel ambele racircnduri de sonde s-au fixat icircn profilul circular de săpare iar pentru cel de al doilea fir de tunel sondele au fost forate icircn afara profilului de icircnaintare (fig 513) Au fost folosite sonde cu saramură cu posibilitatea de icircngheţare pe toată icircnălţimea de 16 m cacirct şi sonde cu icircngheţare zonală icircntre adacircncimile de 7 m şi 16 m Distanţa dintre sonde a fost fixată la 14 m
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
46
Pentru a se icircmpiedica accesul apelor icircn frontul de săpare datorate unor eventuale zone neicircngheţate traseul de tunel icircngheţat a fost icircmpărţit icircn incinte icircnchise prin timpane transversale La distanţe de 3050 m icircn lungul traseului au fost montate sonde de icircngheţare aşezate icircn plan normal pe axul tunelului prin care să se icircnchidă accesul apelor spre frontul de săpare
Echipamentul frigorific principal cuprinde
- 8 compresoare frigorifice 3 AV - 20 funcţionacircnd icircntr-o treaptă pentru care
corespunde puterea frigorifică de 12 106 kcal Nh =1395 kW
- 4 condensatoare de evaporare forţată CEF - 250
- 3 bazine de răcire a saramurii echipate cu cacircte 4 grupuri de vaporizatoare superintensive de cacircte 51 m2 (total 612 m2)
- 3 grupuri de cacircte 2 pompe a 220 m3h pentru circulaţia saramurii pe traseele de distribuţie şi prin sonde
Figura 413 Fig513 Amplasamentul sondelor de icircngheţare
Centrala frigorifică este stabilă adăpostită icircntr-o baracă metalică demontabilă existacircnd posibilitatea de reamplasare rapidă a instalaţiei icircntr-un alt loc Agentul frigorific utilizat este amoniacul iar agentul intermediar este clorura de calciu
Icircn perioada principală de icircngheţare temperatura de vaporizare este to = -22 ordmC asiguracircnd răcirea saramurii la -17 ordmC iar pe retur saramura a avut temperatura cu 15 ordmC mai ridicată
La o asemenea lucrare realizată icircn oraş se impune protejarea contra icircngheţului a straturilor de deasupra galeriilor icircn care sunt amplasate instalaţiile de apă - canal ceea ce presupune folosirea sondelor cu icircngheţare zonală care să nu fie active la partea superioară
c) Puţuri pentru prospectarea balastierelor
Procedeul şi instalaţia frigorifică au avut caracter de noutate şi s-a aplicat icircncepacircnd cu anul 1966 la mai multe obiective icircn general pe văile racircurilor unde s-au construit hidrocentrale
A
A B
B
A-A
000 -300 -700 -1061 -1300
65
800
B-B
000 -300 -700 -1061 -1300
65
550
ARGILA
ARGILA
NISIP
NISIP
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
47
Echipamentul frigorific principal cuprinde un agregat frigorific pentru amoniac de 20000 kcal Nh = 233 kW rezervor de amoniac separator de lichid şi anexe - toate fiind montate pe o remorcă
S-au folosit sonde de icircngheţare cu agent frigorific icircn număr de 8 bucăţi cu diametrul exterior de 133 mm montate pe un cerc cu diametrul de 2 m la distanţa de 076 m lungimea lor fiind de 75 m Legarea sondelor la distribuitor şi colector s-a făcut cu racorduri flexibile
Sondele au o construcţie specială fiind prevăzute cu 4 pereţi transversali cu ştuţuri de preaplin formacircndu-se astfel 5 compartimente Agentul lichid se introduce icircn compartimentul cel mai de sus şi se scurge prin ştuţuri pacircnă la baza sondei Conducta de aspiraţie străbate toate compartimentele vaporii fiind aspiraţi din compartimentul cel mai de jos Circulaţia vaporilor formaţi se face ca şi a lichidului de sus icircn jos obţinacircndu-se astfel o răcire uniformă şi eficientă pe toată icircnălţimea sondei
Durata icircngheţării respectiv a formării centurii de teren icircngheţat la adăpostul căreia să se poată efectua săparea şi preluarea de probe de sol este de 10 zile
414 514 CAcircMPUL DE TEMPERATURĂ IcircN SOLUL IcircNGHEŢAT
Cacircnd prin sonda de icircngheţare circulă saramură a cărei temperatura este sub 0 ordmC practic - 20 ordmC-25 ordmC icircn jurul sondei se formează un cacircmp termic care icircn cazul unei singure sonde poate fi reprezentat prin suprafeţe cilindrice coaxiale de temperatură constantă (izoterme)
După distanţa radială se deosebesc icircn sol din punct de vedere termic trei zone zona cilindrică din imediata vecinătate a sondei care este icircn zona icircngheţată zona răcită cuprinsă icircntre suprafaţa cilindrică izotermă de 0 ordmC şi izoterma de temperatură naturală şi a treia zonă cea de temperatura naturală (fig 514)
Icircn zona icircngheţată temperatura masivului variază de la temperatura peretelui metalic al sondei pacircnă la 0 ordmC Icircn zona răcită temperatura masivului creşte de la 0 ordmC pacircnă la temperatura naturală a masivului
Figura 414 Fig 514 Cacircmpul de temperatură icircn jurul unei sonde de icircngheţare
Este important să se cunoască cacircmpul termic icircn terenul supus icircngheţării deoarece acesta oferă date privind zona de răspacircndire a consolidării rocilor prin solidificarea apei cacirct şi a
t [oC]
r [m]
t (r)
ZONA RACITA
ZONA INGHETAT
A
ts TEMPERATURA NATURALA A ROCII
-20
-10
40
10 0 20 30
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
48
rezistenţei mecanice a rocii icircngheţate Se cunoaşte faptul că rezistenţa mecanică depinde direct de temperatură
Studiul variaţiei temperaturii icircn zona de influenţă a unei sonde şi a tuturor sondelor simultan oferă posibilitatea calculării dimensiunilor la proiectarea construcţiei peretelui protector cacirct şi controlul procesului icircn timpul desfăşurării lucrărilor
Pentru a se stabili relaţia de variaţie a temperaturii icircn zona icircngheţată icircn funcţie de raza r se consideră ecuaţia diferenţială
dr
dtr2q (56)
icircn care q este fluxul unitar de căldură corespunzător lungimii de 1 m din sonda de icircngheţare Wm
- conductivitatea termica a terenului Wm
Integrarea directă a ecuaţiei analitice se poate face icircn ipoteze simplificatoare consideracircnd
= const şi q = const ceea ce este justificat la valori mari ale timpului de răcire
Se separa variabilele
r
dr
2
qdt
(57)
Se consideră cunoscute temperaturile t1 la suprafaţa sondei de raza r1 și t2 = 0 ordmC la raza r2 corespunzătoare suprafeţei exterioare a cilindrului icircngheţat Se integrează ecuaţia (6-7) și cunoscacircnd limitele de integrare se va determina constanta de integrare
Cr ln2
qt
(58)
pentru r = r1 t = t1 deci
11 rln2
qtC
(59)
1
1r
rln
2
qtt
(510)
Se pune condiţia ca pentru r = r2 t = t2
1
212
r
rln
2
qtt
(511)
Se elimina q intre relaţiile (510) și (511) şi se obţine
1
2
1121
r
rln
r
rln
tttt (512)
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
49
Figura 415 Fig 515 Schema schimbătorului de căldură subteran
Pentru t2 = 0 ordmC relaţia (5-12) devine
)rrln(
)rrln(tt
12
21 (513)
Icircn figura 515 se prezintă o secţiune axială printr-o sondă de icircngheţare şi variaţia temperaturii icircn limitele t0 - temperatura agentului de răcire şi ts - temperatura naturală a solului
Cantitatea de căldură transferată de la masivul neicircngheţat spre agentul de răcire prin unitatea de lungimea de conducta şi unitatea de timp se calculează cu expresia
221
2
1o
1
moo
os
d
1
d
dln
1
d
dln
2
1
d
1
ttq
(514)
Icircn calculele inginereşti cel mai frecvent se determină nu fluxul termic pe unitatea de lungime a conductei ci fluxul termic qF raportat la unitatea de suprafaţă a conductei metalice la 1 m2 de suprafaţa exterioară sau interioară Mărimea qF se calculează astfel
22
o
1
2
1
o
o
1
m
o
o
oS
o
F
d
d
d
dln
2
d
d
dln
2
d1
tt
d
(515)
Fluxul termic qF prin unitatea de suprafaţă a sondei de icircngheţare calculat pentru adacircncimea de 100 m icircn regim laminar de curgere a agentului de răcire prin spaţiul inelar al sondei cu viteza w = 01 ms la diametre ale cilindrului de rocă icircngheţata
de la 02 la 3 m pentru to = -20 ordmC do = 01 m 1 = 233 WmK variază de la 720 la 230 Wm2 aşa cum se poate observa din figura 516 şi tabelul 51
d2
d1
d0
t
qF
t0
t2
t1 2
m 1
m
ts
Conducta Teren icircngheţat Teren
neicircngheţat
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
50
Figura 416 Fig 516 Variaţia fluxului termic qF prin unitatea de suprafaţă a sondei de icircngheţare 1 - regim turbulent 2 regim laminar
Tabelul 51Variaţia fluxului termic qF [Wm2]
Diametrul cilindrului de rocă icircngheţată icircn m
02 04 05 08 10 15 20
qF regim laminar 1160 550 387 330 302
qF regim laminar 720 465 423 350 321 283 258
Se observă ca densitatea fluxului de căldura qF scade foarte mult de la 800900 Wm2 la icircnceputul operaţiei de consolidare prin frig a rocilor pacircnă la 230250 Wm2 cacircnd cilindrul de rocă icircngheţata atinge diametrul de 23 m Ca urmare a acestei situaţii şi puterea frigorifică a instalaţiei va scădea icircn decursul a 6080 zile tot cu raportul de 800230 = 35
Instalaţia frigorifică va fi constituită din grupuri de utilaje (module) ce vor fi scoase treptat din funcţiune pe măsură ce se reduce densitatea fluxului de căldură qF ca urmare a creşterii grosimii stratului de teren icircngheţat Icircn practică pentru calcule se va considera qF = (260290) Wm2
O mărime importanta pentru proiectarea instalaţiei şi aprecierea procesului de consolidare a rocilor este timpul de icircngheţare Pentru calculul duratei de icircngheţare se pot folosi relaţiile prezentate icircn capitolul 3 la formarea gheţii pe suprafeţe cilindrice exterioare La aprecierea valorii pentru ls - căldura latentă de solidificare se avea icircn vedere conţinutul de apă din terenul supus icircngheţării
Dacă icircntre relaţiile pentru dependenţele (r) şi qF(r) se elimină r se obţine dependenţa
qF() Eliminarea nu se poate face direct ci fie cu ajutorul calculatorului fie printr-o construcţie grafică prezentată icircn figura 517
Studiul variaţiei temperaturii icircn solul icircngheţat cacirct și variaţia icircn timp a densităţii fluxului de căldura se poate face cu ajutorul calculatorului electronic
1200
1000
800
600
400
200
0 05 1 15 2 25 3
qF [Wm2]
Diametrul cilindrului de rocă icircngheţată [m]
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
51
Figura 417 Fig 517 Stabilirea dependentei qF() pe baza dependentelor qF(r) și (r)
415 515 ELEMENTE DE PROIECTARE A INSTALAŢIEI FRIGORIFICE PENTRU IcircNGHEŢAREA SOLULUI
Pentru proiectarea instalaţiei frigorifice trebuie sa se stabilească la icircnceput elementele de baza și anume
- puterea frigorifică maximă care apare la icircnceputul perioadei de răcire cacircnd pătrunderile de căldura spre agentul de răcire din sondele de icircngheţare au valori mai mari temperatura de vaporizare a agentului frigorific plecacircnd de la temperatura minimă sau medie din solul icircngheţat şi avacircnd icircn vedere modul de răcire directă sau indirectă
Se calculează cantitatea totală de căldură ce trebuie extrasă din terenul supus răcirii şi icircngheţării Se cunoaşte structura terenului icircngheţat deci se cunosc icircnălţimile h1 h2hn ale diferitelor straturi componente cacirct şi proprietăţile termofizice ale acestora
Grosimea centurii de teren icircngheţat se stabileşte icircn urma calculelor de rezistenţa materialelor icircncacirct se pot calcula volumele ocupate de straturile componente V1 V2Vn
Cantitatea de căldură ce trebuie extrasă din zona icircngheţată cuprinde două componente și anume
cantitatea de căldura Qa corespunzătoare răcirii şi icircngheţării apei
cantitatea de căldura Qt necesara răcirii părţii solide a terenului
n
1kfgsikaakka tcltcVQ (516)
unde
k - reprezintă conţinutul icircn apă din stratul respectiv [m3m3]
a - densitatea apei [kgm3]
ca cg - căldura specifica a apei respectiv a gheţii Jkg K
tik - temperatura iniţiala a stratului respectiv (de ordinul k)
tf - temperatura medie finala a masivului icircngheţat
ls - căldura latentă de solidificare a apei
r
q
q
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
52
fik
n
1kkkkkt ttc1VQ
(517)
k - densitatea părţii de teren solid (uscat) din stratul k
ck - căldura specifică a terenului uscat din stratul k
Cantitatea de căldură extrasă din terenul răcit reprezintă circa 1018 din cantitatea de căldură extrasă din zona de teren icircngheţat
Deci cantitatea totală de căldură Q ce va trebui preluată de către instalaţia frigorifică se poate aprecia astfel
Q = (110118) (Qa + Qt) (518)
Cu relaţia (51) se calculează puterea frigorifica a instalaţiei adoptacircnd o valoare medie pentru densitatea fluxului de căldura qF
Se poate aprecia timpul de funcţionare a instalaţiei frigorifice
o
Q
(519)
La anumite grosimi ale cochiliei de teren icircngheţat icircn jurul sondei densitatea fluxului termic scade sub valoarea medie adoptată icircn calcule şi ca urmare icircncepacircnd de la acest moment se va putea reduce treptat puterea frigorifica a instalaţiei prin scoaterea din funcţiune a unor grupuri
La proiectare se pot avea icircn vedere unele recomandări practice pentru stabilirea necesarului de frig pentru icircngheţarea unui m3 la -10 ordmC este necesar un consum specific de frig de 66000 kJ la 10 umiditate de 155000 kJ la 35 umiditate și de 210000 kJ la 50 umiditate
42 52 RĂCIREA BETONULUI LA CONSTRUCŢIILE MASIVE
421 521 INSTALAŢII DE PRERĂCIRE A COMPONENTELOR BETONULUI
Formarea betonului din elementele sale componente (nisip pietriş ciment şi apă) este icircnsoţită de fenomene fizico - chimice icircn care se degajă căldură şi ca urmare temperatura acestuia creşte Icircn cazul unor masive din beton (baraje) dacă viteza de turnare (icircn sezonul cald cacircnd se efectuază construcţia) este mai mare şi nu se asigura evacuarea căldurii corpul rezultă la o temperatura medie mai mare decacirct temperatura medie anuală Răcirea naturală conduce la contracţia masivului şi ca urmare la apariţia sub acţiunea tensiunilor interne a unor fisuri
Pentru ca variaţiile de temperatura icircntre centrul barajului şi straturile exterioare să fie cacirct mai mici se impune ca masivul respectiv să fie turnat la temperatura medie anuală a zonei respective Icircn acest scop se pot folosi două metode prin prerăcirea componentelor betonului și prin răcirea masei barajului
Icircn vederea reducerii căldurii degajată icircn reacţia dintre ciment şi apă au fost realizate sortimente de ciment caracterizate prin călduri masice reduse ce se degajă icircn procesul de priză
Prin prerăcirea componentelor betonului se urmăreşte ca betonul sa aibă temperatura medie a locului de amplasament şi prin aceasta evitarea apariţiei unor diferenţe mari de temperatură ce pun icircn pericol construcţia
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
53
Icircn funcţie de valoarea diferenţei de temperatură care trebuie realizată se poate adopta o anumită schemă de răcire pentru fiecare component icircn parte sau numai pentru unele din aceste părţi componente
Se pot folosi instalaţii frigorifice cu comprimare mecanică de vapori pentru răcirea apei a aerului sau formarea gheţii mărunte utilizate la prerăcirea componentelor betonului Folosirea gheţii fulgi sau solzi este limitată atacirct din cauza conţinutului de apă impus cacirct şi ca urmare a pericolului ca gheaţa să nu se topească icircn procesul de malaxare ci la turnare sau icircn procesul de priză ceea ce duce la formarea de goluri icircn beton
De asemenea se pot folosi instalaţiile frigorifice cu ejecţie
Icircn vederea stabilirii necesarului de frig pentru preratildecirea componentelor betonului se calculează mai icircntacirci cantitatea de catildelduratilde Qo1 ce trebuie evacuatatilde dintr-un m3 de beton avacircndu-se icircn vedere proporţiile icircn care participatilde cimentul nisipul pietrişul şi apa Fiecare component are o temperatură iniţialatilde şi urmeazatilde a fi răcit pacircnatilde la o temperatura finalatilde tf aceeaşi pentru toţi componenţii
fpppfnnnfccc1o ttcmttcmttcmQ
fnaanfpaapfaaa ttcmttcmttcm Jm3 (520)
unde
mc mn mp ma - masele de ciment nisip pietriş şi apă conţinute icircntr-un m3 de beton [kgm3]
cc cn cp cw - căldurile specifice masice ale cimentului nisipului pietrişului şi nisipul dintr-un m3 de beton [kgm3]
Puterea frigorifică se determină cu relaţia
3b1oo 10VQ [kW] (521)
icircn care bV reprezintă fluxul de betonare icircn m3s
Se prezintă icircn continuare cele mai folosite metode de prerăcire a componentelor betonului
4211 a) Instalaţie de prerăcire cu apă
Staţia de preparare a betonului este deservită de o instalaţie frigorifică cu comprimare mecanică de vapori care asigură răcirea apei
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
54
Figura 418 Fig 518 Schema de lucru a instalaţiei de prerăcire a betonului cu ajutorul apei 1 - ciment 2 - vagon nisip 3 - vagon pietris 4 - tancuri de răcire a pietrişului 5 - sită 6 - siloz de
nisip 7 - siloz de ciment 8 - rezervor de distribuţie 9 - răcitor de nisip 10 - răcitor de ciment 11 - răcitor de apă 12 - rezervor de apă răcită 13 - răcitor de apă 14 - instalaţie de prepararea betonului
I II III IV V - fazele de răcire a pietrişului
Icircn figura 518 se prezintă schema de lucru a unei asemenea instalaţii de prerăcire a betonului cu ajutorul apei folosită la construcţia barajului de la Detroit (SUA) Apa este răcită de la 16 la 15 ordmC şi transmisă apoi la instalaţia de preparare a betonului şi icircn cinci rezervoare a cacircte 90 m3 fiecare icircn care se răceşte pietrişul
Procesul de răcire a pietrişului cuprinde cinci faze
- faza I - introducerea apei icircn rezervor 10 minute
- fazele II şi III - introducerea simultană a apei şi a pietrişului 50 minute
- faza IV - evacuarea apei 15 minute
- faza V - evacuarea pietrişului 15 minute
Icircntregul proces de răcire a pietrişului durează 90 minute Pentru răcirea cimentului şi nisipului se utilizează schimbătoare de căldură cu ax elicoidal la care apa de răcire circulă prin arborele gol şi prin manta
Rezervoarele 12 pentru apa răcită au fiecare volumul de 114 m3
Beton 635oC
190 m3h
65oC
24oC
18oC
1
2
3
4
5
6
7
8
10
9
11
12
13
14
Apă 16oC
15oC
Cim
en
t
26 l
h
Nis
ip 1
12
lh
10
oC
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
55
42111 Aplicaţie numerică
Să se calculeze puterea frigorifică necesară prerăcirii betonului prin metode şi condiţiile prezentate mai sus Se cunosc următoarele date de calcul
mp = 1700 kgm3 beton
mc = 135 kgm3 beton
mn = 590 kgm3 beton
ma = 60 kgm3 beton
cc = cn = cp = 921 Jkg K
ca = 4180 Jkg K
map = 16 kgm3 beton
man = 38 kgm3 beton
tp = 18 ordmC
tc = 66 ordmC
tn = 21 ordmC tf = 635 ordmC
052803000
190Vb m3s
Se calculează componentele cantităţii de căldură Q01
3fcccc 10741735666921135ttcmQ Jm3
3fnnnn 10796135621921590ttcmQ Jm3
3fpppp 1024018356189211700ttcmQ Jm3
3faaaa 10420235616418060ttcmQ Jm3
3fpaapap 1077935618418016ttcmQ Jm3
3fnaaan 10232735621418038ttcmQ Jm3
Rezulta
3anapapnc1o 1039144QQQQQQQ Jm3
3o 10 206705280103914410VQ 33
b1o kW
4212 b) Instalaţii de prerăcire cu aer apă
Pentru răcirea componentelor betonului se utilizează icircn acest caz fie apa fie aerul ca agenţi intermediari răciţi cu ajutorul instalaţiilor frigorifice
Icircn figura 519 se prezintă schema unei asemenea instalaţii folosită la construcţia barajului de la Sariyar din Turcia
Răcirea aerului se poate face fie direct prin vaporizarea unui agent frigorific fie indirect cu un agent intermediar de răcire ca de exemplu saramura de clorură de calciu Aerul răcit pacircnă la -6 ordmC este suflat icircn silozurile cu pietriş de dimensiuni icircntre 4150 mm
Apa răcită icircn bazinul la pacircnă la 05 ordm este trimisă din colectorul 12 la staţia de preparare a betonului servind la scăderea temperaturii acestuia
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
56
Figura 419 Fig 519 Schema instalaţiei de prerăcire a betonului cu aer şi apă 1 - compresor 2 - condensator 3 - ventile de laminare 4 - vaporizatoare 5 - bazin de răcire a
saramurii 6 - pompă de saramură 7 - răcitor umed de aer 8 - ventilatoare 9 - silozuri de pietriş 10 - bazin de răcire a apei 11 - pompă 12 - colector de apă răcită
Figura 420 Fig 520 Schema instalaţiei de prerăcire cu aer şi apă 1 - siloz de pietriş şi nisip 2 - siloz de ciment 3 rezervor de apă 4 - răcitor de aer 5 - răcitor de apă
4 - răcitor de apă 6 - buncăr de sortare 7 - instalaţie de preparare beton
Pentru intensificarea procesului de răcire a pietrişului aerul este răcit sub 0 ordmC Acest procedeu are avantajul unei funcţionări fără icircntrerupere a procesului de preparare a betonului dar prezintă şi o serie de dezavantaje debite foarte mari de aer de răcire posibilitatea antrenării particulelor fine de agregat icircn răcitorul de aer şi depunerea acestora pe suprafaţa de schimb de căldură Ca urmare instalaţia se va curăţa la circa 14 zile Icircn figura 520 se prezintă o altă schemă de instalaţie de prerăcire a betonului cu aer şi apă folosită la construcţia unui baraj din India
Apă
295oC
Ciment
433oC
Pietriş şi nisip
378oC
Apă 6oC
Ciment 433oC
Aer
Pietriş
45oC Nisip 222oC
22oC
Ap
ă
45
oC
Ap
ă 2
2o
C
Ae
r 5
5o
C
Be
ton
12
8o
C
Apă 22oC
2
1
3 4 5
8
9
5 7
12
1oC
11
05oC 9oC 9oC
-9oC
-10oC -10oC
-10oC 2oC
6oC
10 4 4 6
8 8
8
8 8
9 9 9 9
1
2
3 3
7
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
57
Pietrişul şi nisipul se separă icircntre ele icircn buncărul de sortare 6 şi apoi fiecare circulă pe cacircte o bandă transportoare prin camera de răcire 7 Pietrişul este răcit cu ajutorul apei
Fig
ura
42
1 F
ig 5
21
Sc
he
ma
in
sta
laţi
ei
de
ră
cir
e icirc
n v
id a
co
mp
on
en
telo
r b
eto
nu
lui
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
58
reci icircncacirct ajunge la o temperatură mai scăzută decacirct nisipul răcit cu aer Prin camera 7 se circulă şi aer rece care se introduce la temperatura de 55 ordmC Cimentul se introduce la instalaţia de preparare a betonului 9 fără a fi răcit
O altă posibilitate de prerăcire a agregatelor (pietriş şi nisip) şi a apei utilizată mai recent la construirea barajelor icircntrebuinţează răcirea icircn vid la care agregatele uşor umezite icircn recipiente sub presiune se răcesc după nevoie (prin reglarea vacuumului) la o temperatură mai scăzută sau mai ridicată Căldura necesară evaporării umidităţii de pe agregate şi din ele (apa legată) este luată chiar de la corpurile respective (pietriş nisip) şi ca urmare acestea se răcesc
O asemenea instalaţie utilizată la Hortwell icircn SUA (figura 521) cuprinde 3 recipienţi de cacircte 150 m3 pentru răcirea pietrişului şi 3 recipienţi de cacircte 80 m3 pentru răcirea nisipului
Pietrişul şi nisipul cu temperatura maximă de 43 ordmC se pot răci pacircnă la temperatura necesară de 45 ordmC Pentru realizarea vidului necesar se folosesc două cazane de abur care produc 77 th fiecare
422 522 RĂCIREA INTERIOARĂ A MASIVULUI DE BETON
Prerăcirea betonului se recomandă icircn condiţiile unei zone tropicale sau temperate de amplasare a construcţiei masive nu se recomandă icircn cazul amplasării barajului icircn munţi unde temperatura aerului este scăzută Icircn asemenea situaţii se recomandă răcirea betonului prin conducte amplasate icircn masiv prin care circulă apă rece
La răcirea interioară cu conducte montate icircn beton are loc o eliminarea a căldurii simultan cu producerea ei icircn procesul de priză producacircndu-se şi o răcire pacircnă la temperatura necesară Pentru răcire se folosesc conducte de oţel cu diametre de 1525 mm montate la distanţe de 1223 m icircn plan orizontal şi de 153 m icircn plan vertical Lungimea conductelor icircntr-un m3 de beton este de 0204 şi a fiecărei serpentine de 140250 m
Debitul apei de răcire ce circulă prin 1 m3 de beton este de (0553) dm3h
Figura 422 Fig 522 Reţea de conducte de răcire a betonului icircn secţiunea unui baraj 1 - galerie pentru măsurători 2 - galerie de conducte de apă de răcire
Serpentinele se montează şi se fixează pe suprafaţă de beton (fig522) Capetele serpentinelor se leagă de o coloană verticală prin mufe metalice sau de cauciuc Diametrul distribuitorului şi al coloanei este cuprins icircntre 150200 mm După montaj aceste conducte se verifică la presiunea de lucru
1 2
Ax
a
ba
raju
lui
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
39
Figura 46 Fig 56 Schema reţelei de saramură 1- vaporizatorul 2 - pompa de saramură 3 - magistrala de tur 4 - distribuitorul inelar 5 -sondele de
icircngheţare 6 - colectorul inelar 7 - magistrale de retur M - manometru D - debitmetru T - termometru
Magistralele 3 şi 7 de acelaşi diametru şi lungime variabilă (determinată de o serie de factori) se pot monta atacirct la suprafaţă cacirct şi icircn canal
Magistralele se dimensionează icircn funcţie de puterea frigorifică a schimbătorului de căldură subteran alcătuit din sondele de icircngheţare
F0 qNHd [W] (51)
unde d - diametrul exterior al sondei de icircngheţare m
H - adacircncimea de icircngheţare m
N - numărul de sonde de icircngheţare
qF - densitatea fluxului termic raportat la suprafaţa exterioară a sondei La temperatura saramurii de - 20 ordmC se poate considera qF = (260290) Wm2
Debitul volumic V de agent intermediar icircn reţeaua de icircngheţare icircn funcţie de care se aleg
pompele se determină cu relaţia
tc
V o
(52)
icircn care este densitatea agentului intermediar kgm3
c - căldura specifică a agentului intermediar JkgK
t - creşterea temperaturii agentului (saramura) icircn sondele de icircngheţare K
La icircnceputul perioadei de răcire diferenţa de temperatură este t = 56 K ca apoi să scadă la 12 K
Icircn conductele magistrale se recomandă ca viteza saramurii să fie w = 0915ms
Icircn acest caz diametrul conductelor de transport a saramurii este dat de relaţia
w
V4D
[m] (53)
Icircn funcţie de valoarea determinată pentru D se aleg conducte metalice de diametru nominal cuprins icircntre 75200 mm Dacă rezultă D gt 200 mm se vor alege două conducte cu diametrul mai mic de 200 mm
2
T
T
M
M D
D
NH
3
3
4
6
5
7
1
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
40
Conductele magistrale se realizează prin icircmbinări cu flanşe sau sudate iar la lungimi mai mari de 100150 m se vor prevedea coturi compensatoare Pentru reducerea pierderilor de frig magistralele vor fi izolate termic
Distribuitorul de saramură răcită şi colectorul de saramură de la sonde sunt construcţii metalice identice
Icircn figura 57 se prezintă modul de racordare a sondelor de icircngheţare 5 la distribuitorul 1 şi colectorul 2 Vanele 3 asigură icircnchiderea deci oprirea circulaţiei şi reglajul debitului Prin aceste vane se poate izola o anumită sondă care nu funcţionează normal sau la care se observă o anumită defecţiune
Figura 47 Fig 57 Racordarea sondelor de icircngheţare la distribuitor şi colector 1 - distribuitor 2 - colector 3 - vane 4 - racord elastic 5 - sonda de icircngheţare
Poziţia distribuitorului şi colectorului faţă de racircndul sondelor de icircngheţare poate fi laterală de o singură parte sau laterală de ambele părţi ale sondelor Amplasamentul trebuie astfel făcut icircncacirct să fie posibilă vizitarea supravegherea şi eventual icircnlocuirea sondelor de icircngheţare
Racordarea sondelor la distribuitor şi colector se face prin cacircte un racord elastic (fig 57) Dimensionarea distribuitoarelor şi a colectoarelor se face din condiţia ca viteza saramurii să nu depăşească 0915 ms
Coloanele de distribuţie şi colectare urmăresc icircn teren forma şirului de sonde de icircngheţare şi pot avea acelaşi traseu sau trasee diferite Configuraţia traseului poate fi icircn linie sau circulară Icircn oricare din situaţiile prezentate distanţele dintre ştuţurile de racord şi sondele de icircngheţare sunt variabile astfel icircncacirct racordurile rigide prin flanşe şi sudură sunt greu de realizat Cea mai practică soluţie de racord icircn acest caz este furtunul de cauciuc (fig 57)
Icircn reţeaua de saramură poate pătrunde aer prin procesul de pompare ceea ce conduce la intensificarea acţiunii corosive a saramurii Icircn scopul icircndepărtării aerului nedorit pe partea superioară a conductelor icircn punctele cele mai ridicate ale acestora se montează robineţi de evacuare periodică a aerului şi eventual a altor gaze
Pe conductele magistrale se vor monta aparate de măsură şi control debitmetre termometre şi manometre (fig 56) Icircn acest caz se poate aprecia funcţionarea fiecărei sonde după depunerile exterioare de gheaţă pe racordul metalic sau de cauciuc lăsate neizolate termic tocmai icircn acest scop Icircn scopul urmăririi regimului de lucru sub aspect
5
4
1
2 3
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
41
hidraulic şi termic icircn mod individual se pot monta aparate de măsură şi control pe fiecare sondă de icircngheţare dar această soluţie este mai costisitoare
Sonda de icircngheţare realizează transferul de căldură de la terenul ce urmează a fi icircngheţat spre agentul frigorific (la răcirea directă) sau agentul intermediar (la răcirea indirectă)
Icircn figura 51 s-a prezentat schema de principiu a unei sonde de icircngheţare cu saramură activă pe toată lungimea Conducta exterioară sau burlanul de icircngheţare 3 este o conductă din oţel etanşă şi rezistentă la eforturile mecanice care apar datorită presiunii solului şi variaţiei de temperatură icircntre momentul fixării ei icircn sol şi cel al funcţionării la o temperatura sub 00C
Icircn procesul de icircngheţare coloana de burlane care poate atinge lungimi de sute de metri se contractă icircnsă nu liber deoarece ea este stracircnsă icircn masivul de roci La o variaţie de temperatură icircntre momentul iniţial (fără saramură) şi momentul pornirii circulaţiei de saramură de 400C conducta din oţel de 500 m adacircncime ar trebui să se contracte cu
tHH = 500 11 10-6 40 = 0220 m = 22 cm
Datorită fixării coloanei icircn gaura forată efortul unitar de icircntindere ce apare icircn urma scăderii temperaturii este
tE = 22 1010 11 10-10 40 = 968 105 Nm2 = 9680 Ncm2
La acest efort de icircntindere apărut datorită contracţiei coloanei se mai adaugă efortul de acelaşi semn provocat de dilatarea masivului de rocă acviferă icircngheţată Icircn scopul compensării eforturilor de icircntindere s-a propus icircmbinarea coloanei cu nipluri elastice O asemenea soluţie este mai scumpă şi icircn plus micşorează secţiunea liberă de curgere ceea ce conduce la icircncălzirea excedentară a saramurii
La lucrări subterane de mare adacircncime ca puţurile de mină depozite subterane se folosesc burlane de 1397 x 7 mm pentru a fi posibilă determinarea abaterii de la poziţie verticală
La tunelurile de metrou şi icircn general la lucrările la care adacircncimea de icircngheţare nu depăşeşte 50 - 60 m diametrul cel mai frecvent utilizat este 1143 x 7 mm
Ţeava interioară 2 (fig 51) numită şi tub de alimentare de regulă ţeava uşoară de instalaţii de 50 mm diametrul se introduce icircn burlanul exterior 3 fără icircnsă a atinge şiul de bază 1 al sondei Se asigură icircn acest mod un volum minimal de depuneri solide care circulă cu saramura icircn mod incidental Icircn scopul economisirii de metal tubul de alimentare poate fi din material plastic ceea ce prezintă marele avantaj al lipsei coroziunii şi al refolosirii materialului respectiv
Şiul de fund are rolul de a asigura icircnchiderea burlanului exterior icircn partea sa inferioară Cel mai adesea are formă conică pentru a asigura introducerea cu uşurinţă a coloanei metalice icircn gaura de sondă Această componentă a sondei de icircngheţare se execută fie prin turnare sau se confecţionează cu ajutorul sudurii
Corespunzător profilului geologic al terenului icircn care se lucrează se icircntacirclnesc şi cazuri cacircnd nu este nevoie să se icircngheţe terenul pe toată icircnălţimea sondelor ci numai la partea lor inferioară Icircn acest caz se folosesc sonde de icircngheţare zonală (fig 58) cu ajutorul cărora se asigură congelarea doar a zonei inferioare ceea ce prezintă avantaje economice deosebite nu se consumă energie pentru a icircngheţa icircn mod inutil formaţiuni geologice consistente şi uscate şi nu se reduce ritmul lucrărilor de săpare printr-o eventuală mărire a rezistenţei rocilor
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
42
Figura 48 Fig 58 Sonda de icircngheţare zonală
1 - burlan exterior 2 - tub de alimentare 3 - şiu 4 - tub de evacuare
Figura 49 Fig59 - Sonda de icircngheţare cu agent
frigorific 1 - tub exterior 2 - perete despărţitor 3 - şiu 4 -
ştuţ (ţeavă de preaplin) 5 - condensator - vaporizator
Icircn cazul răcirii directe sondele de icircngheţare cu agent frigorific sunt de construcţie specială (fig 59) Particularitatea acestor sonde este prezenţa pereţilor despărţitori 2 dispuşi unul sub celălalt la circa 3 m fiecare perete fiind prevăzut cu un ştuţ de preaplin O asemenea construcţie are rolul de a fracţiona coloane de lichid ceea ce asigură o răcire mai uniformă pe lungimea sondei
Fiecare sondă este prevăzută la partea superioară cu cacircte o cămaşă de răcire Sondele se umplu cu amoniac lichid icircntr-o asemenea cantitate icircncacirct fiecare secţie să fie icircnecată cu lichid respectiv pacircnă la partea superioară a ştuţurilor 4 Ca urmare a fluxurilor de căldură de la sol se produce fierberea amoniacului icircn toate secţiile sondei Vaporii formaţi se ridică prin ştuţurile 4 şi ajungacircnd la partea superioară a sondei se condensează cedacircnd căldură agentului (amoniac) din cămăşile de răcire
Ca urmare cămăşile de răcire de la partea superioară a sondelor constituie vaporizatorul instalaţiei frigorifice Amoniacul care se condensează la partea superioară a sondei curge icircnapoi (de sus icircn jos) prin ştuţurile 4 Folosirea pereţilor despărţitori şi a ştuţurilor micşorează influenţa presiunii hidrostatice a lichidului asupra temperaturii de vaporizare a amoniacului Asemenea sonde de icircngheţare se folosesc pentru lucrări de mică adacircncime
Amplasarea sondelor se face icircn funcţie de o serie de factori formă poziţia şi dimensiunile lucrării care se realizează structura terenului temperatura şi viteza agentului etc
Icircn cazul puţurilor de mină de secţiune circulară sondele se amplasează pe un cerc
concentric de diametru D mai mare decacirct diametrul de săpare Ds cu grosimea a peretelui icircngheţat
sDD (54)
Trebuie să se ţină seama şi de deviaţia sondelor de la poziţia verticală icircncacirct pentru adacircncimi mari se utilizează relaţia
3
2 4
1
VAPORI 5 LICHID
3
2
4 1
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
43
a21DD s (55)
unde a = 003 H este abaterea medie statistică de la verticală a sondelor
Distanţa dintre sonde se ia de obicei de 1014 m icircn terenuri rezistente şi de 0809 m icircn terenuri slabe
Pentru adacircncimi de peste 500 m se recomandă să se dispună sondele pe două cercuri concentrice pentru a se forma un perete de grosime mai mare şi deci mai rezistent
La icircngheţarea terenului icircn jurul puţurilor de secţiune dreptunghiulară sondele se pot dispune pe dreptunghi sau elipsă Icircn aceste situaţii centura de teren icircngheţat poate fi solicitată la icircntindere ceea ce este de nedorit deoarece limita de rezistenţa la icircntindere a terenurilor icircngheţate este de circa 3 ori mai mică decacirct limita rezistenţei la compresiune Din acest motiv chiar şi la puţurile de mină de secţiune dreptunghiulară sondele se dispun pe unul sau două cercuri (fig 510)
Pentru realizarea galeriilor icircnclinate icircngheţarea terenului se realizează cu sonde verticale (fig 511) sau combinat atacirct cu sonde verticale cacirct şi cu sonde icircnclinate (fig 512)
Distanţa dintre sondele verticale (fig 511) se ia de 23 m iar distanţa dintre racircnduri este de 1525 m
Se poate folosi cacircte un racircnd de sonde icircnclinate montate deasupra galeriei (fig 212 a) sau sonde icircnclinate sub galerie şi sonde verticale scurte deasupra galeriei (fig 512 b)
SONDA
154 m
16
6 m
226
262
85
SONDA
Figura 411 Fig 511 Amplasarea sondelor verticale pentru realizarea galeriei icircnclinate
Figura 411 Fig 510 Dispunerea sondelor icircn jurul puţurilor de mină de secţiune
dreptunghiulară
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
44
Figura 412 Fig 512 Realizarea galeriilor icircnclinate cu sonde verticale (1) şi sonde oblice (2)
I - secţiunea longitudinală II - secţiunea transversală a) sonde icircnclinate deasupra galeriei b) sonde icircnclinate sub galerie
413 513 UTILIZAREA METODEI DE IcircNGHEŢARE A SOLULUI IcircN ŢARA NOASTRĂ
a)Puţuri de mină
Aplicarea metodei de icircngheţare a solului pentru lucrări de minerit a avut loc la noi icircn ţară icircncepacircnd cu anul 1960 la puţul Godeni din bazinul carbonifer Cacircmpulung - Muscel Proiectul a fost elaborat icircn anul 1959 la IPROMIN Bucureşti iar lucrarea a fost executată cu Trustul Minier Argeş avacircnd icircn subantrepriză de specialitate Icircntreprinderea Frigotehnica Bucureşti şi Trustul de prospecţiuni explorări şi deschideri de mine noi Bucureşti
Adacircncimea de săpare a puţului Godeni a trebuit sa fie de 202 m Sondele de icircngheţare constituite din două ţevi concentrice (fig 51) cu diametrele exterioare de 146 mm şi respectiv 57 mm icircn număr de 27 au fost amplasate pe un cerc cu diametrul de 10 m la distanţa de 117 m una de alta
Instalaţia frigorifică a fost dimensionată cu mare precauţie pentru a avea o siguranţă mărită icircn funcţionarea ei Toate părţile componente ale instalaţiei frigorifice au fost proiectate şi executate icircn ţară
La proiectarea instalaţiei s-a avut icircn vedere funcţionarea de scurtă durată şi variaţia puterii frigorifice icircn timp S-a utilizat răcirea indirectă cu soluţie de clorură de calciu iar ca agent frigorific a fost folosit amoniacul Pentru a avea elasticitatea necesară icircn funcţionare la diferite puteri frigorifice au fost folosite grupuri de utilaje frigorifice şi anume
6 compresoare 4 AU - 20 (200000 kcal Nh =233 kW fiecare)
3 baterii de condensatoare atmosferice a cacircte 300 m2 (900 m2)
bazine pentru răcirea saramurii fiecare cu cacircte 2 vaporizatoare superintensive de 50 m2 (600 m2)
2 grupuri a cacircte 5 pompe pentru recircularea saramurii
Puterea frigorifică a instalaţiei montate a fost de 12106 kcal Nh =1395 kW şi s-a caracterizat prin următoarele date tehnice la exploatare
85
1
2
I 85
1
2
I
85
1
2
II
85
1
2 II
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
45
o suprafaţa de schimb de căldură a sondelor 2500 m2 o puterea instalaţiei 750 kW o debitul saramurii icircn
o icircn perioada activă 350 m3h o icircn perioada pasivă 70 m3h
o viteza de circulaţie a saramurii icircn sondă o tur 18 ms 036 ms o retur 029 ms 006 ms
o volumul rocilor icircngheţate circa 10000 m3 o consumul specific de frig mediu 50000 m3 o durata icircngheţării (perioada activă) 130 zile
Icircn timpul răcirii şi deci a icircngheţării solului puterea frigorifică scade icircn mod continuu icircncacirct treptat s-a scos din funcţiune cacircte un compresor icircn perioada pasivă (de săpare a puţului) s-a menţinut icircn lucru doar un singur compresor şi grupul de utilaje aferent
După terminarea lucrărilor de la puţul Godeni icircn anii următori aceeaşi instalaţie s-a montat la puţul Poenari din acelaşi bazin carbonifer unde sondele au fost amplasate pe un cerc cu diametrul de 11 m la distanţa de 128 m una de alta
Un alt puţ realizat prin această tehnologie de icircngheţare a solului a fost puţul Jugur de la acelaşi bazin carbonifer Centrala frigorifică a cuprins 15 compresoare 3 AV - 20 (150000 kcal Nh fiecare=175kW) repartizate icircn 5 linii tehnologice independente cu icircntreg utilajul aferent Fiecare linie este compusă din
o butelie de răcire intermediară BRI - 700 un condensator cu evaporare forţată CEF - 180 un bazin cu patru grupuri vaporizatoare intensive de cacircte 165 m2 (icircn total 66 m2)
Sondele de icircngheţare icircn număr de 27 bucăţi au fost prevăzute să se amplaseze pe un cerc cu diametrul de 104 m la distanţă de 121 m Sondele sunt de tipul celei indicată icircn figura 58 deci cu răcire zonală avacircnd următoarele caracteristici diametrul exterior al burlanului este de 146 mm iar tuburile interioare au 57 mm (la exterior) tubul de alimentare are lungimea de 430 m iar cel de evacuare este de 220 m Ca urmare sondele de icircngheţare trebuie să producă icircngheţarea solului numai pe adacircncimea de la 220 m la 430 m Prin proiect s-au prevăzut următoarele date temperatura saramurii - 35 ordmC viteza saramurii icircn conducte de tur 18 ms viteza icircn conducte de retur (pe adacircncimea de răcit) 06 ms durata icircngheţării (perioada activă) a fost de 75 zile
Au fost prevăzute temperaturi scăzute şi viteze mari de congelare deoarece cilindrul icircngheţat trebuie să preia presiuni de pacircnă la 56 bar
b)Tunelurile pentru metroul din Bucureşti
Icircncepacircnd cu anul 1976 pentru realizarea metroului din Bucureşti s-a procedat la aplicarea metodei de icircngheţare a solului icircntr-o zonă considerată experimentală dar cu realizări efective de galerii
Prin proiect s-a prevăzut consolidarea prin icircngheţare artificială a profilului de săpare a tunelurilor de metrou pe o lungime de circa 550 m pe ambele fire Amplasamentul sondelor s-a făcut icircn două variante (pentru experimentare) pentru un fir de tunel ambele racircnduri de sonde s-au fixat icircn profilul circular de săpare iar pentru cel de al doilea fir de tunel sondele au fost forate icircn afara profilului de icircnaintare (fig 513) Au fost folosite sonde cu saramură cu posibilitatea de icircngheţare pe toată icircnălţimea de 16 m cacirct şi sonde cu icircngheţare zonală icircntre adacircncimile de 7 m şi 16 m Distanţa dintre sonde a fost fixată la 14 m
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
46
Pentru a se icircmpiedica accesul apelor icircn frontul de săpare datorate unor eventuale zone neicircngheţate traseul de tunel icircngheţat a fost icircmpărţit icircn incinte icircnchise prin timpane transversale La distanţe de 3050 m icircn lungul traseului au fost montate sonde de icircngheţare aşezate icircn plan normal pe axul tunelului prin care să se icircnchidă accesul apelor spre frontul de săpare
Echipamentul frigorific principal cuprinde
- 8 compresoare frigorifice 3 AV - 20 funcţionacircnd icircntr-o treaptă pentru care
corespunde puterea frigorifică de 12 106 kcal Nh =1395 kW
- 4 condensatoare de evaporare forţată CEF - 250
- 3 bazine de răcire a saramurii echipate cu cacircte 4 grupuri de vaporizatoare superintensive de cacircte 51 m2 (total 612 m2)
- 3 grupuri de cacircte 2 pompe a 220 m3h pentru circulaţia saramurii pe traseele de distribuţie şi prin sonde
Figura 413 Fig513 Amplasamentul sondelor de icircngheţare
Centrala frigorifică este stabilă adăpostită icircntr-o baracă metalică demontabilă existacircnd posibilitatea de reamplasare rapidă a instalaţiei icircntr-un alt loc Agentul frigorific utilizat este amoniacul iar agentul intermediar este clorura de calciu
Icircn perioada principală de icircngheţare temperatura de vaporizare este to = -22 ordmC asiguracircnd răcirea saramurii la -17 ordmC iar pe retur saramura a avut temperatura cu 15 ordmC mai ridicată
La o asemenea lucrare realizată icircn oraş se impune protejarea contra icircngheţului a straturilor de deasupra galeriilor icircn care sunt amplasate instalaţiile de apă - canal ceea ce presupune folosirea sondelor cu icircngheţare zonală care să nu fie active la partea superioară
c) Puţuri pentru prospectarea balastierelor
Procedeul şi instalaţia frigorifică au avut caracter de noutate şi s-a aplicat icircncepacircnd cu anul 1966 la mai multe obiective icircn general pe văile racircurilor unde s-au construit hidrocentrale
A
A B
B
A-A
000 -300 -700 -1061 -1300
65
800
B-B
000 -300 -700 -1061 -1300
65
550
ARGILA
ARGILA
NISIP
NISIP
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
47
Echipamentul frigorific principal cuprinde un agregat frigorific pentru amoniac de 20000 kcal Nh = 233 kW rezervor de amoniac separator de lichid şi anexe - toate fiind montate pe o remorcă
S-au folosit sonde de icircngheţare cu agent frigorific icircn număr de 8 bucăţi cu diametrul exterior de 133 mm montate pe un cerc cu diametrul de 2 m la distanţa de 076 m lungimea lor fiind de 75 m Legarea sondelor la distribuitor şi colector s-a făcut cu racorduri flexibile
Sondele au o construcţie specială fiind prevăzute cu 4 pereţi transversali cu ştuţuri de preaplin formacircndu-se astfel 5 compartimente Agentul lichid se introduce icircn compartimentul cel mai de sus şi se scurge prin ştuţuri pacircnă la baza sondei Conducta de aspiraţie străbate toate compartimentele vaporii fiind aspiraţi din compartimentul cel mai de jos Circulaţia vaporilor formaţi se face ca şi a lichidului de sus icircn jos obţinacircndu-se astfel o răcire uniformă şi eficientă pe toată icircnălţimea sondei
Durata icircngheţării respectiv a formării centurii de teren icircngheţat la adăpostul căreia să se poată efectua săparea şi preluarea de probe de sol este de 10 zile
414 514 CAcircMPUL DE TEMPERATURĂ IcircN SOLUL IcircNGHEŢAT
Cacircnd prin sonda de icircngheţare circulă saramură a cărei temperatura este sub 0 ordmC practic - 20 ordmC-25 ordmC icircn jurul sondei se formează un cacircmp termic care icircn cazul unei singure sonde poate fi reprezentat prin suprafeţe cilindrice coaxiale de temperatură constantă (izoterme)
După distanţa radială se deosebesc icircn sol din punct de vedere termic trei zone zona cilindrică din imediata vecinătate a sondei care este icircn zona icircngheţată zona răcită cuprinsă icircntre suprafaţa cilindrică izotermă de 0 ordmC şi izoterma de temperatură naturală şi a treia zonă cea de temperatura naturală (fig 514)
Icircn zona icircngheţată temperatura masivului variază de la temperatura peretelui metalic al sondei pacircnă la 0 ordmC Icircn zona răcită temperatura masivului creşte de la 0 ordmC pacircnă la temperatura naturală a masivului
Figura 414 Fig 514 Cacircmpul de temperatură icircn jurul unei sonde de icircngheţare
Este important să se cunoască cacircmpul termic icircn terenul supus icircngheţării deoarece acesta oferă date privind zona de răspacircndire a consolidării rocilor prin solidificarea apei cacirct şi a
t [oC]
r [m]
t (r)
ZONA RACITA
ZONA INGHETAT
A
ts TEMPERATURA NATURALA A ROCII
-20
-10
40
10 0 20 30
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
48
rezistenţei mecanice a rocii icircngheţate Se cunoaşte faptul că rezistenţa mecanică depinde direct de temperatură
Studiul variaţiei temperaturii icircn zona de influenţă a unei sonde şi a tuturor sondelor simultan oferă posibilitatea calculării dimensiunilor la proiectarea construcţiei peretelui protector cacirct şi controlul procesului icircn timpul desfăşurării lucrărilor
Pentru a se stabili relaţia de variaţie a temperaturii icircn zona icircngheţată icircn funcţie de raza r se consideră ecuaţia diferenţială
dr
dtr2q (56)
icircn care q este fluxul unitar de căldură corespunzător lungimii de 1 m din sonda de icircngheţare Wm
- conductivitatea termica a terenului Wm
Integrarea directă a ecuaţiei analitice se poate face icircn ipoteze simplificatoare consideracircnd
= const şi q = const ceea ce este justificat la valori mari ale timpului de răcire
Se separa variabilele
r
dr
2
qdt
(57)
Se consideră cunoscute temperaturile t1 la suprafaţa sondei de raza r1 și t2 = 0 ordmC la raza r2 corespunzătoare suprafeţei exterioare a cilindrului icircngheţat Se integrează ecuaţia (6-7) și cunoscacircnd limitele de integrare se va determina constanta de integrare
Cr ln2
qt
(58)
pentru r = r1 t = t1 deci
11 rln2
qtC
(59)
1
1r
rln
2
qtt
(510)
Se pune condiţia ca pentru r = r2 t = t2
1
212
r
rln
2
qtt
(511)
Se elimina q intre relaţiile (510) și (511) şi se obţine
1
2
1121
r
rln
r
rln
tttt (512)
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
49
Figura 415 Fig 515 Schema schimbătorului de căldură subteran
Pentru t2 = 0 ordmC relaţia (5-12) devine
)rrln(
)rrln(tt
12
21 (513)
Icircn figura 515 se prezintă o secţiune axială printr-o sondă de icircngheţare şi variaţia temperaturii icircn limitele t0 - temperatura agentului de răcire şi ts - temperatura naturală a solului
Cantitatea de căldură transferată de la masivul neicircngheţat spre agentul de răcire prin unitatea de lungimea de conducta şi unitatea de timp se calculează cu expresia
221
2
1o
1
moo
os
d
1
d
dln
1
d
dln
2
1
d
1
ttq
(514)
Icircn calculele inginereşti cel mai frecvent se determină nu fluxul termic pe unitatea de lungime a conductei ci fluxul termic qF raportat la unitatea de suprafaţă a conductei metalice la 1 m2 de suprafaţa exterioară sau interioară Mărimea qF se calculează astfel
22
o
1
2
1
o
o
1
m
o
o
oS
o
F
d
d
d
dln
2
d
d
dln
2
d1
tt
d
(515)
Fluxul termic qF prin unitatea de suprafaţă a sondei de icircngheţare calculat pentru adacircncimea de 100 m icircn regim laminar de curgere a agentului de răcire prin spaţiul inelar al sondei cu viteza w = 01 ms la diametre ale cilindrului de rocă icircngheţata
de la 02 la 3 m pentru to = -20 ordmC do = 01 m 1 = 233 WmK variază de la 720 la 230 Wm2 aşa cum se poate observa din figura 516 şi tabelul 51
d2
d1
d0
t
qF
t0
t2
t1 2
m 1
m
ts
Conducta Teren icircngheţat Teren
neicircngheţat
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
50
Figura 416 Fig 516 Variaţia fluxului termic qF prin unitatea de suprafaţă a sondei de icircngheţare 1 - regim turbulent 2 regim laminar
Tabelul 51Variaţia fluxului termic qF [Wm2]
Diametrul cilindrului de rocă icircngheţată icircn m
02 04 05 08 10 15 20
qF regim laminar 1160 550 387 330 302
qF regim laminar 720 465 423 350 321 283 258
Se observă ca densitatea fluxului de căldura qF scade foarte mult de la 800900 Wm2 la icircnceputul operaţiei de consolidare prin frig a rocilor pacircnă la 230250 Wm2 cacircnd cilindrul de rocă icircngheţata atinge diametrul de 23 m Ca urmare a acestei situaţii şi puterea frigorifică a instalaţiei va scădea icircn decursul a 6080 zile tot cu raportul de 800230 = 35
Instalaţia frigorifică va fi constituită din grupuri de utilaje (module) ce vor fi scoase treptat din funcţiune pe măsură ce se reduce densitatea fluxului de căldură qF ca urmare a creşterii grosimii stratului de teren icircngheţat Icircn practică pentru calcule se va considera qF = (260290) Wm2
O mărime importanta pentru proiectarea instalaţiei şi aprecierea procesului de consolidare a rocilor este timpul de icircngheţare Pentru calculul duratei de icircngheţare se pot folosi relaţiile prezentate icircn capitolul 3 la formarea gheţii pe suprafeţe cilindrice exterioare La aprecierea valorii pentru ls - căldura latentă de solidificare se avea icircn vedere conţinutul de apă din terenul supus icircngheţării
Dacă icircntre relaţiile pentru dependenţele (r) şi qF(r) se elimină r se obţine dependenţa
qF() Eliminarea nu se poate face direct ci fie cu ajutorul calculatorului fie printr-o construcţie grafică prezentată icircn figura 517
Studiul variaţiei temperaturii icircn solul icircngheţat cacirct și variaţia icircn timp a densităţii fluxului de căldura se poate face cu ajutorul calculatorului electronic
1200
1000
800
600
400
200
0 05 1 15 2 25 3
qF [Wm2]
Diametrul cilindrului de rocă icircngheţată [m]
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
51
Figura 417 Fig 517 Stabilirea dependentei qF() pe baza dependentelor qF(r) și (r)
415 515 ELEMENTE DE PROIECTARE A INSTALAŢIEI FRIGORIFICE PENTRU IcircNGHEŢAREA SOLULUI
Pentru proiectarea instalaţiei frigorifice trebuie sa se stabilească la icircnceput elementele de baza și anume
- puterea frigorifică maximă care apare la icircnceputul perioadei de răcire cacircnd pătrunderile de căldura spre agentul de răcire din sondele de icircngheţare au valori mai mari temperatura de vaporizare a agentului frigorific plecacircnd de la temperatura minimă sau medie din solul icircngheţat şi avacircnd icircn vedere modul de răcire directă sau indirectă
Se calculează cantitatea totală de căldură ce trebuie extrasă din terenul supus răcirii şi icircngheţării Se cunoaşte structura terenului icircngheţat deci se cunosc icircnălţimile h1 h2hn ale diferitelor straturi componente cacirct şi proprietăţile termofizice ale acestora
Grosimea centurii de teren icircngheţat se stabileşte icircn urma calculelor de rezistenţa materialelor icircncacirct se pot calcula volumele ocupate de straturile componente V1 V2Vn
Cantitatea de căldură ce trebuie extrasă din zona icircngheţată cuprinde două componente și anume
cantitatea de căldura Qa corespunzătoare răcirii şi icircngheţării apei
cantitatea de căldura Qt necesara răcirii părţii solide a terenului
n
1kfgsikaakka tcltcVQ (516)
unde
k - reprezintă conţinutul icircn apă din stratul respectiv [m3m3]
a - densitatea apei [kgm3]
ca cg - căldura specifica a apei respectiv a gheţii Jkg K
tik - temperatura iniţiala a stratului respectiv (de ordinul k)
tf - temperatura medie finala a masivului icircngheţat
ls - căldura latentă de solidificare a apei
r
q
q
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
52
fik
n
1kkkkkt ttc1VQ
(517)
k - densitatea părţii de teren solid (uscat) din stratul k
ck - căldura specifică a terenului uscat din stratul k
Cantitatea de căldură extrasă din terenul răcit reprezintă circa 1018 din cantitatea de căldură extrasă din zona de teren icircngheţat
Deci cantitatea totală de căldură Q ce va trebui preluată de către instalaţia frigorifică se poate aprecia astfel
Q = (110118) (Qa + Qt) (518)
Cu relaţia (51) se calculează puterea frigorifica a instalaţiei adoptacircnd o valoare medie pentru densitatea fluxului de căldura qF
Se poate aprecia timpul de funcţionare a instalaţiei frigorifice
o
Q
(519)
La anumite grosimi ale cochiliei de teren icircngheţat icircn jurul sondei densitatea fluxului termic scade sub valoarea medie adoptată icircn calcule şi ca urmare icircncepacircnd de la acest moment se va putea reduce treptat puterea frigorifica a instalaţiei prin scoaterea din funcţiune a unor grupuri
La proiectare se pot avea icircn vedere unele recomandări practice pentru stabilirea necesarului de frig pentru icircngheţarea unui m3 la -10 ordmC este necesar un consum specific de frig de 66000 kJ la 10 umiditate de 155000 kJ la 35 umiditate și de 210000 kJ la 50 umiditate
42 52 RĂCIREA BETONULUI LA CONSTRUCŢIILE MASIVE
421 521 INSTALAŢII DE PRERĂCIRE A COMPONENTELOR BETONULUI
Formarea betonului din elementele sale componente (nisip pietriş ciment şi apă) este icircnsoţită de fenomene fizico - chimice icircn care se degajă căldură şi ca urmare temperatura acestuia creşte Icircn cazul unor masive din beton (baraje) dacă viteza de turnare (icircn sezonul cald cacircnd se efectuază construcţia) este mai mare şi nu se asigura evacuarea căldurii corpul rezultă la o temperatura medie mai mare decacirct temperatura medie anuală Răcirea naturală conduce la contracţia masivului şi ca urmare la apariţia sub acţiunea tensiunilor interne a unor fisuri
Pentru ca variaţiile de temperatura icircntre centrul barajului şi straturile exterioare să fie cacirct mai mici se impune ca masivul respectiv să fie turnat la temperatura medie anuală a zonei respective Icircn acest scop se pot folosi două metode prin prerăcirea componentelor betonului și prin răcirea masei barajului
Icircn vederea reducerii căldurii degajată icircn reacţia dintre ciment şi apă au fost realizate sortimente de ciment caracterizate prin călduri masice reduse ce se degajă icircn procesul de priză
Prin prerăcirea componentelor betonului se urmăreşte ca betonul sa aibă temperatura medie a locului de amplasament şi prin aceasta evitarea apariţiei unor diferenţe mari de temperatură ce pun icircn pericol construcţia
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
53
Icircn funcţie de valoarea diferenţei de temperatură care trebuie realizată se poate adopta o anumită schemă de răcire pentru fiecare component icircn parte sau numai pentru unele din aceste părţi componente
Se pot folosi instalaţii frigorifice cu comprimare mecanică de vapori pentru răcirea apei a aerului sau formarea gheţii mărunte utilizate la prerăcirea componentelor betonului Folosirea gheţii fulgi sau solzi este limitată atacirct din cauza conţinutului de apă impus cacirct şi ca urmare a pericolului ca gheaţa să nu se topească icircn procesul de malaxare ci la turnare sau icircn procesul de priză ceea ce duce la formarea de goluri icircn beton
De asemenea se pot folosi instalaţiile frigorifice cu ejecţie
Icircn vederea stabilirii necesarului de frig pentru preratildecirea componentelor betonului se calculează mai icircntacirci cantitatea de catildelduratilde Qo1 ce trebuie evacuatatilde dintr-un m3 de beton avacircndu-se icircn vedere proporţiile icircn care participatilde cimentul nisipul pietrişul şi apa Fiecare component are o temperatură iniţialatilde şi urmeazatilde a fi răcit pacircnatilde la o temperatura finalatilde tf aceeaşi pentru toţi componenţii
fpppfnnnfccc1o ttcmttcmttcmQ
fnaanfpaapfaaa ttcmttcmttcm Jm3 (520)
unde
mc mn mp ma - masele de ciment nisip pietriş şi apă conţinute icircntr-un m3 de beton [kgm3]
cc cn cp cw - căldurile specifice masice ale cimentului nisipului pietrişului şi nisipul dintr-un m3 de beton [kgm3]
Puterea frigorifică se determină cu relaţia
3b1oo 10VQ [kW] (521)
icircn care bV reprezintă fluxul de betonare icircn m3s
Se prezintă icircn continuare cele mai folosite metode de prerăcire a componentelor betonului
4211 a) Instalaţie de prerăcire cu apă
Staţia de preparare a betonului este deservită de o instalaţie frigorifică cu comprimare mecanică de vapori care asigură răcirea apei
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
54
Figura 418 Fig 518 Schema de lucru a instalaţiei de prerăcire a betonului cu ajutorul apei 1 - ciment 2 - vagon nisip 3 - vagon pietris 4 - tancuri de răcire a pietrişului 5 - sită 6 - siloz de
nisip 7 - siloz de ciment 8 - rezervor de distribuţie 9 - răcitor de nisip 10 - răcitor de ciment 11 - răcitor de apă 12 - rezervor de apă răcită 13 - răcitor de apă 14 - instalaţie de prepararea betonului
I II III IV V - fazele de răcire a pietrişului
Icircn figura 518 se prezintă schema de lucru a unei asemenea instalaţii de prerăcire a betonului cu ajutorul apei folosită la construcţia barajului de la Detroit (SUA) Apa este răcită de la 16 la 15 ordmC şi transmisă apoi la instalaţia de preparare a betonului şi icircn cinci rezervoare a cacircte 90 m3 fiecare icircn care se răceşte pietrişul
Procesul de răcire a pietrişului cuprinde cinci faze
- faza I - introducerea apei icircn rezervor 10 minute
- fazele II şi III - introducerea simultană a apei şi a pietrişului 50 minute
- faza IV - evacuarea apei 15 minute
- faza V - evacuarea pietrişului 15 minute
Icircntregul proces de răcire a pietrişului durează 90 minute Pentru răcirea cimentului şi nisipului se utilizează schimbătoare de căldură cu ax elicoidal la care apa de răcire circulă prin arborele gol şi prin manta
Rezervoarele 12 pentru apa răcită au fiecare volumul de 114 m3
Beton 635oC
190 m3h
65oC
24oC
18oC
1
2
3
4
5
6
7
8
10
9
11
12
13
14
Apă 16oC
15oC
Cim
en
t
26 l
h
Nis
ip 1
12
lh
10
oC
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
55
42111 Aplicaţie numerică
Să se calculeze puterea frigorifică necesară prerăcirii betonului prin metode şi condiţiile prezentate mai sus Se cunosc următoarele date de calcul
mp = 1700 kgm3 beton
mc = 135 kgm3 beton
mn = 590 kgm3 beton
ma = 60 kgm3 beton
cc = cn = cp = 921 Jkg K
ca = 4180 Jkg K
map = 16 kgm3 beton
man = 38 kgm3 beton
tp = 18 ordmC
tc = 66 ordmC
tn = 21 ordmC tf = 635 ordmC
052803000
190Vb m3s
Se calculează componentele cantităţii de căldură Q01
3fcccc 10741735666921135ttcmQ Jm3
3fnnnn 10796135621921590ttcmQ Jm3
3fpppp 1024018356189211700ttcmQ Jm3
3faaaa 10420235616418060ttcmQ Jm3
3fpaapap 1077935618418016ttcmQ Jm3
3fnaaan 10232735621418038ttcmQ Jm3
Rezulta
3anapapnc1o 1039144QQQQQQQ Jm3
3o 10 206705280103914410VQ 33
b1o kW
4212 b) Instalaţii de prerăcire cu aer apă
Pentru răcirea componentelor betonului se utilizează icircn acest caz fie apa fie aerul ca agenţi intermediari răciţi cu ajutorul instalaţiilor frigorifice
Icircn figura 519 se prezintă schema unei asemenea instalaţii folosită la construcţia barajului de la Sariyar din Turcia
Răcirea aerului se poate face fie direct prin vaporizarea unui agent frigorific fie indirect cu un agent intermediar de răcire ca de exemplu saramura de clorură de calciu Aerul răcit pacircnă la -6 ordmC este suflat icircn silozurile cu pietriş de dimensiuni icircntre 4150 mm
Apa răcită icircn bazinul la pacircnă la 05 ordm este trimisă din colectorul 12 la staţia de preparare a betonului servind la scăderea temperaturii acestuia
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
56
Figura 419 Fig 519 Schema instalaţiei de prerăcire a betonului cu aer şi apă 1 - compresor 2 - condensator 3 - ventile de laminare 4 - vaporizatoare 5 - bazin de răcire a
saramurii 6 - pompă de saramură 7 - răcitor umed de aer 8 - ventilatoare 9 - silozuri de pietriş 10 - bazin de răcire a apei 11 - pompă 12 - colector de apă răcită
Figura 420 Fig 520 Schema instalaţiei de prerăcire cu aer şi apă 1 - siloz de pietriş şi nisip 2 - siloz de ciment 3 rezervor de apă 4 - răcitor de aer 5 - răcitor de apă
4 - răcitor de apă 6 - buncăr de sortare 7 - instalaţie de preparare beton
Pentru intensificarea procesului de răcire a pietrişului aerul este răcit sub 0 ordmC Acest procedeu are avantajul unei funcţionări fără icircntrerupere a procesului de preparare a betonului dar prezintă şi o serie de dezavantaje debite foarte mari de aer de răcire posibilitatea antrenării particulelor fine de agregat icircn răcitorul de aer şi depunerea acestora pe suprafaţa de schimb de căldură Ca urmare instalaţia se va curăţa la circa 14 zile Icircn figura 520 se prezintă o altă schemă de instalaţie de prerăcire a betonului cu aer şi apă folosită la construcţia unui baraj din India
Apă
295oC
Ciment
433oC
Pietriş şi nisip
378oC
Apă 6oC
Ciment 433oC
Aer
Pietriş
45oC Nisip 222oC
22oC
Ap
ă
45
oC
Ap
ă 2
2o
C
Ae
r 5
5o
C
Be
ton
12
8o
C
Apă 22oC
2
1
3 4 5
8
9
5 7
12
1oC
11
05oC 9oC 9oC
-9oC
-10oC -10oC
-10oC 2oC
6oC
10 4 4 6
8 8
8
8 8
9 9 9 9
1
2
3 3
7
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
57
Pietrişul şi nisipul se separă icircntre ele icircn buncărul de sortare 6 şi apoi fiecare circulă pe cacircte o bandă transportoare prin camera de răcire 7 Pietrişul este răcit cu ajutorul apei
Fig
ura
42
1 F
ig 5
21
Sc
he
ma
in
sta
laţi
ei
de
ră
cir
e icirc
n v
id a
co
mp
on
en
telo
r b
eto
nu
lui
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
58
reci icircncacirct ajunge la o temperatură mai scăzută decacirct nisipul răcit cu aer Prin camera 7 se circulă şi aer rece care se introduce la temperatura de 55 ordmC Cimentul se introduce la instalaţia de preparare a betonului 9 fără a fi răcit
O altă posibilitate de prerăcire a agregatelor (pietriş şi nisip) şi a apei utilizată mai recent la construirea barajelor icircntrebuinţează răcirea icircn vid la care agregatele uşor umezite icircn recipiente sub presiune se răcesc după nevoie (prin reglarea vacuumului) la o temperatură mai scăzută sau mai ridicată Căldura necesară evaporării umidităţii de pe agregate şi din ele (apa legată) este luată chiar de la corpurile respective (pietriş nisip) şi ca urmare acestea se răcesc
O asemenea instalaţie utilizată la Hortwell icircn SUA (figura 521) cuprinde 3 recipienţi de cacircte 150 m3 pentru răcirea pietrişului şi 3 recipienţi de cacircte 80 m3 pentru răcirea nisipului
Pietrişul şi nisipul cu temperatura maximă de 43 ordmC se pot răci pacircnă la temperatura necesară de 45 ordmC Pentru realizarea vidului necesar se folosesc două cazane de abur care produc 77 th fiecare
422 522 RĂCIREA INTERIOARĂ A MASIVULUI DE BETON
Prerăcirea betonului se recomandă icircn condiţiile unei zone tropicale sau temperate de amplasare a construcţiei masive nu se recomandă icircn cazul amplasării barajului icircn munţi unde temperatura aerului este scăzută Icircn asemenea situaţii se recomandă răcirea betonului prin conducte amplasate icircn masiv prin care circulă apă rece
La răcirea interioară cu conducte montate icircn beton are loc o eliminarea a căldurii simultan cu producerea ei icircn procesul de priză producacircndu-se şi o răcire pacircnă la temperatura necesară Pentru răcire se folosesc conducte de oţel cu diametre de 1525 mm montate la distanţe de 1223 m icircn plan orizontal şi de 153 m icircn plan vertical Lungimea conductelor icircntr-un m3 de beton este de 0204 şi a fiecărei serpentine de 140250 m
Debitul apei de răcire ce circulă prin 1 m3 de beton este de (0553) dm3h
Figura 422 Fig 522 Reţea de conducte de răcire a betonului icircn secţiunea unui baraj 1 - galerie pentru măsurători 2 - galerie de conducte de apă de răcire
Serpentinele se montează şi se fixează pe suprafaţă de beton (fig522) Capetele serpentinelor se leagă de o coloană verticală prin mufe metalice sau de cauciuc Diametrul distribuitorului şi al coloanei este cuprins icircntre 150200 mm După montaj aceste conducte se verifică la presiunea de lucru
1 2
Ax
a
ba
raju
lui
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
40
Conductele magistrale se realizează prin icircmbinări cu flanşe sau sudate iar la lungimi mai mari de 100150 m se vor prevedea coturi compensatoare Pentru reducerea pierderilor de frig magistralele vor fi izolate termic
Distribuitorul de saramură răcită şi colectorul de saramură de la sonde sunt construcţii metalice identice
Icircn figura 57 se prezintă modul de racordare a sondelor de icircngheţare 5 la distribuitorul 1 şi colectorul 2 Vanele 3 asigură icircnchiderea deci oprirea circulaţiei şi reglajul debitului Prin aceste vane se poate izola o anumită sondă care nu funcţionează normal sau la care se observă o anumită defecţiune
Figura 47 Fig 57 Racordarea sondelor de icircngheţare la distribuitor şi colector 1 - distribuitor 2 - colector 3 - vane 4 - racord elastic 5 - sonda de icircngheţare
Poziţia distribuitorului şi colectorului faţă de racircndul sondelor de icircngheţare poate fi laterală de o singură parte sau laterală de ambele părţi ale sondelor Amplasamentul trebuie astfel făcut icircncacirct să fie posibilă vizitarea supravegherea şi eventual icircnlocuirea sondelor de icircngheţare
Racordarea sondelor la distribuitor şi colector se face prin cacircte un racord elastic (fig 57) Dimensionarea distribuitoarelor şi a colectoarelor se face din condiţia ca viteza saramurii să nu depăşească 0915 ms
Coloanele de distribuţie şi colectare urmăresc icircn teren forma şirului de sonde de icircngheţare şi pot avea acelaşi traseu sau trasee diferite Configuraţia traseului poate fi icircn linie sau circulară Icircn oricare din situaţiile prezentate distanţele dintre ştuţurile de racord şi sondele de icircngheţare sunt variabile astfel icircncacirct racordurile rigide prin flanşe şi sudură sunt greu de realizat Cea mai practică soluţie de racord icircn acest caz este furtunul de cauciuc (fig 57)
Icircn reţeaua de saramură poate pătrunde aer prin procesul de pompare ceea ce conduce la intensificarea acţiunii corosive a saramurii Icircn scopul icircndepărtării aerului nedorit pe partea superioară a conductelor icircn punctele cele mai ridicate ale acestora se montează robineţi de evacuare periodică a aerului şi eventual a altor gaze
Pe conductele magistrale se vor monta aparate de măsură şi control debitmetre termometre şi manometre (fig 56) Icircn acest caz se poate aprecia funcţionarea fiecărei sonde după depunerile exterioare de gheaţă pe racordul metalic sau de cauciuc lăsate neizolate termic tocmai icircn acest scop Icircn scopul urmăririi regimului de lucru sub aspect
5
4
1
2 3
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
41
hidraulic şi termic icircn mod individual se pot monta aparate de măsură şi control pe fiecare sondă de icircngheţare dar această soluţie este mai costisitoare
Sonda de icircngheţare realizează transferul de căldură de la terenul ce urmează a fi icircngheţat spre agentul frigorific (la răcirea directă) sau agentul intermediar (la răcirea indirectă)
Icircn figura 51 s-a prezentat schema de principiu a unei sonde de icircngheţare cu saramură activă pe toată lungimea Conducta exterioară sau burlanul de icircngheţare 3 este o conductă din oţel etanşă şi rezistentă la eforturile mecanice care apar datorită presiunii solului şi variaţiei de temperatură icircntre momentul fixării ei icircn sol şi cel al funcţionării la o temperatura sub 00C
Icircn procesul de icircngheţare coloana de burlane care poate atinge lungimi de sute de metri se contractă icircnsă nu liber deoarece ea este stracircnsă icircn masivul de roci La o variaţie de temperatură icircntre momentul iniţial (fără saramură) şi momentul pornirii circulaţiei de saramură de 400C conducta din oţel de 500 m adacircncime ar trebui să se contracte cu
tHH = 500 11 10-6 40 = 0220 m = 22 cm
Datorită fixării coloanei icircn gaura forată efortul unitar de icircntindere ce apare icircn urma scăderii temperaturii este
tE = 22 1010 11 10-10 40 = 968 105 Nm2 = 9680 Ncm2
La acest efort de icircntindere apărut datorită contracţiei coloanei se mai adaugă efortul de acelaşi semn provocat de dilatarea masivului de rocă acviferă icircngheţată Icircn scopul compensării eforturilor de icircntindere s-a propus icircmbinarea coloanei cu nipluri elastice O asemenea soluţie este mai scumpă şi icircn plus micşorează secţiunea liberă de curgere ceea ce conduce la icircncălzirea excedentară a saramurii
La lucrări subterane de mare adacircncime ca puţurile de mină depozite subterane se folosesc burlane de 1397 x 7 mm pentru a fi posibilă determinarea abaterii de la poziţie verticală
La tunelurile de metrou şi icircn general la lucrările la care adacircncimea de icircngheţare nu depăşeşte 50 - 60 m diametrul cel mai frecvent utilizat este 1143 x 7 mm
Ţeava interioară 2 (fig 51) numită şi tub de alimentare de regulă ţeava uşoară de instalaţii de 50 mm diametrul se introduce icircn burlanul exterior 3 fără icircnsă a atinge şiul de bază 1 al sondei Se asigură icircn acest mod un volum minimal de depuneri solide care circulă cu saramura icircn mod incidental Icircn scopul economisirii de metal tubul de alimentare poate fi din material plastic ceea ce prezintă marele avantaj al lipsei coroziunii şi al refolosirii materialului respectiv
Şiul de fund are rolul de a asigura icircnchiderea burlanului exterior icircn partea sa inferioară Cel mai adesea are formă conică pentru a asigura introducerea cu uşurinţă a coloanei metalice icircn gaura de sondă Această componentă a sondei de icircngheţare se execută fie prin turnare sau se confecţionează cu ajutorul sudurii
Corespunzător profilului geologic al terenului icircn care se lucrează se icircntacirclnesc şi cazuri cacircnd nu este nevoie să se icircngheţe terenul pe toată icircnălţimea sondelor ci numai la partea lor inferioară Icircn acest caz se folosesc sonde de icircngheţare zonală (fig 58) cu ajutorul cărora se asigură congelarea doar a zonei inferioare ceea ce prezintă avantaje economice deosebite nu se consumă energie pentru a icircngheţa icircn mod inutil formaţiuni geologice consistente şi uscate şi nu se reduce ritmul lucrărilor de săpare printr-o eventuală mărire a rezistenţei rocilor
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
42
Figura 48 Fig 58 Sonda de icircngheţare zonală
1 - burlan exterior 2 - tub de alimentare 3 - şiu 4 - tub de evacuare
Figura 49 Fig59 - Sonda de icircngheţare cu agent
frigorific 1 - tub exterior 2 - perete despărţitor 3 - şiu 4 -
ştuţ (ţeavă de preaplin) 5 - condensator - vaporizator
Icircn cazul răcirii directe sondele de icircngheţare cu agent frigorific sunt de construcţie specială (fig 59) Particularitatea acestor sonde este prezenţa pereţilor despărţitori 2 dispuşi unul sub celălalt la circa 3 m fiecare perete fiind prevăzut cu un ştuţ de preaplin O asemenea construcţie are rolul de a fracţiona coloane de lichid ceea ce asigură o răcire mai uniformă pe lungimea sondei
Fiecare sondă este prevăzută la partea superioară cu cacircte o cămaşă de răcire Sondele se umplu cu amoniac lichid icircntr-o asemenea cantitate icircncacirct fiecare secţie să fie icircnecată cu lichid respectiv pacircnă la partea superioară a ştuţurilor 4 Ca urmare a fluxurilor de căldură de la sol se produce fierberea amoniacului icircn toate secţiile sondei Vaporii formaţi se ridică prin ştuţurile 4 şi ajungacircnd la partea superioară a sondei se condensează cedacircnd căldură agentului (amoniac) din cămăşile de răcire
Ca urmare cămăşile de răcire de la partea superioară a sondelor constituie vaporizatorul instalaţiei frigorifice Amoniacul care se condensează la partea superioară a sondei curge icircnapoi (de sus icircn jos) prin ştuţurile 4 Folosirea pereţilor despărţitori şi a ştuţurilor micşorează influenţa presiunii hidrostatice a lichidului asupra temperaturii de vaporizare a amoniacului Asemenea sonde de icircngheţare se folosesc pentru lucrări de mică adacircncime
Amplasarea sondelor se face icircn funcţie de o serie de factori formă poziţia şi dimensiunile lucrării care se realizează structura terenului temperatura şi viteza agentului etc
Icircn cazul puţurilor de mină de secţiune circulară sondele se amplasează pe un cerc
concentric de diametru D mai mare decacirct diametrul de săpare Ds cu grosimea a peretelui icircngheţat
sDD (54)
Trebuie să se ţină seama şi de deviaţia sondelor de la poziţia verticală icircncacirct pentru adacircncimi mari se utilizează relaţia
3
2 4
1
VAPORI 5 LICHID
3
2
4 1
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
43
a21DD s (55)
unde a = 003 H este abaterea medie statistică de la verticală a sondelor
Distanţa dintre sonde se ia de obicei de 1014 m icircn terenuri rezistente şi de 0809 m icircn terenuri slabe
Pentru adacircncimi de peste 500 m se recomandă să se dispună sondele pe două cercuri concentrice pentru a se forma un perete de grosime mai mare şi deci mai rezistent
La icircngheţarea terenului icircn jurul puţurilor de secţiune dreptunghiulară sondele se pot dispune pe dreptunghi sau elipsă Icircn aceste situaţii centura de teren icircngheţat poate fi solicitată la icircntindere ceea ce este de nedorit deoarece limita de rezistenţa la icircntindere a terenurilor icircngheţate este de circa 3 ori mai mică decacirct limita rezistenţei la compresiune Din acest motiv chiar şi la puţurile de mină de secţiune dreptunghiulară sondele se dispun pe unul sau două cercuri (fig 510)
Pentru realizarea galeriilor icircnclinate icircngheţarea terenului se realizează cu sonde verticale (fig 511) sau combinat atacirct cu sonde verticale cacirct şi cu sonde icircnclinate (fig 512)
Distanţa dintre sondele verticale (fig 511) se ia de 23 m iar distanţa dintre racircnduri este de 1525 m
Se poate folosi cacircte un racircnd de sonde icircnclinate montate deasupra galeriei (fig 212 a) sau sonde icircnclinate sub galerie şi sonde verticale scurte deasupra galeriei (fig 512 b)
SONDA
154 m
16
6 m
226
262
85
SONDA
Figura 411 Fig 511 Amplasarea sondelor verticale pentru realizarea galeriei icircnclinate
Figura 411 Fig 510 Dispunerea sondelor icircn jurul puţurilor de mină de secţiune
dreptunghiulară
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
44
Figura 412 Fig 512 Realizarea galeriilor icircnclinate cu sonde verticale (1) şi sonde oblice (2)
I - secţiunea longitudinală II - secţiunea transversală a) sonde icircnclinate deasupra galeriei b) sonde icircnclinate sub galerie
413 513 UTILIZAREA METODEI DE IcircNGHEŢARE A SOLULUI IcircN ŢARA NOASTRĂ
a)Puţuri de mină
Aplicarea metodei de icircngheţare a solului pentru lucrări de minerit a avut loc la noi icircn ţară icircncepacircnd cu anul 1960 la puţul Godeni din bazinul carbonifer Cacircmpulung - Muscel Proiectul a fost elaborat icircn anul 1959 la IPROMIN Bucureşti iar lucrarea a fost executată cu Trustul Minier Argeş avacircnd icircn subantrepriză de specialitate Icircntreprinderea Frigotehnica Bucureşti şi Trustul de prospecţiuni explorări şi deschideri de mine noi Bucureşti
Adacircncimea de săpare a puţului Godeni a trebuit sa fie de 202 m Sondele de icircngheţare constituite din două ţevi concentrice (fig 51) cu diametrele exterioare de 146 mm şi respectiv 57 mm icircn număr de 27 au fost amplasate pe un cerc cu diametrul de 10 m la distanţa de 117 m una de alta
Instalaţia frigorifică a fost dimensionată cu mare precauţie pentru a avea o siguranţă mărită icircn funcţionarea ei Toate părţile componente ale instalaţiei frigorifice au fost proiectate şi executate icircn ţară
La proiectarea instalaţiei s-a avut icircn vedere funcţionarea de scurtă durată şi variaţia puterii frigorifice icircn timp S-a utilizat răcirea indirectă cu soluţie de clorură de calciu iar ca agent frigorific a fost folosit amoniacul Pentru a avea elasticitatea necesară icircn funcţionare la diferite puteri frigorifice au fost folosite grupuri de utilaje frigorifice şi anume
6 compresoare 4 AU - 20 (200000 kcal Nh =233 kW fiecare)
3 baterii de condensatoare atmosferice a cacircte 300 m2 (900 m2)
bazine pentru răcirea saramurii fiecare cu cacircte 2 vaporizatoare superintensive de 50 m2 (600 m2)
2 grupuri a cacircte 5 pompe pentru recircularea saramurii
Puterea frigorifică a instalaţiei montate a fost de 12106 kcal Nh =1395 kW şi s-a caracterizat prin următoarele date tehnice la exploatare
85
1
2
I 85
1
2
I
85
1
2
II
85
1
2 II
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
45
o suprafaţa de schimb de căldură a sondelor 2500 m2 o puterea instalaţiei 750 kW o debitul saramurii icircn
o icircn perioada activă 350 m3h o icircn perioada pasivă 70 m3h
o viteza de circulaţie a saramurii icircn sondă o tur 18 ms 036 ms o retur 029 ms 006 ms
o volumul rocilor icircngheţate circa 10000 m3 o consumul specific de frig mediu 50000 m3 o durata icircngheţării (perioada activă) 130 zile
Icircn timpul răcirii şi deci a icircngheţării solului puterea frigorifică scade icircn mod continuu icircncacirct treptat s-a scos din funcţiune cacircte un compresor icircn perioada pasivă (de săpare a puţului) s-a menţinut icircn lucru doar un singur compresor şi grupul de utilaje aferent
După terminarea lucrărilor de la puţul Godeni icircn anii următori aceeaşi instalaţie s-a montat la puţul Poenari din acelaşi bazin carbonifer unde sondele au fost amplasate pe un cerc cu diametrul de 11 m la distanţa de 128 m una de alta
Un alt puţ realizat prin această tehnologie de icircngheţare a solului a fost puţul Jugur de la acelaşi bazin carbonifer Centrala frigorifică a cuprins 15 compresoare 3 AV - 20 (150000 kcal Nh fiecare=175kW) repartizate icircn 5 linii tehnologice independente cu icircntreg utilajul aferent Fiecare linie este compusă din
o butelie de răcire intermediară BRI - 700 un condensator cu evaporare forţată CEF - 180 un bazin cu patru grupuri vaporizatoare intensive de cacircte 165 m2 (icircn total 66 m2)
Sondele de icircngheţare icircn număr de 27 bucăţi au fost prevăzute să se amplaseze pe un cerc cu diametrul de 104 m la distanţă de 121 m Sondele sunt de tipul celei indicată icircn figura 58 deci cu răcire zonală avacircnd următoarele caracteristici diametrul exterior al burlanului este de 146 mm iar tuburile interioare au 57 mm (la exterior) tubul de alimentare are lungimea de 430 m iar cel de evacuare este de 220 m Ca urmare sondele de icircngheţare trebuie să producă icircngheţarea solului numai pe adacircncimea de la 220 m la 430 m Prin proiect s-au prevăzut următoarele date temperatura saramurii - 35 ordmC viteza saramurii icircn conducte de tur 18 ms viteza icircn conducte de retur (pe adacircncimea de răcit) 06 ms durata icircngheţării (perioada activă) a fost de 75 zile
Au fost prevăzute temperaturi scăzute şi viteze mari de congelare deoarece cilindrul icircngheţat trebuie să preia presiuni de pacircnă la 56 bar
b)Tunelurile pentru metroul din Bucureşti
Icircncepacircnd cu anul 1976 pentru realizarea metroului din Bucureşti s-a procedat la aplicarea metodei de icircngheţare a solului icircntr-o zonă considerată experimentală dar cu realizări efective de galerii
Prin proiect s-a prevăzut consolidarea prin icircngheţare artificială a profilului de săpare a tunelurilor de metrou pe o lungime de circa 550 m pe ambele fire Amplasamentul sondelor s-a făcut icircn două variante (pentru experimentare) pentru un fir de tunel ambele racircnduri de sonde s-au fixat icircn profilul circular de săpare iar pentru cel de al doilea fir de tunel sondele au fost forate icircn afara profilului de icircnaintare (fig 513) Au fost folosite sonde cu saramură cu posibilitatea de icircngheţare pe toată icircnălţimea de 16 m cacirct şi sonde cu icircngheţare zonală icircntre adacircncimile de 7 m şi 16 m Distanţa dintre sonde a fost fixată la 14 m
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
46
Pentru a se icircmpiedica accesul apelor icircn frontul de săpare datorate unor eventuale zone neicircngheţate traseul de tunel icircngheţat a fost icircmpărţit icircn incinte icircnchise prin timpane transversale La distanţe de 3050 m icircn lungul traseului au fost montate sonde de icircngheţare aşezate icircn plan normal pe axul tunelului prin care să se icircnchidă accesul apelor spre frontul de săpare
Echipamentul frigorific principal cuprinde
- 8 compresoare frigorifice 3 AV - 20 funcţionacircnd icircntr-o treaptă pentru care
corespunde puterea frigorifică de 12 106 kcal Nh =1395 kW
- 4 condensatoare de evaporare forţată CEF - 250
- 3 bazine de răcire a saramurii echipate cu cacircte 4 grupuri de vaporizatoare superintensive de cacircte 51 m2 (total 612 m2)
- 3 grupuri de cacircte 2 pompe a 220 m3h pentru circulaţia saramurii pe traseele de distribuţie şi prin sonde
Figura 413 Fig513 Amplasamentul sondelor de icircngheţare
Centrala frigorifică este stabilă adăpostită icircntr-o baracă metalică demontabilă existacircnd posibilitatea de reamplasare rapidă a instalaţiei icircntr-un alt loc Agentul frigorific utilizat este amoniacul iar agentul intermediar este clorura de calciu
Icircn perioada principală de icircngheţare temperatura de vaporizare este to = -22 ordmC asiguracircnd răcirea saramurii la -17 ordmC iar pe retur saramura a avut temperatura cu 15 ordmC mai ridicată
La o asemenea lucrare realizată icircn oraş se impune protejarea contra icircngheţului a straturilor de deasupra galeriilor icircn care sunt amplasate instalaţiile de apă - canal ceea ce presupune folosirea sondelor cu icircngheţare zonală care să nu fie active la partea superioară
c) Puţuri pentru prospectarea balastierelor
Procedeul şi instalaţia frigorifică au avut caracter de noutate şi s-a aplicat icircncepacircnd cu anul 1966 la mai multe obiective icircn general pe văile racircurilor unde s-au construit hidrocentrale
A
A B
B
A-A
000 -300 -700 -1061 -1300
65
800
B-B
000 -300 -700 -1061 -1300
65
550
ARGILA
ARGILA
NISIP
NISIP
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
47
Echipamentul frigorific principal cuprinde un agregat frigorific pentru amoniac de 20000 kcal Nh = 233 kW rezervor de amoniac separator de lichid şi anexe - toate fiind montate pe o remorcă
S-au folosit sonde de icircngheţare cu agent frigorific icircn număr de 8 bucăţi cu diametrul exterior de 133 mm montate pe un cerc cu diametrul de 2 m la distanţa de 076 m lungimea lor fiind de 75 m Legarea sondelor la distribuitor şi colector s-a făcut cu racorduri flexibile
Sondele au o construcţie specială fiind prevăzute cu 4 pereţi transversali cu ştuţuri de preaplin formacircndu-se astfel 5 compartimente Agentul lichid se introduce icircn compartimentul cel mai de sus şi se scurge prin ştuţuri pacircnă la baza sondei Conducta de aspiraţie străbate toate compartimentele vaporii fiind aspiraţi din compartimentul cel mai de jos Circulaţia vaporilor formaţi se face ca şi a lichidului de sus icircn jos obţinacircndu-se astfel o răcire uniformă şi eficientă pe toată icircnălţimea sondei
Durata icircngheţării respectiv a formării centurii de teren icircngheţat la adăpostul căreia să se poată efectua săparea şi preluarea de probe de sol este de 10 zile
414 514 CAcircMPUL DE TEMPERATURĂ IcircN SOLUL IcircNGHEŢAT
Cacircnd prin sonda de icircngheţare circulă saramură a cărei temperatura este sub 0 ordmC practic - 20 ordmC-25 ordmC icircn jurul sondei se formează un cacircmp termic care icircn cazul unei singure sonde poate fi reprezentat prin suprafeţe cilindrice coaxiale de temperatură constantă (izoterme)
După distanţa radială se deosebesc icircn sol din punct de vedere termic trei zone zona cilindrică din imediata vecinătate a sondei care este icircn zona icircngheţată zona răcită cuprinsă icircntre suprafaţa cilindrică izotermă de 0 ordmC şi izoterma de temperatură naturală şi a treia zonă cea de temperatura naturală (fig 514)
Icircn zona icircngheţată temperatura masivului variază de la temperatura peretelui metalic al sondei pacircnă la 0 ordmC Icircn zona răcită temperatura masivului creşte de la 0 ordmC pacircnă la temperatura naturală a masivului
Figura 414 Fig 514 Cacircmpul de temperatură icircn jurul unei sonde de icircngheţare
Este important să se cunoască cacircmpul termic icircn terenul supus icircngheţării deoarece acesta oferă date privind zona de răspacircndire a consolidării rocilor prin solidificarea apei cacirct şi a
t [oC]
r [m]
t (r)
ZONA RACITA
ZONA INGHETAT
A
ts TEMPERATURA NATURALA A ROCII
-20
-10
40
10 0 20 30
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
48
rezistenţei mecanice a rocii icircngheţate Se cunoaşte faptul că rezistenţa mecanică depinde direct de temperatură
Studiul variaţiei temperaturii icircn zona de influenţă a unei sonde şi a tuturor sondelor simultan oferă posibilitatea calculării dimensiunilor la proiectarea construcţiei peretelui protector cacirct şi controlul procesului icircn timpul desfăşurării lucrărilor
Pentru a se stabili relaţia de variaţie a temperaturii icircn zona icircngheţată icircn funcţie de raza r se consideră ecuaţia diferenţială
dr
dtr2q (56)
icircn care q este fluxul unitar de căldură corespunzător lungimii de 1 m din sonda de icircngheţare Wm
- conductivitatea termica a terenului Wm
Integrarea directă a ecuaţiei analitice se poate face icircn ipoteze simplificatoare consideracircnd
= const şi q = const ceea ce este justificat la valori mari ale timpului de răcire
Se separa variabilele
r
dr
2
qdt
(57)
Se consideră cunoscute temperaturile t1 la suprafaţa sondei de raza r1 și t2 = 0 ordmC la raza r2 corespunzătoare suprafeţei exterioare a cilindrului icircngheţat Se integrează ecuaţia (6-7) și cunoscacircnd limitele de integrare se va determina constanta de integrare
Cr ln2
qt
(58)
pentru r = r1 t = t1 deci
11 rln2
qtC
(59)
1
1r
rln
2
qtt
(510)
Se pune condiţia ca pentru r = r2 t = t2
1
212
r
rln
2
qtt
(511)
Se elimina q intre relaţiile (510) și (511) şi se obţine
1
2
1121
r
rln
r
rln
tttt (512)
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
49
Figura 415 Fig 515 Schema schimbătorului de căldură subteran
Pentru t2 = 0 ordmC relaţia (5-12) devine
)rrln(
)rrln(tt
12
21 (513)
Icircn figura 515 se prezintă o secţiune axială printr-o sondă de icircngheţare şi variaţia temperaturii icircn limitele t0 - temperatura agentului de răcire şi ts - temperatura naturală a solului
Cantitatea de căldură transferată de la masivul neicircngheţat spre agentul de răcire prin unitatea de lungimea de conducta şi unitatea de timp se calculează cu expresia
221
2
1o
1
moo
os
d
1
d
dln
1
d
dln
2
1
d
1
ttq
(514)
Icircn calculele inginereşti cel mai frecvent se determină nu fluxul termic pe unitatea de lungime a conductei ci fluxul termic qF raportat la unitatea de suprafaţă a conductei metalice la 1 m2 de suprafaţa exterioară sau interioară Mărimea qF se calculează astfel
22
o
1
2
1
o
o
1
m
o
o
oS
o
F
d
d
d
dln
2
d
d
dln
2
d1
tt
d
(515)
Fluxul termic qF prin unitatea de suprafaţă a sondei de icircngheţare calculat pentru adacircncimea de 100 m icircn regim laminar de curgere a agentului de răcire prin spaţiul inelar al sondei cu viteza w = 01 ms la diametre ale cilindrului de rocă icircngheţata
de la 02 la 3 m pentru to = -20 ordmC do = 01 m 1 = 233 WmK variază de la 720 la 230 Wm2 aşa cum se poate observa din figura 516 şi tabelul 51
d2
d1
d0
t
qF
t0
t2
t1 2
m 1
m
ts
Conducta Teren icircngheţat Teren
neicircngheţat
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
50
Figura 416 Fig 516 Variaţia fluxului termic qF prin unitatea de suprafaţă a sondei de icircngheţare 1 - regim turbulent 2 regim laminar
Tabelul 51Variaţia fluxului termic qF [Wm2]
Diametrul cilindrului de rocă icircngheţată icircn m
02 04 05 08 10 15 20
qF regim laminar 1160 550 387 330 302
qF regim laminar 720 465 423 350 321 283 258
Se observă ca densitatea fluxului de căldura qF scade foarte mult de la 800900 Wm2 la icircnceputul operaţiei de consolidare prin frig a rocilor pacircnă la 230250 Wm2 cacircnd cilindrul de rocă icircngheţata atinge diametrul de 23 m Ca urmare a acestei situaţii şi puterea frigorifică a instalaţiei va scădea icircn decursul a 6080 zile tot cu raportul de 800230 = 35
Instalaţia frigorifică va fi constituită din grupuri de utilaje (module) ce vor fi scoase treptat din funcţiune pe măsură ce se reduce densitatea fluxului de căldură qF ca urmare a creşterii grosimii stratului de teren icircngheţat Icircn practică pentru calcule se va considera qF = (260290) Wm2
O mărime importanta pentru proiectarea instalaţiei şi aprecierea procesului de consolidare a rocilor este timpul de icircngheţare Pentru calculul duratei de icircngheţare se pot folosi relaţiile prezentate icircn capitolul 3 la formarea gheţii pe suprafeţe cilindrice exterioare La aprecierea valorii pentru ls - căldura latentă de solidificare se avea icircn vedere conţinutul de apă din terenul supus icircngheţării
Dacă icircntre relaţiile pentru dependenţele (r) şi qF(r) se elimină r se obţine dependenţa
qF() Eliminarea nu se poate face direct ci fie cu ajutorul calculatorului fie printr-o construcţie grafică prezentată icircn figura 517
Studiul variaţiei temperaturii icircn solul icircngheţat cacirct și variaţia icircn timp a densităţii fluxului de căldura se poate face cu ajutorul calculatorului electronic
1200
1000
800
600
400
200
0 05 1 15 2 25 3
qF [Wm2]
Diametrul cilindrului de rocă icircngheţată [m]
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
51
Figura 417 Fig 517 Stabilirea dependentei qF() pe baza dependentelor qF(r) și (r)
415 515 ELEMENTE DE PROIECTARE A INSTALAŢIEI FRIGORIFICE PENTRU IcircNGHEŢAREA SOLULUI
Pentru proiectarea instalaţiei frigorifice trebuie sa se stabilească la icircnceput elementele de baza și anume
- puterea frigorifică maximă care apare la icircnceputul perioadei de răcire cacircnd pătrunderile de căldura spre agentul de răcire din sondele de icircngheţare au valori mai mari temperatura de vaporizare a agentului frigorific plecacircnd de la temperatura minimă sau medie din solul icircngheţat şi avacircnd icircn vedere modul de răcire directă sau indirectă
Se calculează cantitatea totală de căldură ce trebuie extrasă din terenul supus răcirii şi icircngheţării Se cunoaşte structura terenului icircngheţat deci se cunosc icircnălţimile h1 h2hn ale diferitelor straturi componente cacirct şi proprietăţile termofizice ale acestora
Grosimea centurii de teren icircngheţat se stabileşte icircn urma calculelor de rezistenţa materialelor icircncacirct se pot calcula volumele ocupate de straturile componente V1 V2Vn
Cantitatea de căldură ce trebuie extrasă din zona icircngheţată cuprinde două componente și anume
cantitatea de căldura Qa corespunzătoare răcirii şi icircngheţării apei
cantitatea de căldura Qt necesara răcirii părţii solide a terenului
n
1kfgsikaakka tcltcVQ (516)
unde
k - reprezintă conţinutul icircn apă din stratul respectiv [m3m3]
a - densitatea apei [kgm3]
ca cg - căldura specifica a apei respectiv a gheţii Jkg K
tik - temperatura iniţiala a stratului respectiv (de ordinul k)
tf - temperatura medie finala a masivului icircngheţat
ls - căldura latentă de solidificare a apei
r
q
q
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
52
fik
n
1kkkkkt ttc1VQ
(517)
k - densitatea părţii de teren solid (uscat) din stratul k
ck - căldura specifică a terenului uscat din stratul k
Cantitatea de căldură extrasă din terenul răcit reprezintă circa 1018 din cantitatea de căldură extrasă din zona de teren icircngheţat
Deci cantitatea totală de căldură Q ce va trebui preluată de către instalaţia frigorifică se poate aprecia astfel
Q = (110118) (Qa + Qt) (518)
Cu relaţia (51) se calculează puterea frigorifica a instalaţiei adoptacircnd o valoare medie pentru densitatea fluxului de căldura qF
Se poate aprecia timpul de funcţionare a instalaţiei frigorifice
o
Q
(519)
La anumite grosimi ale cochiliei de teren icircngheţat icircn jurul sondei densitatea fluxului termic scade sub valoarea medie adoptată icircn calcule şi ca urmare icircncepacircnd de la acest moment se va putea reduce treptat puterea frigorifica a instalaţiei prin scoaterea din funcţiune a unor grupuri
La proiectare se pot avea icircn vedere unele recomandări practice pentru stabilirea necesarului de frig pentru icircngheţarea unui m3 la -10 ordmC este necesar un consum specific de frig de 66000 kJ la 10 umiditate de 155000 kJ la 35 umiditate și de 210000 kJ la 50 umiditate
42 52 RĂCIREA BETONULUI LA CONSTRUCŢIILE MASIVE
421 521 INSTALAŢII DE PRERĂCIRE A COMPONENTELOR BETONULUI
Formarea betonului din elementele sale componente (nisip pietriş ciment şi apă) este icircnsoţită de fenomene fizico - chimice icircn care se degajă căldură şi ca urmare temperatura acestuia creşte Icircn cazul unor masive din beton (baraje) dacă viteza de turnare (icircn sezonul cald cacircnd se efectuază construcţia) este mai mare şi nu se asigura evacuarea căldurii corpul rezultă la o temperatura medie mai mare decacirct temperatura medie anuală Răcirea naturală conduce la contracţia masivului şi ca urmare la apariţia sub acţiunea tensiunilor interne a unor fisuri
Pentru ca variaţiile de temperatura icircntre centrul barajului şi straturile exterioare să fie cacirct mai mici se impune ca masivul respectiv să fie turnat la temperatura medie anuală a zonei respective Icircn acest scop se pot folosi două metode prin prerăcirea componentelor betonului și prin răcirea masei barajului
Icircn vederea reducerii căldurii degajată icircn reacţia dintre ciment şi apă au fost realizate sortimente de ciment caracterizate prin călduri masice reduse ce se degajă icircn procesul de priză
Prin prerăcirea componentelor betonului se urmăreşte ca betonul sa aibă temperatura medie a locului de amplasament şi prin aceasta evitarea apariţiei unor diferenţe mari de temperatură ce pun icircn pericol construcţia
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
53
Icircn funcţie de valoarea diferenţei de temperatură care trebuie realizată se poate adopta o anumită schemă de răcire pentru fiecare component icircn parte sau numai pentru unele din aceste părţi componente
Se pot folosi instalaţii frigorifice cu comprimare mecanică de vapori pentru răcirea apei a aerului sau formarea gheţii mărunte utilizate la prerăcirea componentelor betonului Folosirea gheţii fulgi sau solzi este limitată atacirct din cauza conţinutului de apă impus cacirct şi ca urmare a pericolului ca gheaţa să nu se topească icircn procesul de malaxare ci la turnare sau icircn procesul de priză ceea ce duce la formarea de goluri icircn beton
De asemenea se pot folosi instalaţiile frigorifice cu ejecţie
Icircn vederea stabilirii necesarului de frig pentru preratildecirea componentelor betonului se calculează mai icircntacirci cantitatea de catildelduratilde Qo1 ce trebuie evacuatatilde dintr-un m3 de beton avacircndu-se icircn vedere proporţiile icircn care participatilde cimentul nisipul pietrişul şi apa Fiecare component are o temperatură iniţialatilde şi urmeazatilde a fi răcit pacircnatilde la o temperatura finalatilde tf aceeaşi pentru toţi componenţii
fpppfnnnfccc1o ttcmttcmttcmQ
fnaanfpaapfaaa ttcmttcmttcm Jm3 (520)
unde
mc mn mp ma - masele de ciment nisip pietriş şi apă conţinute icircntr-un m3 de beton [kgm3]
cc cn cp cw - căldurile specifice masice ale cimentului nisipului pietrişului şi nisipul dintr-un m3 de beton [kgm3]
Puterea frigorifică se determină cu relaţia
3b1oo 10VQ [kW] (521)
icircn care bV reprezintă fluxul de betonare icircn m3s
Se prezintă icircn continuare cele mai folosite metode de prerăcire a componentelor betonului
4211 a) Instalaţie de prerăcire cu apă
Staţia de preparare a betonului este deservită de o instalaţie frigorifică cu comprimare mecanică de vapori care asigură răcirea apei
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
54
Figura 418 Fig 518 Schema de lucru a instalaţiei de prerăcire a betonului cu ajutorul apei 1 - ciment 2 - vagon nisip 3 - vagon pietris 4 - tancuri de răcire a pietrişului 5 - sită 6 - siloz de
nisip 7 - siloz de ciment 8 - rezervor de distribuţie 9 - răcitor de nisip 10 - răcitor de ciment 11 - răcitor de apă 12 - rezervor de apă răcită 13 - răcitor de apă 14 - instalaţie de prepararea betonului
I II III IV V - fazele de răcire a pietrişului
Icircn figura 518 se prezintă schema de lucru a unei asemenea instalaţii de prerăcire a betonului cu ajutorul apei folosită la construcţia barajului de la Detroit (SUA) Apa este răcită de la 16 la 15 ordmC şi transmisă apoi la instalaţia de preparare a betonului şi icircn cinci rezervoare a cacircte 90 m3 fiecare icircn care se răceşte pietrişul
Procesul de răcire a pietrişului cuprinde cinci faze
- faza I - introducerea apei icircn rezervor 10 minute
- fazele II şi III - introducerea simultană a apei şi a pietrişului 50 minute
- faza IV - evacuarea apei 15 minute
- faza V - evacuarea pietrişului 15 minute
Icircntregul proces de răcire a pietrişului durează 90 minute Pentru răcirea cimentului şi nisipului se utilizează schimbătoare de căldură cu ax elicoidal la care apa de răcire circulă prin arborele gol şi prin manta
Rezervoarele 12 pentru apa răcită au fiecare volumul de 114 m3
Beton 635oC
190 m3h
65oC
24oC
18oC
1
2
3
4
5
6
7
8
10
9
11
12
13
14
Apă 16oC
15oC
Cim
en
t
26 l
h
Nis
ip 1
12
lh
10
oC
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
55
42111 Aplicaţie numerică
Să se calculeze puterea frigorifică necesară prerăcirii betonului prin metode şi condiţiile prezentate mai sus Se cunosc următoarele date de calcul
mp = 1700 kgm3 beton
mc = 135 kgm3 beton
mn = 590 kgm3 beton
ma = 60 kgm3 beton
cc = cn = cp = 921 Jkg K
ca = 4180 Jkg K
map = 16 kgm3 beton
man = 38 kgm3 beton
tp = 18 ordmC
tc = 66 ordmC
tn = 21 ordmC tf = 635 ordmC
052803000
190Vb m3s
Se calculează componentele cantităţii de căldură Q01
3fcccc 10741735666921135ttcmQ Jm3
3fnnnn 10796135621921590ttcmQ Jm3
3fpppp 1024018356189211700ttcmQ Jm3
3faaaa 10420235616418060ttcmQ Jm3
3fpaapap 1077935618418016ttcmQ Jm3
3fnaaan 10232735621418038ttcmQ Jm3
Rezulta
3anapapnc1o 1039144QQQQQQQ Jm3
3o 10 206705280103914410VQ 33
b1o kW
4212 b) Instalaţii de prerăcire cu aer apă
Pentru răcirea componentelor betonului se utilizează icircn acest caz fie apa fie aerul ca agenţi intermediari răciţi cu ajutorul instalaţiilor frigorifice
Icircn figura 519 se prezintă schema unei asemenea instalaţii folosită la construcţia barajului de la Sariyar din Turcia
Răcirea aerului se poate face fie direct prin vaporizarea unui agent frigorific fie indirect cu un agent intermediar de răcire ca de exemplu saramura de clorură de calciu Aerul răcit pacircnă la -6 ordmC este suflat icircn silozurile cu pietriş de dimensiuni icircntre 4150 mm
Apa răcită icircn bazinul la pacircnă la 05 ordm este trimisă din colectorul 12 la staţia de preparare a betonului servind la scăderea temperaturii acestuia
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
56
Figura 419 Fig 519 Schema instalaţiei de prerăcire a betonului cu aer şi apă 1 - compresor 2 - condensator 3 - ventile de laminare 4 - vaporizatoare 5 - bazin de răcire a
saramurii 6 - pompă de saramură 7 - răcitor umed de aer 8 - ventilatoare 9 - silozuri de pietriş 10 - bazin de răcire a apei 11 - pompă 12 - colector de apă răcită
Figura 420 Fig 520 Schema instalaţiei de prerăcire cu aer şi apă 1 - siloz de pietriş şi nisip 2 - siloz de ciment 3 rezervor de apă 4 - răcitor de aer 5 - răcitor de apă
4 - răcitor de apă 6 - buncăr de sortare 7 - instalaţie de preparare beton
Pentru intensificarea procesului de răcire a pietrişului aerul este răcit sub 0 ordmC Acest procedeu are avantajul unei funcţionări fără icircntrerupere a procesului de preparare a betonului dar prezintă şi o serie de dezavantaje debite foarte mari de aer de răcire posibilitatea antrenării particulelor fine de agregat icircn răcitorul de aer şi depunerea acestora pe suprafaţa de schimb de căldură Ca urmare instalaţia se va curăţa la circa 14 zile Icircn figura 520 se prezintă o altă schemă de instalaţie de prerăcire a betonului cu aer şi apă folosită la construcţia unui baraj din India
Apă
295oC
Ciment
433oC
Pietriş şi nisip
378oC
Apă 6oC
Ciment 433oC
Aer
Pietriş
45oC Nisip 222oC
22oC
Ap
ă
45
oC
Ap
ă 2
2o
C
Ae
r 5
5o
C
Be
ton
12
8o
C
Apă 22oC
2
1
3 4 5
8
9
5 7
12
1oC
11
05oC 9oC 9oC
-9oC
-10oC -10oC
-10oC 2oC
6oC
10 4 4 6
8 8
8
8 8
9 9 9 9
1
2
3 3
7
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
57
Pietrişul şi nisipul se separă icircntre ele icircn buncărul de sortare 6 şi apoi fiecare circulă pe cacircte o bandă transportoare prin camera de răcire 7 Pietrişul este răcit cu ajutorul apei
Fig
ura
42
1 F
ig 5
21
Sc
he
ma
in
sta
laţi
ei
de
ră
cir
e icirc
n v
id a
co
mp
on
en
telo
r b
eto
nu
lui
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
58
reci icircncacirct ajunge la o temperatură mai scăzută decacirct nisipul răcit cu aer Prin camera 7 se circulă şi aer rece care se introduce la temperatura de 55 ordmC Cimentul se introduce la instalaţia de preparare a betonului 9 fără a fi răcit
O altă posibilitate de prerăcire a agregatelor (pietriş şi nisip) şi a apei utilizată mai recent la construirea barajelor icircntrebuinţează răcirea icircn vid la care agregatele uşor umezite icircn recipiente sub presiune se răcesc după nevoie (prin reglarea vacuumului) la o temperatură mai scăzută sau mai ridicată Căldura necesară evaporării umidităţii de pe agregate şi din ele (apa legată) este luată chiar de la corpurile respective (pietriş nisip) şi ca urmare acestea se răcesc
O asemenea instalaţie utilizată la Hortwell icircn SUA (figura 521) cuprinde 3 recipienţi de cacircte 150 m3 pentru răcirea pietrişului şi 3 recipienţi de cacircte 80 m3 pentru răcirea nisipului
Pietrişul şi nisipul cu temperatura maximă de 43 ordmC se pot răci pacircnă la temperatura necesară de 45 ordmC Pentru realizarea vidului necesar se folosesc două cazane de abur care produc 77 th fiecare
422 522 RĂCIREA INTERIOARĂ A MASIVULUI DE BETON
Prerăcirea betonului se recomandă icircn condiţiile unei zone tropicale sau temperate de amplasare a construcţiei masive nu se recomandă icircn cazul amplasării barajului icircn munţi unde temperatura aerului este scăzută Icircn asemenea situaţii se recomandă răcirea betonului prin conducte amplasate icircn masiv prin care circulă apă rece
La răcirea interioară cu conducte montate icircn beton are loc o eliminarea a căldurii simultan cu producerea ei icircn procesul de priză producacircndu-se şi o răcire pacircnă la temperatura necesară Pentru răcire se folosesc conducte de oţel cu diametre de 1525 mm montate la distanţe de 1223 m icircn plan orizontal şi de 153 m icircn plan vertical Lungimea conductelor icircntr-un m3 de beton este de 0204 şi a fiecărei serpentine de 140250 m
Debitul apei de răcire ce circulă prin 1 m3 de beton este de (0553) dm3h
Figura 422 Fig 522 Reţea de conducte de răcire a betonului icircn secţiunea unui baraj 1 - galerie pentru măsurători 2 - galerie de conducte de apă de răcire
Serpentinele se montează şi se fixează pe suprafaţă de beton (fig522) Capetele serpentinelor se leagă de o coloană verticală prin mufe metalice sau de cauciuc Diametrul distribuitorului şi al coloanei este cuprins icircntre 150200 mm După montaj aceste conducte se verifică la presiunea de lucru
1 2
Ax
a
ba
raju
lui
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
41
hidraulic şi termic icircn mod individual se pot monta aparate de măsură şi control pe fiecare sondă de icircngheţare dar această soluţie este mai costisitoare
Sonda de icircngheţare realizează transferul de căldură de la terenul ce urmează a fi icircngheţat spre agentul frigorific (la răcirea directă) sau agentul intermediar (la răcirea indirectă)
Icircn figura 51 s-a prezentat schema de principiu a unei sonde de icircngheţare cu saramură activă pe toată lungimea Conducta exterioară sau burlanul de icircngheţare 3 este o conductă din oţel etanşă şi rezistentă la eforturile mecanice care apar datorită presiunii solului şi variaţiei de temperatură icircntre momentul fixării ei icircn sol şi cel al funcţionării la o temperatura sub 00C
Icircn procesul de icircngheţare coloana de burlane care poate atinge lungimi de sute de metri se contractă icircnsă nu liber deoarece ea este stracircnsă icircn masivul de roci La o variaţie de temperatură icircntre momentul iniţial (fără saramură) şi momentul pornirii circulaţiei de saramură de 400C conducta din oţel de 500 m adacircncime ar trebui să se contracte cu
tHH = 500 11 10-6 40 = 0220 m = 22 cm
Datorită fixării coloanei icircn gaura forată efortul unitar de icircntindere ce apare icircn urma scăderii temperaturii este
tE = 22 1010 11 10-10 40 = 968 105 Nm2 = 9680 Ncm2
La acest efort de icircntindere apărut datorită contracţiei coloanei se mai adaugă efortul de acelaşi semn provocat de dilatarea masivului de rocă acviferă icircngheţată Icircn scopul compensării eforturilor de icircntindere s-a propus icircmbinarea coloanei cu nipluri elastice O asemenea soluţie este mai scumpă şi icircn plus micşorează secţiunea liberă de curgere ceea ce conduce la icircncălzirea excedentară a saramurii
La lucrări subterane de mare adacircncime ca puţurile de mină depozite subterane se folosesc burlane de 1397 x 7 mm pentru a fi posibilă determinarea abaterii de la poziţie verticală
La tunelurile de metrou şi icircn general la lucrările la care adacircncimea de icircngheţare nu depăşeşte 50 - 60 m diametrul cel mai frecvent utilizat este 1143 x 7 mm
Ţeava interioară 2 (fig 51) numită şi tub de alimentare de regulă ţeava uşoară de instalaţii de 50 mm diametrul se introduce icircn burlanul exterior 3 fără icircnsă a atinge şiul de bază 1 al sondei Se asigură icircn acest mod un volum minimal de depuneri solide care circulă cu saramura icircn mod incidental Icircn scopul economisirii de metal tubul de alimentare poate fi din material plastic ceea ce prezintă marele avantaj al lipsei coroziunii şi al refolosirii materialului respectiv
Şiul de fund are rolul de a asigura icircnchiderea burlanului exterior icircn partea sa inferioară Cel mai adesea are formă conică pentru a asigura introducerea cu uşurinţă a coloanei metalice icircn gaura de sondă Această componentă a sondei de icircngheţare se execută fie prin turnare sau se confecţionează cu ajutorul sudurii
Corespunzător profilului geologic al terenului icircn care se lucrează se icircntacirclnesc şi cazuri cacircnd nu este nevoie să se icircngheţe terenul pe toată icircnălţimea sondelor ci numai la partea lor inferioară Icircn acest caz se folosesc sonde de icircngheţare zonală (fig 58) cu ajutorul cărora se asigură congelarea doar a zonei inferioare ceea ce prezintă avantaje economice deosebite nu se consumă energie pentru a icircngheţa icircn mod inutil formaţiuni geologice consistente şi uscate şi nu se reduce ritmul lucrărilor de săpare printr-o eventuală mărire a rezistenţei rocilor
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
42
Figura 48 Fig 58 Sonda de icircngheţare zonală
1 - burlan exterior 2 - tub de alimentare 3 - şiu 4 - tub de evacuare
Figura 49 Fig59 - Sonda de icircngheţare cu agent
frigorific 1 - tub exterior 2 - perete despărţitor 3 - şiu 4 -
ştuţ (ţeavă de preaplin) 5 - condensator - vaporizator
Icircn cazul răcirii directe sondele de icircngheţare cu agent frigorific sunt de construcţie specială (fig 59) Particularitatea acestor sonde este prezenţa pereţilor despărţitori 2 dispuşi unul sub celălalt la circa 3 m fiecare perete fiind prevăzut cu un ştuţ de preaplin O asemenea construcţie are rolul de a fracţiona coloane de lichid ceea ce asigură o răcire mai uniformă pe lungimea sondei
Fiecare sondă este prevăzută la partea superioară cu cacircte o cămaşă de răcire Sondele se umplu cu amoniac lichid icircntr-o asemenea cantitate icircncacirct fiecare secţie să fie icircnecată cu lichid respectiv pacircnă la partea superioară a ştuţurilor 4 Ca urmare a fluxurilor de căldură de la sol se produce fierberea amoniacului icircn toate secţiile sondei Vaporii formaţi se ridică prin ştuţurile 4 şi ajungacircnd la partea superioară a sondei se condensează cedacircnd căldură agentului (amoniac) din cămăşile de răcire
Ca urmare cămăşile de răcire de la partea superioară a sondelor constituie vaporizatorul instalaţiei frigorifice Amoniacul care se condensează la partea superioară a sondei curge icircnapoi (de sus icircn jos) prin ştuţurile 4 Folosirea pereţilor despărţitori şi a ştuţurilor micşorează influenţa presiunii hidrostatice a lichidului asupra temperaturii de vaporizare a amoniacului Asemenea sonde de icircngheţare se folosesc pentru lucrări de mică adacircncime
Amplasarea sondelor se face icircn funcţie de o serie de factori formă poziţia şi dimensiunile lucrării care se realizează structura terenului temperatura şi viteza agentului etc
Icircn cazul puţurilor de mină de secţiune circulară sondele se amplasează pe un cerc
concentric de diametru D mai mare decacirct diametrul de săpare Ds cu grosimea a peretelui icircngheţat
sDD (54)
Trebuie să se ţină seama şi de deviaţia sondelor de la poziţia verticală icircncacirct pentru adacircncimi mari se utilizează relaţia
3
2 4
1
VAPORI 5 LICHID
3
2
4 1
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
43
a21DD s (55)
unde a = 003 H este abaterea medie statistică de la verticală a sondelor
Distanţa dintre sonde se ia de obicei de 1014 m icircn terenuri rezistente şi de 0809 m icircn terenuri slabe
Pentru adacircncimi de peste 500 m se recomandă să se dispună sondele pe două cercuri concentrice pentru a se forma un perete de grosime mai mare şi deci mai rezistent
La icircngheţarea terenului icircn jurul puţurilor de secţiune dreptunghiulară sondele se pot dispune pe dreptunghi sau elipsă Icircn aceste situaţii centura de teren icircngheţat poate fi solicitată la icircntindere ceea ce este de nedorit deoarece limita de rezistenţa la icircntindere a terenurilor icircngheţate este de circa 3 ori mai mică decacirct limita rezistenţei la compresiune Din acest motiv chiar şi la puţurile de mină de secţiune dreptunghiulară sondele se dispun pe unul sau două cercuri (fig 510)
Pentru realizarea galeriilor icircnclinate icircngheţarea terenului se realizează cu sonde verticale (fig 511) sau combinat atacirct cu sonde verticale cacirct şi cu sonde icircnclinate (fig 512)
Distanţa dintre sondele verticale (fig 511) se ia de 23 m iar distanţa dintre racircnduri este de 1525 m
Se poate folosi cacircte un racircnd de sonde icircnclinate montate deasupra galeriei (fig 212 a) sau sonde icircnclinate sub galerie şi sonde verticale scurte deasupra galeriei (fig 512 b)
SONDA
154 m
16
6 m
226
262
85
SONDA
Figura 411 Fig 511 Amplasarea sondelor verticale pentru realizarea galeriei icircnclinate
Figura 411 Fig 510 Dispunerea sondelor icircn jurul puţurilor de mină de secţiune
dreptunghiulară
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
44
Figura 412 Fig 512 Realizarea galeriilor icircnclinate cu sonde verticale (1) şi sonde oblice (2)
I - secţiunea longitudinală II - secţiunea transversală a) sonde icircnclinate deasupra galeriei b) sonde icircnclinate sub galerie
413 513 UTILIZAREA METODEI DE IcircNGHEŢARE A SOLULUI IcircN ŢARA NOASTRĂ
a)Puţuri de mină
Aplicarea metodei de icircngheţare a solului pentru lucrări de minerit a avut loc la noi icircn ţară icircncepacircnd cu anul 1960 la puţul Godeni din bazinul carbonifer Cacircmpulung - Muscel Proiectul a fost elaborat icircn anul 1959 la IPROMIN Bucureşti iar lucrarea a fost executată cu Trustul Minier Argeş avacircnd icircn subantrepriză de specialitate Icircntreprinderea Frigotehnica Bucureşti şi Trustul de prospecţiuni explorări şi deschideri de mine noi Bucureşti
Adacircncimea de săpare a puţului Godeni a trebuit sa fie de 202 m Sondele de icircngheţare constituite din două ţevi concentrice (fig 51) cu diametrele exterioare de 146 mm şi respectiv 57 mm icircn număr de 27 au fost amplasate pe un cerc cu diametrul de 10 m la distanţa de 117 m una de alta
Instalaţia frigorifică a fost dimensionată cu mare precauţie pentru a avea o siguranţă mărită icircn funcţionarea ei Toate părţile componente ale instalaţiei frigorifice au fost proiectate şi executate icircn ţară
La proiectarea instalaţiei s-a avut icircn vedere funcţionarea de scurtă durată şi variaţia puterii frigorifice icircn timp S-a utilizat răcirea indirectă cu soluţie de clorură de calciu iar ca agent frigorific a fost folosit amoniacul Pentru a avea elasticitatea necesară icircn funcţionare la diferite puteri frigorifice au fost folosite grupuri de utilaje frigorifice şi anume
6 compresoare 4 AU - 20 (200000 kcal Nh =233 kW fiecare)
3 baterii de condensatoare atmosferice a cacircte 300 m2 (900 m2)
bazine pentru răcirea saramurii fiecare cu cacircte 2 vaporizatoare superintensive de 50 m2 (600 m2)
2 grupuri a cacircte 5 pompe pentru recircularea saramurii
Puterea frigorifică a instalaţiei montate a fost de 12106 kcal Nh =1395 kW şi s-a caracterizat prin următoarele date tehnice la exploatare
85
1
2
I 85
1
2
I
85
1
2
II
85
1
2 II
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
45
o suprafaţa de schimb de căldură a sondelor 2500 m2 o puterea instalaţiei 750 kW o debitul saramurii icircn
o icircn perioada activă 350 m3h o icircn perioada pasivă 70 m3h
o viteza de circulaţie a saramurii icircn sondă o tur 18 ms 036 ms o retur 029 ms 006 ms
o volumul rocilor icircngheţate circa 10000 m3 o consumul specific de frig mediu 50000 m3 o durata icircngheţării (perioada activă) 130 zile
Icircn timpul răcirii şi deci a icircngheţării solului puterea frigorifică scade icircn mod continuu icircncacirct treptat s-a scos din funcţiune cacircte un compresor icircn perioada pasivă (de săpare a puţului) s-a menţinut icircn lucru doar un singur compresor şi grupul de utilaje aferent
După terminarea lucrărilor de la puţul Godeni icircn anii următori aceeaşi instalaţie s-a montat la puţul Poenari din acelaşi bazin carbonifer unde sondele au fost amplasate pe un cerc cu diametrul de 11 m la distanţa de 128 m una de alta
Un alt puţ realizat prin această tehnologie de icircngheţare a solului a fost puţul Jugur de la acelaşi bazin carbonifer Centrala frigorifică a cuprins 15 compresoare 3 AV - 20 (150000 kcal Nh fiecare=175kW) repartizate icircn 5 linii tehnologice independente cu icircntreg utilajul aferent Fiecare linie este compusă din
o butelie de răcire intermediară BRI - 700 un condensator cu evaporare forţată CEF - 180 un bazin cu patru grupuri vaporizatoare intensive de cacircte 165 m2 (icircn total 66 m2)
Sondele de icircngheţare icircn număr de 27 bucăţi au fost prevăzute să se amplaseze pe un cerc cu diametrul de 104 m la distanţă de 121 m Sondele sunt de tipul celei indicată icircn figura 58 deci cu răcire zonală avacircnd următoarele caracteristici diametrul exterior al burlanului este de 146 mm iar tuburile interioare au 57 mm (la exterior) tubul de alimentare are lungimea de 430 m iar cel de evacuare este de 220 m Ca urmare sondele de icircngheţare trebuie să producă icircngheţarea solului numai pe adacircncimea de la 220 m la 430 m Prin proiect s-au prevăzut următoarele date temperatura saramurii - 35 ordmC viteza saramurii icircn conducte de tur 18 ms viteza icircn conducte de retur (pe adacircncimea de răcit) 06 ms durata icircngheţării (perioada activă) a fost de 75 zile
Au fost prevăzute temperaturi scăzute şi viteze mari de congelare deoarece cilindrul icircngheţat trebuie să preia presiuni de pacircnă la 56 bar
b)Tunelurile pentru metroul din Bucureşti
Icircncepacircnd cu anul 1976 pentru realizarea metroului din Bucureşti s-a procedat la aplicarea metodei de icircngheţare a solului icircntr-o zonă considerată experimentală dar cu realizări efective de galerii
Prin proiect s-a prevăzut consolidarea prin icircngheţare artificială a profilului de săpare a tunelurilor de metrou pe o lungime de circa 550 m pe ambele fire Amplasamentul sondelor s-a făcut icircn două variante (pentru experimentare) pentru un fir de tunel ambele racircnduri de sonde s-au fixat icircn profilul circular de săpare iar pentru cel de al doilea fir de tunel sondele au fost forate icircn afara profilului de icircnaintare (fig 513) Au fost folosite sonde cu saramură cu posibilitatea de icircngheţare pe toată icircnălţimea de 16 m cacirct şi sonde cu icircngheţare zonală icircntre adacircncimile de 7 m şi 16 m Distanţa dintre sonde a fost fixată la 14 m
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
46
Pentru a se icircmpiedica accesul apelor icircn frontul de săpare datorate unor eventuale zone neicircngheţate traseul de tunel icircngheţat a fost icircmpărţit icircn incinte icircnchise prin timpane transversale La distanţe de 3050 m icircn lungul traseului au fost montate sonde de icircngheţare aşezate icircn plan normal pe axul tunelului prin care să se icircnchidă accesul apelor spre frontul de săpare
Echipamentul frigorific principal cuprinde
- 8 compresoare frigorifice 3 AV - 20 funcţionacircnd icircntr-o treaptă pentru care
corespunde puterea frigorifică de 12 106 kcal Nh =1395 kW
- 4 condensatoare de evaporare forţată CEF - 250
- 3 bazine de răcire a saramurii echipate cu cacircte 4 grupuri de vaporizatoare superintensive de cacircte 51 m2 (total 612 m2)
- 3 grupuri de cacircte 2 pompe a 220 m3h pentru circulaţia saramurii pe traseele de distribuţie şi prin sonde
Figura 413 Fig513 Amplasamentul sondelor de icircngheţare
Centrala frigorifică este stabilă adăpostită icircntr-o baracă metalică demontabilă existacircnd posibilitatea de reamplasare rapidă a instalaţiei icircntr-un alt loc Agentul frigorific utilizat este amoniacul iar agentul intermediar este clorura de calciu
Icircn perioada principală de icircngheţare temperatura de vaporizare este to = -22 ordmC asiguracircnd răcirea saramurii la -17 ordmC iar pe retur saramura a avut temperatura cu 15 ordmC mai ridicată
La o asemenea lucrare realizată icircn oraş se impune protejarea contra icircngheţului a straturilor de deasupra galeriilor icircn care sunt amplasate instalaţiile de apă - canal ceea ce presupune folosirea sondelor cu icircngheţare zonală care să nu fie active la partea superioară
c) Puţuri pentru prospectarea balastierelor
Procedeul şi instalaţia frigorifică au avut caracter de noutate şi s-a aplicat icircncepacircnd cu anul 1966 la mai multe obiective icircn general pe văile racircurilor unde s-au construit hidrocentrale
A
A B
B
A-A
000 -300 -700 -1061 -1300
65
800
B-B
000 -300 -700 -1061 -1300
65
550
ARGILA
ARGILA
NISIP
NISIP
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
47
Echipamentul frigorific principal cuprinde un agregat frigorific pentru amoniac de 20000 kcal Nh = 233 kW rezervor de amoniac separator de lichid şi anexe - toate fiind montate pe o remorcă
S-au folosit sonde de icircngheţare cu agent frigorific icircn număr de 8 bucăţi cu diametrul exterior de 133 mm montate pe un cerc cu diametrul de 2 m la distanţa de 076 m lungimea lor fiind de 75 m Legarea sondelor la distribuitor şi colector s-a făcut cu racorduri flexibile
Sondele au o construcţie specială fiind prevăzute cu 4 pereţi transversali cu ştuţuri de preaplin formacircndu-se astfel 5 compartimente Agentul lichid se introduce icircn compartimentul cel mai de sus şi se scurge prin ştuţuri pacircnă la baza sondei Conducta de aspiraţie străbate toate compartimentele vaporii fiind aspiraţi din compartimentul cel mai de jos Circulaţia vaporilor formaţi se face ca şi a lichidului de sus icircn jos obţinacircndu-se astfel o răcire uniformă şi eficientă pe toată icircnălţimea sondei
Durata icircngheţării respectiv a formării centurii de teren icircngheţat la adăpostul căreia să se poată efectua săparea şi preluarea de probe de sol este de 10 zile
414 514 CAcircMPUL DE TEMPERATURĂ IcircN SOLUL IcircNGHEŢAT
Cacircnd prin sonda de icircngheţare circulă saramură a cărei temperatura este sub 0 ordmC practic - 20 ordmC-25 ordmC icircn jurul sondei se formează un cacircmp termic care icircn cazul unei singure sonde poate fi reprezentat prin suprafeţe cilindrice coaxiale de temperatură constantă (izoterme)
După distanţa radială se deosebesc icircn sol din punct de vedere termic trei zone zona cilindrică din imediata vecinătate a sondei care este icircn zona icircngheţată zona răcită cuprinsă icircntre suprafaţa cilindrică izotermă de 0 ordmC şi izoterma de temperatură naturală şi a treia zonă cea de temperatura naturală (fig 514)
Icircn zona icircngheţată temperatura masivului variază de la temperatura peretelui metalic al sondei pacircnă la 0 ordmC Icircn zona răcită temperatura masivului creşte de la 0 ordmC pacircnă la temperatura naturală a masivului
Figura 414 Fig 514 Cacircmpul de temperatură icircn jurul unei sonde de icircngheţare
Este important să se cunoască cacircmpul termic icircn terenul supus icircngheţării deoarece acesta oferă date privind zona de răspacircndire a consolidării rocilor prin solidificarea apei cacirct şi a
t [oC]
r [m]
t (r)
ZONA RACITA
ZONA INGHETAT
A
ts TEMPERATURA NATURALA A ROCII
-20
-10
40
10 0 20 30
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
48
rezistenţei mecanice a rocii icircngheţate Se cunoaşte faptul că rezistenţa mecanică depinde direct de temperatură
Studiul variaţiei temperaturii icircn zona de influenţă a unei sonde şi a tuturor sondelor simultan oferă posibilitatea calculării dimensiunilor la proiectarea construcţiei peretelui protector cacirct şi controlul procesului icircn timpul desfăşurării lucrărilor
Pentru a se stabili relaţia de variaţie a temperaturii icircn zona icircngheţată icircn funcţie de raza r se consideră ecuaţia diferenţială
dr
dtr2q (56)
icircn care q este fluxul unitar de căldură corespunzător lungimii de 1 m din sonda de icircngheţare Wm
- conductivitatea termica a terenului Wm
Integrarea directă a ecuaţiei analitice se poate face icircn ipoteze simplificatoare consideracircnd
= const şi q = const ceea ce este justificat la valori mari ale timpului de răcire
Se separa variabilele
r
dr
2
qdt
(57)
Se consideră cunoscute temperaturile t1 la suprafaţa sondei de raza r1 și t2 = 0 ordmC la raza r2 corespunzătoare suprafeţei exterioare a cilindrului icircngheţat Se integrează ecuaţia (6-7) și cunoscacircnd limitele de integrare se va determina constanta de integrare
Cr ln2
qt
(58)
pentru r = r1 t = t1 deci
11 rln2
qtC
(59)
1
1r
rln
2
qtt
(510)
Se pune condiţia ca pentru r = r2 t = t2
1
212
r
rln
2
qtt
(511)
Se elimina q intre relaţiile (510) și (511) şi se obţine
1
2
1121
r
rln
r
rln
tttt (512)
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
49
Figura 415 Fig 515 Schema schimbătorului de căldură subteran
Pentru t2 = 0 ordmC relaţia (5-12) devine
)rrln(
)rrln(tt
12
21 (513)
Icircn figura 515 se prezintă o secţiune axială printr-o sondă de icircngheţare şi variaţia temperaturii icircn limitele t0 - temperatura agentului de răcire şi ts - temperatura naturală a solului
Cantitatea de căldură transferată de la masivul neicircngheţat spre agentul de răcire prin unitatea de lungimea de conducta şi unitatea de timp se calculează cu expresia
221
2
1o
1
moo
os
d
1
d
dln
1
d
dln
2
1
d
1
ttq
(514)
Icircn calculele inginereşti cel mai frecvent se determină nu fluxul termic pe unitatea de lungime a conductei ci fluxul termic qF raportat la unitatea de suprafaţă a conductei metalice la 1 m2 de suprafaţa exterioară sau interioară Mărimea qF se calculează astfel
22
o
1
2
1
o
o
1
m
o
o
oS
o
F
d
d
d
dln
2
d
d
dln
2
d1
tt
d
(515)
Fluxul termic qF prin unitatea de suprafaţă a sondei de icircngheţare calculat pentru adacircncimea de 100 m icircn regim laminar de curgere a agentului de răcire prin spaţiul inelar al sondei cu viteza w = 01 ms la diametre ale cilindrului de rocă icircngheţata
de la 02 la 3 m pentru to = -20 ordmC do = 01 m 1 = 233 WmK variază de la 720 la 230 Wm2 aşa cum se poate observa din figura 516 şi tabelul 51
d2
d1
d0
t
qF
t0
t2
t1 2
m 1
m
ts
Conducta Teren icircngheţat Teren
neicircngheţat
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
50
Figura 416 Fig 516 Variaţia fluxului termic qF prin unitatea de suprafaţă a sondei de icircngheţare 1 - regim turbulent 2 regim laminar
Tabelul 51Variaţia fluxului termic qF [Wm2]
Diametrul cilindrului de rocă icircngheţată icircn m
02 04 05 08 10 15 20
qF regim laminar 1160 550 387 330 302
qF regim laminar 720 465 423 350 321 283 258
Se observă ca densitatea fluxului de căldura qF scade foarte mult de la 800900 Wm2 la icircnceputul operaţiei de consolidare prin frig a rocilor pacircnă la 230250 Wm2 cacircnd cilindrul de rocă icircngheţata atinge diametrul de 23 m Ca urmare a acestei situaţii şi puterea frigorifică a instalaţiei va scădea icircn decursul a 6080 zile tot cu raportul de 800230 = 35
Instalaţia frigorifică va fi constituită din grupuri de utilaje (module) ce vor fi scoase treptat din funcţiune pe măsură ce se reduce densitatea fluxului de căldură qF ca urmare a creşterii grosimii stratului de teren icircngheţat Icircn practică pentru calcule se va considera qF = (260290) Wm2
O mărime importanta pentru proiectarea instalaţiei şi aprecierea procesului de consolidare a rocilor este timpul de icircngheţare Pentru calculul duratei de icircngheţare se pot folosi relaţiile prezentate icircn capitolul 3 la formarea gheţii pe suprafeţe cilindrice exterioare La aprecierea valorii pentru ls - căldura latentă de solidificare se avea icircn vedere conţinutul de apă din terenul supus icircngheţării
Dacă icircntre relaţiile pentru dependenţele (r) şi qF(r) se elimină r se obţine dependenţa
qF() Eliminarea nu se poate face direct ci fie cu ajutorul calculatorului fie printr-o construcţie grafică prezentată icircn figura 517
Studiul variaţiei temperaturii icircn solul icircngheţat cacirct și variaţia icircn timp a densităţii fluxului de căldura se poate face cu ajutorul calculatorului electronic
1200
1000
800
600
400
200
0 05 1 15 2 25 3
qF [Wm2]
Diametrul cilindrului de rocă icircngheţată [m]
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
51
Figura 417 Fig 517 Stabilirea dependentei qF() pe baza dependentelor qF(r) și (r)
415 515 ELEMENTE DE PROIECTARE A INSTALAŢIEI FRIGORIFICE PENTRU IcircNGHEŢAREA SOLULUI
Pentru proiectarea instalaţiei frigorifice trebuie sa se stabilească la icircnceput elementele de baza și anume
- puterea frigorifică maximă care apare la icircnceputul perioadei de răcire cacircnd pătrunderile de căldura spre agentul de răcire din sondele de icircngheţare au valori mai mari temperatura de vaporizare a agentului frigorific plecacircnd de la temperatura minimă sau medie din solul icircngheţat şi avacircnd icircn vedere modul de răcire directă sau indirectă
Se calculează cantitatea totală de căldură ce trebuie extrasă din terenul supus răcirii şi icircngheţării Se cunoaşte structura terenului icircngheţat deci se cunosc icircnălţimile h1 h2hn ale diferitelor straturi componente cacirct şi proprietăţile termofizice ale acestora
Grosimea centurii de teren icircngheţat se stabileşte icircn urma calculelor de rezistenţa materialelor icircncacirct se pot calcula volumele ocupate de straturile componente V1 V2Vn
Cantitatea de căldură ce trebuie extrasă din zona icircngheţată cuprinde două componente și anume
cantitatea de căldura Qa corespunzătoare răcirii şi icircngheţării apei
cantitatea de căldura Qt necesara răcirii părţii solide a terenului
n
1kfgsikaakka tcltcVQ (516)
unde
k - reprezintă conţinutul icircn apă din stratul respectiv [m3m3]
a - densitatea apei [kgm3]
ca cg - căldura specifica a apei respectiv a gheţii Jkg K
tik - temperatura iniţiala a stratului respectiv (de ordinul k)
tf - temperatura medie finala a masivului icircngheţat
ls - căldura latentă de solidificare a apei
r
q
q
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
52
fik
n
1kkkkkt ttc1VQ
(517)
k - densitatea părţii de teren solid (uscat) din stratul k
ck - căldura specifică a terenului uscat din stratul k
Cantitatea de căldură extrasă din terenul răcit reprezintă circa 1018 din cantitatea de căldură extrasă din zona de teren icircngheţat
Deci cantitatea totală de căldură Q ce va trebui preluată de către instalaţia frigorifică se poate aprecia astfel
Q = (110118) (Qa + Qt) (518)
Cu relaţia (51) se calculează puterea frigorifica a instalaţiei adoptacircnd o valoare medie pentru densitatea fluxului de căldura qF
Se poate aprecia timpul de funcţionare a instalaţiei frigorifice
o
Q
(519)
La anumite grosimi ale cochiliei de teren icircngheţat icircn jurul sondei densitatea fluxului termic scade sub valoarea medie adoptată icircn calcule şi ca urmare icircncepacircnd de la acest moment se va putea reduce treptat puterea frigorifica a instalaţiei prin scoaterea din funcţiune a unor grupuri
La proiectare se pot avea icircn vedere unele recomandări practice pentru stabilirea necesarului de frig pentru icircngheţarea unui m3 la -10 ordmC este necesar un consum specific de frig de 66000 kJ la 10 umiditate de 155000 kJ la 35 umiditate și de 210000 kJ la 50 umiditate
42 52 RĂCIREA BETONULUI LA CONSTRUCŢIILE MASIVE
421 521 INSTALAŢII DE PRERĂCIRE A COMPONENTELOR BETONULUI
Formarea betonului din elementele sale componente (nisip pietriş ciment şi apă) este icircnsoţită de fenomene fizico - chimice icircn care se degajă căldură şi ca urmare temperatura acestuia creşte Icircn cazul unor masive din beton (baraje) dacă viteza de turnare (icircn sezonul cald cacircnd se efectuază construcţia) este mai mare şi nu se asigura evacuarea căldurii corpul rezultă la o temperatura medie mai mare decacirct temperatura medie anuală Răcirea naturală conduce la contracţia masivului şi ca urmare la apariţia sub acţiunea tensiunilor interne a unor fisuri
Pentru ca variaţiile de temperatura icircntre centrul barajului şi straturile exterioare să fie cacirct mai mici se impune ca masivul respectiv să fie turnat la temperatura medie anuală a zonei respective Icircn acest scop se pot folosi două metode prin prerăcirea componentelor betonului și prin răcirea masei barajului
Icircn vederea reducerii căldurii degajată icircn reacţia dintre ciment şi apă au fost realizate sortimente de ciment caracterizate prin călduri masice reduse ce se degajă icircn procesul de priză
Prin prerăcirea componentelor betonului se urmăreşte ca betonul sa aibă temperatura medie a locului de amplasament şi prin aceasta evitarea apariţiei unor diferenţe mari de temperatură ce pun icircn pericol construcţia
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
53
Icircn funcţie de valoarea diferenţei de temperatură care trebuie realizată se poate adopta o anumită schemă de răcire pentru fiecare component icircn parte sau numai pentru unele din aceste părţi componente
Se pot folosi instalaţii frigorifice cu comprimare mecanică de vapori pentru răcirea apei a aerului sau formarea gheţii mărunte utilizate la prerăcirea componentelor betonului Folosirea gheţii fulgi sau solzi este limitată atacirct din cauza conţinutului de apă impus cacirct şi ca urmare a pericolului ca gheaţa să nu se topească icircn procesul de malaxare ci la turnare sau icircn procesul de priză ceea ce duce la formarea de goluri icircn beton
De asemenea se pot folosi instalaţiile frigorifice cu ejecţie
Icircn vederea stabilirii necesarului de frig pentru preratildecirea componentelor betonului se calculează mai icircntacirci cantitatea de catildelduratilde Qo1 ce trebuie evacuatatilde dintr-un m3 de beton avacircndu-se icircn vedere proporţiile icircn care participatilde cimentul nisipul pietrişul şi apa Fiecare component are o temperatură iniţialatilde şi urmeazatilde a fi răcit pacircnatilde la o temperatura finalatilde tf aceeaşi pentru toţi componenţii
fpppfnnnfccc1o ttcmttcmttcmQ
fnaanfpaapfaaa ttcmttcmttcm Jm3 (520)
unde
mc mn mp ma - masele de ciment nisip pietriş şi apă conţinute icircntr-un m3 de beton [kgm3]
cc cn cp cw - căldurile specifice masice ale cimentului nisipului pietrişului şi nisipul dintr-un m3 de beton [kgm3]
Puterea frigorifică se determină cu relaţia
3b1oo 10VQ [kW] (521)
icircn care bV reprezintă fluxul de betonare icircn m3s
Se prezintă icircn continuare cele mai folosite metode de prerăcire a componentelor betonului
4211 a) Instalaţie de prerăcire cu apă
Staţia de preparare a betonului este deservită de o instalaţie frigorifică cu comprimare mecanică de vapori care asigură răcirea apei
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
54
Figura 418 Fig 518 Schema de lucru a instalaţiei de prerăcire a betonului cu ajutorul apei 1 - ciment 2 - vagon nisip 3 - vagon pietris 4 - tancuri de răcire a pietrişului 5 - sită 6 - siloz de
nisip 7 - siloz de ciment 8 - rezervor de distribuţie 9 - răcitor de nisip 10 - răcitor de ciment 11 - răcitor de apă 12 - rezervor de apă răcită 13 - răcitor de apă 14 - instalaţie de prepararea betonului
I II III IV V - fazele de răcire a pietrişului
Icircn figura 518 se prezintă schema de lucru a unei asemenea instalaţii de prerăcire a betonului cu ajutorul apei folosită la construcţia barajului de la Detroit (SUA) Apa este răcită de la 16 la 15 ordmC şi transmisă apoi la instalaţia de preparare a betonului şi icircn cinci rezervoare a cacircte 90 m3 fiecare icircn care se răceşte pietrişul
Procesul de răcire a pietrişului cuprinde cinci faze
- faza I - introducerea apei icircn rezervor 10 minute
- fazele II şi III - introducerea simultană a apei şi a pietrişului 50 minute
- faza IV - evacuarea apei 15 minute
- faza V - evacuarea pietrişului 15 minute
Icircntregul proces de răcire a pietrişului durează 90 minute Pentru răcirea cimentului şi nisipului se utilizează schimbătoare de căldură cu ax elicoidal la care apa de răcire circulă prin arborele gol şi prin manta
Rezervoarele 12 pentru apa răcită au fiecare volumul de 114 m3
Beton 635oC
190 m3h
65oC
24oC
18oC
1
2
3
4
5
6
7
8
10
9
11
12
13
14
Apă 16oC
15oC
Cim
en
t
26 l
h
Nis
ip 1
12
lh
10
oC
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
55
42111 Aplicaţie numerică
Să se calculeze puterea frigorifică necesară prerăcirii betonului prin metode şi condiţiile prezentate mai sus Se cunosc următoarele date de calcul
mp = 1700 kgm3 beton
mc = 135 kgm3 beton
mn = 590 kgm3 beton
ma = 60 kgm3 beton
cc = cn = cp = 921 Jkg K
ca = 4180 Jkg K
map = 16 kgm3 beton
man = 38 kgm3 beton
tp = 18 ordmC
tc = 66 ordmC
tn = 21 ordmC tf = 635 ordmC
052803000
190Vb m3s
Se calculează componentele cantităţii de căldură Q01
3fcccc 10741735666921135ttcmQ Jm3
3fnnnn 10796135621921590ttcmQ Jm3
3fpppp 1024018356189211700ttcmQ Jm3
3faaaa 10420235616418060ttcmQ Jm3
3fpaapap 1077935618418016ttcmQ Jm3
3fnaaan 10232735621418038ttcmQ Jm3
Rezulta
3anapapnc1o 1039144QQQQQQQ Jm3
3o 10 206705280103914410VQ 33
b1o kW
4212 b) Instalaţii de prerăcire cu aer apă
Pentru răcirea componentelor betonului se utilizează icircn acest caz fie apa fie aerul ca agenţi intermediari răciţi cu ajutorul instalaţiilor frigorifice
Icircn figura 519 se prezintă schema unei asemenea instalaţii folosită la construcţia barajului de la Sariyar din Turcia
Răcirea aerului se poate face fie direct prin vaporizarea unui agent frigorific fie indirect cu un agent intermediar de răcire ca de exemplu saramura de clorură de calciu Aerul răcit pacircnă la -6 ordmC este suflat icircn silozurile cu pietriş de dimensiuni icircntre 4150 mm
Apa răcită icircn bazinul la pacircnă la 05 ordm este trimisă din colectorul 12 la staţia de preparare a betonului servind la scăderea temperaturii acestuia
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
56
Figura 419 Fig 519 Schema instalaţiei de prerăcire a betonului cu aer şi apă 1 - compresor 2 - condensator 3 - ventile de laminare 4 - vaporizatoare 5 - bazin de răcire a
saramurii 6 - pompă de saramură 7 - răcitor umed de aer 8 - ventilatoare 9 - silozuri de pietriş 10 - bazin de răcire a apei 11 - pompă 12 - colector de apă răcită
Figura 420 Fig 520 Schema instalaţiei de prerăcire cu aer şi apă 1 - siloz de pietriş şi nisip 2 - siloz de ciment 3 rezervor de apă 4 - răcitor de aer 5 - răcitor de apă
4 - răcitor de apă 6 - buncăr de sortare 7 - instalaţie de preparare beton
Pentru intensificarea procesului de răcire a pietrişului aerul este răcit sub 0 ordmC Acest procedeu are avantajul unei funcţionări fără icircntrerupere a procesului de preparare a betonului dar prezintă şi o serie de dezavantaje debite foarte mari de aer de răcire posibilitatea antrenării particulelor fine de agregat icircn răcitorul de aer şi depunerea acestora pe suprafaţa de schimb de căldură Ca urmare instalaţia se va curăţa la circa 14 zile Icircn figura 520 se prezintă o altă schemă de instalaţie de prerăcire a betonului cu aer şi apă folosită la construcţia unui baraj din India
Apă
295oC
Ciment
433oC
Pietriş şi nisip
378oC
Apă 6oC
Ciment 433oC
Aer
Pietriş
45oC Nisip 222oC
22oC
Ap
ă
45
oC
Ap
ă 2
2o
C
Ae
r 5
5o
C
Be
ton
12
8o
C
Apă 22oC
2
1
3 4 5
8
9
5 7
12
1oC
11
05oC 9oC 9oC
-9oC
-10oC -10oC
-10oC 2oC
6oC
10 4 4 6
8 8
8
8 8
9 9 9 9
1
2
3 3
7
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
57
Pietrişul şi nisipul se separă icircntre ele icircn buncărul de sortare 6 şi apoi fiecare circulă pe cacircte o bandă transportoare prin camera de răcire 7 Pietrişul este răcit cu ajutorul apei
Fig
ura
42
1 F
ig 5
21
Sc
he
ma
in
sta
laţi
ei
de
ră
cir
e icirc
n v
id a
co
mp
on
en
telo
r b
eto
nu
lui
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
58
reci icircncacirct ajunge la o temperatură mai scăzută decacirct nisipul răcit cu aer Prin camera 7 se circulă şi aer rece care se introduce la temperatura de 55 ordmC Cimentul se introduce la instalaţia de preparare a betonului 9 fără a fi răcit
O altă posibilitate de prerăcire a agregatelor (pietriş şi nisip) şi a apei utilizată mai recent la construirea barajelor icircntrebuinţează răcirea icircn vid la care agregatele uşor umezite icircn recipiente sub presiune se răcesc după nevoie (prin reglarea vacuumului) la o temperatură mai scăzută sau mai ridicată Căldura necesară evaporării umidităţii de pe agregate şi din ele (apa legată) este luată chiar de la corpurile respective (pietriş nisip) şi ca urmare acestea se răcesc
O asemenea instalaţie utilizată la Hortwell icircn SUA (figura 521) cuprinde 3 recipienţi de cacircte 150 m3 pentru răcirea pietrişului şi 3 recipienţi de cacircte 80 m3 pentru răcirea nisipului
Pietrişul şi nisipul cu temperatura maximă de 43 ordmC se pot răci pacircnă la temperatura necesară de 45 ordmC Pentru realizarea vidului necesar se folosesc două cazane de abur care produc 77 th fiecare
422 522 RĂCIREA INTERIOARĂ A MASIVULUI DE BETON
Prerăcirea betonului se recomandă icircn condiţiile unei zone tropicale sau temperate de amplasare a construcţiei masive nu se recomandă icircn cazul amplasării barajului icircn munţi unde temperatura aerului este scăzută Icircn asemenea situaţii se recomandă răcirea betonului prin conducte amplasate icircn masiv prin care circulă apă rece
La răcirea interioară cu conducte montate icircn beton are loc o eliminarea a căldurii simultan cu producerea ei icircn procesul de priză producacircndu-se şi o răcire pacircnă la temperatura necesară Pentru răcire se folosesc conducte de oţel cu diametre de 1525 mm montate la distanţe de 1223 m icircn plan orizontal şi de 153 m icircn plan vertical Lungimea conductelor icircntr-un m3 de beton este de 0204 şi a fiecărei serpentine de 140250 m
Debitul apei de răcire ce circulă prin 1 m3 de beton este de (0553) dm3h
Figura 422 Fig 522 Reţea de conducte de răcire a betonului icircn secţiunea unui baraj 1 - galerie pentru măsurători 2 - galerie de conducte de apă de răcire
Serpentinele se montează şi se fixează pe suprafaţă de beton (fig522) Capetele serpentinelor se leagă de o coloană verticală prin mufe metalice sau de cauciuc Diametrul distribuitorului şi al coloanei este cuprins icircntre 150200 mm După montaj aceste conducte se verifică la presiunea de lucru
1 2
Ax
a
ba
raju
lui
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
42
Figura 48 Fig 58 Sonda de icircngheţare zonală
1 - burlan exterior 2 - tub de alimentare 3 - şiu 4 - tub de evacuare
Figura 49 Fig59 - Sonda de icircngheţare cu agent
frigorific 1 - tub exterior 2 - perete despărţitor 3 - şiu 4 -
ştuţ (ţeavă de preaplin) 5 - condensator - vaporizator
Icircn cazul răcirii directe sondele de icircngheţare cu agent frigorific sunt de construcţie specială (fig 59) Particularitatea acestor sonde este prezenţa pereţilor despărţitori 2 dispuşi unul sub celălalt la circa 3 m fiecare perete fiind prevăzut cu un ştuţ de preaplin O asemenea construcţie are rolul de a fracţiona coloane de lichid ceea ce asigură o răcire mai uniformă pe lungimea sondei
Fiecare sondă este prevăzută la partea superioară cu cacircte o cămaşă de răcire Sondele se umplu cu amoniac lichid icircntr-o asemenea cantitate icircncacirct fiecare secţie să fie icircnecată cu lichid respectiv pacircnă la partea superioară a ştuţurilor 4 Ca urmare a fluxurilor de căldură de la sol se produce fierberea amoniacului icircn toate secţiile sondei Vaporii formaţi se ridică prin ştuţurile 4 şi ajungacircnd la partea superioară a sondei se condensează cedacircnd căldură agentului (amoniac) din cămăşile de răcire
Ca urmare cămăşile de răcire de la partea superioară a sondelor constituie vaporizatorul instalaţiei frigorifice Amoniacul care se condensează la partea superioară a sondei curge icircnapoi (de sus icircn jos) prin ştuţurile 4 Folosirea pereţilor despărţitori şi a ştuţurilor micşorează influenţa presiunii hidrostatice a lichidului asupra temperaturii de vaporizare a amoniacului Asemenea sonde de icircngheţare se folosesc pentru lucrări de mică adacircncime
Amplasarea sondelor se face icircn funcţie de o serie de factori formă poziţia şi dimensiunile lucrării care se realizează structura terenului temperatura şi viteza agentului etc
Icircn cazul puţurilor de mină de secţiune circulară sondele se amplasează pe un cerc
concentric de diametru D mai mare decacirct diametrul de săpare Ds cu grosimea a peretelui icircngheţat
sDD (54)
Trebuie să se ţină seama şi de deviaţia sondelor de la poziţia verticală icircncacirct pentru adacircncimi mari se utilizează relaţia
3
2 4
1
VAPORI 5 LICHID
3
2
4 1
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
43
a21DD s (55)
unde a = 003 H este abaterea medie statistică de la verticală a sondelor
Distanţa dintre sonde se ia de obicei de 1014 m icircn terenuri rezistente şi de 0809 m icircn terenuri slabe
Pentru adacircncimi de peste 500 m se recomandă să se dispună sondele pe două cercuri concentrice pentru a se forma un perete de grosime mai mare şi deci mai rezistent
La icircngheţarea terenului icircn jurul puţurilor de secţiune dreptunghiulară sondele se pot dispune pe dreptunghi sau elipsă Icircn aceste situaţii centura de teren icircngheţat poate fi solicitată la icircntindere ceea ce este de nedorit deoarece limita de rezistenţa la icircntindere a terenurilor icircngheţate este de circa 3 ori mai mică decacirct limita rezistenţei la compresiune Din acest motiv chiar şi la puţurile de mină de secţiune dreptunghiulară sondele se dispun pe unul sau două cercuri (fig 510)
Pentru realizarea galeriilor icircnclinate icircngheţarea terenului se realizează cu sonde verticale (fig 511) sau combinat atacirct cu sonde verticale cacirct şi cu sonde icircnclinate (fig 512)
Distanţa dintre sondele verticale (fig 511) se ia de 23 m iar distanţa dintre racircnduri este de 1525 m
Se poate folosi cacircte un racircnd de sonde icircnclinate montate deasupra galeriei (fig 212 a) sau sonde icircnclinate sub galerie şi sonde verticale scurte deasupra galeriei (fig 512 b)
SONDA
154 m
16
6 m
226
262
85
SONDA
Figura 411 Fig 511 Amplasarea sondelor verticale pentru realizarea galeriei icircnclinate
Figura 411 Fig 510 Dispunerea sondelor icircn jurul puţurilor de mină de secţiune
dreptunghiulară
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
44
Figura 412 Fig 512 Realizarea galeriilor icircnclinate cu sonde verticale (1) şi sonde oblice (2)
I - secţiunea longitudinală II - secţiunea transversală a) sonde icircnclinate deasupra galeriei b) sonde icircnclinate sub galerie
413 513 UTILIZAREA METODEI DE IcircNGHEŢARE A SOLULUI IcircN ŢARA NOASTRĂ
a)Puţuri de mină
Aplicarea metodei de icircngheţare a solului pentru lucrări de minerit a avut loc la noi icircn ţară icircncepacircnd cu anul 1960 la puţul Godeni din bazinul carbonifer Cacircmpulung - Muscel Proiectul a fost elaborat icircn anul 1959 la IPROMIN Bucureşti iar lucrarea a fost executată cu Trustul Minier Argeş avacircnd icircn subantrepriză de specialitate Icircntreprinderea Frigotehnica Bucureşti şi Trustul de prospecţiuni explorări şi deschideri de mine noi Bucureşti
Adacircncimea de săpare a puţului Godeni a trebuit sa fie de 202 m Sondele de icircngheţare constituite din două ţevi concentrice (fig 51) cu diametrele exterioare de 146 mm şi respectiv 57 mm icircn număr de 27 au fost amplasate pe un cerc cu diametrul de 10 m la distanţa de 117 m una de alta
Instalaţia frigorifică a fost dimensionată cu mare precauţie pentru a avea o siguranţă mărită icircn funcţionarea ei Toate părţile componente ale instalaţiei frigorifice au fost proiectate şi executate icircn ţară
La proiectarea instalaţiei s-a avut icircn vedere funcţionarea de scurtă durată şi variaţia puterii frigorifice icircn timp S-a utilizat răcirea indirectă cu soluţie de clorură de calciu iar ca agent frigorific a fost folosit amoniacul Pentru a avea elasticitatea necesară icircn funcţionare la diferite puteri frigorifice au fost folosite grupuri de utilaje frigorifice şi anume
6 compresoare 4 AU - 20 (200000 kcal Nh =233 kW fiecare)
3 baterii de condensatoare atmosferice a cacircte 300 m2 (900 m2)
bazine pentru răcirea saramurii fiecare cu cacircte 2 vaporizatoare superintensive de 50 m2 (600 m2)
2 grupuri a cacircte 5 pompe pentru recircularea saramurii
Puterea frigorifică a instalaţiei montate a fost de 12106 kcal Nh =1395 kW şi s-a caracterizat prin următoarele date tehnice la exploatare
85
1
2
I 85
1
2
I
85
1
2
II
85
1
2 II
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
45
o suprafaţa de schimb de căldură a sondelor 2500 m2 o puterea instalaţiei 750 kW o debitul saramurii icircn
o icircn perioada activă 350 m3h o icircn perioada pasivă 70 m3h
o viteza de circulaţie a saramurii icircn sondă o tur 18 ms 036 ms o retur 029 ms 006 ms
o volumul rocilor icircngheţate circa 10000 m3 o consumul specific de frig mediu 50000 m3 o durata icircngheţării (perioada activă) 130 zile
Icircn timpul răcirii şi deci a icircngheţării solului puterea frigorifică scade icircn mod continuu icircncacirct treptat s-a scos din funcţiune cacircte un compresor icircn perioada pasivă (de săpare a puţului) s-a menţinut icircn lucru doar un singur compresor şi grupul de utilaje aferent
După terminarea lucrărilor de la puţul Godeni icircn anii următori aceeaşi instalaţie s-a montat la puţul Poenari din acelaşi bazin carbonifer unde sondele au fost amplasate pe un cerc cu diametrul de 11 m la distanţa de 128 m una de alta
Un alt puţ realizat prin această tehnologie de icircngheţare a solului a fost puţul Jugur de la acelaşi bazin carbonifer Centrala frigorifică a cuprins 15 compresoare 3 AV - 20 (150000 kcal Nh fiecare=175kW) repartizate icircn 5 linii tehnologice independente cu icircntreg utilajul aferent Fiecare linie este compusă din
o butelie de răcire intermediară BRI - 700 un condensator cu evaporare forţată CEF - 180 un bazin cu patru grupuri vaporizatoare intensive de cacircte 165 m2 (icircn total 66 m2)
Sondele de icircngheţare icircn număr de 27 bucăţi au fost prevăzute să se amplaseze pe un cerc cu diametrul de 104 m la distanţă de 121 m Sondele sunt de tipul celei indicată icircn figura 58 deci cu răcire zonală avacircnd următoarele caracteristici diametrul exterior al burlanului este de 146 mm iar tuburile interioare au 57 mm (la exterior) tubul de alimentare are lungimea de 430 m iar cel de evacuare este de 220 m Ca urmare sondele de icircngheţare trebuie să producă icircngheţarea solului numai pe adacircncimea de la 220 m la 430 m Prin proiect s-au prevăzut următoarele date temperatura saramurii - 35 ordmC viteza saramurii icircn conducte de tur 18 ms viteza icircn conducte de retur (pe adacircncimea de răcit) 06 ms durata icircngheţării (perioada activă) a fost de 75 zile
Au fost prevăzute temperaturi scăzute şi viteze mari de congelare deoarece cilindrul icircngheţat trebuie să preia presiuni de pacircnă la 56 bar
b)Tunelurile pentru metroul din Bucureşti
Icircncepacircnd cu anul 1976 pentru realizarea metroului din Bucureşti s-a procedat la aplicarea metodei de icircngheţare a solului icircntr-o zonă considerată experimentală dar cu realizări efective de galerii
Prin proiect s-a prevăzut consolidarea prin icircngheţare artificială a profilului de săpare a tunelurilor de metrou pe o lungime de circa 550 m pe ambele fire Amplasamentul sondelor s-a făcut icircn două variante (pentru experimentare) pentru un fir de tunel ambele racircnduri de sonde s-au fixat icircn profilul circular de săpare iar pentru cel de al doilea fir de tunel sondele au fost forate icircn afara profilului de icircnaintare (fig 513) Au fost folosite sonde cu saramură cu posibilitatea de icircngheţare pe toată icircnălţimea de 16 m cacirct şi sonde cu icircngheţare zonală icircntre adacircncimile de 7 m şi 16 m Distanţa dintre sonde a fost fixată la 14 m
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
46
Pentru a se icircmpiedica accesul apelor icircn frontul de săpare datorate unor eventuale zone neicircngheţate traseul de tunel icircngheţat a fost icircmpărţit icircn incinte icircnchise prin timpane transversale La distanţe de 3050 m icircn lungul traseului au fost montate sonde de icircngheţare aşezate icircn plan normal pe axul tunelului prin care să se icircnchidă accesul apelor spre frontul de săpare
Echipamentul frigorific principal cuprinde
- 8 compresoare frigorifice 3 AV - 20 funcţionacircnd icircntr-o treaptă pentru care
corespunde puterea frigorifică de 12 106 kcal Nh =1395 kW
- 4 condensatoare de evaporare forţată CEF - 250
- 3 bazine de răcire a saramurii echipate cu cacircte 4 grupuri de vaporizatoare superintensive de cacircte 51 m2 (total 612 m2)
- 3 grupuri de cacircte 2 pompe a 220 m3h pentru circulaţia saramurii pe traseele de distribuţie şi prin sonde
Figura 413 Fig513 Amplasamentul sondelor de icircngheţare
Centrala frigorifică este stabilă adăpostită icircntr-o baracă metalică demontabilă existacircnd posibilitatea de reamplasare rapidă a instalaţiei icircntr-un alt loc Agentul frigorific utilizat este amoniacul iar agentul intermediar este clorura de calciu
Icircn perioada principală de icircngheţare temperatura de vaporizare este to = -22 ordmC asiguracircnd răcirea saramurii la -17 ordmC iar pe retur saramura a avut temperatura cu 15 ordmC mai ridicată
La o asemenea lucrare realizată icircn oraş se impune protejarea contra icircngheţului a straturilor de deasupra galeriilor icircn care sunt amplasate instalaţiile de apă - canal ceea ce presupune folosirea sondelor cu icircngheţare zonală care să nu fie active la partea superioară
c) Puţuri pentru prospectarea balastierelor
Procedeul şi instalaţia frigorifică au avut caracter de noutate şi s-a aplicat icircncepacircnd cu anul 1966 la mai multe obiective icircn general pe văile racircurilor unde s-au construit hidrocentrale
A
A B
B
A-A
000 -300 -700 -1061 -1300
65
800
B-B
000 -300 -700 -1061 -1300
65
550
ARGILA
ARGILA
NISIP
NISIP
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
47
Echipamentul frigorific principal cuprinde un agregat frigorific pentru amoniac de 20000 kcal Nh = 233 kW rezervor de amoniac separator de lichid şi anexe - toate fiind montate pe o remorcă
S-au folosit sonde de icircngheţare cu agent frigorific icircn număr de 8 bucăţi cu diametrul exterior de 133 mm montate pe un cerc cu diametrul de 2 m la distanţa de 076 m lungimea lor fiind de 75 m Legarea sondelor la distribuitor şi colector s-a făcut cu racorduri flexibile
Sondele au o construcţie specială fiind prevăzute cu 4 pereţi transversali cu ştuţuri de preaplin formacircndu-se astfel 5 compartimente Agentul lichid se introduce icircn compartimentul cel mai de sus şi se scurge prin ştuţuri pacircnă la baza sondei Conducta de aspiraţie străbate toate compartimentele vaporii fiind aspiraţi din compartimentul cel mai de jos Circulaţia vaporilor formaţi se face ca şi a lichidului de sus icircn jos obţinacircndu-se astfel o răcire uniformă şi eficientă pe toată icircnălţimea sondei
Durata icircngheţării respectiv a formării centurii de teren icircngheţat la adăpostul căreia să se poată efectua săparea şi preluarea de probe de sol este de 10 zile
414 514 CAcircMPUL DE TEMPERATURĂ IcircN SOLUL IcircNGHEŢAT
Cacircnd prin sonda de icircngheţare circulă saramură a cărei temperatura este sub 0 ordmC practic - 20 ordmC-25 ordmC icircn jurul sondei se formează un cacircmp termic care icircn cazul unei singure sonde poate fi reprezentat prin suprafeţe cilindrice coaxiale de temperatură constantă (izoterme)
După distanţa radială se deosebesc icircn sol din punct de vedere termic trei zone zona cilindrică din imediata vecinătate a sondei care este icircn zona icircngheţată zona răcită cuprinsă icircntre suprafaţa cilindrică izotermă de 0 ordmC şi izoterma de temperatură naturală şi a treia zonă cea de temperatura naturală (fig 514)
Icircn zona icircngheţată temperatura masivului variază de la temperatura peretelui metalic al sondei pacircnă la 0 ordmC Icircn zona răcită temperatura masivului creşte de la 0 ordmC pacircnă la temperatura naturală a masivului
Figura 414 Fig 514 Cacircmpul de temperatură icircn jurul unei sonde de icircngheţare
Este important să se cunoască cacircmpul termic icircn terenul supus icircngheţării deoarece acesta oferă date privind zona de răspacircndire a consolidării rocilor prin solidificarea apei cacirct şi a
t [oC]
r [m]
t (r)
ZONA RACITA
ZONA INGHETAT
A
ts TEMPERATURA NATURALA A ROCII
-20
-10
40
10 0 20 30
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
48
rezistenţei mecanice a rocii icircngheţate Se cunoaşte faptul că rezistenţa mecanică depinde direct de temperatură
Studiul variaţiei temperaturii icircn zona de influenţă a unei sonde şi a tuturor sondelor simultan oferă posibilitatea calculării dimensiunilor la proiectarea construcţiei peretelui protector cacirct şi controlul procesului icircn timpul desfăşurării lucrărilor
Pentru a se stabili relaţia de variaţie a temperaturii icircn zona icircngheţată icircn funcţie de raza r se consideră ecuaţia diferenţială
dr
dtr2q (56)
icircn care q este fluxul unitar de căldură corespunzător lungimii de 1 m din sonda de icircngheţare Wm
- conductivitatea termica a terenului Wm
Integrarea directă a ecuaţiei analitice se poate face icircn ipoteze simplificatoare consideracircnd
= const şi q = const ceea ce este justificat la valori mari ale timpului de răcire
Se separa variabilele
r
dr
2
qdt
(57)
Se consideră cunoscute temperaturile t1 la suprafaţa sondei de raza r1 și t2 = 0 ordmC la raza r2 corespunzătoare suprafeţei exterioare a cilindrului icircngheţat Se integrează ecuaţia (6-7) și cunoscacircnd limitele de integrare se va determina constanta de integrare
Cr ln2
qt
(58)
pentru r = r1 t = t1 deci
11 rln2
qtC
(59)
1
1r
rln
2
qtt
(510)
Se pune condiţia ca pentru r = r2 t = t2
1
212
r
rln
2
qtt
(511)
Se elimina q intre relaţiile (510) și (511) şi se obţine
1
2
1121
r
rln
r
rln
tttt (512)
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
49
Figura 415 Fig 515 Schema schimbătorului de căldură subteran
Pentru t2 = 0 ordmC relaţia (5-12) devine
)rrln(
)rrln(tt
12
21 (513)
Icircn figura 515 se prezintă o secţiune axială printr-o sondă de icircngheţare şi variaţia temperaturii icircn limitele t0 - temperatura agentului de răcire şi ts - temperatura naturală a solului
Cantitatea de căldură transferată de la masivul neicircngheţat spre agentul de răcire prin unitatea de lungimea de conducta şi unitatea de timp se calculează cu expresia
221
2
1o
1
moo
os
d
1
d
dln
1
d
dln
2
1
d
1
ttq
(514)
Icircn calculele inginereşti cel mai frecvent se determină nu fluxul termic pe unitatea de lungime a conductei ci fluxul termic qF raportat la unitatea de suprafaţă a conductei metalice la 1 m2 de suprafaţa exterioară sau interioară Mărimea qF se calculează astfel
22
o
1
2
1
o
o
1
m
o
o
oS
o
F
d
d
d
dln
2
d
d
dln
2
d1
tt
d
(515)
Fluxul termic qF prin unitatea de suprafaţă a sondei de icircngheţare calculat pentru adacircncimea de 100 m icircn regim laminar de curgere a agentului de răcire prin spaţiul inelar al sondei cu viteza w = 01 ms la diametre ale cilindrului de rocă icircngheţata
de la 02 la 3 m pentru to = -20 ordmC do = 01 m 1 = 233 WmK variază de la 720 la 230 Wm2 aşa cum se poate observa din figura 516 şi tabelul 51
d2
d1
d0
t
qF
t0
t2
t1 2
m 1
m
ts
Conducta Teren icircngheţat Teren
neicircngheţat
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
50
Figura 416 Fig 516 Variaţia fluxului termic qF prin unitatea de suprafaţă a sondei de icircngheţare 1 - regim turbulent 2 regim laminar
Tabelul 51Variaţia fluxului termic qF [Wm2]
Diametrul cilindrului de rocă icircngheţată icircn m
02 04 05 08 10 15 20
qF regim laminar 1160 550 387 330 302
qF regim laminar 720 465 423 350 321 283 258
Se observă ca densitatea fluxului de căldura qF scade foarte mult de la 800900 Wm2 la icircnceputul operaţiei de consolidare prin frig a rocilor pacircnă la 230250 Wm2 cacircnd cilindrul de rocă icircngheţata atinge diametrul de 23 m Ca urmare a acestei situaţii şi puterea frigorifică a instalaţiei va scădea icircn decursul a 6080 zile tot cu raportul de 800230 = 35
Instalaţia frigorifică va fi constituită din grupuri de utilaje (module) ce vor fi scoase treptat din funcţiune pe măsură ce se reduce densitatea fluxului de căldură qF ca urmare a creşterii grosimii stratului de teren icircngheţat Icircn practică pentru calcule se va considera qF = (260290) Wm2
O mărime importanta pentru proiectarea instalaţiei şi aprecierea procesului de consolidare a rocilor este timpul de icircngheţare Pentru calculul duratei de icircngheţare se pot folosi relaţiile prezentate icircn capitolul 3 la formarea gheţii pe suprafeţe cilindrice exterioare La aprecierea valorii pentru ls - căldura latentă de solidificare se avea icircn vedere conţinutul de apă din terenul supus icircngheţării
Dacă icircntre relaţiile pentru dependenţele (r) şi qF(r) se elimină r se obţine dependenţa
qF() Eliminarea nu se poate face direct ci fie cu ajutorul calculatorului fie printr-o construcţie grafică prezentată icircn figura 517
Studiul variaţiei temperaturii icircn solul icircngheţat cacirct și variaţia icircn timp a densităţii fluxului de căldura se poate face cu ajutorul calculatorului electronic
1200
1000
800
600
400
200
0 05 1 15 2 25 3
qF [Wm2]
Diametrul cilindrului de rocă icircngheţată [m]
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
51
Figura 417 Fig 517 Stabilirea dependentei qF() pe baza dependentelor qF(r) și (r)
415 515 ELEMENTE DE PROIECTARE A INSTALAŢIEI FRIGORIFICE PENTRU IcircNGHEŢAREA SOLULUI
Pentru proiectarea instalaţiei frigorifice trebuie sa se stabilească la icircnceput elementele de baza și anume
- puterea frigorifică maximă care apare la icircnceputul perioadei de răcire cacircnd pătrunderile de căldura spre agentul de răcire din sondele de icircngheţare au valori mai mari temperatura de vaporizare a agentului frigorific plecacircnd de la temperatura minimă sau medie din solul icircngheţat şi avacircnd icircn vedere modul de răcire directă sau indirectă
Se calculează cantitatea totală de căldură ce trebuie extrasă din terenul supus răcirii şi icircngheţării Se cunoaşte structura terenului icircngheţat deci se cunosc icircnălţimile h1 h2hn ale diferitelor straturi componente cacirct şi proprietăţile termofizice ale acestora
Grosimea centurii de teren icircngheţat se stabileşte icircn urma calculelor de rezistenţa materialelor icircncacirct se pot calcula volumele ocupate de straturile componente V1 V2Vn
Cantitatea de căldură ce trebuie extrasă din zona icircngheţată cuprinde două componente și anume
cantitatea de căldura Qa corespunzătoare răcirii şi icircngheţării apei
cantitatea de căldura Qt necesara răcirii părţii solide a terenului
n
1kfgsikaakka tcltcVQ (516)
unde
k - reprezintă conţinutul icircn apă din stratul respectiv [m3m3]
a - densitatea apei [kgm3]
ca cg - căldura specifica a apei respectiv a gheţii Jkg K
tik - temperatura iniţiala a stratului respectiv (de ordinul k)
tf - temperatura medie finala a masivului icircngheţat
ls - căldura latentă de solidificare a apei
r
q
q
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
52
fik
n
1kkkkkt ttc1VQ
(517)
k - densitatea părţii de teren solid (uscat) din stratul k
ck - căldura specifică a terenului uscat din stratul k
Cantitatea de căldură extrasă din terenul răcit reprezintă circa 1018 din cantitatea de căldură extrasă din zona de teren icircngheţat
Deci cantitatea totală de căldură Q ce va trebui preluată de către instalaţia frigorifică se poate aprecia astfel
Q = (110118) (Qa + Qt) (518)
Cu relaţia (51) se calculează puterea frigorifica a instalaţiei adoptacircnd o valoare medie pentru densitatea fluxului de căldura qF
Se poate aprecia timpul de funcţionare a instalaţiei frigorifice
o
Q
(519)
La anumite grosimi ale cochiliei de teren icircngheţat icircn jurul sondei densitatea fluxului termic scade sub valoarea medie adoptată icircn calcule şi ca urmare icircncepacircnd de la acest moment se va putea reduce treptat puterea frigorifica a instalaţiei prin scoaterea din funcţiune a unor grupuri
La proiectare se pot avea icircn vedere unele recomandări practice pentru stabilirea necesarului de frig pentru icircngheţarea unui m3 la -10 ordmC este necesar un consum specific de frig de 66000 kJ la 10 umiditate de 155000 kJ la 35 umiditate și de 210000 kJ la 50 umiditate
42 52 RĂCIREA BETONULUI LA CONSTRUCŢIILE MASIVE
421 521 INSTALAŢII DE PRERĂCIRE A COMPONENTELOR BETONULUI
Formarea betonului din elementele sale componente (nisip pietriş ciment şi apă) este icircnsoţită de fenomene fizico - chimice icircn care se degajă căldură şi ca urmare temperatura acestuia creşte Icircn cazul unor masive din beton (baraje) dacă viteza de turnare (icircn sezonul cald cacircnd se efectuază construcţia) este mai mare şi nu se asigura evacuarea căldurii corpul rezultă la o temperatura medie mai mare decacirct temperatura medie anuală Răcirea naturală conduce la contracţia masivului şi ca urmare la apariţia sub acţiunea tensiunilor interne a unor fisuri
Pentru ca variaţiile de temperatura icircntre centrul barajului şi straturile exterioare să fie cacirct mai mici se impune ca masivul respectiv să fie turnat la temperatura medie anuală a zonei respective Icircn acest scop se pot folosi două metode prin prerăcirea componentelor betonului și prin răcirea masei barajului
Icircn vederea reducerii căldurii degajată icircn reacţia dintre ciment şi apă au fost realizate sortimente de ciment caracterizate prin călduri masice reduse ce se degajă icircn procesul de priză
Prin prerăcirea componentelor betonului se urmăreşte ca betonul sa aibă temperatura medie a locului de amplasament şi prin aceasta evitarea apariţiei unor diferenţe mari de temperatură ce pun icircn pericol construcţia
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
53
Icircn funcţie de valoarea diferenţei de temperatură care trebuie realizată se poate adopta o anumită schemă de răcire pentru fiecare component icircn parte sau numai pentru unele din aceste părţi componente
Se pot folosi instalaţii frigorifice cu comprimare mecanică de vapori pentru răcirea apei a aerului sau formarea gheţii mărunte utilizate la prerăcirea componentelor betonului Folosirea gheţii fulgi sau solzi este limitată atacirct din cauza conţinutului de apă impus cacirct şi ca urmare a pericolului ca gheaţa să nu se topească icircn procesul de malaxare ci la turnare sau icircn procesul de priză ceea ce duce la formarea de goluri icircn beton
De asemenea se pot folosi instalaţiile frigorifice cu ejecţie
Icircn vederea stabilirii necesarului de frig pentru preratildecirea componentelor betonului se calculează mai icircntacirci cantitatea de catildelduratilde Qo1 ce trebuie evacuatatilde dintr-un m3 de beton avacircndu-se icircn vedere proporţiile icircn care participatilde cimentul nisipul pietrişul şi apa Fiecare component are o temperatură iniţialatilde şi urmeazatilde a fi răcit pacircnatilde la o temperatura finalatilde tf aceeaşi pentru toţi componenţii
fpppfnnnfccc1o ttcmttcmttcmQ
fnaanfpaapfaaa ttcmttcmttcm Jm3 (520)
unde
mc mn mp ma - masele de ciment nisip pietriş şi apă conţinute icircntr-un m3 de beton [kgm3]
cc cn cp cw - căldurile specifice masice ale cimentului nisipului pietrişului şi nisipul dintr-un m3 de beton [kgm3]
Puterea frigorifică se determină cu relaţia
3b1oo 10VQ [kW] (521)
icircn care bV reprezintă fluxul de betonare icircn m3s
Se prezintă icircn continuare cele mai folosite metode de prerăcire a componentelor betonului
4211 a) Instalaţie de prerăcire cu apă
Staţia de preparare a betonului este deservită de o instalaţie frigorifică cu comprimare mecanică de vapori care asigură răcirea apei
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
54
Figura 418 Fig 518 Schema de lucru a instalaţiei de prerăcire a betonului cu ajutorul apei 1 - ciment 2 - vagon nisip 3 - vagon pietris 4 - tancuri de răcire a pietrişului 5 - sită 6 - siloz de
nisip 7 - siloz de ciment 8 - rezervor de distribuţie 9 - răcitor de nisip 10 - răcitor de ciment 11 - răcitor de apă 12 - rezervor de apă răcită 13 - răcitor de apă 14 - instalaţie de prepararea betonului
I II III IV V - fazele de răcire a pietrişului
Icircn figura 518 se prezintă schema de lucru a unei asemenea instalaţii de prerăcire a betonului cu ajutorul apei folosită la construcţia barajului de la Detroit (SUA) Apa este răcită de la 16 la 15 ordmC şi transmisă apoi la instalaţia de preparare a betonului şi icircn cinci rezervoare a cacircte 90 m3 fiecare icircn care se răceşte pietrişul
Procesul de răcire a pietrişului cuprinde cinci faze
- faza I - introducerea apei icircn rezervor 10 minute
- fazele II şi III - introducerea simultană a apei şi a pietrişului 50 minute
- faza IV - evacuarea apei 15 minute
- faza V - evacuarea pietrişului 15 minute
Icircntregul proces de răcire a pietrişului durează 90 minute Pentru răcirea cimentului şi nisipului se utilizează schimbătoare de căldură cu ax elicoidal la care apa de răcire circulă prin arborele gol şi prin manta
Rezervoarele 12 pentru apa răcită au fiecare volumul de 114 m3
Beton 635oC
190 m3h
65oC
24oC
18oC
1
2
3
4
5
6
7
8
10
9
11
12
13
14
Apă 16oC
15oC
Cim
en
t
26 l
h
Nis
ip 1
12
lh
10
oC
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
55
42111 Aplicaţie numerică
Să se calculeze puterea frigorifică necesară prerăcirii betonului prin metode şi condiţiile prezentate mai sus Se cunosc următoarele date de calcul
mp = 1700 kgm3 beton
mc = 135 kgm3 beton
mn = 590 kgm3 beton
ma = 60 kgm3 beton
cc = cn = cp = 921 Jkg K
ca = 4180 Jkg K
map = 16 kgm3 beton
man = 38 kgm3 beton
tp = 18 ordmC
tc = 66 ordmC
tn = 21 ordmC tf = 635 ordmC
052803000
190Vb m3s
Se calculează componentele cantităţii de căldură Q01
3fcccc 10741735666921135ttcmQ Jm3
3fnnnn 10796135621921590ttcmQ Jm3
3fpppp 1024018356189211700ttcmQ Jm3
3faaaa 10420235616418060ttcmQ Jm3
3fpaapap 1077935618418016ttcmQ Jm3
3fnaaan 10232735621418038ttcmQ Jm3
Rezulta
3anapapnc1o 1039144QQQQQQQ Jm3
3o 10 206705280103914410VQ 33
b1o kW
4212 b) Instalaţii de prerăcire cu aer apă
Pentru răcirea componentelor betonului se utilizează icircn acest caz fie apa fie aerul ca agenţi intermediari răciţi cu ajutorul instalaţiilor frigorifice
Icircn figura 519 se prezintă schema unei asemenea instalaţii folosită la construcţia barajului de la Sariyar din Turcia
Răcirea aerului se poate face fie direct prin vaporizarea unui agent frigorific fie indirect cu un agent intermediar de răcire ca de exemplu saramura de clorură de calciu Aerul răcit pacircnă la -6 ordmC este suflat icircn silozurile cu pietriş de dimensiuni icircntre 4150 mm
Apa răcită icircn bazinul la pacircnă la 05 ordm este trimisă din colectorul 12 la staţia de preparare a betonului servind la scăderea temperaturii acestuia
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
56
Figura 419 Fig 519 Schema instalaţiei de prerăcire a betonului cu aer şi apă 1 - compresor 2 - condensator 3 - ventile de laminare 4 - vaporizatoare 5 - bazin de răcire a
saramurii 6 - pompă de saramură 7 - răcitor umed de aer 8 - ventilatoare 9 - silozuri de pietriş 10 - bazin de răcire a apei 11 - pompă 12 - colector de apă răcită
Figura 420 Fig 520 Schema instalaţiei de prerăcire cu aer şi apă 1 - siloz de pietriş şi nisip 2 - siloz de ciment 3 rezervor de apă 4 - răcitor de aer 5 - răcitor de apă
4 - răcitor de apă 6 - buncăr de sortare 7 - instalaţie de preparare beton
Pentru intensificarea procesului de răcire a pietrişului aerul este răcit sub 0 ordmC Acest procedeu are avantajul unei funcţionări fără icircntrerupere a procesului de preparare a betonului dar prezintă şi o serie de dezavantaje debite foarte mari de aer de răcire posibilitatea antrenării particulelor fine de agregat icircn răcitorul de aer şi depunerea acestora pe suprafaţa de schimb de căldură Ca urmare instalaţia se va curăţa la circa 14 zile Icircn figura 520 se prezintă o altă schemă de instalaţie de prerăcire a betonului cu aer şi apă folosită la construcţia unui baraj din India
Apă
295oC
Ciment
433oC
Pietriş şi nisip
378oC
Apă 6oC
Ciment 433oC
Aer
Pietriş
45oC Nisip 222oC
22oC
Ap
ă
45
oC
Ap
ă 2
2o
C
Ae
r 5
5o
C
Be
ton
12
8o
C
Apă 22oC
2
1
3 4 5
8
9
5 7
12
1oC
11
05oC 9oC 9oC
-9oC
-10oC -10oC
-10oC 2oC
6oC
10 4 4 6
8 8
8
8 8
9 9 9 9
1
2
3 3
7
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
57
Pietrişul şi nisipul se separă icircntre ele icircn buncărul de sortare 6 şi apoi fiecare circulă pe cacircte o bandă transportoare prin camera de răcire 7 Pietrişul este răcit cu ajutorul apei
Fig
ura
42
1 F
ig 5
21
Sc
he
ma
in
sta
laţi
ei
de
ră
cir
e icirc
n v
id a
co
mp
on
en
telo
r b
eto
nu
lui
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
58
reci icircncacirct ajunge la o temperatură mai scăzută decacirct nisipul răcit cu aer Prin camera 7 se circulă şi aer rece care se introduce la temperatura de 55 ordmC Cimentul se introduce la instalaţia de preparare a betonului 9 fără a fi răcit
O altă posibilitate de prerăcire a agregatelor (pietriş şi nisip) şi a apei utilizată mai recent la construirea barajelor icircntrebuinţează răcirea icircn vid la care agregatele uşor umezite icircn recipiente sub presiune se răcesc după nevoie (prin reglarea vacuumului) la o temperatură mai scăzută sau mai ridicată Căldura necesară evaporării umidităţii de pe agregate şi din ele (apa legată) este luată chiar de la corpurile respective (pietriş nisip) şi ca urmare acestea se răcesc
O asemenea instalaţie utilizată la Hortwell icircn SUA (figura 521) cuprinde 3 recipienţi de cacircte 150 m3 pentru răcirea pietrişului şi 3 recipienţi de cacircte 80 m3 pentru răcirea nisipului
Pietrişul şi nisipul cu temperatura maximă de 43 ordmC se pot răci pacircnă la temperatura necesară de 45 ordmC Pentru realizarea vidului necesar se folosesc două cazane de abur care produc 77 th fiecare
422 522 RĂCIREA INTERIOARĂ A MASIVULUI DE BETON
Prerăcirea betonului se recomandă icircn condiţiile unei zone tropicale sau temperate de amplasare a construcţiei masive nu se recomandă icircn cazul amplasării barajului icircn munţi unde temperatura aerului este scăzută Icircn asemenea situaţii se recomandă răcirea betonului prin conducte amplasate icircn masiv prin care circulă apă rece
La răcirea interioară cu conducte montate icircn beton are loc o eliminarea a căldurii simultan cu producerea ei icircn procesul de priză producacircndu-se şi o răcire pacircnă la temperatura necesară Pentru răcire se folosesc conducte de oţel cu diametre de 1525 mm montate la distanţe de 1223 m icircn plan orizontal şi de 153 m icircn plan vertical Lungimea conductelor icircntr-un m3 de beton este de 0204 şi a fiecărei serpentine de 140250 m
Debitul apei de răcire ce circulă prin 1 m3 de beton este de (0553) dm3h
Figura 422 Fig 522 Reţea de conducte de răcire a betonului icircn secţiunea unui baraj 1 - galerie pentru măsurători 2 - galerie de conducte de apă de răcire
Serpentinele se montează şi se fixează pe suprafaţă de beton (fig522) Capetele serpentinelor se leagă de o coloană verticală prin mufe metalice sau de cauciuc Diametrul distribuitorului şi al coloanei este cuprins icircntre 150200 mm După montaj aceste conducte se verifică la presiunea de lucru
1 2
Ax
a
ba
raju
lui
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
43
a21DD s (55)
unde a = 003 H este abaterea medie statistică de la verticală a sondelor
Distanţa dintre sonde se ia de obicei de 1014 m icircn terenuri rezistente şi de 0809 m icircn terenuri slabe
Pentru adacircncimi de peste 500 m se recomandă să se dispună sondele pe două cercuri concentrice pentru a se forma un perete de grosime mai mare şi deci mai rezistent
La icircngheţarea terenului icircn jurul puţurilor de secţiune dreptunghiulară sondele se pot dispune pe dreptunghi sau elipsă Icircn aceste situaţii centura de teren icircngheţat poate fi solicitată la icircntindere ceea ce este de nedorit deoarece limita de rezistenţa la icircntindere a terenurilor icircngheţate este de circa 3 ori mai mică decacirct limita rezistenţei la compresiune Din acest motiv chiar şi la puţurile de mină de secţiune dreptunghiulară sondele se dispun pe unul sau două cercuri (fig 510)
Pentru realizarea galeriilor icircnclinate icircngheţarea terenului se realizează cu sonde verticale (fig 511) sau combinat atacirct cu sonde verticale cacirct şi cu sonde icircnclinate (fig 512)
Distanţa dintre sondele verticale (fig 511) se ia de 23 m iar distanţa dintre racircnduri este de 1525 m
Se poate folosi cacircte un racircnd de sonde icircnclinate montate deasupra galeriei (fig 212 a) sau sonde icircnclinate sub galerie şi sonde verticale scurte deasupra galeriei (fig 512 b)
SONDA
154 m
16
6 m
226
262
85
SONDA
Figura 411 Fig 511 Amplasarea sondelor verticale pentru realizarea galeriei icircnclinate
Figura 411 Fig 510 Dispunerea sondelor icircn jurul puţurilor de mină de secţiune
dreptunghiulară
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
44
Figura 412 Fig 512 Realizarea galeriilor icircnclinate cu sonde verticale (1) şi sonde oblice (2)
I - secţiunea longitudinală II - secţiunea transversală a) sonde icircnclinate deasupra galeriei b) sonde icircnclinate sub galerie
413 513 UTILIZAREA METODEI DE IcircNGHEŢARE A SOLULUI IcircN ŢARA NOASTRĂ
a)Puţuri de mină
Aplicarea metodei de icircngheţare a solului pentru lucrări de minerit a avut loc la noi icircn ţară icircncepacircnd cu anul 1960 la puţul Godeni din bazinul carbonifer Cacircmpulung - Muscel Proiectul a fost elaborat icircn anul 1959 la IPROMIN Bucureşti iar lucrarea a fost executată cu Trustul Minier Argeş avacircnd icircn subantrepriză de specialitate Icircntreprinderea Frigotehnica Bucureşti şi Trustul de prospecţiuni explorări şi deschideri de mine noi Bucureşti
Adacircncimea de săpare a puţului Godeni a trebuit sa fie de 202 m Sondele de icircngheţare constituite din două ţevi concentrice (fig 51) cu diametrele exterioare de 146 mm şi respectiv 57 mm icircn număr de 27 au fost amplasate pe un cerc cu diametrul de 10 m la distanţa de 117 m una de alta
Instalaţia frigorifică a fost dimensionată cu mare precauţie pentru a avea o siguranţă mărită icircn funcţionarea ei Toate părţile componente ale instalaţiei frigorifice au fost proiectate şi executate icircn ţară
La proiectarea instalaţiei s-a avut icircn vedere funcţionarea de scurtă durată şi variaţia puterii frigorifice icircn timp S-a utilizat răcirea indirectă cu soluţie de clorură de calciu iar ca agent frigorific a fost folosit amoniacul Pentru a avea elasticitatea necesară icircn funcţionare la diferite puteri frigorifice au fost folosite grupuri de utilaje frigorifice şi anume
6 compresoare 4 AU - 20 (200000 kcal Nh =233 kW fiecare)
3 baterii de condensatoare atmosferice a cacircte 300 m2 (900 m2)
bazine pentru răcirea saramurii fiecare cu cacircte 2 vaporizatoare superintensive de 50 m2 (600 m2)
2 grupuri a cacircte 5 pompe pentru recircularea saramurii
Puterea frigorifică a instalaţiei montate a fost de 12106 kcal Nh =1395 kW şi s-a caracterizat prin următoarele date tehnice la exploatare
85
1
2
I 85
1
2
I
85
1
2
II
85
1
2 II
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
45
o suprafaţa de schimb de căldură a sondelor 2500 m2 o puterea instalaţiei 750 kW o debitul saramurii icircn
o icircn perioada activă 350 m3h o icircn perioada pasivă 70 m3h
o viteza de circulaţie a saramurii icircn sondă o tur 18 ms 036 ms o retur 029 ms 006 ms
o volumul rocilor icircngheţate circa 10000 m3 o consumul specific de frig mediu 50000 m3 o durata icircngheţării (perioada activă) 130 zile
Icircn timpul răcirii şi deci a icircngheţării solului puterea frigorifică scade icircn mod continuu icircncacirct treptat s-a scos din funcţiune cacircte un compresor icircn perioada pasivă (de săpare a puţului) s-a menţinut icircn lucru doar un singur compresor şi grupul de utilaje aferent
După terminarea lucrărilor de la puţul Godeni icircn anii următori aceeaşi instalaţie s-a montat la puţul Poenari din acelaşi bazin carbonifer unde sondele au fost amplasate pe un cerc cu diametrul de 11 m la distanţa de 128 m una de alta
Un alt puţ realizat prin această tehnologie de icircngheţare a solului a fost puţul Jugur de la acelaşi bazin carbonifer Centrala frigorifică a cuprins 15 compresoare 3 AV - 20 (150000 kcal Nh fiecare=175kW) repartizate icircn 5 linii tehnologice independente cu icircntreg utilajul aferent Fiecare linie este compusă din
o butelie de răcire intermediară BRI - 700 un condensator cu evaporare forţată CEF - 180 un bazin cu patru grupuri vaporizatoare intensive de cacircte 165 m2 (icircn total 66 m2)
Sondele de icircngheţare icircn număr de 27 bucăţi au fost prevăzute să se amplaseze pe un cerc cu diametrul de 104 m la distanţă de 121 m Sondele sunt de tipul celei indicată icircn figura 58 deci cu răcire zonală avacircnd următoarele caracteristici diametrul exterior al burlanului este de 146 mm iar tuburile interioare au 57 mm (la exterior) tubul de alimentare are lungimea de 430 m iar cel de evacuare este de 220 m Ca urmare sondele de icircngheţare trebuie să producă icircngheţarea solului numai pe adacircncimea de la 220 m la 430 m Prin proiect s-au prevăzut următoarele date temperatura saramurii - 35 ordmC viteza saramurii icircn conducte de tur 18 ms viteza icircn conducte de retur (pe adacircncimea de răcit) 06 ms durata icircngheţării (perioada activă) a fost de 75 zile
Au fost prevăzute temperaturi scăzute şi viteze mari de congelare deoarece cilindrul icircngheţat trebuie să preia presiuni de pacircnă la 56 bar
b)Tunelurile pentru metroul din Bucureşti
Icircncepacircnd cu anul 1976 pentru realizarea metroului din Bucureşti s-a procedat la aplicarea metodei de icircngheţare a solului icircntr-o zonă considerată experimentală dar cu realizări efective de galerii
Prin proiect s-a prevăzut consolidarea prin icircngheţare artificială a profilului de săpare a tunelurilor de metrou pe o lungime de circa 550 m pe ambele fire Amplasamentul sondelor s-a făcut icircn două variante (pentru experimentare) pentru un fir de tunel ambele racircnduri de sonde s-au fixat icircn profilul circular de săpare iar pentru cel de al doilea fir de tunel sondele au fost forate icircn afara profilului de icircnaintare (fig 513) Au fost folosite sonde cu saramură cu posibilitatea de icircngheţare pe toată icircnălţimea de 16 m cacirct şi sonde cu icircngheţare zonală icircntre adacircncimile de 7 m şi 16 m Distanţa dintre sonde a fost fixată la 14 m
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
46
Pentru a se icircmpiedica accesul apelor icircn frontul de săpare datorate unor eventuale zone neicircngheţate traseul de tunel icircngheţat a fost icircmpărţit icircn incinte icircnchise prin timpane transversale La distanţe de 3050 m icircn lungul traseului au fost montate sonde de icircngheţare aşezate icircn plan normal pe axul tunelului prin care să se icircnchidă accesul apelor spre frontul de săpare
Echipamentul frigorific principal cuprinde
- 8 compresoare frigorifice 3 AV - 20 funcţionacircnd icircntr-o treaptă pentru care
corespunde puterea frigorifică de 12 106 kcal Nh =1395 kW
- 4 condensatoare de evaporare forţată CEF - 250
- 3 bazine de răcire a saramurii echipate cu cacircte 4 grupuri de vaporizatoare superintensive de cacircte 51 m2 (total 612 m2)
- 3 grupuri de cacircte 2 pompe a 220 m3h pentru circulaţia saramurii pe traseele de distribuţie şi prin sonde
Figura 413 Fig513 Amplasamentul sondelor de icircngheţare
Centrala frigorifică este stabilă adăpostită icircntr-o baracă metalică demontabilă existacircnd posibilitatea de reamplasare rapidă a instalaţiei icircntr-un alt loc Agentul frigorific utilizat este amoniacul iar agentul intermediar este clorura de calciu
Icircn perioada principală de icircngheţare temperatura de vaporizare este to = -22 ordmC asiguracircnd răcirea saramurii la -17 ordmC iar pe retur saramura a avut temperatura cu 15 ordmC mai ridicată
La o asemenea lucrare realizată icircn oraş se impune protejarea contra icircngheţului a straturilor de deasupra galeriilor icircn care sunt amplasate instalaţiile de apă - canal ceea ce presupune folosirea sondelor cu icircngheţare zonală care să nu fie active la partea superioară
c) Puţuri pentru prospectarea balastierelor
Procedeul şi instalaţia frigorifică au avut caracter de noutate şi s-a aplicat icircncepacircnd cu anul 1966 la mai multe obiective icircn general pe văile racircurilor unde s-au construit hidrocentrale
A
A B
B
A-A
000 -300 -700 -1061 -1300
65
800
B-B
000 -300 -700 -1061 -1300
65
550
ARGILA
ARGILA
NISIP
NISIP
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
47
Echipamentul frigorific principal cuprinde un agregat frigorific pentru amoniac de 20000 kcal Nh = 233 kW rezervor de amoniac separator de lichid şi anexe - toate fiind montate pe o remorcă
S-au folosit sonde de icircngheţare cu agent frigorific icircn număr de 8 bucăţi cu diametrul exterior de 133 mm montate pe un cerc cu diametrul de 2 m la distanţa de 076 m lungimea lor fiind de 75 m Legarea sondelor la distribuitor şi colector s-a făcut cu racorduri flexibile
Sondele au o construcţie specială fiind prevăzute cu 4 pereţi transversali cu ştuţuri de preaplin formacircndu-se astfel 5 compartimente Agentul lichid se introduce icircn compartimentul cel mai de sus şi se scurge prin ştuţuri pacircnă la baza sondei Conducta de aspiraţie străbate toate compartimentele vaporii fiind aspiraţi din compartimentul cel mai de jos Circulaţia vaporilor formaţi se face ca şi a lichidului de sus icircn jos obţinacircndu-se astfel o răcire uniformă şi eficientă pe toată icircnălţimea sondei
Durata icircngheţării respectiv a formării centurii de teren icircngheţat la adăpostul căreia să se poată efectua săparea şi preluarea de probe de sol este de 10 zile
414 514 CAcircMPUL DE TEMPERATURĂ IcircN SOLUL IcircNGHEŢAT
Cacircnd prin sonda de icircngheţare circulă saramură a cărei temperatura este sub 0 ordmC practic - 20 ordmC-25 ordmC icircn jurul sondei se formează un cacircmp termic care icircn cazul unei singure sonde poate fi reprezentat prin suprafeţe cilindrice coaxiale de temperatură constantă (izoterme)
După distanţa radială se deosebesc icircn sol din punct de vedere termic trei zone zona cilindrică din imediata vecinătate a sondei care este icircn zona icircngheţată zona răcită cuprinsă icircntre suprafaţa cilindrică izotermă de 0 ordmC şi izoterma de temperatură naturală şi a treia zonă cea de temperatura naturală (fig 514)
Icircn zona icircngheţată temperatura masivului variază de la temperatura peretelui metalic al sondei pacircnă la 0 ordmC Icircn zona răcită temperatura masivului creşte de la 0 ordmC pacircnă la temperatura naturală a masivului
Figura 414 Fig 514 Cacircmpul de temperatură icircn jurul unei sonde de icircngheţare
Este important să se cunoască cacircmpul termic icircn terenul supus icircngheţării deoarece acesta oferă date privind zona de răspacircndire a consolidării rocilor prin solidificarea apei cacirct şi a
t [oC]
r [m]
t (r)
ZONA RACITA
ZONA INGHETAT
A
ts TEMPERATURA NATURALA A ROCII
-20
-10
40
10 0 20 30
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
48
rezistenţei mecanice a rocii icircngheţate Se cunoaşte faptul că rezistenţa mecanică depinde direct de temperatură
Studiul variaţiei temperaturii icircn zona de influenţă a unei sonde şi a tuturor sondelor simultan oferă posibilitatea calculării dimensiunilor la proiectarea construcţiei peretelui protector cacirct şi controlul procesului icircn timpul desfăşurării lucrărilor
Pentru a se stabili relaţia de variaţie a temperaturii icircn zona icircngheţată icircn funcţie de raza r se consideră ecuaţia diferenţială
dr
dtr2q (56)
icircn care q este fluxul unitar de căldură corespunzător lungimii de 1 m din sonda de icircngheţare Wm
- conductivitatea termica a terenului Wm
Integrarea directă a ecuaţiei analitice se poate face icircn ipoteze simplificatoare consideracircnd
= const şi q = const ceea ce este justificat la valori mari ale timpului de răcire
Se separa variabilele
r
dr
2
qdt
(57)
Se consideră cunoscute temperaturile t1 la suprafaţa sondei de raza r1 și t2 = 0 ordmC la raza r2 corespunzătoare suprafeţei exterioare a cilindrului icircngheţat Se integrează ecuaţia (6-7) și cunoscacircnd limitele de integrare se va determina constanta de integrare
Cr ln2
qt
(58)
pentru r = r1 t = t1 deci
11 rln2
qtC
(59)
1
1r
rln
2
qtt
(510)
Se pune condiţia ca pentru r = r2 t = t2
1
212
r
rln
2
qtt
(511)
Se elimina q intre relaţiile (510) și (511) şi se obţine
1
2
1121
r
rln
r
rln
tttt (512)
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
49
Figura 415 Fig 515 Schema schimbătorului de căldură subteran
Pentru t2 = 0 ordmC relaţia (5-12) devine
)rrln(
)rrln(tt
12
21 (513)
Icircn figura 515 se prezintă o secţiune axială printr-o sondă de icircngheţare şi variaţia temperaturii icircn limitele t0 - temperatura agentului de răcire şi ts - temperatura naturală a solului
Cantitatea de căldură transferată de la masivul neicircngheţat spre agentul de răcire prin unitatea de lungimea de conducta şi unitatea de timp se calculează cu expresia
221
2
1o
1
moo
os
d
1
d
dln
1
d
dln
2
1
d
1
ttq
(514)
Icircn calculele inginereşti cel mai frecvent se determină nu fluxul termic pe unitatea de lungime a conductei ci fluxul termic qF raportat la unitatea de suprafaţă a conductei metalice la 1 m2 de suprafaţa exterioară sau interioară Mărimea qF se calculează astfel
22
o
1
2
1
o
o
1
m
o
o
oS
o
F
d
d
d
dln
2
d
d
dln
2
d1
tt
d
(515)
Fluxul termic qF prin unitatea de suprafaţă a sondei de icircngheţare calculat pentru adacircncimea de 100 m icircn regim laminar de curgere a agentului de răcire prin spaţiul inelar al sondei cu viteza w = 01 ms la diametre ale cilindrului de rocă icircngheţata
de la 02 la 3 m pentru to = -20 ordmC do = 01 m 1 = 233 WmK variază de la 720 la 230 Wm2 aşa cum se poate observa din figura 516 şi tabelul 51
d2
d1
d0
t
qF
t0
t2
t1 2
m 1
m
ts
Conducta Teren icircngheţat Teren
neicircngheţat
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
50
Figura 416 Fig 516 Variaţia fluxului termic qF prin unitatea de suprafaţă a sondei de icircngheţare 1 - regim turbulent 2 regim laminar
Tabelul 51Variaţia fluxului termic qF [Wm2]
Diametrul cilindrului de rocă icircngheţată icircn m
02 04 05 08 10 15 20
qF regim laminar 1160 550 387 330 302
qF regim laminar 720 465 423 350 321 283 258
Se observă ca densitatea fluxului de căldura qF scade foarte mult de la 800900 Wm2 la icircnceputul operaţiei de consolidare prin frig a rocilor pacircnă la 230250 Wm2 cacircnd cilindrul de rocă icircngheţata atinge diametrul de 23 m Ca urmare a acestei situaţii şi puterea frigorifică a instalaţiei va scădea icircn decursul a 6080 zile tot cu raportul de 800230 = 35
Instalaţia frigorifică va fi constituită din grupuri de utilaje (module) ce vor fi scoase treptat din funcţiune pe măsură ce se reduce densitatea fluxului de căldură qF ca urmare a creşterii grosimii stratului de teren icircngheţat Icircn practică pentru calcule se va considera qF = (260290) Wm2
O mărime importanta pentru proiectarea instalaţiei şi aprecierea procesului de consolidare a rocilor este timpul de icircngheţare Pentru calculul duratei de icircngheţare se pot folosi relaţiile prezentate icircn capitolul 3 la formarea gheţii pe suprafeţe cilindrice exterioare La aprecierea valorii pentru ls - căldura latentă de solidificare se avea icircn vedere conţinutul de apă din terenul supus icircngheţării
Dacă icircntre relaţiile pentru dependenţele (r) şi qF(r) se elimină r se obţine dependenţa
qF() Eliminarea nu se poate face direct ci fie cu ajutorul calculatorului fie printr-o construcţie grafică prezentată icircn figura 517
Studiul variaţiei temperaturii icircn solul icircngheţat cacirct și variaţia icircn timp a densităţii fluxului de căldura se poate face cu ajutorul calculatorului electronic
1200
1000
800
600
400
200
0 05 1 15 2 25 3
qF [Wm2]
Diametrul cilindrului de rocă icircngheţată [m]
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
51
Figura 417 Fig 517 Stabilirea dependentei qF() pe baza dependentelor qF(r) și (r)
415 515 ELEMENTE DE PROIECTARE A INSTALAŢIEI FRIGORIFICE PENTRU IcircNGHEŢAREA SOLULUI
Pentru proiectarea instalaţiei frigorifice trebuie sa se stabilească la icircnceput elementele de baza și anume
- puterea frigorifică maximă care apare la icircnceputul perioadei de răcire cacircnd pătrunderile de căldura spre agentul de răcire din sondele de icircngheţare au valori mai mari temperatura de vaporizare a agentului frigorific plecacircnd de la temperatura minimă sau medie din solul icircngheţat şi avacircnd icircn vedere modul de răcire directă sau indirectă
Se calculează cantitatea totală de căldură ce trebuie extrasă din terenul supus răcirii şi icircngheţării Se cunoaşte structura terenului icircngheţat deci se cunosc icircnălţimile h1 h2hn ale diferitelor straturi componente cacirct şi proprietăţile termofizice ale acestora
Grosimea centurii de teren icircngheţat se stabileşte icircn urma calculelor de rezistenţa materialelor icircncacirct se pot calcula volumele ocupate de straturile componente V1 V2Vn
Cantitatea de căldură ce trebuie extrasă din zona icircngheţată cuprinde două componente și anume
cantitatea de căldura Qa corespunzătoare răcirii şi icircngheţării apei
cantitatea de căldura Qt necesara răcirii părţii solide a terenului
n
1kfgsikaakka tcltcVQ (516)
unde
k - reprezintă conţinutul icircn apă din stratul respectiv [m3m3]
a - densitatea apei [kgm3]
ca cg - căldura specifica a apei respectiv a gheţii Jkg K
tik - temperatura iniţiala a stratului respectiv (de ordinul k)
tf - temperatura medie finala a masivului icircngheţat
ls - căldura latentă de solidificare a apei
r
q
q
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
52
fik
n
1kkkkkt ttc1VQ
(517)
k - densitatea părţii de teren solid (uscat) din stratul k
ck - căldura specifică a terenului uscat din stratul k
Cantitatea de căldură extrasă din terenul răcit reprezintă circa 1018 din cantitatea de căldură extrasă din zona de teren icircngheţat
Deci cantitatea totală de căldură Q ce va trebui preluată de către instalaţia frigorifică se poate aprecia astfel
Q = (110118) (Qa + Qt) (518)
Cu relaţia (51) se calculează puterea frigorifica a instalaţiei adoptacircnd o valoare medie pentru densitatea fluxului de căldura qF
Se poate aprecia timpul de funcţionare a instalaţiei frigorifice
o
Q
(519)
La anumite grosimi ale cochiliei de teren icircngheţat icircn jurul sondei densitatea fluxului termic scade sub valoarea medie adoptată icircn calcule şi ca urmare icircncepacircnd de la acest moment se va putea reduce treptat puterea frigorifica a instalaţiei prin scoaterea din funcţiune a unor grupuri
La proiectare se pot avea icircn vedere unele recomandări practice pentru stabilirea necesarului de frig pentru icircngheţarea unui m3 la -10 ordmC este necesar un consum specific de frig de 66000 kJ la 10 umiditate de 155000 kJ la 35 umiditate și de 210000 kJ la 50 umiditate
42 52 RĂCIREA BETONULUI LA CONSTRUCŢIILE MASIVE
421 521 INSTALAŢII DE PRERĂCIRE A COMPONENTELOR BETONULUI
Formarea betonului din elementele sale componente (nisip pietriş ciment şi apă) este icircnsoţită de fenomene fizico - chimice icircn care se degajă căldură şi ca urmare temperatura acestuia creşte Icircn cazul unor masive din beton (baraje) dacă viteza de turnare (icircn sezonul cald cacircnd se efectuază construcţia) este mai mare şi nu se asigura evacuarea căldurii corpul rezultă la o temperatura medie mai mare decacirct temperatura medie anuală Răcirea naturală conduce la contracţia masivului şi ca urmare la apariţia sub acţiunea tensiunilor interne a unor fisuri
Pentru ca variaţiile de temperatura icircntre centrul barajului şi straturile exterioare să fie cacirct mai mici se impune ca masivul respectiv să fie turnat la temperatura medie anuală a zonei respective Icircn acest scop se pot folosi două metode prin prerăcirea componentelor betonului și prin răcirea masei barajului
Icircn vederea reducerii căldurii degajată icircn reacţia dintre ciment şi apă au fost realizate sortimente de ciment caracterizate prin călduri masice reduse ce se degajă icircn procesul de priză
Prin prerăcirea componentelor betonului se urmăreşte ca betonul sa aibă temperatura medie a locului de amplasament şi prin aceasta evitarea apariţiei unor diferenţe mari de temperatură ce pun icircn pericol construcţia
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
53
Icircn funcţie de valoarea diferenţei de temperatură care trebuie realizată se poate adopta o anumită schemă de răcire pentru fiecare component icircn parte sau numai pentru unele din aceste părţi componente
Se pot folosi instalaţii frigorifice cu comprimare mecanică de vapori pentru răcirea apei a aerului sau formarea gheţii mărunte utilizate la prerăcirea componentelor betonului Folosirea gheţii fulgi sau solzi este limitată atacirct din cauza conţinutului de apă impus cacirct şi ca urmare a pericolului ca gheaţa să nu se topească icircn procesul de malaxare ci la turnare sau icircn procesul de priză ceea ce duce la formarea de goluri icircn beton
De asemenea se pot folosi instalaţiile frigorifice cu ejecţie
Icircn vederea stabilirii necesarului de frig pentru preratildecirea componentelor betonului se calculează mai icircntacirci cantitatea de catildelduratilde Qo1 ce trebuie evacuatatilde dintr-un m3 de beton avacircndu-se icircn vedere proporţiile icircn care participatilde cimentul nisipul pietrişul şi apa Fiecare component are o temperatură iniţialatilde şi urmeazatilde a fi răcit pacircnatilde la o temperatura finalatilde tf aceeaşi pentru toţi componenţii
fpppfnnnfccc1o ttcmttcmttcmQ
fnaanfpaapfaaa ttcmttcmttcm Jm3 (520)
unde
mc mn mp ma - masele de ciment nisip pietriş şi apă conţinute icircntr-un m3 de beton [kgm3]
cc cn cp cw - căldurile specifice masice ale cimentului nisipului pietrişului şi nisipul dintr-un m3 de beton [kgm3]
Puterea frigorifică se determină cu relaţia
3b1oo 10VQ [kW] (521)
icircn care bV reprezintă fluxul de betonare icircn m3s
Se prezintă icircn continuare cele mai folosite metode de prerăcire a componentelor betonului
4211 a) Instalaţie de prerăcire cu apă
Staţia de preparare a betonului este deservită de o instalaţie frigorifică cu comprimare mecanică de vapori care asigură răcirea apei
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
54
Figura 418 Fig 518 Schema de lucru a instalaţiei de prerăcire a betonului cu ajutorul apei 1 - ciment 2 - vagon nisip 3 - vagon pietris 4 - tancuri de răcire a pietrişului 5 - sită 6 - siloz de
nisip 7 - siloz de ciment 8 - rezervor de distribuţie 9 - răcitor de nisip 10 - răcitor de ciment 11 - răcitor de apă 12 - rezervor de apă răcită 13 - răcitor de apă 14 - instalaţie de prepararea betonului
I II III IV V - fazele de răcire a pietrişului
Icircn figura 518 se prezintă schema de lucru a unei asemenea instalaţii de prerăcire a betonului cu ajutorul apei folosită la construcţia barajului de la Detroit (SUA) Apa este răcită de la 16 la 15 ordmC şi transmisă apoi la instalaţia de preparare a betonului şi icircn cinci rezervoare a cacircte 90 m3 fiecare icircn care se răceşte pietrişul
Procesul de răcire a pietrişului cuprinde cinci faze
- faza I - introducerea apei icircn rezervor 10 minute
- fazele II şi III - introducerea simultană a apei şi a pietrişului 50 minute
- faza IV - evacuarea apei 15 minute
- faza V - evacuarea pietrişului 15 minute
Icircntregul proces de răcire a pietrişului durează 90 minute Pentru răcirea cimentului şi nisipului se utilizează schimbătoare de căldură cu ax elicoidal la care apa de răcire circulă prin arborele gol şi prin manta
Rezervoarele 12 pentru apa răcită au fiecare volumul de 114 m3
Beton 635oC
190 m3h
65oC
24oC
18oC
1
2
3
4
5
6
7
8
10
9
11
12
13
14
Apă 16oC
15oC
Cim
en
t
26 l
h
Nis
ip 1
12
lh
10
oC
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
55
42111 Aplicaţie numerică
Să se calculeze puterea frigorifică necesară prerăcirii betonului prin metode şi condiţiile prezentate mai sus Se cunosc următoarele date de calcul
mp = 1700 kgm3 beton
mc = 135 kgm3 beton
mn = 590 kgm3 beton
ma = 60 kgm3 beton
cc = cn = cp = 921 Jkg K
ca = 4180 Jkg K
map = 16 kgm3 beton
man = 38 kgm3 beton
tp = 18 ordmC
tc = 66 ordmC
tn = 21 ordmC tf = 635 ordmC
052803000
190Vb m3s
Se calculează componentele cantităţii de căldură Q01
3fcccc 10741735666921135ttcmQ Jm3
3fnnnn 10796135621921590ttcmQ Jm3
3fpppp 1024018356189211700ttcmQ Jm3
3faaaa 10420235616418060ttcmQ Jm3
3fpaapap 1077935618418016ttcmQ Jm3
3fnaaan 10232735621418038ttcmQ Jm3
Rezulta
3anapapnc1o 1039144QQQQQQQ Jm3
3o 10 206705280103914410VQ 33
b1o kW
4212 b) Instalaţii de prerăcire cu aer apă
Pentru răcirea componentelor betonului se utilizează icircn acest caz fie apa fie aerul ca agenţi intermediari răciţi cu ajutorul instalaţiilor frigorifice
Icircn figura 519 se prezintă schema unei asemenea instalaţii folosită la construcţia barajului de la Sariyar din Turcia
Răcirea aerului se poate face fie direct prin vaporizarea unui agent frigorific fie indirect cu un agent intermediar de răcire ca de exemplu saramura de clorură de calciu Aerul răcit pacircnă la -6 ordmC este suflat icircn silozurile cu pietriş de dimensiuni icircntre 4150 mm
Apa răcită icircn bazinul la pacircnă la 05 ordm este trimisă din colectorul 12 la staţia de preparare a betonului servind la scăderea temperaturii acestuia
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
56
Figura 419 Fig 519 Schema instalaţiei de prerăcire a betonului cu aer şi apă 1 - compresor 2 - condensator 3 - ventile de laminare 4 - vaporizatoare 5 - bazin de răcire a
saramurii 6 - pompă de saramură 7 - răcitor umed de aer 8 - ventilatoare 9 - silozuri de pietriş 10 - bazin de răcire a apei 11 - pompă 12 - colector de apă răcită
Figura 420 Fig 520 Schema instalaţiei de prerăcire cu aer şi apă 1 - siloz de pietriş şi nisip 2 - siloz de ciment 3 rezervor de apă 4 - răcitor de aer 5 - răcitor de apă
4 - răcitor de apă 6 - buncăr de sortare 7 - instalaţie de preparare beton
Pentru intensificarea procesului de răcire a pietrişului aerul este răcit sub 0 ordmC Acest procedeu are avantajul unei funcţionări fără icircntrerupere a procesului de preparare a betonului dar prezintă şi o serie de dezavantaje debite foarte mari de aer de răcire posibilitatea antrenării particulelor fine de agregat icircn răcitorul de aer şi depunerea acestora pe suprafaţa de schimb de căldură Ca urmare instalaţia se va curăţa la circa 14 zile Icircn figura 520 se prezintă o altă schemă de instalaţie de prerăcire a betonului cu aer şi apă folosită la construcţia unui baraj din India
Apă
295oC
Ciment
433oC
Pietriş şi nisip
378oC
Apă 6oC
Ciment 433oC
Aer
Pietriş
45oC Nisip 222oC
22oC
Ap
ă
45
oC
Ap
ă 2
2o
C
Ae
r 5
5o
C
Be
ton
12
8o
C
Apă 22oC
2
1
3 4 5
8
9
5 7
12
1oC
11
05oC 9oC 9oC
-9oC
-10oC -10oC
-10oC 2oC
6oC
10 4 4 6
8 8
8
8 8
9 9 9 9
1
2
3 3
7
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
57
Pietrişul şi nisipul se separă icircntre ele icircn buncărul de sortare 6 şi apoi fiecare circulă pe cacircte o bandă transportoare prin camera de răcire 7 Pietrişul este răcit cu ajutorul apei
Fig
ura
42
1 F
ig 5
21
Sc
he
ma
in
sta
laţi
ei
de
ră
cir
e icirc
n v
id a
co
mp
on
en
telo
r b
eto
nu
lui
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
58
reci icircncacirct ajunge la o temperatură mai scăzută decacirct nisipul răcit cu aer Prin camera 7 se circulă şi aer rece care se introduce la temperatura de 55 ordmC Cimentul se introduce la instalaţia de preparare a betonului 9 fără a fi răcit
O altă posibilitate de prerăcire a agregatelor (pietriş şi nisip) şi a apei utilizată mai recent la construirea barajelor icircntrebuinţează răcirea icircn vid la care agregatele uşor umezite icircn recipiente sub presiune se răcesc după nevoie (prin reglarea vacuumului) la o temperatură mai scăzută sau mai ridicată Căldura necesară evaporării umidităţii de pe agregate şi din ele (apa legată) este luată chiar de la corpurile respective (pietriş nisip) şi ca urmare acestea se răcesc
O asemenea instalaţie utilizată la Hortwell icircn SUA (figura 521) cuprinde 3 recipienţi de cacircte 150 m3 pentru răcirea pietrişului şi 3 recipienţi de cacircte 80 m3 pentru răcirea nisipului
Pietrişul şi nisipul cu temperatura maximă de 43 ordmC se pot răci pacircnă la temperatura necesară de 45 ordmC Pentru realizarea vidului necesar se folosesc două cazane de abur care produc 77 th fiecare
422 522 RĂCIREA INTERIOARĂ A MASIVULUI DE BETON
Prerăcirea betonului se recomandă icircn condiţiile unei zone tropicale sau temperate de amplasare a construcţiei masive nu se recomandă icircn cazul amplasării barajului icircn munţi unde temperatura aerului este scăzută Icircn asemenea situaţii se recomandă răcirea betonului prin conducte amplasate icircn masiv prin care circulă apă rece
La răcirea interioară cu conducte montate icircn beton are loc o eliminarea a căldurii simultan cu producerea ei icircn procesul de priză producacircndu-se şi o răcire pacircnă la temperatura necesară Pentru răcire se folosesc conducte de oţel cu diametre de 1525 mm montate la distanţe de 1223 m icircn plan orizontal şi de 153 m icircn plan vertical Lungimea conductelor icircntr-un m3 de beton este de 0204 şi a fiecărei serpentine de 140250 m
Debitul apei de răcire ce circulă prin 1 m3 de beton este de (0553) dm3h
Figura 422 Fig 522 Reţea de conducte de răcire a betonului icircn secţiunea unui baraj 1 - galerie pentru măsurători 2 - galerie de conducte de apă de răcire
Serpentinele se montează şi se fixează pe suprafaţă de beton (fig522) Capetele serpentinelor se leagă de o coloană verticală prin mufe metalice sau de cauciuc Diametrul distribuitorului şi al coloanei este cuprins icircntre 150200 mm După montaj aceste conducte se verifică la presiunea de lucru
1 2
Ax
a
ba
raju
lui
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
44
Figura 412 Fig 512 Realizarea galeriilor icircnclinate cu sonde verticale (1) şi sonde oblice (2)
I - secţiunea longitudinală II - secţiunea transversală a) sonde icircnclinate deasupra galeriei b) sonde icircnclinate sub galerie
413 513 UTILIZAREA METODEI DE IcircNGHEŢARE A SOLULUI IcircN ŢARA NOASTRĂ
a)Puţuri de mină
Aplicarea metodei de icircngheţare a solului pentru lucrări de minerit a avut loc la noi icircn ţară icircncepacircnd cu anul 1960 la puţul Godeni din bazinul carbonifer Cacircmpulung - Muscel Proiectul a fost elaborat icircn anul 1959 la IPROMIN Bucureşti iar lucrarea a fost executată cu Trustul Minier Argeş avacircnd icircn subantrepriză de specialitate Icircntreprinderea Frigotehnica Bucureşti şi Trustul de prospecţiuni explorări şi deschideri de mine noi Bucureşti
Adacircncimea de săpare a puţului Godeni a trebuit sa fie de 202 m Sondele de icircngheţare constituite din două ţevi concentrice (fig 51) cu diametrele exterioare de 146 mm şi respectiv 57 mm icircn număr de 27 au fost amplasate pe un cerc cu diametrul de 10 m la distanţa de 117 m una de alta
Instalaţia frigorifică a fost dimensionată cu mare precauţie pentru a avea o siguranţă mărită icircn funcţionarea ei Toate părţile componente ale instalaţiei frigorifice au fost proiectate şi executate icircn ţară
La proiectarea instalaţiei s-a avut icircn vedere funcţionarea de scurtă durată şi variaţia puterii frigorifice icircn timp S-a utilizat răcirea indirectă cu soluţie de clorură de calciu iar ca agent frigorific a fost folosit amoniacul Pentru a avea elasticitatea necesară icircn funcţionare la diferite puteri frigorifice au fost folosite grupuri de utilaje frigorifice şi anume
6 compresoare 4 AU - 20 (200000 kcal Nh =233 kW fiecare)
3 baterii de condensatoare atmosferice a cacircte 300 m2 (900 m2)
bazine pentru răcirea saramurii fiecare cu cacircte 2 vaporizatoare superintensive de 50 m2 (600 m2)
2 grupuri a cacircte 5 pompe pentru recircularea saramurii
Puterea frigorifică a instalaţiei montate a fost de 12106 kcal Nh =1395 kW şi s-a caracterizat prin următoarele date tehnice la exploatare
85
1
2
I 85
1
2
I
85
1
2
II
85
1
2 II
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
45
o suprafaţa de schimb de căldură a sondelor 2500 m2 o puterea instalaţiei 750 kW o debitul saramurii icircn
o icircn perioada activă 350 m3h o icircn perioada pasivă 70 m3h
o viteza de circulaţie a saramurii icircn sondă o tur 18 ms 036 ms o retur 029 ms 006 ms
o volumul rocilor icircngheţate circa 10000 m3 o consumul specific de frig mediu 50000 m3 o durata icircngheţării (perioada activă) 130 zile
Icircn timpul răcirii şi deci a icircngheţării solului puterea frigorifică scade icircn mod continuu icircncacirct treptat s-a scos din funcţiune cacircte un compresor icircn perioada pasivă (de săpare a puţului) s-a menţinut icircn lucru doar un singur compresor şi grupul de utilaje aferent
După terminarea lucrărilor de la puţul Godeni icircn anii următori aceeaşi instalaţie s-a montat la puţul Poenari din acelaşi bazin carbonifer unde sondele au fost amplasate pe un cerc cu diametrul de 11 m la distanţa de 128 m una de alta
Un alt puţ realizat prin această tehnologie de icircngheţare a solului a fost puţul Jugur de la acelaşi bazin carbonifer Centrala frigorifică a cuprins 15 compresoare 3 AV - 20 (150000 kcal Nh fiecare=175kW) repartizate icircn 5 linii tehnologice independente cu icircntreg utilajul aferent Fiecare linie este compusă din
o butelie de răcire intermediară BRI - 700 un condensator cu evaporare forţată CEF - 180 un bazin cu patru grupuri vaporizatoare intensive de cacircte 165 m2 (icircn total 66 m2)
Sondele de icircngheţare icircn număr de 27 bucăţi au fost prevăzute să se amplaseze pe un cerc cu diametrul de 104 m la distanţă de 121 m Sondele sunt de tipul celei indicată icircn figura 58 deci cu răcire zonală avacircnd următoarele caracteristici diametrul exterior al burlanului este de 146 mm iar tuburile interioare au 57 mm (la exterior) tubul de alimentare are lungimea de 430 m iar cel de evacuare este de 220 m Ca urmare sondele de icircngheţare trebuie să producă icircngheţarea solului numai pe adacircncimea de la 220 m la 430 m Prin proiect s-au prevăzut următoarele date temperatura saramurii - 35 ordmC viteza saramurii icircn conducte de tur 18 ms viteza icircn conducte de retur (pe adacircncimea de răcit) 06 ms durata icircngheţării (perioada activă) a fost de 75 zile
Au fost prevăzute temperaturi scăzute şi viteze mari de congelare deoarece cilindrul icircngheţat trebuie să preia presiuni de pacircnă la 56 bar
b)Tunelurile pentru metroul din Bucureşti
Icircncepacircnd cu anul 1976 pentru realizarea metroului din Bucureşti s-a procedat la aplicarea metodei de icircngheţare a solului icircntr-o zonă considerată experimentală dar cu realizări efective de galerii
Prin proiect s-a prevăzut consolidarea prin icircngheţare artificială a profilului de săpare a tunelurilor de metrou pe o lungime de circa 550 m pe ambele fire Amplasamentul sondelor s-a făcut icircn două variante (pentru experimentare) pentru un fir de tunel ambele racircnduri de sonde s-au fixat icircn profilul circular de săpare iar pentru cel de al doilea fir de tunel sondele au fost forate icircn afara profilului de icircnaintare (fig 513) Au fost folosite sonde cu saramură cu posibilitatea de icircngheţare pe toată icircnălţimea de 16 m cacirct şi sonde cu icircngheţare zonală icircntre adacircncimile de 7 m şi 16 m Distanţa dintre sonde a fost fixată la 14 m
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
46
Pentru a se icircmpiedica accesul apelor icircn frontul de săpare datorate unor eventuale zone neicircngheţate traseul de tunel icircngheţat a fost icircmpărţit icircn incinte icircnchise prin timpane transversale La distanţe de 3050 m icircn lungul traseului au fost montate sonde de icircngheţare aşezate icircn plan normal pe axul tunelului prin care să se icircnchidă accesul apelor spre frontul de săpare
Echipamentul frigorific principal cuprinde
- 8 compresoare frigorifice 3 AV - 20 funcţionacircnd icircntr-o treaptă pentru care
corespunde puterea frigorifică de 12 106 kcal Nh =1395 kW
- 4 condensatoare de evaporare forţată CEF - 250
- 3 bazine de răcire a saramurii echipate cu cacircte 4 grupuri de vaporizatoare superintensive de cacircte 51 m2 (total 612 m2)
- 3 grupuri de cacircte 2 pompe a 220 m3h pentru circulaţia saramurii pe traseele de distribuţie şi prin sonde
Figura 413 Fig513 Amplasamentul sondelor de icircngheţare
Centrala frigorifică este stabilă adăpostită icircntr-o baracă metalică demontabilă existacircnd posibilitatea de reamplasare rapidă a instalaţiei icircntr-un alt loc Agentul frigorific utilizat este amoniacul iar agentul intermediar este clorura de calciu
Icircn perioada principală de icircngheţare temperatura de vaporizare este to = -22 ordmC asiguracircnd răcirea saramurii la -17 ordmC iar pe retur saramura a avut temperatura cu 15 ordmC mai ridicată
La o asemenea lucrare realizată icircn oraş se impune protejarea contra icircngheţului a straturilor de deasupra galeriilor icircn care sunt amplasate instalaţiile de apă - canal ceea ce presupune folosirea sondelor cu icircngheţare zonală care să nu fie active la partea superioară
c) Puţuri pentru prospectarea balastierelor
Procedeul şi instalaţia frigorifică au avut caracter de noutate şi s-a aplicat icircncepacircnd cu anul 1966 la mai multe obiective icircn general pe văile racircurilor unde s-au construit hidrocentrale
A
A B
B
A-A
000 -300 -700 -1061 -1300
65
800
B-B
000 -300 -700 -1061 -1300
65
550
ARGILA
ARGILA
NISIP
NISIP
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
47
Echipamentul frigorific principal cuprinde un agregat frigorific pentru amoniac de 20000 kcal Nh = 233 kW rezervor de amoniac separator de lichid şi anexe - toate fiind montate pe o remorcă
S-au folosit sonde de icircngheţare cu agent frigorific icircn număr de 8 bucăţi cu diametrul exterior de 133 mm montate pe un cerc cu diametrul de 2 m la distanţa de 076 m lungimea lor fiind de 75 m Legarea sondelor la distribuitor şi colector s-a făcut cu racorduri flexibile
Sondele au o construcţie specială fiind prevăzute cu 4 pereţi transversali cu ştuţuri de preaplin formacircndu-se astfel 5 compartimente Agentul lichid se introduce icircn compartimentul cel mai de sus şi se scurge prin ştuţuri pacircnă la baza sondei Conducta de aspiraţie străbate toate compartimentele vaporii fiind aspiraţi din compartimentul cel mai de jos Circulaţia vaporilor formaţi se face ca şi a lichidului de sus icircn jos obţinacircndu-se astfel o răcire uniformă şi eficientă pe toată icircnălţimea sondei
Durata icircngheţării respectiv a formării centurii de teren icircngheţat la adăpostul căreia să se poată efectua săparea şi preluarea de probe de sol este de 10 zile
414 514 CAcircMPUL DE TEMPERATURĂ IcircN SOLUL IcircNGHEŢAT
Cacircnd prin sonda de icircngheţare circulă saramură a cărei temperatura este sub 0 ordmC practic - 20 ordmC-25 ordmC icircn jurul sondei se formează un cacircmp termic care icircn cazul unei singure sonde poate fi reprezentat prin suprafeţe cilindrice coaxiale de temperatură constantă (izoterme)
După distanţa radială se deosebesc icircn sol din punct de vedere termic trei zone zona cilindrică din imediata vecinătate a sondei care este icircn zona icircngheţată zona răcită cuprinsă icircntre suprafaţa cilindrică izotermă de 0 ordmC şi izoterma de temperatură naturală şi a treia zonă cea de temperatura naturală (fig 514)
Icircn zona icircngheţată temperatura masivului variază de la temperatura peretelui metalic al sondei pacircnă la 0 ordmC Icircn zona răcită temperatura masivului creşte de la 0 ordmC pacircnă la temperatura naturală a masivului
Figura 414 Fig 514 Cacircmpul de temperatură icircn jurul unei sonde de icircngheţare
Este important să se cunoască cacircmpul termic icircn terenul supus icircngheţării deoarece acesta oferă date privind zona de răspacircndire a consolidării rocilor prin solidificarea apei cacirct şi a
t [oC]
r [m]
t (r)
ZONA RACITA
ZONA INGHETAT
A
ts TEMPERATURA NATURALA A ROCII
-20
-10
40
10 0 20 30
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
48
rezistenţei mecanice a rocii icircngheţate Se cunoaşte faptul că rezistenţa mecanică depinde direct de temperatură
Studiul variaţiei temperaturii icircn zona de influenţă a unei sonde şi a tuturor sondelor simultan oferă posibilitatea calculării dimensiunilor la proiectarea construcţiei peretelui protector cacirct şi controlul procesului icircn timpul desfăşurării lucrărilor
Pentru a se stabili relaţia de variaţie a temperaturii icircn zona icircngheţată icircn funcţie de raza r se consideră ecuaţia diferenţială
dr
dtr2q (56)
icircn care q este fluxul unitar de căldură corespunzător lungimii de 1 m din sonda de icircngheţare Wm
- conductivitatea termica a terenului Wm
Integrarea directă a ecuaţiei analitice se poate face icircn ipoteze simplificatoare consideracircnd
= const şi q = const ceea ce este justificat la valori mari ale timpului de răcire
Se separa variabilele
r
dr
2
qdt
(57)
Se consideră cunoscute temperaturile t1 la suprafaţa sondei de raza r1 și t2 = 0 ordmC la raza r2 corespunzătoare suprafeţei exterioare a cilindrului icircngheţat Se integrează ecuaţia (6-7) și cunoscacircnd limitele de integrare se va determina constanta de integrare
Cr ln2
qt
(58)
pentru r = r1 t = t1 deci
11 rln2
qtC
(59)
1
1r
rln
2
qtt
(510)
Se pune condiţia ca pentru r = r2 t = t2
1
212
r
rln
2
qtt
(511)
Se elimina q intre relaţiile (510) și (511) şi se obţine
1
2
1121
r
rln
r
rln
tttt (512)
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
49
Figura 415 Fig 515 Schema schimbătorului de căldură subteran
Pentru t2 = 0 ordmC relaţia (5-12) devine
)rrln(
)rrln(tt
12
21 (513)
Icircn figura 515 se prezintă o secţiune axială printr-o sondă de icircngheţare şi variaţia temperaturii icircn limitele t0 - temperatura agentului de răcire şi ts - temperatura naturală a solului
Cantitatea de căldură transferată de la masivul neicircngheţat spre agentul de răcire prin unitatea de lungimea de conducta şi unitatea de timp se calculează cu expresia
221
2
1o
1
moo
os
d
1
d
dln
1
d
dln
2
1
d
1
ttq
(514)
Icircn calculele inginereşti cel mai frecvent se determină nu fluxul termic pe unitatea de lungime a conductei ci fluxul termic qF raportat la unitatea de suprafaţă a conductei metalice la 1 m2 de suprafaţa exterioară sau interioară Mărimea qF se calculează astfel
22
o
1
2
1
o
o
1
m
o
o
oS
o
F
d
d
d
dln
2
d
d
dln
2
d1
tt
d
(515)
Fluxul termic qF prin unitatea de suprafaţă a sondei de icircngheţare calculat pentru adacircncimea de 100 m icircn regim laminar de curgere a agentului de răcire prin spaţiul inelar al sondei cu viteza w = 01 ms la diametre ale cilindrului de rocă icircngheţata
de la 02 la 3 m pentru to = -20 ordmC do = 01 m 1 = 233 WmK variază de la 720 la 230 Wm2 aşa cum se poate observa din figura 516 şi tabelul 51
d2
d1
d0
t
qF
t0
t2
t1 2
m 1
m
ts
Conducta Teren icircngheţat Teren
neicircngheţat
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
50
Figura 416 Fig 516 Variaţia fluxului termic qF prin unitatea de suprafaţă a sondei de icircngheţare 1 - regim turbulent 2 regim laminar
Tabelul 51Variaţia fluxului termic qF [Wm2]
Diametrul cilindrului de rocă icircngheţată icircn m
02 04 05 08 10 15 20
qF regim laminar 1160 550 387 330 302
qF regim laminar 720 465 423 350 321 283 258
Se observă ca densitatea fluxului de căldura qF scade foarte mult de la 800900 Wm2 la icircnceputul operaţiei de consolidare prin frig a rocilor pacircnă la 230250 Wm2 cacircnd cilindrul de rocă icircngheţata atinge diametrul de 23 m Ca urmare a acestei situaţii şi puterea frigorifică a instalaţiei va scădea icircn decursul a 6080 zile tot cu raportul de 800230 = 35
Instalaţia frigorifică va fi constituită din grupuri de utilaje (module) ce vor fi scoase treptat din funcţiune pe măsură ce se reduce densitatea fluxului de căldură qF ca urmare a creşterii grosimii stratului de teren icircngheţat Icircn practică pentru calcule se va considera qF = (260290) Wm2
O mărime importanta pentru proiectarea instalaţiei şi aprecierea procesului de consolidare a rocilor este timpul de icircngheţare Pentru calculul duratei de icircngheţare se pot folosi relaţiile prezentate icircn capitolul 3 la formarea gheţii pe suprafeţe cilindrice exterioare La aprecierea valorii pentru ls - căldura latentă de solidificare se avea icircn vedere conţinutul de apă din terenul supus icircngheţării
Dacă icircntre relaţiile pentru dependenţele (r) şi qF(r) se elimină r se obţine dependenţa
qF() Eliminarea nu se poate face direct ci fie cu ajutorul calculatorului fie printr-o construcţie grafică prezentată icircn figura 517
Studiul variaţiei temperaturii icircn solul icircngheţat cacirct și variaţia icircn timp a densităţii fluxului de căldura se poate face cu ajutorul calculatorului electronic
1200
1000
800
600
400
200
0 05 1 15 2 25 3
qF [Wm2]
Diametrul cilindrului de rocă icircngheţată [m]
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
51
Figura 417 Fig 517 Stabilirea dependentei qF() pe baza dependentelor qF(r) și (r)
415 515 ELEMENTE DE PROIECTARE A INSTALAŢIEI FRIGORIFICE PENTRU IcircNGHEŢAREA SOLULUI
Pentru proiectarea instalaţiei frigorifice trebuie sa se stabilească la icircnceput elementele de baza și anume
- puterea frigorifică maximă care apare la icircnceputul perioadei de răcire cacircnd pătrunderile de căldura spre agentul de răcire din sondele de icircngheţare au valori mai mari temperatura de vaporizare a agentului frigorific plecacircnd de la temperatura minimă sau medie din solul icircngheţat şi avacircnd icircn vedere modul de răcire directă sau indirectă
Se calculează cantitatea totală de căldură ce trebuie extrasă din terenul supus răcirii şi icircngheţării Se cunoaşte structura terenului icircngheţat deci se cunosc icircnălţimile h1 h2hn ale diferitelor straturi componente cacirct şi proprietăţile termofizice ale acestora
Grosimea centurii de teren icircngheţat se stabileşte icircn urma calculelor de rezistenţa materialelor icircncacirct se pot calcula volumele ocupate de straturile componente V1 V2Vn
Cantitatea de căldură ce trebuie extrasă din zona icircngheţată cuprinde două componente și anume
cantitatea de căldura Qa corespunzătoare răcirii şi icircngheţării apei
cantitatea de căldura Qt necesara răcirii părţii solide a terenului
n
1kfgsikaakka tcltcVQ (516)
unde
k - reprezintă conţinutul icircn apă din stratul respectiv [m3m3]
a - densitatea apei [kgm3]
ca cg - căldura specifica a apei respectiv a gheţii Jkg K
tik - temperatura iniţiala a stratului respectiv (de ordinul k)
tf - temperatura medie finala a masivului icircngheţat
ls - căldura latentă de solidificare a apei
r
q
q
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
52
fik
n
1kkkkkt ttc1VQ
(517)
k - densitatea părţii de teren solid (uscat) din stratul k
ck - căldura specifică a terenului uscat din stratul k
Cantitatea de căldură extrasă din terenul răcit reprezintă circa 1018 din cantitatea de căldură extrasă din zona de teren icircngheţat
Deci cantitatea totală de căldură Q ce va trebui preluată de către instalaţia frigorifică se poate aprecia astfel
Q = (110118) (Qa + Qt) (518)
Cu relaţia (51) se calculează puterea frigorifica a instalaţiei adoptacircnd o valoare medie pentru densitatea fluxului de căldura qF
Se poate aprecia timpul de funcţionare a instalaţiei frigorifice
o
Q
(519)
La anumite grosimi ale cochiliei de teren icircngheţat icircn jurul sondei densitatea fluxului termic scade sub valoarea medie adoptată icircn calcule şi ca urmare icircncepacircnd de la acest moment se va putea reduce treptat puterea frigorifica a instalaţiei prin scoaterea din funcţiune a unor grupuri
La proiectare se pot avea icircn vedere unele recomandări practice pentru stabilirea necesarului de frig pentru icircngheţarea unui m3 la -10 ordmC este necesar un consum specific de frig de 66000 kJ la 10 umiditate de 155000 kJ la 35 umiditate și de 210000 kJ la 50 umiditate
42 52 RĂCIREA BETONULUI LA CONSTRUCŢIILE MASIVE
421 521 INSTALAŢII DE PRERĂCIRE A COMPONENTELOR BETONULUI
Formarea betonului din elementele sale componente (nisip pietriş ciment şi apă) este icircnsoţită de fenomene fizico - chimice icircn care se degajă căldură şi ca urmare temperatura acestuia creşte Icircn cazul unor masive din beton (baraje) dacă viteza de turnare (icircn sezonul cald cacircnd se efectuază construcţia) este mai mare şi nu se asigura evacuarea căldurii corpul rezultă la o temperatura medie mai mare decacirct temperatura medie anuală Răcirea naturală conduce la contracţia masivului şi ca urmare la apariţia sub acţiunea tensiunilor interne a unor fisuri
Pentru ca variaţiile de temperatura icircntre centrul barajului şi straturile exterioare să fie cacirct mai mici se impune ca masivul respectiv să fie turnat la temperatura medie anuală a zonei respective Icircn acest scop se pot folosi două metode prin prerăcirea componentelor betonului și prin răcirea masei barajului
Icircn vederea reducerii căldurii degajată icircn reacţia dintre ciment şi apă au fost realizate sortimente de ciment caracterizate prin călduri masice reduse ce se degajă icircn procesul de priză
Prin prerăcirea componentelor betonului se urmăreşte ca betonul sa aibă temperatura medie a locului de amplasament şi prin aceasta evitarea apariţiei unor diferenţe mari de temperatură ce pun icircn pericol construcţia
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
53
Icircn funcţie de valoarea diferenţei de temperatură care trebuie realizată se poate adopta o anumită schemă de răcire pentru fiecare component icircn parte sau numai pentru unele din aceste părţi componente
Se pot folosi instalaţii frigorifice cu comprimare mecanică de vapori pentru răcirea apei a aerului sau formarea gheţii mărunte utilizate la prerăcirea componentelor betonului Folosirea gheţii fulgi sau solzi este limitată atacirct din cauza conţinutului de apă impus cacirct şi ca urmare a pericolului ca gheaţa să nu se topească icircn procesul de malaxare ci la turnare sau icircn procesul de priză ceea ce duce la formarea de goluri icircn beton
De asemenea se pot folosi instalaţiile frigorifice cu ejecţie
Icircn vederea stabilirii necesarului de frig pentru preratildecirea componentelor betonului se calculează mai icircntacirci cantitatea de catildelduratilde Qo1 ce trebuie evacuatatilde dintr-un m3 de beton avacircndu-se icircn vedere proporţiile icircn care participatilde cimentul nisipul pietrişul şi apa Fiecare component are o temperatură iniţialatilde şi urmeazatilde a fi răcit pacircnatilde la o temperatura finalatilde tf aceeaşi pentru toţi componenţii
fpppfnnnfccc1o ttcmttcmttcmQ
fnaanfpaapfaaa ttcmttcmttcm Jm3 (520)
unde
mc mn mp ma - masele de ciment nisip pietriş şi apă conţinute icircntr-un m3 de beton [kgm3]
cc cn cp cw - căldurile specifice masice ale cimentului nisipului pietrişului şi nisipul dintr-un m3 de beton [kgm3]
Puterea frigorifică se determină cu relaţia
3b1oo 10VQ [kW] (521)
icircn care bV reprezintă fluxul de betonare icircn m3s
Se prezintă icircn continuare cele mai folosite metode de prerăcire a componentelor betonului
4211 a) Instalaţie de prerăcire cu apă
Staţia de preparare a betonului este deservită de o instalaţie frigorifică cu comprimare mecanică de vapori care asigură răcirea apei
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
54
Figura 418 Fig 518 Schema de lucru a instalaţiei de prerăcire a betonului cu ajutorul apei 1 - ciment 2 - vagon nisip 3 - vagon pietris 4 - tancuri de răcire a pietrişului 5 - sită 6 - siloz de
nisip 7 - siloz de ciment 8 - rezervor de distribuţie 9 - răcitor de nisip 10 - răcitor de ciment 11 - răcitor de apă 12 - rezervor de apă răcită 13 - răcitor de apă 14 - instalaţie de prepararea betonului
I II III IV V - fazele de răcire a pietrişului
Icircn figura 518 se prezintă schema de lucru a unei asemenea instalaţii de prerăcire a betonului cu ajutorul apei folosită la construcţia barajului de la Detroit (SUA) Apa este răcită de la 16 la 15 ordmC şi transmisă apoi la instalaţia de preparare a betonului şi icircn cinci rezervoare a cacircte 90 m3 fiecare icircn care se răceşte pietrişul
Procesul de răcire a pietrişului cuprinde cinci faze
- faza I - introducerea apei icircn rezervor 10 minute
- fazele II şi III - introducerea simultană a apei şi a pietrişului 50 minute
- faza IV - evacuarea apei 15 minute
- faza V - evacuarea pietrişului 15 minute
Icircntregul proces de răcire a pietrişului durează 90 minute Pentru răcirea cimentului şi nisipului se utilizează schimbătoare de căldură cu ax elicoidal la care apa de răcire circulă prin arborele gol şi prin manta
Rezervoarele 12 pentru apa răcită au fiecare volumul de 114 m3
Beton 635oC
190 m3h
65oC
24oC
18oC
1
2
3
4
5
6
7
8
10
9
11
12
13
14
Apă 16oC
15oC
Cim
en
t
26 l
h
Nis
ip 1
12
lh
10
oC
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
55
42111 Aplicaţie numerică
Să se calculeze puterea frigorifică necesară prerăcirii betonului prin metode şi condiţiile prezentate mai sus Se cunosc următoarele date de calcul
mp = 1700 kgm3 beton
mc = 135 kgm3 beton
mn = 590 kgm3 beton
ma = 60 kgm3 beton
cc = cn = cp = 921 Jkg K
ca = 4180 Jkg K
map = 16 kgm3 beton
man = 38 kgm3 beton
tp = 18 ordmC
tc = 66 ordmC
tn = 21 ordmC tf = 635 ordmC
052803000
190Vb m3s
Se calculează componentele cantităţii de căldură Q01
3fcccc 10741735666921135ttcmQ Jm3
3fnnnn 10796135621921590ttcmQ Jm3
3fpppp 1024018356189211700ttcmQ Jm3
3faaaa 10420235616418060ttcmQ Jm3
3fpaapap 1077935618418016ttcmQ Jm3
3fnaaan 10232735621418038ttcmQ Jm3
Rezulta
3anapapnc1o 1039144QQQQQQQ Jm3
3o 10 206705280103914410VQ 33
b1o kW
4212 b) Instalaţii de prerăcire cu aer apă
Pentru răcirea componentelor betonului se utilizează icircn acest caz fie apa fie aerul ca agenţi intermediari răciţi cu ajutorul instalaţiilor frigorifice
Icircn figura 519 se prezintă schema unei asemenea instalaţii folosită la construcţia barajului de la Sariyar din Turcia
Răcirea aerului se poate face fie direct prin vaporizarea unui agent frigorific fie indirect cu un agent intermediar de răcire ca de exemplu saramura de clorură de calciu Aerul răcit pacircnă la -6 ordmC este suflat icircn silozurile cu pietriş de dimensiuni icircntre 4150 mm
Apa răcită icircn bazinul la pacircnă la 05 ordm este trimisă din colectorul 12 la staţia de preparare a betonului servind la scăderea temperaturii acestuia
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
56
Figura 419 Fig 519 Schema instalaţiei de prerăcire a betonului cu aer şi apă 1 - compresor 2 - condensator 3 - ventile de laminare 4 - vaporizatoare 5 - bazin de răcire a
saramurii 6 - pompă de saramură 7 - răcitor umed de aer 8 - ventilatoare 9 - silozuri de pietriş 10 - bazin de răcire a apei 11 - pompă 12 - colector de apă răcită
Figura 420 Fig 520 Schema instalaţiei de prerăcire cu aer şi apă 1 - siloz de pietriş şi nisip 2 - siloz de ciment 3 rezervor de apă 4 - răcitor de aer 5 - răcitor de apă
4 - răcitor de apă 6 - buncăr de sortare 7 - instalaţie de preparare beton
Pentru intensificarea procesului de răcire a pietrişului aerul este răcit sub 0 ordmC Acest procedeu are avantajul unei funcţionări fără icircntrerupere a procesului de preparare a betonului dar prezintă şi o serie de dezavantaje debite foarte mari de aer de răcire posibilitatea antrenării particulelor fine de agregat icircn răcitorul de aer şi depunerea acestora pe suprafaţa de schimb de căldură Ca urmare instalaţia se va curăţa la circa 14 zile Icircn figura 520 se prezintă o altă schemă de instalaţie de prerăcire a betonului cu aer şi apă folosită la construcţia unui baraj din India
Apă
295oC
Ciment
433oC
Pietriş şi nisip
378oC
Apă 6oC
Ciment 433oC
Aer
Pietriş
45oC Nisip 222oC
22oC
Ap
ă
45
oC
Ap
ă 2
2o
C
Ae
r 5
5o
C
Be
ton
12
8o
C
Apă 22oC
2
1
3 4 5
8
9
5 7
12
1oC
11
05oC 9oC 9oC
-9oC
-10oC -10oC
-10oC 2oC
6oC
10 4 4 6
8 8
8
8 8
9 9 9 9
1
2
3 3
7
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
57
Pietrişul şi nisipul se separă icircntre ele icircn buncărul de sortare 6 şi apoi fiecare circulă pe cacircte o bandă transportoare prin camera de răcire 7 Pietrişul este răcit cu ajutorul apei
Fig
ura
42
1 F
ig 5
21
Sc
he
ma
in
sta
laţi
ei
de
ră
cir
e icirc
n v
id a
co
mp
on
en
telo
r b
eto
nu
lui
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
58
reci icircncacirct ajunge la o temperatură mai scăzută decacirct nisipul răcit cu aer Prin camera 7 se circulă şi aer rece care se introduce la temperatura de 55 ordmC Cimentul se introduce la instalaţia de preparare a betonului 9 fără a fi răcit
O altă posibilitate de prerăcire a agregatelor (pietriş şi nisip) şi a apei utilizată mai recent la construirea barajelor icircntrebuinţează răcirea icircn vid la care agregatele uşor umezite icircn recipiente sub presiune se răcesc după nevoie (prin reglarea vacuumului) la o temperatură mai scăzută sau mai ridicată Căldura necesară evaporării umidităţii de pe agregate şi din ele (apa legată) este luată chiar de la corpurile respective (pietriş nisip) şi ca urmare acestea se răcesc
O asemenea instalaţie utilizată la Hortwell icircn SUA (figura 521) cuprinde 3 recipienţi de cacircte 150 m3 pentru răcirea pietrişului şi 3 recipienţi de cacircte 80 m3 pentru răcirea nisipului
Pietrişul şi nisipul cu temperatura maximă de 43 ordmC se pot răci pacircnă la temperatura necesară de 45 ordmC Pentru realizarea vidului necesar se folosesc două cazane de abur care produc 77 th fiecare
422 522 RĂCIREA INTERIOARĂ A MASIVULUI DE BETON
Prerăcirea betonului se recomandă icircn condiţiile unei zone tropicale sau temperate de amplasare a construcţiei masive nu se recomandă icircn cazul amplasării barajului icircn munţi unde temperatura aerului este scăzută Icircn asemenea situaţii se recomandă răcirea betonului prin conducte amplasate icircn masiv prin care circulă apă rece
La răcirea interioară cu conducte montate icircn beton are loc o eliminarea a căldurii simultan cu producerea ei icircn procesul de priză producacircndu-se şi o răcire pacircnă la temperatura necesară Pentru răcire se folosesc conducte de oţel cu diametre de 1525 mm montate la distanţe de 1223 m icircn plan orizontal şi de 153 m icircn plan vertical Lungimea conductelor icircntr-un m3 de beton este de 0204 şi a fiecărei serpentine de 140250 m
Debitul apei de răcire ce circulă prin 1 m3 de beton este de (0553) dm3h
Figura 422 Fig 522 Reţea de conducte de răcire a betonului icircn secţiunea unui baraj 1 - galerie pentru măsurători 2 - galerie de conducte de apă de răcire
Serpentinele se montează şi se fixează pe suprafaţă de beton (fig522) Capetele serpentinelor se leagă de o coloană verticală prin mufe metalice sau de cauciuc Diametrul distribuitorului şi al coloanei este cuprins icircntre 150200 mm După montaj aceste conducte se verifică la presiunea de lucru
1 2
Ax
a
ba
raju
lui
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
45
o suprafaţa de schimb de căldură a sondelor 2500 m2 o puterea instalaţiei 750 kW o debitul saramurii icircn
o icircn perioada activă 350 m3h o icircn perioada pasivă 70 m3h
o viteza de circulaţie a saramurii icircn sondă o tur 18 ms 036 ms o retur 029 ms 006 ms
o volumul rocilor icircngheţate circa 10000 m3 o consumul specific de frig mediu 50000 m3 o durata icircngheţării (perioada activă) 130 zile
Icircn timpul răcirii şi deci a icircngheţării solului puterea frigorifică scade icircn mod continuu icircncacirct treptat s-a scos din funcţiune cacircte un compresor icircn perioada pasivă (de săpare a puţului) s-a menţinut icircn lucru doar un singur compresor şi grupul de utilaje aferent
După terminarea lucrărilor de la puţul Godeni icircn anii următori aceeaşi instalaţie s-a montat la puţul Poenari din acelaşi bazin carbonifer unde sondele au fost amplasate pe un cerc cu diametrul de 11 m la distanţa de 128 m una de alta
Un alt puţ realizat prin această tehnologie de icircngheţare a solului a fost puţul Jugur de la acelaşi bazin carbonifer Centrala frigorifică a cuprins 15 compresoare 3 AV - 20 (150000 kcal Nh fiecare=175kW) repartizate icircn 5 linii tehnologice independente cu icircntreg utilajul aferent Fiecare linie este compusă din
o butelie de răcire intermediară BRI - 700 un condensator cu evaporare forţată CEF - 180 un bazin cu patru grupuri vaporizatoare intensive de cacircte 165 m2 (icircn total 66 m2)
Sondele de icircngheţare icircn număr de 27 bucăţi au fost prevăzute să se amplaseze pe un cerc cu diametrul de 104 m la distanţă de 121 m Sondele sunt de tipul celei indicată icircn figura 58 deci cu răcire zonală avacircnd următoarele caracteristici diametrul exterior al burlanului este de 146 mm iar tuburile interioare au 57 mm (la exterior) tubul de alimentare are lungimea de 430 m iar cel de evacuare este de 220 m Ca urmare sondele de icircngheţare trebuie să producă icircngheţarea solului numai pe adacircncimea de la 220 m la 430 m Prin proiect s-au prevăzut următoarele date temperatura saramurii - 35 ordmC viteza saramurii icircn conducte de tur 18 ms viteza icircn conducte de retur (pe adacircncimea de răcit) 06 ms durata icircngheţării (perioada activă) a fost de 75 zile
Au fost prevăzute temperaturi scăzute şi viteze mari de congelare deoarece cilindrul icircngheţat trebuie să preia presiuni de pacircnă la 56 bar
b)Tunelurile pentru metroul din Bucureşti
Icircncepacircnd cu anul 1976 pentru realizarea metroului din Bucureşti s-a procedat la aplicarea metodei de icircngheţare a solului icircntr-o zonă considerată experimentală dar cu realizări efective de galerii
Prin proiect s-a prevăzut consolidarea prin icircngheţare artificială a profilului de săpare a tunelurilor de metrou pe o lungime de circa 550 m pe ambele fire Amplasamentul sondelor s-a făcut icircn două variante (pentru experimentare) pentru un fir de tunel ambele racircnduri de sonde s-au fixat icircn profilul circular de săpare iar pentru cel de al doilea fir de tunel sondele au fost forate icircn afara profilului de icircnaintare (fig 513) Au fost folosite sonde cu saramură cu posibilitatea de icircngheţare pe toată icircnălţimea de 16 m cacirct şi sonde cu icircngheţare zonală icircntre adacircncimile de 7 m şi 16 m Distanţa dintre sonde a fost fixată la 14 m
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
46
Pentru a se icircmpiedica accesul apelor icircn frontul de săpare datorate unor eventuale zone neicircngheţate traseul de tunel icircngheţat a fost icircmpărţit icircn incinte icircnchise prin timpane transversale La distanţe de 3050 m icircn lungul traseului au fost montate sonde de icircngheţare aşezate icircn plan normal pe axul tunelului prin care să se icircnchidă accesul apelor spre frontul de săpare
Echipamentul frigorific principal cuprinde
- 8 compresoare frigorifice 3 AV - 20 funcţionacircnd icircntr-o treaptă pentru care
corespunde puterea frigorifică de 12 106 kcal Nh =1395 kW
- 4 condensatoare de evaporare forţată CEF - 250
- 3 bazine de răcire a saramurii echipate cu cacircte 4 grupuri de vaporizatoare superintensive de cacircte 51 m2 (total 612 m2)
- 3 grupuri de cacircte 2 pompe a 220 m3h pentru circulaţia saramurii pe traseele de distribuţie şi prin sonde
Figura 413 Fig513 Amplasamentul sondelor de icircngheţare
Centrala frigorifică este stabilă adăpostită icircntr-o baracă metalică demontabilă existacircnd posibilitatea de reamplasare rapidă a instalaţiei icircntr-un alt loc Agentul frigorific utilizat este amoniacul iar agentul intermediar este clorura de calciu
Icircn perioada principală de icircngheţare temperatura de vaporizare este to = -22 ordmC asiguracircnd răcirea saramurii la -17 ordmC iar pe retur saramura a avut temperatura cu 15 ordmC mai ridicată
La o asemenea lucrare realizată icircn oraş se impune protejarea contra icircngheţului a straturilor de deasupra galeriilor icircn care sunt amplasate instalaţiile de apă - canal ceea ce presupune folosirea sondelor cu icircngheţare zonală care să nu fie active la partea superioară
c) Puţuri pentru prospectarea balastierelor
Procedeul şi instalaţia frigorifică au avut caracter de noutate şi s-a aplicat icircncepacircnd cu anul 1966 la mai multe obiective icircn general pe văile racircurilor unde s-au construit hidrocentrale
A
A B
B
A-A
000 -300 -700 -1061 -1300
65
800
B-B
000 -300 -700 -1061 -1300
65
550
ARGILA
ARGILA
NISIP
NISIP
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
47
Echipamentul frigorific principal cuprinde un agregat frigorific pentru amoniac de 20000 kcal Nh = 233 kW rezervor de amoniac separator de lichid şi anexe - toate fiind montate pe o remorcă
S-au folosit sonde de icircngheţare cu agent frigorific icircn număr de 8 bucăţi cu diametrul exterior de 133 mm montate pe un cerc cu diametrul de 2 m la distanţa de 076 m lungimea lor fiind de 75 m Legarea sondelor la distribuitor şi colector s-a făcut cu racorduri flexibile
Sondele au o construcţie specială fiind prevăzute cu 4 pereţi transversali cu ştuţuri de preaplin formacircndu-se astfel 5 compartimente Agentul lichid se introduce icircn compartimentul cel mai de sus şi se scurge prin ştuţuri pacircnă la baza sondei Conducta de aspiraţie străbate toate compartimentele vaporii fiind aspiraţi din compartimentul cel mai de jos Circulaţia vaporilor formaţi se face ca şi a lichidului de sus icircn jos obţinacircndu-se astfel o răcire uniformă şi eficientă pe toată icircnălţimea sondei
Durata icircngheţării respectiv a formării centurii de teren icircngheţat la adăpostul căreia să se poată efectua săparea şi preluarea de probe de sol este de 10 zile
414 514 CAcircMPUL DE TEMPERATURĂ IcircN SOLUL IcircNGHEŢAT
Cacircnd prin sonda de icircngheţare circulă saramură a cărei temperatura este sub 0 ordmC practic - 20 ordmC-25 ordmC icircn jurul sondei se formează un cacircmp termic care icircn cazul unei singure sonde poate fi reprezentat prin suprafeţe cilindrice coaxiale de temperatură constantă (izoterme)
După distanţa radială se deosebesc icircn sol din punct de vedere termic trei zone zona cilindrică din imediata vecinătate a sondei care este icircn zona icircngheţată zona răcită cuprinsă icircntre suprafaţa cilindrică izotermă de 0 ordmC şi izoterma de temperatură naturală şi a treia zonă cea de temperatura naturală (fig 514)
Icircn zona icircngheţată temperatura masivului variază de la temperatura peretelui metalic al sondei pacircnă la 0 ordmC Icircn zona răcită temperatura masivului creşte de la 0 ordmC pacircnă la temperatura naturală a masivului
Figura 414 Fig 514 Cacircmpul de temperatură icircn jurul unei sonde de icircngheţare
Este important să se cunoască cacircmpul termic icircn terenul supus icircngheţării deoarece acesta oferă date privind zona de răspacircndire a consolidării rocilor prin solidificarea apei cacirct şi a
t [oC]
r [m]
t (r)
ZONA RACITA
ZONA INGHETAT
A
ts TEMPERATURA NATURALA A ROCII
-20
-10
40
10 0 20 30
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
48
rezistenţei mecanice a rocii icircngheţate Se cunoaşte faptul că rezistenţa mecanică depinde direct de temperatură
Studiul variaţiei temperaturii icircn zona de influenţă a unei sonde şi a tuturor sondelor simultan oferă posibilitatea calculării dimensiunilor la proiectarea construcţiei peretelui protector cacirct şi controlul procesului icircn timpul desfăşurării lucrărilor
Pentru a se stabili relaţia de variaţie a temperaturii icircn zona icircngheţată icircn funcţie de raza r se consideră ecuaţia diferenţială
dr
dtr2q (56)
icircn care q este fluxul unitar de căldură corespunzător lungimii de 1 m din sonda de icircngheţare Wm
- conductivitatea termica a terenului Wm
Integrarea directă a ecuaţiei analitice se poate face icircn ipoteze simplificatoare consideracircnd
= const şi q = const ceea ce este justificat la valori mari ale timpului de răcire
Se separa variabilele
r
dr
2
qdt
(57)
Se consideră cunoscute temperaturile t1 la suprafaţa sondei de raza r1 și t2 = 0 ordmC la raza r2 corespunzătoare suprafeţei exterioare a cilindrului icircngheţat Se integrează ecuaţia (6-7) și cunoscacircnd limitele de integrare se va determina constanta de integrare
Cr ln2
qt
(58)
pentru r = r1 t = t1 deci
11 rln2
qtC
(59)
1
1r
rln
2
qtt
(510)
Se pune condiţia ca pentru r = r2 t = t2
1
212
r
rln
2
qtt
(511)
Se elimina q intre relaţiile (510) și (511) şi se obţine
1
2
1121
r
rln
r
rln
tttt (512)
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
49
Figura 415 Fig 515 Schema schimbătorului de căldură subteran
Pentru t2 = 0 ordmC relaţia (5-12) devine
)rrln(
)rrln(tt
12
21 (513)
Icircn figura 515 se prezintă o secţiune axială printr-o sondă de icircngheţare şi variaţia temperaturii icircn limitele t0 - temperatura agentului de răcire şi ts - temperatura naturală a solului
Cantitatea de căldură transferată de la masivul neicircngheţat spre agentul de răcire prin unitatea de lungimea de conducta şi unitatea de timp se calculează cu expresia
221
2
1o
1
moo
os
d
1
d
dln
1
d
dln
2
1
d
1
ttq
(514)
Icircn calculele inginereşti cel mai frecvent se determină nu fluxul termic pe unitatea de lungime a conductei ci fluxul termic qF raportat la unitatea de suprafaţă a conductei metalice la 1 m2 de suprafaţa exterioară sau interioară Mărimea qF se calculează astfel
22
o
1
2
1
o
o
1
m
o
o
oS
o
F
d
d
d
dln
2
d
d
dln
2
d1
tt
d
(515)
Fluxul termic qF prin unitatea de suprafaţă a sondei de icircngheţare calculat pentru adacircncimea de 100 m icircn regim laminar de curgere a agentului de răcire prin spaţiul inelar al sondei cu viteza w = 01 ms la diametre ale cilindrului de rocă icircngheţata
de la 02 la 3 m pentru to = -20 ordmC do = 01 m 1 = 233 WmK variază de la 720 la 230 Wm2 aşa cum se poate observa din figura 516 şi tabelul 51
d2
d1
d0
t
qF
t0
t2
t1 2
m 1
m
ts
Conducta Teren icircngheţat Teren
neicircngheţat
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
50
Figura 416 Fig 516 Variaţia fluxului termic qF prin unitatea de suprafaţă a sondei de icircngheţare 1 - regim turbulent 2 regim laminar
Tabelul 51Variaţia fluxului termic qF [Wm2]
Diametrul cilindrului de rocă icircngheţată icircn m
02 04 05 08 10 15 20
qF regim laminar 1160 550 387 330 302
qF regim laminar 720 465 423 350 321 283 258
Se observă ca densitatea fluxului de căldura qF scade foarte mult de la 800900 Wm2 la icircnceputul operaţiei de consolidare prin frig a rocilor pacircnă la 230250 Wm2 cacircnd cilindrul de rocă icircngheţata atinge diametrul de 23 m Ca urmare a acestei situaţii şi puterea frigorifică a instalaţiei va scădea icircn decursul a 6080 zile tot cu raportul de 800230 = 35
Instalaţia frigorifică va fi constituită din grupuri de utilaje (module) ce vor fi scoase treptat din funcţiune pe măsură ce se reduce densitatea fluxului de căldură qF ca urmare a creşterii grosimii stratului de teren icircngheţat Icircn practică pentru calcule se va considera qF = (260290) Wm2
O mărime importanta pentru proiectarea instalaţiei şi aprecierea procesului de consolidare a rocilor este timpul de icircngheţare Pentru calculul duratei de icircngheţare se pot folosi relaţiile prezentate icircn capitolul 3 la formarea gheţii pe suprafeţe cilindrice exterioare La aprecierea valorii pentru ls - căldura latentă de solidificare se avea icircn vedere conţinutul de apă din terenul supus icircngheţării
Dacă icircntre relaţiile pentru dependenţele (r) şi qF(r) se elimină r se obţine dependenţa
qF() Eliminarea nu se poate face direct ci fie cu ajutorul calculatorului fie printr-o construcţie grafică prezentată icircn figura 517
Studiul variaţiei temperaturii icircn solul icircngheţat cacirct și variaţia icircn timp a densităţii fluxului de căldura se poate face cu ajutorul calculatorului electronic
1200
1000
800
600
400
200
0 05 1 15 2 25 3
qF [Wm2]
Diametrul cilindrului de rocă icircngheţată [m]
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
51
Figura 417 Fig 517 Stabilirea dependentei qF() pe baza dependentelor qF(r) și (r)
415 515 ELEMENTE DE PROIECTARE A INSTALAŢIEI FRIGORIFICE PENTRU IcircNGHEŢAREA SOLULUI
Pentru proiectarea instalaţiei frigorifice trebuie sa se stabilească la icircnceput elementele de baza și anume
- puterea frigorifică maximă care apare la icircnceputul perioadei de răcire cacircnd pătrunderile de căldura spre agentul de răcire din sondele de icircngheţare au valori mai mari temperatura de vaporizare a agentului frigorific plecacircnd de la temperatura minimă sau medie din solul icircngheţat şi avacircnd icircn vedere modul de răcire directă sau indirectă
Se calculează cantitatea totală de căldură ce trebuie extrasă din terenul supus răcirii şi icircngheţării Se cunoaşte structura terenului icircngheţat deci se cunosc icircnălţimile h1 h2hn ale diferitelor straturi componente cacirct şi proprietăţile termofizice ale acestora
Grosimea centurii de teren icircngheţat se stabileşte icircn urma calculelor de rezistenţa materialelor icircncacirct se pot calcula volumele ocupate de straturile componente V1 V2Vn
Cantitatea de căldură ce trebuie extrasă din zona icircngheţată cuprinde două componente și anume
cantitatea de căldura Qa corespunzătoare răcirii şi icircngheţării apei
cantitatea de căldura Qt necesara răcirii părţii solide a terenului
n
1kfgsikaakka tcltcVQ (516)
unde
k - reprezintă conţinutul icircn apă din stratul respectiv [m3m3]
a - densitatea apei [kgm3]
ca cg - căldura specifica a apei respectiv a gheţii Jkg K
tik - temperatura iniţiala a stratului respectiv (de ordinul k)
tf - temperatura medie finala a masivului icircngheţat
ls - căldura latentă de solidificare a apei
r
q
q
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
52
fik
n
1kkkkkt ttc1VQ
(517)
k - densitatea părţii de teren solid (uscat) din stratul k
ck - căldura specifică a terenului uscat din stratul k
Cantitatea de căldură extrasă din terenul răcit reprezintă circa 1018 din cantitatea de căldură extrasă din zona de teren icircngheţat
Deci cantitatea totală de căldură Q ce va trebui preluată de către instalaţia frigorifică se poate aprecia astfel
Q = (110118) (Qa + Qt) (518)
Cu relaţia (51) se calculează puterea frigorifica a instalaţiei adoptacircnd o valoare medie pentru densitatea fluxului de căldura qF
Se poate aprecia timpul de funcţionare a instalaţiei frigorifice
o
Q
(519)
La anumite grosimi ale cochiliei de teren icircngheţat icircn jurul sondei densitatea fluxului termic scade sub valoarea medie adoptată icircn calcule şi ca urmare icircncepacircnd de la acest moment se va putea reduce treptat puterea frigorifica a instalaţiei prin scoaterea din funcţiune a unor grupuri
La proiectare se pot avea icircn vedere unele recomandări practice pentru stabilirea necesarului de frig pentru icircngheţarea unui m3 la -10 ordmC este necesar un consum specific de frig de 66000 kJ la 10 umiditate de 155000 kJ la 35 umiditate și de 210000 kJ la 50 umiditate
42 52 RĂCIREA BETONULUI LA CONSTRUCŢIILE MASIVE
421 521 INSTALAŢII DE PRERĂCIRE A COMPONENTELOR BETONULUI
Formarea betonului din elementele sale componente (nisip pietriş ciment şi apă) este icircnsoţită de fenomene fizico - chimice icircn care se degajă căldură şi ca urmare temperatura acestuia creşte Icircn cazul unor masive din beton (baraje) dacă viteza de turnare (icircn sezonul cald cacircnd se efectuază construcţia) este mai mare şi nu se asigura evacuarea căldurii corpul rezultă la o temperatura medie mai mare decacirct temperatura medie anuală Răcirea naturală conduce la contracţia masivului şi ca urmare la apariţia sub acţiunea tensiunilor interne a unor fisuri
Pentru ca variaţiile de temperatura icircntre centrul barajului şi straturile exterioare să fie cacirct mai mici se impune ca masivul respectiv să fie turnat la temperatura medie anuală a zonei respective Icircn acest scop se pot folosi două metode prin prerăcirea componentelor betonului și prin răcirea masei barajului
Icircn vederea reducerii căldurii degajată icircn reacţia dintre ciment şi apă au fost realizate sortimente de ciment caracterizate prin călduri masice reduse ce se degajă icircn procesul de priză
Prin prerăcirea componentelor betonului se urmăreşte ca betonul sa aibă temperatura medie a locului de amplasament şi prin aceasta evitarea apariţiei unor diferenţe mari de temperatură ce pun icircn pericol construcţia
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
53
Icircn funcţie de valoarea diferenţei de temperatură care trebuie realizată se poate adopta o anumită schemă de răcire pentru fiecare component icircn parte sau numai pentru unele din aceste părţi componente
Se pot folosi instalaţii frigorifice cu comprimare mecanică de vapori pentru răcirea apei a aerului sau formarea gheţii mărunte utilizate la prerăcirea componentelor betonului Folosirea gheţii fulgi sau solzi este limitată atacirct din cauza conţinutului de apă impus cacirct şi ca urmare a pericolului ca gheaţa să nu se topească icircn procesul de malaxare ci la turnare sau icircn procesul de priză ceea ce duce la formarea de goluri icircn beton
De asemenea se pot folosi instalaţiile frigorifice cu ejecţie
Icircn vederea stabilirii necesarului de frig pentru preratildecirea componentelor betonului se calculează mai icircntacirci cantitatea de catildelduratilde Qo1 ce trebuie evacuatatilde dintr-un m3 de beton avacircndu-se icircn vedere proporţiile icircn care participatilde cimentul nisipul pietrişul şi apa Fiecare component are o temperatură iniţialatilde şi urmeazatilde a fi răcit pacircnatilde la o temperatura finalatilde tf aceeaşi pentru toţi componenţii
fpppfnnnfccc1o ttcmttcmttcmQ
fnaanfpaapfaaa ttcmttcmttcm Jm3 (520)
unde
mc mn mp ma - masele de ciment nisip pietriş şi apă conţinute icircntr-un m3 de beton [kgm3]
cc cn cp cw - căldurile specifice masice ale cimentului nisipului pietrişului şi nisipul dintr-un m3 de beton [kgm3]
Puterea frigorifică se determină cu relaţia
3b1oo 10VQ [kW] (521)
icircn care bV reprezintă fluxul de betonare icircn m3s
Se prezintă icircn continuare cele mai folosite metode de prerăcire a componentelor betonului
4211 a) Instalaţie de prerăcire cu apă
Staţia de preparare a betonului este deservită de o instalaţie frigorifică cu comprimare mecanică de vapori care asigură răcirea apei
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
54
Figura 418 Fig 518 Schema de lucru a instalaţiei de prerăcire a betonului cu ajutorul apei 1 - ciment 2 - vagon nisip 3 - vagon pietris 4 - tancuri de răcire a pietrişului 5 - sită 6 - siloz de
nisip 7 - siloz de ciment 8 - rezervor de distribuţie 9 - răcitor de nisip 10 - răcitor de ciment 11 - răcitor de apă 12 - rezervor de apă răcită 13 - răcitor de apă 14 - instalaţie de prepararea betonului
I II III IV V - fazele de răcire a pietrişului
Icircn figura 518 se prezintă schema de lucru a unei asemenea instalaţii de prerăcire a betonului cu ajutorul apei folosită la construcţia barajului de la Detroit (SUA) Apa este răcită de la 16 la 15 ordmC şi transmisă apoi la instalaţia de preparare a betonului şi icircn cinci rezervoare a cacircte 90 m3 fiecare icircn care se răceşte pietrişul
Procesul de răcire a pietrişului cuprinde cinci faze
- faza I - introducerea apei icircn rezervor 10 minute
- fazele II şi III - introducerea simultană a apei şi a pietrişului 50 minute
- faza IV - evacuarea apei 15 minute
- faza V - evacuarea pietrişului 15 minute
Icircntregul proces de răcire a pietrişului durează 90 minute Pentru răcirea cimentului şi nisipului se utilizează schimbătoare de căldură cu ax elicoidal la care apa de răcire circulă prin arborele gol şi prin manta
Rezervoarele 12 pentru apa răcită au fiecare volumul de 114 m3
Beton 635oC
190 m3h
65oC
24oC
18oC
1
2
3
4
5
6
7
8
10
9
11
12
13
14
Apă 16oC
15oC
Cim
en
t
26 l
h
Nis
ip 1
12
lh
10
oC
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
55
42111 Aplicaţie numerică
Să se calculeze puterea frigorifică necesară prerăcirii betonului prin metode şi condiţiile prezentate mai sus Se cunosc următoarele date de calcul
mp = 1700 kgm3 beton
mc = 135 kgm3 beton
mn = 590 kgm3 beton
ma = 60 kgm3 beton
cc = cn = cp = 921 Jkg K
ca = 4180 Jkg K
map = 16 kgm3 beton
man = 38 kgm3 beton
tp = 18 ordmC
tc = 66 ordmC
tn = 21 ordmC tf = 635 ordmC
052803000
190Vb m3s
Se calculează componentele cantităţii de căldură Q01
3fcccc 10741735666921135ttcmQ Jm3
3fnnnn 10796135621921590ttcmQ Jm3
3fpppp 1024018356189211700ttcmQ Jm3
3faaaa 10420235616418060ttcmQ Jm3
3fpaapap 1077935618418016ttcmQ Jm3
3fnaaan 10232735621418038ttcmQ Jm3
Rezulta
3anapapnc1o 1039144QQQQQQQ Jm3
3o 10 206705280103914410VQ 33
b1o kW
4212 b) Instalaţii de prerăcire cu aer apă
Pentru răcirea componentelor betonului se utilizează icircn acest caz fie apa fie aerul ca agenţi intermediari răciţi cu ajutorul instalaţiilor frigorifice
Icircn figura 519 se prezintă schema unei asemenea instalaţii folosită la construcţia barajului de la Sariyar din Turcia
Răcirea aerului se poate face fie direct prin vaporizarea unui agent frigorific fie indirect cu un agent intermediar de răcire ca de exemplu saramura de clorură de calciu Aerul răcit pacircnă la -6 ordmC este suflat icircn silozurile cu pietriş de dimensiuni icircntre 4150 mm
Apa răcită icircn bazinul la pacircnă la 05 ordm este trimisă din colectorul 12 la staţia de preparare a betonului servind la scăderea temperaturii acestuia
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
56
Figura 419 Fig 519 Schema instalaţiei de prerăcire a betonului cu aer şi apă 1 - compresor 2 - condensator 3 - ventile de laminare 4 - vaporizatoare 5 - bazin de răcire a
saramurii 6 - pompă de saramură 7 - răcitor umed de aer 8 - ventilatoare 9 - silozuri de pietriş 10 - bazin de răcire a apei 11 - pompă 12 - colector de apă răcită
Figura 420 Fig 520 Schema instalaţiei de prerăcire cu aer şi apă 1 - siloz de pietriş şi nisip 2 - siloz de ciment 3 rezervor de apă 4 - răcitor de aer 5 - răcitor de apă
4 - răcitor de apă 6 - buncăr de sortare 7 - instalaţie de preparare beton
Pentru intensificarea procesului de răcire a pietrişului aerul este răcit sub 0 ordmC Acest procedeu are avantajul unei funcţionări fără icircntrerupere a procesului de preparare a betonului dar prezintă şi o serie de dezavantaje debite foarte mari de aer de răcire posibilitatea antrenării particulelor fine de agregat icircn răcitorul de aer şi depunerea acestora pe suprafaţa de schimb de căldură Ca urmare instalaţia se va curăţa la circa 14 zile Icircn figura 520 se prezintă o altă schemă de instalaţie de prerăcire a betonului cu aer şi apă folosită la construcţia unui baraj din India
Apă
295oC
Ciment
433oC
Pietriş şi nisip
378oC
Apă 6oC
Ciment 433oC
Aer
Pietriş
45oC Nisip 222oC
22oC
Ap
ă
45
oC
Ap
ă 2
2o
C
Ae
r 5
5o
C
Be
ton
12
8o
C
Apă 22oC
2
1
3 4 5
8
9
5 7
12
1oC
11
05oC 9oC 9oC
-9oC
-10oC -10oC
-10oC 2oC
6oC
10 4 4 6
8 8
8
8 8
9 9 9 9
1
2
3 3
7
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
57
Pietrişul şi nisipul se separă icircntre ele icircn buncărul de sortare 6 şi apoi fiecare circulă pe cacircte o bandă transportoare prin camera de răcire 7 Pietrişul este răcit cu ajutorul apei
Fig
ura
42
1 F
ig 5
21
Sc
he
ma
in
sta
laţi
ei
de
ră
cir
e icirc
n v
id a
co
mp
on
en
telo
r b
eto
nu
lui
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
58
reci icircncacirct ajunge la o temperatură mai scăzută decacirct nisipul răcit cu aer Prin camera 7 se circulă şi aer rece care se introduce la temperatura de 55 ordmC Cimentul se introduce la instalaţia de preparare a betonului 9 fără a fi răcit
O altă posibilitate de prerăcire a agregatelor (pietriş şi nisip) şi a apei utilizată mai recent la construirea barajelor icircntrebuinţează răcirea icircn vid la care agregatele uşor umezite icircn recipiente sub presiune se răcesc după nevoie (prin reglarea vacuumului) la o temperatură mai scăzută sau mai ridicată Căldura necesară evaporării umidităţii de pe agregate şi din ele (apa legată) este luată chiar de la corpurile respective (pietriş nisip) şi ca urmare acestea se răcesc
O asemenea instalaţie utilizată la Hortwell icircn SUA (figura 521) cuprinde 3 recipienţi de cacircte 150 m3 pentru răcirea pietrişului şi 3 recipienţi de cacircte 80 m3 pentru răcirea nisipului
Pietrişul şi nisipul cu temperatura maximă de 43 ordmC se pot răci pacircnă la temperatura necesară de 45 ordmC Pentru realizarea vidului necesar se folosesc două cazane de abur care produc 77 th fiecare
422 522 RĂCIREA INTERIOARĂ A MASIVULUI DE BETON
Prerăcirea betonului se recomandă icircn condiţiile unei zone tropicale sau temperate de amplasare a construcţiei masive nu se recomandă icircn cazul amplasării barajului icircn munţi unde temperatura aerului este scăzută Icircn asemenea situaţii se recomandă răcirea betonului prin conducte amplasate icircn masiv prin care circulă apă rece
La răcirea interioară cu conducte montate icircn beton are loc o eliminarea a căldurii simultan cu producerea ei icircn procesul de priză producacircndu-se şi o răcire pacircnă la temperatura necesară Pentru răcire se folosesc conducte de oţel cu diametre de 1525 mm montate la distanţe de 1223 m icircn plan orizontal şi de 153 m icircn plan vertical Lungimea conductelor icircntr-un m3 de beton este de 0204 şi a fiecărei serpentine de 140250 m
Debitul apei de răcire ce circulă prin 1 m3 de beton este de (0553) dm3h
Figura 422 Fig 522 Reţea de conducte de răcire a betonului icircn secţiunea unui baraj 1 - galerie pentru măsurători 2 - galerie de conducte de apă de răcire
Serpentinele se montează şi se fixează pe suprafaţă de beton (fig522) Capetele serpentinelor se leagă de o coloană verticală prin mufe metalice sau de cauciuc Diametrul distribuitorului şi al coloanei este cuprins icircntre 150200 mm După montaj aceste conducte se verifică la presiunea de lucru
1 2
Ax
a
ba
raju
lui
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
46
Pentru a se icircmpiedica accesul apelor icircn frontul de săpare datorate unor eventuale zone neicircngheţate traseul de tunel icircngheţat a fost icircmpărţit icircn incinte icircnchise prin timpane transversale La distanţe de 3050 m icircn lungul traseului au fost montate sonde de icircngheţare aşezate icircn plan normal pe axul tunelului prin care să se icircnchidă accesul apelor spre frontul de săpare
Echipamentul frigorific principal cuprinde
- 8 compresoare frigorifice 3 AV - 20 funcţionacircnd icircntr-o treaptă pentru care
corespunde puterea frigorifică de 12 106 kcal Nh =1395 kW
- 4 condensatoare de evaporare forţată CEF - 250
- 3 bazine de răcire a saramurii echipate cu cacircte 4 grupuri de vaporizatoare superintensive de cacircte 51 m2 (total 612 m2)
- 3 grupuri de cacircte 2 pompe a 220 m3h pentru circulaţia saramurii pe traseele de distribuţie şi prin sonde
Figura 413 Fig513 Amplasamentul sondelor de icircngheţare
Centrala frigorifică este stabilă adăpostită icircntr-o baracă metalică demontabilă existacircnd posibilitatea de reamplasare rapidă a instalaţiei icircntr-un alt loc Agentul frigorific utilizat este amoniacul iar agentul intermediar este clorura de calciu
Icircn perioada principală de icircngheţare temperatura de vaporizare este to = -22 ordmC asiguracircnd răcirea saramurii la -17 ordmC iar pe retur saramura a avut temperatura cu 15 ordmC mai ridicată
La o asemenea lucrare realizată icircn oraş se impune protejarea contra icircngheţului a straturilor de deasupra galeriilor icircn care sunt amplasate instalaţiile de apă - canal ceea ce presupune folosirea sondelor cu icircngheţare zonală care să nu fie active la partea superioară
c) Puţuri pentru prospectarea balastierelor
Procedeul şi instalaţia frigorifică au avut caracter de noutate şi s-a aplicat icircncepacircnd cu anul 1966 la mai multe obiective icircn general pe văile racircurilor unde s-au construit hidrocentrale
A
A B
B
A-A
000 -300 -700 -1061 -1300
65
800
B-B
000 -300 -700 -1061 -1300
65
550
ARGILA
ARGILA
NISIP
NISIP
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
47
Echipamentul frigorific principal cuprinde un agregat frigorific pentru amoniac de 20000 kcal Nh = 233 kW rezervor de amoniac separator de lichid şi anexe - toate fiind montate pe o remorcă
S-au folosit sonde de icircngheţare cu agent frigorific icircn număr de 8 bucăţi cu diametrul exterior de 133 mm montate pe un cerc cu diametrul de 2 m la distanţa de 076 m lungimea lor fiind de 75 m Legarea sondelor la distribuitor şi colector s-a făcut cu racorduri flexibile
Sondele au o construcţie specială fiind prevăzute cu 4 pereţi transversali cu ştuţuri de preaplin formacircndu-se astfel 5 compartimente Agentul lichid se introduce icircn compartimentul cel mai de sus şi se scurge prin ştuţuri pacircnă la baza sondei Conducta de aspiraţie străbate toate compartimentele vaporii fiind aspiraţi din compartimentul cel mai de jos Circulaţia vaporilor formaţi se face ca şi a lichidului de sus icircn jos obţinacircndu-se astfel o răcire uniformă şi eficientă pe toată icircnălţimea sondei
Durata icircngheţării respectiv a formării centurii de teren icircngheţat la adăpostul căreia să se poată efectua săparea şi preluarea de probe de sol este de 10 zile
414 514 CAcircMPUL DE TEMPERATURĂ IcircN SOLUL IcircNGHEŢAT
Cacircnd prin sonda de icircngheţare circulă saramură a cărei temperatura este sub 0 ordmC practic - 20 ordmC-25 ordmC icircn jurul sondei se formează un cacircmp termic care icircn cazul unei singure sonde poate fi reprezentat prin suprafeţe cilindrice coaxiale de temperatură constantă (izoterme)
După distanţa radială se deosebesc icircn sol din punct de vedere termic trei zone zona cilindrică din imediata vecinătate a sondei care este icircn zona icircngheţată zona răcită cuprinsă icircntre suprafaţa cilindrică izotermă de 0 ordmC şi izoterma de temperatură naturală şi a treia zonă cea de temperatura naturală (fig 514)
Icircn zona icircngheţată temperatura masivului variază de la temperatura peretelui metalic al sondei pacircnă la 0 ordmC Icircn zona răcită temperatura masivului creşte de la 0 ordmC pacircnă la temperatura naturală a masivului
Figura 414 Fig 514 Cacircmpul de temperatură icircn jurul unei sonde de icircngheţare
Este important să se cunoască cacircmpul termic icircn terenul supus icircngheţării deoarece acesta oferă date privind zona de răspacircndire a consolidării rocilor prin solidificarea apei cacirct şi a
t [oC]
r [m]
t (r)
ZONA RACITA
ZONA INGHETAT
A
ts TEMPERATURA NATURALA A ROCII
-20
-10
40
10 0 20 30
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
48
rezistenţei mecanice a rocii icircngheţate Se cunoaşte faptul că rezistenţa mecanică depinde direct de temperatură
Studiul variaţiei temperaturii icircn zona de influenţă a unei sonde şi a tuturor sondelor simultan oferă posibilitatea calculării dimensiunilor la proiectarea construcţiei peretelui protector cacirct şi controlul procesului icircn timpul desfăşurării lucrărilor
Pentru a se stabili relaţia de variaţie a temperaturii icircn zona icircngheţată icircn funcţie de raza r se consideră ecuaţia diferenţială
dr
dtr2q (56)
icircn care q este fluxul unitar de căldură corespunzător lungimii de 1 m din sonda de icircngheţare Wm
- conductivitatea termica a terenului Wm
Integrarea directă a ecuaţiei analitice se poate face icircn ipoteze simplificatoare consideracircnd
= const şi q = const ceea ce este justificat la valori mari ale timpului de răcire
Se separa variabilele
r
dr
2
qdt
(57)
Se consideră cunoscute temperaturile t1 la suprafaţa sondei de raza r1 și t2 = 0 ordmC la raza r2 corespunzătoare suprafeţei exterioare a cilindrului icircngheţat Se integrează ecuaţia (6-7) și cunoscacircnd limitele de integrare se va determina constanta de integrare
Cr ln2
qt
(58)
pentru r = r1 t = t1 deci
11 rln2
qtC
(59)
1
1r
rln
2
qtt
(510)
Se pune condiţia ca pentru r = r2 t = t2
1
212
r
rln
2
qtt
(511)
Se elimina q intre relaţiile (510) și (511) şi se obţine
1
2
1121
r
rln
r
rln
tttt (512)
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
49
Figura 415 Fig 515 Schema schimbătorului de căldură subteran
Pentru t2 = 0 ordmC relaţia (5-12) devine
)rrln(
)rrln(tt
12
21 (513)
Icircn figura 515 se prezintă o secţiune axială printr-o sondă de icircngheţare şi variaţia temperaturii icircn limitele t0 - temperatura agentului de răcire şi ts - temperatura naturală a solului
Cantitatea de căldură transferată de la masivul neicircngheţat spre agentul de răcire prin unitatea de lungimea de conducta şi unitatea de timp se calculează cu expresia
221
2
1o
1
moo
os
d
1
d
dln
1
d
dln
2
1
d
1
ttq
(514)
Icircn calculele inginereşti cel mai frecvent se determină nu fluxul termic pe unitatea de lungime a conductei ci fluxul termic qF raportat la unitatea de suprafaţă a conductei metalice la 1 m2 de suprafaţa exterioară sau interioară Mărimea qF se calculează astfel
22
o
1
2
1
o
o
1
m
o
o
oS
o
F
d
d
d
dln
2
d
d
dln
2
d1
tt
d
(515)
Fluxul termic qF prin unitatea de suprafaţă a sondei de icircngheţare calculat pentru adacircncimea de 100 m icircn regim laminar de curgere a agentului de răcire prin spaţiul inelar al sondei cu viteza w = 01 ms la diametre ale cilindrului de rocă icircngheţata
de la 02 la 3 m pentru to = -20 ordmC do = 01 m 1 = 233 WmK variază de la 720 la 230 Wm2 aşa cum se poate observa din figura 516 şi tabelul 51
d2
d1
d0
t
qF
t0
t2
t1 2
m 1
m
ts
Conducta Teren icircngheţat Teren
neicircngheţat
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
50
Figura 416 Fig 516 Variaţia fluxului termic qF prin unitatea de suprafaţă a sondei de icircngheţare 1 - regim turbulent 2 regim laminar
Tabelul 51Variaţia fluxului termic qF [Wm2]
Diametrul cilindrului de rocă icircngheţată icircn m
02 04 05 08 10 15 20
qF regim laminar 1160 550 387 330 302
qF regim laminar 720 465 423 350 321 283 258
Se observă ca densitatea fluxului de căldura qF scade foarte mult de la 800900 Wm2 la icircnceputul operaţiei de consolidare prin frig a rocilor pacircnă la 230250 Wm2 cacircnd cilindrul de rocă icircngheţata atinge diametrul de 23 m Ca urmare a acestei situaţii şi puterea frigorifică a instalaţiei va scădea icircn decursul a 6080 zile tot cu raportul de 800230 = 35
Instalaţia frigorifică va fi constituită din grupuri de utilaje (module) ce vor fi scoase treptat din funcţiune pe măsură ce se reduce densitatea fluxului de căldură qF ca urmare a creşterii grosimii stratului de teren icircngheţat Icircn practică pentru calcule se va considera qF = (260290) Wm2
O mărime importanta pentru proiectarea instalaţiei şi aprecierea procesului de consolidare a rocilor este timpul de icircngheţare Pentru calculul duratei de icircngheţare se pot folosi relaţiile prezentate icircn capitolul 3 la formarea gheţii pe suprafeţe cilindrice exterioare La aprecierea valorii pentru ls - căldura latentă de solidificare se avea icircn vedere conţinutul de apă din terenul supus icircngheţării
Dacă icircntre relaţiile pentru dependenţele (r) şi qF(r) se elimină r se obţine dependenţa
qF() Eliminarea nu se poate face direct ci fie cu ajutorul calculatorului fie printr-o construcţie grafică prezentată icircn figura 517
Studiul variaţiei temperaturii icircn solul icircngheţat cacirct și variaţia icircn timp a densităţii fluxului de căldura se poate face cu ajutorul calculatorului electronic
1200
1000
800
600
400
200
0 05 1 15 2 25 3
qF [Wm2]
Diametrul cilindrului de rocă icircngheţată [m]
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
51
Figura 417 Fig 517 Stabilirea dependentei qF() pe baza dependentelor qF(r) și (r)
415 515 ELEMENTE DE PROIECTARE A INSTALAŢIEI FRIGORIFICE PENTRU IcircNGHEŢAREA SOLULUI
Pentru proiectarea instalaţiei frigorifice trebuie sa se stabilească la icircnceput elementele de baza și anume
- puterea frigorifică maximă care apare la icircnceputul perioadei de răcire cacircnd pătrunderile de căldura spre agentul de răcire din sondele de icircngheţare au valori mai mari temperatura de vaporizare a agentului frigorific plecacircnd de la temperatura minimă sau medie din solul icircngheţat şi avacircnd icircn vedere modul de răcire directă sau indirectă
Se calculează cantitatea totală de căldură ce trebuie extrasă din terenul supus răcirii şi icircngheţării Se cunoaşte structura terenului icircngheţat deci se cunosc icircnălţimile h1 h2hn ale diferitelor straturi componente cacirct şi proprietăţile termofizice ale acestora
Grosimea centurii de teren icircngheţat se stabileşte icircn urma calculelor de rezistenţa materialelor icircncacirct se pot calcula volumele ocupate de straturile componente V1 V2Vn
Cantitatea de căldură ce trebuie extrasă din zona icircngheţată cuprinde două componente și anume
cantitatea de căldura Qa corespunzătoare răcirii şi icircngheţării apei
cantitatea de căldura Qt necesara răcirii părţii solide a terenului
n
1kfgsikaakka tcltcVQ (516)
unde
k - reprezintă conţinutul icircn apă din stratul respectiv [m3m3]
a - densitatea apei [kgm3]
ca cg - căldura specifica a apei respectiv a gheţii Jkg K
tik - temperatura iniţiala a stratului respectiv (de ordinul k)
tf - temperatura medie finala a masivului icircngheţat
ls - căldura latentă de solidificare a apei
r
q
q
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
52
fik
n
1kkkkkt ttc1VQ
(517)
k - densitatea părţii de teren solid (uscat) din stratul k
ck - căldura specifică a terenului uscat din stratul k
Cantitatea de căldură extrasă din terenul răcit reprezintă circa 1018 din cantitatea de căldură extrasă din zona de teren icircngheţat
Deci cantitatea totală de căldură Q ce va trebui preluată de către instalaţia frigorifică se poate aprecia astfel
Q = (110118) (Qa + Qt) (518)
Cu relaţia (51) se calculează puterea frigorifica a instalaţiei adoptacircnd o valoare medie pentru densitatea fluxului de căldura qF
Se poate aprecia timpul de funcţionare a instalaţiei frigorifice
o
Q
(519)
La anumite grosimi ale cochiliei de teren icircngheţat icircn jurul sondei densitatea fluxului termic scade sub valoarea medie adoptată icircn calcule şi ca urmare icircncepacircnd de la acest moment se va putea reduce treptat puterea frigorifica a instalaţiei prin scoaterea din funcţiune a unor grupuri
La proiectare se pot avea icircn vedere unele recomandări practice pentru stabilirea necesarului de frig pentru icircngheţarea unui m3 la -10 ordmC este necesar un consum specific de frig de 66000 kJ la 10 umiditate de 155000 kJ la 35 umiditate și de 210000 kJ la 50 umiditate
42 52 RĂCIREA BETONULUI LA CONSTRUCŢIILE MASIVE
421 521 INSTALAŢII DE PRERĂCIRE A COMPONENTELOR BETONULUI
Formarea betonului din elementele sale componente (nisip pietriş ciment şi apă) este icircnsoţită de fenomene fizico - chimice icircn care se degajă căldură şi ca urmare temperatura acestuia creşte Icircn cazul unor masive din beton (baraje) dacă viteza de turnare (icircn sezonul cald cacircnd se efectuază construcţia) este mai mare şi nu se asigura evacuarea căldurii corpul rezultă la o temperatura medie mai mare decacirct temperatura medie anuală Răcirea naturală conduce la contracţia masivului şi ca urmare la apariţia sub acţiunea tensiunilor interne a unor fisuri
Pentru ca variaţiile de temperatura icircntre centrul barajului şi straturile exterioare să fie cacirct mai mici se impune ca masivul respectiv să fie turnat la temperatura medie anuală a zonei respective Icircn acest scop se pot folosi două metode prin prerăcirea componentelor betonului și prin răcirea masei barajului
Icircn vederea reducerii căldurii degajată icircn reacţia dintre ciment şi apă au fost realizate sortimente de ciment caracterizate prin călduri masice reduse ce se degajă icircn procesul de priză
Prin prerăcirea componentelor betonului se urmăreşte ca betonul sa aibă temperatura medie a locului de amplasament şi prin aceasta evitarea apariţiei unor diferenţe mari de temperatură ce pun icircn pericol construcţia
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
53
Icircn funcţie de valoarea diferenţei de temperatură care trebuie realizată se poate adopta o anumită schemă de răcire pentru fiecare component icircn parte sau numai pentru unele din aceste părţi componente
Se pot folosi instalaţii frigorifice cu comprimare mecanică de vapori pentru răcirea apei a aerului sau formarea gheţii mărunte utilizate la prerăcirea componentelor betonului Folosirea gheţii fulgi sau solzi este limitată atacirct din cauza conţinutului de apă impus cacirct şi ca urmare a pericolului ca gheaţa să nu se topească icircn procesul de malaxare ci la turnare sau icircn procesul de priză ceea ce duce la formarea de goluri icircn beton
De asemenea se pot folosi instalaţiile frigorifice cu ejecţie
Icircn vederea stabilirii necesarului de frig pentru preratildecirea componentelor betonului se calculează mai icircntacirci cantitatea de catildelduratilde Qo1 ce trebuie evacuatatilde dintr-un m3 de beton avacircndu-se icircn vedere proporţiile icircn care participatilde cimentul nisipul pietrişul şi apa Fiecare component are o temperatură iniţialatilde şi urmeazatilde a fi răcit pacircnatilde la o temperatura finalatilde tf aceeaşi pentru toţi componenţii
fpppfnnnfccc1o ttcmttcmttcmQ
fnaanfpaapfaaa ttcmttcmttcm Jm3 (520)
unde
mc mn mp ma - masele de ciment nisip pietriş şi apă conţinute icircntr-un m3 de beton [kgm3]
cc cn cp cw - căldurile specifice masice ale cimentului nisipului pietrişului şi nisipul dintr-un m3 de beton [kgm3]
Puterea frigorifică se determină cu relaţia
3b1oo 10VQ [kW] (521)
icircn care bV reprezintă fluxul de betonare icircn m3s
Se prezintă icircn continuare cele mai folosite metode de prerăcire a componentelor betonului
4211 a) Instalaţie de prerăcire cu apă
Staţia de preparare a betonului este deservită de o instalaţie frigorifică cu comprimare mecanică de vapori care asigură răcirea apei
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
54
Figura 418 Fig 518 Schema de lucru a instalaţiei de prerăcire a betonului cu ajutorul apei 1 - ciment 2 - vagon nisip 3 - vagon pietris 4 - tancuri de răcire a pietrişului 5 - sită 6 - siloz de
nisip 7 - siloz de ciment 8 - rezervor de distribuţie 9 - răcitor de nisip 10 - răcitor de ciment 11 - răcitor de apă 12 - rezervor de apă răcită 13 - răcitor de apă 14 - instalaţie de prepararea betonului
I II III IV V - fazele de răcire a pietrişului
Icircn figura 518 se prezintă schema de lucru a unei asemenea instalaţii de prerăcire a betonului cu ajutorul apei folosită la construcţia barajului de la Detroit (SUA) Apa este răcită de la 16 la 15 ordmC şi transmisă apoi la instalaţia de preparare a betonului şi icircn cinci rezervoare a cacircte 90 m3 fiecare icircn care se răceşte pietrişul
Procesul de răcire a pietrişului cuprinde cinci faze
- faza I - introducerea apei icircn rezervor 10 minute
- fazele II şi III - introducerea simultană a apei şi a pietrişului 50 minute
- faza IV - evacuarea apei 15 minute
- faza V - evacuarea pietrişului 15 minute
Icircntregul proces de răcire a pietrişului durează 90 minute Pentru răcirea cimentului şi nisipului se utilizează schimbătoare de căldură cu ax elicoidal la care apa de răcire circulă prin arborele gol şi prin manta
Rezervoarele 12 pentru apa răcită au fiecare volumul de 114 m3
Beton 635oC
190 m3h
65oC
24oC
18oC
1
2
3
4
5
6
7
8
10
9
11
12
13
14
Apă 16oC
15oC
Cim
en
t
26 l
h
Nis
ip 1
12
lh
10
oC
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
55
42111 Aplicaţie numerică
Să se calculeze puterea frigorifică necesară prerăcirii betonului prin metode şi condiţiile prezentate mai sus Se cunosc următoarele date de calcul
mp = 1700 kgm3 beton
mc = 135 kgm3 beton
mn = 590 kgm3 beton
ma = 60 kgm3 beton
cc = cn = cp = 921 Jkg K
ca = 4180 Jkg K
map = 16 kgm3 beton
man = 38 kgm3 beton
tp = 18 ordmC
tc = 66 ordmC
tn = 21 ordmC tf = 635 ordmC
052803000
190Vb m3s
Se calculează componentele cantităţii de căldură Q01
3fcccc 10741735666921135ttcmQ Jm3
3fnnnn 10796135621921590ttcmQ Jm3
3fpppp 1024018356189211700ttcmQ Jm3
3faaaa 10420235616418060ttcmQ Jm3
3fpaapap 1077935618418016ttcmQ Jm3
3fnaaan 10232735621418038ttcmQ Jm3
Rezulta
3anapapnc1o 1039144QQQQQQQ Jm3
3o 10 206705280103914410VQ 33
b1o kW
4212 b) Instalaţii de prerăcire cu aer apă
Pentru răcirea componentelor betonului se utilizează icircn acest caz fie apa fie aerul ca agenţi intermediari răciţi cu ajutorul instalaţiilor frigorifice
Icircn figura 519 se prezintă schema unei asemenea instalaţii folosită la construcţia barajului de la Sariyar din Turcia
Răcirea aerului se poate face fie direct prin vaporizarea unui agent frigorific fie indirect cu un agent intermediar de răcire ca de exemplu saramura de clorură de calciu Aerul răcit pacircnă la -6 ordmC este suflat icircn silozurile cu pietriş de dimensiuni icircntre 4150 mm
Apa răcită icircn bazinul la pacircnă la 05 ordm este trimisă din colectorul 12 la staţia de preparare a betonului servind la scăderea temperaturii acestuia
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
56
Figura 419 Fig 519 Schema instalaţiei de prerăcire a betonului cu aer şi apă 1 - compresor 2 - condensator 3 - ventile de laminare 4 - vaporizatoare 5 - bazin de răcire a
saramurii 6 - pompă de saramură 7 - răcitor umed de aer 8 - ventilatoare 9 - silozuri de pietriş 10 - bazin de răcire a apei 11 - pompă 12 - colector de apă răcită
Figura 420 Fig 520 Schema instalaţiei de prerăcire cu aer şi apă 1 - siloz de pietriş şi nisip 2 - siloz de ciment 3 rezervor de apă 4 - răcitor de aer 5 - răcitor de apă
4 - răcitor de apă 6 - buncăr de sortare 7 - instalaţie de preparare beton
Pentru intensificarea procesului de răcire a pietrişului aerul este răcit sub 0 ordmC Acest procedeu are avantajul unei funcţionări fără icircntrerupere a procesului de preparare a betonului dar prezintă şi o serie de dezavantaje debite foarte mari de aer de răcire posibilitatea antrenării particulelor fine de agregat icircn răcitorul de aer şi depunerea acestora pe suprafaţa de schimb de căldură Ca urmare instalaţia se va curăţa la circa 14 zile Icircn figura 520 se prezintă o altă schemă de instalaţie de prerăcire a betonului cu aer şi apă folosită la construcţia unui baraj din India
Apă
295oC
Ciment
433oC
Pietriş şi nisip
378oC
Apă 6oC
Ciment 433oC
Aer
Pietriş
45oC Nisip 222oC
22oC
Ap
ă
45
oC
Ap
ă 2
2o
C
Ae
r 5
5o
C
Be
ton
12
8o
C
Apă 22oC
2
1
3 4 5
8
9
5 7
12
1oC
11
05oC 9oC 9oC
-9oC
-10oC -10oC
-10oC 2oC
6oC
10 4 4 6
8 8
8
8 8
9 9 9 9
1
2
3 3
7
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
57
Pietrişul şi nisipul se separă icircntre ele icircn buncărul de sortare 6 şi apoi fiecare circulă pe cacircte o bandă transportoare prin camera de răcire 7 Pietrişul este răcit cu ajutorul apei
Fig
ura
42
1 F
ig 5
21
Sc
he
ma
in
sta
laţi
ei
de
ră
cir
e icirc
n v
id a
co
mp
on
en
telo
r b
eto
nu
lui
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
58
reci icircncacirct ajunge la o temperatură mai scăzută decacirct nisipul răcit cu aer Prin camera 7 se circulă şi aer rece care se introduce la temperatura de 55 ordmC Cimentul se introduce la instalaţia de preparare a betonului 9 fără a fi răcit
O altă posibilitate de prerăcire a agregatelor (pietriş şi nisip) şi a apei utilizată mai recent la construirea barajelor icircntrebuinţează răcirea icircn vid la care agregatele uşor umezite icircn recipiente sub presiune se răcesc după nevoie (prin reglarea vacuumului) la o temperatură mai scăzută sau mai ridicată Căldura necesară evaporării umidităţii de pe agregate şi din ele (apa legată) este luată chiar de la corpurile respective (pietriş nisip) şi ca urmare acestea se răcesc
O asemenea instalaţie utilizată la Hortwell icircn SUA (figura 521) cuprinde 3 recipienţi de cacircte 150 m3 pentru răcirea pietrişului şi 3 recipienţi de cacircte 80 m3 pentru răcirea nisipului
Pietrişul şi nisipul cu temperatura maximă de 43 ordmC se pot răci pacircnă la temperatura necesară de 45 ordmC Pentru realizarea vidului necesar se folosesc două cazane de abur care produc 77 th fiecare
422 522 RĂCIREA INTERIOARĂ A MASIVULUI DE BETON
Prerăcirea betonului se recomandă icircn condiţiile unei zone tropicale sau temperate de amplasare a construcţiei masive nu se recomandă icircn cazul amplasării barajului icircn munţi unde temperatura aerului este scăzută Icircn asemenea situaţii se recomandă răcirea betonului prin conducte amplasate icircn masiv prin care circulă apă rece
La răcirea interioară cu conducte montate icircn beton are loc o eliminarea a căldurii simultan cu producerea ei icircn procesul de priză producacircndu-se şi o răcire pacircnă la temperatura necesară Pentru răcire se folosesc conducte de oţel cu diametre de 1525 mm montate la distanţe de 1223 m icircn plan orizontal şi de 153 m icircn plan vertical Lungimea conductelor icircntr-un m3 de beton este de 0204 şi a fiecărei serpentine de 140250 m
Debitul apei de răcire ce circulă prin 1 m3 de beton este de (0553) dm3h
Figura 422 Fig 522 Reţea de conducte de răcire a betonului icircn secţiunea unui baraj 1 - galerie pentru măsurători 2 - galerie de conducte de apă de răcire
Serpentinele se montează şi se fixează pe suprafaţă de beton (fig522) Capetele serpentinelor se leagă de o coloană verticală prin mufe metalice sau de cauciuc Diametrul distribuitorului şi al coloanei este cuprins icircntre 150200 mm După montaj aceste conducte se verifică la presiunea de lucru
1 2
Ax
a
ba
raju
lui
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
47
Echipamentul frigorific principal cuprinde un agregat frigorific pentru amoniac de 20000 kcal Nh = 233 kW rezervor de amoniac separator de lichid şi anexe - toate fiind montate pe o remorcă
S-au folosit sonde de icircngheţare cu agent frigorific icircn număr de 8 bucăţi cu diametrul exterior de 133 mm montate pe un cerc cu diametrul de 2 m la distanţa de 076 m lungimea lor fiind de 75 m Legarea sondelor la distribuitor şi colector s-a făcut cu racorduri flexibile
Sondele au o construcţie specială fiind prevăzute cu 4 pereţi transversali cu ştuţuri de preaplin formacircndu-se astfel 5 compartimente Agentul lichid se introduce icircn compartimentul cel mai de sus şi se scurge prin ştuţuri pacircnă la baza sondei Conducta de aspiraţie străbate toate compartimentele vaporii fiind aspiraţi din compartimentul cel mai de jos Circulaţia vaporilor formaţi se face ca şi a lichidului de sus icircn jos obţinacircndu-se astfel o răcire uniformă şi eficientă pe toată icircnălţimea sondei
Durata icircngheţării respectiv a formării centurii de teren icircngheţat la adăpostul căreia să se poată efectua săparea şi preluarea de probe de sol este de 10 zile
414 514 CAcircMPUL DE TEMPERATURĂ IcircN SOLUL IcircNGHEŢAT
Cacircnd prin sonda de icircngheţare circulă saramură a cărei temperatura este sub 0 ordmC practic - 20 ordmC-25 ordmC icircn jurul sondei se formează un cacircmp termic care icircn cazul unei singure sonde poate fi reprezentat prin suprafeţe cilindrice coaxiale de temperatură constantă (izoterme)
După distanţa radială se deosebesc icircn sol din punct de vedere termic trei zone zona cilindrică din imediata vecinătate a sondei care este icircn zona icircngheţată zona răcită cuprinsă icircntre suprafaţa cilindrică izotermă de 0 ordmC şi izoterma de temperatură naturală şi a treia zonă cea de temperatura naturală (fig 514)
Icircn zona icircngheţată temperatura masivului variază de la temperatura peretelui metalic al sondei pacircnă la 0 ordmC Icircn zona răcită temperatura masivului creşte de la 0 ordmC pacircnă la temperatura naturală a masivului
Figura 414 Fig 514 Cacircmpul de temperatură icircn jurul unei sonde de icircngheţare
Este important să se cunoască cacircmpul termic icircn terenul supus icircngheţării deoarece acesta oferă date privind zona de răspacircndire a consolidării rocilor prin solidificarea apei cacirct şi a
t [oC]
r [m]
t (r)
ZONA RACITA
ZONA INGHETAT
A
ts TEMPERATURA NATURALA A ROCII
-20
-10
40
10 0 20 30
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
48
rezistenţei mecanice a rocii icircngheţate Se cunoaşte faptul că rezistenţa mecanică depinde direct de temperatură
Studiul variaţiei temperaturii icircn zona de influenţă a unei sonde şi a tuturor sondelor simultan oferă posibilitatea calculării dimensiunilor la proiectarea construcţiei peretelui protector cacirct şi controlul procesului icircn timpul desfăşurării lucrărilor
Pentru a se stabili relaţia de variaţie a temperaturii icircn zona icircngheţată icircn funcţie de raza r se consideră ecuaţia diferenţială
dr
dtr2q (56)
icircn care q este fluxul unitar de căldură corespunzător lungimii de 1 m din sonda de icircngheţare Wm
- conductivitatea termica a terenului Wm
Integrarea directă a ecuaţiei analitice se poate face icircn ipoteze simplificatoare consideracircnd
= const şi q = const ceea ce este justificat la valori mari ale timpului de răcire
Se separa variabilele
r
dr
2
qdt
(57)
Se consideră cunoscute temperaturile t1 la suprafaţa sondei de raza r1 și t2 = 0 ordmC la raza r2 corespunzătoare suprafeţei exterioare a cilindrului icircngheţat Se integrează ecuaţia (6-7) și cunoscacircnd limitele de integrare se va determina constanta de integrare
Cr ln2
qt
(58)
pentru r = r1 t = t1 deci
11 rln2
qtC
(59)
1
1r
rln
2
qtt
(510)
Se pune condiţia ca pentru r = r2 t = t2
1
212
r
rln
2
qtt
(511)
Se elimina q intre relaţiile (510) și (511) şi se obţine
1
2
1121
r
rln
r
rln
tttt (512)
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
49
Figura 415 Fig 515 Schema schimbătorului de căldură subteran
Pentru t2 = 0 ordmC relaţia (5-12) devine
)rrln(
)rrln(tt
12
21 (513)
Icircn figura 515 se prezintă o secţiune axială printr-o sondă de icircngheţare şi variaţia temperaturii icircn limitele t0 - temperatura agentului de răcire şi ts - temperatura naturală a solului
Cantitatea de căldură transferată de la masivul neicircngheţat spre agentul de răcire prin unitatea de lungimea de conducta şi unitatea de timp se calculează cu expresia
221
2
1o
1
moo
os
d
1
d
dln
1
d
dln
2
1
d
1
ttq
(514)
Icircn calculele inginereşti cel mai frecvent se determină nu fluxul termic pe unitatea de lungime a conductei ci fluxul termic qF raportat la unitatea de suprafaţă a conductei metalice la 1 m2 de suprafaţa exterioară sau interioară Mărimea qF se calculează astfel
22
o
1
2
1
o
o
1
m
o
o
oS
o
F
d
d
d
dln
2
d
d
dln
2
d1
tt
d
(515)
Fluxul termic qF prin unitatea de suprafaţă a sondei de icircngheţare calculat pentru adacircncimea de 100 m icircn regim laminar de curgere a agentului de răcire prin spaţiul inelar al sondei cu viteza w = 01 ms la diametre ale cilindrului de rocă icircngheţata
de la 02 la 3 m pentru to = -20 ordmC do = 01 m 1 = 233 WmK variază de la 720 la 230 Wm2 aşa cum se poate observa din figura 516 şi tabelul 51
d2
d1
d0
t
qF
t0
t2
t1 2
m 1
m
ts
Conducta Teren icircngheţat Teren
neicircngheţat
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
50
Figura 416 Fig 516 Variaţia fluxului termic qF prin unitatea de suprafaţă a sondei de icircngheţare 1 - regim turbulent 2 regim laminar
Tabelul 51Variaţia fluxului termic qF [Wm2]
Diametrul cilindrului de rocă icircngheţată icircn m
02 04 05 08 10 15 20
qF regim laminar 1160 550 387 330 302
qF regim laminar 720 465 423 350 321 283 258
Se observă ca densitatea fluxului de căldura qF scade foarte mult de la 800900 Wm2 la icircnceputul operaţiei de consolidare prin frig a rocilor pacircnă la 230250 Wm2 cacircnd cilindrul de rocă icircngheţata atinge diametrul de 23 m Ca urmare a acestei situaţii şi puterea frigorifică a instalaţiei va scădea icircn decursul a 6080 zile tot cu raportul de 800230 = 35
Instalaţia frigorifică va fi constituită din grupuri de utilaje (module) ce vor fi scoase treptat din funcţiune pe măsură ce se reduce densitatea fluxului de căldură qF ca urmare a creşterii grosimii stratului de teren icircngheţat Icircn practică pentru calcule se va considera qF = (260290) Wm2
O mărime importanta pentru proiectarea instalaţiei şi aprecierea procesului de consolidare a rocilor este timpul de icircngheţare Pentru calculul duratei de icircngheţare se pot folosi relaţiile prezentate icircn capitolul 3 la formarea gheţii pe suprafeţe cilindrice exterioare La aprecierea valorii pentru ls - căldura latentă de solidificare se avea icircn vedere conţinutul de apă din terenul supus icircngheţării
Dacă icircntre relaţiile pentru dependenţele (r) şi qF(r) se elimină r se obţine dependenţa
qF() Eliminarea nu se poate face direct ci fie cu ajutorul calculatorului fie printr-o construcţie grafică prezentată icircn figura 517
Studiul variaţiei temperaturii icircn solul icircngheţat cacirct și variaţia icircn timp a densităţii fluxului de căldura se poate face cu ajutorul calculatorului electronic
1200
1000
800
600
400
200
0 05 1 15 2 25 3
qF [Wm2]
Diametrul cilindrului de rocă icircngheţată [m]
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
51
Figura 417 Fig 517 Stabilirea dependentei qF() pe baza dependentelor qF(r) și (r)
415 515 ELEMENTE DE PROIECTARE A INSTALAŢIEI FRIGORIFICE PENTRU IcircNGHEŢAREA SOLULUI
Pentru proiectarea instalaţiei frigorifice trebuie sa se stabilească la icircnceput elementele de baza și anume
- puterea frigorifică maximă care apare la icircnceputul perioadei de răcire cacircnd pătrunderile de căldura spre agentul de răcire din sondele de icircngheţare au valori mai mari temperatura de vaporizare a agentului frigorific plecacircnd de la temperatura minimă sau medie din solul icircngheţat şi avacircnd icircn vedere modul de răcire directă sau indirectă
Se calculează cantitatea totală de căldură ce trebuie extrasă din terenul supus răcirii şi icircngheţării Se cunoaşte structura terenului icircngheţat deci se cunosc icircnălţimile h1 h2hn ale diferitelor straturi componente cacirct şi proprietăţile termofizice ale acestora
Grosimea centurii de teren icircngheţat se stabileşte icircn urma calculelor de rezistenţa materialelor icircncacirct se pot calcula volumele ocupate de straturile componente V1 V2Vn
Cantitatea de căldură ce trebuie extrasă din zona icircngheţată cuprinde două componente și anume
cantitatea de căldura Qa corespunzătoare răcirii şi icircngheţării apei
cantitatea de căldura Qt necesara răcirii părţii solide a terenului
n
1kfgsikaakka tcltcVQ (516)
unde
k - reprezintă conţinutul icircn apă din stratul respectiv [m3m3]
a - densitatea apei [kgm3]
ca cg - căldura specifica a apei respectiv a gheţii Jkg K
tik - temperatura iniţiala a stratului respectiv (de ordinul k)
tf - temperatura medie finala a masivului icircngheţat
ls - căldura latentă de solidificare a apei
r
q
q
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
52
fik
n
1kkkkkt ttc1VQ
(517)
k - densitatea părţii de teren solid (uscat) din stratul k
ck - căldura specifică a terenului uscat din stratul k
Cantitatea de căldură extrasă din terenul răcit reprezintă circa 1018 din cantitatea de căldură extrasă din zona de teren icircngheţat
Deci cantitatea totală de căldură Q ce va trebui preluată de către instalaţia frigorifică se poate aprecia astfel
Q = (110118) (Qa + Qt) (518)
Cu relaţia (51) se calculează puterea frigorifica a instalaţiei adoptacircnd o valoare medie pentru densitatea fluxului de căldura qF
Se poate aprecia timpul de funcţionare a instalaţiei frigorifice
o
Q
(519)
La anumite grosimi ale cochiliei de teren icircngheţat icircn jurul sondei densitatea fluxului termic scade sub valoarea medie adoptată icircn calcule şi ca urmare icircncepacircnd de la acest moment se va putea reduce treptat puterea frigorifica a instalaţiei prin scoaterea din funcţiune a unor grupuri
La proiectare se pot avea icircn vedere unele recomandări practice pentru stabilirea necesarului de frig pentru icircngheţarea unui m3 la -10 ordmC este necesar un consum specific de frig de 66000 kJ la 10 umiditate de 155000 kJ la 35 umiditate și de 210000 kJ la 50 umiditate
42 52 RĂCIREA BETONULUI LA CONSTRUCŢIILE MASIVE
421 521 INSTALAŢII DE PRERĂCIRE A COMPONENTELOR BETONULUI
Formarea betonului din elementele sale componente (nisip pietriş ciment şi apă) este icircnsoţită de fenomene fizico - chimice icircn care se degajă căldură şi ca urmare temperatura acestuia creşte Icircn cazul unor masive din beton (baraje) dacă viteza de turnare (icircn sezonul cald cacircnd se efectuază construcţia) este mai mare şi nu se asigura evacuarea căldurii corpul rezultă la o temperatura medie mai mare decacirct temperatura medie anuală Răcirea naturală conduce la contracţia masivului şi ca urmare la apariţia sub acţiunea tensiunilor interne a unor fisuri
Pentru ca variaţiile de temperatura icircntre centrul barajului şi straturile exterioare să fie cacirct mai mici se impune ca masivul respectiv să fie turnat la temperatura medie anuală a zonei respective Icircn acest scop se pot folosi două metode prin prerăcirea componentelor betonului și prin răcirea masei barajului
Icircn vederea reducerii căldurii degajată icircn reacţia dintre ciment şi apă au fost realizate sortimente de ciment caracterizate prin călduri masice reduse ce se degajă icircn procesul de priză
Prin prerăcirea componentelor betonului se urmăreşte ca betonul sa aibă temperatura medie a locului de amplasament şi prin aceasta evitarea apariţiei unor diferenţe mari de temperatură ce pun icircn pericol construcţia
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
53
Icircn funcţie de valoarea diferenţei de temperatură care trebuie realizată se poate adopta o anumită schemă de răcire pentru fiecare component icircn parte sau numai pentru unele din aceste părţi componente
Se pot folosi instalaţii frigorifice cu comprimare mecanică de vapori pentru răcirea apei a aerului sau formarea gheţii mărunte utilizate la prerăcirea componentelor betonului Folosirea gheţii fulgi sau solzi este limitată atacirct din cauza conţinutului de apă impus cacirct şi ca urmare a pericolului ca gheaţa să nu se topească icircn procesul de malaxare ci la turnare sau icircn procesul de priză ceea ce duce la formarea de goluri icircn beton
De asemenea se pot folosi instalaţiile frigorifice cu ejecţie
Icircn vederea stabilirii necesarului de frig pentru preratildecirea componentelor betonului se calculează mai icircntacirci cantitatea de catildelduratilde Qo1 ce trebuie evacuatatilde dintr-un m3 de beton avacircndu-se icircn vedere proporţiile icircn care participatilde cimentul nisipul pietrişul şi apa Fiecare component are o temperatură iniţialatilde şi urmeazatilde a fi răcit pacircnatilde la o temperatura finalatilde tf aceeaşi pentru toţi componenţii
fpppfnnnfccc1o ttcmttcmttcmQ
fnaanfpaapfaaa ttcmttcmttcm Jm3 (520)
unde
mc mn mp ma - masele de ciment nisip pietriş şi apă conţinute icircntr-un m3 de beton [kgm3]
cc cn cp cw - căldurile specifice masice ale cimentului nisipului pietrişului şi nisipul dintr-un m3 de beton [kgm3]
Puterea frigorifică se determină cu relaţia
3b1oo 10VQ [kW] (521)
icircn care bV reprezintă fluxul de betonare icircn m3s
Se prezintă icircn continuare cele mai folosite metode de prerăcire a componentelor betonului
4211 a) Instalaţie de prerăcire cu apă
Staţia de preparare a betonului este deservită de o instalaţie frigorifică cu comprimare mecanică de vapori care asigură răcirea apei
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
54
Figura 418 Fig 518 Schema de lucru a instalaţiei de prerăcire a betonului cu ajutorul apei 1 - ciment 2 - vagon nisip 3 - vagon pietris 4 - tancuri de răcire a pietrişului 5 - sită 6 - siloz de
nisip 7 - siloz de ciment 8 - rezervor de distribuţie 9 - răcitor de nisip 10 - răcitor de ciment 11 - răcitor de apă 12 - rezervor de apă răcită 13 - răcitor de apă 14 - instalaţie de prepararea betonului
I II III IV V - fazele de răcire a pietrişului
Icircn figura 518 se prezintă schema de lucru a unei asemenea instalaţii de prerăcire a betonului cu ajutorul apei folosită la construcţia barajului de la Detroit (SUA) Apa este răcită de la 16 la 15 ordmC şi transmisă apoi la instalaţia de preparare a betonului şi icircn cinci rezervoare a cacircte 90 m3 fiecare icircn care se răceşte pietrişul
Procesul de răcire a pietrişului cuprinde cinci faze
- faza I - introducerea apei icircn rezervor 10 minute
- fazele II şi III - introducerea simultană a apei şi a pietrişului 50 minute
- faza IV - evacuarea apei 15 minute
- faza V - evacuarea pietrişului 15 minute
Icircntregul proces de răcire a pietrişului durează 90 minute Pentru răcirea cimentului şi nisipului se utilizează schimbătoare de căldură cu ax elicoidal la care apa de răcire circulă prin arborele gol şi prin manta
Rezervoarele 12 pentru apa răcită au fiecare volumul de 114 m3
Beton 635oC
190 m3h
65oC
24oC
18oC
1
2
3
4
5
6
7
8
10
9
11
12
13
14
Apă 16oC
15oC
Cim
en
t
26 l
h
Nis
ip 1
12
lh
10
oC
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
55
42111 Aplicaţie numerică
Să se calculeze puterea frigorifică necesară prerăcirii betonului prin metode şi condiţiile prezentate mai sus Se cunosc următoarele date de calcul
mp = 1700 kgm3 beton
mc = 135 kgm3 beton
mn = 590 kgm3 beton
ma = 60 kgm3 beton
cc = cn = cp = 921 Jkg K
ca = 4180 Jkg K
map = 16 kgm3 beton
man = 38 kgm3 beton
tp = 18 ordmC
tc = 66 ordmC
tn = 21 ordmC tf = 635 ordmC
052803000
190Vb m3s
Se calculează componentele cantităţii de căldură Q01
3fcccc 10741735666921135ttcmQ Jm3
3fnnnn 10796135621921590ttcmQ Jm3
3fpppp 1024018356189211700ttcmQ Jm3
3faaaa 10420235616418060ttcmQ Jm3
3fpaapap 1077935618418016ttcmQ Jm3
3fnaaan 10232735621418038ttcmQ Jm3
Rezulta
3anapapnc1o 1039144QQQQQQQ Jm3
3o 10 206705280103914410VQ 33
b1o kW
4212 b) Instalaţii de prerăcire cu aer apă
Pentru răcirea componentelor betonului se utilizează icircn acest caz fie apa fie aerul ca agenţi intermediari răciţi cu ajutorul instalaţiilor frigorifice
Icircn figura 519 se prezintă schema unei asemenea instalaţii folosită la construcţia barajului de la Sariyar din Turcia
Răcirea aerului se poate face fie direct prin vaporizarea unui agent frigorific fie indirect cu un agent intermediar de răcire ca de exemplu saramura de clorură de calciu Aerul răcit pacircnă la -6 ordmC este suflat icircn silozurile cu pietriş de dimensiuni icircntre 4150 mm
Apa răcită icircn bazinul la pacircnă la 05 ordm este trimisă din colectorul 12 la staţia de preparare a betonului servind la scăderea temperaturii acestuia
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
56
Figura 419 Fig 519 Schema instalaţiei de prerăcire a betonului cu aer şi apă 1 - compresor 2 - condensator 3 - ventile de laminare 4 - vaporizatoare 5 - bazin de răcire a
saramurii 6 - pompă de saramură 7 - răcitor umed de aer 8 - ventilatoare 9 - silozuri de pietriş 10 - bazin de răcire a apei 11 - pompă 12 - colector de apă răcită
Figura 420 Fig 520 Schema instalaţiei de prerăcire cu aer şi apă 1 - siloz de pietriş şi nisip 2 - siloz de ciment 3 rezervor de apă 4 - răcitor de aer 5 - răcitor de apă
4 - răcitor de apă 6 - buncăr de sortare 7 - instalaţie de preparare beton
Pentru intensificarea procesului de răcire a pietrişului aerul este răcit sub 0 ordmC Acest procedeu are avantajul unei funcţionări fără icircntrerupere a procesului de preparare a betonului dar prezintă şi o serie de dezavantaje debite foarte mari de aer de răcire posibilitatea antrenării particulelor fine de agregat icircn răcitorul de aer şi depunerea acestora pe suprafaţa de schimb de căldură Ca urmare instalaţia se va curăţa la circa 14 zile Icircn figura 520 se prezintă o altă schemă de instalaţie de prerăcire a betonului cu aer şi apă folosită la construcţia unui baraj din India
Apă
295oC
Ciment
433oC
Pietriş şi nisip
378oC
Apă 6oC
Ciment 433oC
Aer
Pietriş
45oC Nisip 222oC
22oC
Ap
ă
45
oC
Ap
ă 2
2o
C
Ae
r 5
5o
C
Be
ton
12
8o
C
Apă 22oC
2
1
3 4 5
8
9
5 7
12
1oC
11
05oC 9oC 9oC
-9oC
-10oC -10oC
-10oC 2oC
6oC
10 4 4 6
8 8
8
8 8
9 9 9 9
1
2
3 3
7
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
57
Pietrişul şi nisipul se separă icircntre ele icircn buncărul de sortare 6 şi apoi fiecare circulă pe cacircte o bandă transportoare prin camera de răcire 7 Pietrişul este răcit cu ajutorul apei
Fig
ura
42
1 F
ig 5
21
Sc
he
ma
in
sta
laţi
ei
de
ră
cir
e icirc
n v
id a
co
mp
on
en
telo
r b
eto
nu
lui
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
58
reci icircncacirct ajunge la o temperatură mai scăzută decacirct nisipul răcit cu aer Prin camera 7 se circulă şi aer rece care se introduce la temperatura de 55 ordmC Cimentul se introduce la instalaţia de preparare a betonului 9 fără a fi răcit
O altă posibilitate de prerăcire a agregatelor (pietriş şi nisip) şi a apei utilizată mai recent la construirea barajelor icircntrebuinţează răcirea icircn vid la care agregatele uşor umezite icircn recipiente sub presiune se răcesc după nevoie (prin reglarea vacuumului) la o temperatură mai scăzută sau mai ridicată Căldura necesară evaporării umidităţii de pe agregate şi din ele (apa legată) este luată chiar de la corpurile respective (pietriş nisip) şi ca urmare acestea se răcesc
O asemenea instalaţie utilizată la Hortwell icircn SUA (figura 521) cuprinde 3 recipienţi de cacircte 150 m3 pentru răcirea pietrişului şi 3 recipienţi de cacircte 80 m3 pentru răcirea nisipului
Pietrişul şi nisipul cu temperatura maximă de 43 ordmC se pot răci pacircnă la temperatura necesară de 45 ordmC Pentru realizarea vidului necesar se folosesc două cazane de abur care produc 77 th fiecare
422 522 RĂCIREA INTERIOARĂ A MASIVULUI DE BETON
Prerăcirea betonului se recomandă icircn condiţiile unei zone tropicale sau temperate de amplasare a construcţiei masive nu se recomandă icircn cazul amplasării barajului icircn munţi unde temperatura aerului este scăzută Icircn asemenea situaţii se recomandă răcirea betonului prin conducte amplasate icircn masiv prin care circulă apă rece
La răcirea interioară cu conducte montate icircn beton are loc o eliminarea a căldurii simultan cu producerea ei icircn procesul de priză producacircndu-se şi o răcire pacircnă la temperatura necesară Pentru răcire se folosesc conducte de oţel cu diametre de 1525 mm montate la distanţe de 1223 m icircn plan orizontal şi de 153 m icircn plan vertical Lungimea conductelor icircntr-un m3 de beton este de 0204 şi a fiecărei serpentine de 140250 m
Debitul apei de răcire ce circulă prin 1 m3 de beton este de (0553) dm3h
Figura 422 Fig 522 Reţea de conducte de răcire a betonului icircn secţiunea unui baraj 1 - galerie pentru măsurători 2 - galerie de conducte de apă de răcire
Serpentinele se montează şi se fixează pe suprafaţă de beton (fig522) Capetele serpentinelor se leagă de o coloană verticală prin mufe metalice sau de cauciuc Diametrul distribuitorului şi al coloanei este cuprins icircntre 150200 mm După montaj aceste conducte se verifică la presiunea de lucru
1 2
Ax
a
ba
raju
lui
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
48
rezistenţei mecanice a rocii icircngheţate Se cunoaşte faptul că rezistenţa mecanică depinde direct de temperatură
Studiul variaţiei temperaturii icircn zona de influenţă a unei sonde şi a tuturor sondelor simultan oferă posibilitatea calculării dimensiunilor la proiectarea construcţiei peretelui protector cacirct şi controlul procesului icircn timpul desfăşurării lucrărilor
Pentru a se stabili relaţia de variaţie a temperaturii icircn zona icircngheţată icircn funcţie de raza r se consideră ecuaţia diferenţială
dr
dtr2q (56)
icircn care q este fluxul unitar de căldură corespunzător lungimii de 1 m din sonda de icircngheţare Wm
- conductivitatea termica a terenului Wm
Integrarea directă a ecuaţiei analitice se poate face icircn ipoteze simplificatoare consideracircnd
= const şi q = const ceea ce este justificat la valori mari ale timpului de răcire
Se separa variabilele
r
dr
2
qdt
(57)
Se consideră cunoscute temperaturile t1 la suprafaţa sondei de raza r1 și t2 = 0 ordmC la raza r2 corespunzătoare suprafeţei exterioare a cilindrului icircngheţat Se integrează ecuaţia (6-7) și cunoscacircnd limitele de integrare se va determina constanta de integrare
Cr ln2
qt
(58)
pentru r = r1 t = t1 deci
11 rln2
qtC
(59)
1
1r
rln
2
qtt
(510)
Se pune condiţia ca pentru r = r2 t = t2
1
212
r
rln
2
qtt
(511)
Se elimina q intre relaţiile (510) și (511) şi se obţine
1
2
1121
r
rln
r
rln
tttt (512)
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
49
Figura 415 Fig 515 Schema schimbătorului de căldură subteran
Pentru t2 = 0 ordmC relaţia (5-12) devine
)rrln(
)rrln(tt
12
21 (513)
Icircn figura 515 se prezintă o secţiune axială printr-o sondă de icircngheţare şi variaţia temperaturii icircn limitele t0 - temperatura agentului de răcire şi ts - temperatura naturală a solului
Cantitatea de căldură transferată de la masivul neicircngheţat spre agentul de răcire prin unitatea de lungimea de conducta şi unitatea de timp se calculează cu expresia
221
2
1o
1
moo
os
d
1
d
dln
1
d
dln
2
1
d
1
ttq
(514)
Icircn calculele inginereşti cel mai frecvent se determină nu fluxul termic pe unitatea de lungime a conductei ci fluxul termic qF raportat la unitatea de suprafaţă a conductei metalice la 1 m2 de suprafaţa exterioară sau interioară Mărimea qF se calculează astfel
22
o
1
2
1
o
o
1
m
o
o
oS
o
F
d
d
d
dln
2
d
d
dln
2
d1
tt
d
(515)
Fluxul termic qF prin unitatea de suprafaţă a sondei de icircngheţare calculat pentru adacircncimea de 100 m icircn regim laminar de curgere a agentului de răcire prin spaţiul inelar al sondei cu viteza w = 01 ms la diametre ale cilindrului de rocă icircngheţata
de la 02 la 3 m pentru to = -20 ordmC do = 01 m 1 = 233 WmK variază de la 720 la 230 Wm2 aşa cum se poate observa din figura 516 şi tabelul 51
d2
d1
d0
t
qF
t0
t2
t1 2
m 1
m
ts
Conducta Teren icircngheţat Teren
neicircngheţat
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
50
Figura 416 Fig 516 Variaţia fluxului termic qF prin unitatea de suprafaţă a sondei de icircngheţare 1 - regim turbulent 2 regim laminar
Tabelul 51Variaţia fluxului termic qF [Wm2]
Diametrul cilindrului de rocă icircngheţată icircn m
02 04 05 08 10 15 20
qF regim laminar 1160 550 387 330 302
qF regim laminar 720 465 423 350 321 283 258
Se observă ca densitatea fluxului de căldura qF scade foarte mult de la 800900 Wm2 la icircnceputul operaţiei de consolidare prin frig a rocilor pacircnă la 230250 Wm2 cacircnd cilindrul de rocă icircngheţata atinge diametrul de 23 m Ca urmare a acestei situaţii şi puterea frigorifică a instalaţiei va scădea icircn decursul a 6080 zile tot cu raportul de 800230 = 35
Instalaţia frigorifică va fi constituită din grupuri de utilaje (module) ce vor fi scoase treptat din funcţiune pe măsură ce se reduce densitatea fluxului de căldură qF ca urmare a creşterii grosimii stratului de teren icircngheţat Icircn practică pentru calcule se va considera qF = (260290) Wm2
O mărime importanta pentru proiectarea instalaţiei şi aprecierea procesului de consolidare a rocilor este timpul de icircngheţare Pentru calculul duratei de icircngheţare se pot folosi relaţiile prezentate icircn capitolul 3 la formarea gheţii pe suprafeţe cilindrice exterioare La aprecierea valorii pentru ls - căldura latentă de solidificare se avea icircn vedere conţinutul de apă din terenul supus icircngheţării
Dacă icircntre relaţiile pentru dependenţele (r) şi qF(r) se elimină r se obţine dependenţa
qF() Eliminarea nu se poate face direct ci fie cu ajutorul calculatorului fie printr-o construcţie grafică prezentată icircn figura 517
Studiul variaţiei temperaturii icircn solul icircngheţat cacirct și variaţia icircn timp a densităţii fluxului de căldura se poate face cu ajutorul calculatorului electronic
1200
1000
800
600
400
200
0 05 1 15 2 25 3
qF [Wm2]
Diametrul cilindrului de rocă icircngheţată [m]
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
51
Figura 417 Fig 517 Stabilirea dependentei qF() pe baza dependentelor qF(r) și (r)
415 515 ELEMENTE DE PROIECTARE A INSTALAŢIEI FRIGORIFICE PENTRU IcircNGHEŢAREA SOLULUI
Pentru proiectarea instalaţiei frigorifice trebuie sa se stabilească la icircnceput elementele de baza și anume
- puterea frigorifică maximă care apare la icircnceputul perioadei de răcire cacircnd pătrunderile de căldura spre agentul de răcire din sondele de icircngheţare au valori mai mari temperatura de vaporizare a agentului frigorific plecacircnd de la temperatura minimă sau medie din solul icircngheţat şi avacircnd icircn vedere modul de răcire directă sau indirectă
Se calculează cantitatea totală de căldură ce trebuie extrasă din terenul supus răcirii şi icircngheţării Se cunoaşte structura terenului icircngheţat deci se cunosc icircnălţimile h1 h2hn ale diferitelor straturi componente cacirct şi proprietăţile termofizice ale acestora
Grosimea centurii de teren icircngheţat se stabileşte icircn urma calculelor de rezistenţa materialelor icircncacirct se pot calcula volumele ocupate de straturile componente V1 V2Vn
Cantitatea de căldură ce trebuie extrasă din zona icircngheţată cuprinde două componente și anume
cantitatea de căldura Qa corespunzătoare răcirii şi icircngheţării apei
cantitatea de căldura Qt necesara răcirii părţii solide a terenului
n
1kfgsikaakka tcltcVQ (516)
unde
k - reprezintă conţinutul icircn apă din stratul respectiv [m3m3]
a - densitatea apei [kgm3]
ca cg - căldura specifica a apei respectiv a gheţii Jkg K
tik - temperatura iniţiala a stratului respectiv (de ordinul k)
tf - temperatura medie finala a masivului icircngheţat
ls - căldura latentă de solidificare a apei
r
q
q
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
52
fik
n
1kkkkkt ttc1VQ
(517)
k - densitatea părţii de teren solid (uscat) din stratul k
ck - căldura specifică a terenului uscat din stratul k
Cantitatea de căldură extrasă din terenul răcit reprezintă circa 1018 din cantitatea de căldură extrasă din zona de teren icircngheţat
Deci cantitatea totală de căldură Q ce va trebui preluată de către instalaţia frigorifică se poate aprecia astfel
Q = (110118) (Qa + Qt) (518)
Cu relaţia (51) se calculează puterea frigorifica a instalaţiei adoptacircnd o valoare medie pentru densitatea fluxului de căldura qF
Se poate aprecia timpul de funcţionare a instalaţiei frigorifice
o
Q
(519)
La anumite grosimi ale cochiliei de teren icircngheţat icircn jurul sondei densitatea fluxului termic scade sub valoarea medie adoptată icircn calcule şi ca urmare icircncepacircnd de la acest moment se va putea reduce treptat puterea frigorifica a instalaţiei prin scoaterea din funcţiune a unor grupuri
La proiectare se pot avea icircn vedere unele recomandări practice pentru stabilirea necesarului de frig pentru icircngheţarea unui m3 la -10 ordmC este necesar un consum specific de frig de 66000 kJ la 10 umiditate de 155000 kJ la 35 umiditate și de 210000 kJ la 50 umiditate
42 52 RĂCIREA BETONULUI LA CONSTRUCŢIILE MASIVE
421 521 INSTALAŢII DE PRERĂCIRE A COMPONENTELOR BETONULUI
Formarea betonului din elementele sale componente (nisip pietriş ciment şi apă) este icircnsoţită de fenomene fizico - chimice icircn care se degajă căldură şi ca urmare temperatura acestuia creşte Icircn cazul unor masive din beton (baraje) dacă viteza de turnare (icircn sezonul cald cacircnd se efectuază construcţia) este mai mare şi nu se asigura evacuarea căldurii corpul rezultă la o temperatura medie mai mare decacirct temperatura medie anuală Răcirea naturală conduce la contracţia masivului şi ca urmare la apariţia sub acţiunea tensiunilor interne a unor fisuri
Pentru ca variaţiile de temperatura icircntre centrul barajului şi straturile exterioare să fie cacirct mai mici se impune ca masivul respectiv să fie turnat la temperatura medie anuală a zonei respective Icircn acest scop se pot folosi două metode prin prerăcirea componentelor betonului și prin răcirea masei barajului
Icircn vederea reducerii căldurii degajată icircn reacţia dintre ciment şi apă au fost realizate sortimente de ciment caracterizate prin călduri masice reduse ce se degajă icircn procesul de priză
Prin prerăcirea componentelor betonului se urmăreşte ca betonul sa aibă temperatura medie a locului de amplasament şi prin aceasta evitarea apariţiei unor diferenţe mari de temperatură ce pun icircn pericol construcţia
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
53
Icircn funcţie de valoarea diferenţei de temperatură care trebuie realizată se poate adopta o anumită schemă de răcire pentru fiecare component icircn parte sau numai pentru unele din aceste părţi componente
Se pot folosi instalaţii frigorifice cu comprimare mecanică de vapori pentru răcirea apei a aerului sau formarea gheţii mărunte utilizate la prerăcirea componentelor betonului Folosirea gheţii fulgi sau solzi este limitată atacirct din cauza conţinutului de apă impus cacirct şi ca urmare a pericolului ca gheaţa să nu se topească icircn procesul de malaxare ci la turnare sau icircn procesul de priză ceea ce duce la formarea de goluri icircn beton
De asemenea se pot folosi instalaţiile frigorifice cu ejecţie
Icircn vederea stabilirii necesarului de frig pentru preratildecirea componentelor betonului se calculează mai icircntacirci cantitatea de catildelduratilde Qo1 ce trebuie evacuatatilde dintr-un m3 de beton avacircndu-se icircn vedere proporţiile icircn care participatilde cimentul nisipul pietrişul şi apa Fiecare component are o temperatură iniţialatilde şi urmeazatilde a fi răcit pacircnatilde la o temperatura finalatilde tf aceeaşi pentru toţi componenţii
fpppfnnnfccc1o ttcmttcmttcmQ
fnaanfpaapfaaa ttcmttcmttcm Jm3 (520)
unde
mc mn mp ma - masele de ciment nisip pietriş şi apă conţinute icircntr-un m3 de beton [kgm3]
cc cn cp cw - căldurile specifice masice ale cimentului nisipului pietrişului şi nisipul dintr-un m3 de beton [kgm3]
Puterea frigorifică se determină cu relaţia
3b1oo 10VQ [kW] (521)
icircn care bV reprezintă fluxul de betonare icircn m3s
Se prezintă icircn continuare cele mai folosite metode de prerăcire a componentelor betonului
4211 a) Instalaţie de prerăcire cu apă
Staţia de preparare a betonului este deservită de o instalaţie frigorifică cu comprimare mecanică de vapori care asigură răcirea apei
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
54
Figura 418 Fig 518 Schema de lucru a instalaţiei de prerăcire a betonului cu ajutorul apei 1 - ciment 2 - vagon nisip 3 - vagon pietris 4 - tancuri de răcire a pietrişului 5 - sită 6 - siloz de
nisip 7 - siloz de ciment 8 - rezervor de distribuţie 9 - răcitor de nisip 10 - răcitor de ciment 11 - răcitor de apă 12 - rezervor de apă răcită 13 - răcitor de apă 14 - instalaţie de prepararea betonului
I II III IV V - fazele de răcire a pietrişului
Icircn figura 518 se prezintă schema de lucru a unei asemenea instalaţii de prerăcire a betonului cu ajutorul apei folosită la construcţia barajului de la Detroit (SUA) Apa este răcită de la 16 la 15 ordmC şi transmisă apoi la instalaţia de preparare a betonului şi icircn cinci rezervoare a cacircte 90 m3 fiecare icircn care se răceşte pietrişul
Procesul de răcire a pietrişului cuprinde cinci faze
- faza I - introducerea apei icircn rezervor 10 minute
- fazele II şi III - introducerea simultană a apei şi a pietrişului 50 minute
- faza IV - evacuarea apei 15 minute
- faza V - evacuarea pietrişului 15 minute
Icircntregul proces de răcire a pietrişului durează 90 minute Pentru răcirea cimentului şi nisipului se utilizează schimbătoare de căldură cu ax elicoidal la care apa de răcire circulă prin arborele gol şi prin manta
Rezervoarele 12 pentru apa răcită au fiecare volumul de 114 m3
Beton 635oC
190 m3h
65oC
24oC
18oC
1
2
3
4
5
6
7
8
10
9
11
12
13
14
Apă 16oC
15oC
Cim
en
t
26 l
h
Nis
ip 1
12
lh
10
oC
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
55
42111 Aplicaţie numerică
Să se calculeze puterea frigorifică necesară prerăcirii betonului prin metode şi condiţiile prezentate mai sus Se cunosc următoarele date de calcul
mp = 1700 kgm3 beton
mc = 135 kgm3 beton
mn = 590 kgm3 beton
ma = 60 kgm3 beton
cc = cn = cp = 921 Jkg K
ca = 4180 Jkg K
map = 16 kgm3 beton
man = 38 kgm3 beton
tp = 18 ordmC
tc = 66 ordmC
tn = 21 ordmC tf = 635 ordmC
052803000
190Vb m3s
Se calculează componentele cantităţii de căldură Q01
3fcccc 10741735666921135ttcmQ Jm3
3fnnnn 10796135621921590ttcmQ Jm3
3fpppp 1024018356189211700ttcmQ Jm3
3faaaa 10420235616418060ttcmQ Jm3
3fpaapap 1077935618418016ttcmQ Jm3
3fnaaan 10232735621418038ttcmQ Jm3
Rezulta
3anapapnc1o 1039144QQQQQQQ Jm3
3o 10 206705280103914410VQ 33
b1o kW
4212 b) Instalaţii de prerăcire cu aer apă
Pentru răcirea componentelor betonului se utilizează icircn acest caz fie apa fie aerul ca agenţi intermediari răciţi cu ajutorul instalaţiilor frigorifice
Icircn figura 519 se prezintă schema unei asemenea instalaţii folosită la construcţia barajului de la Sariyar din Turcia
Răcirea aerului se poate face fie direct prin vaporizarea unui agent frigorific fie indirect cu un agent intermediar de răcire ca de exemplu saramura de clorură de calciu Aerul răcit pacircnă la -6 ordmC este suflat icircn silozurile cu pietriş de dimensiuni icircntre 4150 mm
Apa răcită icircn bazinul la pacircnă la 05 ordm este trimisă din colectorul 12 la staţia de preparare a betonului servind la scăderea temperaturii acestuia
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
56
Figura 419 Fig 519 Schema instalaţiei de prerăcire a betonului cu aer şi apă 1 - compresor 2 - condensator 3 - ventile de laminare 4 - vaporizatoare 5 - bazin de răcire a
saramurii 6 - pompă de saramură 7 - răcitor umed de aer 8 - ventilatoare 9 - silozuri de pietriş 10 - bazin de răcire a apei 11 - pompă 12 - colector de apă răcită
Figura 420 Fig 520 Schema instalaţiei de prerăcire cu aer şi apă 1 - siloz de pietriş şi nisip 2 - siloz de ciment 3 rezervor de apă 4 - răcitor de aer 5 - răcitor de apă
4 - răcitor de apă 6 - buncăr de sortare 7 - instalaţie de preparare beton
Pentru intensificarea procesului de răcire a pietrişului aerul este răcit sub 0 ordmC Acest procedeu are avantajul unei funcţionări fără icircntrerupere a procesului de preparare a betonului dar prezintă şi o serie de dezavantaje debite foarte mari de aer de răcire posibilitatea antrenării particulelor fine de agregat icircn răcitorul de aer şi depunerea acestora pe suprafaţa de schimb de căldură Ca urmare instalaţia se va curăţa la circa 14 zile Icircn figura 520 se prezintă o altă schemă de instalaţie de prerăcire a betonului cu aer şi apă folosită la construcţia unui baraj din India
Apă
295oC
Ciment
433oC
Pietriş şi nisip
378oC
Apă 6oC
Ciment 433oC
Aer
Pietriş
45oC Nisip 222oC
22oC
Ap
ă
45
oC
Ap
ă 2
2o
C
Ae
r 5
5o
C
Be
ton
12
8o
C
Apă 22oC
2
1
3 4 5
8
9
5 7
12
1oC
11
05oC 9oC 9oC
-9oC
-10oC -10oC
-10oC 2oC
6oC
10 4 4 6
8 8
8
8 8
9 9 9 9
1
2
3 3
7
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
57
Pietrişul şi nisipul se separă icircntre ele icircn buncărul de sortare 6 şi apoi fiecare circulă pe cacircte o bandă transportoare prin camera de răcire 7 Pietrişul este răcit cu ajutorul apei
Fig
ura
42
1 F
ig 5
21
Sc
he
ma
in
sta
laţi
ei
de
ră
cir
e icirc
n v
id a
co
mp
on
en
telo
r b
eto
nu
lui
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
58
reci icircncacirct ajunge la o temperatură mai scăzută decacirct nisipul răcit cu aer Prin camera 7 se circulă şi aer rece care se introduce la temperatura de 55 ordmC Cimentul se introduce la instalaţia de preparare a betonului 9 fără a fi răcit
O altă posibilitate de prerăcire a agregatelor (pietriş şi nisip) şi a apei utilizată mai recent la construirea barajelor icircntrebuinţează răcirea icircn vid la care agregatele uşor umezite icircn recipiente sub presiune se răcesc după nevoie (prin reglarea vacuumului) la o temperatură mai scăzută sau mai ridicată Căldura necesară evaporării umidităţii de pe agregate şi din ele (apa legată) este luată chiar de la corpurile respective (pietriş nisip) şi ca urmare acestea se răcesc
O asemenea instalaţie utilizată la Hortwell icircn SUA (figura 521) cuprinde 3 recipienţi de cacircte 150 m3 pentru răcirea pietrişului şi 3 recipienţi de cacircte 80 m3 pentru răcirea nisipului
Pietrişul şi nisipul cu temperatura maximă de 43 ordmC se pot răci pacircnă la temperatura necesară de 45 ordmC Pentru realizarea vidului necesar se folosesc două cazane de abur care produc 77 th fiecare
422 522 RĂCIREA INTERIOARĂ A MASIVULUI DE BETON
Prerăcirea betonului se recomandă icircn condiţiile unei zone tropicale sau temperate de amplasare a construcţiei masive nu se recomandă icircn cazul amplasării barajului icircn munţi unde temperatura aerului este scăzută Icircn asemenea situaţii se recomandă răcirea betonului prin conducte amplasate icircn masiv prin care circulă apă rece
La răcirea interioară cu conducte montate icircn beton are loc o eliminarea a căldurii simultan cu producerea ei icircn procesul de priză producacircndu-se şi o răcire pacircnă la temperatura necesară Pentru răcire se folosesc conducte de oţel cu diametre de 1525 mm montate la distanţe de 1223 m icircn plan orizontal şi de 153 m icircn plan vertical Lungimea conductelor icircntr-un m3 de beton este de 0204 şi a fiecărei serpentine de 140250 m
Debitul apei de răcire ce circulă prin 1 m3 de beton este de (0553) dm3h
Figura 422 Fig 522 Reţea de conducte de răcire a betonului icircn secţiunea unui baraj 1 - galerie pentru măsurători 2 - galerie de conducte de apă de răcire
Serpentinele se montează şi se fixează pe suprafaţă de beton (fig522) Capetele serpentinelor se leagă de o coloană verticală prin mufe metalice sau de cauciuc Diametrul distribuitorului şi al coloanei este cuprins icircntre 150200 mm După montaj aceste conducte se verifică la presiunea de lucru
1 2
Ax
a
ba
raju
lui
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
49
Figura 415 Fig 515 Schema schimbătorului de căldură subteran
Pentru t2 = 0 ordmC relaţia (5-12) devine
)rrln(
)rrln(tt
12
21 (513)
Icircn figura 515 se prezintă o secţiune axială printr-o sondă de icircngheţare şi variaţia temperaturii icircn limitele t0 - temperatura agentului de răcire şi ts - temperatura naturală a solului
Cantitatea de căldură transferată de la masivul neicircngheţat spre agentul de răcire prin unitatea de lungimea de conducta şi unitatea de timp se calculează cu expresia
221
2
1o
1
moo
os
d
1
d
dln
1
d
dln
2
1
d
1
ttq
(514)
Icircn calculele inginereşti cel mai frecvent se determină nu fluxul termic pe unitatea de lungime a conductei ci fluxul termic qF raportat la unitatea de suprafaţă a conductei metalice la 1 m2 de suprafaţa exterioară sau interioară Mărimea qF se calculează astfel
22
o
1
2
1
o
o
1
m
o
o
oS
o
F
d
d
d
dln
2
d
d
dln
2
d1
tt
d
(515)
Fluxul termic qF prin unitatea de suprafaţă a sondei de icircngheţare calculat pentru adacircncimea de 100 m icircn regim laminar de curgere a agentului de răcire prin spaţiul inelar al sondei cu viteza w = 01 ms la diametre ale cilindrului de rocă icircngheţata
de la 02 la 3 m pentru to = -20 ordmC do = 01 m 1 = 233 WmK variază de la 720 la 230 Wm2 aşa cum se poate observa din figura 516 şi tabelul 51
d2
d1
d0
t
qF
t0
t2
t1 2
m 1
m
ts
Conducta Teren icircngheţat Teren
neicircngheţat
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
50
Figura 416 Fig 516 Variaţia fluxului termic qF prin unitatea de suprafaţă a sondei de icircngheţare 1 - regim turbulent 2 regim laminar
Tabelul 51Variaţia fluxului termic qF [Wm2]
Diametrul cilindrului de rocă icircngheţată icircn m
02 04 05 08 10 15 20
qF regim laminar 1160 550 387 330 302
qF regim laminar 720 465 423 350 321 283 258
Se observă ca densitatea fluxului de căldura qF scade foarte mult de la 800900 Wm2 la icircnceputul operaţiei de consolidare prin frig a rocilor pacircnă la 230250 Wm2 cacircnd cilindrul de rocă icircngheţata atinge diametrul de 23 m Ca urmare a acestei situaţii şi puterea frigorifică a instalaţiei va scădea icircn decursul a 6080 zile tot cu raportul de 800230 = 35
Instalaţia frigorifică va fi constituită din grupuri de utilaje (module) ce vor fi scoase treptat din funcţiune pe măsură ce se reduce densitatea fluxului de căldură qF ca urmare a creşterii grosimii stratului de teren icircngheţat Icircn practică pentru calcule se va considera qF = (260290) Wm2
O mărime importanta pentru proiectarea instalaţiei şi aprecierea procesului de consolidare a rocilor este timpul de icircngheţare Pentru calculul duratei de icircngheţare se pot folosi relaţiile prezentate icircn capitolul 3 la formarea gheţii pe suprafeţe cilindrice exterioare La aprecierea valorii pentru ls - căldura latentă de solidificare se avea icircn vedere conţinutul de apă din terenul supus icircngheţării
Dacă icircntre relaţiile pentru dependenţele (r) şi qF(r) se elimină r se obţine dependenţa
qF() Eliminarea nu se poate face direct ci fie cu ajutorul calculatorului fie printr-o construcţie grafică prezentată icircn figura 517
Studiul variaţiei temperaturii icircn solul icircngheţat cacirct și variaţia icircn timp a densităţii fluxului de căldura se poate face cu ajutorul calculatorului electronic
1200
1000
800
600
400
200
0 05 1 15 2 25 3
qF [Wm2]
Diametrul cilindrului de rocă icircngheţată [m]
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
51
Figura 417 Fig 517 Stabilirea dependentei qF() pe baza dependentelor qF(r) și (r)
415 515 ELEMENTE DE PROIECTARE A INSTALAŢIEI FRIGORIFICE PENTRU IcircNGHEŢAREA SOLULUI
Pentru proiectarea instalaţiei frigorifice trebuie sa se stabilească la icircnceput elementele de baza și anume
- puterea frigorifică maximă care apare la icircnceputul perioadei de răcire cacircnd pătrunderile de căldura spre agentul de răcire din sondele de icircngheţare au valori mai mari temperatura de vaporizare a agentului frigorific plecacircnd de la temperatura minimă sau medie din solul icircngheţat şi avacircnd icircn vedere modul de răcire directă sau indirectă
Se calculează cantitatea totală de căldură ce trebuie extrasă din terenul supus răcirii şi icircngheţării Se cunoaşte structura terenului icircngheţat deci se cunosc icircnălţimile h1 h2hn ale diferitelor straturi componente cacirct şi proprietăţile termofizice ale acestora
Grosimea centurii de teren icircngheţat se stabileşte icircn urma calculelor de rezistenţa materialelor icircncacirct se pot calcula volumele ocupate de straturile componente V1 V2Vn
Cantitatea de căldură ce trebuie extrasă din zona icircngheţată cuprinde două componente și anume
cantitatea de căldura Qa corespunzătoare răcirii şi icircngheţării apei
cantitatea de căldura Qt necesara răcirii părţii solide a terenului
n
1kfgsikaakka tcltcVQ (516)
unde
k - reprezintă conţinutul icircn apă din stratul respectiv [m3m3]
a - densitatea apei [kgm3]
ca cg - căldura specifica a apei respectiv a gheţii Jkg K
tik - temperatura iniţiala a stratului respectiv (de ordinul k)
tf - temperatura medie finala a masivului icircngheţat
ls - căldura latentă de solidificare a apei
r
q
q
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
52
fik
n
1kkkkkt ttc1VQ
(517)
k - densitatea părţii de teren solid (uscat) din stratul k
ck - căldura specifică a terenului uscat din stratul k
Cantitatea de căldură extrasă din terenul răcit reprezintă circa 1018 din cantitatea de căldură extrasă din zona de teren icircngheţat
Deci cantitatea totală de căldură Q ce va trebui preluată de către instalaţia frigorifică se poate aprecia astfel
Q = (110118) (Qa + Qt) (518)
Cu relaţia (51) se calculează puterea frigorifica a instalaţiei adoptacircnd o valoare medie pentru densitatea fluxului de căldura qF
Se poate aprecia timpul de funcţionare a instalaţiei frigorifice
o
Q
(519)
La anumite grosimi ale cochiliei de teren icircngheţat icircn jurul sondei densitatea fluxului termic scade sub valoarea medie adoptată icircn calcule şi ca urmare icircncepacircnd de la acest moment se va putea reduce treptat puterea frigorifica a instalaţiei prin scoaterea din funcţiune a unor grupuri
La proiectare se pot avea icircn vedere unele recomandări practice pentru stabilirea necesarului de frig pentru icircngheţarea unui m3 la -10 ordmC este necesar un consum specific de frig de 66000 kJ la 10 umiditate de 155000 kJ la 35 umiditate și de 210000 kJ la 50 umiditate
42 52 RĂCIREA BETONULUI LA CONSTRUCŢIILE MASIVE
421 521 INSTALAŢII DE PRERĂCIRE A COMPONENTELOR BETONULUI
Formarea betonului din elementele sale componente (nisip pietriş ciment şi apă) este icircnsoţită de fenomene fizico - chimice icircn care se degajă căldură şi ca urmare temperatura acestuia creşte Icircn cazul unor masive din beton (baraje) dacă viteza de turnare (icircn sezonul cald cacircnd se efectuază construcţia) este mai mare şi nu se asigura evacuarea căldurii corpul rezultă la o temperatura medie mai mare decacirct temperatura medie anuală Răcirea naturală conduce la contracţia masivului şi ca urmare la apariţia sub acţiunea tensiunilor interne a unor fisuri
Pentru ca variaţiile de temperatura icircntre centrul barajului şi straturile exterioare să fie cacirct mai mici se impune ca masivul respectiv să fie turnat la temperatura medie anuală a zonei respective Icircn acest scop se pot folosi două metode prin prerăcirea componentelor betonului și prin răcirea masei barajului
Icircn vederea reducerii căldurii degajată icircn reacţia dintre ciment şi apă au fost realizate sortimente de ciment caracterizate prin călduri masice reduse ce se degajă icircn procesul de priză
Prin prerăcirea componentelor betonului se urmăreşte ca betonul sa aibă temperatura medie a locului de amplasament şi prin aceasta evitarea apariţiei unor diferenţe mari de temperatură ce pun icircn pericol construcţia
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
53
Icircn funcţie de valoarea diferenţei de temperatură care trebuie realizată se poate adopta o anumită schemă de răcire pentru fiecare component icircn parte sau numai pentru unele din aceste părţi componente
Se pot folosi instalaţii frigorifice cu comprimare mecanică de vapori pentru răcirea apei a aerului sau formarea gheţii mărunte utilizate la prerăcirea componentelor betonului Folosirea gheţii fulgi sau solzi este limitată atacirct din cauza conţinutului de apă impus cacirct şi ca urmare a pericolului ca gheaţa să nu se topească icircn procesul de malaxare ci la turnare sau icircn procesul de priză ceea ce duce la formarea de goluri icircn beton
De asemenea se pot folosi instalaţiile frigorifice cu ejecţie
Icircn vederea stabilirii necesarului de frig pentru preratildecirea componentelor betonului se calculează mai icircntacirci cantitatea de catildelduratilde Qo1 ce trebuie evacuatatilde dintr-un m3 de beton avacircndu-se icircn vedere proporţiile icircn care participatilde cimentul nisipul pietrişul şi apa Fiecare component are o temperatură iniţialatilde şi urmeazatilde a fi răcit pacircnatilde la o temperatura finalatilde tf aceeaşi pentru toţi componenţii
fpppfnnnfccc1o ttcmttcmttcmQ
fnaanfpaapfaaa ttcmttcmttcm Jm3 (520)
unde
mc mn mp ma - masele de ciment nisip pietriş şi apă conţinute icircntr-un m3 de beton [kgm3]
cc cn cp cw - căldurile specifice masice ale cimentului nisipului pietrişului şi nisipul dintr-un m3 de beton [kgm3]
Puterea frigorifică se determină cu relaţia
3b1oo 10VQ [kW] (521)
icircn care bV reprezintă fluxul de betonare icircn m3s
Se prezintă icircn continuare cele mai folosite metode de prerăcire a componentelor betonului
4211 a) Instalaţie de prerăcire cu apă
Staţia de preparare a betonului este deservită de o instalaţie frigorifică cu comprimare mecanică de vapori care asigură răcirea apei
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
54
Figura 418 Fig 518 Schema de lucru a instalaţiei de prerăcire a betonului cu ajutorul apei 1 - ciment 2 - vagon nisip 3 - vagon pietris 4 - tancuri de răcire a pietrişului 5 - sită 6 - siloz de
nisip 7 - siloz de ciment 8 - rezervor de distribuţie 9 - răcitor de nisip 10 - răcitor de ciment 11 - răcitor de apă 12 - rezervor de apă răcită 13 - răcitor de apă 14 - instalaţie de prepararea betonului
I II III IV V - fazele de răcire a pietrişului
Icircn figura 518 se prezintă schema de lucru a unei asemenea instalaţii de prerăcire a betonului cu ajutorul apei folosită la construcţia barajului de la Detroit (SUA) Apa este răcită de la 16 la 15 ordmC şi transmisă apoi la instalaţia de preparare a betonului şi icircn cinci rezervoare a cacircte 90 m3 fiecare icircn care se răceşte pietrişul
Procesul de răcire a pietrişului cuprinde cinci faze
- faza I - introducerea apei icircn rezervor 10 minute
- fazele II şi III - introducerea simultană a apei şi a pietrişului 50 minute
- faza IV - evacuarea apei 15 minute
- faza V - evacuarea pietrişului 15 minute
Icircntregul proces de răcire a pietrişului durează 90 minute Pentru răcirea cimentului şi nisipului se utilizează schimbătoare de căldură cu ax elicoidal la care apa de răcire circulă prin arborele gol şi prin manta
Rezervoarele 12 pentru apa răcită au fiecare volumul de 114 m3
Beton 635oC
190 m3h
65oC
24oC
18oC
1
2
3
4
5
6
7
8
10
9
11
12
13
14
Apă 16oC
15oC
Cim
en
t
26 l
h
Nis
ip 1
12
lh
10
oC
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
55
42111 Aplicaţie numerică
Să se calculeze puterea frigorifică necesară prerăcirii betonului prin metode şi condiţiile prezentate mai sus Se cunosc următoarele date de calcul
mp = 1700 kgm3 beton
mc = 135 kgm3 beton
mn = 590 kgm3 beton
ma = 60 kgm3 beton
cc = cn = cp = 921 Jkg K
ca = 4180 Jkg K
map = 16 kgm3 beton
man = 38 kgm3 beton
tp = 18 ordmC
tc = 66 ordmC
tn = 21 ordmC tf = 635 ordmC
052803000
190Vb m3s
Se calculează componentele cantităţii de căldură Q01
3fcccc 10741735666921135ttcmQ Jm3
3fnnnn 10796135621921590ttcmQ Jm3
3fpppp 1024018356189211700ttcmQ Jm3
3faaaa 10420235616418060ttcmQ Jm3
3fpaapap 1077935618418016ttcmQ Jm3
3fnaaan 10232735621418038ttcmQ Jm3
Rezulta
3anapapnc1o 1039144QQQQQQQ Jm3
3o 10 206705280103914410VQ 33
b1o kW
4212 b) Instalaţii de prerăcire cu aer apă
Pentru răcirea componentelor betonului se utilizează icircn acest caz fie apa fie aerul ca agenţi intermediari răciţi cu ajutorul instalaţiilor frigorifice
Icircn figura 519 se prezintă schema unei asemenea instalaţii folosită la construcţia barajului de la Sariyar din Turcia
Răcirea aerului se poate face fie direct prin vaporizarea unui agent frigorific fie indirect cu un agent intermediar de răcire ca de exemplu saramura de clorură de calciu Aerul răcit pacircnă la -6 ordmC este suflat icircn silozurile cu pietriş de dimensiuni icircntre 4150 mm
Apa răcită icircn bazinul la pacircnă la 05 ordm este trimisă din colectorul 12 la staţia de preparare a betonului servind la scăderea temperaturii acestuia
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
56
Figura 419 Fig 519 Schema instalaţiei de prerăcire a betonului cu aer şi apă 1 - compresor 2 - condensator 3 - ventile de laminare 4 - vaporizatoare 5 - bazin de răcire a
saramurii 6 - pompă de saramură 7 - răcitor umed de aer 8 - ventilatoare 9 - silozuri de pietriş 10 - bazin de răcire a apei 11 - pompă 12 - colector de apă răcită
Figura 420 Fig 520 Schema instalaţiei de prerăcire cu aer şi apă 1 - siloz de pietriş şi nisip 2 - siloz de ciment 3 rezervor de apă 4 - răcitor de aer 5 - răcitor de apă
4 - răcitor de apă 6 - buncăr de sortare 7 - instalaţie de preparare beton
Pentru intensificarea procesului de răcire a pietrişului aerul este răcit sub 0 ordmC Acest procedeu are avantajul unei funcţionări fără icircntrerupere a procesului de preparare a betonului dar prezintă şi o serie de dezavantaje debite foarte mari de aer de răcire posibilitatea antrenării particulelor fine de agregat icircn răcitorul de aer şi depunerea acestora pe suprafaţa de schimb de căldură Ca urmare instalaţia se va curăţa la circa 14 zile Icircn figura 520 se prezintă o altă schemă de instalaţie de prerăcire a betonului cu aer şi apă folosită la construcţia unui baraj din India
Apă
295oC
Ciment
433oC
Pietriş şi nisip
378oC
Apă 6oC
Ciment 433oC
Aer
Pietriş
45oC Nisip 222oC
22oC
Ap
ă
45
oC
Ap
ă 2
2o
C
Ae
r 5
5o
C
Be
ton
12
8o
C
Apă 22oC
2
1
3 4 5
8
9
5 7
12
1oC
11
05oC 9oC 9oC
-9oC
-10oC -10oC
-10oC 2oC
6oC
10 4 4 6
8 8
8
8 8
9 9 9 9
1
2
3 3
7
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
57
Pietrişul şi nisipul se separă icircntre ele icircn buncărul de sortare 6 şi apoi fiecare circulă pe cacircte o bandă transportoare prin camera de răcire 7 Pietrişul este răcit cu ajutorul apei
Fig
ura
42
1 F
ig 5
21
Sc
he
ma
in
sta
laţi
ei
de
ră
cir
e icirc
n v
id a
co
mp
on
en
telo
r b
eto
nu
lui
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
58
reci icircncacirct ajunge la o temperatură mai scăzută decacirct nisipul răcit cu aer Prin camera 7 se circulă şi aer rece care se introduce la temperatura de 55 ordmC Cimentul se introduce la instalaţia de preparare a betonului 9 fără a fi răcit
O altă posibilitate de prerăcire a agregatelor (pietriş şi nisip) şi a apei utilizată mai recent la construirea barajelor icircntrebuinţează răcirea icircn vid la care agregatele uşor umezite icircn recipiente sub presiune se răcesc după nevoie (prin reglarea vacuumului) la o temperatură mai scăzută sau mai ridicată Căldura necesară evaporării umidităţii de pe agregate şi din ele (apa legată) este luată chiar de la corpurile respective (pietriş nisip) şi ca urmare acestea se răcesc
O asemenea instalaţie utilizată la Hortwell icircn SUA (figura 521) cuprinde 3 recipienţi de cacircte 150 m3 pentru răcirea pietrişului şi 3 recipienţi de cacircte 80 m3 pentru răcirea nisipului
Pietrişul şi nisipul cu temperatura maximă de 43 ordmC se pot răci pacircnă la temperatura necesară de 45 ordmC Pentru realizarea vidului necesar se folosesc două cazane de abur care produc 77 th fiecare
422 522 RĂCIREA INTERIOARĂ A MASIVULUI DE BETON
Prerăcirea betonului se recomandă icircn condiţiile unei zone tropicale sau temperate de amplasare a construcţiei masive nu se recomandă icircn cazul amplasării barajului icircn munţi unde temperatura aerului este scăzută Icircn asemenea situaţii se recomandă răcirea betonului prin conducte amplasate icircn masiv prin care circulă apă rece
La răcirea interioară cu conducte montate icircn beton are loc o eliminarea a căldurii simultan cu producerea ei icircn procesul de priză producacircndu-se şi o răcire pacircnă la temperatura necesară Pentru răcire se folosesc conducte de oţel cu diametre de 1525 mm montate la distanţe de 1223 m icircn plan orizontal şi de 153 m icircn plan vertical Lungimea conductelor icircntr-un m3 de beton este de 0204 şi a fiecărei serpentine de 140250 m
Debitul apei de răcire ce circulă prin 1 m3 de beton este de (0553) dm3h
Figura 422 Fig 522 Reţea de conducte de răcire a betonului icircn secţiunea unui baraj 1 - galerie pentru măsurători 2 - galerie de conducte de apă de răcire
Serpentinele se montează şi se fixează pe suprafaţă de beton (fig522) Capetele serpentinelor se leagă de o coloană verticală prin mufe metalice sau de cauciuc Diametrul distribuitorului şi al coloanei este cuprins icircntre 150200 mm După montaj aceste conducte se verifică la presiunea de lucru
1 2
Ax
a
ba
raju
lui
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
50
Figura 416 Fig 516 Variaţia fluxului termic qF prin unitatea de suprafaţă a sondei de icircngheţare 1 - regim turbulent 2 regim laminar
Tabelul 51Variaţia fluxului termic qF [Wm2]
Diametrul cilindrului de rocă icircngheţată icircn m
02 04 05 08 10 15 20
qF regim laminar 1160 550 387 330 302
qF regim laminar 720 465 423 350 321 283 258
Se observă ca densitatea fluxului de căldura qF scade foarte mult de la 800900 Wm2 la icircnceputul operaţiei de consolidare prin frig a rocilor pacircnă la 230250 Wm2 cacircnd cilindrul de rocă icircngheţata atinge diametrul de 23 m Ca urmare a acestei situaţii şi puterea frigorifică a instalaţiei va scădea icircn decursul a 6080 zile tot cu raportul de 800230 = 35
Instalaţia frigorifică va fi constituită din grupuri de utilaje (module) ce vor fi scoase treptat din funcţiune pe măsură ce se reduce densitatea fluxului de căldură qF ca urmare a creşterii grosimii stratului de teren icircngheţat Icircn practică pentru calcule se va considera qF = (260290) Wm2
O mărime importanta pentru proiectarea instalaţiei şi aprecierea procesului de consolidare a rocilor este timpul de icircngheţare Pentru calculul duratei de icircngheţare se pot folosi relaţiile prezentate icircn capitolul 3 la formarea gheţii pe suprafeţe cilindrice exterioare La aprecierea valorii pentru ls - căldura latentă de solidificare se avea icircn vedere conţinutul de apă din terenul supus icircngheţării
Dacă icircntre relaţiile pentru dependenţele (r) şi qF(r) se elimină r se obţine dependenţa
qF() Eliminarea nu se poate face direct ci fie cu ajutorul calculatorului fie printr-o construcţie grafică prezentată icircn figura 517
Studiul variaţiei temperaturii icircn solul icircngheţat cacirct și variaţia icircn timp a densităţii fluxului de căldura se poate face cu ajutorul calculatorului electronic
1200
1000
800
600
400
200
0 05 1 15 2 25 3
qF [Wm2]
Diametrul cilindrului de rocă icircngheţată [m]
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
51
Figura 417 Fig 517 Stabilirea dependentei qF() pe baza dependentelor qF(r) și (r)
415 515 ELEMENTE DE PROIECTARE A INSTALAŢIEI FRIGORIFICE PENTRU IcircNGHEŢAREA SOLULUI
Pentru proiectarea instalaţiei frigorifice trebuie sa se stabilească la icircnceput elementele de baza și anume
- puterea frigorifică maximă care apare la icircnceputul perioadei de răcire cacircnd pătrunderile de căldura spre agentul de răcire din sondele de icircngheţare au valori mai mari temperatura de vaporizare a agentului frigorific plecacircnd de la temperatura minimă sau medie din solul icircngheţat şi avacircnd icircn vedere modul de răcire directă sau indirectă
Se calculează cantitatea totală de căldură ce trebuie extrasă din terenul supus răcirii şi icircngheţării Se cunoaşte structura terenului icircngheţat deci se cunosc icircnălţimile h1 h2hn ale diferitelor straturi componente cacirct şi proprietăţile termofizice ale acestora
Grosimea centurii de teren icircngheţat se stabileşte icircn urma calculelor de rezistenţa materialelor icircncacirct se pot calcula volumele ocupate de straturile componente V1 V2Vn
Cantitatea de căldură ce trebuie extrasă din zona icircngheţată cuprinde două componente și anume
cantitatea de căldura Qa corespunzătoare răcirii şi icircngheţării apei
cantitatea de căldura Qt necesara răcirii părţii solide a terenului
n
1kfgsikaakka tcltcVQ (516)
unde
k - reprezintă conţinutul icircn apă din stratul respectiv [m3m3]
a - densitatea apei [kgm3]
ca cg - căldura specifica a apei respectiv a gheţii Jkg K
tik - temperatura iniţiala a stratului respectiv (de ordinul k)
tf - temperatura medie finala a masivului icircngheţat
ls - căldura latentă de solidificare a apei
r
q
q
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
52
fik
n
1kkkkkt ttc1VQ
(517)
k - densitatea părţii de teren solid (uscat) din stratul k
ck - căldura specifică a terenului uscat din stratul k
Cantitatea de căldură extrasă din terenul răcit reprezintă circa 1018 din cantitatea de căldură extrasă din zona de teren icircngheţat
Deci cantitatea totală de căldură Q ce va trebui preluată de către instalaţia frigorifică se poate aprecia astfel
Q = (110118) (Qa + Qt) (518)
Cu relaţia (51) se calculează puterea frigorifica a instalaţiei adoptacircnd o valoare medie pentru densitatea fluxului de căldura qF
Se poate aprecia timpul de funcţionare a instalaţiei frigorifice
o
Q
(519)
La anumite grosimi ale cochiliei de teren icircngheţat icircn jurul sondei densitatea fluxului termic scade sub valoarea medie adoptată icircn calcule şi ca urmare icircncepacircnd de la acest moment se va putea reduce treptat puterea frigorifica a instalaţiei prin scoaterea din funcţiune a unor grupuri
La proiectare se pot avea icircn vedere unele recomandări practice pentru stabilirea necesarului de frig pentru icircngheţarea unui m3 la -10 ordmC este necesar un consum specific de frig de 66000 kJ la 10 umiditate de 155000 kJ la 35 umiditate și de 210000 kJ la 50 umiditate
42 52 RĂCIREA BETONULUI LA CONSTRUCŢIILE MASIVE
421 521 INSTALAŢII DE PRERĂCIRE A COMPONENTELOR BETONULUI
Formarea betonului din elementele sale componente (nisip pietriş ciment şi apă) este icircnsoţită de fenomene fizico - chimice icircn care se degajă căldură şi ca urmare temperatura acestuia creşte Icircn cazul unor masive din beton (baraje) dacă viteza de turnare (icircn sezonul cald cacircnd se efectuază construcţia) este mai mare şi nu se asigura evacuarea căldurii corpul rezultă la o temperatura medie mai mare decacirct temperatura medie anuală Răcirea naturală conduce la contracţia masivului şi ca urmare la apariţia sub acţiunea tensiunilor interne a unor fisuri
Pentru ca variaţiile de temperatura icircntre centrul barajului şi straturile exterioare să fie cacirct mai mici se impune ca masivul respectiv să fie turnat la temperatura medie anuală a zonei respective Icircn acest scop se pot folosi două metode prin prerăcirea componentelor betonului și prin răcirea masei barajului
Icircn vederea reducerii căldurii degajată icircn reacţia dintre ciment şi apă au fost realizate sortimente de ciment caracterizate prin călduri masice reduse ce se degajă icircn procesul de priză
Prin prerăcirea componentelor betonului se urmăreşte ca betonul sa aibă temperatura medie a locului de amplasament şi prin aceasta evitarea apariţiei unor diferenţe mari de temperatură ce pun icircn pericol construcţia
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
53
Icircn funcţie de valoarea diferenţei de temperatură care trebuie realizată se poate adopta o anumită schemă de răcire pentru fiecare component icircn parte sau numai pentru unele din aceste părţi componente
Se pot folosi instalaţii frigorifice cu comprimare mecanică de vapori pentru răcirea apei a aerului sau formarea gheţii mărunte utilizate la prerăcirea componentelor betonului Folosirea gheţii fulgi sau solzi este limitată atacirct din cauza conţinutului de apă impus cacirct şi ca urmare a pericolului ca gheaţa să nu se topească icircn procesul de malaxare ci la turnare sau icircn procesul de priză ceea ce duce la formarea de goluri icircn beton
De asemenea se pot folosi instalaţiile frigorifice cu ejecţie
Icircn vederea stabilirii necesarului de frig pentru preratildecirea componentelor betonului se calculează mai icircntacirci cantitatea de catildelduratilde Qo1 ce trebuie evacuatatilde dintr-un m3 de beton avacircndu-se icircn vedere proporţiile icircn care participatilde cimentul nisipul pietrişul şi apa Fiecare component are o temperatură iniţialatilde şi urmeazatilde a fi răcit pacircnatilde la o temperatura finalatilde tf aceeaşi pentru toţi componenţii
fpppfnnnfccc1o ttcmttcmttcmQ
fnaanfpaapfaaa ttcmttcmttcm Jm3 (520)
unde
mc mn mp ma - masele de ciment nisip pietriş şi apă conţinute icircntr-un m3 de beton [kgm3]
cc cn cp cw - căldurile specifice masice ale cimentului nisipului pietrişului şi nisipul dintr-un m3 de beton [kgm3]
Puterea frigorifică se determină cu relaţia
3b1oo 10VQ [kW] (521)
icircn care bV reprezintă fluxul de betonare icircn m3s
Se prezintă icircn continuare cele mai folosite metode de prerăcire a componentelor betonului
4211 a) Instalaţie de prerăcire cu apă
Staţia de preparare a betonului este deservită de o instalaţie frigorifică cu comprimare mecanică de vapori care asigură răcirea apei
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
54
Figura 418 Fig 518 Schema de lucru a instalaţiei de prerăcire a betonului cu ajutorul apei 1 - ciment 2 - vagon nisip 3 - vagon pietris 4 - tancuri de răcire a pietrişului 5 - sită 6 - siloz de
nisip 7 - siloz de ciment 8 - rezervor de distribuţie 9 - răcitor de nisip 10 - răcitor de ciment 11 - răcitor de apă 12 - rezervor de apă răcită 13 - răcitor de apă 14 - instalaţie de prepararea betonului
I II III IV V - fazele de răcire a pietrişului
Icircn figura 518 se prezintă schema de lucru a unei asemenea instalaţii de prerăcire a betonului cu ajutorul apei folosită la construcţia barajului de la Detroit (SUA) Apa este răcită de la 16 la 15 ordmC şi transmisă apoi la instalaţia de preparare a betonului şi icircn cinci rezervoare a cacircte 90 m3 fiecare icircn care se răceşte pietrişul
Procesul de răcire a pietrişului cuprinde cinci faze
- faza I - introducerea apei icircn rezervor 10 minute
- fazele II şi III - introducerea simultană a apei şi a pietrişului 50 minute
- faza IV - evacuarea apei 15 minute
- faza V - evacuarea pietrişului 15 minute
Icircntregul proces de răcire a pietrişului durează 90 minute Pentru răcirea cimentului şi nisipului se utilizează schimbătoare de căldură cu ax elicoidal la care apa de răcire circulă prin arborele gol şi prin manta
Rezervoarele 12 pentru apa răcită au fiecare volumul de 114 m3
Beton 635oC
190 m3h
65oC
24oC
18oC
1
2
3
4
5
6
7
8
10
9
11
12
13
14
Apă 16oC
15oC
Cim
en
t
26 l
h
Nis
ip 1
12
lh
10
oC
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
55
42111 Aplicaţie numerică
Să se calculeze puterea frigorifică necesară prerăcirii betonului prin metode şi condiţiile prezentate mai sus Se cunosc următoarele date de calcul
mp = 1700 kgm3 beton
mc = 135 kgm3 beton
mn = 590 kgm3 beton
ma = 60 kgm3 beton
cc = cn = cp = 921 Jkg K
ca = 4180 Jkg K
map = 16 kgm3 beton
man = 38 kgm3 beton
tp = 18 ordmC
tc = 66 ordmC
tn = 21 ordmC tf = 635 ordmC
052803000
190Vb m3s
Se calculează componentele cantităţii de căldură Q01
3fcccc 10741735666921135ttcmQ Jm3
3fnnnn 10796135621921590ttcmQ Jm3
3fpppp 1024018356189211700ttcmQ Jm3
3faaaa 10420235616418060ttcmQ Jm3
3fpaapap 1077935618418016ttcmQ Jm3
3fnaaan 10232735621418038ttcmQ Jm3
Rezulta
3anapapnc1o 1039144QQQQQQQ Jm3
3o 10 206705280103914410VQ 33
b1o kW
4212 b) Instalaţii de prerăcire cu aer apă
Pentru răcirea componentelor betonului se utilizează icircn acest caz fie apa fie aerul ca agenţi intermediari răciţi cu ajutorul instalaţiilor frigorifice
Icircn figura 519 se prezintă schema unei asemenea instalaţii folosită la construcţia barajului de la Sariyar din Turcia
Răcirea aerului se poate face fie direct prin vaporizarea unui agent frigorific fie indirect cu un agent intermediar de răcire ca de exemplu saramura de clorură de calciu Aerul răcit pacircnă la -6 ordmC este suflat icircn silozurile cu pietriş de dimensiuni icircntre 4150 mm
Apa răcită icircn bazinul la pacircnă la 05 ordm este trimisă din colectorul 12 la staţia de preparare a betonului servind la scăderea temperaturii acestuia
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
56
Figura 419 Fig 519 Schema instalaţiei de prerăcire a betonului cu aer şi apă 1 - compresor 2 - condensator 3 - ventile de laminare 4 - vaporizatoare 5 - bazin de răcire a
saramurii 6 - pompă de saramură 7 - răcitor umed de aer 8 - ventilatoare 9 - silozuri de pietriş 10 - bazin de răcire a apei 11 - pompă 12 - colector de apă răcită
Figura 420 Fig 520 Schema instalaţiei de prerăcire cu aer şi apă 1 - siloz de pietriş şi nisip 2 - siloz de ciment 3 rezervor de apă 4 - răcitor de aer 5 - răcitor de apă
4 - răcitor de apă 6 - buncăr de sortare 7 - instalaţie de preparare beton
Pentru intensificarea procesului de răcire a pietrişului aerul este răcit sub 0 ordmC Acest procedeu are avantajul unei funcţionări fără icircntrerupere a procesului de preparare a betonului dar prezintă şi o serie de dezavantaje debite foarte mari de aer de răcire posibilitatea antrenării particulelor fine de agregat icircn răcitorul de aer şi depunerea acestora pe suprafaţa de schimb de căldură Ca urmare instalaţia se va curăţa la circa 14 zile Icircn figura 520 se prezintă o altă schemă de instalaţie de prerăcire a betonului cu aer şi apă folosită la construcţia unui baraj din India
Apă
295oC
Ciment
433oC
Pietriş şi nisip
378oC
Apă 6oC
Ciment 433oC
Aer
Pietriş
45oC Nisip 222oC
22oC
Ap
ă
45
oC
Ap
ă 2
2o
C
Ae
r 5
5o
C
Be
ton
12
8o
C
Apă 22oC
2
1
3 4 5
8
9
5 7
12
1oC
11
05oC 9oC 9oC
-9oC
-10oC -10oC
-10oC 2oC
6oC
10 4 4 6
8 8
8
8 8
9 9 9 9
1
2
3 3
7
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
57
Pietrişul şi nisipul se separă icircntre ele icircn buncărul de sortare 6 şi apoi fiecare circulă pe cacircte o bandă transportoare prin camera de răcire 7 Pietrişul este răcit cu ajutorul apei
Fig
ura
42
1 F
ig 5
21
Sc
he
ma
in
sta
laţi
ei
de
ră
cir
e icirc
n v
id a
co
mp
on
en
telo
r b
eto
nu
lui
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
58
reci icircncacirct ajunge la o temperatură mai scăzută decacirct nisipul răcit cu aer Prin camera 7 se circulă şi aer rece care se introduce la temperatura de 55 ordmC Cimentul se introduce la instalaţia de preparare a betonului 9 fără a fi răcit
O altă posibilitate de prerăcire a agregatelor (pietriş şi nisip) şi a apei utilizată mai recent la construirea barajelor icircntrebuinţează răcirea icircn vid la care agregatele uşor umezite icircn recipiente sub presiune se răcesc după nevoie (prin reglarea vacuumului) la o temperatură mai scăzută sau mai ridicată Căldura necesară evaporării umidităţii de pe agregate şi din ele (apa legată) este luată chiar de la corpurile respective (pietriş nisip) şi ca urmare acestea se răcesc
O asemenea instalaţie utilizată la Hortwell icircn SUA (figura 521) cuprinde 3 recipienţi de cacircte 150 m3 pentru răcirea pietrişului şi 3 recipienţi de cacircte 80 m3 pentru răcirea nisipului
Pietrişul şi nisipul cu temperatura maximă de 43 ordmC se pot răci pacircnă la temperatura necesară de 45 ordmC Pentru realizarea vidului necesar se folosesc două cazane de abur care produc 77 th fiecare
422 522 RĂCIREA INTERIOARĂ A MASIVULUI DE BETON
Prerăcirea betonului se recomandă icircn condiţiile unei zone tropicale sau temperate de amplasare a construcţiei masive nu se recomandă icircn cazul amplasării barajului icircn munţi unde temperatura aerului este scăzută Icircn asemenea situaţii se recomandă răcirea betonului prin conducte amplasate icircn masiv prin care circulă apă rece
La răcirea interioară cu conducte montate icircn beton are loc o eliminarea a căldurii simultan cu producerea ei icircn procesul de priză producacircndu-se şi o răcire pacircnă la temperatura necesară Pentru răcire se folosesc conducte de oţel cu diametre de 1525 mm montate la distanţe de 1223 m icircn plan orizontal şi de 153 m icircn plan vertical Lungimea conductelor icircntr-un m3 de beton este de 0204 şi a fiecărei serpentine de 140250 m
Debitul apei de răcire ce circulă prin 1 m3 de beton este de (0553) dm3h
Figura 422 Fig 522 Reţea de conducte de răcire a betonului icircn secţiunea unui baraj 1 - galerie pentru măsurători 2 - galerie de conducte de apă de răcire
Serpentinele se montează şi se fixează pe suprafaţă de beton (fig522) Capetele serpentinelor se leagă de o coloană verticală prin mufe metalice sau de cauciuc Diametrul distribuitorului şi al coloanei este cuprins icircntre 150200 mm După montaj aceste conducte se verifică la presiunea de lucru
1 2
Ax
a
ba
raju
lui
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
51
Figura 417 Fig 517 Stabilirea dependentei qF() pe baza dependentelor qF(r) și (r)
415 515 ELEMENTE DE PROIECTARE A INSTALAŢIEI FRIGORIFICE PENTRU IcircNGHEŢAREA SOLULUI
Pentru proiectarea instalaţiei frigorifice trebuie sa se stabilească la icircnceput elementele de baza și anume
- puterea frigorifică maximă care apare la icircnceputul perioadei de răcire cacircnd pătrunderile de căldura spre agentul de răcire din sondele de icircngheţare au valori mai mari temperatura de vaporizare a agentului frigorific plecacircnd de la temperatura minimă sau medie din solul icircngheţat şi avacircnd icircn vedere modul de răcire directă sau indirectă
Se calculează cantitatea totală de căldură ce trebuie extrasă din terenul supus răcirii şi icircngheţării Se cunoaşte structura terenului icircngheţat deci se cunosc icircnălţimile h1 h2hn ale diferitelor straturi componente cacirct şi proprietăţile termofizice ale acestora
Grosimea centurii de teren icircngheţat se stabileşte icircn urma calculelor de rezistenţa materialelor icircncacirct se pot calcula volumele ocupate de straturile componente V1 V2Vn
Cantitatea de căldură ce trebuie extrasă din zona icircngheţată cuprinde două componente și anume
cantitatea de căldura Qa corespunzătoare răcirii şi icircngheţării apei
cantitatea de căldura Qt necesara răcirii părţii solide a terenului
n
1kfgsikaakka tcltcVQ (516)
unde
k - reprezintă conţinutul icircn apă din stratul respectiv [m3m3]
a - densitatea apei [kgm3]
ca cg - căldura specifica a apei respectiv a gheţii Jkg K
tik - temperatura iniţiala a stratului respectiv (de ordinul k)
tf - temperatura medie finala a masivului icircngheţat
ls - căldura latentă de solidificare a apei
r
q
q
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
52
fik
n
1kkkkkt ttc1VQ
(517)
k - densitatea părţii de teren solid (uscat) din stratul k
ck - căldura specifică a terenului uscat din stratul k
Cantitatea de căldură extrasă din terenul răcit reprezintă circa 1018 din cantitatea de căldură extrasă din zona de teren icircngheţat
Deci cantitatea totală de căldură Q ce va trebui preluată de către instalaţia frigorifică se poate aprecia astfel
Q = (110118) (Qa + Qt) (518)
Cu relaţia (51) se calculează puterea frigorifica a instalaţiei adoptacircnd o valoare medie pentru densitatea fluxului de căldura qF
Se poate aprecia timpul de funcţionare a instalaţiei frigorifice
o
Q
(519)
La anumite grosimi ale cochiliei de teren icircngheţat icircn jurul sondei densitatea fluxului termic scade sub valoarea medie adoptată icircn calcule şi ca urmare icircncepacircnd de la acest moment se va putea reduce treptat puterea frigorifica a instalaţiei prin scoaterea din funcţiune a unor grupuri
La proiectare se pot avea icircn vedere unele recomandări practice pentru stabilirea necesarului de frig pentru icircngheţarea unui m3 la -10 ordmC este necesar un consum specific de frig de 66000 kJ la 10 umiditate de 155000 kJ la 35 umiditate și de 210000 kJ la 50 umiditate
42 52 RĂCIREA BETONULUI LA CONSTRUCŢIILE MASIVE
421 521 INSTALAŢII DE PRERĂCIRE A COMPONENTELOR BETONULUI
Formarea betonului din elementele sale componente (nisip pietriş ciment şi apă) este icircnsoţită de fenomene fizico - chimice icircn care se degajă căldură şi ca urmare temperatura acestuia creşte Icircn cazul unor masive din beton (baraje) dacă viteza de turnare (icircn sezonul cald cacircnd se efectuază construcţia) este mai mare şi nu se asigura evacuarea căldurii corpul rezultă la o temperatura medie mai mare decacirct temperatura medie anuală Răcirea naturală conduce la contracţia masivului şi ca urmare la apariţia sub acţiunea tensiunilor interne a unor fisuri
Pentru ca variaţiile de temperatura icircntre centrul barajului şi straturile exterioare să fie cacirct mai mici se impune ca masivul respectiv să fie turnat la temperatura medie anuală a zonei respective Icircn acest scop se pot folosi două metode prin prerăcirea componentelor betonului și prin răcirea masei barajului
Icircn vederea reducerii căldurii degajată icircn reacţia dintre ciment şi apă au fost realizate sortimente de ciment caracterizate prin călduri masice reduse ce se degajă icircn procesul de priză
Prin prerăcirea componentelor betonului se urmăreşte ca betonul sa aibă temperatura medie a locului de amplasament şi prin aceasta evitarea apariţiei unor diferenţe mari de temperatură ce pun icircn pericol construcţia
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
53
Icircn funcţie de valoarea diferenţei de temperatură care trebuie realizată se poate adopta o anumită schemă de răcire pentru fiecare component icircn parte sau numai pentru unele din aceste părţi componente
Se pot folosi instalaţii frigorifice cu comprimare mecanică de vapori pentru răcirea apei a aerului sau formarea gheţii mărunte utilizate la prerăcirea componentelor betonului Folosirea gheţii fulgi sau solzi este limitată atacirct din cauza conţinutului de apă impus cacirct şi ca urmare a pericolului ca gheaţa să nu se topească icircn procesul de malaxare ci la turnare sau icircn procesul de priză ceea ce duce la formarea de goluri icircn beton
De asemenea se pot folosi instalaţiile frigorifice cu ejecţie
Icircn vederea stabilirii necesarului de frig pentru preratildecirea componentelor betonului se calculează mai icircntacirci cantitatea de catildelduratilde Qo1 ce trebuie evacuatatilde dintr-un m3 de beton avacircndu-se icircn vedere proporţiile icircn care participatilde cimentul nisipul pietrişul şi apa Fiecare component are o temperatură iniţialatilde şi urmeazatilde a fi răcit pacircnatilde la o temperatura finalatilde tf aceeaşi pentru toţi componenţii
fpppfnnnfccc1o ttcmttcmttcmQ
fnaanfpaapfaaa ttcmttcmttcm Jm3 (520)
unde
mc mn mp ma - masele de ciment nisip pietriş şi apă conţinute icircntr-un m3 de beton [kgm3]
cc cn cp cw - căldurile specifice masice ale cimentului nisipului pietrişului şi nisipul dintr-un m3 de beton [kgm3]
Puterea frigorifică se determină cu relaţia
3b1oo 10VQ [kW] (521)
icircn care bV reprezintă fluxul de betonare icircn m3s
Se prezintă icircn continuare cele mai folosite metode de prerăcire a componentelor betonului
4211 a) Instalaţie de prerăcire cu apă
Staţia de preparare a betonului este deservită de o instalaţie frigorifică cu comprimare mecanică de vapori care asigură răcirea apei
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
54
Figura 418 Fig 518 Schema de lucru a instalaţiei de prerăcire a betonului cu ajutorul apei 1 - ciment 2 - vagon nisip 3 - vagon pietris 4 - tancuri de răcire a pietrişului 5 - sită 6 - siloz de
nisip 7 - siloz de ciment 8 - rezervor de distribuţie 9 - răcitor de nisip 10 - răcitor de ciment 11 - răcitor de apă 12 - rezervor de apă răcită 13 - răcitor de apă 14 - instalaţie de prepararea betonului
I II III IV V - fazele de răcire a pietrişului
Icircn figura 518 se prezintă schema de lucru a unei asemenea instalaţii de prerăcire a betonului cu ajutorul apei folosită la construcţia barajului de la Detroit (SUA) Apa este răcită de la 16 la 15 ordmC şi transmisă apoi la instalaţia de preparare a betonului şi icircn cinci rezervoare a cacircte 90 m3 fiecare icircn care se răceşte pietrişul
Procesul de răcire a pietrişului cuprinde cinci faze
- faza I - introducerea apei icircn rezervor 10 minute
- fazele II şi III - introducerea simultană a apei şi a pietrişului 50 minute
- faza IV - evacuarea apei 15 minute
- faza V - evacuarea pietrişului 15 minute
Icircntregul proces de răcire a pietrişului durează 90 minute Pentru răcirea cimentului şi nisipului se utilizează schimbătoare de căldură cu ax elicoidal la care apa de răcire circulă prin arborele gol şi prin manta
Rezervoarele 12 pentru apa răcită au fiecare volumul de 114 m3
Beton 635oC
190 m3h
65oC
24oC
18oC
1
2
3
4
5
6
7
8
10
9
11
12
13
14
Apă 16oC
15oC
Cim
en
t
26 l
h
Nis
ip 1
12
lh
10
oC
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
55
42111 Aplicaţie numerică
Să se calculeze puterea frigorifică necesară prerăcirii betonului prin metode şi condiţiile prezentate mai sus Se cunosc următoarele date de calcul
mp = 1700 kgm3 beton
mc = 135 kgm3 beton
mn = 590 kgm3 beton
ma = 60 kgm3 beton
cc = cn = cp = 921 Jkg K
ca = 4180 Jkg K
map = 16 kgm3 beton
man = 38 kgm3 beton
tp = 18 ordmC
tc = 66 ordmC
tn = 21 ordmC tf = 635 ordmC
052803000
190Vb m3s
Se calculează componentele cantităţii de căldură Q01
3fcccc 10741735666921135ttcmQ Jm3
3fnnnn 10796135621921590ttcmQ Jm3
3fpppp 1024018356189211700ttcmQ Jm3
3faaaa 10420235616418060ttcmQ Jm3
3fpaapap 1077935618418016ttcmQ Jm3
3fnaaan 10232735621418038ttcmQ Jm3
Rezulta
3anapapnc1o 1039144QQQQQQQ Jm3
3o 10 206705280103914410VQ 33
b1o kW
4212 b) Instalaţii de prerăcire cu aer apă
Pentru răcirea componentelor betonului se utilizează icircn acest caz fie apa fie aerul ca agenţi intermediari răciţi cu ajutorul instalaţiilor frigorifice
Icircn figura 519 se prezintă schema unei asemenea instalaţii folosită la construcţia barajului de la Sariyar din Turcia
Răcirea aerului se poate face fie direct prin vaporizarea unui agent frigorific fie indirect cu un agent intermediar de răcire ca de exemplu saramura de clorură de calciu Aerul răcit pacircnă la -6 ordmC este suflat icircn silozurile cu pietriş de dimensiuni icircntre 4150 mm
Apa răcită icircn bazinul la pacircnă la 05 ordm este trimisă din colectorul 12 la staţia de preparare a betonului servind la scăderea temperaturii acestuia
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
56
Figura 419 Fig 519 Schema instalaţiei de prerăcire a betonului cu aer şi apă 1 - compresor 2 - condensator 3 - ventile de laminare 4 - vaporizatoare 5 - bazin de răcire a
saramurii 6 - pompă de saramură 7 - răcitor umed de aer 8 - ventilatoare 9 - silozuri de pietriş 10 - bazin de răcire a apei 11 - pompă 12 - colector de apă răcită
Figura 420 Fig 520 Schema instalaţiei de prerăcire cu aer şi apă 1 - siloz de pietriş şi nisip 2 - siloz de ciment 3 rezervor de apă 4 - răcitor de aer 5 - răcitor de apă
4 - răcitor de apă 6 - buncăr de sortare 7 - instalaţie de preparare beton
Pentru intensificarea procesului de răcire a pietrişului aerul este răcit sub 0 ordmC Acest procedeu are avantajul unei funcţionări fără icircntrerupere a procesului de preparare a betonului dar prezintă şi o serie de dezavantaje debite foarte mari de aer de răcire posibilitatea antrenării particulelor fine de agregat icircn răcitorul de aer şi depunerea acestora pe suprafaţa de schimb de căldură Ca urmare instalaţia se va curăţa la circa 14 zile Icircn figura 520 se prezintă o altă schemă de instalaţie de prerăcire a betonului cu aer şi apă folosită la construcţia unui baraj din India
Apă
295oC
Ciment
433oC
Pietriş şi nisip
378oC
Apă 6oC
Ciment 433oC
Aer
Pietriş
45oC Nisip 222oC
22oC
Ap
ă
45
oC
Ap
ă 2
2o
C
Ae
r 5
5o
C
Be
ton
12
8o
C
Apă 22oC
2
1
3 4 5
8
9
5 7
12
1oC
11
05oC 9oC 9oC
-9oC
-10oC -10oC
-10oC 2oC
6oC
10 4 4 6
8 8
8
8 8
9 9 9 9
1
2
3 3
7
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
57
Pietrişul şi nisipul se separă icircntre ele icircn buncărul de sortare 6 şi apoi fiecare circulă pe cacircte o bandă transportoare prin camera de răcire 7 Pietrişul este răcit cu ajutorul apei
Fig
ura
42
1 F
ig 5
21
Sc
he
ma
in
sta
laţi
ei
de
ră
cir
e icirc
n v
id a
co
mp
on
en
telo
r b
eto
nu
lui
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
58
reci icircncacirct ajunge la o temperatură mai scăzută decacirct nisipul răcit cu aer Prin camera 7 se circulă şi aer rece care se introduce la temperatura de 55 ordmC Cimentul se introduce la instalaţia de preparare a betonului 9 fără a fi răcit
O altă posibilitate de prerăcire a agregatelor (pietriş şi nisip) şi a apei utilizată mai recent la construirea barajelor icircntrebuinţează răcirea icircn vid la care agregatele uşor umezite icircn recipiente sub presiune se răcesc după nevoie (prin reglarea vacuumului) la o temperatură mai scăzută sau mai ridicată Căldura necesară evaporării umidităţii de pe agregate şi din ele (apa legată) este luată chiar de la corpurile respective (pietriş nisip) şi ca urmare acestea se răcesc
O asemenea instalaţie utilizată la Hortwell icircn SUA (figura 521) cuprinde 3 recipienţi de cacircte 150 m3 pentru răcirea pietrişului şi 3 recipienţi de cacircte 80 m3 pentru răcirea nisipului
Pietrişul şi nisipul cu temperatura maximă de 43 ordmC se pot răci pacircnă la temperatura necesară de 45 ordmC Pentru realizarea vidului necesar se folosesc două cazane de abur care produc 77 th fiecare
422 522 RĂCIREA INTERIOARĂ A MASIVULUI DE BETON
Prerăcirea betonului se recomandă icircn condiţiile unei zone tropicale sau temperate de amplasare a construcţiei masive nu se recomandă icircn cazul amplasării barajului icircn munţi unde temperatura aerului este scăzută Icircn asemenea situaţii se recomandă răcirea betonului prin conducte amplasate icircn masiv prin care circulă apă rece
La răcirea interioară cu conducte montate icircn beton are loc o eliminarea a căldurii simultan cu producerea ei icircn procesul de priză producacircndu-se şi o răcire pacircnă la temperatura necesară Pentru răcire se folosesc conducte de oţel cu diametre de 1525 mm montate la distanţe de 1223 m icircn plan orizontal şi de 153 m icircn plan vertical Lungimea conductelor icircntr-un m3 de beton este de 0204 şi a fiecărei serpentine de 140250 m
Debitul apei de răcire ce circulă prin 1 m3 de beton este de (0553) dm3h
Figura 422 Fig 522 Reţea de conducte de răcire a betonului icircn secţiunea unui baraj 1 - galerie pentru măsurători 2 - galerie de conducte de apă de răcire
Serpentinele se montează şi se fixează pe suprafaţă de beton (fig522) Capetele serpentinelor se leagă de o coloană verticală prin mufe metalice sau de cauciuc Diametrul distribuitorului şi al coloanei este cuprins icircntre 150200 mm După montaj aceste conducte se verifică la presiunea de lucru
1 2
Ax
a
ba
raju
lui
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
52
fik
n
1kkkkkt ttc1VQ
(517)
k - densitatea părţii de teren solid (uscat) din stratul k
ck - căldura specifică a terenului uscat din stratul k
Cantitatea de căldură extrasă din terenul răcit reprezintă circa 1018 din cantitatea de căldură extrasă din zona de teren icircngheţat
Deci cantitatea totală de căldură Q ce va trebui preluată de către instalaţia frigorifică se poate aprecia astfel
Q = (110118) (Qa + Qt) (518)
Cu relaţia (51) se calculează puterea frigorifica a instalaţiei adoptacircnd o valoare medie pentru densitatea fluxului de căldura qF
Se poate aprecia timpul de funcţionare a instalaţiei frigorifice
o
Q
(519)
La anumite grosimi ale cochiliei de teren icircngheţat icircn jurul sondei densitatea fluxului termic scade sub valoarea medie adoptată icircn calcule şi ca urmare icircncepacircnd de la acest moment se va putea reduce treptat puterea frigorifica a instalaţiei prin scoaterea din funcţiune a unor grupuri
La proiectare se pot avea icircn vedere unele recomandări practice pentru stabilirea necesarului de frig pentru icircngheţarea unui m3 la -10 ordmC este necesar un consum specific de frig de 66000 kJ la 10 umiditate de 155000 kJ la 35 umiditate și de 210000 kJ la 50 umiditate
42 52 RĂCIREA BETONULUI LA CONSTRUCŢIILE MASIVE
421 521 INSTALAŢII DE PRERĂCIRE A COMPONENTELOR BETONULUI
Formarea betonului din elementele sale componente (nisip pietriş ciment şi apă) este icircnsoţită de fenomene fizico - chimice icircn care se degajă căldură şi ca urmare temperatura acestuia creşte Icircn cazul unor masive din beton (baraje) dacă viteza de turnare (icircn sezonul cald cacircnd se efectuază construcţia) este mai mare şi nu se asigura evacuarea căldurii corpul rezultă la o temperatura medie mai mare decacirct temperatura medie anuală Răcirea naturală conduce la contracţia masivului şi ca urmare la apariţia sub acţiunea tensiunilor interne a unor fisuri
Pentru ca variaţiile de temperatura icircntre centrul barajului şi straturile exterioare să fie cacirct mai mici se impune ca masivul respectiv să fie turnat la temperatura medie anuală a zonei respective Icircn acest scop se pot folosi două metode prin prerăcirea componentelor betonului și prin răcirea masei barajului
Icircn vederea reducerii căldurii degajată icircn reacţia dintre ciment şi apă au fost realizate sortimente de ciment caracterizate prin călduri masice reduse ce se degajă icircn procesul de priză
Prin prerăcirea componentelor betonului se urmăreşte ca betonul sa aibă temperatura medie a locului de amplasament şi prin aceasta evitarea apariţiei unor diferenţe mari de temperatură ce pun icircn pericol construcţia
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
53
Icircn funcţie de valoarea diferenţei de temperatură care trebuie realizată se poate adopta o anumită schemă de răcire pentru fiecare component icircn parte sau numai pentru unele din aceste părţi componente
Se pot folosi instalaţii frigorifice cu comprimare mecanică de vapori pentru răcirea apei a aerului sau formarea gheţii mărunte utilizate la prerăcirea componentelor betonului Folosirea gheţii fulgi sau solzi este limitată atacirct din cauza conţinutului de apă impus cacirct şi ca urmare a pericolului ca gheaţa să nu se topească icircn procesul de malaxare ci la turnare sau icircn procesul de priză ceea ce duce la formarea de goluri icircn beton
De asemenea se pot folosi instalaţiile frigorifice cu ejecţie
Icircn vederea stabilirii necesarului de frig pentru preratildecirea componentelor betonului se calculează mai icircntacirci cantitatea de catildelduratilde Qo1 ce trebuie evacuatatilde dintr-un m3 de beton avacircndu-se icircn vedere proporţiile icircn care participatilde cimentul nisipul pietrişul şi apa Fiecare component are o temperatură iniţialatilde şi urmeazatilde a fi răcit pacircnatilde la o temperatura finalatilde tf aceeaşi pentru toţi componenţii
fpppfnnnfccc1o ttcmttcmttcmQ
fnaanfpaapfaaa ttcmttcmttcm Jm3 (520)
unde
mc mn mp ma - masele de ciment nisip pietriş şi apă conţinute icircntr-un m3 de beton [kgm3]
cc cn cp cw - căldurile specifice masice ale cimentului nisipului pietrişului şi nisipul dintr-un m3 de beton [kgm3]
Puterea frigorifică se determină cu relaţia
3b1oo 10VQ [kW] (521)
icircn care bV reprezintă fluxul de betonare icircn m3s
Se prezintă icircn continuare cele mai folosite metode de prerăcire a componentelor betonului
4211 a) Instalaţie de prerăcire cu apă
Staţia de preparare a betonului este deservită de o instalaţie frigorifică cu comprimare mecanică de vapori care asigură răcirea apei
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
54
Figura 418 Fig 518 Schema de lucru a instalaţiei de prerăcire a betonului cu ajutorul apei 1 - ciment 2 - vagon nisip 3 - vagon pietris 4 - tancuri de răcire a pietrişului 5 - sită 6 - siloz de
nisip 7 - siloz de ciment 8 - rezervor de distribuţie 9 - răcitor de nisip 10 - răcitor de ciment 11 - răcitor de apă 12 - rezervor de apă răcită 13 - răcitor de apă 14 - instalaţie de prepararea betonului
I II III IV V - fazele de răcire a pietrişului
Icircn figura 518 se prezintă schema de lucru a unei asemenea instalaţii de prerăcire a betonului cu ajutorul apei folosită la construcţia barajului de la Detroit (SUA) Apa este răcită de la 16 la 15 ordmC şi transmisă apoi la instalaţia de preparare a betonului şi icircn cinci rezervoare a cacircte 90 m3 fiecare icircn care se răceşte pietrişul
Procesul de răcire a pietrişului cuprinde cinci faze
- faza I - introducerea apei icircn rezervor 10 minute
- fazele II şi III - introducerea simultană a apei şi a pietrişului 50 minute
- faza IV - evacuarea apei 15 minute
- faza V - evacuarea pietrişului 15 minute
Icircntregul proces de răcire a pietrişului durează 90 minute Pentru răcirea cimentului şi nisipului se utilizează schimbătoare de căldură cu ax elicoidal la care apa de răcire circulă prin arborele gol şi prin manta
Rezervoarele 12 pentru apa răcită au fiecare volumul de 114 m3
Beton 635oC
190 m3h
65oC
24oC
18oC
1
2
3
4
5
6
7
8
10
9
11
12
13
14
Apă 16oC
15oC
Cim
en
t
26 l
h
Nis
ip 1
12
lh
10
oC
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
55
42111 Aplicaţie numerică
Să se calculeze puterea frigorifică necesară prerăcirii betonului prin metode şi condiţiile prezentate mai sus Se cunosc următoarele date de calcul
mp = 1700 kgm3 beton
mc = 135 kgm3 beton
mn = 590 kgm3 beton
ma = 60 kgm3 beton
cc = cn = cp = 921 Jkg K
ca = 4180 Jkg K
map = 16 kgm3 beton
man = 38 kgm3 beton
tp = 18 ordmC
tc = 66 ordmC
tn = 21 ordmC tf = 635 ordmC
052803000
190Vb m3s
Se calculează componentele cantităţii de căldură Q01
3fcccc 10741735666921135ttcmQ Jm3
3fnnnn 10796135621921590ttcmQ Jm3
3fpppp 1024018356189211700ttcmQ Jm3
3faaaa 10420235616418060ttcmQ Jm3
3fpaapap 1077935618418016ttcmQ Jm3
3fnaaan 10232735621418038ttcmQ Jm3
Rezulta
3anapapnc1o 1039144QQQQQQQ Jm3
3o 10 206705280103914410VQ 33
b1o kW
4212 b) Instalaţii de prerăcire cu aer apă
Pentru răcirea componentelor betonului se utilizează icircn acest caz fie apa fie aerul ca agenţi intermediari răciţi cu ajutorul instalaţiilor frigorifice
Icircn figura 519 se prezintă schema unei asemenea instalaţii folosită la construcţia barajului de la Sariyar din Turcia
Răcirea aerului se poate face fie direct prin vaporizarea unui agent frigorific fie indirect cu un agent intermediar de răcire ca de exemplu saramura de clorură de calciu Aerul răcit pacircnă la -6 ordmC este suflat icircn silozurile cu pietriş de dimensiuni icircntre 4150 mm
Apa răcită icircn bazinul la pacircnă la 05 ordm este trimisă din colectorul 12 la staţia de preparare a betonului servind la scăderea temperaturii acestuia
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
56
Figura 419 Fig 519 Schema instalaţiei de prerăcire a betonului cu aer şi apă 1 - compresor 2 - condensator 3 - ventile de laminare 4 - vaporizatoare 5 - bazin de răcire a
saramurii 6 - pompă de saramură 7 - răcitor umed de aer 8 - ventilatoare 9 - silozuri de pietriş 10 - bazin de răcire a apei 11 - pompă 12 - colector de apă răcită
Figura 420 Fig 520 Schema instalaţiei de prerăcire cu aer şi apă 1 - siloz de pietriş şi nisip 2 - siloz de ciment 3 rezervor de apă 4 - răcitor de aer 5 - răcitor de apă
4 - răcitor de apă 6 - buncăr de sortare 7 - instalaţie de preparare beton
Pentru intensificarea procesului de răcire a pietrişului aerul este răcit sub 0 ordmC Acest procedeu are avantajul unei funcţionări fără icircntrerupere a procesului de preparare a betonului dar prezintă şi o serie de dezavantaje debite foarte mari de aer de răcire posibilitatea antrenării particulelor fine de agregat icircn răcitorul de aer şi depunerea acestora pe suprafaţa de schimb de căldură Ca urmare instalaţia se va curăţa la circa 14 zile Icircn figura 520 se prezintă o altă schemă de instalaţie de prerăcire a betonului cu aer şi apă folosită la construcţia unui baraj din India
Apă
295oC
Ciment
433oC
Pietriş şi nisip
378oC
Apă 6oC
Ciment 433oC
Aer
Pietriş
45oC Nisip 222oC
22oC
Ap
ă
45
oC
Ap
ă 2
2o
C
Ae
r 5
5o
C
Be
ton
12
8o
C
Apă 22oC
2
1
3 4 5
8
9
5 7
12
1oC
11
05oC 9oC 9oC
-9oC
-10oC -10oC
-10oC 2oC
6oC
10 4 4 6
8 8
8
8 8
9 9 9 9
1
2
3 3
7
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
57
Pietrişul şi nisipul se separă icircntre ele icircn buncărul de sortare 6 şi apoi fiecare circulă pe cacircte o bandă transportoare prin camera de răcire 7 Pietrişul este răcit cu ajutorul apei
Fig
ura
42
1 F
ig 5
21
Sc
he
ma
in
sta
laţi
ei
de
ră
cir
e icirc
n v
id a
co
mp
on
en
telo
r b
eto
nu
lui
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
58
reci icircncacirct ajunge la o temperatură mai scăzută decacirct nisipul răcit cu aer Prin camera 7 se circulă şi aer rece care se introduce la temperatura de 55 ordmC Cimentul se introduce la instalaţia de preparare a betonului 9 fără a fi răcit
O altă posibilitate de prerăcire a agregatelor (pietriş şi nisip) şi a apei utilizată mai recent la construirea barajelor icircntrebuinţează răcirea icircn vid la care agregatele uşor umezite icircn recipiente sub presiune se răcesc după nevoie (prin reglarea vacuumului) la o temperatură mai scăzută sau mai ridicată Căldura necesară evaporării umidităţii de pe agregate şi din ele (apa legată) este luată chiar de la corpurile respective (pietriş nisip) şi ca urmare acestea se răcesc
O asemenea instalaţie utilizată la Hortwell icircn SUA (figura 521) cuprinde 3 recipienţi de cacircte 150 m3 pentru răcirea pietrişului şi 3 recipienţi de cacircte 80 m3 pentru răcirea nisipului
Pietrişul şi nisipul cu temperatura maximă de 43 ordmC se pot răci pacircnă la temperatura necesară de 45 ordmC Pentru realizarea vidului necesar se folosesc două cazane de abur care produc 77 th fiecare
422 522 RĂCIREA INTERIOARĂ A MASIVULUI DE BETON
Prerăcirea betonului se recomandă icircn condiţiile unei zone tropicale sau temperate de amplasare a construcţiei masive nu se recomandă icircn cazul amplasării barajului icircn munţi unde temperatura aerului este scăzută Icircn asemenea situaţii se recomandă răcirea betonului prin conducte amplasate icircn masiv prin care circulă apă rece
La răcirea interioară cu conducte montate icircn beton are loc o eliminarea a căldurii simultan cu producerea ei icircn procesul de priză producacircndu-se şi o răcire pacircnă la temperatura necesară Pentru răcire se folosesc conducte de oţel cu diametre de 1525 mm montate la distanţe de 1223 m icircn plan orizontal şi de 153 m icircn plan vertical Lungimea conductelor icircntr-un m3 de beton este de 0204 şi a fiecărei serpentine de 140250 m
Debitul apei de răcire ce circulă prin 1 m3 de beton este de (0553) dm3h
Figura 422 Fig 522 Reţea de conducte de răcire a betonului icircn secţiunea unui baraj 1 - galerie pentru măsurători 2 - galerie de conducte de apă de răcire
Serpentinele se montează şi se fixează pe suprafaţă de beton (fig522) Capetele serpentinelor se leagă de o coloană verticală prin mufe metalice sau de cauciuc Diametrul distribuitorului şi al coloanei este cuprins icircntre 150200 mm După montaj aceste conducte se verifică la presiunea de lucru
1 2
Ax
a
ba
raju
lui
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
53
Icircn funcţie de valoarea diferenţei de temperatură care trebuie realizată se poate adopta o anumită schemă de răcire pentru fiecare component icircn parte sau numai pentru unele din aceste părţi componente
Se pot folosi instalaţii frigorifice cu comprimare mecanică de vapori pentru răcirea apei a aerului sau formarea gheţii mărunte utilizate la prerăcirea componentelor betonului Folosirea gheţii fulgi sau solzi este limitată atacirct din cauza conţinutului de apă impus cacirct şi ca urmare a pericolului ca gheaţa să nu se topească icircn procesul de malaxare ci la turnare sau icircn procesul de priză ceea ce duce la formarea de goluri icircn beton
De asemenea se pot folosi instalaţiile frigorifice cu ejecţie
Icircn vederea stabilirii necesarului de frig pentru preratildecirea componentelor betonului se calculează mai icircntacirci cantitatea de catildelduratilde Qo1 ce trebuie evacuatatilde dintr-un m3 de beton avacircndu-se icircn vedere proporţiile icircn care participatilde cimentul nisipul pietrişul şi apa Fiecare component are o temperatură iniţialatilde şi urmeazatilde a fi răcit pacircnatilde la o temperatura finalatilde tf aceeaşi pentru toţi componenţii
fpppfnnnfccc1o ttcmttcmttcmQ
fnaanfpaapfaaa ttcmttcmttcm Jm3 (520)
unde
mc mn mp ma - masele de ciment nisip pietriş şi apă conţinute icircntr-un m3 de beton [kgm3]
cc cn cp cw - căldurile specifice masice ale cimentului nisipului pietrişului şi nisipul dintr-un m3 de beton [kgm3]
Puterea frigorifică se determină cu relaţia
3b1oo 10VQ [kW] (521)
icircn care bV reprezintă fluxul de betonare icircn m3s
Se prezintă icircn continuare cele mai folosite metode de prerăcire a componentelor betonului
4211 a) Instalaţie de prerăcire cu apă
Staţia de preparare a betonului este deservită de o instalaţie frigorifică cu comprimare mecanică de vapori care asigură răcirea apei
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
54
Figura 418 Fig 518 Schema de lucru a instalaţiei de prerăcire a betonului cu ajutorul apei 1 - ciment 2 - vagon nisip 3 - vagon pietris 4 - tancuri de răcire a pietrişului 5 - sită 6 - siloz de
nisip 7 - siloz de ciment 8 - rezervor de distribuţie 9 - răcitor de nisip 10 - răcitor de ciment 11 - răcitor de apă 12 - rezervor de apă răcită 13 - răcitor de apă 14 - instalaţie de prepararea betonului
I II III IV V - fazele de răcire a pietrişului
Icircn figura 518 se prezintă schema de lucru a unei asemenea instalaţii de prerăcire a betonului cu ajutorul apei folosită la construcţia barajului de la Detroit (SUA) Apa este răcită de la 16 la 15 ordmC şi transmisă apoi la instalaţia de preparare a betonului şi icircn cinci rezervoare a cacircte 90 m3 fiecare icircn care se răceşte pietrişul
Procesul de răcire a pietrişului cuprinde cinci faze
- faza I - introducerea apei icircn rezervor 10 minute
- fazele II şi III - introducerea simultană a apei şi a pietrişului 50 minute
- faza IV - evacuarea apei 15 minute
- faza V - evacuarea pietrişului 15 minute
Icircntregul proces de răcire a pietrişului durează 90 minute Pentru răcirea cimentului şi nisipului se utilizează schimbătoare de căldură cu ax elicoidal la care apa de răcire circulă prin arborele gol şi prin manta
Rezervoarele 12 pentru apa răcită au fiecare volumul de 114 m3
Beton 635oC
190 m3h
65oC
24oC
18oC
1
2
3
4
5
6
7
8
10
9
11
12
13
14
Apă 16oC
15oC
Cim
en
t
26 l
h
Nis
ip 1
12
lh
10
oC
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
55
42111 Aplicaţie numerică
Să se calculeze puterea frigorifică necesară prerăcirii betonului prin metode şi condiţiile prezentate mai sus Se cunosc următoarele date de calcul
mp = 1700 kgm3 beton
mc = 135 kgm3 beton
mn = 590 kgm3 beton
ma = 60 kgm3 beton
cc = cn = cp = 921 Jkg K
ca = 4180 Jkg K
map = 16 kgm3 beton
man = 38 kgm3 beton
tp = 18 ordmC
tc = 66 ordmC
tn = 21 ordmC tf = 635 ordmC
052803000
190Vb m3s
Se calculează componentele cantităţii de căldură Q01
3fcccc 10741735666921135ttcmQ Jm3
3fnnnn 10796135621921590ttcmQ Jm3
3fpppp 1024018356189211700ttcmQ Jm3
3faaaa 10420235616418060ttcmQ Jm3
3fpaapap 1077935618418016ttcmQ Jm3
3fnaaan 10232735621418038ttcmQ Jm3
Rezulta
3anapapnc1o 1039144QQQQQQQ Jm3
3o 10 206705280103914410VQ 33
b1o kW
4212 b) Instalaţii de prerăcire cu aer apă
Pentru răcirea componentelor betonului se utilizează icircn acest caz fie apa fie aerul ca agenţi intermediari răciţi cu ajutorul instalaţiilor frigorifice
Icircn figura 519 se prezintă schema unei asemenea instalaţii folosită la construcţia barajului de la Sariyar din Turcia
Răcirea aerului se poate face fie direct prin vaporizarea unui agent frigorific fie indirect cu un agent intermediar de răcire ca de exemplu saramura de clorură de calciu Aerul răcit pacircnă la -6 ordmC este suflat icircn silozurile cu pietriş de dimensiuni icircntre 4150 mm
Apa răcită icircn bazinul la pacircnă la 05 ordm este trimisă din colectorul 12 la staţia de preparare a betonului servind la scăderea temperaturii acestuia
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
56
Figura 419 Fig 519 Schema instalaţiei de prerăcire a betonului cu aer şi apă 1 - compresor 2 - condensator 3 - ventile de laminare 4 - vaporizatoare 5 - bazin de răcire a
saramurii 6 - pompă de saramură 7 - răcitor umed de aer 8 - ventilatoare 9 - silozuri de pietriş 10 - bazin de răcire a apei 11 - pompă 12 - colector de apă răcită
Figura 420 Fig 520 Schema instalaţiei de prerăcire cu aer şi apă 1 - siloz de pietriş şi nisip 2 - siloz de ciment 3 rezervor de apă 4 - răcitor de aer 5 - răcitor de apă
4 - răcitor de apă 6 - buncăr de sortare 7 - instalaţie de preparare beton
Pentru intensificarea procesului de răcire a pietrişului aerul este răcit sub 0 ordmC Acest procedeu are avantajul unei funcţionări fără icircntrerupere a procesului de preparare a betonului dar prezintă şi o serie de dezavantaje debite foarte mari de aer de răcire posibilitatea antrenării particulelor fine de agregat icircn răcitorul de aer şi depunerea acestora pe suprafaţa de schimb de căldură Ca urmare instalaţia se va curăţa la circa 14 zile Icircn figura 520 se prezintă o altă schemă de instalaţie de prerăcire a betonului cu aer şi apă folosită la construcţia unui baraj din India
Apă
295oC
Ciment
433oC
Pietriş şi nisip
378oC
Apă 6oC
Ciment 433oC
Aer
Pietriş
45oC Nisip 222oC
22oC
Ap
ă
45
oC
Ap
ă 2
2o
C
Ae
r 5
5o
C
Be
ton
12
8o
C
Apă 22oC
2
1
3 4 5
8
9
5 7
12
1oC
11
05oC 9oC 9oC
-9oC
-10oC -10oC
-10oC 2oC
6oC
10 4 4 6
8 8
8
8 8
9 9 9 9
1
2
3 3
7
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
57
Pietrişul şi nisipul se separă icircntre ele icircn buncărul de sortare 6 şi apoi fiecare circulă pe cacircte o bandă transportoare prin camera de răcire 7 Pietrişul este răcit cu ajutorul apei
Fig
ura
42
1 F
ig 5
21
Sc
he
ma
in
sta
laţi
ei
de
ră
cir
e icirc
n v
id a
co
mp
on
en
telo
r b
eto
nu
lui
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
58
reci icircncacirct ajunge la o temperatură mai scăzută decacirct nisipul răcit cu aer Prin camera 7 se circulă şi aer rece care se introduce la temperatura de 55 ordmC Cimentul se introduce la instalaţia de preparare a betonului 9 fără a fi răcit
O altă posibilitate de prerăcire a agregatelor (pietriş şi nisip) şi a apei utilizată mai recent la construirea barajelor icircntrebuinţează răcirea icircn vid la care agregatele uşor umezite icircn recipiente sub presiune se răcesc după nevoie (prin reglarea vacuumului) la o temperatură mai scăzută sau mai ridicată Căldura necesară evaporării umidităţii de pe agregate şi din ele (apa legată) este luată chiar de la corpurile respective (pietriş nisip) şi ca urmare acestea se răcesc
O asemenea instalaţie utilizată la Hortwell icircn SUA (figura 521) cuprinde 3 recipienţi de cacircte 150 m3 pentru răcirea pietrişului şi 3 recipienţi de cacircte 80 m3 pentru răcirea nisipului
Pietrişul şi nisipul cu temperatura maximă de 43 ordmC se pot răci pacircnă la temperatura necesară de 45 ordmC Pentru realizarea vidului necesar se folosesc două cazane de abur care produc 77 th fiecare
422 522 RĂCIREA INTERIOARĂ A MASIVULUI DE BETON
Prerăcirea betonului se recomandă icircn condiţiile unei zone tropicale sau temperate de amplasare a construcţiei masive nu se recomandă icircn cazul amplasării barajului icircn munţi unde temperatura aerului este scăzută Icircn asemenea situaţii se recomandă răcirea betonului prin conducte amplasate icircn masiv prin care circulă apă rece
La răcirea interioară cu conducte montate icircn beton are loc o eliminarea a căldurii simultan cu producerea ei icircn procesul de priză producacircndu-se şi o răcire pacircnă la temperatura necesară Pentru răcire se folosesc conducte de oţel cu diametre de 1525 mm montate la distanţe de 1223 m icircn plan orizontal şi de 153 m icircn plan vertical Lungimea conductelor icircntr-un m3 de beton este de 0204 şi a fiecărei serpentine de 140250 m
Debitul apei de răcire ce circulă prin 1 m3 de beton este de (0553) dm3h
Figura 422 Fig 522 Reţea de conducte de răcire a betonului icircn secţiunea unui baraj 1 - galerie pentru măsurători 2 - galerie de conducte de apă de răcire
Serpentinele se montează şi se fixează pe suprafaţă de beton (fig522) Capetele serpentinelor se leagă de o coloană verticală prin mufe metalice sau de cauciuc Diametrul distribuitorului şi al coloanei este cuprins icircntre 150200 mm După montaj aceste conducte se verifică la presiunea de lucru
1 2
Ax
a
ba
raju
lui
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
54
Figura 418 Fig 518 Schema de lucru a instalaţiei de prerăcire a betonului cu ajutorul apei 1 - ciment 2 - vagon nisip 3 - vagon pietris 4 - tancuri de răcire a pietrişului 5 - sită 6 - siloz de
nisip 7 - siloz de ciment 8 - rezervor de distribuţie 9 - răcitor de nisip 10 - răcitor de ciment 11 - răcitor de apă 12 - rezervor de apă răcită 13 - răcitor de apă 14 - instalaţie de prepararea betonului
I II III IV V - fazele de răcire a pietrişului
Icircn figura 518 se prezintă schema de lucru a unei asemenea instalaţii de prerăcire a betonului cu ajutorul apei folosită la construcţia barajului de la Detroit (SUA) Apa este răcită de la 16 la 15 ordmC şi transmisă apoi la instalaţia de preparare a betonului şi icircn cinci rezervoare a cacircte 90 m3 fiecare icircn care se răceşte pietrişul
Procesul de răcire a pietrişului cuprinde cinci faze
- faza I - introducerea apei icircn rezervor 10 minute
- fazele II şi III - introducerea simultană a apei şi a pietrişului 50 minute
- faza IV - evacuarea apei 15 minute
- faza V - evacuarea pietrişului 15 minute
Icircntregul proces de răcire a pietrişului durează 90 minute Pentru răcirea cimentului şi nisipului se utilizează schimbătoare de căldură cu ax elicoidal la care apa de răcire circulă prin arborele gol şi prin manta
Rezervoarele 12 pentru apa răcită au fiecare volumul de 114 m3
Beton 635oC
190 m3h
65oC
24oC
18oC
1
2
3
4
5
6
7
8
10
9
11
12
13
14
Apă 16oC
15oC
Cim
en
t
26 l
h
Nis
ip 1
12
lh
10
oC
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
55
42111 Aplicaţie numerică
Să se calculeze puterea frigorifică necesară prerăcirii betonului prin metode şi condiţiile prezentate mai sus Se cunosc următoarele date de calcul
mp = 1700 kgm3 beton
mc = 135 kgm3 beton
mn = 590 kgm3 beton
ma = 60 kgm3 beton
cc = cn = cp = 921 Jkg K
ca = 4180 Jkg K
map = 16 kgm3 beton
man = 38 kgm3 beton
tp = 18 ordmC
tc = 66 ordmC
tn = 21 ordmC tf = 635 ordmC
052803000
190Vb m3s
Se calculează componentele cantităţii de căldură Q01
3fcccc 10741735666921135ttcmQ Jm3
3fnnnn 10796135621921590ttcmQ Jm3
3fpppp 1024018356189211700ttcmQ Jm3
3faaaa 10420235616418060ttcmQ Jm3
3fpaapap 1077935618418016ttcmQ Jm3
3fnaaan 10232735621418038ttcmQ Jm3
Rezulta
3anapapnc1o 1039144QQQQQQQ Jm3
3o 10 206705280103914410VQ 33
b1o kW
4212 b) Instalaţii de prerăcire cu aer apă
Pentru răcirea componentelor betonului se utilizează icircn acest caz fie apa fie aerul ca agenţi intermediari răciţi cu ajutorul instalaţiilor frigorifice
Icircn figura 519 se prezintă schema unei asemenea instalaţii folosită la construcţia barajului de la Sariyar din Turcia
Răcirea aerului se poate face fie direct prin vaporizarea unui agent frigorific fie indirect cu un agent intermediar de răcire ca de exemplu saramura de clorură de calciu Aerul răcit pacircnă la -6 ordmC este suflat icircn silozurile cu pietriş de dimensiuni icircntre 4150 mm
Apa răcită icircn bazinul la pacircnă la 05 ordm este trimisă din colectorul 12 la staţia de preparare a betonului servind la scăderea temperaturii acestuia
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
56
Figura 419 Fig 519 Schema instalaţiei de prerăcire a betonului cu aer şi apă 1 - compresor 2 - condensator 3 - ventile de laminare 4 - vaporizatoare 5 - bazin de răcire a
saramurii 6 - pompă de saramură 7 - răcitor umed de aer 8 - ventilatoare 9 - silozuri de pietriş 10 - bazin de răcire a apei 11 - pompă 12 - colector de apă răcită
Figura 420 Fig 520 Schema instalaţiei de prerăcire cu aer şi apă 1 - siloz de pietriş şi nisip 2 - siloz de ciment 3 rezervor de apă 4 - răcitor de aer 5 - răcitor de apă
4 - răcitor de apă 6 - buncăr de sortare 7 - instalaţie de preparare beton
Pentru intensificarea procesului de răcire a pietrişului aerul este răcit sub 0 ordmC Acest procedeu are avantajul unei funcţionări fără icircntrerupere a procesului de preparare a betonului dar prezintă şi o serie de dezavantaje debite foarte mari de aer de răcire posibilitatea antrenării particulelor fine de agregat icircn răcitorul de aer şi depunerea acestora pe suprafaţa de schimb de căldură Ca urmare instalaţia se va curăţa la circa 14 zile Icircn figura 520 se prezintă o altă schemă de instalaţie de prerăcire a betonului cu aer şi apă folosită la construcţia unui baraj din India
Apă
295oC
Ciment
433oC
Pietriş şi nisip
378oC
Apă 6oC
Ciment 433oC
Aer
Pietriş
45oC Nisip 222oC
22oC
Ap
ă
45
oC
Ap
ă 2
2o
C
Ae
r 5
5o
C
Be
ton
12
8o
C
Apă 22oC
2
1
3 4 5
8
9
5 7
12
1oC
11
05oC 9oC 9oC
-9oC
-10oC -10oC
-10oC 2oC
6oC
10 4 4 6
8 8
8
8 8
9 9 9 9
1
2
3 3
7
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
57
Pietrişul şi nisipul se separă icircntre ele icircn buncărul de sortare 6 şi apoi fiecare circulă pe cacircte o bandă transportoare prin camera de răcire 7 Pietrişul este răcit cu ajutorul apei
Fig
ura
42
1 F
ig 5
21
Sc
he
ma
in
sta
laţi
ei
de
ră
cir
e icirc
n v
id a
co
mp
on
en
telo
r b
eto
nu
lui
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
58
reci icircncacirct ajunge la o temperatură mai scăzută decacirct nisipul răcit cu aer Prin camera 7 se circulă şi aer rece care se introduce la temperatura de 55 ordmC Cimentul se introduce la instalaţia de preparare a betonului 9 fără a fi răcit
O altă posibilitate de prerăcire a agregatelor (pietriş şi nisip) şi a apei utilizată mai recent la construirea barajelor icircntrebuinţează răcirea icircn vid la care agregatele uşor umezite icircn recipiente sub presiune se răcesc după nevoie (prin reglarea vacuumului) la o temperatură mai scăzută sau mai ridicată Căldura necesară evaporării umidităţii de pe agregate şi din ele (apa legată) este luată chiar de la corpurile respective (pietriş nisip) şi ca urmare acestea se răcesc
O asemenea instalaţie utilizată la Hortwell icircn SUA (figura 521) cuprinde 3 recipienţi de cacircte 150 m3 pentru răcirea pietrişului şi 3 recipienţi de cacircte 80 m3 pentru răcirea nisipului
Pietrişul şi nisipul cu temperatura maximă de 43 ordmC se pot răci pacircnă la temperatura necesară de 45 ordmC Pentru realizarea vidului necesar se folosesc două cazane de abur care produc 77 th fiecare
422 522 RĂCIREA INTERIOARĂ A MASIVULUI DE BETON
Prerăcirea betonului se recomandă icircn condiţiile unei zone tropicale sau temperate de amplasare a construcţiei masive nu se recomandă icircn cazul amplasării barajului icircn munţi unde temperatura aerului este scăzută Icircn asemenea situaţii se recomandă răcirea betonului prin conducte amplasate icircn masiv prin care circulă apă rece
La răcirea interioară cu conducte montate icircn beton are loc o eliminarea a căldurii simultan cu producerea ei icircn procesul de priză producacircndu-se şi o răcire pacircnă la temperatura necesară Pentru răcire se folosesc conducte de oţel cu diametre de 1525 mm montate la distanţe de 1223 m icircn plan orizontal şi de 153 m icircn plan vertical Lungimea conductelor icircntr-un m3 de beton este de 0204 şi a fiecărei serpentine de 140250 m
Debitul apei de răcire ce circulă prin 1 m3 de beton este de (0553) dm3h
Figura 422 Fig 522 Reţea de conducte de răcire a betonului icircn secţiunea unui baraj 1 - galerie pentru măsurători 2 - galerie de conducte de apă de răcire
Serpentinele se montează şi se fixează pe suprafaţă de beton (fig522) Capetele serpentinelor se leagă de o coloană verticală prin mufe metalice sau de cauciuc Diametrul distribuitorului şi al coloanei este cuprins icircntre 150200 mm După montaj aceste conducte se verifică la presiunea de lucru
1 2
Ax
a
ba
raju
lui
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
55
42111 Aplicaţie numerică
Să se calculeze puterea frigorifică necesară prerăcirii betonului prin metode şi condiţiile prezentate mai sus Se cunosc următoarele date de calcul
mp = 1700 kgm3 beton
mc = 135 kgm3 beton
mn = 590 kgm3 beton
ma = 60 kgm3 beton
cc = cn = cp = 921 Jkg K
ca = 4180 Jkg K
map = 16 kgm3 beton
man = 38 kgm3 beton
tp = 18 ordmC
tc = 66 ordmC
tn = 21 ordmC tf = 635 ordmC
052803000
190Vb m3s
Se calculează componentele cantităţii de căldură Q01
3fcccc 10741735666921135ttcmQ Jm3
3fnnnn 10796135621921590ttcmQ Jm3
3fpppp 1024018356189211700ttcmQ Jm3
3faaaa 10420235616418060ttcmQ Jm3
3fpaapap 1077935618418016ttcmQ Jm3
3fnaaan 10232735621418038ttcmQ Jm3
Rezulta
3anapapnc1o 1039144QQQQQQQ Jm3
3o 10 206705280103914410VQ 33
b1o kW
4212 b) Instalaţii de prerăcire cu aer apă
Pentru răcirea componentelor betonului se utilizează icircn acest caz fie apa fie aerul ca agenţi intermediari răciţi cu ajutorul instalaţiilor frigorifice
Icircn figura 519 se prezintă schema unei asemenea instalaţii folosită la construcţia barajului de la Sariyar din Turcia
Răcirea aerului se poate face fie direct prin vaporizarea unui agent frigorific fie indirect cu un agent intermediar de răcire ca de exemplu saramura de clorură de calciu Aerul răcit pacircnă la -6 ordmC este suflat icircn silozurile cu pietriş de dimensiuni icircntre 4150 mm
Apa răcită icircn bazinul la pacircnă la 05 ordm este trimisă din colectorul 12 la staţia de preparare a betonului servind la scăderea temperaturii acestuia
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
56
Figura 419 Fig 519 Schema instalaţiei de prerăcire a betonului cu aer şi apă 1 - compresor 2 - condensator 3 - ventile de laminare 4 - vaporizatoare 5 - bazin de răcire a
saramurii 6 - pompă de saramură 7 - răcitor umed de aer 8 - ventilatoare 9 - silozuri de pietriş 10 - bazin de răcire a apei 11 - pompă 12 - colector de apă răcită
Figura 420 Fig 520 Schema instalaţiei de prerăcire cu aer şi apă 1 - siloz de pietriş şi nisip 2 - siloz de ciment 3 rezervor de apă 4 - răcitor de aer 5 - răcitor de apă
4 - răcitor de apă 6 - buncăr de sortare 7 - instalaţie de preparare beton
Pentru intensificarea procesului de răcire a pietrişului aerul este răcit sub 0 ordmC Acest procedeu are avantajul unei funcţionări fără icircntrerupere a procesului de preparare a betonului dar prezintă şi o serie de dezavantaje debite foarte mari de aer de răcire posibilitatea antrenării particulelor fine de agregat icircn răcitorul de aer şi depunerea acestora pe suprafaţa de schimb de căldură Ca urmare instalaţia se va curăţa la circa 14 zile Icircn figura 520 se prezintă o altă schemă de instalaţie de prerăcire a betonului cu aer şi apă folosită la construcţia unui baraj din India
Apă
295oC
Ciment
433oC
Pietriş şi nisip
378oC
Apă 6oC
Ciment 433oC
Aer
Pietriş
45oC Nisip 222oC
22oC
Ap
ă
45
oC
Ap
ă 2
2o
C
Ae
r 5
5o
C
Be
ton
12
8o
C
Apă 22oC
2
1
3 4 5
8
9
5 7
12
1oC
11
05oC 9oC 9oC
-9oC
-10oC -10oC
-10oC 2oC
6oC
10 4 4 6
8 8
8
8 8
9 9 9 9
1
2
3 3
7
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
57
Pietrişul şi nisipul se separă icircntre ele icircn buncărul de sortare 6 şi apoi fiecare circulă pe cacircte o bandă transportoare prin camera de răcire 7 Pietrişul este răcit cu ajutorul apei
Fig
ura
42
1 F
ig 5
21
Sc
he
ma
in
sta
laţi
ei
de
ră
cir
e icirc
n v
id a
co
mp
on
en
telo
r b
eto
nu
lui
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
58
reci icircncacirct ajunge la o temperatură mai scăzută decacirct nisipul răcit cu aer Prin camera 7 se circulă şi aer rece care se introduce la temperatura de 55 ordmC Cimentul se introduce la instalaţia de preparare a betonului 9 fără a fi răcit
O altă posibilitate de prerăcire a agregatelor (pietriş şi nisip) şi a apei utilizată mai recent la construirea barajelor icircntrebuinţează răcirea icircn vid la care agregatele uşor umezite icircn recipiente sub presiune se răcesc după nevoie (prin reglarea vacuumului) la o temperatură mai scăzută sau mai ridicată Căldura necesară evaporării umidităţii de pe agregate şi din ele (apa legată) este luată chiar de la corpurile respective (pietriş nisip) şi ca urmare acestea se răcesc
O asemenea instalaţie utilizată la Hortwell icircn SUA (figura 521) cuprinde 3 recipienţi de cacircte 150 m3 pentru răcirea pietrişului şi 3 recipienţi de cacircte 80 m3 pentru răcirea nisipului
Pietrişul şi nisipul cu temperatura maximă de 43 ordmC se pot răci pacircnă la temperatura necesară de 45 ordmC Pentru realizarea vidului necesar se folosesc două cazane de abur care produc 77 th fiecare
422 522 RĂCIREA INTERIOARĂ A MASIVULUI DE BETON
Prerăcirea betonului se recomandă icircn condiţiile unei zone tropicale sau temperate de amplasare a construcţiei masive nu se recomandă icircn cazul amplasării barajului icircn munţi unde temperatura aerului este scăzută Icircn asemenea situaţii se recomandă răcirea betonului prin conducte amplasate icircn masiv prin care circulă apă rece
La răcirea interioară cu conducte montate icircn beton are loc o eliminarea a căldurii simultan cu producerea ei icircn procesul de priză producacircndu-se şi o răcire pacircnă la temperatura necesară Pentru răcire se folosesc conducte de oţel cu diametre de 1525 mm montate la distanţe de 1223 m icircn plan orizontal şi de 153 m icircn plan vertical Lungimea conductelor icircntr-un m3 de beton este de 0204 şi a fiecărei serpentine de 140250 m
Debitul apei de răcire ce circulă prin 1 m3 de beton este de (0553) dm3h
Figura 422 Fig 522 Reţea de conducte de răcire a betonului icircn secţiunea unui baraj 1 - galerie pentru măsurători 2 - galerie de conducte de apă de răcire
Serpentinele se montează şi se fixează pe suprafaţă de beton (fig522) Capetele serpentinelor se leagă de o coloană verticală prin mufe metalice sau de cauciuc Diametrul distribuitorului şi al coloanei este cuprins icircntre 150200 mm După montaj aceste conducte se verifică la presiunea de lucru
1 2
Ax
a
ba
raju
lui
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
56
Figura 419 Fig 519 Schema instalaţiei de prerăcire a betonului cu aer şi apă 1 - compresor 2 - condensator 3 - ventile de laminare 4 - vaporizatoare 5 - bazin de răcire a
saramurii 6 - pompă de saramură 7 - răcitor umed de aer 8 - ventilatoare 9 - silozuri de pietriş 10 - bazin de răcire a apei 11 - pompă 12 - colector de apă răcită
Figura 420 Fig 520 Schema instalaţiei de prerăcire cu aer şi apă 1 - siloz de pietriş şi nisip 2 - siloz de ciment 3 rezervor de apă 4 - răcitor de aer 5 - răcitor de apă
4 - răcitor de apă 6 - buncăr de sortare 7 - instalaţie de preparare beton
Pentru intensificarea procesului de răcire a pietrişului aerul este răcit sub 0 ordmC Acest procedeu are avantajul unei funcţionări fără icircntrerupere a procesului de preparare a betonului dar prezintă şi o serie de dezavantaje debite foarte mari de aer de răcire posibilitatea antrenării particulelor fine de agregat icircn răcitorul de aer şi depunerea acestora pe suprafaţa de schimb de căldură Ca urmare instalaţia se va curăţa la circa 14 zile Icircn figura 520 se prezintă o altă schemă de instalaţie de prerăcire a betonului cu aer şi apă folosită la construcţia unui baraj din India
Apă
295oC
Ciment
433oC
Pietriş şi nisip
378oC
Apă 6oC
Ciment 433oC
Aer
Pietriş
45oC Nisip 222oC
22oC
Ap
ă
45
oC
Ap
ă 2
2o
C
Ae
r 5
5o
C
Be
ton
12
8o
C
Apă 22oC
2
1
3 4 5
8
9
5 7
12
1oC
11
05oC 9oC 9oC
-9oC
-10oC -10oC
-10oC 2oC
6oC
10 4 4 6
8 8
8
8 8
9 9 9 9
1
2
3 3
7
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
57
Pietrişul şi nisipul se separă icircntre ele icircn buncărul de sortare 6 şi apoi fiecare circulă pe cacircte o bandă transportoare prin camera de răcire 7 Pietrişul este răcit cu ajutorul apei
Fig
ura
42
1 F
ig 5
21
Sc
he
ma
in
sta
laţi
ei
de
ră
cir
e icirc
n v
id a
co
mp
on
en
telo
r b
eto
nu
lui
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
58
reci icircncacirct ajunge la o temperatură mai scăzută decacirct nisipul răcit cu aer Prin camera 7 se circulă şi aer rece care se introduce la temperatura de 55 ordmC Cimentul se introduce la instalaţia de preparare a betonului 9 fără a fi răcit
O altă posibilitate de prerăcire a agregatelor (pietriş şi nisip) şi a apei utilizată mai recent la construirea barajelor icircntrebuinţează răcirea icircn vid la care agregatele uşor umezite icircn recipiente sub presiune se răcesc după nevoie (prin reglarea vacuumului) la o temperatură mai scăzută sau mai ridicată Căldura necesară evaporării umidităţii de pe agregate şi din ele (apa legată) este luată chiar de la corpurile respective (pietriş nisip) şi ca urmare acestea se răcesc
O asemenea instalaţie utilizată la Hortwell icircn SUA (figura 521) cuprinde 3 recipienţi de cacircte 150 m3 pentru răcirea pietrişului şi 3 recipienţi de cacircte 80 m3 pentru răcirea nisipului
Pietrişul şi nisipul cu temperatura maximă de 43 ordmC se pot răci pacircnă la temperatura necesară de 45 ordmC Pentru realizarea vidului necesar se folosesc două cazane de abur care produc 77 th fiecare
422 522 RĂCIREA INTERIOARĂ A MASIVULUI DE BETON
Prerăcirea betonului se recomandă icircn condiţiile unei zone tropicale sau temperate de amplasare a construcţiei masive nu se recomandă icircn cazul amplasării barajului icircn munţi unde temperatura aerului este scăzută Icircn asemenea situaţii se recomandă răcirea betonului prin conducte amplasate icircn masiv prin care circulă apă rece
La răcirea interioară cu conducte montate icircn beton are loc o eliminarea a căldurii simultan cu producerea ei icircn procesul de priză producacircndu-se şi o răcire pacircnă la temperatura necesară Pentru răcire se folosesc conducte de oţel cu diametre de 1525 mm montate la distanţe de 1223 m icircn plan orizontal şi de 153 m icircn plan vertical Lungimea conductelor icircntr-un m3 de beton este de 0204 şi a fiecărei serpentine de 140250 m
Debitul apei de răcire ce circulă prin 1 m3 de beton este de (0553) dm3h
Figura 422 Fig 522 Reţea de conducte de răcire a betonului icircn secţiunea unui baraj 1 - galerie pentru măsurători 2 - galerie de conducte de apă de răcire
Serpentinele se montează şi se fixează pe suprafaţă de beton (fig522) Capetele serpentinelor se leagă de o coloană verticală prin mufe metalice sau de cauciuc Diametrul distribuitorului şi al coloanei este cuprins icircntre 150200 mm După montaj aceste conducte se verifică la presiunea de lucru
1 2
Ax
a
ba
raju
lui
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
57
Pietrişul şi nisipul se separă icircntre ele icircn buncărul de sortare 6 şi apoi fiecare circulă pe cacircte o bandă transportoare prin camera de răcire 7 Pietrişul este răcit cu ajutorul apei
Fig
ura
42
1 F
ig 5
21
Sc
he
ma
in
sta
laţi
ei
de
ră
cir
e icirc
n v
id a
co
mp
on
en
telo
r b
eto
nu
lui
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
58
reci icircncacirct ajunge la o temperatură mai scăzută decacirct nisipul răcit cu aer Prin camera 7 se circulă şi aer rece care se introduce la temperatura de 55 ordmC Cimentul se introduce la instalaţia de preparare a betonului 9 fără a fi răcit
O altă posibilitate de prerăcire a agregatelor (pietriş şi nisip) şi a apei utilizată mai recent la construirea barajelor icircntrebuinţează răcirea icircn vid la care agregatele uşor umezite icircn recipiente sub presiune se răcesc după nevoie (prin reglarea vacuumului) la o temperatură mai scăzută sau mai ridicată Căldura necesară evaporării umidităţii de pe agregate şi din ele (apa legată) este luată chiar de la corpurile respective (pietriş nisip) şi ca urmare acestea se răcesc
O asemenea instalaţie utilizată la Hortwell icircn SUA (figura 521) cuprinde 3 recipienţi de cacircte 150 m3 pentru răcirea pietrişului şi 3 recipienţi de cacircte 80 m3 pentru răcirea nisipului
Pietrişul şi nisipul cu temperatura maximă de 43 ordmC se pot răci pacircnă la temperatura necesară de 45 ordmC Pentru realizarea vidului necesar se folosesc două cazane de abur care produc 77 th fiecare
422 522 RĂCIREA INTERIOARĂ A MASIVULUI DE BETON
Prerăcirea betonului se recomandă icircn condiţiile unei zone tropicale sau temperate de amplasare a construcţiei masive nu se recomandă icircn cazul amplasării barajului icircn munţi unde temperatura aerului este scăzută Icircn asemenea situaţii se recomandă răcirea betonului prin conducte amplasate icircn masiv prin care circulă apă rece
La răcirea interioară cu conducte montate icircn beton are loc o eliminarea a căldurii simultan cu producerea ei icircn procesul de priză producacircndu-se şi o răcire pacircnă la temperatura necesară Pentru răcire se folosesc conducte de oţel cu diametre de 1525 mm montate la distanţe de 1223 m icircn plan orizontal şi de 153 m icircn plan vertical Lungimea conductelor icircntr-un m3 de beton este de 0204 şi a fiecărei serpentine de 140250 m
Debitul apei de răcire ce circulă prin 1 m3 de beton este de (0553) dm3h
Figura 422 Fig 522 Reţea de conducte de răcire a betonului icircn secţiunea unui baraj 1 - galerie pentru măsurători 2 - galerie de conducte de apă de răcire
Serpentinele se montează şi se fixează pe suprafaţă de beton (fig522) Capetele serpentinelor se leagă de o coloană verticală prin mufe metalice sau de cauciuc Diametrul distribuitorului şi al coloanei este cuprins icircntre 150200 mm După montaj aceste conducte se verifică la presiunea de lucru
1 2
Ax
a
ba
raju
lui
Utilizarea frigului artificial icircn lucrările de construcţii
58
reci icircncacirct ajunge la o temperatură mai scăzută decacirct nisipul răcit cu aer Prin camera 7 se circulă şi aer rece care se introduce la temperatura de 55 ordmC Cimentul se introduce la instalaţia de preparare a betonului 9 fără a fi răcit
O altă posibilitate de prerăcire a agregatelor (pietriş şi nisip) şi a apei utilizată mai recent la construirea barajelor icircntrebuinţează răcirea icircn vid la care agregatele uşor umezite icircn recipiente sub presiune se răcesc după nevoie (prin reglarea vacuumului) la o temperatură mai scăzută sau mai ridicată Căldura necesară evaporării umidităţii de pe agregate şi din ele (apa legată) este luată chiar de la corpurile respective (pietriş nisip) şi ca urmare acestea se răcesc
O asemenea instalaţie utilizată la Hortwell icircn SUA (figura 521) cuprinde 3 recipienţi de cacircte 150 m3 pentru răcirea pietrişului şi 3 recipienţi de cacircte 80 m3 pentru răcirea nisipului
Pietrişul şi nisipul cu temperatura maximă de 43 ordmC se pot răci pacircnă la temperatura necesară de 45 ordmC Pentru realizarea vidului necesar se folosesc două cazane de abur care produc 77 th fiecare
422 522 RĂCIREA INTERIOARĂ A MASIVULUI DE BETON
Prerăcirea betonului se recomandă icircn condiţiile unei zone tropicale sau temperate de amplasare a construcţiei masive nu se recomandă icircn cazul amplasării barajului icircn munţi unde temperatura aerului este scăzută Icircn asemenea situaţii se recomandă răcirea betonului prin conducte amplasate icircn masiv prin care circulă apă rece
La răcirea interioară cu conducte montate icircn beton are loc o eliminarea a căldurii simultan cu producerea ei icircn procesul de priză producacircndu-se şi o răcire pacircnă la temperatura necesară Pentru răcire se folosesc conducte de oţel cu diametre de 1525 mm montate la distanţe de 1223 m icircn plan orizontal şi de 153 m icircn plan vertical Lungimea conductelor icircntr-un m3 de beton este de 0204 şi a fiecărei serpentine de 140250 m
Debitul apei de răcire ce circulă prin 1 m3 de beton este de (0553) dm3h
Figura 422 Fig 522 Reţea de conducte de răcire a betonului icircn secţiunea unui baraj 1 - galerie pentru măsurători 2 - galerie de conducte de apă de răcire
Serpentinele se montează şi se fixează pe suprafaţă de beton (fig522) Capetele serpentinelor se leagă de o coloană verticală prin mufe metalice sau de cauciuc Diametrul distribuitorului şi al coloanei este cuprins icircntre 150200 mm După montaj aceste conducte se verifică la presiunea de lucru
1 2
Ax
a
ba
raju
lui
top related