[PeterPeter]

Пишу диплом. Строю ствол для метрополитена, с использованием замораживания грунтов. Решил как альтернативный вариант рассмотреть, помимо рассольного замораживания, замораживание грунтов с использованием твердого диоксида углерода. По технологии его закидывают в колонки, он сублимирует и замораживает грунт. Есть мнение, что если в колонки залить жидкость, то процесс пойдет куда эффективнее. Собственно, ищу жидкость, которая не замерзнет при -80 С. При это чтобы дешевая и неопасная.

Предложил научному руководителю этиловый спирт... посмеялся (( Поиски продолжаются.. Никаких спиртов, и никаких фреонов (т.к. либо дорого, либо опасно для здоровья).

Так же интересует вопрос, по какому критерию определяют класс опасности того или иного вещества, и есть ли где-то перечень веществ разделенный по классам?

ЗЫ Если разделом ошибся, прошу перенести в соответствующий...

Да, есть классификация опасных веществ. ГОСТ 12.1.007-76 «Классификация вредных веществ и общие требования безопасности»

[Tyhig]

У меня знакомый проектирует минизаводы производства жидкого азота. Примерно 1-3 контейнера.
Единственный минус, почему их не применяют на стройке - производство индивидуальное. Нет типовых заводов, как я понимаю.
Будущее в таких заводиках. Как только появится типовой серийный, сразу цистернами перестанут возить и сам способ станет дешевле.
Но азотом просто замораживать...

Вы классную идею придумали, не воспринимайте дальнейшее как непосильную критику. Это просто мысли.

А CO2, мне так кажется, не хватит мощности сублимации. Слишком долго будет процесс идти. От рассолов не будет сильно отличаться продолжительностью.
Не даром его в мороженном используют, как обычный лёд. А не так, что руку засунул и нет руки.
И для СО2 тоже надо индивидуальный завод покупать... Или грузовиками возить...
Так зачем менять шило (азот) на худшее мыло (СО2), если по цене примерно одно и то же получится ?

Если заливать СО2 в скважины вместе с незамерзающей жидкостью получится ли сублимация в жидкости ?
Ведь для самого процесса сублимации нужны какие-то условия, давление, температура, объём...
В скважине давление будет атмосферное + давление столба жидкости. Атмосферное это 10 м вод. ст.
Т. е. в 10 м скважине давление будет в 2 раза больше. В 5 метровой скважине в 1,5 раза больше.
Как будет идти процесс сублимации ?
Будет ли сублимация ?

Эта незамерзающая жидкость, кстати, не должна воздействовать на грунт. После замерзания в нём только поры и трещины побольше становятся и Кф увеличивается на 20-30%...
А если спирт налить, то тут фиг знает, что будет с физическими свойствами... Ведь потом последует тампонаж и грунт лишится связи с атмосферой. Ну хотя бы местами. Как эти места будут работать ? В соответствии с изысканиями ? Или физ. свойства изменятся ?

Кстати в проходимую выработку будет водоприток.
До замораживания в процессе проведения выработки ещё можно водоприток фильтровать и вашу жидкость извлекать.
А после как ? Если фильтровать воду весь период эксплуатации, то ваш ствол будет золотым...
А ведь из грунта такая жидкость с водой непременно будет фильтроваться через крепь в виде раствора. И далее поступать, например, в городскую канализацию и в реку (естественно без очистки). А вы там будете рыбу ловить со щупальцами...

Опа. А теперь критический аргумент против вашей супержидкости.
Замораживают то обычно, когда уже без этого никак нельзя.
То есть в водонасыщенных грунтах и породах.
То есть скважина будет в воде...
То есть, если в неё кинуть лёд, то скважина с водой замёрзнет первая и всё этим закончится.
Что делать не знаю.
Та же проблема по идее и при использовании азота. Почему там всё работает не знаю.
Надо решить проблему.
Если знаете, расскажите, пожалуйста. Мне тоже интересно...
Может там предварительное водопонижение... Но как тогда быть в напорных слоях горных пород на больших глубинах...

А теперь идеи:

Как вам уплотнение льда в процессе сублимации поршнем в скважине ?
Конечно, это придаст энергию льду и уменьшит мощность охлаждения. Зато будет побыстрее...

Кстати, вот вам ещё идея.
Вконтакте и на ютуби гуляет ролик, где пальцем замораживают небольшую склянку с водой.
Не помню уже в чём секрет. Да и тут он не применим.
Фишка в неравновесном состоянии жидкости и равновесном льда. Достаточно микровоздействия 1 Дж, для переключения системы.
Но значительного удешевления замораживания можно было бы достичь, если замораживать не постепенно медленно от центра каждой скважины до их периферии, а закачать всю жидкость потом бух и всё замёрзло.
Если цилиндры медленно смыкаются, то они ведь могут и несомкнуться и скважины кривые могут быть.
Наверняка делается запас 10-20% на диаметр замерзания.
Если сделать всё мгновенно такого запаса можно было бы избежать, за счёт перераспределения раствора-жидкости в начале закачивания в жидком виде... Вот и экономия.
Но это 5 лет научных исследований растворов.

[Forrest_Gump]

Сообщение от Tyhig Вконтакте и на ютуби гуляет ролик, где пальцем замораживают небольшую склянку с водой. Не помню уже в чём секрет.

Offtop: Высокоочищенная вода (дистилят) переохлаждена. Удар пальца вызывает начало кристализации.

[balabenuk]

http://www.metodolog.ru/00006/00006.html тут немного есть о незамерзающих жидкостях

И еще вопрос откуда цифра -80 градусов?

Это близкорекордная температура, в Европе например рекорд -58градусов. В СНИПе "Строительная климатология" таких температур даже близко нет

[Pavel_V]

Этиленгликоль 65-70% замерзает при -75оС.
Может добавить туда вместо воды чего-нибудь другого и будет счастье?

Вот по классам опасности веществ два документа:

http://tehbez.ru/Docum/DocumShow_DocumID_131.html
http://www.mhts.ru/BIBLIO/SNIPS/Sanp....4.1074-01.htm

[PeterPeter]

Tyhig, это придумал не я, а сотрудники моего университета еще 30 лет назад. Вы немного не поняли идею, скважина обсажена, и вода из грунта в нее не попадает. Теплота сублимации сухого льда 590 кДж/кг, а жидкого азота только 200, поэтому льда нужно в 3 раза меньше. При это температура испарения азота -180, а температура сублимации сухого льда при атмосферном давлении -79. Из этого следует лишь то, что замораживание будет идти в два раза медленнее чем, с применением жидкого азота. (но в любом случаи в разы быстрее чем, при рассольном замораживании).
По моим сведением, данным способом было пройдено за эти годы несколько стволов, и весьма успешно. А так, же этот метод включен в новый СП "метрополитены", но к сожалению, я его посмотреть не могу, не нахожу...
И насчет жидкого азота, существуют также мини заводы по производству твердой двуокиси углерода.
balabenuk, Она не должна замерзать при температуре сублимации сухого льда, иначе замерзнет, и закупорит колонку, и как туда потом сухой лед погружать?

[bonacon]

Кировско-выборгская линия Ленинградского метрополитена (северный участок) строилась с применением жидкого азота. Замораживали плывун для проходки и установки тюбингов. Спустя 40 лет тоннель оказался затоплен, заглушен с обеих концов и щитом фирмы Импреджила был построен обходной участок в нормальных грунтах. Так что природу не обманешь, она возьмет свое обратно Да и денег в советские времена никто не считал и в таких объемах не воровал. А сейчас все иначе

[Tyhig]

Сообщение от Pavel_V Этиленгликоль

Ядовит. Испарения убивают. Из-за возможности реверсирования воздушной струи при аварии запрещён к применению в калориферных угольных шахт (а вдруг параллельно с аварией выльется на пол из калориферов и испарения в шахту пойдут).
Используется более безопасный и дорогой пропиленгликоль.

Сообщение от bonacon Кировско-выборгская линия Ленинградского метрополитена

Там было принято плохое решение - замораживание на период эксплуатации без поддерживания температуры охлаждённого массива. Это уже покажется странным.
Ну и динамика поездов, говорят, прогнула тоннель с замороженным массивом. То есть систему плохо рассчитали на повторяющееся динамическое воздействие на длительный период времени.
Вот он и того.

PeterPeter, я и не знал о такой 30-летней истории.

повышаем давление столбом жидкости в несколько раз и сублимация не состоится...
Получается ограничение толщины замораживаемого слоя.

Скорости сублимации и десублимации обусловливаются прежде всего скоростью разрушения кристаллов при сублимации ..., а также скоростями переноса массы от пов-сти твердой фазы в газовый поток. По мере протекания сублимации и десублимации изменяются характеристики твердой фазы (толщина и пористость слоя, шероховатость пов-сти и др.) и соотв. интенсивность тепло- и массообмена с газовой фазой.

Хотя если использовать насос для перекачки жидкости, то можно, наверное, даже ускорить этот процесс...
Тогда нужны 2 трубки в скважине и насос. И охлаждаться будет также оборудование и верх скважины.
Так что так нехорошо...

Да, вы правы. Из-за высоты столба жидкости я зря опасаюсь. Запас давления около 150 м вод. ст.

Из википедии.

Если маленький кусочек сухого льда закупорить в бутылке с водой и взбалтывать, то он растворится и получится газированная вода. Однако, если положить слишком много, бутылка может взорваться.

Может получиться, что лёд сублимируя и вырабатывая газ просто выльет содержимое (треть, половину, вместе с кусками льда) скважины на поверхность из-за эрлифта.

Есть мнение, что если в колонки залить жидкость, то процесс пойдет куда эффективнее.

Обоснуйте. Почему такое мнение ?
В чём возможная физика явления ? Или просто так попробовать ?

[Fland]

А мы уже более 15 лет не применяем искусственное замораживание грунтов, другими спец. мероприятиями обходимся.
А где надо то: вертикальные стволы – стволопроходческими машинами херенкнехта VSM, а наклонный ход - спецщитом Ловат с грунтопригрузом.

[Tyhig]

Кстати.

Сухой лед продается в брикетах массой 10 и 16 кг. Примерные цены на сухой лёд в 2007 году: Цена за 1 кг для экспедиции мороженого - 9 руб. 85 коп. Цена за 1 кг для промышленных целей - 16 руб. 73 коп. ...Технический «сухой лёд» имеет плотность около 1560 кг/м3, при возгонке поглощает около 590 кДж/кг (140 ккал/кг).

Цилиндр охлаждения в любом случае больше 0,7 м радиусом. Толщина охлаждаемого слоя обычно больше 2 м. Объём 1 цилиндра составит 3,14*0,7^2*2=3,077 м3.
При диаметре вертикального ствола 8 м и расположении скважин от оси ствола на радиусе 9 м таких цилиндров нужно 2*3,14*4,5=28,26 м /1,2=23,55 около 24 штук.
Итого общий объём замораживаемого грунта 3,077*24=73,848 м3.

Начальная температура воды в грунте 20 градусов
Замораживаем до t=0 градусов (лень считать охлаждение до -2...-5 градусов, т.е. будет меньше чем надо).
Масса воды 74000 кг
Энергия для охлаждения с 20 до 0 градусов:
Q=c*m*(t-t1)-L*m; c=4200; m=74000; t=0; t1=20; L=3,34*10^5.
Q=4200*74000*(0-20)-3,34*10^5*74000=-30932000000 Дж = -30932 МДж.

Технический «сухой лёд» имеет плотность около 1560 кг/м3, при возгонке поглощает около 590 кДж/кг (140 ккал/кг).
Масса сухого льда только для охлаждения без кристаллизации воды в грунте 30932000/590=52427,19 кг сухого льда.
Стоимость замораживания 1 водонасыщенного слоя от 52427,19*16,73=877 106,9 руб. 2007 года * Кинфл. (3)=2 631 320 руб. 2013 года. = 2,6 млн. руб. 2013 года.
+ кристаллизация + поддержание температуры = (из пальца) 4 млн. руб. 2013 года на период строительства.

А этих водонасыщенных слоёв при проходке стволов в Воркуте штук 6-10 может быть.

Стоимость жидкого азота

АЗОТ жидкий особой чистоты сорт 1 ГОСТ 9293-74 (99,999%) 7434.00 руб./тн. с НДС

Азот жидкий технический ГОСТ 9293-74 тонна 8200 руб.

Атомная масса (молярная масса) 14,00674 а. е. м. (г/моль) Теплота испарения (N2) 5,57 кДж/моль

Теплота испарения (N2) 5,57*14,00674=78,02 кДж/г = 0,07802 кДж/кг.
Удельная теплота испарения Азот 199 кДж/кг

Масса N2 только для охлаждения без кристаллизации воды в грунте 30932000/199=155 437 кг N2.
Стоимость замораживания 1 водонасыщенного слоя от 155 437*8=1 243 496 руб. 2013 года. = 1,3 млн. руб. 2013 года.
+ кристаллизация + поддержание температуры = (из пальца) 2 млн. руб. 2013 года на период строительства.
Азот в два раза дешевле сухого льда без учёта транспорта и там и там.

Экономика не в пользу сухого льда.
Даже не знаю почему так получилось. Проверьте, может ошибся где ?
Единственное преимущество - азот опасен...


Думаю ваша идея с жидкостью немного преждевременна. Надо сначала обосновать преимущества её использования. А это скорее всего многолетний научный труд, вам будет сложновато за 3 месяца...

СП 32-105-2004 Метрополитены
СП 32-105-2004 Метрополитены_Текст.rar

[PeterPeter]

Tyhig, Спасибо за участие. В целом конечно правильно вы считаете. Но в данном случаи я достоверно знаю о том, что св этом году в Москве проходили ствол как раз, замораживая твердым диоксидом углерода. Вывод: Кто-то посчитал, и определил что это экономически выгодно))

Я имел ввиду "сп 120.13330.2012 Метрополитены"

[Tyhig]

Хм...
У меня так другой вывод:
1) Кто-то наврал в расчётах ТЭО специально для защиты к.т.н. по этому стволу, а заказчик положил на сметы и съел, что дают.
2) Сметная экспертиза, в целом, не знала чем и как замораживают стволы. Это же сметчики. Им написали в ПОС 2*2=5, они и поверили. Но не забыли поиметь ПОСовца и сметчика за какую-нибудь мелочь.
3) азот был далеко, а СО2 был близко, поэтому в ТЭО расходы на транспорт перевесили СО2. Мороженное же везде есть, а вот жидкий азот - нонсенс...
4) Имелся халявный источник СО2.
5) С "ООО жидкий азот" тупые строители/заказчики/проектировщики испортили отношения и выкрутились как могли.
6) ...

[Владимир.]

Сообщение от PeterPeter ищу жидкость, которая не замерзнет при -80 С. При это чтобы дешевая и неопасная.

Автомобильная "незамерзайка". Концентрат, у многих производителей. Как раз декларируют -80. Но, дорогая

[PeterPeter]

Владимир., Скорее всего на основе спиртов, ведь этиловый спирт замерзает при -115, а, скажем, более дешевый (но более опасный), метиловый при -97...

[Tyhig]

Насколько я понимаю идея жидкости:
1) в уменьшении потерь холода после выхода холодного газа из зоны замораживания
2) в увеличении теплопроводности между сублимирующими твёрдыми кусками сухого льда и обсадной трубой скважины

Как вам уже сказали самая дешёвая альтернатива ядовитый этиленгликоль 83,00 руб./кг, следующий по дороговизне "безопасный" пропиленгликоль 95 руб./кг.
Далее, наверное, возможно подобрать рассолы, те же, что и при замораживании. Но раствор соли соляной кислоты плавится при -60 градусах, т. е. вам не подходит. Это может быть и сработает.

Есть ещё одна идея, альтернативная жидкости.
Как думаете, что будет при увеличении Температуры в процессе сублимации ?

Поскольку сублимация льда является сильно эндотермическим процессом, интенсивность его испарения можно увеличить за счет подвода дополнительного, но строго контролируемого количества тепла (нагревания осушаемого продукта); перегрев приводит к плавлению растворителя и морфологическим изменениям в продукте сушки вплоть до коллапса.

Правда это о водяном льде.

А ещё есть уравнение не помню кого P*V/T=const.
Если быстро уменьшить V при увеличивающемся P, то и температура скорее всего увеличится...
СО2 будет плавиться, так как не успеет сублимироваться, а давление и температура уже превысят линию газ-жидкость на графике выше.
Уверен, что возможно подобрать такие условия быстрого сжатия, чтобы успевала плавиться только небольшая часть СО2. А большая часть неуспевала и продолжала бы сублимировать дальше после такого сжатия.
Таким образом вашей жидкостью будет сам расплавившийся сухой лёд в сухом льде.

Быстрое сжатие это, конечно, непросто. Подобрать нужные условия тоже. Не одна скважина должна быть сжата.
Варианты :
1) минивзрыв в устье скважины 1 патрона-боевика
2) забойка скважины пробкой-редуктором давления, минивзрыв в зоне замораживания
3) поршень (хотя, конечно, какое это быстрое сжатие, но чем чёрт не шутит)

Кстати, возможно быстрое сжатие и не потребуется. И хватит поршня с гидроцилиндром...

В общем, когда напишете свой диссер к.т.н. на эту тему, мне пиво.

[tankist]

Сообщение от Tyhig А не так, что руку засунул и нет руки.

Всё остаётся на месте, там есть одна фишка.
По кабельному несколько раз смотрел, как в жидкий азот руки засовывали.

[Fland]

А все же, почему заморозка, а не струйная цементация, которая не оттает, а остается навсегда и от этого уж точно хуже не будет.
Этих установок до лешего, уже чуть ли не у каждого архаровца они есть. Тем более на метро то что экономить, а потом эта экономия боком выйдет.

[PeterPeter]

Сообщение от Fland А все же, почему заморозка, а не струйная цементация, которая не оттает, а остается навсегда и от этого уж точно хуже не будет. Этих установок до лешего, уже чуть ли не у каждого архаровца они есть. Тем более на метро то что экономить, а потом эта экономия боком выйдет.

Цементация не является универсальным специальным способом строительства. У нее есть конкретные рамки, в которых она может применяться. В современной горной промышленности, достаточно примеров тому, как люди, понадеявшись на цементацию и другие способы отличные от замораживания (т.к. замораживание, это действительно достаточно дорого) , получали на глубине 50-60м водоприток в ствол несколько сотен м3 в час.

[Fland]

Я не про заполнительную цементацию с давлением раствора до 1МПа, а про струйную с давлением 40-60МПа.
А про какие стволы речь, вертикальные или наклонные?