Устройство для криогенного промораживания грунта

Устройство для криогенного промораживания грунта

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение предназначено для промораживания жидким и/или газообразным азотом поверхности грунта, загрязненного или ожидающего загрязнения нефтью, нефтепродуктами, пожаро-, взрывоопасными, ядовитыми и химически агрессивными веществами, с целью его очистки.

Известен способ локализации и ликвидации последствий аварийных разливов опасных жидкостей, который заключается в обработке загрязненной поверхности инертной криогенной жидкостью, в частности жидким азотом, при этом в качестве установки, обеспечивающей данный способ, рассматривается некоторое распылительное устройство, соединенное посредством трубопровода с железнодорожной цистерной, содержащей хладагент [RU, патент 2169230, 2001].

К недостаткам способа следует отнести то, что распыление азота осуществляется на открытом воздухе, вследствие чего существенная часть холодильного потенциала хладагента при его испарении теряется в окружающую среду. Кроме того, способ рассматривает в качестве загрязнений пожаро-, взрывоопасные, ядовитые и химически активные вещества и направлен на подавление их воздействия на окружающую среду. Однако, если речь идет о нефтепродуктах, обладающих высокой стоимостью, есть необходимость их локализации и дальнейшей переработки - чего данный способ не предусматривает.

Известен способ сбора нефти и нефтепродуктов и устройство для его осуществления, предусматривающий размещение на загрязненной поверхности специального полога, образующего замкнутое пространство, в которое подают теплоноситель для подогрева нефтяного загрязнения, и затем с помощью вакуумного агрегата с насосами и заборным приспособлением загрязнение откачивают и направляют на переработку [RU, патент 2111311, 1999].

К недостаткам данного способа следует отнести сложность конструкции устройства, требующего использования теплоносителя, развитой насосной системы, вспомогательных приспособлений, вакуумного агрегата и т.п. Кроме того, подогрев загрязненной поверхности может вызвать увеличение глубины впитывания грунтом нефтепродуктов, что нежелательно, если речь идет о загрязнении пляжных территорий.

Известен способ и устройство для замораживания и удаления загрязненной почвы, заключающийся в размещении на загрязненной поверхности одного или нескольких, смежно расположенных морозильных коробов, через которые циркулирует хладагент (СО₂, N₂), при этом для их перемещения применяется специальный кран [US, №4966493, В 09 В 1/00, 1990].

К недостаткам такого устройства следует отнести то, что при необходимости обработки большей площади загрязнения необходимо перемещать морозильные короба, а вместе с ними и сам кран, кроме того, размещение коробов непосредственно на грунте может привести к быстрому износу рабочей поверхности короба, а использование внутренних перегородок в коробе, расположенных в шахматном порядке, существенно затрудняет циркуляцию хладагента.

Наиболее близким к предлагаемому и выбранным в качестве прототипа является криогенный мобильный очиститель пляжей, использующий способ распыления жидкого азота, с последующим снятием замороженного слоя загрязненного грунта и его утилизацией [US, №4043140, F 25 C 1/00, 1997].

К недостаткам данного устройства следует отнести то, что оно предназначено для удаления загрязнений с относительно ровной поверхности пляжей, однако прилегающие к пляжной территории площади могут иметь каменистую поверхность. В этом случае использование данного устройства неудобно. Кроме того, распылительное устройство имеет ограниченные габаритные размеры, что не позволяет одновременно замораживать большую площадь загрязненного участка.

Данное мобильное устройство снабжено встроенным резервуаром для хранения хладагента малой емкости, а замораживание влажного пляжного грунта, покрытого, например, нефтепродуктами, требует значительного расхода хладагента (азота). Распыление хладагента осуществляется на открытом воздухе, при этом часть образующегося газообразного азота улетучивается, унося с собой значительную порцию холодильного потенциала - это также ведет к увеличению расхода хладагента.

В конструкции распылительного устройства, имеющего сечение прямоугольной формы, предусмотрено по два поворотных участка с каждой стороны транспортного средства, что приводит к увеличению местных сопротивлений и падению напора при движении хладагента. Для поддержания заданного давления в системе подачи хладагента предусмотрено использование насоса с электродвигателем, что ведет к усложнению конструкции и повышению энергопотребления устройства. Необходимо также отметить, что использование криогенных температур (-100÷-196°С) требует теплоизоляции всех элементов системы подачи хладагента от резервуара до распылительных форсунок в целях сокращения его расхода, при этом предъявляются повышенные требования к материалам данных конструкций.

Предложенное изобретение направлено на решение технической задачи, заключающейся в обеспечении криогенного промораживания грунта, загрязненного нефтепродуктами, пожаро-, взрывопасными, ядовитыми и химически агрессивными веществами с целью его очистки.

Использование данного устройства позволяет обеспечить максимально быстрое промораживание загрязненного слоя грунта любой площади с целью его очистки с учетом дальнейшего съема и утилизации замороженного слоя, а также минимальный необходимый расход дорогостоящего хладагента.

Технический результат, заключающийся в устранении указанных недостатков в устройстве криогенного промораживания грунта, содержащем транспортное средство с размещенной на нем емкостью с хладагентом и коллектор для подвода хладагента, достигается за счет того, что коллектор для подвода хладагента соединен с емкостью посредством гибкого трубопровода и выполнен Т-образной формы с разъемными ответвлениями, каждое из которых соединено с соответствующей камерой охлаждения, выполненной в виде теплоизолированного короба, обращенного открытой частью к замораживаемой поверхности и содержащей колесные пары, при этом каждая из камер имеет установленный в ее полости коллектор для распыления хладагента, включающий набор горизонтальных трубок с отверстиями по их длине для установки форсунок, а наружные стенки каждой камеры имеют торцевые и боковые борта, образующие замкнутый объем для циркуляции газов хладагента, отходящих через отверстия нетеплоизолированного ограждения каждой камеры, выполненного в нижней ее части, для обеспечения предварительного охлаждения замораживаемой поверхности вокруг камеры с внешней ее стороны, при этом стенки камеры имеют средства фиксации, состоящие из замков со стопорными штифтами и фиксаторов для соединения камер между собой или для фиксации бортов в рабочем положении, а также дополнительные борта для стыковки камер между собой, жестко смонтированные с наружных боковых сторон камеры в нижней ее части для обеспечения герметизации пространства между камерами.

Кроме того, распылительные форсунки в количестве - 12 штук для покрытия хладагентом 1 м² загрязненной поверхности размещены на коллекторе для распыления хладагента под углом от 10° до 30° к вертикальной оси в сторону перемещения камеры, при этом угол распыления 60°, а расстояние от форсунок до загрязненной поверхности - не более 300 мм. Т-образный коллектор и гибкий трубопровод выполнены теплоизолированными с обеспечением рабочих температур в интервале от -100 до -196°С.

На фиг.1 схематично изображено устройство для криогенного промораживания грунта; на фиг.2 изображен продольный разрез камеры охлаждения (вид А) и поперечный (вид Б) с указанием места стыковки двух смежных камер; на фиг.3 изображены борта камеры охлаждения: продольный вид бокового и торцевого бортов (вид А), и элемент их фиксации в изометрии (вид Б); на фиг.4 изображено устройство фиксации в изометрии: корпус (вид А), фиксатор (вид Б); на фиг.5 изображена конструкция коллектора для распыления хладагента с распылительными форсунками в изометрии.

Предлагаемое устройство состоит из транспортного средства 1 с размещенной на нем емкостью 2 с хладагентом, соединенную посредством гибкого трубопровода 3 с Т-образным коллектором 4, имеющим разъемные ответвления 5, каждое из которых соединено с соответствующей камерой охлаждения 6. Камеры охлаждения 6 выполнены в виде теплоизолированных коробов, обращенных открытой частью к замораживаемой поверхности 7, покрытой загрязнениями 8. Каждая камера 6 снабжена колесными парами 9 и установленным в ее полости коллектором 10 для распыления хладагента, состоящим из набора горизонтальных трубок 11 с отверстиями по их длине для установки распылительных форсунок 12. Наружные стенки каждой камеры 6 имеют боковые 13 и торцевые 14 борта, оснащенные элементами фиксации 15 и образующие замкнутый объем для циркуляции газов хладагента, отходящих через отверстия 16 нетеплоизолированного ограждения 17, выполненного по периметру каждой камеры 6, в нижней ее части, перпендикулярно к замораживаемой поверхности, для предварительного охлаждения замораживаемой поверхности 7. Наружные стенки каждой камеры также снабжены собственными средствами фиксации 18, состоящими из замков 19 со стопорными штифтами 20 и фиксаторов 21 для соединения камер 6 между собой или для фиксации бортов 13, 14 в рабочем положении. Кроме того, каждая камера 6 имеет дополнительные борта 22, жестко смонтированные с наружных боковых сторон камеры в горизонтальной плоскости, для стыковки камер между собой и для обеспечения герметизации пространства между камерами. Камеры охлаждения 6 соединены с транспортным средством 1 буксировочными тросами 23.

Устройство работает следующим образом. Транспортное средство 1 с размещенной на нем емкостью с хладагентом 2 и соединенное буксировочными тросами 23 с одной или несколькими (в зависимости от ширины площади загрязнения) камерами охлаждения 6 перемещается по покрытой загрязнениями 8 поверхности 7. Жидкий хладагент (азот) с температурой -196°С подается через гибкий трубопровод 3 в Т-образный коллектор 4, имеющий теплоизоляцию, и распределяется с помощью ответвлений 5 по камерам охлаждения 6. Далее хладагент попадает в коллектор 10 для его распыления, где по горизонтальным трубкам 11 равномерно распределяется по отверстиям (на фигурах не показаны), в которых закреплены под углом от 10° до 30° градусов к вертикальной оси распылительные форсунки 12 с углом распыления 60°. С помощью форсунок 12 жидкий хладагент орошает и замораживает загрязненную поверхность площадью 1 м² под каждой камерой охлаждения 6, а образующийся при испарении жидкого газообразный хладагент с температурой на уровне от -100 до -180°С поступает через отверстия 16 нетеплоизолированного ограждения 17, выполненного по периметру каждой из камер, в замкнутый объем для предварительного охлаждения замораживаемой поверхности 7, образованный съемными боковыми 13, торцевыми 14 и дополнительными жестко смонтированными стыковыми бортами 22, размещенными с внешних сторон камер охлаждения 6. Борта 13, 14 закреплены на внешних стенках камеры 6 с помощью средств фиксации 18, состоящих из замков 19 со стопорными штифтами 20 и элементов фиксации 15 на самих бортах. Для стыковки камер 6 между собой предусмотрены специальные фиксаторы 21. Продолжительность замораживания слоя загрязненной поверхности толщиной δ=5 см, например: нефтью с температурой замерзания t=-20°С, составит 18 мин, мазутом с температурой застывания t=+4°С - 9 мин, при этом расход хладагента (жидкого азота) в зависимости от температуры отработавших паров составит: для нефти - от 15 до 20 кг/м² площади, для мазута от 5 до 8 кг/м² площади.

Замороженный слой загрязненного грунта впоследствии нарезают дорожной фрезой. Затем с помощью грейдера, содержащего конвейер, загружают в самосвал и транспортируют к месту утилизации или переработки (данные устройства на схеме не показаны).

В случае, если ожидается наплыв загрязненной волны на некоторую прибрежную территорию, возможна предварительная подготовка грунта путем создания защитного замороженного слоя, необходимого для более ускоренной и эффективной локализации последствий аварийных ситуаций, приводящих к загрязнению грунта. С этой целью промораживание поверхности грунта обеспечивают с помощью вышеописанного устройства, после чего на замороженный слой наносят прочие холодоудерживающие покрытия.

Возможен вариант, когда выброс загрязнений произошел на каменистую поверхность. В этом случае возможно использование автономной системы замораживания. Для этого из камеры охлаждения 6 вынимают коллектор 10 для распыления хладагента, включают в рабочий режим необходимое количество форсунок 12 и целенаправленно осуществляют замораживание с соблюдением мер безопасности при работе с низкотемпературными хладагентами.

Конструкция предлагаемого устройства проста в изготовлении, не требует электроэнергии. Подразумевается размещение на транспортном средстве емкости с хладагентом объемом 5, 8 или 16 м³, что позволит без дозаправки обработать поверхность площадью от 1000 до 10000 м². Использование в устройстве наружных бортов, образующих замкнутый объем для предварительного охлаждения замораживаемой поверхности, а также теплоизоляции трубопроводов, по которым осуществляется подача хладагента, позволяет обеспечить значительное сокращение расхода дорогостоящего хладагента, за счет более полного использования его холодильного потенциала. В целом, устройство позволяет быстро и эффективно обеспечить локализацию и ликвидацию последствий аварийных загрязнений грунта (очистку) нефтью, нефтепродуктами, пожаро-, взрывоопасными, ядовитыми и химически агрессивными веществами.

1. Устройство для криогенного промораживания грунта, содержащее транспортное средство с размещенной на нем емкостью с хладагентом и коллектор для подвода хладагента, отличающееся тем, что коллектор для подвода хладагента соединен с емкостью посредством гибкого трубопровода и выполнен Т-образной формы с разъемными ответвлениями, каждое из которых соединено с соответствующей камерой охлаждения, выполненной в виде теплоизолированного короба, обращенного открытой частью к замораживаемой поверхности и содержащей колесные пары, при этом каждая из камер имеет установленный в ее полости коллектор для распыления хладагента, включающий набор горизонтальных трубок с отверстиями по их длине для установки форсунок, а наружные стенки каждой камеры имеют торцевые и боковые борта, образующие замкнутый объем для циркуляции газов хладагента, отходящих через отверстия нетеплоизолированного ограждения каждой камеры, выполненного в нижней ее части для обеспечения предварительного охлаждения замораживаемой поверхности вокруг камеры с внешней ее стороны, при этом стенки камеры имеют средства фиксации, состоящие из замков со стопорными штифтами и фиксаторов для соединения камер между собой или для фиксации бортов в рабочем положении, а также дополнительные борта для стыковки камер между собой, жестко смонтированные с наружных боковых сторон камеры, в нижней ее части, для обеспечения герметизации пространства между камерами.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что распылительные форсунки в количестве 12 штук для покрытия хладагентом 1 м² загрязненной поверхности размещены на коллекторе для распыления хладагента под углом от 10 до 30° к вертикальной оси в сторону перемещения камеры, при этом угол распыления каждой форсунки составляет 60°, а расстояние от форсунок до загрязненной поверхности - не более 300 мм.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что Т-образный коллектор и гибкий трубопровод выполнены теплоизолированными с обеспечением значений рабочих температур в интервале от -100 до -196°С.