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PROCEDE DE CONGELATION DU SOL.. ET DISPOSITIF POUR SA MISE EN OEUVRE.
La présente invention est relative à un procédé de congélation du sol,et à une disposition de tubes de congélation bien appropriée à la mise en oeuvre de ce procédé.
On sait que l'on applique souvent les procédés de congélation du sol lorsqu'il s'agit d'établir des forages, d'approfondir des puits de mine, et d'effectuer des travaux de fondation ou autres travaux en profon- deur dans des terrains humides, lesquels sont durcis ou rendus étanches par la congélation. Comme véhicule de froid,on utilise de préférence un agent normalement gazeux,comme par exemple l'acide carbonique, dont le point d'ébullition à pression normale (1 atm.) est situé notablement au- dessous du point de congélation de l'eau et qui est liquéfié ou solidifié sous pression,à des températures correspondantes plus élevées. Cet agent est introduit à l'état liquide ou à létat solide,sous forme de neige, dans des tubes qui le conduisent au point désiré.
Par un réglage approprié de la pression, on provoque alors la détente et la vaporisation du véhicu- le de froid. On crée ainsi une chute de température entre le point d'ébul- lition du gaz liquéfié qui se détend, et les couches de terre ou de roches avoisinantes. La chaleur de vaporisation nécessaire est prélevée dans les couches avoisinantes, grâce à quoi on provoque leur congélation.
Du-fait que lagent utilisé en vue de la création et de la transmission du foird doit circuler à contre-courant pour s'élever dans le tube utilisé pour la congélation, et sortir à l'extrémité supérieure de ce- lui-ci, on le recueille en ce point pour le conduire à une installation ap- propriée où, par compression et extraction de ses calories, il est ramené à la température de départ et à la pression de départ, pour être à nouveau reconduit dans le circuit.
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Dans les procédés de congélation de ce genre connus jusqu'ici, il se crée, dans la section de retour du tube de congélation, une colonne de liquide dont la partie inférieure se trouve à une pression statique dé- terminée par la partie de cette colonne qui la surmonte. Du fait de cette pression, d'une part la température de vaporisation du liquide réfrigérant se trouve élevée de façon correspondante, et d'autre part la différence de température et par suite l'échange de calories entre les couches avoisinan- tes et le liquide en cours de vaporisation, sont eux-mêmes diminués. Pour des profondeurs très importantes, la colonne de liquide et la pression qui en résulte peuvent devenir assez hautes pour arrêter complètement la vapo- risation de l'agent réfrigérant.
D'autre part, la transmission de chaleur depuis le tube de con- gélation jusqu'au véhicule de froid était jusqu'ici influencée encore par le fait que ce dernier s'élève à l'état de vapeur le long des parois du tube, sur la longueur la plus importante de celui-ci, malgré la présence de la colonne de liquide, le pouvoir de transmission de calories que possè- de la vapeur étant relativement faible.
Lorsque les' tubes sont remplis de la neige d'un gaz liquéfié, on obtient déjà un coefficient de transmission de chaleur plus élevé, du fait que cette neige se trouve partiellement en contact avec les parois du tube. Cependant, dans ce cas également, la pression de la colonne de neige qui se forme éventuellement, notamment lorsqu'il s'agit de profondeurs im- portantes, affecte la température de vaporisation dans une telle mesure que la chute de tempétature et la transmission des calories assurant l'état de vaporisation de l'agent sont encore affaiblies de manière correspondante.
D'autre part, il peut arriver que la vapeur qui prend naissance à l'extré- mité inférieure du tube de congélation chasse devant elle un bouchon de nei- ge, et même l'expulse finalement hors du tube.
La présente invention a précisément pour but d'améliorer les procédés de congélation de ce genre. Elle vise à réaliser une action plus intensive du froid sur les couches qu'il s'agit de congeler, grâce à l'ap- plication d'une pression plus faible, indépendante de la longueur totale des tubes de congélation, d'une température de vaporisation abaissée de manière correspondante, d'un processus de vaporisation plus rapide du li- quide réfrigérant, vaporisation par ailleurs mieux assurée, et enfin d'une mise en contact aussi complète que possible entre ce liquide réfrigérant et la paroi interne du tube.
A cet effet, et conformément à l'invention, le liquide réfrigé- rant est divisé ou réparti contre la paroi interne du tube en une couche mince, par rapport au diamètre du tube de congélation, cette couche étant éventuellement elle-même subdivisée en plusieurs sections superposées. De ce fait, d'une part on utilise la presque totalité de la surface du tube en vue d'une transmission efficace du froid, en employant une quantité de liquide aussi réduite que possible, et d'autre part on s'oppose à la forma- tion d'une importante colonne de liquide fermée dont la pression statique viendrait influencer de façon défavorable la vaporisation et par suite la transmission du froid.
En vue de la mise en oeuvre du nouveau procédé de congélation suivant l'invention, on peut ou bien faire couler le liquide de congéla- tion le long de la paroi interne du tube, depuis le haut vers le bas, les différentes sections de la couche ainsi formées étant constituées par des chambres annulaires superposées, de largeur et de hauteur appropriées, chambres qui se remplissent successivement par débordement du liquide jus- que dans la chambre immédiatement inférieure, ou bien pulvériser une partie de ce liquide, en couche mince, contre la paroi interne du tube de congéla- tion.
Une autre caractéristique de l'invention consiste encore dans le fait que la capacité ménagée à l'extrémité inférieure du tube de congé- lation est pourvue d'un dispositif de signalisation au moyen duquel on peut
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connaître à chaque instant les conditions de service, c'est-à-dire la hau- teur du niveau du liquide dans cette capacité, depuis un point quelconque du chantier, comme par exemple le poste de contrôle de toute l'installa- tion. Attendu que le niveau du liquide dans cette capacité ne doit être ni trop bas ni trop haut, le dispositif de signalisation en question pourra convenablement être constitué par deux sifflets tubulaires réglés sur des tons différents,et disposés à deux niveaux également différents.
Au lieu d'utiliser un tel dispositif accoustique, l'indication que le liquide de réfrigération est réparti sur toute la longueur du tube de congélation, et se trouve dans la capacité inférieure du tube à un ni- veau qui assure la congélation des couches de sol avoisinantes, peut aussi être donnée par tout autre moyen approprié, comme par exemple grâce à un jeu de contacts électriques.
D'autres détails relatifs à l'invention et aux avantages qu'as- sure le nouveau procédé de congélation qui en fait l'objet ressortiront de la description qui va suivre et qui porte sur une disposition de tubes de congélation propre à la mise en oeuvre du procédé en question, et représen- tée à titre d'exemple dans le dessin annexé..
Le tube de congélation figuré en coupe longitudinale et compor- tant deux cloisons d'interruption transversales, pour former des sections successives, se compose de manière connue en soi d'un certain nombre de tronçons tubulaires 1, selon la longueur totale de tube nécessaire, tron- çons qui sont assemblés par des manchons filetés 2, par leurs extrémités correspondantes, comportant un filetage extérieur. Le tube est fermé à son extrémité inférieure par un fond 3, et est subdivisé au moyen de cloi- sons intermédiaires 4 prévues au point de jonction entre les différents tronçons, en un nombre correspondant de sections ou chambres cylindriques.
Dans ces chambres sont disposés, concentriquement au tube pro- prement dit, des éléments 5, 5' également tubulaires, et d'un diamètre un peu plus petit que celui du tube, de manière à donner naissance, avec les portions correspondantes du tube de congélation, à d'étroites chambres an- nulaires 6, 6'. Ces chambres annulaires sont délimitées vers le bas par une cloison intermédiaire 4 ou par le fond 3 et s'élargissent à leur extré- mité supérieure, au voisinage de la cloison intermédiaire immédiatement su- périeure, suivant l'obliquité donné à la portion supérieure de ces éléments, coniques en ce point.
Immédiatement en avant de cette zone d'élargissement, on prévoit dans chaque chambre annulaire 6, à l'exception de la dernière, désignée par 6', un tube de débordement 7 qui conduit jusqu'à la chambre an- nulaire immédiatement inférieure, après avoir traversé une cloison intermé- diaire. Le tube 7' d'admission dans la chambre annulaire supérieure 6 a son orifice d'admission disposé dans l'axe du tube de congélation.
Dans la partie supérieure du tube de congélation, et co-axiale- ment à celui-ci, on prévoit encore un tube 8 fermé à son extrémité inférieu- re, et dont la paroi est percée de petits orifices 9 répartis sur toute sa longueur et sur toute sa périphérie. Dans cette zone, sont également prévus des organes directeurs 10 hélicoïdaux fixés à la paroi interne du tube de congélation. Des tôles 11 dont la destination est analogue sont prévues dans la chambre annulaire inférieure 6', mais fixées à l'élément tubulaire 5' qui délimite cette chambre vers l'intérieur, ledit élément tubulaire étant en outre pourvu lui-même de¯petits orifices 12 analogues à ceux que compor- te le tube 8.
Le tube de congélation est en outre muni de deux sifflets tubu- laires 13,14 qui traversent la cloison intermédiaire inférieure et dont les embouchures dirigées vers le bas sont situées à des niveaux différents.
Ces deux sifflets sont accordés sur des tons différents. Dans toutes les autres cloisons intermédiaires, on prévoit encore, outre le tube de débor- dement, une courte tubulaire 15 ouverte à ses deux extrémités.
Dans une installation dont les tubes de congélation sont dispo- sés de la manière que l'on vient d'indiquer, le procédé dé congélation con-
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forme à l'invention est mis en oeuvre de la manière suivante :
Le liquide réfrigérant introduit par le haut en empruntant le tube 8 est projeté en passant par les petits orifices 9 de ce tube, contre les zones en regard de la paroi interne du tube de réfrigération 1. Le li- quite y forme une mince pellicule qui, à l'aide des organes directeurs 10, se répartit sur toute la surface interne de la paroi du tube de réfrigéra- tion. Du fait de l'active transmission du froid aux couches du sol qui en- vironnent le tube de réfrigération, cette pellicule liquide se vaporise pour sa plus grande part.
Au cours du processus de vaporisation qui se trou- ve grandement facilité par l'importance de la surface libre de la pellicule de liquide en question, des quantités additionnelles de calories provenant de l'entourage peuvent passer jusque dans le véhicule de froid.
Le liquide qui ne s'est pas encore évaporé s'accumule au-dessus de la cloison intermédiaire supérieure 4, puis parvient jusque dans la cham- bre annulaire supérieure 6, en empruntant le tube de débordement 7'. Dès que cette chambre annulaire est remplie jusqu'au niveau du tube de déborde- ment 7, le liquide réfrigérant s'écoule par ce dernier, pour pénétrer jus- que dans la chambre annulaire immédiatement inférieure. Le même processus se renouvelle selon le nombre des chambres annulaires superposées dans le tube de congélation considéré, jusqu'à ce qu'enfin la chambre annulaire inférieure soit elle-même emplie, après quoi le liquide parvient, en pas- sant par les orifices 12, jusque dans la capacité inférieure du tube de con- gélation ménagée entre le fond 3 et la cloison intermédiaire inférieure 4.
De cette manière, la plus grande partie de la paroi du tube de congélation se trouve en contact avec le liquide, et l'on obtient ainsi un échange de température très actif. A cet égard, il est particulièrement a- vantageux que le liquide, du fait de la hauteur relativement faible des différentes couches correspondant aux chambres annulaires, par rapport à la longueur totale du tube de congélation, et de la forte influence de l'ad- hérence, tant dans ces couches que tout d'abord aussi dans la zone de la pellicule supérieure plus mince encore, et même pour une triès grande pro- fondeur, se trouve soumis à une pression statique relativement faible. La température d'évaporation peut ainsi être maintenue très basse.
A ceci vient encore s'ajouter le fait que contrairement à ce qu'il en est pour une colonne de liquide s'étendant sur toute la longueur du tube de congélation, il n'existe pas un seul niveau de liquide; chaque' couche possède son propre niveau, de sorte que le processus d'évaporation, par suite des surfaces supérieures libres fortement augmentées, évolue plus rapidement, dans la même mesure.
La vapeur qui prend naissance dans les chambres annulaires, à partir du liquide réfrigérant, est évacuée en emprun- tant les tubulures 15 jusque dans les chambres immédiatement supérieures du tube de congélation, pour parvenir enfin à l'extrémité supérieure de ce tube, et y être recueillie de manière connue en soi, afin que le véhicule de froid, après avoir été réfrigéré et reconduit à la phase liquide, puisse reprendre sa circulation tout le long du tube de congélation.
Il peut arriver que par suite de l'évaporation qui se produit déjà dans la partie supérieure du tube de congélation, la quantité d'agent de réfrigération encore liquide soit trop petite pour pouvoir parvenir jus- que dans la capacité inférieure, par débordement depuis la chambre annulai- re qui la précède. Il est d'autre part indésirable et peu économique que le tube de congélation reçoive une quantité de liquide réfrigérant plus grande que celle exactement nécessaire à la mise en oeuvre du procédé. Ce serait le cas si, avec la disposition décrite, le liquide réfrigérant s'é- levait, dans la capacité inférieure, au-dessus d'un certain niveau.
Attendu que dans un tel procédé de congélation, ces conditions ne peuvent être directement appréciées depuis l'extérieur à la surface du sol, on prévoit le dispositif de signalisation ici constitué par exemple par les deux sifflets 13, 14. Tant que la capacité inférieure du tube de congélation ne contient pas de liquide, et que, par suite, de la vapeur ne
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peut y prendre naissance;, aucun des deux sifflets ne fonctionne. Si un ni- veau de liquide s'établit dans cette capacité, et que le dégagement de va- peur commence, les deux sifflets entrent en action. Si enfin le niveau du liquide s'élève jusqu'à atteindre l'embouchure du sifflet inférieur, ce - dernier cesse de fonctionner, et seul l'autre sifflet se fait encore enten- dre.
Lorsque ce second sifflet est lui-même noyé, il cesse également de fonc- tionner. Les deux sifflets sont ainsi montés que leurs embouchures coinci-, dent respectivement vers le niveau inférieur et avec le niveau supérieur du liquide, dans la capacité inférieure du tube de congélation. On est ainsi averti des conditions de fonctionnement normales lorsqu'un seul des deux sifflets se fait entendre.
On pourra, sans sortir du cadre de l'invention, imaginer d'au- tres variantes de réalisation, tant en ce qui concerne la subdivision en couches du liquide de réfrigération qu'en ce qui concerne par exemple le dispositif de signalisation.