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"Installation remplie de liquide pour la réfrigération de terrains"
La présente invention concerne d'une façon générale une installation remplie de liquide, utile pour le maintien à l'état congelé du sol entourant des empattements et des fondationsElle concerne plus particulièrement un appareil rempli de liquide, dans lequel une transmission de chaleur s'effectue avec l'air ambiant à partir du terrain ou sol environnant de façon que le sol reste à l'état congelé.
Jusqu'ici, on a rencontré de grandes difficultés en essayant d'ériger des constructions permanentes dans les régionsarctiques ou presquearctiques du monde à cause de
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la présence du pergélisol. Comme on le sait, cet état est très répandu dans ces régions, et il se traduit par la destruction partielle ou totale de nombreuses constructions importantes, en particulier lorsque le temps est anormalement chaud, pendant lequel le pergélisol commence à se dégeler.
Dans les régions où la couche du pergélisol est relativement mince, des pieux sont enfoncés dans le sol ferme se trouvant au-dessous, Cependant, cette solution n'est pas entièrement satisfaisante étant donné que dans certaines régions le pergélisol peut atteindre une profondeur de 300 mètres ou plus. Une autre méthode qui a été utilisée consiste à construire le bâtiment ou immeuble sur des soutènements en bois posés sur la toundra. Le fait de laisser la toundra intacte sur le pergélisol aide à empêcher son dégel mais évidemment, ce mode de construction n'est pas toujours pratique.
Le procédé décrit ci-dessus peut tre utilisé efficacement pour de petites constructions, mais de grands bâtiments, des installations de radar, des tours de communication, etc, nécessitent des fondations beaucoup plus robustes et d'une façon générale profondément enfoncées.
La présente invention se propose en conséquence de fournir 1 - un appareil simple, relativement peu coûteux qui permet de construire de telles fondations par congélation permanente du sol ou du pergélisol dans lequel elles sont disposées ; - un appareil perfectionné qui nécessite peu ou pas de pièces mobiles, tout en permettant en même temps
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d'obtenir la congélation très efficace permanente de la zone du pergélisol entourant l'appareil ; - un appareil rempli de liquide perfectionné qui, lorsqu'il est enfoncé dans le sol en extrait la chaleur et la transmet à l'aide d'échangeurs de chaleur à l'air ambiant environnant de façon à maintenir le sol à l'état congelé d'une façon permanente.
D'une façon générale- la présente invention fournit un appareil perfectionné comprenant un moyen enfoncé dans le sol ou la zone du pergélisol de façon à en extraire la chaleur, un moyen pour transmettre la chaleur ainsi extraite à l'air ambiant, et un milieu de transmission de chaleur liquide remplissant ledit appareil.
D'autres avantages et caractéristiques de l'invention ressortiront de la description qui va suivre, faite en regard des dessins annexés sur lesquels la figure 1 est une vue en partie en élévation et en partie en coupe transversale, d'un appareil construit suivant l'invention, représenté comme étant partiellement enfoncé dans le sol.ou le pergélisol ; la figure 2 est une coupe transversale d'une variante de l'appareil également construite suivant l'inven- . tion.
En se référant d'abord à la figure 1, l'appareil est représenté tel qu'il serait disposé pendant son fonc- tionnemént réel.
Un calorifugeage 12, qui peut être une matière artificielle ou la toundra naturelle, est réparti sur la surface entourant l'appareil pour empêcher une transmis- sion de chaleur entre le sol et l'air et pour aider à em- pêcher l'absorption directe de la chaleur par l'atmosphère.
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Une enveloppe creuse 14 est enfoncée dans le sol ou le pergélisol. L'enveloppe 14 est fermée à chaque extrémité et présente une conduite d'admission calorifugée 16 s'étendant à travers l'extrémité supérieure et se terminant au voisinage du fond de l'enveloppe 14. Une conduite d'admission calorifugée 18 reliée à la conduite d'admission 16 s'étend à travers la paroi latérale supérieure de l'enveloppe 14. Un bouchon ou chapeau 20 de conduite est représenté comme fermant l'extrémité libre de la conduite 18. La conduite 18 sert de raccord supplémentaire au cas où l'installation ne pourrait pas utiliser le raccord supérieur. Dans ce cas, l'extrémité supérieure de la conduite d'admission 16 pourrait être fermée.
Une conduite d'écoulement de retour 22 s'étend également à travers l'extrémité supérieure de l'enveloppe 14. La conduite 22 ne s'étend que sur une courte distance dans l'enveloppe 14. Une autre conduite de retour 24 est représentée comme s'étendant à travers la paroi latérale supérieure de l'enveloppe 14 et juste à l'intérieur. de celle-ci. L'extrémité libre de la conduite 24 présente un chapeau ou bouchon 26. Si cette autre conduite de retour 24 devait être utilisée, la conduite de retour 22 serait fermée et le branchement de retour serait effectué avec la conduite 24.
Un échangeur de chaleur 28 est relié à la conduite d'admission 16 et peut contenir un ou plusieurs éléments de transmission de chaleur 30 reliés entre eux par les conduites et raccords nécessaires. L'extrémité supérieure ou d'admission de l'échangeur de chaleur 28 est relié à une soupape de retenue 32. Cette dernière est constuite de fa- çon à ne laisser passer le fluide que dans le sens indiqué
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par la flèche tracée sur elle comme représenté sur la figure 1. Une soupape régulatrice ou d'étranglement 34 est reliée à la soupape de retenue 32 et est destinée à régler le volume du liquide la traversant. On doit souligner qu'on peut utiliser, si on le désire, une seule soupape combinant les caractéristiques aussi bien de la soupape de retenue 32 que de la soupape régulatrice 34.
La soupape 34 est reliée à une conduite 44 et à un réservoir de liquide 36 au moyen d'un raccord en T 42.
La conduite 44 est reliée à son extrémité inférieure avec la conduite de retour 22 qui, comme précédemment décrit, s'étend dans l'enveloppe 14.
Le réservoir 36 est destiné à contenir une partie du liquide de transmission de chaleur qui remplit l'appareil.
Un regard vitré 38 est prévu dans le réservoir de façon à pouvoir déterminer visuellement si l'appareil contient la quantité correcte de liquide. Un bouchon ou chapeau de remplissage 40 est prévu au sommet du réservoir 36 de façon à pouvoir ajouter du liquide dans l'appareil lorsque c'est nécessaire.
On a utilisé des liquides à bas point d'ébullition, comme certains liquides réfrigérants, ainsi que des liquides à point d'ébullition élevé comme l'éthylène-glycol ou des liquides à base d'éthylène glycol pour remplir l'installation. On a également utilisé de l'essence ordinaire avec succès dans l'installation. La différence principale constatée entre les liquides utilisés est le rendement de l'installation.
La forme de l'appareil représentée sur la figure 2 se prête à une technique de fabrication et de production simplifiée. Sur cette figure, on a représenté une enveloppe
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creuse 14a enfoncée dans le sol ou le pergélisol 10. A l'intérieur de 1-'enveloppe 14a est montée une pièce rappor- tée 46 qui comporte une conduite d'admission 16a et un mé- canisme de soupape 34a commandé par soufflet. La pièce rap- portée 46 est construite de préférence en une matière plas- tique qui fournit d'une façon inhérente le calorifugeage voulu. Elle peut être construite en une autre matière appropriée quelconque, et on peut prévoir sur elle un calorifugeage séparé.
L'enveloppe 14a s'étend vers le haut à travers la toundra ou le calorifugeage artificiel 12. Sa partie supé- rieure, au-dessus de la pièce rapportée 46, sert d'échan- geur de chaleur avec l'atmosphère de la même façon que l'échangeur de chaleur 30 de la figure 1.
La pièce rapportée 46 comporte également un manchon 56 qui s'étend de haut en bas à partir de la soupape 34a concentriquement à l'intérieur de l'enveloppe 14a. Elle est construite de façon à fournir un calorifugeage entre l'enveloppe 14a et l'intérieur de celle-ci sur une lon- gueur suffisante de l'enveloppe 14a pour séparer la zone inférieure de transmission de chaleur au voisinage du sol de la zone supérieure de transmission de chaleur située au voisinage de l'atmosphère.
On prévoit une série de passages 58 à travers la pièce rapportée 46 pour permettre l'écoulement d'un fluide de la zone inférieure dans la zone supérieure.
La soupape 34a comprend un élément de soupape à bille 48 destiné à former un joint avec l'extrémité supé- rieure de la conduite d'admission 16a. L'élément de soupape 48 présente une tige 50 s'étendant vers le haut et reliée à un soufflet 52. Ce dernier est monté sur une traverse 54
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qui est reliée par chaque extrémité à l'intérieur de la pièce rapportée 46.
Les extrémités supérieure et inférieure de l'enveloppe 14a sont fermées. Un bouchon 40a est prévu de façon à pouvoir remplir l'installation ou à pouvoir remplacer le fluide en cas de perte fortuite de ce dernier. Comme cela a été le cas avec l'installation représentée sur la figure 1, cette installation est également remplie et de préférence hermétiquement fermée. Une installation entièrement remplie et hermétiquement fermée permet de mettre le fluide sous pression et fournit une élévation du point d'ébullition du fluide au cas où l'on utilise des fluides à bas point d'ébullition.
Le fonctionnement de l'appareil de l'invention est extrêmement simple. L'enveloppe @ est enfoncée dans le pergélisol 10 au voisinage des fondations de l'immeuble ou autre construction. Après avoir disposé le calorifugeage 12 et après avoir rempli l'appareil de liquide, la chaleur provenant du sol 10 autour de l'enveloppe 14 est transmise au liquide. Lorsque la température du liquide augmente, un écoulement thermique du liquide commence.
Le liquide, qui est plus chaud et plus léger, commence à monter vers le sommet de l'enveloppe 14 et est remplacé par un liquide plus froid provenant de la conduite d'admission calorifugée 16. Le calorifugeage de la conduite d'admission 16 est prévu pour augmenter l'efficacité de l'installation en retardant la transmission de chaleur des liquides plus chauds contenus dans l'enveloppe 14 auxliquides froids contenus dans la conduite 16.
A mesure que l'écoulement thermique se poursuit, le liquide plus chaud s'écoule à travers la conduite de re-
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tour 22 dans la conduite 44, à travers la soupape régulatrice 34. Cette dernière est réglable de façon à pouvoir régler le volume du liquide qui s'écoule, en réglant ainsi le taux de refroidissement dans une certaine mesure.
A partir de la soupape régulatrice 34, le liquide s'écoule à travers la soupape de retenue 32 et dans l'échangeur de chaleur 20. La soupape de retenue 32 empêche qu'il puisse se produire un écoulement en sens inverse dans l'installation, étant donné que le liquide ne peut passer que dans un seul sens.
Dans l'échangeur de chaleur 28, le liquide plus chaud est mis en contact avec les zones très conductrices et de grande surface des éléments de transmission de chaleur 30. L'air froid entourant les éléments de transmission de chaleur 30 absorbe la chaleur du liquide plus chaud, en refroidissant ainsi le liquide. Le liquide, qui a été maintenant refroidi, est ramené dans l'enveloppe 14 par l'intermédiaire de la conduite d'admission 16.
Le fonctionnement de la variante de l'appareil représenté sur la figure 2 est aussi relativement simple.
Après avoir installé l'enveloppe 14a comme représenté, la chaleur du sol ou du pergélisol est transmise au fluide contenu dans la partie inférieure de l'enveloppe 14a. A mesure que la température du fluide augmente, le fluide commence à monter dans l'enveloppe 14a en passant par les passages 58 et dans la zone supérieure de l'enveloppe supérieure 14a. La chaleur du fluide est alors transmise à l'atmosphère à travers la paroi de l'enveloppe 14a.
Le volume du fluide s'écoulant dans l'installation est réglé par la position de l'élément de soupape 48 par rapport à la conduite d'admission 16a. On peut régler
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la position initiale de façon à veo obtenir un débit voulu dans une cert.,ne gamme de temerature. Le soufflet
52 peut être relié le façon à frme ou ouvrir l'élément de soupape 48 lors ' une augme tatolou d'une chute de la. température du flulie.
En reliant) '-'dément de soupape 48 au sommet du soufflet 52, la ba du soufflet étant fixée à la traverse 54, ;omme repré rté sur la figure 2, on ob- tient un mouvementde l'élé @@ de soupape 48 à l'écart de la conduite dadmissio' 6a à mesure que l'atmosphère entourant le souiflet d ent Plus chaude. Le soufflet 52 se déploie long tudine ment pour déplacer l'élément de sou- pape en raison de la tatation d'un fluide thermosensible contenu dans @@ sout let 52.
Lorsque la soupape 34a est installée dan ppareil de cette façon, on obtient un plus grand d et ainsi an taux supérieur de transmission de chaleur des températures relativement plus chaudes du fluide d la partie supérieure de l'enveloppe 14a, de sorte (.'on peut tirer un profit maximum de la transmis- sion chaleur minimum dans la zone supérieure.
Le fluide froid contenu dans la partie supérieure deenveloppe supérieure 14a s'écoule alors de haut en @ à travers la conduite d'admission calorifugée 16a jusqu'en un point situé près de la base de l'enveloppe 14a, en complétant ainsi le cycle de réfrigération.
D'après oe qui précède il ressort que l'appareil construit suivant la présente invention est nouveau, très sûr, et relativement peu coûteux à fabriquer et à faire fonctionner.
Naturellement, l'invention n'est pas limitée aux formes de réalisation décrites et représentées et est sus- ceptible de recevoir diverses variantes rentrant dans le cadre et l'esprit de l'invention.
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"Installation filled with liquid for ground refrigeration"
The present invention relates generally to an installation filled with liquid, useful for maintaining the frozen state of the soil surrounding footings and foundations. It relates more particularly to an apparatus filled with liquid, in which heat transmission takes place. with ambient air from the land or surrounding soil so that the soil remains frozen.
So far, great difficulties have been encountered in trying to erect permanent constructions in the arctic or near arctic regions of the world because of
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the presence of permafrost. As is known, this condition is very widespread in these regions, and it results in the partial or total destruction of many important buildings, especially when the weather is unusually hot, during which the permafrost begins to thaw.
In areas where the permafrost layer is relatively thin, piles are driven into the firm ground below. However, this solution is not entirely satisfactory since in some areas the permafrost can reach a depth of 300 meters or more. Another method which has been used consists in constructing the building or building on wooden supports placed on the tundra. Leaving the tundra intact on the permafrost helps prevent it from thawing, but obviously this method of construction is not always practical.
The method described above can be used effectively for small constructions, but large buildings, radar installations, communication towers, etc., require much more robust foundations and generally deeply sunk.
The present invention therefore proposes to provide 1 - a simple, relatively inexpensive apparatus which enables such foundations to be built by permanent freezing of the soil or of the permafrost in which they are placed; - an advanced device that requires few or no moving parts, while at the same time allowing
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to obtain permanent highly efficient freezing of the permafrost area surrounding the apparatus; - an improved liquid-filled device which, when driven into the ground, extracts heat therefrom and transmits it through heat exchangers to the surrounding ambient air so as to keep the ground frozen permanently.
In general, the present invention provides an improved apparatus comprising a means driven into the ground or the permafrost zone so as to extract heat therefrom, a means for transmitting the heat thus extracted to the ambient air, and a medium. liquid heat transmission filling said apparatus.
Other advantages and characteristics of the invention will emerge from the description which follows, made with reference to the accompanying drawings in which FIG. 1 is a view partly in elevation and partly in cross section, of an apparatus constructed according to FIG. invention, shown as being partially embedded in soil or permafrost; Figure 2 is a cross section of a variant of the apparatus also constructed according to the invention. tion.
Referring first to Figure 1, the apparatus is shown as it would be arranged during actual operation.
Heat insulation 12, which can be man-made material or natural tundra, is distributed over the surface surrounding the apparatus to prevent heat transfer between the ground and air and to help prevent direct absorption. heat from the atmosphere.
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A hollow envelope 14 is driven into the ground or permafrost. The casing 14 is closed at each end and has an insulated intake pipe 16 extending through the upper end and terminating in the vicinity of the bottom of the casing 14. An insulated intake pipe 18 connected to the Intake line 16 extends through the upper side wall of casing 14. A line plug or cap 20 is shown as closing off the free end of line 18. Line 18 serves as an additional fitting in case the installation could not use the top fitting. In this case, the upper end of the intake pipe 16 could be closed.
A return flow line 22 also extends through the upper end of the casing 14. The conduit 22 extends only a short distance into the casing 14. Another return line 24 is shown. as extending through the upper side wall of casing 14 and just inside. of it. The free end of line 24 has a cap or plug 26. If this other return line 24 were to be used, return line 22 would be closed and the return connection would be made to line 24.
A heat exchanger 28 is connected to the inlet pipe 16 and may contain one or more heat transmitting elements 30 interconnected by the necessary pipes and fittings. The top or inlet end of heat exchanger 28 is connected to a check valve 32. The latter is constructed so that fluid only passes in the direction shown.
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by the arrow drawn on it as shown in Figure 1. A regulating or throttle valve 34 is connected to check valve 32 and is intended to regulate the volume of liquid passing therethrough. It should be emphasized that one can use, if desired, a single valve combining the characteristics of both the check valve 32 and the regulator valve 34.
The valve 34 is connected to a line 44 and to a liquid reservoir 36 by means of a T-fitting 42.
The pipe 44 is connected at its lower end with the return pipe 22 which, as previously described, extends into the casing 14.
The reservoir 36 is intended to contain a portion of the heat transmission liquid which fills the apparatus.
A sight glass 38 is provided in the reservoir so as to be able to visually determine whether the apparatus contains the correct amount of liquid. A filler cap or cap 40 is provided at the top of the reservoir 36 so that liquid can be added to the apparatus when necessary.
Low boiling point liquids, such as certain refrigerants, as well as high boiling point liquids such as ethylene glycol or ethylene glycol based liquids were used to fill the installation. Regular gasoline has also been used successfully in the facility. The main difference observed between the liquids used is the efficiency of the installation.
The form of the apparatus shown in Figure 2 lends itself to a simplified manufacturing and production technique. In this figure, there is shown an envelope
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hollow 14a embedded in the ground or permafrost 10. Inside the casing 14a is mounted an insert 46 which has an inlet pipe 16a and a valve mechanism 34a operated by a bellows. The insert 46 is preferably constructed of a plastic material which inherently provides the desired thermal insulation. It can be constructed of any other suitable material, and a separate thermal insulation can be provided thereon.
The casing 14a extends upwardly through the tundra or artificial insulation 12. Its upper part, above the insert 46, serves as a heat exchanger with the atmosphere of the same. so that the heat exchanger 30 of Figure 1.
Insert 46 also includes a sleeve 56 which extends up and down from valve 34a concentrically within shell 14a. It is constructed in such a way as to provide thermal insulation between the casing 14a and the interior thereof over a sufficient length of the casing 14a to separate the lower heat transmission zone in the vicinity of the ground from the upper zone. of heat transmission located in the vicinity of the atmosphere.
A series of passages 58 are provided through the insert 46 to allow the flow of fluid from the lower zone into the upper zone.
The valve 34a includes a ball valve member 48 for forming a seal with the upper end of the intake line 16a. The valve element 48 has a rod 50 extending upwardly and connected to a bellows 52. The latter is mounted on a cross member 54.
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which is connected at each end to the interior of the insert 46.
The upper and lower ends of the casing 14a are closed. A stopper 40a is provided so as to be able to fill the installation or to be able to replace the fluid in the event of accidental loss of the latter. As was the case with the installation shown in FIG. 1, this installation is also filled and preferably hermetically sealed. A fully filled and hermetically sealed installation allows the fluid to be pressurized and provides a rise in the boiling point of the fluid in the event that low boiling point fluids are used.
The operation of the apparatus of the invention is extremely simple. The envelope @ is embedded in the permafrost 10 in the vicinity of the foundations of the building or other construction. After having placed the thermal insulation 12 and after having filled the apparatus with liquid, the heat from the ground 10 around the casing 14 is transmitted to the liquid. As the temperature of the liquid increases, a thermal flow of the liquid begins.
The liquid, which is warmer and lighter, begins to rise to the top of the casing 14 and is replaced by a cooler liquid from the heat-insulated intake pipe 16. The heat-insulating of the intake pipe 16 is intended to increase the efficiency of the installation by delaying the transmission of heat from the hotter liquids contained in the casing 14 to the cold liquids contained in the pipe 16.
As the thermal flow continues, the warmer liquid flows through the return line.
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turn 22 in the line 44, through the regulator valve 34. The latter is adjustable so that the volume of the flowing liquid can be adjusted, thereby regulating the cooling rate to a certain extent.
From the regulator valve 34, the liquid flows through the check valve 32 and into the heat exchanger 20. The check valve 32 prevents the possibility of reverse flow in the installation. , since the liquid can only pass in one direction.
In the heat exchanger 28, the warmer liquid is contacted with the highly conductive and large area areas of the heat transmitting elements 30. The cold air surrounding the heat transmitting elements 30 absorbs heat from the liquid. hotter, thereby cooling the liquid. The liquid, which has now been cooled, is returned to the casing 14 via the inlet pipe 16.
The operation of the variant of the apparatus shown in Figure 2 is also relatively simple.
After installing the casing 14a as shown, the heat from the ground or permafrost is transmitted to the fluid contained in the lower part of the casing 14a. As the temperature of the fluid increases, the fluid begins to rise in the casing 14a passing through the passages 58 and into the upper region of the upper casing 14a. The heat of the fluid is then transmitted to the atmosphere through the wall of the casing 14a.
The volume of the fluid flowing in the installation is regulated by the position of the valve element 48 relative to the inlet pipe 16a. We can adjust
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the initial position so as to obtain a desired flow rate within a certain temperature range. The bellows
52 can be connected to or open the valve member 48 during a tatolou rise from a fall. flulia temperature.
By connecting the valve element 48 to the top of the bellows 52, the base of the bellows being fixed to the cross member 54, as shown in FIG. 2, movement of the valve element 48 is obtained. away from the inlet line '6a as the atmosphere surrounding the bellows warmer. The bellows 52 is extended slowly to move the valve member due to the temperature of a thermosensitive fluid contained in the soutlet 52.
When the valve 34a is installed in the apparatus in this way, a greater rate of heat transfer is obtained and thus a higher rate of heat transfer from the relatively warmer temperatures of the fluid from the upper part of the casing 14a, so that (. can derive maximum benefit from the minimum heat transfer in the upper zone.
The cold fluid contained in the upper part of the upper casing 14a then flows upward through the heat-insulated inlet pipe 16a to a point near the base of the casing 14a, thereby completing the cooling cycle. refrigeration.
From the foregoing it appears that the apparatus constructed in accordance with the present invention is new, very safe, and relatively inexpensive to manufacture and operate.
Of course, the invention is not limited to the embodiments described and shown and is capable of receiving various variants falling within the scope and spirit of the invention.