CA1269852A - Procede et installation de congelation de sols au moyen d'un liquide cryogenique - Google Patents

Abstract

L'injection d'azote liquide dans la sonde est régulée en tout ou rien de façon à maintenir la température du sol au point le plus froid au-dessus d'une valeur comprise dans la plage -140.degree.C, -160.degree.C, de façon à assurer la caléfaction de l'azote liquide. L'azote liquide est alternativement injecté dans le passage central et dans le passage annulaire de la sonde, lesquels sont isolés thermiquement l'un de l'autre. De cette façon on garantit que l'écart de température entre la paroi de la sonde et le liquide cryogénique est suffisant pour provoquer en permanence la caléfaction du liquide cryogénique au contact de cette paroi.

Description

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La presente invention es~ rèIative à la tecnnique de congela-tion des sols par injection d'un liquide cryogenique, nota~m~nt d'azote li~uide, dans au moins une sonde de conselation enfoncee dans le sol.
On sait que la consolidation des sols ~ar congelation perm,et 5l'c,uverture de chantiers de travaux publics dans des sols humides et instables. Elle est pratiquee par injection d'un liauide refriserant dans des sondes introduites de place en place dans le sol. Ce refroidissement congele le sol de proche en prcche, jusqu'à former un l~ur ccntinu ~uar~
les zones de congélation de chaque sonde ont rejoint leurs voisines~
10Il est connu d'injecter dans les sondes un liquide cryogenique tel que l'azote liquide. Cette injection directe d'azote licuide presente plusieurs inconvenients, notam~ent la dif,~iculte de ma~triser les coer~i-cients d'echange thermique avec le sol. En effet, en cédant du froid, l'azote se vaporise, et les ccefficients d'echange en~re la sonde et 15l'azote liquide pur d'a~ord, puis les melanges de liquide et de gaz en proportions variables, puis le gaz refroidi seul sont très dif~ërents. Il en resulte une forte heterogeneite de l'~raisseur du sol congele autour de la sonde et une perte de t~,~s et d'energie pour que les zones les moins congelees se rejoignent pour former le mur consolide, tandis que 20les zones les plus congelees sont inutile~ent sous-refroidies et sur-dimensionnees. De plus, les sols etant ceneralement héterosènes, certai-nes par'ies se congèlent plus vite que d'autres ; cette heterugeneite du sol aug~.ente encore l'etendue des zones inutilement congelees et sous-refroidies.
25L'invention a pour but de rendre le procede plus econGmique en assurant un refroidissement plus hcmcg~ne du sol.
A cet effet, l'invention a pour objet un procede de consélation de sol par injection d'un liquide cryc~enique, nota~ment d'azote liqui~e, dans au moins une sonde de congélation enfoncée dans le sol, caract~risé
30en ce qu'on régule l'injection du liquide crycgénique de manière à
;maintenir la température du sol au voisinage de la sQnde, sur toute la longueur de celle-ci, au-dessus d'une valeur limite predéten~lné~e, cette valeur limite étant supérieure d'au moins 35C environ à la t~érature d'ebullition du liquide cryogénique.
35Ainsi, on garantit que l'e~art de te~perature entre la paroi de la sonde et le liquide c~yogerique est suffisant pour provoouer en permanence la calefaction du liquide cryoSénique au contact de cette paroi. Par suite, l'echange de chaleur entre le liqui~e et 12 paroi de la sonde a tcujours lieu ~ar l'inter~ediaire d'une couche gazeuse de caléfac-tion~ Qn evite ainsi le transfert excessif de froid à la paroi qu'occa-sionnerait le contact franc liquide-paroi si la temperature de la paroi de la sonde descendait trop près du point d'ebullition du liquide. Ces conditions, que l'on rencontre habituellement dans les prccedes de l'art anterieur, permettent un transfert de froid -tres rapide mais que l'on ne peut assurer que sur une hauteur de sonde tres limitee.
En pa~ticulier, lorsque le liquide crycgenique est de l'azote o liquide, ladite valeur limi~e est de preference ccmprise entre -140C et -160C environ.
Dans un mode de mise en ce~vre avar.tageux qui assure une bonne utilisation des frigories disponibles, on regle le debit de liquide cryogenique, pendant les periodes d'injection, de manière ~ obtenir une temperature du gaz à sa sortie de la sonde voisine d'une valeur predeter-minee, cet.te valeur etant de preference egale à -70C environ dans le cas de l'azote liquide.
L'hc~cgeneite du refroidisse~ent est encore amelioree lorsque, la sonde ccmportant un passage central et un passage annulairer on alterne des periodes d'injection du liquide cryogenique dans le passage central et des periodes d'injection du liquide cryogenique dans le passage annulaire.
L' mvention a egale~ent pour objet une installation de congela-tion de s~l destinee à la mise en ceuvre d'un prccede tel que definit ci~dessus. Cette installation, du type cc~prenant au moins une sonde de congelation et des ~oyens d'injection dans cette sonde d'un liquide cryc~énique tel que l'azote liquide, est caracterisee en ce que la son~e camporte au moins un capteur de te~perature sur sa paroi ~xtérieure, au voisinage d'une de ses extrémités.
Un exemple de realisation de l'invention va ~alntenant être décrit en regard des dessins annexes, sur lesquels :
- la figure 1 est un schéma d'une partie d'une installation de congélation confonme à l'invention ; et - la figure 2 est un diagra~me qui lllustre le fonctionne~nt de cette installation~
L'installation de congélation representee à la figure 1 CCIr prend essentiellement un réservoir 1 de stockage d' æ ote liquide et 385~

une serie de sondes de congelation 2, dont une seule a éte represent~e et qui sont toutes identiques.
L~a sonde ~, suP~osee enfoncee vertic~lement dans le sol, oomprend trois tu~es concentriques 3 à 5. L~ tube exterieur 3 est fe~me à
son extre~lte inferieure par un fond 6 et definit avec ce dernier La surface d'e.~hange thermique de la sonde avec le sol environnant 7. Les tubes intelD}~lLaire 4 et interieur 5 s'etendent de l'orifice su~erieur de la sonde jusqu'à une ~;hle distance du fond 6, et ils sont relies à cet emplace~nt par une pzroi annul~ire horizQntale 8.
A~nsi sont delimites dans la sonde 2 : un pass2ge central 9 defir~ par le tube interieur 5 et de~ouchant sur le fond 6 ; un espace annulaire in~er~diaire 10, delimite par les tubes 4 et 5 et la paroi 8, qui peut être empli d'une matiere ther~lque~ent isolante telle que de la perlite ; et un passage annulaire extérieur 11 délimité entre les tubes 3 et 4 et d~ouchant sur le fond 6.
L'installation camporte également des moyens pour injecter de 1'a~ote liquide dans les passages 9 et 11. Ces moyens d'injection ccmprennent deux conduites 12 et 13 de~ouchant respective~ent dans ces deux passages, reliees à la partie inlerieure d~ réservoir 1 et equipees de vannes d'arrêt respectives 14 et lS. Une vanne ccm~une 16 d'arrêt et de reglage de debit est egale~ent prevue ~ la sortie du reservo.ir.
L'extremité superieure des passages 9 et 11 est munie par ailleurs de moyens d'evacuation de gaz, sc~ématises par des conduites respectives 17, 18 ~quipees de vannes d'arrêt respectives 19, 20.
Les vannes 14, 15, 18 et 19 scnt mLnies d'un dispositif d'actionnement s~multane à deux positions (non represente). Dans une position, les vannes 14 et 20 sont c~vertes tandis que les vannes 15 et 19 sont fermees ; l'autre position inverse l'etat des quatre vannes. T
vanne 16 permet d'interrGmpre et de ret2blir le debit d'azote liquide.
Sur la face exterieure du tu~e exterieur 3, la sonde 2 porte trois capteurs de tem~era~lre 21, constitues par exemple par des thermocouples, qui sont adaptés pour mesurer la temperature du sol au voisinage im~ediat de la sonde, à des profondeurs de 2 m, 10 m et 18 m respective~ent (températures T2~ Tlo et T18 respectivement). Il est de plus prévu un capteur de température 22 relié à chacune des condui~es 17 et 18 et adapte pour mesurer la temDerature TG de l'azote gazeux sortant de la sonde.

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4 ~

En fait, l'installation ccmporte une ser-e de son~es 2 disposee suivant ur.e l;sne qui definit le mur congele à realiser. Toutes les sondes qui sont branchees en parallele sur le reservoir 1 de 12 n~niere decrite ci-dessus, ch~que sonde comportant son propre jeu de vannes 14, 15, 16, 18 et l9.
Le fc,nctionnenY~t de cette installation, illustre à la ligure

2, est ~ase sur une double regulation de l'injection d'azote liquide dans les sondes, chaque sonde et~nt regulee independam~ent des autres ~our tenir csmptQ de l'k.eteroseneite du terrain :
- d'une part, l'admission d'azote liquide est regulee en tout ou rien, au m~yen de la vanne 16, de maniere que la t~mçerature du sol au point le plus froid reste en permanence ccmprise entre deux valeurs limites predete~minees, à part1r des indications fournies par les capteurs de tem~erature 21 de la sonde considere~. Cc~e e~pliqué. plus haut, la limite in~erie~e est au moins egale à -160C afin d'assurer la présence permanente d'une couche gazeuse de calefaction entre l'azote liquide et le tube 3, de sorte que la tot lite de l'echange thermique entre l'azote et la sonde est un echange gaz-~etal.
- d'autre part, pend2nt les periodes d'injection de l'azote liquide, une fois terminee la phase transitoire de mise en froid, le debit de liquide est reglé, au moyen de la vanne 16, de maniere que le gaz resultant de la vaporisation de l'azote liquide ait à sa sor~ie de la sonde une tem~erature voisine d'une t~mperature de consigne predete~minee choisie de manière ~ optimiser l'utilisation de frigories. Une temperature de consigne de l'ordre de -70C s'est revelee satisIaisante.
Cette manière de proceder a~eliore nettement l'hc~cgeneite du re~roidissement du sol Far rapFort au cas où, sui~ant la technique anterieure, on se contente de regler le debit d'azote liquide en ~oncti~n de la temperature du saz sortant de la s~nde. Tcutefois, on ne peut eviter par les seules regulations ci-dessus d'obtenir un fort gradient de t~mperature entre le kas et le haut d~s sondes. Pour supprImer en grande partie cette heterogeneite, on inverse periodiquement les vannes 14, 15, 19 et 20 de toutes les sondes.
Ainsi, en supposant que l'on a cc~ence F æ injecter Eendant 3S quelques heures l'azote liqui~e par le passage central 9 en evacuant 1'azote sazeux par le passage peripherioue ll, l'inversion a pour resultat que l'a20te li~uide est injecte dans le passage 11 tancls o~e l'azote gazeu~ est evacue par le passage central 9.
On atteint de ce~te façon au bout de quelques heures un nouvel equilibre inverse dans lequel le point le plus froid, r~gulé entre les deux temperatures limites precitees, est situe en haut de la sonde et le point le moins froid en bas~ On comprend qu'en inversant periodique~ent les courants d'azote, on obtient une bonne hc~ogeneite thermique dans le sol.
L'exemple numerique suivant illus rera le procédé decrit ci-dessus :
On désire consolider le plus rapide~ent possible par congélation un mur de 1 m d'épaisseur dzns un sol sableux humide sur une profondeur de 20 m et une largeur de 50 m. Pour cela , on enl'once dans le sol d nquante sondes 2 espacees de 1 m les ures des autres.
Chaque scnde a un diamètre exterieur de 150 mm et est ccmposée de trois tubes concentriques 3 à 5 de diamètres respectifs 150, 128 et 68 ~m. L'espace annulaire central entre le tuke 4 de 128 mm et le tube 5 de 68 mm es. rempli de perlite. Les diametres sont choisis de façon que la section iibre du passage central 9 et celle du passage annulaire extérieur 11 soient egales.
La congelation comrence par l'injection d'azote liquide dzns les tubes centraux 5. Les temperatures au voisinage des sondes sont toutes initialenY~nt de l'ordre de 14C. ~ans chaque sonde, l'azote se vaporise en cedant du froid au sol et en rer,ontant par le passage annulaire exterieur. Le debit d'azote liquide D par sonde est le debit mz~lEal de 15 l/mn (soit 750 l/mn pour les cinqu2ntes sondes), regle au mcyen des ~annes 16.
Dans la suite, on décrira à titre d'exemple nu~erique, en regard de la figure 2, le ccm~ortement d'une seule sonde, etant enter.du que chacune des sondes est regulée indéFes~uiDent des autres. Les valeurs limites de la temperature la plus froide du sol sont choisies ~ 5C et -138C, et la valeur de consigne de sortie de l'azote gazeux z -70C.
La te~erature de l'azote gazeux en sortie de sonde s'abaisse durant la première heure de -10C à -70C. Pendant ce temps, les températures externes atteignent -140C à 18 m, ~100C à 10 m et -62C à
2 m de profondeur. Ccmr.e les phénomenes trar,sitoires de mise en froid se font encore sentir, on poursuit l'injection d'azote liquide avec le mâme g~

débit pendant lO mn supplementaires, durant lesquelles la ter~?erature de sortie de l'azote gaæeux atteint -78C et la température e ~ érieure à 18 m atteint ~145C.
On coupe alors l'injection d'azote liquide. En lO mn, la temperature exterieure à 18 m re~nte à -138C. On rétablit un débit de 10 l/mn d'azote liquide. Ce débit est plus faible que précede~.ent puisque la température froide de -145C n'avait et~ atteinte que pcur une tem~erature trop basse de l'azote gazeux sortant de la sonde.
En 20 mn, la te~pérature exterieure à 18 m s'a~aisse de nouveau à -145C et la temperature de sortie des gaz à -75C. O.n coupe de nouveau le debit d'azote, puis on le rétablit à 8 l/mn (paur la ~ê~,e rzison que ci-dessus) auand la temperature à 18 m remonte à -133C.
On poursuit cette alternance d'inje ~ions et d'arrêts en réduisant le débit tant que la temperature des gaæ descend au~dessous de ~70C. Le debit est g æ dé constant quand cette te~pérature S2 stabilis2 dans une fourchette de -68C à -72C. il est augm~nte si cette t~erature rer~onte au-dessus de -68C, et dmunué si elle redescend au-dessous de -72C~
Au bout de S heures de congélation, on inverse les deb.its de ~outes les sondes en injectant l'azote liquide par le passage annulalre extérieur 11, le gaz ressortant par le passage central 9.
T e debit est alors fixe à 8 1/mn. Le gaz ressort initialement tres ~roid à -120aC; c'est un regime transitoire qui provient du passage de l'azote à contre-courant de la tem~erature du sol. Au bout de lO r~n~
la ter~érature de sortie du gaz remonte à -70C et les temperatures externes s'etablissemt ~ : -100C à 2 m, -100C à lO m, -65C à 18 m ; 20 mn plus tard, la température externe ~ 2 m se trouve à -145C et le gaz sort à -75C.
On coupe le debit d'azote, et Rn le rétablit à 7 l/mn quanl la ~emperature à 2 m remonte à -138C, ce qui se produit au bout de 5 mn environ.
On poursuit cette succession d'injections et d' æ rets pend~nt 5 heures, en modi~iant eventuellement le debit d'azote liquide de la manière indiquee plus haut. On inverse ~e nouveau les debits ~ l'issue de cette periode.
~n poursuit la regulation ainsi definie en inversant les debits toutes les 5 heures. Le sol est consolide par congelation sur une ~2~;9~

epaisseur de 1 m en 50 heures environ, avec une hcmogeneite de tem~erature tres satisfaisante~

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Claims (6)

Les réalisations de l'invention, au sujet desquelles un droit exclusif de propriété ou de privi-lège est revendiqué, sont définies comme il suit:

1. Procédé de congélation de sol par injec-tion d'un liquide cryogénique, notamment d'azote liquide, dans au moins une sonde de congélation enfoncée dans le sol, caractérisé en ce qu'on régule l'injection du liquide cryogénique de manière à main-tenir la température du sol au voisinage de la sonde, sur toute la longueur de celle-ci, au-dessus d'une valeur limite prédéterminée, cette valeur limite étant supérieure d'au moins 35°C environ à la température d'ébullition du liquide cryogénique, et à obtenir ainsi en permanence un échange de chaleur par l'inter-médiaire d'une couche gazeuse de caléfaction entre le liquide et la paroi de la sonde.

2. Procédé suivant la revendication 1, dans lequel le liquide cryogénique est de l'azote liquide, caractérisé en ce que ladite valeur limite est comprise entre -140°C et -160°C environ.

3. Procédé suivant l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce qu'on interrompt l'injection de liquide cryogénique lorsque ladite valeur limite est atteinte, et on la rétablit lorsque la température du sol au point le plus froid est remontée jusqu'à une seconde valeur limite.

4. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu'on règle le débit de liquide cryo-génique, pendant les périodes d'injection, de manière à obtenir une température du gaz (TG) à sa sortie de la sonde voisine d'une valeur prédéterminée.

5. Procédé suivant la revendication 4, dans lequel le liquide cryogénique est de l'azote liquide, caractérisé en ce que ladite valeur prédéterminée est égale à -70°C environ.

6. Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1, 2 ou 4, dans lequel on utilise une sonde comportant un passage central et un passage annulaire, caractérisé en ce qu'on alterne des périodes d'injection du liquide cryogénique dans le passage central et des périodes d'injection du liquide cryogé-nique dans le passage annulaire.