DE102004058457A1

DE102004058457A1 - Verfahren zum Ziehen von Gefrierrohren

Info

Publication number: DE102004058457A1
Application number: DE200410058457
Authority: DE
Inventors: Alexander Buinger
Original assignee: Linde GmbH
Current assignee: Linde GmbH
Priority date: 2004-12-03
Filing date: 2004-12-03
Publication date: 2006-06-22

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ziehen eines Gefrierrohres (2) aus dem Erdboden. Zunächst wird in den Boden (4) des Gefrierrohres (2) eine Öffnung (9) gebohrt. Dann wird ein Fluid in das Gefrierrohr (2) eingeleitet und unter Druck gesetzt, so dass das Fluid durch die Öffnung (9) aus dem Gefrierrohr (2) austritt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ziehen eines Gefrierrohres aus dem Erdboden, wobei das Gefrierrohr an seiner im Erdboden befindlichen Stirnseite mit einem Boden abgeschlossen ist.

Im Tief- und Grundbau müssen häufig Maßnahmen zum Abdichten oder Abstützen des Erdbodens getroffen werden. Bei temporären Aufgaben bietet sich der Einsatz einer künstlichen Bodenvereisung mit flüssigem Stickstoff als Kälteträger an.

Beim Bodenvereisen erfolgt der Kälteeintrag über ein Gefrierrohr mit Doppelrohrsystem. Flüssiger Stickstoff gelangt durch ein inneres Fallrohr nach unten in das Gefrierrohr, verdampft und gibt beim Aufsteigen im Ringraum seine Kälteenergie an das umliegende Erdreich. ab. Durch den Wärmeentzug wird das Wasser im umliegenden Erdreich abgekühlt und gefroren.

Nach erfolgter Vereisung verbleiben die Rohre in der Regel im Erdreich. In manchen Fällen ist dies jedoch für den weiteren Baufortschritt hinderlich, da beispielsweise Vollschnittmaschinen nicht in der Lage sind die als Gefrierrohre eingesetzten Stahl- oder Kupferrohre zu durchfahren. In diesen Fällen ist es daher nötig, die Gefrierrohre nach der Vereisung aus dem Erdreich zu ziehen.

Das Ziehen der Gefrierrohre stellt sich jedoch aus mehreren Gründen problematisch dar. Nach Beendigung der Vereisung ist der umgebende Erdboden noch wochenlang gefroren. Die Zugkraft, die auf die Gefrierrohre gegeben werden kann, ist materialbedingt begrenzt und außerdem wird beim Ziehen des Gefrierrohres an dessen Unterseite ein Vakuum erzeugt, das eine dem Zug entgegengerichtete Kraft auf das Gefrierrohr ausübt.

Aufgabe vorliegender Erfindung ist es daher, ein Verfahren zu entwickeln, welches es auf einfache Weise ermöglicht, das Gefrierrohr von der Umklammerung des gefrorenen Erdbodens zu lösen und aus dem Erdreich zu ziehen.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren der eingangs genannten Art gelöst, wobei der Boden mit einer Öffnung versehen wird und ein Fluid in das Gefrierrohr eingeleitet und unter Druck gesetzt wird, so dass das Fluid durch die Öffnung im Boden aus dem Gefrierrohr austritt.

Erfindungsgemäß wird der Boden des Gefrierrohres mit einer oder mehreren Öffnungen versehen, insbesondere durchbohrt. Durch diese Öffnung wird das sich beim Ziehen des Gefrierrohres zwischen dem Boden des Gefrierrohres und dem umgebenden Erdreich bildende Volumen über das Innere des Gefrierrohres mit der Umgebungsatmosphäre verbunden, so dass die Ausbildung eines Vakuums außerhalb des Gefrierrohres vermieden wird. Erfindungsgemäß wird sogar genau das Gegenteil erreicht: Ein Fluid wird in das Gefrierrohr eingebracht und mit Druck beaufschlagt. Das Fluid tritt dann durch die Öffnung aus dem Gefrierrohr aus und erzeugt dort einen Überdruck, der eine von der Außenseite des Gefrierrohres auf dessen Boden einwirkende Kraft mit sich zieht.

Vorzugsweise wird das Gefrierrohr gleichzeitig mit der Druckbeaufschlagung aus dem Erdboden gezogen. Hierzu wird ein geeigneter Zugmechanismus am Kopf des Gefrierrohres, das heißt, an dem dem Boden entgegengesetzten Ende des Gefrierrohres, angesetzt. Durch die Kombination von Zug und Druck wird es möglich, das Gefrierrohr aus dem Erdboden zu entfernen, ohne dass dieses dabei zerreißt.

Im Rahmen dieser Beschreibung werden unter dem Begriff Fluid Flüssigkeiten und Gase zusammengefasst. Bevorzugt wird jedoch aufgrund ihrer Inkompressibilität eine Flüssigkeit in das Gefrierrohr eingeleitet und unter Druck gesetzt.

Das zugeführte Fluid wird, wie erläutert, durch die Öffnung im Boden des Gefrierrohres gepresst und kommt mit dem Erdboden in Kontakt. Aus Umweltschutzgründen hat sich der Einsatz von Wasser bewährt. Es ist aber durchaus denkbar, auch andere Flüssigkeiten zu verwenden, wobei zu beachten ist, dass diese möglichst keine Umweltprobleme hervorrufen.

Unter dieser Voraussetzung hat es sich gezeigt, dass mit Additiven versetztes Wasser Vorteile bringt. Als Additive kommen insbesondere Mittel zur Reibungsverringerung wie zum Beispiel Schmierseife in Frage. Wenn das das Gefrierrohr umgebende Erdreich noch gefroren ist, kann das aus der Öffnung austretende Wasser nur entlang der Außenseite des Gefrierrohres entweichen. Der reibungsverringernde Zusatz im Wasser bewirkt dann eine Herabsetzung der Reibungskraft zwischen Erdboden und Gefrierrohr, so dass sich dieses leichter aus dem Erdboden entfernen lässt.

Auch Zusätze zur Verschiebung des Gefrierpunktes oder zur Unterstützung des Antaueffektes können hilfreich sein. Durch solche Additive wird einerseits das Antauen des Erdbodens beim Kontakt mit dem Wasser verstärkt und andererseits verhindert, dass das Wasser beim Kontakt mit dem kalten Erdboden oder dem kalten Gefrierrohr gefriert.

Das Fluid wird bevorzugt unter einen Druck von 20 bis 50 bar gesetzt wird. Besonders bevorzugt wird das Fluid mit Druckstößen beaufschlagt. Durch die Druckstöße, das heißt, durch kurzzeitige, impulsartige Erhöhungen des Drucks, wird das Gefrierrohr in dem umgebenden Erdboden gelockert und kann leichter aus dem Erdreich entfernt werden. Anstelle oder zusätzlich zu den Druckstößen kann das Gefrierrohr auch durch Drehbewegungen gelockert werden. Hierbei ist darauf zu achten, dass das an dem Gefrierrohr anliegende Drehmoment begrenzt wird, um Schädigungen des Rohres zu vermeiden. Besonders vorteilhaft ist es in diesem Zusammenhang, die Drehrichtung zu variieren, das heißt, abwechselnd in die eine und dann in die andere Richtung zu drehen.

Von Vorteil wird vor dem Entfernen oder Ziehen des Gefrierrohres das umgebende Erdreich leicht angetaut. Hierzu wird das Gefrierrohr vorzugsweise in einen Wärmeträgerkreislauf integriert, in dem ein Wärmeträger umgewälzt wird. Als Wärmeträger wird bevorzugt eine Flüssigkeit eingesetzt, wobei grundsätzlich auch der Einsatz gasförmiger Wärmeträger denkbar ist.

In einer bevorzugten Ausführungsform wird das zum Bodengefrieren eingesetzte Fallrohr nach dem Durchbohren des Bodens wieder in das Gefrierrohr eingebracht und der Wärmeträger wird über das Fallrohr bis in die Nähe des Bodens des Gefrierrohres geleitet. Der Wärmeträger strömt dann in dem Ringspalt zwischen Fallrohr und Gefrierrohr in Richtung zum Kopf des Gefrierrohres, wird dort abgezogen und mittels einer Umwälzpumpe im Kreislauf gefahren.

Der Wärmeträger kann nach Durchströmen des Gefrierrohres erheblich abgekühlt sein: Es ist daher günstig, wenn der Wärmeträger nach dem Verlassen des Gefrierrohres beziehungsweise vor der erneuten Zuführung in das Gefrierrohr erwärmt wird. Hierzu kann beispielsweise ein Vorratsbehälter mit einer entsprechend großen Wärmekapazität und/oder eine Heizvorrichtung vorgesehen sein.

Von Vorteil wird als Wärmeträger und als Fluid, welches mit Druck beaufschlagt wird, derselbe Stoff verwendet. So hat es sich insbesondere als vorteilhaft erwiesen, das Gefrierrohr zunächst in einen Flüssigkeitskreislauf, bevorzugt Wasserkreislauf, einzubinden, um das Gefrierrohr anzuwärmen. In einer zweiten Phase wird dann die Flüssigkeit unter Druck gesetzt, so dass sie durch die Öffnung im Boden des Gefrierrohres gedrückt wird und das Ziehen des Gefrierrohres, wie oben erläutert, unterstützt.

Es hat sich als vorteilhaft herausgestellt, die Temperaturführung während des Entfernens des Gefrierrohres zu variieren. Grundsätzlich ist es günstig, die Temperatur des Wärmeträgers zunächst relativ hoch zu wählen, um die Wand des Gefrierrohres und die umgebende Grenzschicht des Erdbodens möglichst schnell anzuwärmen. Während der eigentlichen Austreibungsphase des Gefrierrohres, im Speziellen während des Ziehens des Gefrierrohres, wird die Temperatur des Fluids, welches mit Druck beaufschlagt wird, niedriger als die des Wärmeträgers gewählt, um den gefrorenen Erdboden nicht weiter als unbedingt notwendig aufzuschmelzen.

Diese Temperaturführung eignet sich sowohl für den Fall, dass als Wärmeträger und Fluid unterschiedliche Medien verwendet werden, als auch für den Fall, dass der gleiche Stoff zunächst als Wärmeträger eingesetzt und dann mit Druck beaufschlagt wird.

Die Erfindung hat zahlreiche Vorteile gegenüber den aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren. Zunächst wird durch die erfindungsgemäße Durchbohrung des Bodens des Gefrierrohres die Ausbildung eines Vakuums während des Ziehens des Gefrierrohres verhindert. Das unter Druck gesetzte Fluid gelangt durch diese Öffnung auf die Außenseite des Gefrierrohres und bewirkt eine von außen in axialer Richtung auf den Boden des Gefrierrohres gerichtete Kraft, die das Gefrierrohr aus dem Erdboden schiebt beziehungsweise dessen Entfernung oder dessen Ziehen aus dem Erdboden unterstützt. In einer der bevorzugten Ausgestaltungen der Erfindung wird das Gefrierrohr zunächst mit einem Wärmeträger gespült, so dass die außen an das Gefrierrohr angrenzende Grenzschicht des Erdbodens zumindest angetaut wird. Auf diese Weise werden die Reibungskräfte zwischen dem Gefrierrohr und dem umgebenden Erdboden verringert.

Die Erfindung ermöglicht das Entfernen von Gefrierrohren aus dem Erdboden, selbst wenn das Material des Gefrierrohres während der vorausgehenden Bodenvereisung eine leichte strukturelle Schädigung erfahren hat. Insbesondere Kupfer- und Stahlrohre, die zuvor flüssigem Stickstoff ausgesetzt waren, können erfindungsgemäß aus dem Erdboden gezogen werden. Bevorzugt wird die Erfindung zum Entfernen von. Gefrierrohren eingesetzt, die eine Länge zwischen 5 m und 25 m besitzen.

Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich sowohl zum Entfernen von senkrecht oder geneigt nach unten in den Erdboden ragenden Gefrierrohren als auch zum Entfernen von sich nach oben oder waagrecht erstreckenden Gefrierrohren. Die Erfindung sowie weitere Einzelheiten der Erfindung werden im Folgenden anhand von einem in den Zeichnungen schematisch dargestellten Ausführungsbeispiel näher erläutert. Hierbei zeigen
1 eine Anlage mit Gefrierrohr zum Bodengefrieren,
2 die Antauphase vor dem Ziehen des Gefrierrohres und
3 die Austreibphase beim Ziehen des Gefrierrohres.
Die in 1 gezeigte Anlage dient zur Vereisung des Erdbodens 1. Hierzu wird ein Kupferrohr mit einem Durchmesser von beispielsweise 50 mm und einer Länge zwischen 2 m und 50 m als Gefrierrohr 2 in den Erdboden eingebracht. Der Zwischenraum 3 zwischen dem Erdreich 1 und dem Gefrierrohr 2 wird mit einem Füllmaterial, beispielsweise Betonit, verfüllt. Am unteren Ende ist das Gefrierrohr 2 mit einer Abdeckkappe 4 abgeschlossen. Am oberen Ende des Gefrierrohres 2 ist ein Gefrierkopf 5 vorgesehen, durch den ein Fallrohr 6 in das Innere des Gefrierrohres 2 ragt. Ferner befindet sich am oberen Ende des Gefrierrohres 2 ein Abzugsstutzen 7.
Zum Bodengefrieren wird über das Fallrohr 6 flüssiger Stickstoff in das Gefrierrohr 2 geleitet. Der flüssige Stickstoff verdampft, steigt in dem Ringraum zwischen Fallrohr 6 und Gefrierrohr 2 nach oben und wird über den Abzugsstutzen 7 abgezogen. Die Kälteenergie des Stickstoffs wird dabei an das umgebende Erdreich abgegeben, wodurch der Erdboden abgekühlt und das im Erdreich befindliche Wasser gefroren wird, so dass sich um das Gefrierrohr 2 ein Frostkörper 8 bildet.
Nach Beendigung der Vereisung wird zur Entfernung des Gefrierrohres 2 aus dem Erdboden 1 zunächst eine Spülphase mit Wasser eingeleitet (2). Hierzu wird der Gefrierkopf 5 mit dem Fallrohr 6 vom Gefrierrohr 2 abgenommen. In die Abdeckplatte 4 am unteren Ende des Gefrierrohres 2 wird mittels einer geeigneten Vorrichtung mit langer Welle eine Öffnung 9 gebohrt. Anschließend wird der Gefrierkopf 5 mit dem Fallrohr 6 wieder aufgesetzt und druckfest mit dem Gefrierrohr 2 verbunden.
An das Fallrohr 6 und den Abzugsstutzen 7 wird ein Wasserkreislauf mit einer Umwälzpumpe 10 angeschlossen. Ferner ist in den Wasserkreislauf ein Vorratsbehälter 11 mit einer Heizvorrichtung 12 und einem angeschlossenen Druckausgleichsbehälter 20 integriert. Aus dem Vorratsbehälter 11 wird Wasser mittels der Umwälzpumpe 10 in das Fallrohr 6 geleitet und nach Durchströmen des Gefrierrohres 2 über den Abzugsstutzen 7 wieder abgezogen und in den Vorratsbehälter 11 zurückgeführt.
Mit zwei Temperaturfühlern 13, 14 wird die Temperatur des umgewälzten Wassers vor beziehungsweise nach dem Gefrierrohr 2 gemessen und die Heizvorrichtung 12 entsprechend geregelt. Vorzugsweise wird in dieser Phase die Temperatur des dem Gefrierrohr 2 zugeführten Wassers auf 20°C bis 40°C eingestellt.
Insbesondere zu Beginn des Spülens des Gefrierrohres 2 mit dem Wasser ist darauf zu achten, dass die Umwälzung des Wassers nicht ausgesetzt wird, da ansonsten die Gefahr besteht, dass das Wasser in dem Gefrierrohr 2 gefriert. Ebenso ist sicherzustellen, dass die Luft möglichst vollständig aus dem Gefrierrohr 2 verdrängt wird, damit das gesamte Gefrierrohr 2 von Wasser durchströmt und angewärmt wird.
Nach einiger Zeit ist die das Gefrierrohr 2 umgebende Füllschicht 3 angetaut und bildet unmittelbar an die Außenseite des Gefrierrohres 2 angrenzend eine flüssige oder pastöse Grenzschicht 15.
Jetzt wird der Wasserkreislauf unter Druck gesetzt (3). Mittels der Druckerhöhungspumpe 16 wird der Wasserkreislauf mit einem Druck von bis zu 50 bar beaufschlagt. Gleichzeitig wird ein Zugmechanismus 17 am oberen Ende des Gefrierrohres 2 angesetzt, der eine in axialer Richtung nach oben wirkende Kraft auf das Gefrierrohr 2 ausübt. Zur Lockerung des Gefrierrohres 2 ist es hilfreich, wenn der Druck des Wassers impulsartig im Bereich von 40 bis 50 bar geändert wird. Zusätzlich wird auf das Gefrierrohr 2 abwechselnd in beide Drehrichtungen 21 ein Drehmoment ausgeübt.
Die Temperatur des Wassers wird in dieser Austreibungsphase gegenüber der vorhergehenden Spülphase abgesenkt, da die unmittelbare Grenzschicht 15 bereits angetaut ist und ein weiteres Aufschmelzen des Frostkörpers 8 nicht erwünscht ist.
Der Überdruck im Gefrierrohr 2 drückt einen Teil des Wassers durch die Öffnung 9, welches auf die Unterseite der durchbohrten Abdeckkappe 4 eine nach oben gerichtete Kraft ausübt, die in 3 durch die Pfeile 18 angedeutet ist. Der Überdruck des Wassers unterstützt damit den Zugmechanismus 17 und schiebt das Gefrierrohr 2 nach oben. Der dabei unterhalb der Abdeckkappe 4 entstehende Hohlraum 19 wird durch nachströmendes Wasser aufgefüllt und unter Druck gesetzt, so dass das eingangs erwähnte Vakuum unterhalb des Gefrierrohres 2 vermieden wird. Hierbei ist es wichtig, dass sich möglichst wenig Luft innerhalb des Gefrierrohres 2 und innerhalb des Hohlraumes 19 befindet, um einen gleichmäßigen Druck auf die Abdeckkappe 4 zu erzielen. Auch aus Sicherheitsaspekten ist der Einschluss von zuviel Luft innerhalb des Hohlraumes 19 zu vermeiden: In der Austreibphase wird der Druck auf beispielsweise 50 bar erhöht. Sobald die Haftung zwischen dem Gefrierrohr 2 und dem umgebenden Erdboden nachlässt, besteht ansonsten die Gefahr, dass die sich entspannende Luft das Gefrierrohr 2 schlagartig aus dem Erdboden drückt.
Ein Teil des durch die Öffnung 9 in den Hohlraum 19 gedrückten Wassers sickert entlang der angetauten Grenzschicht 15 nach oben und bewirkt einen Schmiereffekt, der die Reibungskräfte zwischen dem Gefrierrohr 2 und dem Frostkörper 8 beziehungsweise der Füllschicht 3 verringert.

Claims

Verfahren zum Ziehen eines Gefrierrohres (2) aus dem Erdboden, wobei das Gefrierrohr (2) an seiner im Erdboden befindlichen Stirnseite mit einem Boden (4) abgeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Boden (4) mit einer Öffnung (9) versehen wird und ein Fluid in das Gefrierrohr (2) eingeleitet und unter Druck gesetzt wird, so dass das Fluid durch die Öffnung (9) im Boden (4) aus dem Gefrierrohr (2) austritt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Flüssigkeit, bevorzugt Wasser, in das Gefrierrohr (2) eingeleitet und unter Druck gesetzt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Fluid mit Additiven, insbesondere zur Gefrierpunktsverschiebung oder zur Reibungsreduzierung, versehen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Fluid unter einen Druck von 20 bis 50 bar gesetzt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Fluid mit Druckstößen beaufschlagt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein Wärmeträger im Kreislauf durch das Gefrierrohr (2) geführt wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Fluid als Wärmeträger eingesetzt wird.
Verfahren nach Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeträger während des Umwälzens in dem Kreislauf auf eine andere, vorzugsweise höhere, Temperatur gebracht wird als das Fluid in der Phase, in der das Fluid unter Druck gesetzt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass in das Gefrierrohr (2) ein Fallrohr (6) eingebracht wird, welches vom Kopf (5) des Gefrierrohres (2) bis in die Nähe des Bodens (4) des Gefrierrohres (2) reicht, und dass der Wärmeträger während der Kreislaufführung über das Fallrohr (6) eingeleitet und am Kopf (5) des Gefrierrohres (2) wieder abgezogen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass auf das Gefrierrohr (2) ein Drehmoment einwirkt, bevorzugt mit wechselnder Drehrichtung.