DE2156420B2

DE2156420B2 - Einrichtung zur bodengefrierung mittels fluessigen stickstoffs

Info

Publication number: DE2156420B2
Application number: DE19712156420
Authority: DE
Inventors: John W. Leaside Ontario Ross (Kanada)
Original assignee: Union Carbide Canada Ltd
Current assignee: Union Carbide Canada Ltd
Priority date: 1970-11-16
Filing date: 1971-11-13
Publication date: 1977-07-14
Also published as: FR2113980A1; CA957854A; DE2156420A1; JPS5441804B1; FR2113980B1; GB1344654A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Bodengefrierung mittels flüssigen Stickstoffs, bestehend aus mehreren, den herzustellenden Hohlraum umgebenden, in Bohrlöcher eingebrachten und an beiden Enden geschlossenen Gefrierrohren, in die jeweils zur Zuführung des flüssigen Stickstoffs ein Mittelrohr bis etwa zum Bodenbereich eingeführt ist, und die in ihrem oberen Bereich einen Rohranschluß zur Ableitung des verdampften Stickstoffs in die Atmosphäre aufweisen.

Die Technik der Bodengefrierung wird seit vielen |ahren als Mittel der Verstärkung der Wände von Minenschächten, Kanälen, Untergrundbahntunnel und anderen Aufgaben der zivilen Ingenieurtechnik verwendet. Kontrolliertes Gefrieren ermöglicht es, daß die Tunnel mit größerer Genauigkeit und Sicherheit gebohrt werden. So wird beispielsweise in der Abhandlung von H.W. Miller und T. P. Gordon Brown in der Zeitschrift »The |ournal of Refrigeration« vom Dezember 1967. Seite 338 mit dem Titel: »Neue Entwicklungen in der Eiodcngcfricnmgsiechmk«. ein kurzer Gcschiehtsüberblick über die Bodengefrierung gegeben, der darstellt, daß ein Verfahren zur Solengefrierung des Erdbodens beim Abteufen eines

45 Minenschachte* »chon im Jahre 1862 benutzt worden ist. Das Solengefriercn wird auch heule mich lür einige Projekte verwendet, *o beim Tiefbau der Pottaschevorkommen in Saikawhewan. Canada. Aufgrund ucr Benutzung von Sole kann die Gefrierung in großen Tiefen durchgeführt werden, und die Biswand kann über eine lange Zeitperiode aufrechterhalten werden, z. B. bis zu einem Jahr.

Das Gefrieren mil flüssigem Stickstoff ist teurer als das Gefrieren mit Sole und wäre unpraktisch für Gefrieren ausgedehnter Bodenvolurnina oder zur Aufrechterhaltung des gefrorenen Zustande«, über ein*; lange Zeit. Jedoch ermöglicht der Stickstoff eine sehr viel schnellere Bodengefricrur.;' als Sole, und infolge der kürzeren Gefnerungs/eit kann Stickstoff tatsächlich bei einigen Konstrukitonsanwendungen billiger sein. Das schnelle Gefrieren erfordert nämlich keine langen Verzögerungen bei der Tunneiherslcllung. Bei Benutzung flüssigen Stickstoffs beispielsweise kann eine 0.9 rn gefrorene Wand in drei Tagen erreicht werden im Gegensatz zu vier Wochen, die zum Gefrieren einer Wand der gleichen Grolle bei Benutzung von Sole erforderlich waren Bei der Tunnclbearbeilung kann beispielsweise ein Wandteil gefroren werden, wahrend ein vorher gefrorener Teil ausgehoben wird. Die Tiefentemperaturen, die mittels flüssigen Stickstoffs erreicht werden, halten den Boden genügend lange unterhalb des Gefrierpunkies, um den ungefrorenen Kern ausheben zu können.

Es sind frühere Versuche bekannt, flüssigen Stickstoff zur Bodengefrierung zu benutzen.

In »Compressed Air Magazine vom lunuar 1964. Seite 16, beschreibt ein Artikel mit dem Titel: »Another Job for Cryogenics« eine Einrichtung zum Gefrieren eines Hauptkanals von 0,9 m Durchmesser mittels flüssigen Stickstoffs. Der flüssige Stickstoff wurde von einem Speichenank in Kupferröhren, die im Boden eingebettet waren, überführt. Der Stickstoff verdampfte in den Röhren und wurde über eine andere Pipeline zur Atmosphäre abgelassen.

Nach den französischen Patentschriften 13 27 179, 15 30 664, der österreichischen Patentschrift 24 J69 und der Monographie »Schachtbautechnik« von Fritz Mohr (Seiten 62 —7t, Goslar 1964) ist es bekannt, den Stickstoff kontinuierlich in ein am unteren und oberen Ende geschlossenes Gefrierrohr durch ein Mittelrohr einzuführen. Dabei reicht das Mittclrohr bis etwa in den Bodenbereich des Gefrierrohres. Das Gefrierrohr hat im oberen Bereich einen Rohranschluß zur Ableitung des verdampften Stickstoffs in die Atmosphäre.

Beim Gefrieren größerer Bodenvolumina mit flüssigem Stickstoff wurde jedoch gefunden, daß die Temperatur jedes besonderen Bodenteils schwierig zu kontrollieren ist. Flüssiger Stickstoff in einem Abschnitt der Gefrierungsleitung konnte ein tiefes Gefrieren verursachen, während ein schnelles Verdampfen eine erschreckend hohe Temperatur in einem anderen Abschnitt nahe der Gefrierungsleitung hervorrufen konnte. Dieses Phänomen eines wellenförmigen Siedens, das »Gefrierungstaschen« in dem System verursacht, wird auf Druckfluktuationen in dem zweiphasigen Flüssigkeits- und Gassiickstoffsystem zurückgeführt. Es ist anzunehmen, daß dieses Phänomen einer kontrollierten Gefrierung entgegenwirkt, iis kann außerdem gefährlich sein, wenn ein Teil einer Wand nicht vollständig gefroren ist und demzufolge wahrend der Tunnelbildungs- oder Bohroperation einbricht.

Es ist jetzt entdeckt worden, daß dieses Problem der

ungleichen Bodengefrierung wesentlich reduziert werden kann durch Schaffung einer Einrichtung, bei der die Druckfluktuation in dem Flüssigkeits- und Gasstickstoffsystem im wesentlichen eliminiert ist.

Es ist daher eine Aufgabe dieser Erfindung, eine Einrichtung zur Bodengefrierung mittels flüssigen Stickstoffs zu schaffen, die eine genauere Steuerung des Stickstoff-Flusses durch das Bodengefrierungssystem ermöglicht.

Eine andere Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Einrichtung zur Bodengefrierung mittels flüssigen Stickstoffs zu schaffen, bei der das Volumen der Bodengefrierung durch Veränderung des Einlaßdruckes des flüssigen Stickstoffs und der Temperatur des abgezogenen gasförmigen Stickstoffs in der Einrichtung gesteuert werden kann.

Diese Aufgaben werden dadurch gelöst, daß zumindest zwei benachbarte Gefrierrohre jeweils in Reihe geschaltet sind und das Mittclrohr des zweiten Gefrierrohrcs über eine Zuleitung mit dem oberen Bereich des ersten Gefrierrohres, den verdampften Stickstoff leitend, verbunden ist, daß im unteren Teil des Mittelrohres des zweiten Gefrierrohres über mindestens ein Viertel der Rohrlänge verteilt eine Vielzahl von Autrittsöffnungen vorgesehen ist, deren Gesamtquerschnittsftäche wenigstens gleich 200% der Querschnittsfläche des Mittelrohres beträgt und daß eine Vielzahl von Stauplatten über die Länge der Mitteirohre verteilt angeordnet sind.

Bei einer bevorzugten Ausfiihrungsform ist dem zweiten Gel'rierrohr ein drittes Gefrierrohr in der gleichen Weise nachgeschaltet, wobei wenigstens über ein Viertel der Länge des zugehörigen Mittelrohres in dessen unterem Bereich eine Vielzahl von Austrittsöffnungen vorgesehen sind, deren Gesamtquerschnitt wenigstens 400% der Querschnittsfliichc des Mittelrohres beträgt.

Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform besteht die Einrichtung aus Serien von vier oder mehreren hintereinandergeschalteten Gefrierrohren.

Die Einrichtung bietet den Vorteil der einheitlichen Gefrierung eines vorgegebenen Bodenvolumens.

Im folgenden wird die Erfindung an Hand der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigt

F ι g. I eine teilweise geschnittene Ansicht einer Ausführung der Bodengefriereinrichtung,

F i g. 2 eine grafische Darstellung, die die Flächen der Bodengefrierung nach verschiedenen Zeitperioden unter Benutzung der besonderen Ausführung der Einrichtung nach F i g. 1 zeigt,

Fig. 3 eine isotherme Karte, die die Flachen des gefrorenen Bodens über ansteigende Zeitperioden zeigt, und

Fig. 4 eine schematische Draufsicht, die acht Bodengefriereinheiten zeigt, die im Kreis mit einer Stickstoff-Flüssigkeitsquelle verbunden sind, um eine kreisförmige Wand für eine Tunnelkonstruktion zu gefrieren.

In Fig. I werden drei Gefrierröhren la, 1/' und ic gezeigt, die in Serie verbunden sind. |ede der Gefrierröhren ist in dem Boden 2 bis in eine Tiefe von ca. 12m eingebettet. Der Abstand zwischen den Mittelpunkten der Röhren la und löbeträgi ca. I in, und der Abstand zwischen den Mittelpunkten der Röhren \b und Ic ist 0,76 m. Ein Tank 3 für flüssigen Stickstoff ist oberhalb des Bodens angeordnet und weist eine Versorgungsleitung 4 zur Zuführung flüssigen Stick Stoffs zu den Gefrierröhren auf. Ein Überdruckventil 5 ist in der Stickstoff-Flüssigkeitsversorgungsleitung 4 aus Sicherheitsgründen angeordnet.
Die Stickstoff-Flüssigkeitsversorgungslcitiing ist mit

s der Eingangsleitung 6a der Gefrierröhre la verbunden. Ein Flußsteuerventil 7 iss zwischen Her Versorgungsleitung 4 und der Eingangsleitung 6a angeordnet, um die Abgabe von flüssigem Stickstoff an die Gefrierröhren zu steuern. Ein Druckmesser 8a in der Eingangsleitung 6a zeigt den Druck des flüssigen Stickstoffs, der in das System eintritt, an. Die Gefrierröhre la besteht aus einer äußeren Leitungsröhre 9a und einem im Inneren koaxial montierten Mittelrohr 10a. Die Leitungsrohre ist in den Boden bis zu einer Tiefe von 12 m eingebettet,

is wobei ungefähr 0,4b m der Leitungsröhre oberhalb des Bodenniveaus liegen. Der Teil oberhalb des Bodens ist an der Außenseite mittels Polyurethan- oder Neopren-Isolationen isoliert, um das Durchsickern von Hitze /u reduzieren. Das Mittelrohr 10a besteht aus Kupfer oder rostfreiem Stahl mit einem äußeren Durchmessser von 1,9 cm und einem inneren Durchmesser von 2,1 cm und erstreckt sich von der Einlaßleitung 6a bis nahe/u 15 cm vom Boden der Leitungsrohre.

Eine öffnung ist am Boden des Miuelrohres

as vorgesehen, um flüssigen Stickstoff in die Leitungsrohre 9a /u entleeren. Die Leitungsröhre ist eine 5,5 mm dicke Röhre aus Kohlenstoffstahl mit einem inneren Durch messer von 7,5 cm. Die Leitungsrohre ist an ihrem oberen Ende mit einem Flansch versehen, der mit einer

n Flanschplauc Ila fest verbolzt ist, um eine gasdichte Abdichtung zu schaffen. Die Flanschplattc hat öffnungen für die Einlaßleitung 6a sowie für eine Auslaßleitung 12;i und den Druckmesser 13a. Das untere Ende de:· Leitungsröhre 9a ist mittels eines Pfropfens versehlos -

's sen, der an das Röhrenende angeschweißt ist.

Ungefähr vier Halteklammern 14a sind entlang dem Mittelrohr 9a angeordnet, um dieses /eniral in der Leitungsröhre 10a zu halten. Die Sperrplatten 15a haben einen Durchmesser von 6,35 cm und sind entlang dem Mittelrohr 10a ungefähr in einem Abstand von 90 cm angeordnet. Sie dienen dazu, den AufwUrtsfluß von flüssigem und gasförmigem Stickstoff zurückzuhalten; die Weise, in der dies geschieht, wird an späterer Stelle erklärt werden.

4S In der Gefrierröhre la dienen sie hauptsächlich dazu, das stoßweise Sieden oder Kochen des flüssigen Stickstoffs in der Leitungsröhre 9a zu reduzieren, das relativ hohe Temperaturen in dem Boden neben dem Brodeln hervorrufen würde. Es ist äußerst wichtig, daß

so das Sieden des flüssigen Stickstoffs in der Röhre la kontrolliert wird, um Schwebungen zu vermeiden, die einer gleichmäßigen Gefrierwirkung des Systems entgegenwirken.

Die Auslaßleitung 12a in der Flanschplatte I la ist mit

ss der Einlaßleitung 6b verbunden, um flüssigen und verdampften Stickstoff von der Leitungsrohre 9a zum Mittelrohr 106 in der Gefrierröhre Ib zu überführen. Ein Druckmesser 8b ist in der Einlaßleitung 6£> angeordnet, um den Druck des gasförmigen Stickstoffs zu messen,

<·;> der in die Gefrierröhre Ii> eintritt. Die Leitungsrohre 9/j hat die gleichen Abmessungen wie die Leitungsrohre 9a und hat eine Flanschplatte 11 ^, die fest an ihrem oberen Ende angebracht ist, und einen Pfropfen an ihrem unteren Ende.

(·-. Das Mittelrohr 10£> unterscheidet sieh von dem Mittelrohr 10a in verschiedener Hinsicht. Das MittH-rohr 10i> hat vier Halteklainmern Hb, und in dem in F i g. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel sind elf Sperrplat-

ien mit gleichmäßigem Abstand entlang dem Mitielrohr angeordnet und enden auf halbem Weg nach unten. Die untere Hälfte des Mittelrohres enthält eine Anzahl von Löchern, damit Stickstoffdämpfc in die Röhre 9a gesprüht werden können. In dieser Ausführung sind 100 Löcher radial versetzt entlang dem unteren Ende des Rohres angeordnet, von denen jedes einen Durchmessers von 3,54 mm hat. Zusätzlich zu diesen Löchern ist auf das untere Ende des Miitelrohrcs eine Kappe aufgeschraubt, die ein axiales Loch von b,35 mm Durchmesser hat. Der Stickstoff, der in das Miitelrohr 106 aus der Einlaßleitung 66 eintritt, ist tatsächlich vollständig im gasförmigen Zustand. Um eine gleichmäßige Gefrierwirkung in dem System zu erhalten, wird der gasförmige Stickstoff durch diese 101 Locher versprüht, anstatt durch eine einzige Entlcerungsöff nung in dem Mittelrohr 10a. Sperrplatten werden wieder in den Gasröhren benutzt, um einen Rückstau zu schaffen und dadurch die Gasgeschwindigkeit an der Gefrierröhrenwand und damit die Rate des Wärmetransports zu vergrößern. Die Sperr- oder Stauplatten sind so angeordnet, daß eine gleichmäßige Gefricrung über die Länge der Gefrierröhre erzielt wird. Der gasförmige Stickstoff wird durch den oberen Teil der Leitungsröhre 96 und dann durch die Auslaßleitung 126 entleert. Ein Druckmesser 8a, der in der Flanschplatte 116 montiert ist, zeigt den Druck des Stickstoffgases an, der im oberen Ende der Leitungsröhre 96 herrscht.

Die Auslaßleitung 126 ist mit der Einlaßleitung 6cder Gefrierröhre Ic verbunden, wodurch der Ausfluß des .Stickstoffgases aus der Leitungsröhre 96 in das Mittclrohr lOc überführt wird. Ein Druckmesser 8c ist zwischen der Auslaßleitung 126und der Einlaßleitung 6c zur Messung des Druckes des Sückstoffgases angeordnet, das in das Mittelrohr lOc des Gefrierrohres Ic hineinströmt. Das Mittclrohr 10c ist ähnlich dem Mittelrohr 106. abgesehen von der Größe der Sprühlöchcr in der unteren Hälfte des Rohres. Bei der vorliegenden Ausführung hat das Miitelrohr 10c 100 Löcher, von denen jedes einen Durchmesser von 4,1 nun hat, und ein Bodenloch in der verschraublcn Endkappe von 12,7 mm. Das Zunehmen des Durchmessers und damit der Gcsamtqucrschnittsfläche der Mittelrohrlö eher ist nötig für das vergrößerte Volumen des Stickstoffs aufgrund des Anstiegs seiner Temperatur von der Temperatur in der Gefrierröhre 16. Infolge Kompensation des Temperaturanstiegs durch Anwachsen des Bohrlochvoltiniens wird der Gasdruck in dem System stabilisiert. Die Anzahl und Positionen der Halteklammern 14/) und Stauplattcn 15c sind ähnlich wie bei dem Mittelrohr 106. Eine Auslaßleitung 12r ist in der Flanschplatte tlczur Entleerung von Stickstoff zur Atmosphäre angeordnet. Ein Druckmesser 13c. der von der Flanschplatte 11 cgchaltcn wird, mißt den Druck des Stickstoffs am oberen Entlccrungsendc der Leitungsrohre 9c.

Obwohl ein Drei-Röhren-System bevorzugt wird, ist eine befriedigende Bodcngefrierung auch mit einem Zwei-Röhren-System erzielt worden. Bei einem System mit fünf oder mehr in Serie verbundenen Gefrierröhren könnte es schwierig sein, eine adäquate und gleichförmige Gefricrung in allen Röhren zu erhalten. Da die Temperatur des Stickstoffgases von einer Gefrierrohre zur anderen rapide ansteigt, müßte der Stickstoff mit einem relativ hohen Druck durch das System gedrückt werden, um eine Gefricrung in der letzten Gefrierröhre sicherzustellen. Ein anderer Begrenzungsfaktor tat der Anstieg der Querschnlttsflächo der Mltlelrohrlochcr,

der erforderlich ist, um eine Druckgleichstellung in dem System zu erhalten und den Druckabfall in jeder Röhre zu minimalisieren. Ein System mit vier Gefrierröhren wäre jedoch zufriedenstellend und könnte für einige ausgedehnte Tunnelarbeitcn vorgezogen werden.

Bei Durchführung eines Bodengefrierungstesies mit der in I'ig. I beschriebenen Vorrichtung wurde flüssiger Stickstoff, der in dem Tank 3 bei einem Druck /wischen 2,8 und 4,2 kp/cm² gehalten wurde, mittels der Versorgungsleitung 4 und der Einlaßleitung 6a zum Mittelrohr 10a geleilet, wenn das Flußsleuerventil 7 geöffnet war. Der in die Leitungsrohre la gelangende flüssige Stickstoff hatte einen Versorgungsdruck von 1,4 bis 2,45 atü, wie vom Druckmesscer 8a aufgezeigt wurde; dies entspricht einem Verbrauch von 226 bis 283 m¹ Stickstoffgas im Normalzustand pro Stunde während des Gefrierzyklus. Der flüssige Stickstoff im Mittelrohr 10a wurde durch die Öffnung am Boden der Leitungsröhre 9a entleert. Der flüssige Stickstoff war bestrebt, sich in der Leitungsröhre 9a aufzubauen während einer Periode von 24 Stunden, bis die Röhre im wesentlichen voll war, wobei etwas verdampfter Stickstoff am oberen Entlcerungsende neben der Auslaßleitung 12a vorhanden war. Während der flüssige StickstofI in der Leitungsröhre 9a aufsteigt, verdampft er und stürzt hinter die engen Passagen zwischen den Stauplatten 15a und der Röhrenwand. Ohne solche Stauplatten hat sich herausgestellt, daß etwas verdampfter Stickstoff bestrebt war, in Blascnform durch den flüssigen Stickstoff in der Röhre aufzusteigen und große Druckfluktuationen zu erzeugen, die als »Schlagen« oder »stoßweises Sieden« bekannt sind. Ein anderer Faktor war die langsame Verteilung von flüssigem Sauerstoff in der Leitungsröhre ohne Stauplattcn, so daß der Stickstoff lange bevor der Flüssigkeitspegel die Spitze erreichte, verdampfte. Dies resultierte in einer ungleichen Temperaturverteilung mit relativ höheren Temperaturen am oberen Ende der Gefrierröhre. Relativ gleiche Temperaturen wurden mittels der Stauplauen erzielt.

Der Überfluß an flüssigem Stickstoff und Stickstoff gas wurde mittels der Auslaßleitung 12a und der Einlaßleitung 66 in das Mittelrohr 106 überführt. Der Stickstoff wurde dann durch die Löcher in dem unteren Teil und dem Ende des Mittelrohres 106 versprüht. Der Stickstoff füllte den unteren Teil der Leitungsröhre 96 und setzte sich hinter den Stauplatten 156 zur Spitze der Leitungsrohre fort. Stauplatten 156 dienen dazu, den Aufwärtsdurchfluß zu verengen, um die Gasgeschwindigkcit anwachsen zu lassen und den Stickstoffgosfluß zu zwingen, mit den Wanden der Leitungsrohre in Kontakt zu kommen. Ohne Stauplattcn könnte das Stickstoffgas mit wachsender Geschwindigkeit aufwärts steigen von dem unteren Teil der Röhre, ohne der Rückwand Hitze zu entziehen und dadurch den Kühleffckt drastisch zu reduzieren. Der Druckmesser 126 zeichnete den Druck des Stickstoffgases an der Spitze der Röhre uuf.

Der Stickstoff- und Gasüberfluß wurde über die Auslaßleitung 126und Einlaßlcitung6cindas Mittclrohr 10c übertragen. Der Druck des Stlckstoffguses, das in das Mittelrohr 10ceintrat, wurde mittels des Druckmessers 8c angezeigt. Das Gas wurde dann in die Löcher in dem unteren Teil und aus dem Ende des Mittelrohres versprüht. Das kalte Stickstoffgas fällte den unteren Teil der Leitungsrohre 9c und setzte sich nach oben hinter den Stauplatten ISc zur Spitze der Leitungsröhre fort. Der Stickstoffüberfluß an der Spitze der Leitungsrohre

wurde über die Auslaßleitung 12c zur Atmosphäre abgeführt.

Das Gefrieren wurde während 96 Stunden fortgeführt; in dieser Zeit passierte eine Gesamtmenge von 30 255 kg flüssigem Stickstoff die Gefrierröhren. Nach % Stunden waren ungefähr 65,94 m^J bodengefroren. Die Umgebungstemperatur unterhalb der Bodenober fläche während des Tests lag bei IO⁰C. Der in diesem Test gefrorene Boden war ein nasser, mäßig dichter verschlammter Lehm, Mittels Thermoelementen, die in verschiedenen Abständen von der Gefrierröhre im Boden angeordnet waren, wurde herausgefunden, daß die maximale Dicke der gefrorenen Zone um jede Röhre nach 96 Stunden folgende war:

Gefrierröhre la
Gefrierröhre Ib
Gefrierröhre Ic

1,95 m
2.1 m
1,5 m

Gefrierröhre Ie	47 cal/g
Gefricrröhre \b	14 cal/g
Gefrlerröhrc te	13 cal/g
Gesamtverbruuch in den
Gefrlcrlcitungcn	74 cal/g
Zur Luft abgelassen	16.5 cal/g
	90.5 cal/g

Die Flüche von gefrorenem Boden nach verschiedenen Zeltperioden bis zu 96 Stunden Gcfrlcrung Ist In Fig.2 dargestellt. Diese Figur, die als Querschnittsdraufsicht dargestellt Ist, zeigt die Temperaturen, die von den strategisch angeordneten Thermoelementen registriert wurden und zeigt die Temperaturen in verschiedenen Entfernungen von den Gefrierröhren am linde vorbestimmter Zeitperioden an. Etwa 30 Thermoelemente wurden benutzt, um die Bodcntcmperaturen auf der vollen Länge der Gefrierröhren und in verschiedenen Abständen von den Gefrierröhren zu messen. Diese Thermoelemente waren mit einer Aufzeichnungseinrichtung oberhalb des Bodens in bekannter Weise verbunden. Die Fläche von gefrorenem Boden nach verschiedenen Zeitperioden wurde wie folgt gefunden:

Die maximale Dicke der gefrorenen Zone war 2,25 m und trat ungefähr in der Mitte zwischen den Röhren 1;/ und \b auf. Die maximale Tiefe der gefrorenen Zone war 3.3 m. Die Temperatur in dem gefrorenen Boden variierte zwischen —195°C und 0"C. Es wurde herausgefunden, daß, um diesen Grad an Gefrierung zu erhalten, der Stickstoff durch die Gefrierröhren mit einer solchen Geschwindigkeit strömen muß, daß das Stickstoffgas, das durch die Auslaßleitung 12c entleert wird, eine tiefe Temperatur von mindestens -62"C und vorzugsweise -73,5⁰C haben muß und nicht niedriger als -84,5"C aus Wirischaftlichkeitsgründen sein sollte. Die Temperatur des abgegebenen Gases während des Gefrierzyklus der oben beschriebenen Ausführung lag bei nahezu - 68¹C (± 2,8°C) bei der anfangs angegebenen Gefrierstufc. bei der einige Druckfluktuationen zwischen den Gefrierröhren beobachtet wurden. Während der letzten 80 Stunden des Gefrierzyklus wurden keine Druckfiuktuationen beobachtet, und die Temperatur des von der Leitung 12c abgeführten Gases lag bei - 68° C.

Der Druck des flüssigen Stickstoffs, der /um Mittelrohr In geliefert wurde, wurde zwischen 1,4 und 2,45 aiii gehalten, was einem Verbrauch von 226 bis 283 m¹ Stickstoff pro Stunde entsprach. Während der ersten 16 Stunden, die die anfängliche Abkühlperiode darstellten, fluktuierte der Druck in den Gefrierröhren in zyklischer Weise mit einer Geschwindigkeit von ungefähr 20 Zyklen pro Stunde. Diese Fluktuationen erreichten ein Maximum von 2,! atü. Nach der anfanglichen Abkuhtpcriodc wurden keine zyklischen Fluktuationen beobachtet. Diese Fluktuationen sind von der Siedewirkung in der Röhre Iu bedingt und wurden vom Druck und mittels Stauen gesteuert. Der durchschnittliche Wechsel in der Enthalpie des benutzten flüssigen Stickstoffs war 90 cal/g flüssigen Stick* Stoffs, was sich in folgende Proportionen aufteilte:

Zeil(Std.)

24
36
48
60
72
84
96

Bodenflächc

1,61 nv'
2,2 m·'
2,9 m-3,6 m-'
4,4 m-4,8 πι'
5.2 m-'

Dabei hat sich herausgestellt, daß die Gefrierraten unterhalb der Erdoberfläche vorherbestimmt werden können, wenn der Einlaßdruck des Stickstoffs auf 1,75

u> bis 2,45 atü und die Auslaßgastemperatur zwischen -62°C und -73,5°C gehalten werden Die in F i g. 2 dargestellten Isothermen sind von konstanter Form und mit Zeit für einen bestimmten Boden vorherbestimmbar. Dies gestattet dem Benutzer, auf alle Thcrmock·-

<<· mente außer einem Kontrollthermometer senkrecht aim Mittelpunkt zwischen den Röhren in und Ib zu verzichten, Alle Druckmesser, die beim angestellten Test gezeigt wurden, können bis auf den Druckmesser 8;i in der Zuführungsleitung entfallen. Hierdurch werden

.|i> die Steuerung der Gefrierung und die Kosten der Installation erheblich vereinfacht b/w. reduziert.

Aus I·' i g. 2 ist zu ersehen, daß die maximale Weite der gefrorenen Flüche bei einem Punkt ungefähr in der Mitte zwischen den Gefrierröhren 1.1 und Ib liegt.

.is Zur Ausführung dieser Ί empcraiurmcssungen wurde eine Gesamtzahl von 42 Thermoelementen in dein Boden angeordnet. Diese bestanden ims Kupfer-Konstiintan-Thcrmoclemcnlendrahl der Starke 20. F.in Sigma· 1 lO-Temperaturmessungspyroineter wurde in

w Verbindung mit zwei 24pollgcn Thermoclcmentcnuus wahlschaltern benutzt, um die Bodcntempcruturcn aufzuzeichnen Das Pyrometer war mit einem automati sehen Widerstandskompcnsntor ausgerüstet, um die verschiedenen Langen der Thermoelemente auszuglci

M chcn und mit einem Umgebungstemperaturkompensa tor. um die Wechsel dor Umgcbungstempcratui auszugleichen. Die Genauigkeit dieses Instrumente' war bei Raumtemperatur von 21⁰C± 1% der gesamter Skala. Die gesamte Skalenablenkung war 250⁰C, unc

im zwar /wischen -2I2°C und 38⁰C Daraus ergibt slct eine Genauigkeit für die Temperaturablcsungen vor ±2.3°C. In dem oben angegebenen Test wurde da Temperaturmessungspyrometer bei einer Umgebung« temperatur/wischen - 17,8⁰C und 4.4°C betrieben, wa

(<< beträchtlich niedriger als die optimale mechanisch! Betriebstemperatur des Instrumentes ist. Dies kam einen leichten Abfall der Genauigkeit der Ablesungci verursacht haben.

Es wurde beobachtet, dalJ dei Mickstuff-Uoduigcl'ne rungsprozeß während des ersten Teiles des (leine rungszyklus wirtschaftlicher war und inii zunehmende! Gefrierzykluszeit weniger wirtschaftlich wird. Dies ist aus dem Abfall der Geschwindigkeit ersichtlich, mit der die gefrorene Fläche zunimmt, wenn die Gefrieriingszyklusdauer anwächst.

Das Volumen des Bodens in der gefrorenen /one wurde angenähert mittels Projizieren der gefrorenen Fläche, die nach einem vorgegebenen Zeitintervall erhalten worden war, bei bekannter Länge der Gefrierröhren unterhalb des Grundes bis zu einer Tiefe von 12 m. Während des Tests erstreckte sich die gefrorene Zone von 0 bis 0,6 m unterhalb der Gefrierröhren. Dies war eine gute Annäherung an die tatsächliche Gefrierzone unterhalb des Bodens und wurde bei der Voluiiienberechnung verwendet. Das Gesamtvolumen des nach 96 Stunden Gefrierzyklus erhaltenen gefrorenen Bodens betrug

5,25 m·' χ 12 m = 63 m'.

Während des 96 Stunden Gefrier/>klus:

Verbrauchler flüssiger

Stickstoff

Volumen des gefrorenen

Bodens

Dichte des gefrorenen

Bodens

Gewicht des gefrorenen

Bodens

JO 000 kg
6 J m>
1760 kg/m'
I 10 000 kg

Daher haben 0,45 kg flüssigen Stickstoffs 1.7 kg Boden gefroren.

Der Tau/yklus dauerte 40 5 Stunden. Dies war die Zeit, die erforderlich war, damit die Temperatur des gefrorenen Bodens auf OC oder höher anstieg und war 4,2mal so lang wie der Gelrior/yklus. Fs wird angenommen, daß der Tau/yklus deswegen länger als der (icfrier/yklus ist, weil die umgebende Untergrund temperatur nur 6,7 C betrug und die unterkühlte I isvsaml, die durch die Gefrierung hergestellt worden war, eine miniere Temperatur von 12,2'C aufwies. Daher war der Wärmegradicni wahrend der l'aupenoile erheblich geringer als während deiGcfnerpehode.

Bei einem ähnlichen Test wurde ein /wciRöhrenSy stem verwendet. Bei dieser Ausführung waren eine Stickstoff-Flüssifckeilsgefrierrohre, wie sie in Fig. I als lagc/cigt ist,und eine an/ige Sliekslofigusgefiienöluo wie die \b in Serie verbunden. Die anderen Elemente der Vorrichtung waren ähnlich jenem in I ι g. I gc/cigten. Die Gefrierröhren in diesem Test wuren lediglich bis zu einer Tiefe von b m in dem Erdboden eingebettet und mit einem Abstund von 0,6 m von ihren Mittelpunkten angeordnet.

Der Versorgungsdruck des flussigen Stickstoffs /ti dem Mittelrohr der ersten Gefrierröhre wurde uuf 0.49 bis 0,7 atü wahrend des größten Teiles des (icfrier/yklus gehalten. Die durchschnittliche Gefrierröhrentemperu tür wahrend der ersten 24 Stunden und der lci/ton 47 .Stunden sind im folgenden for einen 71-Stunden (ic fricr/yklus ungegeben:

I rslo (icl'ricrrnhrc (meist Hüssigcs N.)

ItatlciiNvundtempcruUir 1X2 (
I'JO (

Oheiw.itullemperaUir:

46 C

158 ι
Abgelassenes SlieksloHgas:

141 C

18t) c

(M)

eisten 24 Stunden
/reiten 47 Stunden

eisten 24 Stunden
/weilen 4 7 Stunden

/weile (ielrierröhre (meist lliissiges N.)

I Jodenwand temperatur:
24 C
83 C

Oberwand tempera tür:
is 35 C

^l>5 C

Abgelassenes .Slickslollgas:
()(i (
123 C

ersten 24 Stunden
/weiten 47 Stunden

ersten 24 Stunden
zueilen 47 Stunden

ersten 24 Stunden
/weiten 47 Stunden

Während dieses zweiten Tests wurde über eine /ei von 71 Stunden insgesamt 870Om¹ oder nahezi 10 100 kg flüssigen Stickstoffs benutzt.

Die zweite Gefrierröhre war ursprünglich mit einen Flüssigkeitssprühmittelrohr ausgerüstet, jedoch wurdi dieses nach 24 Stunden gegen ein Gassprüh roh ausgetauscht, wie es in Fig.] bei 10b dargestellt ist Dies wurde deshalb getan, weil das Flüssigkeitssprüh mittelrohr dem Stickstoff-Fluß zuviel Widerstam entgegensetzte, was das Erzielen von Stickstoff-Flüssig keitstemperaturen in der ersten Gefrierröhre vorhin derte. Dieser Wechsel des Mittelrohres in der erstei Gefrierröhre ist für den großen Temperaiurunierschiei in der ersten Gefrierröhre in den letzten 47 Siundei verantwortlich.

Fig. J zeigt den Radius der Gefrierzone nacl verschiedenen Zeitperioden während des Tests de Zwei-Gefrierröhren-Systenis. Diese Temperaturei wurden mittels 19 Thermoelementen aufgezeichnet, dii strategisch in dem Boden angeordnet waren. Dei Radius der Gefrierzone über den 71-Stunden Gefrier/v klus ist folgender:

/οι

(SIiI

K.Ulms ikr μ>.Ίlorencii /iiik¹ im)
I Kuhn· λ KoI

(MIh

0.55 O.frl

(U (UH (MS 0.55

ersten 24 Sluiulcn /wellen 47 Stunden

Die CiesumiflUehe der gefrorenen Zone nuch 7 Stunden betrug 1.84 m^;, und das Gesamtvolumen lug bc 11,5 m>. Der Boden bei dem /weiten Test wur ein reluti trockener (ilcischcr-Gcschlebelehm mit einer Dicht von 2400 kg/m¹. Dus Gewicht des gefrorenen Boden betrug daher: Dichte χ Volumen - 2400 kg/m > χ D₁ ¹JmI

-2,75 χ 10» k|

Du lOlOükp Stickstoff benutzt wurden, hubei 0,45 kp Stickstoff 1,22 kp Boden gefroren.

Die in den Tests I und 2 erhaltenen Ergebnisse sind ζ Vergleichs/wecken zusiimmcngc&lellt:

tesi I Lsi '

\omcluung I N .flüssig- i N ,-flüssig

keit.sleiliing keilslcitung

2 N,-Gas- I N.-Gas-'

leitung leitung

Gefrier/yklus/eil ¹Xi Stunden 7| Stunden

N.-Ilüssigkeil.sverbraueh 30255 kg Hl HM) kg

N.-flüssigkeilsver- 315 kg/li 142 kg/h

hi a ue lisgesc Ii windigkeil

Dicke der gefrorenen

Leitung 1 l,^l>2 m 1,27 in

Leitung 2 2,1 in 1.12 in

Leitung 3 1,5 in

Maximale l'iswanddieke 2,22 in 1.27 m

/wischen ilen Leitungen

I und 2

I auge der gefrorenen 3,2 in I.X in

Oberfläche der gefro- 5,25 m' I.X2 in'

reuen /one

I icle des geliorenen 12 in i> in

Hodens

Volumen des gefrorenen h.l in ' 11.^ in'

Hodens

Ν,-1-liissigkeits 1,75 kg Lide 1.22 kg I ide

Gclrierwiikung pro pio

0,45 kg N. O.-h kg N.

Duiehschnillstcmperalur d7,s t 104 <

des abgelassenen Gases

Von der Gcirierieitung I 47 cal/g IS eal/g

erzeugte Kalte

Von der Gefricrleiluiig 2 Il cal/g IV> cal/g

erzeugte Kälte

Von der Gefrierleilung 3 13.2 eal/g erzeugte Kälte

Von allen Gefrierleiiun- 74,2 eal/g <>>.'' cal/g gen erzeugte Kälte

/in Atmosphäre abgege- KvI cal/g 2X.(> cal/g bene Kälte

I'mgelninnsiemperalur Π) Γ ',Xt

der FnIe

Wahrend die oben beschriebenen Ausführungen cm Zwei· oder Drei-Röhren-System verwenden, kann mich eine Vorrichtung mit vier oder mehr Rühren benui/i werden. Um einen rcgclmttUigcn Durchgung von Stickstoff sicherzustellen und Driickflukltiiilionen durch die Kohlen wirkungsvoll /u eliminieren, muß die (,Hiersehniusfläche der Löcher in den Mitielrohren progressiv vergrößert werden in jetler folgenden {'lefnerröhre. Wie d.iher oben mil He/ug auf Ι-Ί g. I angedeutei ist. stellt die Ouerschniitsfläche aller Locher in dem Mitielrohr 10/) 4(XVVu des Querschnittes des Miltelrohres selbst dar; im Millelrohr Ir dieser figur ")()0"'(i. falls eine vierte Rohre benui/l wird, würde die Querschnitisfläche der Löcher in dem vierten Mittel rohr einen viel höheren l'ro/enisai/ des Rohrquerschnittes ausmachen, jedoch liegen vier Röhren an der (ireii/e einer praktischen kommer/iellen Bodengeine rung

Die 1 emperatur des Stickstoffs in einer fünften Rohre wäre ungeeignet für die wirkungsvolle (iefriening einer grollen Bodenfläche, falls nicht der gesamte Stickstofl durch das Gefrierröhrensystem mn einem wesentlich höheren Druck geprellt würde. Höhere Drucke waren jedoch unpraktisch bei Verwendung der heutigen Auslielerungssystenie.

falls große Hodenflachen /u gefrieren sind, besteht eine geeignete Alternative darin, eine Λη/ahl von Drei-Röhren-Systemen parallel /u verbinden, wie in Ii g. 4 gezeigt.

f ι g. 4 zeigt eine kreisförmige Anordnung mit acht (iefrierröhrensysieinen, die parallel geschallet sind und von denen jedes jus drei in Serie geschalteten (iefrierröhreni besteht. Die (iefrierröhren sind ähnlich den mit He/ug auf l-'ig. I beschriebenen und sind deshalb als Röhren l.i. 16 und Ic bezeichnet Hei dieser Ausfuhrung kann jedoch beobachtet weiden, daß der ■\bstand zwischen den Röhren L/ und I/¹ großer ist als /wischenden Röhren l/>und Ic

llüssiger Stickstoff von einem Versorgnngsiank (nicht gezeigt) wird über eine StickstolKeisorgungslei tung 4 der Verteilerleitung 100 zugeführt. Diese Leitung ist oberhalb des Bodens angeordnet und stark isoliert, um lemperaturverlusle minimal /u hallen. Die Ver teilerleitung tOO ist mit der Versorgungsleitung 4 mittels eines T-Verbindungsstückes 101 gekoppelt, so dal! der flüssige Stickstoff bei den von der Verteilerleitung gebildeten !lachen des Kreises zugeführt wird. Der Stickstoff wird dann zur !-.inlatiieilung h,( einer leden (lefrierröhre \;i über eine Öffnung entlang der Verteilerröhre zugeführt. In der gezeigten Ausführung sind die (iefrierröhren l.i in einem Abstand von nahe/u 2,^r)^r> in entlang dem I Inifang des Kreises angeordnet Der Nbstaiul /wischen den (iefnerrohren Ir und dei nuchlolgviuiun Rühre t.i ist nahezu ()>) in Mittels der ir dieser Ausführung gezeigten Verteilerrohr ist dii Reihe der CJcfrierröhren ausgerichtet, um einen I ImIuHi von 2].b m /u bilden. Solche Ausführung kunn benutz werden, um eine UmfungsflUchc eines großen Schlichte¹ /u gefrieren, so duü die Wunde nicht /usummenbrechen bevor die BctonschichtverslUrkung installiert ist.

I lici/u 3 111.ill /ckhmmuen

Claims

Patentansprüche:

I. Einrichtung zur Bodengefrierung mittels flüssigen Stickstoffs bestehend aus mehreren, den -herzustellenden Hohlraum umgebenden, in Bohrlö eher eingebrachten und an beiden Enden geschlossenen Gefrierrohren, in die jeweils zur Zuführung des flüssigen Stickstoffes ein Mittelrohr bis etwa zum Bodenbereich eingeführt ist, und die in ihrem oberen ,;, Bereich einen RohranschluO zur Ableitung des verdampften Stickstoffes in die Atmosphäre aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest zwei benachbarte Gefrierrohrc (la, Ib, Xc.) jeweils in Reihe geschaltet sind und das MiUelrohr is (IOi>) des zweiten Gefrierrohres [Xb) über eine Zuleitung (12a) mit dem oberen Bereich des ersten Gefrierrohres, den verdampften Stickstoff leitend verbunden ist. daß im unteren Teil des Mittelrohres (\0b) des zweiten Gefrierrohres (Xb) über minde :o stens ein Viertel der Rohrlange verteilt eine Vielzahl von Austrittsöffnungen vorgesehen sind, deren Gesamtquerschnittsfläche wenigstens gleich 200% der Querschnittsfläche des Mittelrohres (1 b) beträgt und daß eine Vielzahl von Stauplatten (15a bis 15c) :s über die Lange der Mittelrohre (10a bis 10c·) verteilt angeordnet sind.
2. Einrichtung nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß dem /weiten Gefrierrohr (\b) ein drittes Gefrierrohr in der gleichen Weise nachge- v> schaltet ist. wobei wenigstem- über ein Viertel der Länge des zugehörigen Mittelrohres (10t) in dessen unterem Bereich eine Vielzahl von Austrittsöffnungen vorgesehen sind, deren Gesamtquerschnitt wenigstens 400% der Querschnittsfläche des Mittelrohres (10c) beträgt.
3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß sie aus Serien von vier oder mehreren hintereinandergeschalteten Gefrierrohren besteht.