DE2614221C2 - Vorrichtung zur Bodenvereisung für unterirdische Bauwerke, Baugruben od. dgl. - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bodenvereisung für unterirdische Bauwerke, Baugruben od. dgl. nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Es ist bekannt, zur Abkühlung des Kälteträgers ein Kühlaggregat zu verwenden, in welchem in geschlossenem Kreislauf als Käitemittel eine Flüssigkeit mit niedrigem Siedepunkt zur Ve.dampk.ng gebracht und dabei dem gleichfalls durch das Küblaggregat geführten Kälteträger Wärme entzogen wird. (L "e Bautechnik, 1953, H. S-). Das durch Verdampfung entstehende Gas wird anschließend im Aggregat verdichtet, durch Abkühlung mit Wasser verflüssigt und wiederum verdampft. Übliche Kältemittel sind Ammoniak, Kohlensäure und Freone, während als Kälteträger üblicherweise Chlormagnesiumlauge oder Chlorkalziumlauge dienen. Bei diesem Verfahren bestehen zwei in sich geschlossene Kreisläufe, nämlich zum einen der des Kälteträgers, der durch die Rohre im Boden geführt und anschließend im Kühlaggregat wieder abgekühlt wird. Dieses Verfahren zur Kälteerzeugung ist jedoch kostspielig, weil das Kühlaggregat für den höchsten Bedarf ausgelegt werden muß, der nur kurzzeitig bei der Herstellung des Frostkörpers auftritt, während anschließend für die Hauptdauer der Bauzeit der Frostkörper nur erhalten zu bleiben braucht und so wenig Energie benötigt, daß das Aggregat nur etwa zu 50% ausgerastet ist. Weiter muß für die Notfälle, daß das Kühlaggregat unzureichend ist oder versagt oder aber die Stromversorgung ausfällt, ein weiteres KQhlaggregai und ein Notstromaggregat vorgehalten werden.

Es ist auch bereits bekannt, Bodenvereisung dadurch herbeizuführen, daß dem Boden durch unmittelbar in den Rohren verdampfende Flüssigkeit Wärme entzogen wird. Hierzu wird Kohlensäure oder flüssiger Stickstoff verwendet (FR-PS 13 27 179). In diesem Fall sind die Kältemittel gleichzeitig Kälteträger. Sie werden jedoch nicht in geschlossenem Kreislauf geführt, sondern nach Durchlaufen der Rohre freigegeben, da sie für die Umgebung unschädlich sind. Es entfällt also hier das kostspielige Kühlaggregat. Als nachteilig ergibt sich jedoch die Tatsache, daß der Entzug von Wärme bei Anwendung von extrem niedrigen Temperaturen aus dem Bo den unwirtschaftlich verläuft und daß bedingt durch die extrem tiefen Temperaturen die Wärme überwiegend an der Verdampfungsstrecke des Kältemittels aus dem Boden aufgenommen wird. Dies führt zu einem un gleichmäßigen Aufbau des Frostkörpers längs der Roh re. Bei längeren Bauzeiten wird dieses Verfahren zudem durch den hohen Verbrauch an flüssigem Stickstoff oder sonstigem Käitemittel unwirtschaftlich.

Bei einer Vorrichtung der eingangs genannten Gat-

tung wird das Käitemittel direkt einem Obertragungsmedium, nämlich Leichtbenzin, zugeführt, in dem das Kältemittel verdampft (Bergbautechnik, 1962, H. 10). Dieser Prozeß konnte jedoch nicht so gesteuert werden, daß ein genügend großer Teil der beim Verdampfen des Kältemittels benötigten Wärme dem Übertragungsmedium bzw. der einzufrierenden Stelle des Bodens entzogen wurde. Vielmehr ging der Umwandlungsprozeß aus der festen zur gasförmigen Phase der als Wännemittel verwendeten festen Kohlensäure im Leichtbenzin zu schnell vonstatten, daß das entstehende COrGas nicht genügend Zeit hatte, sich an der Wärmeübertragung nennenswert zu beteiligen. Es entströmte daher im wesentlichen ungenutzt mit einer verhältnismäßig niedrigen Temperatur. Der Verbrauch an Kohlensäureschnee war erheblich, ohne daß der gewünschte Erfolg erzielt wurde. Bei diesem Verfahren wird ein kostspieliges und noch dazu Störungin ausgesetztes Kühlaggregat vermieden, weil für die Kühlung des Kälteträgers ein handelsüblich bereitgestelltes Kältemittel Verwendung fin- det Die verfügbare Kälteenergie hängt daher nicht mehr von der Kapazität oder Funktionsfähigkeit eines Kühlaggregats ab.

Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Bodenvereisung der ein- gangs genannten Gattung so weiterzuentwickeln, daß bei geringem Geräteaufwand die gesteuerte Umwandlung des Kältemittels von einer zu einer anderen Phase bei möglichst vollständiger Erwärmung durch den Kälteträger optimiert wird und daß e.tne über den ganzen Bereich der Leitung des Kälteträgers im wesentlichen gleichförmige Bodenvereisung ermöglicht wird.

Diese Aufgabe wird durch die in dem kennzeichnenden Teil des Anspruch 1 angegegebene Erfindung gelöst — Außer einem üblichen im Boden verlegten Rohr- system für den Kälteträger ist lediglich ein Verdampfer mit Regelventil für das in isolierten Behältern in beliebigen Mengen und über einen größeren Zeitraum bereitstellbare Kältemittel erforderlich. Von dem Kältemittel, das Kohlensäure oder flüssiger Stickstoff sein kann,

JO wird mittels des Regelventils nur jeweils soviel entnommen, wie zum Abkühlen des Kälteträgers auf die gewünschte tiefe Temperatur jeweils erforderlich ist Der Kälteträger wird in geschlossenem Kreislauf durch den Verdampfer geführt, in dem ihm durch Verdampfung des Kältemittels laufend Wärme entzogen wird. Dabei ist der Durchfluß des Kältemittels durch den Verdampfer durch das Regelventil so einstellbar, daß der Kälteträger nur auf solche Temperaturen abgekühlt wird, bei denen er noch flüssig bleibt bzw. die gewünschte Boden vereisung herstellt bzw. aufrechterhält Der Kälteträger kann durch die Regelung der Abgabe des Kältemittels an den Verdampfer auf Temperaturen bis in die Nähe seines Erstarrungspunktes abgekühlt werden. Das verdampfte Kältemittel wird vom Verdampfer einfach an die Atmosphäre abgegeben. Dabei entstehen jedoch keine unnötigen Verluste, weil nur so viel Kältemittel verdampft wird, wie jeweil zum Kühlen des Kälteträgers erforderlich ist, und dem Vorrat entnommen wird.

— Es können übliche Kälteträger, ζ. Β. Chlorkalziumlauge oder Chlormagnesiumlauge, verwendet werden.

Ein Vorteil der Erfindung gegenüber den Vorrichtungen, bei denen das Kältemittel unmittelbar in den Gefrierrohren verdampft wird, ist, daß durch Verwendung von Kälteträgern bei mittleren und tiefen, aber nicht extrem tiefen Temperaturen der Frostkörper im Boden 'relativ gleichmäßig aufgebaut wird. Außerdem können die Rohre aus weniger hochwertigem Stahl hergestellt werden, als dies erforderlich ist, wenn mit extrem tiefen Temperaturen gerechnet werden muß.

Beim Arbeiten mit einem herkömmlichen Kühlaggregat als Kälteerzeuger kann eine Vorrichtung nach der Erfindung zur kostengünstigen Deckung des Spitzenbedarfs an Kälteenergie und-als kostengünstiges Reservegerät herangezogen werden. Außerdem steht durch den Vorrat an Kältemittel ausreichende Energie zur Verfügung, die bei Stromausfall, plötzlichen Wassereinbrüchen und bei anderen Gefahrensituationen schnell einsetzbar und in das Gefriersystem einspeisbar ist

Eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung kennzeichnet sich dadurch, daß in das Rohrsystem für den Kälteträger eine die zeitliche Durchflußmenge steuernde regelbare Pumpe eingeschaltet isL Die zwischen Einlauf und Auslauf des Rohrsystems auftretende Abkühlung des Kälteträgers hängt von seiner Durchflußgeschwindigkeit ab. Je rascher der Kälteträger zum Verdampfer zurückkehrt, umso geringer ist sein Temperaturanstieg. Die Temperaturunterschiede im Rohrsystem lassen sich daher auf ein Minimum begrenzen, und es kann insbesondere beim Aufbau des Gefrierkörpers im Boden, also während der Zeit, wo größere Temperaturunterschiede zwischen Rohrsystem und Boden vorhanden sind, mit größerer Umlaufgeschwindigkeit gearbeitet werden und dadurch eine raschere und gleichmäßigere Gefrierung erzielt werden. Andererseits kann während der eigentlichen Bauphase, in welcher der Gefrierkörper lediglich erhalten werden muß, bei geringerer zeitlicher Durchflußmenge des Kälteträgers eine ausreichende Kühlung gewährleistet werden, ohne daß Energie verschwendet wird.

Im folgenden ist die Erfindung anhand der in der schematischen Zeichnung dargestellten Ausführungsform einer Vorrichtung nach der Erfindung beispielsweise näher erläutert

Die als Ganzes mit 1 bezeichnete Vorrichtung weist einen mit Kältemittel, beispielsweise Kohlensäure, gefüllten Behälter 2 auf, ,+er in einem Ständer 3 gelagert ist. Von dem Behälter 2 führt eine Leitung 4 für das Kältemittel zu einem regelbaren Entnahmeventil 5 und weiter zu einem als Verdampfer 6 ausgebildeten Wärmetauscher in dem die Kälte an einen geschlossenen Kreislauf in Form eines Rohrsystems 7 abgegeben wird.

In dem Rohrsystem 7 zirkuliert der Kälteträger. Es enthält eine regelbare Pumpe 8 für den Kälteträger, mit der Fördermenge und Durchflußgeschwindigkeit nach Bedarf einstellbar sind. Hinter der Pumpe 8 geht das Rohrsystem 7 in eine Sammelleitung 7a über, von der aus eine Anzahl Zweigleitungen Tb mit eigenen Absperrventilen ausgehen und an ein (nicht gezeigtes) im Boden verlegtes Rohrleitungssystem anschließbar sind. Dieses Rohrleitungssystem ist ausgangsseitig wieder an eine Anzahl von Zweigleitungen Tc angeschlossen, die das Kältemittel übur eine zweite Sammelleitung Td iil das Rohrsystem 7 zurückführen, so daß der Kälteträger im geschlossenen Kreislauf immer wieder durch den Verdampfer 6 hindurchgeführt und erneut abgekühlt wird. Es entsteht kein Verlust an Kälteträger, während das in der Leitung 4 geführte Kältemittel laufend an die Atmosphäre abgegeben wird, wie durch den Pfeil A angedeutet ist Es kann jedoch über das Entnahmeventil 5 nach Bedarf dosiert werden, so daß kein unnötiger Verlust entsteht

In der Zeichnung Ist weiter gestrichelt eine Leitung 9 stromabwärts von dem die Abgabe von Kältemittel regelnden Entnahmeventil 5 angedeutet über die dem

ίο Rohrsystem 7 für den geschlossenen Kreislauf des Kälteträgers Kältemittel aus dem Behälter 2 direkt zugeführt werden kann, und zwar über eine nur schematisch angedeutete Verteilungseinrichtung 10. Diese direkte Zugabe von Kältemittel kann zusätzlich zu dem Verdämpfer 6 verwendet werden.

Die direkte Injektion von Kältemittel in das Rohrsystem 7 für den Kälteträger erfolgt zweckmäßig an verschiedenen Stellen des Rohrsystems 7 durch entsprechende Auslegung der Verteilungseinrichtung 10, die hierfür eine entsprechende Anzahl ton Abgabeleitungen erhält Dabei gibt das Kältemittel 'inerseils in seiner flüssigen Form seine Energie an den Kälteträger ab, und zusätzlich wird die Kälteenergie nach dem Sieden des in gasförmigen Zustand übergehenden Kältemittels dem Kälteträger übergeben. Eine solche unmittelbare Injektion von Kältemittel in den Kälteträger ermöglicht eine sehr genaue Dosierung. Die jeweils für den Kälteträger erforderliche Energie wird zeitlich über das Regelventil und zusätzlich örtlich über die Verteilungseinrichtung genau gesteuert — Im Kreislauf des Kälteträgers kann dabei durch Überdruckventile oder dergleichen in einfacher Weise ein Druckausgleich hergestellt werden.

Hierzu 1 Biatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur Bodenvereisung für unterirdische Bauwerke, Baugruben od. dgl, mit Mitteln zum Verdampfen eines handelsüblich bereitgestellten, nicht umweltschädlichen Kältemittels in gesteuerter Menge in Anwesenheit eines Kälteträgers, wobei Verdampfungswärme dem Kälteträger entzogen wird, und anschließender Freigabe des Dampfes, sowie mit Mitteln, um den gekühlten Kälteträger einschließlich in einer Strecke im Boden im geschlossenen Kreislauf zu führen, dadurch gekennzeichnet, daß ein Behälter (2) für das Kältemittel über ein Regelventil (5) an einen als Verdampfer (6) ausgebildeten Wärmetauscher angeschlossen ist, der mit dem Rohrsystem (7) für den geschlossenen Kreislauf des Kälteträgers verbunden ist

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,^aß in dem Rohrsystem (7) für den Kälteträger eine die zeitliche Durchflußmenge steuernde, regelbare Pumpe (8) angeordnet ist.