DE3112291A1 - Soil-freezing arrangement - Google Patents
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Abstract
Description
Vorrichtung zum Bodengefrieren Ground freezing device
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Bodengefrieren mit einem aus einem geschlossenen Gefrierrohr, in dessen Innenraum ein oberhalb des Gefrierrohrbodens endendes Innenrohr mündet, bestehenden Gefriersystem für die Einleitung eines gekühlten Fluids.The invention relates to a device for freezing the ground with a from a closed freezer tube, in the interior of which one above the freezer tube bottom Ending inner tube leads to the existing freezing system for the introduction of a refrigerated Fluids.
Alle erdoberflächennahen Gesteine und Sedimente verhalten sich so, daß sie mit fallender Temperatur formbeständiger und dadurch statisch stabiler werden. Zur Verfestigung von Baugrund bei Tief-, Schacht-, Stollen- oder Tunnelbau kann dem Boden daher Wärme entzogen werden. Bei bekannten Verfahren werden zu diesem Zweck Gefrierrohre in Abständen zueinander in dem zu verfestigenden Boden verlegt. Die Gefrierrohre werden in Bohrlöcher eingebracht, deren Innendurchmesser unwesentlich größer als der Gefrierrohrdurchmesser ist. Zum Abkühlen, insbesondere Gefrieren des Bodens, wird in das im Bodenbereich geschlossene Gefrierrohr ein gekühltes Fluid, z.B. eine Sole, vorzugsweise aber ein verflüssigtes Gas mit niedrigem Siedepunkt wie z.B. Stickstoff eingeleitet. Das Fluid kann entweder über das in den Innen-;raum mündende Innenrohr des Gefrierrohres oder über den Ringraum zwischen Innen- und Gefrierrohr in den Bereich des Gefrierrohrbodens gebracht werden. Im ersten Fall wird dem Boden bevorzugt Wärme im Bereich des Gefrierrohrbodens entzogen. Dabei erwärmt sich das Fluid und fließt im Ringraum zwischen Innenrohr und Gefrierrohr zur Beschickungsstelle zurück. Wird beispielsweise flüssiger Stickstoff durch das Innenrohr zum Gefrierrohrboden geleitet, kann dieser verdampfen und im wesentlichen gasförmig durch den Ringraum strömen. Im zweiten Fall wird dem Boden bevorzugt Wärme in unmittelbarer Nähe der Beschickungsstelle entzogen. Auf dem Weg zum Gefrierrohrboden erwärmt sich das Fluid und strömt in erwärmtem Zustand durch das Innenrohr zur Beschickungsstelle zurück.All rocks and sediments close to the surface of the earth behave that with falling temperature they become more dimensionally stable and therefore more statically stable. For the consolidation of subsoil in civil engineering, shaft construction, gallery or tunnel construction heat is therefore withdrawn from the soil. In known methods, this Purpose Freezing pipes laid at a distance from one another in the soil to be consolidated. The freezing pipes are placed in boreholes, the inside diameter of which is insignificant is larger than the freezer tube diameter. For cooling down, especially for freezing of the floor, a cooled fluid is poured into the freezer tube closed in the floor area, e.g. a brine, but preferably a liquefied gas with a low boiling point such as nitrogen introduced. The fluid can either enter the interior via the opening inner tube of the freezer tube or via the Annular space between Inner tube and freezing tube are brought into the area of the freezing tube bottom. in the In the first case, heat is preferentially withdrawn from the soil in the area of the freezer tube bottom. The fluid heats up and flows in the annular space between the inner tube and the freezing tube back to the loading point. For example, if liquid nitrogen is replaced by the Inner tube passed to the freezer tube bottom, this can evaporate and essentially flow in gaseous form through the annulus. In the second case, the soil prefers warmth withdrawn in the immediate vicinity of the loading point. On the way to the freezer tube bottom the fluid heats up and, in a heated state, flows through the inner tube to the charging point return.
Bei dieser Verfahrensweise ist jedoch eine gezielte Regelung der Abkühlung, insbesondere des Gefrierens eines Bodens nicht möglich. Es ist festgestellt worden, daß mit den bekannten Vorrichtungen in der Regel Bereiche, die nicht gefroren werden müssen, unnötig vereist werden. Dieses Merkmal bekannter Vorrichtungen hat zur Folge, daß der Energieverbrauch sehr hoch liegt und zudem lange Gefrierzeiten erforderlich sind.With this procedure, however, a targeted regulation of the cooling, In particular, the freezing of a floor is not possible. It has been found that with the known devices, as a rule, areas that are not frozen need to be frozen unnecessarily. This feature of known devices has the consequence that the energy consumption is very high and, moreover, long freezing times are required are.
Auf ungezielte Regelung konnte ein gewisser Einfluß gewonnen und eine gezielte, örtlich begrenzte Vereisung bzw.A certain influence could be gained and a certain influence on untargeted regulation targeted, locally limited icing or
Abkühlung erreicht werden, wenn der obere Teil des Gefrierrohres außen mit einer Isolierschicht umgeben worden ist.Cooling can be achieved when the upper part of the freezer tube is outside has been surrounded with an insulating layer.
Für diese Vorrichtung ist es jedoch erforderlich, wenigstens für den Bereich mit Isolierschicht ein Bohrloch mit größerem Bohrdurchmesser zu bilden.For this device, however, it is necessary at least for the Area with an insulating layer to form a drill hole with a larger drilling diameter.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs geschilderten Art anzugeben, mit der der Abkühlvorgang leicht geregelt und effektiv durchgeführt werden kann.The invention is therefore based on the object of providing a device of Specify the type described above, with which the cooling process is easily regulated and can be done effectively.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Innenrohr auf wenigstens einem Teil seiner Länge mit einer wärmedämmenden Schicht ausgerüstet ist.This object is achieved according to the invention in that the inner tube Equipped with a heat-insulating layer over at least part of its length is.
Erfindungsgemäß ist das Innenrohr mit einer Schicht geringer Wärmeleitfähigkeit versehen, durch die der Wärmetausch zwischen dem Innenrohr und dem Ringraum zwischen Innenrohr und Gefrierrohr erheblich reduziert wird. Vorteilhafterweise wird durch diese Maßnahme beispielsweise der Wärmefluß von flüssigem Stickstoff, der durch das Innenrohr zum Gefrierrohrboden strömt, auf gasförmigen Stickstoff, der im Ringraum zurückfließt, weitgehend unterdrückt, das heißt, eine Rückkühlung des gasförmigen Stickstoffs bzw. eine Wärmezufuhr zum flüssigen Stickstoff wird gezielt vermieden.According to the invention, the inner tube is provided with a layer of low thermal conductivity provided, through which the heat exchange between the inner tube and the annular space between Inner tube and freezer tube is significantly reduced. Advantageously, through this measure, for example, the heat flow of liquid nitrogen through the inner tube flows to the freezer tube bottom, on gaseous nitrogen in the annulus flows back, largely suppressed, that is, a recooling of the gaseous Nitrogen or a supply of heat to the liquid nitrogen is specifically avoided.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung wirkt sich in mehrfacher Hinsicht positiv aus: Da das gekühlte Fluid stets mit einer konstant tiefen Temperatur in den zu gefrierenden Boden gebracht auf dem Transport im wesentlichen also nicht erwärmt wird, verringert sich die Gefrierzeit. Allein aus diesem Grund sinkt auch der Verbrauch an gekühltem Fluid und damit der Energiebedarf, der für die Kühlung des Fluids aufzuwenden ist. Eine weitere Reduzierung des Energieverbrauchs ist darauf zurückzuführen, daß die erfindungsgemäße Vorrichtung eine Abkühlung, insbesondere eine Vereisung, nur der Bodenbereiche ermöglicht, deren Kühlung tatsächlich beabsichtigt ist. Eine gezielte, d.h. auf einen begrenzten Raum eingeschränkte Abkühlung ist auch deshalb möglich, weil die erfindungsgemäße Vorrichtung vorteilhafterweise eine gezielte Regelung ermöglicht. Bei einer Fluidzufuhr durch das Innenrohr kann beispielsweise ein Temperaturmeßfühler innerhalb des Gefrierrohres an einer frei wählbaren Stelle positioniert werden. Anhand der Temperaturmeßwerte wird dann die Zugabe des Kühlfluids so gesteuert, daß das Fluid an der Stelle ;des Temperaturmeßfühlers stets eine konstante Temperatur besitzt. Dies bedeutet, daß sich das Fluid auf eine immer um eine konstante Temperaturdifferenz erwärmt, die Kühlkapazität des Fluids folglich mit einem stets konstanten Grad genutzt und die Kühlwirkung auf eine bestimmte Gefrierrohrlänge eingeschränkt wird. Diese Regelung ermöglicht eine gezielte Abkühlung, ohne daß Verluste in anderen Bereichen entstehen. Schließlich ist keine Außenrohrisolation erforderlich, so daß der Bohrdurchmesser entsprechend kleiner gewählt werden kann.A device according to the invention acts in several ways positive: Since the cooled fluid is always at a constant low temperature in the ground to be frozen is essentially not brought on the transport the freezing time is reduced. For this reason alone it also sinks the consumption of cooled fluid and thus the energy requirement for cooling of the fluid is to be expended. Another reduction in energy consumption is on it attributed that the device according to the invention a cooling, in particular an icing only allows the floor areas that are actually intended to be cooled is. A targeted, i.e. limited to a limited space, cooling is also possible because the device according to the invention advantageously a allows targeted regulation. With a fluid supply through the inner tube, for example a temperature sensor inside the freezer tube at a freely selectable location be positioned. The addition of the cooling fluid is then determined on the basis of the measured temperature values controlled so that the fluid at the point of the temperature sensor is always a constant temperature owns. This means that the fluid is always on heated by a constant temperature difference, the cooling capacity of the fluid consequently used with an always constant degree and the cooling effect on a certain freezer tube length is restricted. This control enables targeted cooling without Losses occur in other areas. After all, there is no outer pipe insulation required so that the drilling diameter can be selected correspondingly smaller.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Erfindungsgedankens besteht das Innenrohr selbst aus einem wärmedämmenden Material.In an advantageous embodiment of the inventive concept there is the inner tube itself made of a heat insulating material.
Ein derartiges Innenrohr ist fertigungstechnisch leicht herzustellen. Es ist möglich, in bisher verwendeten Gefrierrohren die Innenrohre mit geringer Wärmedämmung gegen derartige erfindungsgemäße Innenrohre ohne großen Aufwand auszutauschen.Such an inner tube is easy to manufacture in terms of manufacturing technology. It is possible to reduce the inner tubes in previously used freezer tubes Exchanging thermal insulation against such inner pipes according to the invention without great effort.
Als wärmedämmendes Material kommt z.B. geschlossenporiges Material, vor allem Kunststoffisolationsmaterial in Frage, das bei den Temperaturen des gekühlten Fluids noch eine relativ hohe Festigkeit besitzt.A closed-cell material, for example, is used as a heat-insulating material, especially plastic insulation material in question, which at the temperatures of the cooled Fluids still has a relatively high strength.
In einer anderen Ausgestaltung des Erfindungsgedankens wird auf der Außenseite des Innenrohres mit Vorteil eine wärmedämmende Schicht aufgebracht. In dieser Variante können auch die bisher eingesetzten Innenrohre nachträglich umgerüstet werden.In another embodiment of the inventive concept, on the A heat-insulating layer is advantageously applied to the outside of the inner tube. In With this variant, the previously used inner tubes can also be retrofitted will.
Nach einem weiteren Merkmal des Erfindungsgedankens wird eine besonders effektive Wärmedämmung erzielt, wenn das Innenrohr ein vakuumisoliertes Rohr ist. Besonders wirtschaftlich ist diese Variante bei der Verwendung von vakuumisolierten Rohrabschnitten, die nach dem Baukastensystem zu einem Innenrohr der gewünschten Länge zusammengefügt werden.According to a further feature of the inventive concept, one becomes special effective thermal insulation is achieved when the inner pipe is a vacuum-insulated pipe. This variant is particularly economical when using vacuum-insulated ones Pipe sections which, according to the modular system, form an inner pipe of the desired Length can be joined together.
Im folgenden soll anhand schematischer Skizzen ein Ausfüh- rungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung erläutert werden.In the following, using schematic sketches, an execution example a device according to the invention are explained.
Es zeigen: Figur 1 ein erfindungsgemäßes Gefriersystem Figur 2 ein herkömmliches Gefriersystem.There are shown: FIG. 1 a freezing system according to the invention; FIG. 2 a conventional freezing system.
Im Ausführungsbeispiel soll das Vereisen eines Bodens mit flüssigem Stickstoff beschrieben werden. In einem konventionellen Gefriersystem gemäß Figur 2 sind in den zu frierenden Boden mehrere Bohrlöcher gebohrt und in diese Gefrierrohre 2 eingeführt worden. Sowohl in Figur 1 als auch in Figur 2 ist jeweils nur ein Gefriersystem schematisch dargestellt. In den Innenraum des an seiner Sohle geschlossenen Gefrierrohres 2 mündet ein Innenrohr 3 etwas oberhalb der Gefrierrohrsohle in das Gefrierrohr. In dieser Variante soll flüssiger Stickstoff durch das Innenrohr (das sogenannte Fallrohr) zur Bohrlochsohle geleitet werden.In the exemplary embodiment, the icing of a floor with liquid Nitrogen can be described. In a conventional freezing system according to FIG 2 several boreholes are drilled in the ground to be frozen and in these freezing pipes 2 has been introduced. Both in FIG. 1 and in FIG. 2 there is only one freezing system in each case shown schematically. In the interior of the freezer tube closed at its bottom 2, an inner tube 3 opens into the freezing tube a little above the bottom of the freezing tube. In this variant, liquid nitrogen should pass through the inner tube (the so-called Downpipe) to the bottom of the borehole.
Dazu wird der flüssige Stickstoff aus einem Tankfahrzeug oder einem stationären Tank sowie über einen nicht dargestellten Gefrierkopf in das Innenrohr geleitet. Ist die Temperatur des Innenrohres wenigstens auf die Temperatur des Siedepunktes von Stickstoff (bei Umgebungsdruck) gesunken, gelangt flüssiger Stickstoff in den Bereich der Bohrlochsohleund entzieht dort dem Erdreich Wärme, wobei der Stickstoff teilweise oder vollständig verdampft. Im weiteren Verlauf strömt der gasförmige Stickstoff durch den Ringraum zwischen Innenronr 3 und Gefrierrohr 2 empor, nimmt im Wärmetausch mit dem das Gefrierrohr umgebenden Erdreich weitere Wärme auf und verläßt das Gefrierrohr durch einen Abgasstutzen 4. Zwischen dem flüssigen Stickstoff am Eintritt in das Innenrohr und am Austritt aus dem Gefrierrohr kann auf diese Weise eine beträchtliche Temperaturdifferenz bestehen, die zu einem Wärmeaustausch,d.h.To do this, the liquid nitrogen is taken from a tanker or a stationary tank and a freezer head (not shown) in the inner tube directed. The temperature of the inner tube is at least equal to the temperature of the boiling point decreased by nitrogen (at ambient pressure), liquid nitrogen enters the Area of the borehole bottom and extracts heat from the ground there, with the nitrogen partially or completely evaporated. In the further course the gaseous flows Nitrogen up through the annulus between Innenronr 3 and freezing tube 2, takes in the heat exchange with the soil surrounding the freezer pipe, further heat on and leaves the freezer tube through an exhaust port 4. Between the liquid nitrogen at the entry into the inner tube and at the exit from the freezer tube can be used on this There is a considerable temperature difference leading to heat exchange, i.e.
zu einer Wärmzufuhr zum flüssigen Stickstoff im Innenrohr bzw. zu einer Abkühlung des gasförmigen Stickstoffs im Ringraum führt. In diesem Fall wird auch das im Bereich des Gefrierkopfes liegende Erdreich gefroren. Damit verbunden sind die weiter oben beschriebenen Nachteile. Um wenigstens eine gezielte örtliche Vereisung zu erreichen, wird das Gefrierrohr herkömmlicherweise im nicht zu vereisenden Bereich isoliert. Eine Isolierung 5 erfordert aber wenigstens für deren Länge einen größeren Bohrdurchmesser.to a heat supply to the liquid nitrogen in the inner tube or to leads to a cooling of the gaseous nitrogen in the annulus. In this case it will the soil in the area of the freezer head was also frozen. Associated with it are the disadvantages described above. To at least a targeted local To achieve icing, the freezer tube is conventionally not to be iced up Area isolated. An insulation 5, however, requires at least one for its length larger drilling diameter.
In Figur 1 sind gleiche Teile mit gleichen Bezugsziffern versehen. Der wesentliche Unterschied zu dem System gemäß Figur 2 besteht darin, daß das Innenrohr 3 erfindungsgemäß mit einer wärmedämmenden Schicht 6 ausgerüstet ist. Im Ausführungsbeispiel ist das Innenrohr, das herkömmlicherweise aus Kupfer bestand, auf seiner Außenseite mit einer wärmedämmenden Schicht, z.B. aus Polyvinylidenchlorid-Schaum, bezogen.In Figure 1, the same parts are provided with the same reference numerals. The main difference to the system according to Figure 2 is that the inner tube 3 is equipped according to the invention with a heat-insulating layer 6. In the exemplary embodiment is the inner tube, which was traditionally made of copper, on its outside covered with a heat-insulating layer, e.g. made of polyvinylidene chloride foam.
In gleicher Weise kann aber auch ein ausschließlich'aus wärmedämmendem Material bestehendes Innenrohr Anwendung finden.In the same way, however, an exclusively heat-insulating Material existing inner pipe find application.
Erfindungsgemäß wird durch die Wärmedämmung ein Temperaturausgleich zwischen flüssigem Stickstoff und gasförmigem Stickstoff weitgehend vermieden. Mit Vorteil kann bei einer erfindungsgemäßen Vorrichtung eine Regeleinrichtung eingesetzt werden, die dazu beiträgt, den Energieverbrauch zu senken und eine gezielte Vereisung eines begrenzten Bodenbereichs zu ermöglichen.According to the invention, temperature compensation is achieved through the thermal insulation largely avoided between liquid nitrogen and gaseous nitrogen. With A control device can advantageously be used in a device according to the invention that helps to reduce energy consumption and targeted icing a limited floor area.
Die Regeleinrichtung 8 ist außerhalb des Gefriersystems angeordnet. Lediglich ein Temperaturmeßfühler 7, z.B. ein Widerstandsthermometer oder ein Thermoelement, befindet sich innerhalb des Gefrierrohres. Ober die Regeleinrichtung 8 wird nun die Menge des pro Zeiteinheit zugeführten Stickstoffs so geregelt, daß die Temperatur des im indirekten Wärmetausch mit Erdreich erwärmten Stickstoffs im Bereich des Temperaturmeßfühlers im wesentlichen konstant ist. Auf diese Weise wird sichergestellt, daß einerseits die Kuhlkapazität des flüssigen Stickstoffs stets bis zu einem frei wählbaren, konstanten Grad ausgenutzt wird und das Erdreich im wesentlichen nur in einem eng begrenzten Bereich entlang des Gefrierrohres zum Frieren gebracht wird.The control device 8 is arranged outside the freezing system. Only a temperature sensor 7, e.g. a resistance thermometer or a thermocouple, is located inside the freezer tube. About the control device 8 is now the amount of nitrogen supplied per unit of time is regulated so that the temperature of the nitrogen heated in indirect heat exchange with the ground in the area of the Temperature sensor is essentially constant. To this way it is ensured that on the one hand the cooling capacity of the liquid nitrogen is always used up to a freely selectable, constant degree and the soil essentially only in a narrowly limited area along the freezer tube for Freezing is brought.
Mit Vorteil wird am Gefrierkopf des Gefriersystems eine Referenzmessung der Abgastemperatur durchgeführt Die Kenntnis dieser Temperatur ermöglicht die Regelung der Stickstoffzufuhr zu den übrigen Gefriersystemen anhand der Temperatur des diese verlassenden Stickstoffs, ohne daß in diesen Gefriersystemen weitere Temperaturmeßfühler innerhalb des Gefrierrohres einzubauen sind.A reference measurement is advantageously made on the freezing head of the freezing system the exhaust gas temperature. Knowledge of this temperature enables control the nitrogen supply to the other freezing systems based on the temperature of these leaving nitrogen without the need for further temperature sensors in these freezing systems are to be installed inside the freezer pipe.
Zusammenfassend kann festgestellt werden, daß die erfindungsgemäße Vorrichtung nicht nur die Möglichkeit einer besseren Regelung als in konventionellen Gefriersystemen bietet, sondern auch eine effektivere Nutzung der Kühlkapazität des Kühlfluids gestattet.In summary, it can be stated that the inventive Device not only the possibility of better regulation than in conventional Freezing systems, it also provides more effective use of the cooling capacity of the cooling fluid allowed.
Claims (4)
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| DE3112291A1 true DE3112291A1 (en) | 1982-10-07 |
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