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Gefrierverfahren und Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens Die
Erfindung betrifft ein Gefrierverfahren und eine zur Durchführung desselben geeignete
Einrichtung von Gefrierrohren. Gefrierverfahren werden bekanntlich vielfach angewandt,
wenn es sich um das Herstellen von Bohrlöchern, das Abteufen von Ber-bauschächten
sowie um Gründungen und sonstigeTiefbauarbeiten in wasserführenden Untergrundschichten
handelt, die durch Eisbildung verfestigt bzw. abgedichtet werden sollen. Dabei wird
als Kälteträger vorzugsweise ein normalerweise gasförmiger Stoff, wie z. B. Kohlensäure,
benutzt, dessen Siedepunkt bei normalem Druck (i ata) wesentlich unterhalb des Gefrierpunktes
von Wasser liegt und der unter Druck bei entsprechend höheren Temperaturen verflüssigt
oder verfestigt wird. In flüssigem bzw. festem Zustand als Schnee wird er in an
den betreffenden Stellen niedergebrachte Rohre hineingeleitet. Dort läßt man den
Kälteträger durch entsprechende Druckregelung sich entspannen und verdampfen. Dadurch
entsteht ein Temperaturgefälle zwischen dem Siedepunkt des verflüssigten und entspannten
Gases und den umgebenden Erd- oder Gesteinsschichten. Die erforderliche Verdampfungswärme
wird der Umgebung entzogen, wodurch deren Gefrieren bewirkt wird.
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achdeni das zur Kälteerzeugung und -übertragUng benutzte -Mittel im
Gegenstrom wieder aufwärts aus dem Gefrierrohr herausgeleitet worden ist, wird es
in einer geeigneten Anlage durch Verdichtung und Wärmeentzug wieder auf die Ausgangstemperatur
und den Ausgangsdruck gebracht, um dann erneut im gleichen Kreislauf verwendet ztt
werden.
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Bei den bisher bekanntgewordenen Gefrierverfahren dieser Art bildet
sich im Rückführungsquerschnitt des Gefrierrohres eine Flüssigkeitssäule,
deren
unterer Teil unter einem durch den darüberliegenden Teil derselben verursachten
statischen Druck steht. Infolge dieses Druckes wird einerseits die Verdampfungstemperatur
der Kälteflüssigkeit entsprechend heraufgesetzt, andererseits werden der Temperaturunterschied
und damit der Wärmeübergang zwischen den umgebenden Schichten und der verdampfenden
Flüssigkeit herabgesetzt. Bei sehr großer Teufe können die Flüssigkeitssäule und
der betreffende Druck sogar so hoch werden, daß die Verdampfung des Kältemittels
ganz aufhört.
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Außerdem wird der Wärmeübergang von dem Gefrierrohr an den Kälteträger
bisher auch dadurch beeinträchtigt, daß der letztere auf dem trotz der Flüssigkeitssäule
immerhin noch längsten Teil des Gefrierrohres im dampfförmigen Zustand an der Rohrinnenwand
aufsteigt und das Wärmeaufnahmevermögen des Dampfes vergleichsweise gering ist.
-Wenn die Rohre mit dem Schnee eines verflüssigten Gases angefüllt werden, so erhält
man dadurch, daß der Schnee sich teilweise an der Rohrwand absetzt, schon einen
besseren Wärmeübergangsfaktor. Doch läßt auch in diesem Falle der Druck einer sich
evtl. ansammelnden Schneesäule, insbesondere bei großen Teufen, die Verdampfungstemperatur
verhältnismäßig hoch werden, so daß das Temperaturgefälle und der Wärmeübergang
im Verdampfungszustand wieder entsprechend -gering sind. Außerdem kommt es vor,
daß der sich im unteren Teil des Gefrierrohres entwickelnde Dampf einen Schneestopfen
vor sich hertreibt und diesen schließlich sogar aus dem Rohr herausstößt.
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Demgegenüber wird mit der vorliegenden Erfindung bezweckt, ein derartiges
Gefrierverfahren dahingehend zu verbessern, daß durch einen geringeren, von der
Gesamtlänge der Gefrierrohre unabhängigen Druck und eine dementsprechend niedrigere
Verdampfungstemperatur sowie durch einen mit Sicherheit eintretenden schnelleren
Verdampfttngsvorgang der Kälteflüssigkeit und ferner durch eine möglichst vollständige
Benetzung der Rohrinnenwand mit derselben eine intensivere Kältewirkung auf die
zur Erstarrung zu bringenden Schichten erreicht wird.
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Zu diesem Zweck wird gemäß der Erfindung die Kälteflüssigkeit in einer
im Vergleich zum Durchmesser des Gefrierrohres dünnen, gegebenenfalls aus mehreren
übereinanderliegenden Abschnitten bestehenden Schicht an der Innenwand desselben
verteilt. Dadurch wird einerseits mit einer möglichst geringen Flüssigkeitsmenge
nahezu die ganze Wandfläche zur wirksamen Kälteübertragung ausgenutzt und andererseits
die Bildung einer größeren, geschlossenen Flüssigkeitssäule verhindert, deren statischer
Druck sich auf den Effekt der Verdampfung und damit der Kälteübertragung ungünstig
auswirken würde.
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Zur Durchführung des neuen Gefrierverfahrens kann man die Kälteflüssigkeit
entweder von oben her an der Innenwand des Gefrierrohres hinabfließen lassen; wobei
die einzelnen Abschnitte der zu bildenden Schicht durch übereinanderliegende Ringkammern
von geeigneter Breite und Höhe gebildet werden, die sich nacheinander durch Überlaufen
der Flüssigkeit in die jeweils nächstuntere Kammer füllen. Statt dessen kann die
Kälteflüssigkeit auch im ganzen Bereich des Gefrierrohres oder einem Teil desselben
als dünner Film auf die Innenwand des Gefrierrohres aufgespritzt werden.
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Ein weiteres Merkmal der Erfindung besteht darin, daß der am unteren
Ende des Gefrierrohres befindliche Sumpf mit einer Signaleinrichtung versehen ist,
mittels welcher der jeweilige Betriebszustand, d. h. die Höhe des Flüssigkeitsstandes
im Sumpf, an der in Betracht kommenden Stelle, wie z. B. an dem Steuerstand der
ganzen Anlage, erkannt werden kann. Da der Flüssigkeitsspiegel im Sumpf einerseits
nicht zu niedrig, andererseits aber auch nicht zu hoch sein soll, lassen sich als
Signaleinrichtung zweckmäßig zwei in entsprechend verschiedener Höhe angeordnete,
auf verschiedene Töne abgestimmte Rohrpfeifen verwenden.
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Statt durch eine solche akustische Signaleinrichtung läßt sich die
im vorliegenden Zusammenhang erforderliche Anzeige, daß die Kälteflüssigkeit über
die ganze Länge des Gefrierrohres verteilt ist und in einer das Durchfrieren der
Bodenschichten gewährleistenden Höhe im Sumpf steht, auch in anderer geeigneter
Weise, etwa durch elektrische Kontaktsteuerung, übermitteln.
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Weitere Einzelheiten der Erfindung und die mit dem neuen Gefrierverfahren
erreichten Vorteile ergeben sich aus der nachstehenden Beschreibung einer in der
Zeichnung dargestellten, beispielsweise zur Durchführung des betreffenden Verfahrens
dienenden Gefrierrohreinrichtung.
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Das im Längsschnitt mit zwei quer verlaufenden Unterbrechungen abschnittweise
dargestellte Gefrierrohr besteht in an sich bekannter Art aus einer nach der erforderlichen
Gesamtlänge sich richtenden Anzahl von Rohrabschnitten i geeigneter Länge,. die
durch auf ihre mit Außengewinde versehenen Enden aufgeschraubte Gewindemuffen 2
zusammengehalten werden. Das Rohr ist am unteren Ende durch einen Boden 3 verschlossen
und durch Zwischenböden 4 an den Verbindungsstellen der einzelnen Rohrabschnitte
in ebenso viele zylindrische Räume unterteilt.
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In diesen Räumen befinden sich konzentrisch zum Gefrierrohr gleichfalls
rohrförmige Bleche 5, 5' von etwas kleinerem Durchmesser, die mit den betreffenden
Abschnitten des Gefrierrohres schmale Ringkammern 6, 6' bilden. Die Ringkammern
sind nach unten durch einen Zwischenboden 4 bzw. den Boden 3 begrenzt und erweitern
sich am oberen Ende in verhältnismäßig geringem Abstand von dem darüberliegenden
Zwischenboden entsprechend dein Verlauf der hier kegelstumpfförmig eingezogenen
Bleche 5, 5' nach innen. Unmittelbar vor dieser Erweiterung ist an jede Ringkammer
6 mit Ausnahme der untersten Ringkammer 6' ein Überlaufrohr 7 angeschlossen, das
durch einen Zwischenboden zu der nächstunteren Ringkammer führt. Das Zulaufrohr
7' für die oberste Ringkammer 6 ist eintritt,-seitig in der Gefrierrohrachse geführt.
Im
oberen Teil des Gefrierrohres ist, ebenfalls gleichachsig zu ihm, ein Rohr 8 angeordnet,
das an seinem unteren Ende geschlossen und in seiner Wand finit über den Umfang
und die Länge verteilten kleinen Bohrungen 9 versehen ist. Hier befinden sich außerdem
an der Innenwand des Gefrierrohres schraubenförmig verlaufende Leitelemente io.
Einem entsprechenden Zweck dienende Bleche i i sind in der untersten Ringkammer
6' an dem diese nach innen begrenzenden Rohr 5' befestigt, das zu-(lern mit kleinen
Bohrungen 1z nach Art der Bohrungen 9 versehen ist.
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Die sonstige Einrichtung des Gefrierrohres besteht aus zwei dünnen
Rohrpfeifen 13, 14, die durch den untersten "Zwischenboden hindurchgeführt
sind und deren am unteren Ende liegende :Mundstücke sich in verschiedener Höhe befinden.
Die beiden Pfeifen sind auf verschiedene Töne abgestimmt. In jeden der anderen Zwischenböden
ist außer dem Über- bzw. Zulaufrohr noch ein kurzer, an beiden Enden offener Rohrstutzen
15 eingesetzt.
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Mit einer Anlage, deren Gefrierrohre in der vorbeschriebenen `'eise
eingerichtet sind, wird das Gefrierverfahren gemäß der Erfindung wie folgt durchgeführt:
Die von oben durch das Rohr 8 zugeführte Kälteflüssigkeit wird durch die kleinen
Bohrungen 9 dieses Rohres an die gegenüberliegenden Teile der Innenwand des Gefrierrohres
i verspritzt. Dort bildet die Flüssigkeit einen dünnen Film, der sich mit Hilfe
der Leitbleche io über den ganzen Umfang der Gefrierrohrwand ausbreitet. Infolge
der starken Kälteabgabe an die das Gefrierrohr umgebenden Schichten verdampft der
Flüssigkeitsfilm zu einem großen Teil. Bei dem durch die große freie Oberfläche
der betreffenden Flüssigkeitsschicht besonders geförderten Verdampfungsvorgang werden
im Kälteträger zusätzliche Wärmemengen aus der Umgebung gebunden.
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Die hier noch nicht verdampfte Flüssigkeit sammelt sich über dem obersten
Zwischenboden .4 und wird durch (las Zulaufrohr 7' in die oberste Ringkammer 6 geleitet.
Sobald diese bis zur Höhe des Überlaufrohres 7 gefüllt ist, gelangt die Kälteflüssigkeit
durch das letztere in die nächstuntere Ringkatrimer. Der gleiche Vorgang wiederholt
sich dann entsprechend der Zahl der in dem betreffenden Gefrierroltr übereinander
angeordneten Ringkammern, bis zuletzt auch die unterste Ringkammer gefüllt ist und
die Flüssigkeit von hier aus durch die Bobrungen 1a in den Sumpf des Gefrierrohres
zwischen seinem Boden 3 und dem untersten Zwischenboden :4 übertritt.
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Auf solche Weise wird der größte Teil der Wandfläche des Gefrierrohres
mit der Flüssigkeit benetzt und dadurch eine sehr wirksame Kälteübertragung erreicht.
In dieser Hinsicht ist es besonders vorteilhaft, daß die Flüssigkeit infolge der
im Vergleich zur Gesamtlänge des Gefrierrohres geringen Höhe der einzelnen R ingkammerschichten
und des starken Einflusses der Adhäsion sowohl in diesen Schichten als auch erst
recht im Bereich des noch dünneren Films seihst bei sehr großer Teufe unter einem
verhältnismäßig geringen statischen Druck steht. Dadurch kann die Verdampfungstemperatur
niedrig gehalten werden.
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Dazu kommt noch, daß im Gegensatz zu einer über die ganze Gefrierrohrlänge
durchgehenden Flüssigkeitssäule nicht nur ein Flüssigkeitsspiegel vorhanden ist,
sondern jede Schicht ihren eigenen Spiegel hat und somit der Verdampfungsvorgang
infolge der wesentlich größeren freien Gesamtoberfläche entsprechend schneller vonstatten
geht. Der in den Ringkammern aus der Kälteflüssigkeit sich bildende Dampf wird durch
die Rohrstutzen 15 in den jeweils nächstoberen Raum des Gefrierrohres abgeleitet
und dann am oberen Ende desselben in an sich bekannter Weise aufgefangen, damit
das Kältemittel nach Rückkühlung und Rückführung in den flüssigen Zustand seinen
Kreislauf durch das Gefrierrohr von neuem beginnen kann.
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Es kann nun einerseits vorkommen, daß infolge der bereits im oberen
Bereich des Gefrierrohres eintretenden Verdampfung die noch flüssige Kältemittelmenge
zu klein wird und nicht mehr zum Überlauf bis in die unterste Ringkammer und den
Sumpf ausreicht. Andererseits ist es unerwünscht und unwirtschaftlich, dem Gefrierrohr
mehr Kälteflüssigkeit zuzuführen, als zur ordnungsgemäßen Durchführung des Verfahrens
gerade erforderlich ist. Dieser Zustand wäre im vorliegenden Zusammenhang dann gegeben,
wenn die Kälteflüssigkeit im Sumpf über eine bestimmte Höhe ansteigt.
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Da sich bei einem derartigen Gefrierverfahren der jeweilige Betriebszustand
nicht ohne weiteres von oben her erkennen lädt, sind beispielsweise die beiden Pfeifen
13, 14 als Signaleinrichtung vorgesehen. Solange sich im Sumpf des Gefrierrohres
noch keine Flüssigkeit befindet und demnach auch kein aufsteigender Dampf sich entwickelt,
sind beide Pfeifen stumm. Wenn sich ein Flüssigkeitsspiegel gebildet hat und die
Dampfentwicklung beginnt, strömt der Dampf durch beide Pfeifen ab und bringt sie
zum Tönen. Steigt die Flüssigkeit weiter, bis die tiefer angeordnete Pfeife in sie
eintaucht, wird diese wieder stumm, und man hört nur noch die andere Pfeife. Beim
Überspülen auch der letzteren verstummt diese ebenfalls. Zweckmäßig werden die beiden
Pfeifen also so angeordnet, daß ihre Mundstücke sich in Höhe der unteren bzw. oberen
Grenze des erwünschten Flüssigkeitsspiegels im Sumpf befinden. Der Bereich des richtigen
Betriebszustandes wird dann durch das Tönen einer Pfeife angezeigt.
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Im Rahmen der Erfindung sind noch verschiedene andere Ausführungen
bezüglich der Schichtbildung der Kälteflüssigkeit, der Signaleinrichtung usw. möglich.