EP2757199A1 - Verfahren und Einrichtung zur Vereisung einer Erdbodenmasse - Google Patents

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EP2757199A1
EP2757199A1 EP20130001641 EP13001641A EP2757199A1 EP 2757199 A1 EP2757199 A1 EP 2757199A1 EP 20130001641 EP20130001641 EP 20130001641 EP 13001641 A EP13001641 A EP 13001641A EP 2757199 A1 EP2757199 A1 EP 2757199A1
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EP
European Patent Office
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refrigerant
fluid system
soil mass
icing
liquid nitrogen
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EP20130001641
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English (en)
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EP2757199B1 (de
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Rolf Heninger
Ralf Schmand
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Linde GmbH
Original Assignee
Linde GmbH
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    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E02—HYDRAULIC ENGINEERING; FOUNDATIONS; SOIL SHIFTING
    • E02D—FOUNDATIONS; EXCAVATIONS; EMBANKMENTS; UNDERGROUND OR UNDERWATER STRUCTURES
    • E02D3/00—Improving or preserving soil or rock, e.g. preserving permafrost soil
    • E02D3/11—Improving or preserving soil or rock, e.g. preserving permafrost soil by thermal, electrical or electro-chemical means
    • E02D3/115—Improving or preserving soil or rock, e.g. preserving permafrost soil by thermal, electrical or electro-chemical means by freezing
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E02—HYDRAULIC ENGINEERING; FOUNDATIONS; SOIL SHIFTING
    • E02D—FOUNDATIONS; EXCAVATIONS; EMBANKMENTS; UNDERGROUND OR UNDERWATER STRUCTURES
    • E02D31/00—Protective arrangements for foundations or foundation structures; Ground foundation measures for protecting the soil or the subsoil water, e.g. preventing or counteracting oil pollution

Definitions

  • the present invention relates to a method for icing an earth mass and a device for carrying out the method.
  • liquid nitrogen can also be used to cool the soil mass.
  • the disadvantage of this is the relatively high cost of non-reusable after cooling liquid nitrogen.
  • a brine flows through so-called freezer pipes, which are positioned in the soil mass, and thus withdraws heat from the ground.
  • This requires a relatively high icing performance.
  • the water content of the soil mass must be sufficiently high and, especially at lower icing performance, have a relatively low groundwater velocity.
  • the groundwater velocity may usually be a maximum of 2 meters per day; when using liquid nitrogen as a coolant, the groundwater velocity may not exceed 11 meters per day.
  • liquid nitrogen as a refrigerant lies in particular in the much faster icing of the soil.
  • ground can also be frozen by means of liquid nitrogen, which has a relatively high groundwater velocity.
  • the disadvantage is that the liquid nitrogen evaporates and thus can not be used again in a circulatory system for cooling. This also applies to soil icing in which the liquid nitrogen is brought into direct contact with the surrounding soil by means of perforated lances.
  • the present invention seeks to provide a method and a device available by means of which the icing of soils of different composition can be realized in a simple and cost-effective manner and with little time.
  • a cooling medium is cooled, by means of the cooling medium, a refrigerant is cooled and the refrigerant through heat exchange with the soil mass of this heat extracts.
  • the heat exchange is preferably an indirect heat exchange, which is realized via a vessel wall.
  • the brine is used to absorb heat from the soil mass and thereby reduce the temperature of the soil mass, so that groundwater freezes in the soil mass.
  • ethanol, butane, isobutane or propane or a fluid which essentially comprises ethanol, butane, isobutane or propane can be used as the cooling medium.
  • the brine used is preferably a saline solution.
  • an aqueous salt solution such as calcium chloride, sodium chloride and magnesium chloride comes into question.
  • carbon dioxide or ethanol in liquid or gaseous form can also be used as the refrigerant here, or media which essentially comprise such fluids can be used.
  • Synthetic refrigerants are also possible which are liquid, in particular at temperatures ⁇ -80 ° C., and are harmless with regard to groundwater hazard.
  • mixtures of water and glycol can be used as a refrigerant.
  • the inventive method is designed such that the refrigerant is introduced into a vessel in the soil mass, wherein the cold transfer from the refrigerant through the vessel wall into the soil mass. This means that a heat transfer from the soil mass into the refrigerant takes place via the vessel wall.
  • the inventive method is carried out such that the cold medium is cooled by means of the liquid nitrogen until a sufficient state of icing of the soil mass has occurred, then the cooling of the refrigerant medium is reduced or terminated by means of the liquid nitrogen and the Refrigerant is cooled by means of a cooling unit.
  • the cooling of the refrigerant by means of the cooling unit is preferably carried out via a heat exchanger.
  • the cooling of the refrigeration medium is reduced by means of liquid nitrogen until the cooling medium is completely cooled by the liquid nitrogen.
  • liquid nitrogen is used to cool the refrigerant and with sufficient icing of the soil mass cooling by means of liquid nitrogen is reduced or even stopped, with a maintenance of the state of icing of the soil mass means Cooling of the refrigerant through the heat exchanger and the connected cooling unit is realized.
  • a sufficient icing state e.g. be assumed when the earth mass to be frosted consistently has reached a temperature of below about -5 ° C, but preferably -10 ° C or colder.
  • a device for icing a soil mass which comprises a primary fluid system for receiving a refrigerant and a means connected by a first heat exchanger with the primary fluid system secondary fluid system for receiving a refrigerant, wherein the refrigerant to Heat exchange is provided with the soil mass.
  • a second heat exchanger is arranged, with the cold of liquid nitrogen on the refrigerant in the primary fluid system is transferable.
  • the respective fluid system is preferably a circulation system, namely a system of vessels for holding fluids, in particular of flowing fluids.
  • cryogenic medium is already contained in the primary fluid system and / or that a coolant is already contained in the secondary fluid system.
  • the heat exchangers used for the transmission of cold serve of course to transfer heat from the warmer medium to the respective colder medium, whereby the warmer medium heat is withdrawn and, accordingly, cold is transferred from the colder medium to the warmer medium.
  • a container is connected to the primary fluid system via the second heat exchanger, is received in the liquid nitrogen or can be received.
  • This container can also be Be line system, which is optionally connected to a memory for receiving the liquid nitrogen.
  • the device according to the invention can be designed such that a cooling unit for cooling the coolant in the secondary fluid system is connected to the secondary fluid system via a third heat exchanger.
  • the refrigerant can be cooled in the secondary fluid system, when no longer the high cooling capacity of the liquid nitrogen and thus thermally coupled refrigerant in the primary fluid system is required, such as while maintaining a sufficient state of icing.
  • the liquid nitrogen first serves to cool a cooling medium and this cooling medium in turn serves to cool the coolant and preferably a fluid such as propane is used as the cooling medium, which only reaches a minimum temperature of minus 80 ° C., the danger becomes the freezing of the heat exchanger between the primary fluid system and the secondary fluid system drastically minimized.
  • the device according to the invention has suitable control and / or regulating devices.
  • the device according to the invention for freezing a soil mass comprises at least one vessel for introduction into the earth mass and the Flow through the brine.
  • the flow through the brine is carried out in such a way that the brine volume flow is passed back into the secondary circuit after at least partial flow through the vessel.
  • partial flow is meant in this context that the vessel is either timed flows through the refrigerant, only a partial flow flows through the vessel and / or the vessel is only partially traversed.
  • the vessel in the soil mass of the indirect heat transfer from the soil mass to the volume flow of the refrigerant is used.
  • Liquid medium in the primary fluid system is liquid ethanol, butane, isobutane or propane.
  • the refrigerant in the secondary fluid system is preferably an aqueous salt solution such as calcium chloride, sodium chloride or magnesium chloride.
  • carbon dioxide or ethanol in liquid or gaseous form may be present as a refrigerant in the secondary fluid system, as well as synthetic refrigerants and water-glycol mixtures,
  • the liquid nitrogen is usually stored in storage tanks at low pressure and temperatures around -190 ° C in the vicinity of the ground mass to be frozen. With the liquid nitrogen, the cold medium is cooled to temperatures not significantly below the melting point of the refrigerant used to minimize the risk of freezing of the refrigerant. If an aqueous salt solution is used as the refrigerant, which can usually still be conveyed to -40 ° C., the cooling medium is cooled to -60 ° C., for example. Synthetic brine can be used today to -85 ° C, according to the cooling medium can be cooled to below -100 ° C. Of course, limits are set for this, which result from the choice of the refrigeration medium.
  • the refrigerant is cooled directly via the liquid nitrogen. Accordingly, a method for freezing an earth mass is provided in which by means of liquid nitrogen directly a refrigerant is cooled and the refrigerant through heat exchange with the soil mass of this heat extracts.
  • the device according to the invention for freezing a soil mass comprises a primary fluid system (10) and a secondary fluid system (20) whose volume flows are thermally coupled by means of a first heat exchanger (30). That is, heat of a refrigerant (22) in the secondary fluid system (20) is transferable to a refrigerant medium (12) in the primary fluid system (10) via the first heat exchanger (30). As a result, cold is transferred from the cold medium (12) via the first heat exchanger (30) to the coolant (22).
  • the cooling medium (12) in the primary fluid system (10) is cooled by means of a second heat exchanger (40), which is acted upon by liquid nitrogen (61).
  • the liquid nitrogen (61) is preferably stored in a container (60), which is fluidically connected to the second heat exchanger (40).
  • the present invention is not limited to the arrangement of such a container (60) or memory, but it may instead be provided that the second heat exchanger (40) is connected to a supply line, the second heat exchanger (40) with liquid Nitrogen (61) supplied.
  • the second heat exchanger heat is transferred from the cold medium (12) to the liquid nitrogen (61), so that cold is transferred from the liquid nitrogen (61) to the cold medium (12).
  • a first pump (11) the refrigerant medium (12) in the primary fluid system (10) is kept in circulation, so that it can flow through the first heat exchanger (30).
  • the use of the cooling medium (12) in the primary fluid system (10) prevents the first heat exchanger (30) from being exposed to the extremely low cooling of the liquid nitrogen (61). This reduces the risk that the fluid in the first heat exchanger (30) or the refrigerant (22) in the secondary fluid system (20) solidifies.
  • a second pump (21) in the secondary fluid system (20) of the refrigerant (22) is kept in circulation.
  • the brine (22) is passed in a strand (23) of the secondary fluid system (20) into a vessel (50) which is inserted in the earth mass (100) to be frosted.
  • Heat is transferred from the soil mass (100) via a vessel wall (51) of the vessel (50) to the refrigerant (22) in the strand (23) of the secondary fluid system (20), thereby cooling the soil mass (100) such that that pore water in the earth mass (100) solidifies and the earth mass (100) ices up.
  • a simplified embodiment of the invention assumes that the coolant (22) is cooled directly via the liquid nitrogen (60).
  • the primary circuit (10) is dispensed with and the heat exchanger (40) is integrated directly into the secondary circuit (20).

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Vereisung einer Erdbodenmasse sowie eine Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens. Bei der erfindungsgemäßen Vereisung einer Erdbodenmasse (100) wird mittels flüssigen Stickstoffs (61) ein Kältemedium (12) gekühlt und mittels des Kältemediums (12) ein Kälteträger (22) gekühlt, wobei der Kälteträger (22) über Wärmeaustausch mit der Erdbodenmasse (100) dieser Wärme entzieht. Zu diesem Zweck ist ein Primär-Fluidsystem (10) zur Aufnahme eines Kältemediums (12) und ein mittels eines ersten Wärmeübertragers (30) mit dem Primär-Fluidsystem (10) verbundenes Sekundär-Fluidsystem (20) zur Aufnahme eines Kälteträgers (22) vorgesehen, der zum Wärmeaustausch mit der Erdbodenmasse (100) eingerichtet ist. Im Primär-Fluidsystem (10) ist ein zweiter Wärmeübertrager (40) angeordnet, mit dem Kälte von flüssigem Stickstoff (61) auf das Kältemedium (12) im Primär-Fluidsystem (10) übertragbar ist.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Vereisung einer Erdbodenmasse sowie eine Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
  • Für spezielle Bauvorhaben ist es notwendig, Erdboden durch künstliches Gefrieren des Bodenwassers zu verfestigen und/oder wasserundurchlässig zu machen. Eine ähnliche Zielstellung gibt es bei Erdbohrungen, um das Bohrgebiet zu verfestigen und/oder um die sichere Aufstellung von Anlagen zu gewährleisten.
  • Es ist dabei bekannt, Bodenvereisung mit indirekter Kühlung zu realisieren, wobei die Erdbodenmasse mit Sole gekühlt wird, die wiederum mittels einer Kältemaschine und eines entsprechenden Kältemittels, wie zum Beispiel Ammoniak, gekühlt wird. Dabei kann Ammoniak in einen primären Kühlkreislauf geführt werden und die Sole, wie zum Beispiel eine Kalziumchlorid-Lösung, in einen sekundären Kreislauf geführt werden.
  • In alternativer Ausgestaltung kann statt einer Salzlösung auch flüssiger Stickstoff zur Kühlung der Erdbodenmasse genutzt werden. Nachteilig daran sind die relativ hohen Kosten des nach der Kühlung nicht wiederverwertbaren flüssigen Stickstoffs.
  • Bei der Gefrierung von Böden strömt ein Kälteträger durch so genannte Gefrierrohre, die in der Erdbodenmasse positioniert sind, und entzieht so dem Boden Wärme. Dazu bedarf es einer relativ hohen Vereisungsleistung. Außerdem muss der Wassergehalt der Erdbodenmasse ausreichend hoch sein und, insbesondere bei geringerer Vereisungsleistung, eine relativ geringe Grundwassergeschwindigkeit aufweisen. Bei Vereisung mittels Sole darf die Grundwassergeschwindigkeit üblicherweise maximal 2 Meter pro Tag betragen, bei Einsatz flüssigen Stickstoffs als Kälteträger darf die Grundwassergeschwindigkeit maximal 11 Meter pro Tag betragen.
  • Der Vorteil der Nutzung von Sole gegenüber flüssigem Stickstoff als Kälteträger liegt insbesondere in den geringeren Unterhaltskosten. Nachteilig ist jedoch eine lange Vorlaufzeit, die benötigt wird, um ein ausreichend gefrorenes Volumen der Erdbodenmasse zu erzeugen, sowie die kontinuierliche Energiezufuhr.
  • Der Vorteil von flüssigem Stickstoff als Kälteträger liegt insbesondere in der wesentlich schnelleren Vereisung des Bodens. Außerdem kann mittels flüssigen Stickstoffs auch Boden gefroren werden, der eine relativ hohe Grundwassergeschwindigkeit aufweist. Nachteilig ist jedoch, dass der flüssige Stickstoff verdampft und somit nicht in einem Kreislaufsystem wieder zur Kühlung genutzt werden kann. Dies betrifft ebenfalls eine Bodenvereisung, bei der der flüssige Stickstoff mittels perforierter Lanzen in direkten Kontakt mit dem umgebenden Boden gebracht wird.
  • Hiervon ausgehend liegt daher der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren sowie eine Einrichtung zur Verfügung zu stellen, mittels denen in einfacher und kostengünstiger Weise sowie mit geringem Zeitaufwand die Vereisung von Böden unterschiedlicher Zusammensetzung realisierbar ist.
  • Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Vereisung einer Erdbodenmasse mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch eine Einrichtung zur Vereisung einer Erdbodenmasse mit den Merkmalen des Anspruchs 6 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den Unteransprüchen 2 bis 5 angegeben. Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Einrichtung sind in den Unteransprüchen 7 bis 11 angegeben.
  • Danach ist vorgesehen, dass beim Verfahren zur Vereisung einer Erdbodenmasse mittels flüssigen Stickstoffs ein Kältemedium gekühlt wird, mittels des Kältemediums ein Kälteträger gekühlt wird und der Kälteträger über Wärmeaustausch mit der Erdbodenmasse dieser Wärme entzieht. Der Wärmeaustausch ist vorzugsweise ein indirekter Wärmaustausch, der über eine Gefäßwand realisiert wird. Der Kälteträger wird dabei genutzt, um Wärme der Erdbodenmasse aufzunehmen und dabei die Temperatur der Erdbodenmasse zu verringern, sodass Grundwasser in der Erdbodenmasse gefriert. Der Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist insbesondere die hohe Kühlleistung und somit auch die Möglichkeit der Vereisung von Erdbodenmasse mit relativ hoher Bodenwasser- Fließgeschwindigkeit.
  • Als Kältemedium kann zum Beispiel Ethanol, Butan, Isobutan oder Propan bzw. ein Fluid, welches Ethanol, Butan, Isobutan oder Propan im Wesentlichen umfasst, verwendet werden.
  • Als Kälteträger ist vorzugsweise eine Salzlösung zu verwenden. Dabei kommt insbesondere eine wässrige Salzlösung wie zum Beispiel Kalziumchlorid, Natriumchlorid und Magnesiumchlorid in Frage. Alternativ kann als Kälteträger auch hier Kohlenstoffdioxid oder Ethanol in flüssiger oder gasförmiger Form verwendet werden bzw. Medien verwendet werden, die derartige Fluide im Wesentlichen umfassen. Es sind auch synthetische Kälteträger möglich, die insbesondere bei Temperaturen < -80°C flüssig sind und als unbedenklich bezüglich Grundwassergefährdung sind. Ebenso können Gemische aus Wasser und Glykol als Kälteträger eingesetzt werden.
  • Vorzugsweise ist das erfindungsgemäße Verfahren derart ausgestaltet, dass der Kälteträger in ein Gefäß in der Erdbodenmasse eingebracht wird, wobei die Kälteübertragung vom Kälteträger über die Gefäßwand in die Erdbodenmasse erfolgt. Das heißt, dass eine Wärmeübertragung von der Erdbodenmasse in den Kälteträger über die Gefäßwand erfolgt.
  • Es bietet sich dabei an, dass das erfindungsgemäße Verfahren derart durchgeführt wird, dass das Kältemedium so lange mittels des flüssigen Stickstoffs gekühlt wird, bis ein ausreichender Vereisungszustand der Erdbodenmasse eingetreten ist, dann die Kühlung des Kältemediums mittels des flüssigen Stickstoffs verringert oder beendet wird und der Kälteträger mittels eines Kühlaggregats gekühlt wird. Die Kühlung des Kälteträgers mittels des Kühlaggregats erfolgt dabei vorzugsweise über einen Wärmeübertrager. Vorzugsweise erfolgt die Verringerung der Kühlung des Kältemediums mittels flüssigen Stickstoffs bis zur völligen Beendigung der Kühlung des Kältemediums durch den flüssigen Stickstoff. Das heißt, dass zur schnellen und kostengünstigen Ausgestaltung des Verfahrens vorgesehen ist, dass flüssiger Stickstoff zur Kühlung des Kältemediums eingesetzt wird und bei ausreichender Vereisung der Erdbodenmasse die Kühlung mittels des flüssigen Stickstoffs verringert oder sogar gestoppt wird, wobei danach eine Aufrechterhaltung des Vereisungszustands der Erdbodenmasse mittels Kühlung des Kälteträgers über den Wärmeübertrager und das daran angeschlossene Kühlaggregat realisiert wird.
  • Von einem ausreichenden Vereisungszustand kann z.B. dann ausgegangen werden, wenn die zu vereisende Erdbodenmasse durchgängig eine Temperatur von unter etwa -5°C, vorzugsweise aber -10°C oder kälter erreicht hat.
  • Es wird somit zum so genannten Aufgefrieren die hohe Kälteleistung des flüssigen Stickstoffs genutzt und bei ausreichender Vereisung der Erdbodenmasse lediglich die Kälteleistung eines herkömmlichen Kühlaggregats genutzt. Der Vorteil dieser Verfahrensausgestaltung liegt insbesondere im geringen Stickstoff-Verbrauch, sodass das Verfahren kosteneffizient ausführbar ist. Dabei soll nicht ausgeschlossen sein, dass bei angeforderter erneuter Vereisung mit hoher Leistung wieder die Kühlung des Kältemediums mit flüssigem Stickstoff vorgenommen wird, sodass insgesamt ein intermittierender Kühlungsvorgang realisiert wird.
  • Zur Lösung der Aufgabe wird weiterhin eine Einrichtung zur Vereisung einer Erdbodenmasse zur Verfügung gestellt, die ein Primär-Fluidsystem zur Aufnahme eines Kältemediums und ein mittels eines ersten Wärmeübertragers mit dem Primär-Fluidsystem verbundenes Sekundär-Fluidsystem zur Aufnahme eines Kälteträgers umfasst, wobei der Kälteträger zum Wärmeaustausch mit der Erdbodenmasse vorgesehen ist. Es ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass im Primär-Fluidsystem ein zweiter Wärmeübertrager angeordnet ist, mit dem Kälte von flüssigem Stickstoff auf das Kältemedium im Primär-Fluidsystem übertragbar ist. Das jeweilige Fluidsystem ist vorzugsweise ein Kreislaufsystem, nämlich ein System von Gefäßen zur Aufnahme von Fluiden, insbesondere von strömenden Fluiden. In bevorzugter Ausgestaltung ist vorgesehen, dass im Primär-Fluidsystem bereits Kältemedium enthalten ist und/oder dass im Sekundär-Fluidsystem bereits ein Kälteträger enthalten ist. Die zur Übertragung von Kälte eingesetzten Wärmeübertrager dienen dabei selbstverständlich zur Übertragung von Wärme vom wärmeren Medium auf das jeweils kältere Medium, wodurch dem wärmeren Medium Wärme entzogen wird und dementsprechend Kälte vom kälteren Medium auf das wärmere Medium übertragen wird.
  • In weiterer bevorzugter Ausgestaltung ist vorgesehen, dass an das Primär-Fluidsystem über den zweiten Wärmeübertrager ein Behälter angeschlossen ist, in dem flüssiger Stickstoff aufgenommen oder aufnehmbar ist. Dieser Behälter kann auch ein Leitungssystem sein, welches ggf. an einen Speicher zur Aufnahme des flüssigen Stickstoffs angeschlossen ist.
  • Des Weiteren kann die erfindungsgemäße Einrichtung derart ausgestaltet sein, dass an das Sekundär-Fluidsystem über einen dritten Wärmeübertrager ein Kühlaggregat zur Kühlung des Kälteträgers im Sekundär-Fluidsystem angeschlossen ist. Mit diesem Kühlaggregat kann der Kälteträger im Sekundär-Fluidsystem gekühlt werden, wenn nicht mehr die hohe Kühlleistung des flüssigen Stickstoffs und des damit thermisch gekoppelten Kältemediums im Primär-Fluidsystem erforderlich ist, wie zum Beispiel bei Aufrechterhaltung eines ausreichenden Vereisungszustands.
  • Die Verwendung von zwei Fluidsystemen erfolgt deshalb, da bei einem unmittelbaren Wärmeaustausch zwischen flüssigem Stickstoff und dem Kälteträger im Sekundär-Fluidsystem aufgrund der hohen Kühlleistung des flüssigen Stickstoffs die Gefahr des Einfrierens des Kälteträgers bestehen würde. Das heißt, dass zum Beispiel bei Verwendung von Sole als Kälteträger und Kälteübertragung in einen Wärmeübertrager das Risiko bestehen würde, dass die Sole im Wärmeübertrager erstarren könnte. Demzufolge wäre kein Kälteträger-Volumenstrom mehr realisierbar. Dadurch, dass erfindungsgemäß der flüssige Stickstoff zuerst zur Kühlung eines Kältemediums dient und dieses Kältemedium wiederum zur Kühlung des Kälteträgers dient und bevorzugt als Kältemedium ein Fluid wie zum Beispiel Propan eingesetzt wird, welches lediglich eine Temperatur von minimal minus 80 °C erreicht, wird die Gefahr des Einfrierens des Wärmeübertragers zwischen dem Primär-Fluidsystem und dem Sekundär-Fluidsystem drastisch minimiert.
  • Bei Erreichung eines bestimmten Vereisungszustandes muss zur Aufrechterhaltung einer ausreichenden Kühlungswirkung des Kälteträgers kein kostenintensiver flüssiger Stickstoff mehr eingesetzt werden, sondern es kann ein über einen dritten Wärmeübertrager an das Sekundär-Fluidsystem angeschlossenes Kühlaggregat genutzt werden. Zur Realisierung einer Umschaltung von Stickstoff-Kühlbetrieb zum Kühlaggregat-Kühlbetrieb weist die erfindungsgemäße Einrichtung geeignete Steuer-und/oder Regeleinrichtungen auf.
  • Vorzugsweise umfasst die erfindungsgemäße Einrichtung zur Vereisung einer Erdbodenmasse wenigstens ein Gefäß zur Einbringung in die Erdbodenmasse und zur Durchströmung mit dem Kälteträger. Die Durchströmung mit dem Kälteträger erfolgt dabei derart, dass der Kälteträger-Volumenstrom nach zumindest teilweiser Durchströmung des Gefäßes zurück in den Sekundär-Kreislauf geleitet wird. Mit teilweiser Durchströmung ist in diesem Zusammenhang gemeint, dass das Gefäß entweder zeitlich getaktet von dem Kälteträger durchströmt wird, nur ein Teilstrom durch das Gefäß strömt und / oder das Gefäß nur abschnittsweise durchströmt wird. Bei Positionierung in der Erdbodenmasse dient das Gefäß in der Erdbodenmasse der indirekten Wärmeübertragung von der Erdbodenmasse auf den Volumenstrom des Kälteträgers.
  • Als Kältemedium ist im Primär-Fluidsystem flüssiges Ethanol, Butan, Isobutan oder Propan vorgesehen. Der Kälteträger im Sekundär-Fluidsystem ist vorzugsweise eine wässrige Salzlösung wie zum Beispiel Kalziumchlorid, Natriumchlorid oder Magnesiumchlorid. Alternativ kann auch Kohlenstoffdioxid oder Ethanol in flüssiger oder gasförmiger Form als Kälteträger im Sekundär-Fluidsystem vorhanden sein, ebenso synthetische Kälteträger und Wasser-Glykol-Gemische,
  • Der flüssige Stickstoff wird üblicherweise in Speichertanks bei geringem Druck und Temperaturen um -190 °C in der Nähe der zu vereisenden Erdbodenmasse vorgehalten.
    Mit dem flüssigen Stickstoff wird das Kältemedium auf Temperaturen abgekühlt, die nicht erheblich unter dem Schmelzpunkt des eingesetzten Kälteträgers liegen, um die Gefahr eines Gefrierens des Kälteträgers zu minimieren.
    Wird als Kälteträger eine wässrige Salzlösung eingesetzt, die üblicherweise bis -40°C noch gefördert werden kann, so wird das Kältemedium beispielsweise auf -60°C gekühlt. Synthetische Kälteträger sind heute bis -85°C einsetzbar, entsprechend kann das Kältemedium auf unter -100°C gekühlt werden.
    Dem sind selbstverständlich Grenzen gesetzt, die sich aus der Wahl des Kältemediums ergeben.
  • In einer alternativen Ausgestaltung wird der Kälteträger direkt über den flüssigen Stickstoff gekühlt. Demzufolge wird auch ein Verfahren zur Vereisung einer Erdbodenmasse zur Verfügung gestellt, bei dem mittels flüssigen Stickstoffs direkt ein Kälteträger gekühlt wird und der Kälteträger über Wärmeaustausch mit der Erdbodenmasse dieser Wärme entzieht.
  • Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung sollen durch die nachfolgende Figurenbeschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der Figur erläutert werden.
  • Es zeigt:
    • Fig. 1
    eine erfindungsgemäße Einrichtung zur Vereisung einer Erdbodenmasse zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Vereisung einer Erdbodenmasse in schematischer Darstellung.
  • Die erfindungsgemäße Einrichtung zur Vereisung einer Erdbodenmasse umfasst ein Primär-Fluidsystem (10) sowie ein Sekundär-Fluidsystem (20), deren Volumenströme thermisch mittels eines ersten Wärmeübertragers (30) gekoppelt sind. Das heißt, dass Wärme eines Kälteträgers (22) im Sekundär-Fluidsystem (20) auf ein Kältemedium (12) im Primär-Fluidsystem (10) über den ersten Wärmeübertrager (30) übertragbar ist. Demzufolge wird Kälte vom Kältemedium (12) über den ersten Wärmeübertrager (30) auf den Kälteträger (22) übertragen. Das Kältemedium (12) im Primär-Fluidsystem (10) wird mittels eines zweiten Wärmeübertragers (40), der von flüssigem Stickstoff (61) beaufschlagt ist, gekühlt. Der flüssige Stickstoff (61) ist dabei vorzugsweise in einem Behälter (60) gespeichert, der strömungstechnisch mit dem zweiten Wärmeübertrager (40) verbunden ist. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf die Anordnung eines derartigen Behälters (60) bzw. Speichers eingeschränkt, sondern es kann stattdessen auch vorgesehen sein, dass der zweite Wärmeübertrager (40) an eine Versorgungsleitung angeschlossen ist, die den zweiten Wärmeübertrager (40) mit flüssigem Stickstoff (61) versorgt. Im zweiten Wärmeübertrager erfolgt eine Übertragung von Wärme vom Kältemedium (12) auf den flüssigen Stickstoff (61), sodass Kälte vom flüssigen Stickstoff (61) auf das Kältemedium (12) übertragen wird. Durch eine erste Pumpe (11) wird das Kältemedium (12) im Primär-Fluidsystem (10) in Umlauf gehalten, sodass es den ersten Wärmeübertrager (30) durchströmen kann.
  • Durch die Nutzung des Kältemediums (12) im Primär-Fluidsystem (10) wird verhindert, dass der erste Wärmeübertrager (30) mit der extremen niedrigen Kälte des flüssigen Stickstoffs (61) beaufschlagt wird. Dadurch wird die Gefahr verringert, dass das Fluid im ersten Wärmeübertrager (30) bzw. der Kälteträger (22) im Sekundär-Fluidsystem (20) erstarrt. Durch eine zweite Pumpe (21) im Sekundär-Fluidsystem (20) wird der Kälteträger (22) in Umlauf gehalten.
  • Der Kälteträger (22) wird in einem Strang (23) des Sekundär-Fluidsystems (20) in ein Gefäß (50) geleitet, welches in der zu vereisenden Erdbodenmasse (100) steckt. Es wird Wärme von der Erdbodenmasse (100) über eine Gefäßwand (51) des Gefäßes (50) auf den Kälteträger (22) im Strang (23) des Sekundär-Fluidsystems (20) übertragen, wobei die Erdbodenmasse (100) derart gekühlt wird, dass Porenwasser in der Erdbodenmasse (100) erstarrt und die Erdbodenmasse (100) vereist.
  • Nach ausreichender Vereisung der Erdbodenmasse (100) mittels flüssigen Stickstoffs (61) kann über hier nicht dargestellte Steuer- und/oder Regeleinrichtungen die Wärmeübertragung zwischen dem flüssigen Stickstoff (61) und dem Kältemedium (12) und/oder zwischen dem Kältemedium (12) und dem Kälteträger (22) verringert oder unterbrochen werden und der Kälteträger (22) über ein mittels eines dritten Wärmeübertragers (70) an das Sekundär-Fluidsystem (20) angekoppeltes Kühlaggregat (80) gekühlt werden. Dies ermöglicht die Aufrechterhaltung des Vereisungszustands der Erdbodenmasse (100), ohne dafür weiterhin kostenintensiven flüssigen Stickstoff (61) nutzen zu müssen, sondern lediglich ein vergleichbar günstig betreibbares Kühlaggregat (80).
  • Eine vereinfachte Ausgestaltung der Erfindung geht davon aus, dass der Kälteträger (22) direkt über den flüssigen Stickstoff (60) gekühlt wird. In diesem Fall wird auf den Primär-Kreislauf (10) verzichtet und der Wärmeübertrager (40) direkt in den Sekundärkreislauf (20) eingebunden.
    • Bezugszeichenliste
  • Primär-Fluidsystem 10
    erste Pumpe 11
    Kältemedium 12
    Sekundär-Fluidsystem 20
    zweite Pumpe 21
    Kälteträger 22
    Strang 23
    erster Wärmeübertrager 30
    zweiter Wärmeübertrager 40
    Gefäß 50
    Gefäßwand 51
    Behälter 60
    flüssiger Stickstoff 61
    dritter Wärmeübertrager 70
    Kühlaggregat 80
    Erdbodenmasse 100

Claims (11)

  1. Verfahren zur Vereisung einer Erdbodenmasse (100), bei dem mittels flüssigen Stickstoffs (61) ein Kältemedium (12) gekühlt wird, mittels des Kältemediums (12) ein Kälteträger (22) gekühlt wird und der Kälteträger (22) über Wärmeaustausch mit der Erdbodenmasse (100) dieser Wärme entzieht.
  2. Verfahren zur Vereisung einer Erdbodenmasse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Kältemedium (12) Ethanol, Butan, Isobutan oder Propan verwendet wird.
  3. Verfahren zur Vereisung einer Erdbodenmasse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Kälteträger (22) eine Salzlösung, ein synthetischer Kälteträger oder ein Wasser-Glykol Gemisch eingesetzt wird.
  4. Verfahren zur Vereisung einer Erdbodenmasse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kälteträger (22) in ein Gefäß (51) in der Erdbodenmasse (100) eingebracht wird, wobei die Kälteübertragung vom Kälteträger (22) über die Gefäßwand (51) in die Erdbodenmasse (100) erfolgt.
  5. Verfahren zur Vereisung einer Erdbodenmasse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kältemedium (12) so lange mittels des flüssigen Stickstoffs (61) gekühlt wird, bis ein ausreichender Vereisungszustand der Erdbodenmasse (100) eingetreten ist, dann die Kühlung des Kältemediums (12) mittels des flüssigen Stickstoffs (61) verringert oder beendet wird und der Kälteträger (22) mittels eines Kühlaggregates (80) gekühlt wird.
  6. Einrichtung zur Vereisung einer Erdbodenmasse, umfassend ein Primär-Fluidsystem (10) zur Aufnahme eines Kältemediums (12) und ein mittels eines ersten Wärmeübertragers (30) mit dem Primär-Fluidsystem (10) verbundenes Sekundär-Fluidsystem (20) zur Aufnahme eines Kälteträgers (22), der zum Wärmeaustausch mit der Erdbodenmasse (100) vorgesehen ist,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass im Primär-Fluidsystem (10) ein zweiter Wärmeübertrager (40) angeordnet ist, mit dem Kälte von flüssigem Stickstoff (61) auf das Kältemedium (12) im Primär-Fluidsystem (10) übertragbar ist.
  7. Einrichtung zur Vereisung einer Erdbodenmasse nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass an den zweiten Wärmeübetrager (40) im Primär-Fluidsystem (10) ein Behälter (60) angeschlossen ist, in dem flüssiger Stickstoff (61) aufgenommen oder aufnehmbar ist.
  8. Einrichtung zur Vereisung einer Erdbodenmasse nach einem der Ansprüche 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, dass an das Sekundär-Fluidsystem (20) über einen dritten Wärmeübertrager (70) ein Kühlaggregat (80) zur Kühlung des Kälteträgers (22) im Sekundär-Fluidsystem (20) angeschlossen ist.
  9. Einrichtung zur Vereisung einer Erdbodenmasse nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass diese wenigstens ein Gefäß (50) zur Einbringung in die Erdbodenmasse (100) und zur Durchströmung mit dem Kälteträger (22) aufweist.
  10. Einrichtung zur Vereisung einer Erdbodenmasse nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass im Primär-Fluidsystem (10) als Kältemedium (12) flüssiges Kohlenstoffdioxid, Ethanol oder Propan vorhanden ist.
  11. Einrichtung zur Vereisung einer Erdbodenmasse nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass im Sekundär-Fluidsystem (20) als Kälteträger (22) eine wässrige Salzlösung vorhanden ist.
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