EP3063335A1 - Verfahren zur erzeugung eines zusammenhängenden eiskörpers bei einer bodenvereisung - Google Patents

Verfahren zur erzeugung eines zusammenhängenden eiskörpers bei einer bodenvereisung

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EP3063335A1
EP3063335A1 EP14789993.4A EP14789993A EP3063335A1 EP 3063335 A1 EP3063335 A1 EP 3063335A1 EP 14789993 A EP14789993 A EP 14789993A EP 3063335 A1 EP3063335 A1 EP 3063335A1
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EP
European Patent Office
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cooling
lances
ice body
refrigerant
ground area
Prior art date
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Application number
EP14789993.4A
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English (en)
French (fr)
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EP3063335B1 (de
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Rolf Heninger
Ralf Schmand
Rebecca WALLUS
Martin Ziegler
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Linde GmbH
Original Assignee
Linde GmbH
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Publication date
Application filed by Linde GmbH filed Critical Linde GmbH
Publication of EP3063335A1 publication Critical patent/EP3063335A1/de
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Publication of EP3063335B1 publication Critical patent/EP3063335B1/de
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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
    • E02D19/00—Keeping dry foundation sites or other areas in the ground
    • E02D19/06—Restraining of underground water
    • E02D19/12—Restraining of underground water by damming or interrupting the passage of underground water
    • E02D19/14—Restraining of underground water by damming or interrupting the passage of underground water by freezing the soil
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B25/00—Machines, plants or systems, using a combination of modes of operation covered by two or more of the groups F25B1/00 - F25B23/00
    • F25B25/005—Machines, plants or systems, using a combination of modes of operation covered by two or more of the groups F25B1/00 - F25B23/00 using primary and secondary systems
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B9/00—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point
    • F25B9/002—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point characterised by the refrigerant

Definitions

  • the invention relates to a method for producing a coherent ice body in a ground area.
  • the brine cooling is an established and safe variant of the
  • Soil freezing and subsoil safety, compared to other methods such as concrete injection is quite competitive.
  • brine cooling reaches its limits, i.e., a continuous monolithic ice body (also referred to as a frost body), which includes all cooling lances, generally can not be produced.
  • a continuous monolithic ice body also referred to as a frost body
  • the ice body growing around the cooling lances narrows the flow cross sections for the groundwater or fluid.
  • the flow velocity and the heat flux increase at the edge of the ice body.
  • a stationary state in which the ice body stops growing may occur before a closed body of ice has formed.
  • the invention is based on the object of providing a method which makes it possible to produce a coherent ice body.
  • a first refrigerant is introduced into the first cooling lances, and wherein Furthermore, at least one second cooling lance on a flow-facing side of the first cooling lances is introduced into the ground area for cooling or freezing the ground area and a second Brine, which has a temperature which is lower than the temperature of the first refrigerant, is introduced into the at least one second cold lance, to support the formation of a coherent ice body, which encloses all first and second cooling lances.
  • the ice body is in the present case thus generated by cooling the ground area, wherein the cooling medium flowing through the cooling lances cool the ground area by indirect heat exchange such that the said ice body through
  • corresponding freezing of the ground area i.e., water present in the ground area is frozen and forms the ice body together with the frozen solids of the ground area.
  • a coherent ice body is formed, which surrounds the first and second cooling lances used or involved in the cooling process.
  • Connected here means path-connected, i.e., every two points of this ice body can be connected by a path which lies completely within the ice body and does not lead through a non-ice-covered area of the earth area.
  • a possible embodiment of the cooling lances is shown below.
  • the first brine is a brine, in particular a calcium chloride solution, which may have temperatures in the range of -30 ° C to -45 ° C.
  • the maximum salt content in a calcium chloride solution is 30%.
  • the second refrigerant is liquid nitrogen, which preferably has a temperature of -196 ° C (namely at the transition to the gaseous phase under normal conditions).
  • first and second refrigerants can be used, which have approximately the aforementioned temperatures.
  • the invention advantageously offers greater process reliability, since the
  • the freezing phase is significantly shortened.
  • the additional costs for the additional cooling by means of the second refrigerant in particular nitrogen
  • the second refrigerant in particular nitrogen
  • the considered soil for the unfrozen fall can be modeled as a three-phase model consisting of solid, water or
  • Two-phase model consisting of solid and water or fluid.
  • the water phase is reduced with simultaneous increase of the ice phase.
  • soil solids such as fine sand, coarse sand or gravel no significant proportion of unfrozen water is more, which is particularly given at the here preferably used temperatures of the brine (see above).
  • the second refrigerant is introduced into the second cooling lances. That is, the additional second cooling lances are positioned on the windward side of the planned contiguous ice body in front of the first cooling lances.
  • the first cooling lances in particular for the formation of an ice body in the form of a
  • Baugrubenwand in an extension plane next to each other, in particular parallel to each other, are introduced into the ground area.
  • the first cooling lances in particular for the formation of a frost body in the form of a
  • Hollow cylinder or a tunnel tube, along a circumferential imaginary surface for example in the form of a cylinder jacket, in particular circular cylinder jacket
  • Simulation calculations show that in areas in which nozzle effects will increasingly occur, preferably a second cooling lance is recommended per first cooling lance. This is especially in the middle of a flat frost body, e.g. in the form of a construction pit wall, or a cylindrical, in particular
  • circular cylindrical, ice body e.g. in the form of a tunnel tube, useful.
  • the at least one second cooling lance or the plurality of second cooling lances is introduced into the ground area in front of an assigned first cooling lance in a flow direction of the flow, wherein in particular the respective second cooling lance runs parallel to the associated first cooling lance.
  • Fig. 1 is a schematic representation of a system for carrying out the
  • Figure 2 shows the production of a continuous ice body in the form of a flat wall (e.g., pit wall) with brine cooling as vanishing
  • FIG. 5 is a schematic representation of an inventive production of a coherent hollow cylindrical ice body (e.g., tunnel tube).
  • Figure 1 shows a schematic representation of a plant according to the invention or a method according to the invention for producing a continuous ice or frost body 100, 200, as it e.g. is shown in Figures 3 and 5.
  • Soil region 1 are introduced), in which a first refrigerant T is passed in the form of a brine solution (eg CaCl 2 ), at least a second cooling lance 20th
  • a second refrigerant T ' is introduced in the form of liquid nitrogen.
  • the first and the second refrigerant T, T are simultaneously introduced into the corresponding associated cooling lances 10, 20.
  • the flow of the second refrigerant T ' may be throttled or stopped completely.
  • the first coolant T is introduced into inner tubes 11 of the first cooling lances 10, which are each arranged coaxially in an associated outer tube 13.
  • the first refrigerant T flows through the respective inner tube 1 1 to an opening 12 of the respective inner tube 11, which is an end wall 14 of the respective outer tube 13 is opposite, exits from the respective opening 12 and flows in the outer tube 13 surrounding the respective inner tube 1 1 back.
  • the first coolant T cools the surrounding soil area 1 by indirect heat transfer and is then, after leaving the respective
  • Outer tube 13 is guided in a cooling carrier circuit 30, in which the heated first refrigerant T is pumped by a pump 31 through a heat exchanger 32.
  • the first refrigerant T is cooled against a coolant K (eg ammonia or C0 2 ) circulating in a coolant circuit 33 and is reintroduced into the inner tubes 11 of the first cooling lances 10.
  • K eg ammonia or C0 2
  • the gaseous coolant K is heated, is compressed in a compressor 34 and then cooled in a condenser 36, which is heat-coupled with a cooling water circuit 37, relaxed and liquefied via a throttle 35.
  • the thus liquid coolant K flows again into the heat exchanger 32 or evaporator 32 and cools down there the first refrigerant T, where it is evaporated.
  • the second cooling lances 20 are preferably formed like the first cooling lances 10, wherein here as a second refrigerant T liquid nitrogen from a liquid nitrogen tank 40 is introduced into the respective inner tube 21, from the respective opening 22, the end face 24 of the respective outer tube 23rd
  • the second refrigerant T ' is evaporated while cooling the ground area 1, wherein the gaseous phase from the outer tubes 23 of the second cooling lances 20 exits and then, for example. is discarded.
  • a pure brine cooling can at groundwater flow velocities V above 2m / day with an arrangement of first cooling lances 10 parallel to each other along a plane, as shown in Fig. 2, due to an adjusting nozzle effect, in particular in the center between adjacent first Cooling lances 10 occurs (here, the flow velocity V due to the nozzle effect is significantly higher than 2m / day), no more coherent ice body 100 are generated, which includes all first cooling lances 10, as shown in Fig. 2 (left). Rather, for example, a configuration with three does not arise contiguous ice bodies 101, 102, 103, wherein a central ice body 102 encloses only a central first cooling lance 10.
  • the second cooling lances 20, here in particular three second cooling lances 20, are arranged centrally in the flow direction S in front of the first cooling lances 10, ie on the flow-facing side 2 of the planned ice body 100, specifically at a distance of approximately 1 m plane spanned by the first cooling lances 10.
  • the distance between the first cooling lances 10 to each other is preferably 0.8m.
  • the distance between the second cooling lances 20 to each other is preferably 0.8m to 1 m.
  • Fig. 4 shows a Fig. 2 corresponding phenomenon in the production of a hollow cylindrical ice body 200. While this disappearing at
  • Cooling lance assembly 10 and possibly on the side facing away from the flow or leeward 3, albeit to a lesser extent.
  • a possible non-contiguous configuration e.g. a plurality of non-contiguous smaller central ice bodies 203 on the windward side 2 and leeward side 3, respectively, and two flanking larger ice bodies 201, 202.
  • a coherent ice body 200 can again be produced even with a hollow-cylindrical configuration of the first cooling lances 10, namely with additional cooling according to the invention by introducing a second coolant T into second cooling lances 20 (see above), here by way of example 5 second
  • Cooling lances 20 which are in turn arranged in the flow direction S of the groundwater in front of an associated first cooling lance 10, and in particular at a distance of preferably 1 m to 2m to the clamped by the first cooling lances 10 cylinder jacket surface and the respective opposite first Cooling lance 10.
  • the distance of the first cooling lances 10 to each other is preferably in turn 0.8m to 1, 2m, for example, 1 m.
  • the distance between the second cooling lances 20 to each other is preferably 0.8m to 1, 5m.
  • distances of 1.0 m are usual or preferred.
  • distances of 0.8 m are preferred because of the considerably higher temperatures. Values below increase the effort, values above the duration of freezing. For non-symmetrical frost bodies or symmetrical ones
  • Distances between the first and second cooling lances of 1.0 m, or in the case of a circular cross section (cf., Fig. 5) of 1.5 m, are preferred for straight wall-like ice bodies (compare FIG. The distances here may well be dependent on the geometry of the frost body 100, 200.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung eines zusammenhängenden Eiskörpers (100, 200) in einem Erdbodenbereich (1), wobei erste Kühllanzen (10) in den Erdbodenbereich (1) eingebracht werden, in dem der zusammenhängende Eiskörper (100, 200) in Gegenwart einer den Erdbodenbereich (1) durchströmenden Strömung (S) eines fluiden Strömungsmittels, insbesondere in Form von Grundwasser, zu erzeugen ist, wobei ein erster Kälteträger (T) in die ersten Kühllanzen (10) eingeleitet wird, und wobei weiterhin zumindest eine zweite Kühllanze (20) auf einer strömungszugewandten Seite (2) der ersten Kühllanzen (10) in den Erdbodenbereich (1) eingebracht wird und ein zweiter Kälteträger (T'), der eine Temperatur aufweist, die niedriger ist als die Temperatur des ersten Kälteträgers (T), in die mindestens eine zweite Kältelanze (20) eingeleitet wird, um die Ausbildung eines zusammenhängenden Eiskörpers (100, 200) zu unterstützen, der sämtliche Kühllanzen (10, 20) umschließt.

Description

Verfahren zur Erzeugung eines zusammenhängenden Eiskörpers bei einer
Bodenvereisung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung eines zusammenhängenden Eiskörpers in einem Erdbodenbereich.
Diesbezüglich ist die Solekühlung eine etablierte und sichere Variante des
Bodengefrierens und der Baugrundsicherung, die gegenüber anderen Verfahren wie z.B. der Betoninjektion durchaus wettbewerbsfähig ist. Versuche haben allerdings gezeigt, dass die Solekühlung bei Grundwassergeschwindigkeiten oberhalb von 2 m/Tag auf ihre Grenzen stößt, d.h., ein zusammenhängender monolithischer Eiskörper (auch als Frostkörper bezeichnet), der alle Kühllanzen einschließt, in der Regel nicht mehr erzeugt werden kann. Ursache dafür ist u.a. eine auftretende Düsenwirkung. Der um die Kühllanzen wachsende Eiskörper engt die Strömungsquerschnitte für das Grundwasser bzw. Strömungsmittel ein. Damit steigen die Strömungsgeschwindigkeit und die Wärmestromdichte am Rand des Eiskörpers an. Ein stationärer Zustand, bei dem der Eiskörper nicht mehr wächst, kann eintreten, bevor sich ein geschlossener Eiskörper gebildet hat. Der Erfindung liegt hiervon ausgehend die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren bereitzustellen, das die Erzeugung eines zusammenhängenden Eiskörpers ermöglicht.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Danach sieht das erfindungsgemäße Verfahren zur Erzeugung eines
zusammenhängenden Eiskörpers in einem Erdbodenbereich durch Gefrieren des Erdbodenbereiches bzw. eines Teiles davon vor, dass erste Kühllanzen in den
Erdbodenbereich eingebracht werden, in dem der zusammenhängende Frostkörper in Gegenwart einer den Erdbodenbereich durchziehenden Strömung eines fluiden Strömungsmittels, insbesondere in Form von Grundwasser, zu erzeugen ist, wobei zum Kühlen bzw. Gefrieren des Erdbodenbereiches ein erster Kälteträger in die ersten Kühllanzen eingeleitet wird, und wobei weiterhin zum Kühlen bzw. Gefrieren des Erdbodenbereiches zumindest eine zweite Kühllanze auf einer strömungszugewandten Seite der ersten Kühllanzen in den Erdbodenbereich eingebracht wird und ein zweiter Kälteträger, der eine Temperatur aufweist, die niedriger ist als die Temperatur des ersten Kälteträgers, in die mindestens eine zweite Kältelanze eingeleitet wird, um die Ausbildung eines zusammenhängenden Eiskörpers zu unterstützen, der sämtliche erste und zweite Kühllanzen umschließt.
Der Eiskörper wird vorliegend also durch Kühlen des Erdbodenbereiches erzeugt, wobei die durch die Kühllanzen strömenden Kälteträger den Erdbodenbereich durch indirekten Wärmetausch derart kühlen, dass der besagte Eiskörper durch
entsprechendes Vereisen des Erdbodenbereiches ausgebildet wird, d.h., in dem Erdbodenbereich vorhandenes Wasser wird gefroren und bildet zusammen mit den eingefrorenen Feststoffen des Erdbodenbereiches den Eiskörper.
Erfindungsgemäß wird ein zusammenhängender Eiskörper gebildet, der die eingesetzten bzw. an dem Kühlprozess beteiligten ersten und zweiten Kühllanzen sämtlich umgibt. Zusammenhängend heißt hierbei wegzusammenhängend, d.h., je zwei Punkte dieses Eiskörpers können durch einen Weg verbunden werden, der vollständig in dem Eiskörper liegt und nicht etwa durch ein nichtvereistes Gebiet des Erdbodenbereiches führt. Eine mögliche Ausgestaltung der Kühllanzen wird weiter unten dargestellt.
Bevorzugt ist vorgesehen, dass der erste Kälteträger eine Sole ist, insbesondere eine Calciumchloridlösung, die Temperaturen im Bereich von -30°C bis -45°C aufweisen kann. Vorzugsweise liegt der maximale Salzgehalt bei einer Calciumchloridlösung bei 30%.
Bevorzugt ist weiterhin vorgesehen, dass der zweite Kälteträger flüssiger Stickstoff ist, der vorzugsweise eine Temperatur von -196°C (nämlich am Übergang zur gasförmigen Phase bei Normalbedingungen) aufweist. Es können natürlich auch alternative erste und zweite Kälteträger verwendet werden, die in etwa die vorgenannten Temperaturen aufweisen.
Bevorzugt erfolgt das Einleiten des ersten Kälteträgers in die ersten Kühllanzen und das Einleiten des zweiten Kälteträgers in die zweiten Kühllanzen gleichzeitig. Aufgrund der entsprechend tieferen Temperatur des zweiten Kälteträgers kann dabei trotz der beschriebenen Düsenwirkung ein geschlossener bzw. zusammenhängender Eiskörper entstehen, wobei nunmehr mit Vorteil nach der Aufgefrierphase, während der der zusammenhängende Eiskörper erzeugt wird, der Strom des zweiten Kälteträgers in die zweiten Kühllanzen herunter geregelt bzw. vollständig gestoppt werden kann.
Die Erfindung bietet mit Vorteil eine größere Verfahrenssicherheit, da die
zusammenhängende Vereisung auch bei vergleichsweise großen
Strömungsgeschwindigkeiten von bis zu 6 m/Tag realisiert werden kann. Besonders bei unklaren Verhältnissen hinsichtlich der Grundwassergeschwindigkeit ist dies ein entscheidender Vorteil. Durch die mittels des zweiten Kälteträgers unterstützte
Vorkühlung wird die Aufgefrier-Phase deutlich verkürzt. Die Zusatzkosten für die zusätzliche Kühlung mittels des zweiten Kälteträgers (insbesondere Stickstoff) können durch die Einsparungen aufgrund der kürzeren Aufgefrier-Phase kompensiert oder sogar überkompensiert werden.
Im Allgemeinen kann vorliegend der betrachtete Erdboden für den ungefrorenen Fall als Dreiphasen-Modell modelliert werden, besteht aus Feststoff, Wasser bzw.
Strömungsmittel und Luft. Da für Verweisungsmaßnahmen eine Vollsättigung angenommen werden kann, ergibt sich für den ungefrorenen Erdboden ein
Zweiphasenmodell bestehend aus Feststoff und Wasser bzw. Strömungsmittel. Im Verlauf des Gefrierprozesses bzw. der Ausbildung des Eiskörpers reduziert sich die Wasserphase unter gleichzeitiger Zunahme der Eisphase. Die Erfahrung zeigt, dass bereits bei ca. -2°C für Erdbodenfeststoffe wie Feinsand, Grobsand oder Kies kein nennenswerter Anteil ungefrorenen Wassers mehr vorhanden ist, was insbesondere bei den hier vorzugsweise zum Einsatz kommenden Temperaturen der Kälteträger (siehe oben) gegeben ist.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass mehrere zweite Kühllanzen auf der strömungszugewandten Seite der ersten Kühllanzen in den
Erdbodenbereich eingebracht werden und der zweite Kälteträger in die zweiten Kühllanzen eingeleitet wird. D.h., die zusätzlichen zweiten Kühllanzen werden auf der Luvseite des geplanten zusammenhängenden Eiskörpers vor den ersten Kühllanzen positioniert. Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die ersten Kühllanzen, insbesondere zur Ausbildung eines Eiskörpers in Form einer
Baugrubenwand, in einer Erstreckungsebene nebeneinander, insbesondere parallel zueinander, in den Erdbodenbereich eingebracht werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die ersten Kühllanzen, insbesondere zur Ausbildung eines Frostkörpers in Form eines
Hohlzylinders bzw. einer Tunnelröhre, entlang einer umlaufenden gedachten Fläche (z.B. in Form eines Zylindermantels, insbesondere Kreiszylindermantel)
nebeneinander, insbesondere parallel zueinander, in den Erdbodenbereich eingebracht werden.
Simulationsberechnungen zeigen dabei, dass in Bereichen, in denen Düseneffekte verstärkt auftreten werden, pro erste Kühllanze vorzugsweise eine zweite Kühllanze empfehlenswert ist. Dies ist insbesondere in der Mitte eines ebenen Frostkörpers, z.B. in Form einer Baugrubenwand, oder eines zylindrischen, insbesondere
kreiszylindrischen, Eiskörpers, z.B. in Form einer Tunnelröhre, sinnvoll.
Bevorzugt wird daher die mindestens eine zweite Kühllanze oder die mehreren zweiten Kühllanzen jeweils in einer Strömungsrichtung der Strömung vor einer zugordneten ersten Kühllanze in den Erdbodenbereich eingebracht, wobei insbesondere die jeweilige zweite Kühllanze parallel zur zugeordneten ersten Kühllanze verläuft.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden in den nachfolgenden
Figurenbeschreibungen von Ausführungsbeispielen der Erfindung anhand der Figuren erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Anlage zur Durchführung des
erfindungsgemäßen Verfahrens;
Fig. 2 die Erzeugung eines zusammenhängenden Eiskörpers in Form einer ebenen Wand (z.B. Baugrubenwand) mit Sole-Kühlung bei verschwindender
Grundwasserströmung (links) sowie bei einer Grundwasserströmung im Bereich von V= 2m/Tag, die die Entstehung eines zusammenhängenden Eiskörpers aufgrund eines Düseneffektes verhindert (rechts); Fig. 3 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Erzeugung eines zusammenhängenden Eiskörpers, insbesondere in Form einer ebenen Wand (z.B. Baugrubenwand);
Fig. 4 eine schematische Darstellung der Erzeugung eines zusammenhängenden hohlzylinderförmigen Eiskörpers mit Sole-Kühlung bei verschwindender Grundwasserströmung (links) sowie bei einer Grundwasserströmung im Bereich von V= 2m/Tag, die die Entstehung eines zusammenhängenden Eiskörpers aufgrund eines Düseneffektes verhindert (rechts); und
Fig. 5 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Erzeugung eines zusammenhängenden hohlzylindrischen Eiskörpers (z.B. Tunnelröhre). Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Anlage bzw. eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Erzeugung eines zusammenhängenden Eisoder Frostkörpers 100, 200, wie er z.B. in den Figuren 3 und 5 gezeigt ist.
Dabei wird bei einer Strömung in Form einer Grundwasserströmung in einer
Strömungsrichtung S der Strömung vor in den Erdbodenbereich 1 eingebrachten ersten Kühllanzen 10 (diese können vertikal als auch waagerecht in den
Erdbodenbereich 1 eingebracht werden), in die ein erster Kälteträger T in Form einer Sole-Lösung (z.B. CaCI2) geleitet wird, zumindest eine zweite Kühllanze 20
angeordnet, in die ein zweiter Kälteträger T' in Form von flüssigem Stickstoff eingeleitet wird. In einer Aufgefrierphase, während der der zusammenhängende Eiskörper 100, 200 im Erdbodenbereich 1 erzeugt wird, werden der erste und der zweite Kälteträger T, T gleichzeitig in die entsprechenden, zugeordneten Kühllanzen 10, 20 eingeleitet. Später, nach Ausbildung des zusammenhängenden Eiskörpers 100, 200 kann der Strom des zweiten Kälteträgers T' (z.B. flüssiger Stickstoff) gedrosselt bzw. vollständig gestoppt werden.
Bei der besagten Sole-Kühlung wird der erste Kälteträger T in Innenrohre 1 1 der ersten Kühllanzen 10 eingeleitet, die jeweils in einem zugeordneten Außenrohr 13 koaxial angeordnet sind. Der erste Kälteträger T strömt dabei durch das jeweilige Innenrohr 1 1 bis zu einer Öffnung 12 des jeweiligen Innenrohres 11 , die einer Stirnwand 14 des jeweiligen Außenrohres 13 gegenüberliegt, tritt aus der jeweiligen Öffnung 12 aus und fließt in dem das jeweilige Innenrohr 1 1 umgebenden Außenrohr 13 zurück. Dabei kühlt der erste Kälteträger T durch indirekte Wärmeübertragung den umgebenden Erdbodenbereich 1 ab und wird anschließend, nach Verlassen des jeweiligen
Außenrohres 13 in einen Kühlträgerkreislauf 30 geführt, in dem der erwärmte erste Kälteträger T mittels einer Pumpe 31 durch einen Wärmeübertrager 32 gepumpt wird. In diesem wird der erste Kälteträger T gegen ein Kühlmittel K (z.B. Ammoniak oder C02), das in einem Kühlmittelkreislauf 33 zirkuliert, abgekühlt und wird erneut in die Innenrohre 11 der ersten Kühllanzen 10 eingeleitet.
Hierbei erwärmt sich das gasförmige Kühlmittel K, wird in einem Kompressor 34 verdichtet und sodann in einem Kondensator 36, der mit einem Kühlwasserkreislauf 37 wärmegekoppelt ist, wieder abgekühlt, über eine Drossel 35 entspannt und verflüssigt. Das solchermaßen flüssige Kühlmittel K strömt erneut in den Wärmeübertrager 32 bzw. Verdampfer 32 und kühlt dort den ersten Kälteträger T ab, wobei es verdampft wird.
Die zweiten Kühllanzen 20 sind vorzugsweise wie die ersten Kühllanzen 10 ausgebildet, wobei hier nun als zweiter Kälteträger T flüssiger Stickstoff aus einem Flüssigstickstofftank 40 in das jeweilige Innenrohr 21 eingeleitet wird, aus der jeweiligen Öffnung 22, die der Stirnseite 24 des jeweiligen Außenrohres 23
gegenüberliegt, austritt und im jeweiligen Außenrohr 23 zurückströmt. Dabei wird der zweite Kälteträger T' unter Kühlung des Erdbodenbereichs 1 verdampft, wobei die gasförmige Phase aus den Außenrohren 23 der zweiten Kühllanzen 20 austritt und sodann z.B. verworfen wird.
Bei einer reinen Sole-Kühlung kann bei Grundwasserströmungsgeschwindigkeiten V oberhalb von 2m/Tag bei einer Anordnung von ersten Kühllanzen 10 parallel zueinander entlang einer Ebene, wie sie in Fig. 2 gezeigt ist, aufgrund eines sich einstellenden Düseneffektes, der insbesondere im Zentrum zwischen benachbarten ersten Kühllanzen 10 auftritt (hier ist die Strömungsgeschwindigkeit V aufgrund des Düseneffektes deutlich höher als 2m/Tag), kein zusammenhängender Eiskörper 100 mehr erzeugt werden, der alle ersten Kühllanzen 10 einschließt, wie es in Fig. 2 (links) gezeigt ist. Vielmehr entsteht beispielsweise eine Konfiguration mit drei nicht zusammenhängenden Eiskörpern 101 , 102, 103, wobei ein zentraler Eiskörper 102 lediglich eine mittlere erste Kühllanze 10 umschließt.
Bei zusätzlicher Kühlung mittels zweiter Kühllanzen 20, in die - wie oben beschrieben - ein zweiter Kälteträger T in Form von flüssigem Stickstoff eingeleitet wird, kann auch bei einer Grundwasserströmungsgeschwindigkeit von V=2m/Tag ein erfindungsgemäß zusammenhängender Eiskörper 100 im Erdbodenbereich 1 erzeugt werden (vgl. Fig. 4). Hierzu werden die zweiten Kühllanzen 20, hier insbesondere drei zweite Kühllanzen 20, in der Strömungsrichtung S mittig vor den ersten Kühllanzen 10 angeordnet, d.h., auf der strömungszuwandten Seite 2 des geplanten Eiskörpers 100, und zwar insbesondere in einem Abstand von ca. 1 m zur durch die ersten Kühllanzen 10 aufgespannten Ebene. Der Abstand der ersten Kühllanzen 10 zueinander beträgt vorzugsweise 0,8m. Der Abstand der zweiten Kühllanzen 20 zueinander beträgt vorzugsweise 0,8m bis 1 m.
Fig. 4 zeigt ein der Fig. 2 entsprechendes Phänomen bei der Erzeugung eines hohlzylindrischen Eiskörpers 200. Während dieser bei verschwindender
Grundwasserströmungsgeschwindigkeit mit reiner Sole-Kühlung erzeugbar ist, ergibt sich bei erhöhter Grundwasserströmungsgeschwindigkeit im Bereich von V=2m/Tag wiederum ein Düseneffekt, und zwar insbesondere zwischen den mittleren ersten Kühllanzen 10 auf der strömungszugewandten Seite oder Luvseite 2 der
Kühllanzenanordnung 10 sowie ggf. auf der strömungsabgewandten Seite oder Leeseite 3, wenn auch in geringerem Ausmaß. Als mögliche nichtzusammenhängende Konfiguration ergeben sich somit z.B. eine Mehrzahl nichtzusammenhängender kleinerer zentraler Eiskörper 203 auf der Luvseite 2 bzw. Leeseite 3 sowie zwei flankierende größere Eiskörper 201 , 202.
Gemäß Fig. 5 kann wiederum auch bei einer hohlzylinderförmigen Konfiguration der ersten Kühllanzen 10 ein zusammenhängender Eiskörper 200 erzeugt werden, und zwar bei erfindungsgemäßer zusätzlicher Kühlung durch Einleiten eines zweiten Kälteträgers T in zweite Kühllanzen 20 (siehe oben), hier beispielhaft 5 zweite
Kühllanzen 20, die wiederum in der Strömungsrichtung S des Grundwassers vor je einer zugeordneten ersten Kühllanze 10 angeordnet sind, und zwar insbesondere in einem Abstand von vorzugsweise 1 m bis 2m zur durch die ersten Kühllanzen 10 aufgespannten Zylindermantelfläche bzw. der jeweils gegenüberliegenden ersten Kühllanze 10. Der Abstand der ersten Kühllanzen 10 zueinander beträgt vorzugsweise wiederum 0,8m bis 1 ,2m, beispielsweise 1 m. Der Abstand der zweiten Kühllanzen 20 zueinander beträgt vorzugsweise 0,8m bis 1 ,5m. Allgemein sind bei zweiten Kühllanzen 20 mit Stickstoff als zweitem Kälteträger T Abstände von 1 ,0 m üblich bzw. bevorzugt. Bei ersten Kühllanzen 10 mit Sole als erstem Kälteträger T sind aufgrund der erheblich höheren Temperaturen Abstände von 0,8 m bevorzugt. Werte darunter erhöhen den Aufwand, Werte darüber die Dauer des Gefrierens. Bei nicht-symmetrischen Frostkörpern oder bei symmetrischen
Frostkörpern, bei denen Kühllanzen aufgrund baulicher Gegebenheiten nicht symmetrisch ausgeführt werden können, können die Abstände der Kühllanzen 10 bzw. 20 untereinander und zueinander natürlich abweichen. Bevorzugt sind bei geraden wandartigen Eiskörpern (vgl. Fig. 3) Abstände zwischen den ersten und zweiten Kühllanzen von 1 ,0 m, bzw. bei einem Kreisquerschnitt (vgl. Fig. 5) von 1 ,5 m. Die Abstände können hier durchaus von der Geometrie des Frostkörpers 100, 200 abhängig sein.
Bezugszeichenliste
1 Erdboden bereich
2 Strömungszugewandte Seite oder Luvseite
3 Strömungsabgewandte Seite oder Leeseite
10 Erste Kühllanze
11 Innenrohr
12 Öffnung
13 Außenrohr
14 Stirnseite
20 Zweite Kühllanze
21 Innenrohr
22 Öffnung
23 Außenrohr
24 Stirnseite
30 Kälteträgerkreislauf
31 Pumpe
32 Wärmeübertrager
33 Kühlmittelkreislauf
34 Kompressor
35 Drossel
36 Kondensator
37 Kühlwasserkreislauf
40 Flüssigstickstofftank
T Erster Kälteträger
T Zweiter Kälteträger
K Kühlmittel
w Kühlwasser
s Strömung bzw. Strömungsrichtung

Claims

Patentansprüche
Verfahren zur Erzeugung eines zusammenhängenden Eiskörpers (100, 200) in einem Erdbodenbereich (1), wobei erste Kühllanzen (10) in den Erdbodenbereich (1) eingebracht werden, in dem der zusammenhängende Eiskörper (100, 200) in Gegenwart einer den Erdbodenbereich (1) durchströmenden Strömung (S) eines fluiden Strömungsmittels, insbesondere in Form von Grundwasser, zu erzeugen ist, wobei ein erster Kälteträger (T) in die ersten Kühllanzen (10) eingeleitet wird, und wobei weiterhin zumindest eine zweite Kühllanze (20) auf einer
strömungszugewandten Seite (2) der ersten Kühllanzen (10) in den
Erdbodenbereich (1) eingebracht wird und ein zweiter Kälteträger (Τ'), der eine Temperatur aufweist, die niedriger ist als die Temperatur des ersten Kälteträgers (T), in die mindestens eine zweite Kältelanze (20) eingeleitet wird, um die
Ausbildung eines zusammenhängenden Eiskörpers (100, 200) zu unterstützen, der sämtliche Kühllanzen (10, 20) umschließt.
Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass mehrere zweite Kühllanzen (20) auf der strömungszugewandten Seite (2) der ersten Kühllanzen (10) in den Erdbodenbereich (1 ) eingebracht werden und der zweite Kälteträger (Τ') in die zweiten Kühllanzen (20) eingeleitet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass der erste Kälteträger (T) und der zweite Kälteträger (Τ') gleichzeitig in die jeweiligen Kühllanzen (10, 20) eingeleitet werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass nach der Erzeugung des zusammenhängenden Eiskörpers (100, 200) das Einleiten des zweiten Kälteträgers (Τ') in die mindestens eine zweite Kühllanze (20) oder die mehreren zweiten Kühllanzen (20) gestoppt oder gedrosselt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass der erste Kälteträger (T) eine Sole ist, insbesondere eine Calciumchloridlösung.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Kälteträger (Τ') flüssiger Stickstoff ist.
7. Verfahren nach einen der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Kühllanzen (10), insbesondere zur Ausbildung eines Eiskörpers
(100) in Form einer Baugrubenwand, entlang einer Erstreckungsebene
nebeneinander, insbesondere parallel zueinander, in den Erdbodenbereich (1) eingebracht werden. 8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass die ersten Kühllanzen (10), insbesondere zur Ausbildung eines Eiskörpers (200) in Form einer Tunnelröhre, entlang einer umlaufenden Fläche nebeneinander, insbesondere parallel zueinander, in den Erdbodenbereich (1) eingebracht werden.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass die mindestens eine zweite Kühllanze (20) oder die mehreren zweiten Kühllanzen (20) jeweils in einer Strömungsrichtung (S) der Strömung (S) vor einer zugeordneten ersten Kühllanze (10) in den
Erdbodenbereich (1) eingebracht werden, wobei insbesondere die jeweilige zweite
Kühllanze (20) parallel zur zugeordneten ersten Kühllanze (10) verläuft.
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