EP3063335B1 - Verfahren zur erzeugung eines zusammenhängenden eiskörpers bei einer bodenvereisung - Google Patents

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EP3063335B1
EP3063335B1 EP14789993.4A EP14789993A EP3063335B1 EP 3063335 B1 EP3063335 B1 EP 3063335B1 EP 14789993 A EP14789993 A EP 14789993A EP 3063335 B1 EP3063335 B1 EP 3063335B1
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EP
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cooling
lances
ice body
heat transport
cooling lances
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EP14789993.4A
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EP3063335A1 (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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    • 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.
  • brine cooling is an established and safe variant of bottom freezing and subsoil safety that is superior to other methods such as e.g. concrete injection is quite competitive.
  • 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 DE-A1-1501466 describes a device for cooling or freezing a substrate with an elongated container which is introduced into the substrate to be cooled and in which a top and bottom open tube is arranged, via which a heat exchange fluid can be supplied.
  • the invention is based on the object of providing a method which makes it possible to produce a coherent ice body.
  • the ice body is thus produced by cooling the ground area, wherein the brine flowing through the cooling lances cools the ground area by indirect heat exchange such that said ice body is formed by corresponding frosting of the ground area, ie water present in the ground area is frozen and forms together with the frozen solids of the soil area the ice body.
  • 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 introduction of the first refrigerant into the first cooling lances and the introduction of the second refrigerant in the second cooling lances simultaneously.
  • the invention advantageously offers greater process reliability, since the continuous icing can be achieved even at comparatively high flow velocities of up to 6 m / day. This is a decisive advantage, especially in the case of unclear groundwater velocity conditions.
  • the pre-cooling assisted by the second coolant significantly shortens the freezing phase.
  • the additional costs for the additional cooling by means of the second refrigerant (in particular nitrogen) can be compensated or even overcompensated by the savings due to the shorter freezing phase.
  • the considered soil for the unfrozen fall can be modeled as a three-phase model consisting of solid, water or fluid and air. Since full referencing can be assumed for referral measures, a two-phase model for the unfrozen soil consists of solid and water or fluid. In the course of the freezing process or the formation of the ice body, the water phase is reduced with simultaneous increase of the ice phase. Experience shows that even at about -2 ° C for 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).
  • a plurality of second cooling lances are introduced on the flow-facing side of the first cooling lances in the ground area and the second refrigerant in the second Cooling lances is initiated. 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 forming an ice body in the form of a construction pit wall, are introduced into the earth area in an extension plane next to one another, in particular parallel to one another.
  • the first cooling lances in particular for forming a frost body in the form of a hollow cylinder or a tunnel tube, along a circumferential imaginary surface (eg in the form of a cylinder jacket, in particular circular cylinder jacket) side by side, in particular parallel to each other, in the soil area are introduced.
  • 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 shows a schematic representation of a system according to the invention or a method according to the invention for producing a continuous ice or frost body 100, 200, as he eg in the Figures 3 and 5 is shown.
  • first cooling lances 10 introduced into the soil region 1 (these can be introduced vertically and horizontally into the soil region 1), into which a first cold carrier T in the form of a brine.
  • Solution eg CaCl 2
  • second cooling lance 20 in which 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 '(eg liquid nitrogen) can be throttled or completely stopped.
  • 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 11 up to an opening 12 of the respective inner tube 11, which faces an end wall 14 of the respective outer tube 13, exits from the respective opening 12 and flows back into the outer tube 13 surrounding the respective inner tube 11 ,
  • the first coolant T cools by indirect heat transfer from the surrounding soil area 1 and is then, after leaving the respective outer tube 13 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 coolant T is cooled against a coolant K (for example, ammonia or CO 2 ) circulating in a coolant circuit 33 and is reintroduced into the inner tubes 11 of the first cooling lances 10.
  • a coolant K for example, ammonia or CO 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, here now 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 which is opposite the end face 24 of the respective outer tube 23 , exits and flows back in the respective outer tube 23.
  • 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.
  • 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 the first cooling lances 10 spanned plane.
  • 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 1m.
  • a plurality of non-contiguous smaller central ice bodies 203 on the windward side 2 and / or leeward side 3 as well as two flanking larger ice bodies 201, 202 result as a possible non-contiguous configuration.
  • a coherent ice body 200 can also be generated, 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 1m to 2m to the clamped by the first cooling lances 10 cylinder jacket surface and the respective opposite first cooling lance 10.
  • Der Distance of the first cooling lances 10 to each other is preferably in turn 0.8m to 1.2m, for example, 1m.
  • the distance between the second cooling lances 20 to each other is preferably 0.8m to 1.5m.

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Description

  • 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.
  • Die DE-A1-1501466 beschreibt eine Vorrichtung zum Kühlen oder Gefrieren eines Untergrunds mit einem länglichen Behälter, der in den zu kühlenden Untergrund eingebracht wird und in dem ein oben und unten offenes Rohr angeordnet ist, über welches ein Wärmeaustauschfluid zugeführt werden kann.
  • 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 Eis- oder 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. CaCl2) 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 11 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 11 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 11 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 CO2), 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. 1m 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 1m.
  • 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 1m 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 1m. 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 Erdbodenbereich
    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 (9)

  1. 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, dadurch gekennzeichnet, dass 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.
  2. 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 (T') in die zweiten Kühllanzen (20) eingeleitet wird.
  3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Kälteträger (T) und der zweite Kälteträger (T') gleichzeitig in die jeweiligen Kühllanzen (10, 20) eingeleitet werden.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nach der Erzeugung des zusammenhängenden Eiskörpers (100, 200) das Einleiten des zweiten Kälteträgers (T') in die mindestens eine zweite Kühllanze (20) oder die mehreren zweiten Kühllanzen (20) gestoppt oder gedrosselt wird.
  5. 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 (T') 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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