DE102016009008A1

DE102016009008A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Gefrieren von an einen Schacht angrenzendem Erdreich mittels eines verflüssigten Gases

Info

Publication number: DE102016009008A1
Application number: DE102016009008.1A
Authority: DE
Inventors: Ralf Schmand; Abraham Sliwo
Original assignee: Linde GmbH
Current assignee: Linde GmbH
Priority date: 2016-07-26
Filing date: 2016-07-26
Publication date: 2018-02-01
Also published as: WO2018019434A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Gefrieren von an einen Schacht (10) angrenzendem Erdreich mittels eines verflüssigten Gases (F), wobei das verflüssigte Gas (F) in einem außerhalb des Schachts (10) positionierten Versorgungsbehälter (21) bereitgestellt wird, aus dem Versorgungsbehälter (21) über mindestens einen Ausgleichsbehälter (23) und über mindestens eine Verbindungsleitung (24) in mindestens eine Flüssiggas-Gefrierlanze (22) eingeleitet wird, wobei mittels der mindestens einen Flüssiggas-Gefrierlanze (22) ein Frostkörper (14) gekühlt wird, und wobei in dem mindestens einen Ausgleichsbehälter (23) eine von dem verflüssigten Gas (F) gebildete Flüssigkeitssäule unterbrochen wird. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Vorrichtung (20) mit zumindest einem Versorgungsbehälter (21) zur Aufnahme eines verflüssigten Gases (F), einer Flüssiggas-Gefrierlanze (22) und mindestens einem Ausgleichsbehälter (23), wobei der Versorgungsbehälter (21) über den mindestens einen Ausgleichsbehälter (23) sowie über mindestens eine stromab des Ausgleichsbehälters (23) angeordnete Verbindungsleitung (24) mit der Flüssiggas-Gefrierlanze (22) in Strömungsverbindung bringbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Gefrieren von an einen Schacht, insbesondere einen Tiefschacht, angrenzendem Erdreich (auch als Bodengefrieren bezeichnet) mittels eines verflüssigten Gases.
Im Tiefbau und Schachtbau werden nach dem Stand der Technik Bodengefrierverfahren eingesetzt, bei denen das Erdreich durch künstliches Gefrieren des im Boden enthaltenen Wassers verfestigt wird. Dabei wird ein Frostkörper gebildet, der z. B. die Schachtsohle für weitere Bohrungen stabilisiert und wasserundurchlässig macht.
Bei bekannten Bodenvereisungsverfahren wird unter anderem die Solekühlung eingesetzt. Dabei wird ein Kältemittel in Form einer Sole (insbesondere CaCl₂) in Rohren zur Vereisungsstelle geführt, wobei die Sole mittels einer Kälteanlage temperiert wird. Mittels dieses Verfahrens lässt sich bei Grundwasserströmungen von bis zu 2 m/Tag der Boden vereisen.
Alternativ zur Solekühlung kommt nach dem Stand der Technik beim Bodengefrieren eine Kühlung mit tiefkalt verflüssigten Gasen, wie flüssigem Stickstoff oder flüssiger Luft, zum Einsatz. Diese Methode ermöglicht insbesondere Bodenvereisungen bei Grundwasserströmungen von bis zu 12 m/Tag.
Weiterhin wird die Kühlung mit tiefkalt verflüssigten Gasen auch in Kombination mit der Solekühlung angewendet, wobei unterschiedliche Bereiche eines Sole-Frostkörpers durch Unterstützung mit einer Flüssiggas-Vereisung erstellt werden. Hierbei wird beispielsweise eine Solevereisung im Schutz einer Flüssiggasvereisung betrieben, um den Frostkörper bei größeren Grundwasserströmungen zu erstellen. Nach erfolgter Forstkörpererstellung kann die Flüssiggasvereisung beendet werden, wobei die Solevereisung den Frostkörper aufrechterhält.
Neben dem Auftreten von Grundwasserströmungen können mittels der Flüssiggasvereisung nach dem Stand der Technik auch Fehlstellen des Frostkörpers ausgebessert oder geschlossen werden. Dies ist insbesondere dann notwendig, wenn andere im Spezialtiefbau übliche Maßnahmen zur Abdichtung der Fehlstelle scheitern.
Bei der Flüssiggasvereisung werden zur Zuleitung von Flüssiggas nach dem Stand der Technik häufig Kupferrohre, insbesondere wärmeisolierte Kupferrohre oder starre oder flexible vakuumisolierte Leitungen, insbesondere Vakuum-Wellblechschläuche, eingesetzt.
Im Tiefschachtbau herrschen bei üblichen Abteuftiefen von 600–1500 m hohe geodätische Drücke, denen solche Kupferrohre und Standard-Flüssiggasleitungen nicht standhalten. Aus diesem Grund ist mit den Verfahren nach dem Stand der Technik kein Bodengefrieren mittels verflüssigten Gases in großen Tiefen möglich. Dies stellt ein Hindernis für den Schachtbau beim Auftreten von Grundwasserströmungen einer Geschwindigkeit von mehr als 2 m/Tag oder beim Entstehen von Fehlstellen des Frostkörpers dar.
Hieraus ergibt sich die Aufgabe, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Gefrieren von an einen Schacht angrenzendem Erdreich mittels eines verflüssigten Gases zur Verfügung zu stellen, das im Hinblick auf die vorgenannte Problematik verbessert ist.
Diese Aufgabe wird durch das erfindungsgemäße Verfahren nach Anspruch 1 und die erfindungsgemäße Vorrichtung nach Anspruch 6 gelöst. Ausführungsformen des Verfahrens sind in den Unteransprüchen 2 bis 5 angegeben und Ausführungsformen der Vorrichtung sind in den Unteransprüchen 7 bis 10 angegeben.
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Gefrieren von an einen Schacht, insbesondere einen Tiefschacht, angrenzendem Erdreich mittels eines verflüssigten Gases zur Verfügung gestellt. Bei dem Verfahren wird das verflüssigte Gas in einem außerhalb des Schachts, insbesondere an einer Geländeoberkante des Schachts, positionierten Versorgungsbehälter bereitgestellt, aus dem Versorgungsbehälter über mindestens einen Ausgleichsbehälter sowie über mindestens eine stromab des mindestens einen Ausgleichsbehälters angeordnete Verbindungsleitung in mindestens eine, insbesondere in dem Schacht positionierte, Flüssiggas-Gefrierlanze eingeleitet. Mittels der mindestens einen Flüssiggas-Gefrierlanze wird ein an der Sohle des Schachts und/oder am Umfang des Schachts angeordneter Frostkörper gekühlt, wobei in dem mindestens einen Ausgleichsbehälter eine von dem verflüssigten Gas gebildete Flüssigkeitssäule zur Reduktion des in der mindestens einen Verbindungsleitung herrschenden Schweredrucks des Flüssiggases unterbrochen wird.
Aufgrund der erfindungsgemäßen Reduzierung des auf der mindestens einen Verbindungsleitung herrschenden Schweredrucks wird vorteilhafterweise die mechanische Belastung der Verbindungsleitungen vermindert, wodurch auch bei großen Abteuftiefen günstige Standard-Verbindungsleitungen verwendet werden können.
In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Frostkörper indirekt durch das verflüssigte Gas gekühlt, wobei insbesondere ein zum Frostkörper geschlossenes Außenrohr der Flüssiggas-Gefrierlanze in den Frostkörper eingebracht wird, und wobei das verflüssigte Gas in einen von dem Außenrohr umschlossenen Mantelraum eingebracht wird, so dass das Außenrohr mittels des verflüssigten Gases gekühlt wird und der Frostkörper mittels des kalten Außenrohrs gekühlt wird.
In einer alternativen Ausführungsform wird der Frostkörper direkt durch das verflüssigte Gas gekühlt, wobei insbesondere das verflüssigte Gas auf den Frostkörper aufgebracht wird.
In einer weiteren Ausführungsform wird das Verfahren diskontinuierlich ausgeführt. Dabei wird das verflüssigte Gas beispielsweise zunächst in einen ersten Ausgleichsbehälter eingeleitet, anschließend nacheinander in weitere Ausgleichsbehälter eingeleitet und schließlich der mindestens einen Flüssiggas-Gefrierlanze zugeführt.
In einer alternativen Ausführungsform wird das Verfahren kontinuierlich ausgeführt. Dabei wird das verflüssigte Gas beispielsweise über ein Eingangsventil in einen jeweiligen Ausgleichsbehälter eingeleitet und gleichzeitig über ein Ausgangsventil aus dem Ausgleichsbehälter abgezogen, wobei die Flussrate des durch die Ventile strömenden verflüssigten Gases derart eingestellt wird, dass keine durchgehende Flüssigkeitssäule innerhalb des Ausgleichsbehälters vorliegt.
Die Platzierung des Versorgungsbehälters an der Geländeoberkante und Leitung des verflüssigten Gases zu der Flüssiggas-Gefrierlanze hat hierbei den Vorteil, dass das Verfahren auch bei geringen Schachtdurchmessern (z. B. im Bereich von 7 m) eingesetzt werden kann. Zudem werden zusätzliche Sicherheitsanforderungen bei einer Positionierung des Versorgungsbehälters direkt an der Sohle vermieden.
Die Verwendung mehrerer Verbindungsleitungen mit dazwischen positionierten Ausgleichsbehältern hat den Vorteil, dass durch die Unterbrechung der Flüssigkeitssäule in den Ausgleichsbehältern der auf den Verbindungsleitungen lastende geodätische Druck deutlich reduziert wird. Beispielsweise würde bei einer Verwendung einer einzigen Verbindungsleitung ohne Ausgleichsbehälter, einem Versorgungsbehälterdruck von 10 bar und einer Tiefe von 800 m ein geodätischer Druck von ca. 90 bar auf der jeweiligen Verbindungsleitung lasten. Bei einer Positionierung von erfindungsgemäßen Ausgleichsbehältern im Abstand von ca. 150 m entlang der Tiefe des Schachts würde dagegen nur ein Druck von ca. 25 bar auf der jeweiligen Verbindungsleitung lasten, was dem zulässigen Betriebsdruck von üblicherweise verwendeten vakuumisolierten Leitungen entspricht. Durch die Möglichkeit, Standardleitungen zu verwenden, verringern sich vorteilhafterweise die Kosten des erfindungsgemäßen Verfahrens verglichen mit Verfahren des Stands der Technik.
Bei geringen Durchflussraten des Systems, z. B. bei einer Vereisung von kleineren Fehlstellen des Frostkörpers oder bei relativ warmen Abgastemperaturen von ca. –60°C, kommt es bei Verfahren nach dem Stand der Technik häufig zu einem Abreißen der Flüssigkeitssäule und somit zu einer Unterbrechung der Flüssiggasversorgung. Das erfindungsgemäße Verfahren kann vorteilhafterweise dazu verwendet werden, bei solchen Bedingungen die konstante Versorgung mit verflüssigtem Gas an der mindestens einen Flüssiggas-Gefrierlanze sicherzustellen.
Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es möglich, in Tiefschächten auftretende Grundwasserströmungen im Bereich von mehr als 2 m/Tag mit verflüssigtem Gas zu vereisen. Hierdurch wird auf kostengünstige Weise zusätzliche Verfahrenssicherheit bei der Erstellung von Tiefschächten geboten, insbesondere bei Auftreten von unbekannten geologischen Fehlstellen und/oder Grundwasserandrang. Zudem kann das erfindungsgemäße Verfahren bei überraschendem Auftreten von Grundwasserströmungen in großen Tiefen mit geringerem technischem Aufwand realisiert werden als vergleichbare Maßnahmen bei der Solevereisung wie Erhöhung der Pumpenleistung und/oder Setzen zusätzlicher Bohrlöcher und Sole-Vereisungslanzen.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann auch bei langen Versorgungswegen z. B. bei Tunnelvortrieben, Querschlägen mit weit entferntem Startschacht oder bei anderen Mienenvortrieben eingesetzt werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die Sohle des Schachts eine Abteuftiefe von 150 m bis 1500 m, insbesondere 300 m bis 1500 m, auf.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens ist das verflüssigte Gas flüssiger Stickstoff (LIN).
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens wird das verflüssigte Gas über eine Mehrzahl von Ausgleichsbehältern in die mindestens eine Flüssiggas-Gefrierlanze eingeleitet, wobei die Ausgleichsbehälter in Reihe miteinander in Strömungsverbindung bringbar sind, so dass in jedem Ausgleichsbehälter die von dem verflüssigten Gas gebildete Flüssigkeitssäule zur Reduktion des in der jeweiligen stromab angeordneten Verbindungleitung herrschenden Schweredrucks des verflüssigten Gases unterbrochen wird. Vorzugsweise sind je zwei benachbarte Ausgleichbehälter über eine Verbindungsleitung mit einander strömungsverbunden bzw. -verbindbar.
Durch eine Verwendung mehrerer Ausgleichsbehälter lässt sich eine Versorgung mit verflüssigtem Gas auch in größeren Abteuftiefen mit Standard-Verbindungsleitungen realisieren.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens wird aus mindestens einem Ausgleichsbehälter eine durch Verdampfen des verflüssigten Gases gebildete gasförmige Phase abgezogen.
Die Bildung einer solchen gasförmigen Phase kommt insbesondere durch Wärmeverluste in den Verbindungsleitungen sowie durch den Druckabfall bei der Einleitung des verflüssigten Gases in die Ausgleichsbehälter zustande. Mittels des Abziehens der gasförmigen Phase wird diese vorteilhafterweise aus dem System entfernt.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens wird die gasförmige Phase einem Abgassystem der mindestens einen Flüssiggas-Gefrierlanze zugeführt.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens wird die gasförmige Phase an der Geländeoberkante abgeblasen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens wurde der Frostkörper zuvor durch Gefrieren des Erdreichs mittels einer Sole, insbesondere durch eine Solekühlung, erzeugt.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist der Schacht an seinem äußeren Umfang einen durch die Solekühlung erzeugten Sole-Gefrierkörper auf, wobei der Sole-Gefrierkörper an der Sohle des Schachts in den Frostkörper übergeht, und wobei der Frostkörper mittels der Flüssiggas-Gefrierlanze ertüchtigt wird.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens wird der Druck in dem mindestens einen Ausgleichsbehälter (oder in den mehreren Ausgleichsbehältern) und/oder in der mindestens eine Verbindungsleitung (oder in den mehreren Verbindungsleitungen) gesteuert oder geregelt.
Hierdurch kann vorteilhafterweise die Versorgung der mindestens einen Flüssiggas-Gefrierlanze mit verflüssigtem Gas bei verschiedenen Bedingungen aufrechterhalten werden.
Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird eine Vorrichtung zum Gefrieren von an einen Schacht angrenzendem Erdreich mittels eines verflüssigten Gases, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach dem ersten Aspekt der Erfindung, zur Verfügung gestellt. Dabei weist die Vorrichtung zumindest die folgenden Komponenten auf: einen Versorgungsbehälter zur Aufnahme eines verflüssigten Gases, mindestens eine Flüssiggas-Gefrierlanze zum Kühlen eines Frostkörpers mittels des verflüssigten Gases und mindestens einen Ausgleichsbehälter zur Aufnahme des verflüssigen Gases. Der Versorgungsbehälter ist über den mindestens einen Ausgleichsbehälter sowie über mindestens eine stromab des mindestens einen Ausgleichsbehälters angeordnete Verbindungsleitung mit der mindestens einen Flüssiggas-Gefrierlanze in Strömungsverbindung bringbar, so dass in dem mindestens einen Ausgleichsbehälter eine von dem verflüssigten Gas gebildete Flüssigkeitssäule zur Reduktion des in der mindestens einen Verbindungsleitung herrschenden Schweredrucks des Flüssiggases unterbrechbar ist.
Insbesondere weist die Flüssiggas-Gefrierlanze ein geschlossenes Außenrohr auf, welches einen Mantelraum einschließt, wobei in dem Mantelraum ein Innenrohr zum Einleiten verflüssigten Gases in den Mantelraum angeordnet ist, so dass das Außenrohr mittels des eingeleiteten verflüssigten Gases kühlbar ist, und wobei die Flüssiggas-Gefrierlanze dazu ausgebildet ist, einen Frostkörper mittels des kalten Außenrohrs zu kühlen.
Alternativ dazu kann die Flüssiggas-Gefrierlanze auch dazu ausgebildet sein, einen Frostkörper durch direktes Aufbringen eines verflüssigten Gases auf den Frostkörper zu kühlen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist das verflüssigte Gas in dem Versorgungsbehälter einen Druck von 2 bar bis 14 bar auf.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die mindestens eine Verbindungsleitung als starre oder flexible vakuumisolierte Leitung, insbesondere als Vakuum-Wellblechschlauch, als Kupferrohr, insbesondere als wärmeisoliertes Kupferrohr, oder als Edelstahlleitung, insbesondere als wärmeisolierte Edelstahlleitung, ausgeführt.
Gemäß einer Ausführungsform weist die mindestens eine Verbindungsleitung jeweils eine Länge von 25 m bis 200 m auf.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die mindestens eine Verbindungsleitung flexibel.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die mindestens eine Verbindungsleitung gegenüber ihrer jeweiligen Umgebung thermisch isoliert, insbesondere vakuumisoliert.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist der mindestens eine Ausgleichsbehälter ein maximales Füllvolumen von 0,1m³ bis 10 m³ auf.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist der mindestens eine Ausgleichsbehälter gegenüber seiner Umgebung thermisch isoliert, insbesondere vakuumisoliert oder konventionell isoliert. Eine konventionelle Isolierung kann z. B. durch eine Schaumisolierung (FEF, PUR oder vergleichbare Dämmstoffe) realisiert sein.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die Vorrichtung eine Mehrzahl von Ausgleichsbehältern auf, die in Reihe miteinander in Strömungsverbindung bringbar sind.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist der mindestens eine Ausgleichsbehälter jeweils ein Eingangsventil und ein Ausgangsventil auf, wobei das Eingangsventil dazu ausgebildet ist, eine Strömungsverbindung zwischen einer stromauf des mindestens einen Ausgleichsbehälters angeordneten Verbindungsleitung und dem Ausgleichsbehälter zu verschließen oder zu drosseln, und wobei das Ausgangsventil dazu ausgebildet ist, eine Strömungsverbindung zwischen der stromab des mindestens einen Ausgleichsbehälters angeordneten Verbindungsleitung und dem Ausgleichsbehälter zu verschließen oder zu drosseln, und wobei mittels der stromauf des mindestens einen Ausgleichsbehälters angeordneten Verbindungsleitung das verflüssigte Gas in den mindestens einen Ausgleichsbehälter einleitbar ist, und wobei mittels der stromab des mindestens einen Ausgleichsbehälters angeordneten Verbindungsleitung das verflüssigte Gas aus dem mindestens einen Ausgleichsbehälter abziehbar ist.
Durch die Eingangs- und Ausgangsventile kann der in den Ausgleichsbehältern und/oder den Verbindungsleitungen lastende Druck vorteilhafterweise reguliert werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist der mindestens eine Ausgleichsbehälter jeweils eine Gasaustrittsöffnung auf, wobei mittels der Gasaustrittsöffnung eine gasförmige Phase des verflüssigten Gases aus dem Ausgleichsbehälter abziehbar ist, wobei insbesondere der Ausgleichsbehälter ein Gasaustrittsventil aufweist, welches die Gasaustrittsöffnung bildet.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die Vorrichtung eine Einrichtung zur Steuerung und/oder Regelung des mindestens einen Eingangsventils und/oder des mindestens einen Ausgangsventils und/oder des mindestens einen Gasaustrittsventils auf, so dass mittels der Einrichtung der in dem mindestens einen Ausgleichsbehälter und/oder in der mindestens einen Verbindungsleitung herrschende Druck steuerbar und/oder regelbar ist.
Insbesondere ist die Einrichtung zur Regelung des mindestens einen Eingangsventils und/oder des mindestens einen Ausgangsventils und/oder des mindestens einen Gasaustrittsventils als Zweipunktregler oder Stetigregler ausgeführt, der in Abhängigkeit der Menge des verflüssigten Gases, die von der mindestens einen Flüssiggas-Gefrierlanze verbraucht wird, die Eingangs- und/oder Ausgangs- und/oder Gasaustrittsventile regelt.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung sollen durch die nachfolgende Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand von Figuren erläutert werden. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines Schachts mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Bodengefrieren mittels eines verflüssigten Gases an einer Sohle eines Schachts, und
2 eine schematische Darstellung einer Flüssiggas-Gefrierlanze.
Im Einzelnen zeigt die 1 einen Schacht 10 mit einer Abteuftiefe 13 (kurz: Tiefe 13), wobei der Schacht 10 in Richtung seiner Tiefe 13 zwischen einer Geländeoberkante 11 und einer Sohle 12 erstreckt ist. Weiterhin ist ein Frostkörper 14 aus gefrorenem Erdreich gezeigt, wobei der Frostkörper 14 den Schacht 10 an der Sohle 12 und am Umfang des Schachts 10 umgibt. Am Umfang des Schachts 10 ist eine optionale Sole-Gefrierlanze 15 gezeigt, die dazu ausgebildet ist, den Frostkörper 14 durch Kühlung des Bodens zu erzeugen oder aufrechtzuerhalten.
An bzw. in dem Schacht 10 ist eine erfindungsgemäße Vorrichtung 20 zum Bodengefrieren mittels eines verflüssigten Gases F angeordnet. Die Vorrichtung 20 weist einen Versorgungsbehälter 21 auf, der zumindest teilweise mit einem verflüssigten Gas F, insbesondere flüssigem Stickstoff, gefüllt ist. Insbesondere handelt es sich bei dem Versorgungsbehälter 21 um einen gegenüber der Umgebung wärmeisolierten Kryotank.
Die Vorrichtung 20 weist weiterhin eine Flüssiggas-Gefrierlanze 22 auf, die aus dem Versorgungsbehälter 21 mit verflüssigtem Gas F versorgt werden kann. Mittels der Flüssiggas-Gefrierlanze 22 kann durch das verflüssigte Gas F der Boden gekühlt werden, so dass der Boden bei geeigneter Anwendung der Flüssiggas-Gefrierlanze 22 gefriert. Dabei wird die Flüssiggas-Gefrierlanze 22 insbesondere in einen Frostkörper 14 eingebracht. In der Darstellung der 1 ist die Flüssiggas-Gefrierlanze 22 an der Sohle 12 des Schachts angeordnet. Es sind jedoch auch andere Anordnungen denkbar, insbesondere eine Anordnung der Flüssiggas-Gefrierlanze am Umfang des Schachts 10.
Die Flüssiggas-Gefrierlanze 22 kann in einer Ausführungsform der Erfindung zur indirekten Kühlung des Frostkörpers 22 über ein zum Frostkörper 14 geschlossenes kaltes Außenrohr 220 ausgebildet sein. Dabei ist die Flüssiggas-Gefrierlanze 22 insbesondere entsprechend der Darstellung in 2 ausgeführt. Alternativ dazu kann die Flüssiggas-Gefrierlanze 22 dazu ausgebildet sein, den Frostkörper 14 durch Aufbringen des verflüssigten Gases F auf den Frostkörper 14 direkt zu kühlen. Bei beiden alternativen Ausführungsformen kann der Frostkörper 14 mittels einer Solekühlung erzeugt und/oder zusätzlich gekühlt sein.
Die Vorrichtung 20 weist weiterhin eine Mehrzahl von Ausgleichsbehältern 23 auf. In der 1 sind drei Ausgleichsbehälter 23a, 23b, 23c gezeigt, die Erfindung ist aber nicht auf diese Anzahl beschränkt.
Der Versorgungsbehälter 21 ist über eine stromauf des ersten Ausgleichsbehälters 23a angeordnete Verbindungsleitung 24 mit einem ersten Ausgleichsbehälter 23a, welcher in dem Schacht 10 angeordnet ist, in Strömungsverbindung bringbar, so dass verflüssigtes Gas F mittels der Verbindungsleitung 24 aus dem Versorgungsbehälter 21 in den ersten Ausgleichsbehälter 23a eingeleitet werden kann.
Mittels eines Versorgungsventils 29 kann die Strömungsverbindung zwischen dem Versorgungsbehälter 21 und dem ersten Ausgleichsbehälter 23a gedrosselt oder unterbrochen werden.
Der erste Ausgleichsbehälter 23a weist ein Eingangsventil 25 und ein Ausgangsventil 26 auf, wobei die Verbindungsleitung 24 zwischen dem Versorgungsbehälter 21 und dem ersten Ausgleichsbehälter 23a mit dem Eingangsventil 25 des ersten Ausgleichsbehälters 23a in Strömungsverbindung steht. Über das Eingangsventil 25 kann der Fluss des aus der Verbindungsleitung 24 in den ersten Ausgleichsbehälter 23a einströmenden verflüssigten Gases F gedrosselt werden oder die Strömungsverbindung kann mittels des Eingangsventils 25 unterbrochen werden.
Weiterhin weist der erste Ausgleichsbehälter 23a ein Ausgangsventil 26 auf, wobei der erste Ausgleichsbehälter 23a über das Ausgangsventil 26 und eine Verbindungsleitung 24 mit einem Eingangsventil 25 eines zweiten Ausgleichsbehälters 23b verbunden ist, so dass verflüssigtes Gas F aus dem ersten Ausgleichsbehälter 23a über die Verbindungsleitung 24 in den zweiten Ausgleichsbehälter 23b eingeleitet werden kann. Der zweite Ausgleichsbehälter 23b ist mittels seines Ausgangsventils 26 über eine weitere Verbindungsleitung 24 mit dem Eingangsventil 25 eines dritten Ausgleichsbehälters 23c verbunden. Der dritte Ausgleichsbehälter 23c ist in der hier dargestellten Ausführungsform über sein Ausgangsventil 26 mittels einer Verbindungsleitung 24 mit einer an der Sohle 12 des Schachts 10 positionierten Flüssiggas-Gefrierlanze 22 verbunden. Somit kann aus dem Versorgungsbehälter 21 über die Ausgleichsbehälter 23a, 23b, 23c verflüssigtes Gas F in die Flüssiggas-Gefrierlanze 22 eingeleitet werden. Die Ausgleichsbehälter 23a, 23b, 23c sind dabei in Reihe geschaltet, so dass das verflüssigte Gas F die Ausgleichsbehälter 23a, 23b, 23c nacheinander durchströmt.
Die Verbindungsleitungen 24 sind insbesondere als starre oder flexible vakuumisolierte Leitungen, z. B. Vakuum-Wellrohrschläuche, ausgeführt.
Der zweite Ausgleichsbehälter 23b ist dabei bei einer größeren Tiefe in dem Schacht 10 positioniert als der erste Ausgleichsbehälter 23a und der dritte Ausgleichsbehälter 23c ist bei einer größeren Tiefe angeordnet als der zweite Ausgleichsbehälter 23b. Bis zu der Position des Eingangsventils 25 des ersten Ausgleichsbehälters 23a lastet ein Schweredruck auf der Verbindungsleitung 24 zwischen dem Versorgungsbehälter 21 und dem ersten Ausgleichsbehälter 23a, welcher von der Höhe der Flüssigkeitssäule des verflüssigten Gases F von der Geländeoberkante 11 bzw. des Füllstands des Versorgungsbehälters 21 bis zu der entsprechenden Position des der Verbindungsleitung 24 abhängt. Mittels des Eingangsventils 25 wird die Strömungsverbindung zwischen der mit dem Eingangsventil 25 verbundenen Verbindungsleitung 24 und dem ersten Ausgleichsbehälter 23a derart unterbrochen oder gedrosselt, dass die Flüssigkeitssäule in dem ersten Ausgleichsbehälter 23a abreißt. Dadurch lastet auf der Verbindungsleitung 24 zwischen dem ersten Ausgleichsbehälters 23a und dem zweiten Ausgleichsbehälter 23b lediglich ein geodätischer Druck aufgrund der Höhe der Flüssigkeitssäule zwischen dem ersten Ausgleichsbehälter 23a und der entsprechenden Position der Verbindungsleitung 24.
In dem zweiten Ausgleichsbehälter 23b und in dem dritten Ausgleichsbehälter 23c reißt die Flüssigkeitssäule des verflüssigten Gases F ebenfalls ab, so dass mehrere getrennte Flüssigkeitssäulen zwischen den jeweiligen Ausgleichsbehältern 23 gebildet werden. Dadurch lastet auf den jeweiligen Verbindungsleitungen 24 ein entsprechend erniedrigter Druck im Vergleich zu dem Druck, der bei einer durchgehenden Flüssigkeitssäule zwischen dem Versorgungsbehälter 21 und der Flüssiggas-Gefrierlanze 22 an der entsprechenden Position der entsprechenden Verbindungsleitung 24 herrschen würde.
Die Vorrichtung 20 weist weiterhin eine Einrichtung 28 zur Steuerung und/oder Regelung auf, die über entsprechende elektrische Leitungen 28a mit den Eingangsventilen 25 und den Ausgangsventilen 26 verbunden ist, so dass ein Öffnen und Schließen der Eingangs- und Ausgangsventile 25,26 der Ausgleichsbehälter 23 und/oder ein Drosseln des Stroms des verflüssigten Gases F durch die Eingangs- und Ausgangsventile 25,26 mittels der Einrichtung 28 steuerbar bzw. regelbar ist. Das Öffnen und Schließen des Versorgungsventils 29 kann ebenfalls mittels der Einrichtung 28 steuerbar bzw. regelbar sein.
Die Ausgleichsbehälter 23 weisen weiterhin jeweils eine Gasaustrittsöffnung 27 auf, mittels der eine durch Verdampfen des verflüssigten Gases F in dem jeweiligen Ausgleichsbehälter 23 entstehende gasförmige Phase G aus dem Ausgleichsbehälter 23 abgezogen werden kann. Insbesondere weist der Ausgleichsbehälter 23 ein Gasaustrittsventil 27a auf, das die Gasaustrittsöffnung 27 bildet. Dabei ist optional auch das Gasaustrittsventil 27a mittels der Einrichtung 28 steuerbar bzw. regelbar.
Die 2 zeigt eine Flüssiggas-Gefrierlanze 22 zur indirekten Kühlung eines Frostkörpers 14, wobei die Flüssiggas-Gefrierlanze 22 teilweise in dem Frostkörper 14 angeordnet ist. Die Flüssiggas-Gefrierlanze 22 weist ein zu dem Frostkörper 14 hin geschlossenes Außenrohr 220 auf, welches einen Mantelraum 222 einschließt. In dem Mantelraum 222 ist ein Innenrohr 221 angeordnet. Mittels des Innenrohrs 221 kann verflüssigtes Gas F in den Mantelraum 222 eingeleitet werden, wodurch das Außenrohr 220 gekühlt wird. Der Frostkörper 14 wird durch Wärmeleitung von dem kalten Außenrohr 220 auf den Frostkörper 14 gekühlt, wobei das in dem Mantelraum 222 befindliche verflüssigte Gas F erwärmt wird und insbesondere unter Bildung einer gasförmigen Phase G verdampft. Die gasförmige Phase G wird mittels einer Gasleitung 223 aus der Flüssiggas-Gefrierlanze 22 abgezogen. Bei dem beschriebenen Vorgang wirkt das Außenrohr 220 insbesondere als Wärmeübertrager.
Bezugszeichenliste

10: Schacht
11: Geländeoberkante
12: Sohle
13: Tiefe
14: Frostkörper
15: Sole-Gefrierlanze
20: Vorrichtung
21: Versorgungsbehälter
22: Flüssiggas-Gefrierlanze
220: Außenrohr
221: Innenrohr
222: Mantelraum
223: Gasleitung
23: Ausgleichsbehälter
23a: Erster Ausgleichsbehälter
23b: Zweiter Ausgleichsbehälter
23c: Dritter Ausgleichsbehälter
24: Verbindungsleitung
25: Eingangsventil
26: Ausgangsventil
27: Gasaustrittsöffnung
27a: Gasaustrittsventil
28: Einrichtung zur Steuerung und/oder Regelung
28a: Elektrische Leitung
29: Versorgungsventil
F: Verflüssigtes Gas
G: Gasförmige Phase

Claims

Verfahren zum Gefrieren von an einen Schacht (10) angrenzendem Erdreich mittels eines verflüssigten Gases (F), wobei das verflüssigte Gas (F) in einem außerhalb des Schachts (10) positionierten Versorgungsbehälter (21) bereitgestellt wird und aus dem Versorgungsbehälter (21) über mindestens einen Ausgleichsbehälter (23) sowie über mindestens eine stromab des mindestens einen Ausgleichsbehälters (23) angeordnete Verbindungsleitung (24) in mindestens eine Flüssiggas-Gefrierlanze (22) eingeleitet wird, wobei mittels der mindestens einen Flüssiggas-Gefrierlanze (22) ein an der Sohle (12) des Schachts (10) und/oder am Umfang des Schachts (10) angeordneter Frostkörper (14) gekühlt wird, und wobei in dem mindestens einen Ausgleichsbehälter (23) eine von dem verflüssigten Gas (F) gebildete Flüssigkeitssäule zur Reduktion des in der mindestens einen Verbindungsleitung (24) herrschenden Schweredrucks des Flüssiggases unterbrochen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das verflüssigte Gas (F) flüssiger Stickstoff (LIN) ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei das verflüssigte Gas (F) über eine Mehrzahl von Ausgleichsbehältern (23) in die mindestens eine Flüssiggas-Gefrierlanze (22) eingeleitet wird, wobei die Ausgleichsbehälter (23) in Reihe miteinander in Strömungsverbindung bringbar sind.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei aus mindestens einem Ausgleichsbehälter (23) eine durch Verdampfen des verflüssigten Gases (F) gebildete gasförmige Phase (G) abgezogen wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Frostkörper (14) zuvor durch Gefrieren des Erdreichs mittels einer Sole erzeugt wurde.
Vorrichtung (20) zum Gefrieren von an einen Schacht (10) angrenzendem Erdreich mittels eines verflüssigten Gases (F), wobei die Vorrichtung (20) zumindest die folgenden Komponenten aufweist: – einen Versorgungsbehälter (21) zur Aufnahme eines verflüssigten Gases (F), – mindestens eine Flüssiggas-Gefrierlanze (22) zum Kühlen eines Frostkörpers (14) mittels des verflüssigten Gases (F), dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (20) mindestens einen Ausgleichsbehälter (23) zur Aufnahme des verflüssigen Gases (F) aufweist, wobei der Versorgungsbehälter (21) über den mindestens einen Ausgleichsbehälter (23) sowie über mindestens eine stromab des mindestens einen Ausgleichsbehälters (23) angeordnete Verbindungsleitung (24) mit der mindestens einen Flüssiggas-Gefrierlanze (22) in Strömungsverbindung bringbar ist, so dass in dem mindestens einen Ausgleichsbehälter (23) eine von dem verflüssigten Gas (F) gebildete Flüssigkeitssäule zur Reduktion des in der mindestens einen Verbindungsleitung (24) herrschenden Schweredrucks des Flüssiggases unterbrechbar ist.
Vorrichtung (20) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (20) eine Mehrzahl von Ausgleichsbehältern (23) aufweist, die in Reihe miteinander in Strömungsverbindung bringbar sind.
Vorrichtung (20) nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Ausgleichsbehälter (23) jeweils ein Eingangsventil (25) und ein Ausgangsventil (26) aufweist, wobei das Eingangsventil (25) dazu ausgebildet ist, eine Strömungsverbindung zwischen einer stromauf des mindestens einen Ausgleichsbehälters (23) angeordneten Verbindungsleitung (24) und dem Ausgleichsbehälter (23) zu verschließen oder zu drosseln, und wobei das Ausgangsventil (26) dazu ausgebildet ist, eine Strömungsverbindung zwischen der stromab des mindestens einen Ausgleichsbehälters angeordneten Verbindungsleitung (24) und dem Ausgleichsbehälter (23) zu verschließen oder zu drosseln, und wobei mittels der stromauf des mindestens einen Ausgleichsbehälters (23) angeordneten Verbindungsleitung (24) das verflüssigte Gas (F) in den mindestens einen Ausgleichsbehälter (23) einleitbar ist, und wobei mittels der stromab des mindestens einen Ausgleichsbehälters (23) angeordneten Verbindungsleitung (24) das verflüssigte Gas (F) aus dem mindestens einen Ausgleichsbehälter (23) abziehbar ist.
Vorrichtung (20) nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Ausgleichsbehälter (23) jeweils eine Gasaustrittsöffnung (27) aufweist, wobei mittels der Gasaustrittsöffnung (27) eine gasförmige Phase (G) des verflüssigten Gases aus dem mindestens einen Ausgleichsbehälter (23) abziehbar ist, wobei insbesondere der mindestens eine Ausgleichsbehälter (23) ein Gasaustrittsventil (27a) aufweist, welches die Gasaustrittsöffnung (27) bildet.
Vorrichtung (20) nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (20) eine Einrichtung (28) zur Steuerung und/oder Regelung des mindestens einen Eingangsventils (25) und/oder des mindestens einen Ausgangsventils (26) und/oder des mindestens einen Gasaustrittsventils (27a) aufweist, so dass mittels der Einrichtung (28) der in dem mindestens einen Ausgleichsbehälter (23) und/oder in der mindestens einen Verbindungsleitung (24) herrschende Druck steuerbar bzw. regelbar ist.