用于在地面冻结过程中制备接续冰体的方法

本发明涉及一种用于在地面冻结过程中制备接续冰体(contiguous ice body)的方法。

在本说明书中，盐水冷却是一种成熟且安全的地面冻结和地基土壤固定方法，其完全可以与诸如混凝土灌注的其他方法相比拟。然而，试验表明当地下水速度大于2m/天时盐水冷却达到了它的极限，即，通常不能再制备包围所有冷却枪的连续的整体冰体(也称为霜体(frost body))。其中，该现象的一个原因是发生喷嘴效应。围绕冷却枪生长的冰体限制了地下水或者流动介质的流动横截面。这相应地增大了冰体边缘的流动速度和热流密度。在形成紧密结合(cohesive)的冰体之前，可以达到冰体不再生长的稳定状态。

基于这些情况，本发明旨在获得可以制备接续冰体的方法。

利用具有权利要求1所述的特征的方法达到该目的。

因此，本发明的用于通过冻结地面区域或其一部分在地面区域中制备接续冰体的方法提出将第一冷却枪插入地面区域，其中在存在流动性的流动介质，特别是地下水流过地面区域的流的情况下，制备连续霜体，其中将第一冷冻剂引入第一冷却枪中以便分别冷却或冻结地面区域，并且其中还将至少一个第二冷却枪插入第一冷却枪面对所述流的侧上的地面区域中以便分别冷却或冻结地面区域，并将温度低于第一冷冻剂温度的第二冷冻剂引入至少一个第二冷却枪中以便促进形成包围所有第一和第二冷却枪的接续冰体。

因此，现在通过冷却地面区域制备冰体，其中流过冷却枪的冷冻剂因为间接热交换而冷却地面区域，从而相应地通过冻结地面区域形成所述冰体，即存在于地面区域中的水冻结并且与在其中冻结的地面区域的固体一起形成冰体。

根据本发明，形成的接续冰体包围参与冷却过程的所有插入的第一和第二冷却枪。在本说明书中，连续指的是连续路径，即该冰体的任意 两点可以通过完全位于冰体中的路径连接，而不是例如通过地面区域的非冻结区域延伸。以下进一步描述冷却枪的一种可能的设计。

第一冷冻剂优选地是盐水，特别地为氯化钙溶液，其温度范围为-30℃至-45℃。氯化钙溶液的最大盐含量优选地为30％。

第二冷冻剂优选地是液氮，特别地，温度为-196℃(即在标准条件下向气相转变时的温度)。

使用大约具有上述温度的其他第一和第二冷冻剂自然也是可以的。

优选地，同时将第一冷冻剂引入到第一冷却枪中以及将第二冷冻剂引入到第二冷却枪中。

由于第二冷冻剂的温度相对较低，在这种情况下尽管有所述的喷嘴效应，也可以制备紧密结合或接续冰体，其中在初始冻结相之后可以有利地减少或者完全停止第二冷冻剂流过第二冷却枪，在此期间制备接续冰体。

本发明有利地提供了更高的过程可靠性，因为在高达6m/天的比较高的流速下也可以实现连续冻结。特别地，在地下水速度不清楚的环境下，这是决定性的优点。由于借助于第二冷冻剂的预冷却显著缩短了初始冻结相。借助于第二冷冻剂(具体为氮)的另一冷却的附加费用可以由缩短初始冻结相节约的费用补偿甚至过度补偿。

对于未冻结状态来说，目前所讨论的地面一般可以用由固体、水或者流动介质和气体组成的三相模型的形式建模。因为对于冻结措施可以假定完全饱和，所以由固体和水或者流动介质组成的两相模型会导致未冻结地面。在冻结过程或者冰体形成期间，分别地，水相减少，而冰相同时增加。经验表明在约-2℃时，对于地面固体诸如细砂、粗砂或者砾石，解冻水的比例已经不再显著，其中该温度特别地适用于在此使用的冷冻剂的优选温度(参见上面)。

根据本发明的实施方案，本发明提出将数个第二冷却枪插入第一冷却枪面对所述流的侧上的地面区域中，以及将第二冷冻剂引入第二冷却枪中。换句话说，另一第二冷却枪位于第一冷却枪上游的计划的接续冰体的迎风侧上。

根据本发明另一实施方案，本发明提出将第一冷却枪彼此相邻地、 尤其是相互平行地在一个平面内插入地面区域中，以便尤其制备坑壁(pit wall)形式的冰体。

根据本发明另一实施方案，本发明提出将第一冷却枪彼此相邻地、尤其是相互平行地沿着假想的圆周面(例如，圆柱面形式，特别地圆柱体)插入地面区域中，以便制备特别地空心圆筒或者隧道断面形式的霜体。

模拟计算表明在经常发生喷嘴效应的区域中，为每个第一冷却枪提供一个第二冷却枪是合理的。在例如坑壁或者圆柱形冰体尤其是圆的圆柱形冰体形式的例如隧道断面形式的平面霜体的中心，这是特别合理的。

因此，优选地将至少一个第二冷却枪或者数个第二冷却枪分别插入相对于流的流向指定的第一冷却枪的上游的地面区域中，其中各个第二冷却枪特别地与指定的第一冷却枪平行地延伸。

在以下参考附图描述的本发明的示例性实施方案中，说明本发明的其他特征和优点。在这些附图中：

图1示出用于实施本发明方法的系统的示意图；

图2示出制备平面壁(例如坑壁)形式的接续冰体，用地下水流速度为零的盐水冷却(左)，以及用地下水流速度约V＝2m/天的盐水冷却(右)，V＝2m/天的地下水流速度由于喷嘴效应而防止形成接续冰体；

图3示出本发明制备特别地平面壁(例如坑壁)形式的接续冰体的示意图；

图4示出制备连续中空圆柱形的冰体，用地下水流速度为零的盐水冷却(左)，以及用地下水流速度约V＝2m/天的盐水冷却(右)，V＝2m/天的地下水流速度由于喷嘴效应而防止形成接续冰体；以及

图5示出本发明制备连续的中空圆柱形冰体(例如隧道断面)的示意图。

图1示出用于制备例如图3和5中所示类型的接续冰体或者霜体100、200的本发明的系统和本发明的方法的示意图。

相对于流向S中的地下水流形式的流，在插入地面区域1中的第一冷却枪10的上游布置至少一个第二冷却枪20，其中向第二冷却枪20中引入液氮形式的第二冷冻剂T′，向第一冷却枪10中引入盐水溶液(例如 CaCl₂)形式的第一冷冻剂T(这些第一冷却枪既可以垂直又可以水平地插入地面区域1中)。在初始冻结相中，期间在地面区域1中制备接续冰体100、200，第一和第二冷冻剂T、T′同时引入相对应的指定冷却枪10、20中。在形成接续冰体100、200之后，可以节流或者完全停止第二冷冻剂T′(例如液氮)的流。

在所述盐水冷却系统中，将第一冷冻剂T引入第一冷却枪10的内管11中，其分别与指定外管13同轴布置。在这种情况下，第一冷冻剂T流过各内管11直到它到达内管11的开口12，开口12位于各个外管13的端壁14的对面，从各个开口12排出，然后在包围各个内管11的外管13中流回。在该过程中，第一冷冻剂T因为间接传热而冷却周围的地面区域1，随后送入冷冻剂回路30，其中加热的第一冷冻剂T在它从各个外管13排出之后，利用泵31，通过换热器32泵出。在该换热器中，第一冷冻剂T通过冷却剂K(例如氨或者CO₂)在冷却剂回路33中循环冷却，然后再次引入第一冷却枪10的内管11中。

在该过程中，气态冷却剂K被加热，在压缩机34中被压缩，然后在与冷却水回路37热耦合的冷凝器36中被再次冷却，最终借助于节流阀35膨胀并液化。该液体冷却剂K再次流入换热器32或者蒸发器32，在其中冷却第一冷冻剂T，同时蒸发。

优选地像第一冷却枪10一样实现第二冷却枪12，其中在这种情况下将液氮形式的第二冷冻剂T′从液氮罐40引入各个内管21中，从位于各个外管23的端壁24对面的各个开口22排出，然后在各个外管23中流回。在该过程中，第二冷冻剂T′蒸发，同时其冷却地面区域1，其中气相从第二冷却枪20的外管23排出，例如，随后丢弃。

在地下水流动速度V超过2m/天时，单独的盐水冷却不可能制备如图2(左)所示的包围所有第一冷却枪10的接续冰体100，其中第一冷却枪10如图2所示沿着平面平行布置，也就是说由于特别地在相邻第一冷却枪10的中间(在该位置，由于喷嘴效应，流动速度V实质上超过2m/天)发生的喷嘴效应。事实上，例如，形成具有三个非接续冰体101、102、103的结构，其中中间的冰体102只包围中间的第一冷却枪10。

在地下水流速V＝2m/天时，用借助于第二冷却枪20的另一冷却也 可以在地面区域1中制备本发明的接续冰体100(参见图4)，如上所述，向第二冷却枪20中引入液氮形式的第二冷冻剂T′。为此，第二冷却枪20，特别是三个第二冷却枪20，相对于流向S集中布置在第一冷却枪10的上游，例如在计划的冰体100的面对所述流的侧2上，特别地距离第一冷却枪10限定的平面大约1m。第一冷却枪10之间的间距优选地等于0.8m。第二冷却枪20之间的间距优选地等于0.8m到1m。

图4示出在制备中空圆柱形冰体200期间对应于图2的现象。虽然该冰体可以在地下水流速为零时单独用盐水冷却制备，但是在大约V＝2m/天的较高地下水流速时，特别地在冷却枪布置10的面对所述流的侧或者迎风侧2以及如果适用的话，尽管程度较轻，在背对所述流的侧或者背风侧3的中间第一冷却枪10之间，再次发生喷嘴效应。因此可能的非连续结构由例如，在迎风侧2和背风侧3上的数个非连续以及较小的中间冰体203，以及两个较大的侧面冰体201、202组成。

根据图5，接续冰体200还可以用第一冷却枪10的中空圆柱形的结构、即用将第二冷冻剂T′引入例如如图所示的5个第二冷却枪20的第二冷却枪20(参见上面)的本发明的另一冷却制备，5个第二冷却枪20相对于地下水的流向S再次分别布置在指定的第一冷却枪10的上游，特别地，优选地，与第一冷却枪10限定的圆柱面或者分别与对面最近的冷却枪10相隔1m至2m。第一冷却枪10之间的间距再次优选地等于0.8m到1.2m。第二冷却枪20之间的间距优选地等于0.8m到1.5m。

通常，对于将氮作为第二冷冻剂T′引入其中的第二冷却枪20来说，1.0m的间距是常见的或者优选的。对于将盐水作为第一冷冻剂T引入其中的第一冷却枪10来说，由于实质上温度较高，因此0.8m的间距是优选的。间距值更低会增加开支，间距值更高会延长冻结周期。在由于结构环境而冷却枪位置不对称的非对称霜体或者对称霜体中，各个冷却枪10和20相互之间的间距自然也会偏离。优选地，第一与第二冷却枪之间的间距分别为直的壁状冰体(参见图3)为1.0m，圆形截面(参见图5)为1.5m。在这种情况下，间距必定取决于霜体100、200的几何形状。

附图标记

1 地面区域

2 面对流的侧或者迎风侧

3 背对流的侧或者背风侧

10 第一冷却枪

11 内管

12 开口

13 外管

14 端壁

20 第二冷却枪

21 内管

22 开口

23 外管

24 端壁

30 冷冻剂回路

31 泵

32 换热器

33 冷却剂回路

34 压缩机

35 节流阀

36 冷凝器

37 冷却水回路

40 液氮罐

T 第一冷冻剂

T′ 第二冷冻剂

K 冷却剂

W 冷却水

S 流或者流向