Brevet FR2452550A1 — publié le 19801024

PROCEDE ET DISPOSITIF DE REFRIGERATION DU SOL. La présente invention concerne un procédé de réfrigération du sol à l'aide d'un réfrigérant, de préférence liquide, s'écoulant dans un circuit fermé qui passe en pavie dans le sol a réfrigérer, ce réfrigérant ayant un point d'ébullition inférieur à 0 C. On utilise des procédes de ce genre par exemple pour la solidification du sous-soloubien le creusement de puits. Dans les procédés connus, on place des tubes de réfrigération dans le sol de manière a faire passer un réfrigérant, par exemple une saumure, refroidi dans une installation de réfrigération. Le réfrigérant extrait alors la chaleur du terrain environnant jusqu'a ce que celui-ci soit réfrigéré. Le processus de congélation peut être divise en deux étapes. La première étape dure jusqu'à ce qu'il se forme un corps gelé d'une résistance et d'une étanchéité a l'eau suffisantes. Dans l'étape suivante, il se pose seulement le problème de maintenir le corps congelé, de sorte qu'on n'a a extraire du sol qu'une quantité de chaleur bien plus faible que dans la premiere étape. Un procédé du type défini ci-dessus a été décrit dans la demande de brevet en République Fedérale d'Allemagne divulguée sous le No. 26 14 221. Dans ce cas, un réfrigérant est refroidi par echange de chaleur avec un gaz se vaporisant et possédant une basse température d'ebullition, par exemple de l'azote. Suivant une caractéristique de ce procédé, le gaz a bas point d'ébullition peut egalement être introduit directement dans le circuit de réfrigération. On peut évidemment, avec une telle installation, économiser les frais d'investissement d'un circuit de réfrigération dont la capacité devrait être établie en fonction de la première étape du processus de congélation et serait par conséquent trop forte pour la seconde étape mais, cependant, avec l'installation connue, on ne peut pas obtenir une grande vitesse de formation du corps congelé et, en outre, on doit contrebalancer de fortes introductions de chaleur qui peuvent être provoquees, par exemple, par de gros écoulements d'eau. Cela s'explique par le fait que le réfrigérant de l'installation connue ne peut pas être refroidi en dessous de son point de congélation car, autrement, les tubes de réfrigération seraient endommagés. L'invention a en conséquence pour but de fournir un procéde de réfrigération du sol qui permette une réfrigération rapide et sûre du sol et une adaptation rapide à des quantités de chaleur de grandeurs différentes à extraire du sol. Ce problème est résolu selon l'invention en ce que le réfrigérant est refoulé, dans le cas d'une action de refroidissement insuffisante, hors de la partie du circuit qui est enfouie dans le sol,eten cequ'unfluide, refroidi à une temperature inférieure au point de congélation du réfrigérant, est injecté dans cette partie du circuit et est ensuite évacué après échange de chaleur avec le sol environnant. Selon l'invention, on peut extraire la chaleur du sol par deux méthodes differentes. Suivant une première variante opératoire, on utilise un réfrigérant, par exemple une saumure refroidie dans une installation de réfrigération, pour la congélation du sol. Ce procédé est mis en oeuvre de manière à pouvoir évacuer a l'aide du réfrigérant précisément la quantité de chaleur nécessaire dans la seconde étape du processus de congélation du sol. Une installation de réfrigération correspondante peut, par conséquent, être conçue de façon à avoir la puissance minimale. Pendant des periodes où de grandes quantités de chaleur doivent être extraites du sol, par exemple lors de la formation du corps congelé, il est possible, suivant la seconde variante du procede, d'utiliser un fluide qui a été refroidi en dessous du point de congélation du réfrigérant. Dans ce cas, le réfrigérant est refoulé hors de la partie correspondante du circuit et le fluide est injecté dans cette partie. En choisissant un fluide approprié, on peut refroidir le sol à une température bien plus basse qu'en opérant seulement à l'aide du réfrigérant, ou bien en coopération avec une transmission indirecte des frigories d'un gaz à bas point d'ébullition au circuit de réfrigérant.La formation du corps congelé s'effectue par conséquent bien plus rapidement qu'avec une installation classique. Alors que, dans les installations connues opérant avec un réfrigérant, on prévoit un dispositif supplémentaire de refroidissement pour le cas où l'installation principale tombe en panne, il suffit de faire intervenir une seule installation de réfrigération dans le système selon l'invention. Même en cas de panne de courant, le refroidissement à l'aide d'un fluide permet de conserver le corps congele dans son état, de sorte que le procédé selon l'invention garantit un haut degré de sécurité de marche. Avec le procédé proposé, il est possible d'utiliser, en outre, de façon optimale les propriétes avantageuses d'un système opérant exclusivement avec un réfrigérant ou un fluide, sans en rencontrer les inconvénients. Une installation operant conformément au procedé proposé n'est, en outre, pas limitée en ce qui concerne sa puissance. Suivant un mode avantageux de mise en oeuvre de l'invention, on utilise comme fluide un gaz liquéfié dont le. point d"ébullition est inférieur au point de congélation du réfrigérant. Le gaz liquéfie se vaporise en contact thermique indirect avec le sol environnant, et il extrait de celui-ci une grande quantité de chaleur correspondant au moins a la chaleur d'évaporation. Il test averé particulièrement approprié d'utiliser des gaz inertes, comme par exemple l'azote, car ces gaz. peuvent être dechargés dans l'atmosphere sans polluer l'environnement, ce qui permet de supprimer le tuyau de retour pour le fluide. Du fait que le fluide est situé a une température inférieure au point de congélation du réfrigérant, ce dernier ne peut pas, lors d'une action de réfrigération insuffisante, être refoulé a l'aide du fluide hors du circuit place dans le sol, car le contact direct entre le fluide et le réfrigérant conduirait a. sa congélation.En principe, on peut envisager d'échauffer le fluide au-dessus du point de congélation du réfrigérant et de provoquer ainsi ensuite le refoulement du réfrigérant. Suivant un mode avantageux-d'application de la présente invention, le refri- gerant est, cependant, refoulé d'une manière tres simple à l'aide d'air comprimé hors de la partie du circuit qui est enfouie dans le sol. Du fait que l'air a une conductibîlité thermique relativement faible, il ne cède au corps congelé, pendant le temps où le refrigirant est refoulé, qu'une faible quantité de chaleur qu'on peut, en outre, réduire a volonté en utilisant de l'air refroidi. Un dispositif convenant pour la mise en oeuvre du procédé selon la pre- sente invention comporte-un circuit qui se compose essentiellement d'un tuyau d'entrée et d'un tuyau de retour, d'une installation de réfrigération et d'un système de congélation enfoui dans le sol. Le-systeme de congélation comporte un tube de descente relié au tuyau d'entrée et un tube de congélation entourant le tube de descente et relié au tuyau de retour. Dans. un dispositif conforme a l'invention, un tuyau d'admission de fluide et un tuyau de décharge de fluide débouchent dans chaque système de congélation. Par comparaison à l'ns:tallation revendiquée dans la demande de brevet en République Fédérale d'Allemagne divulguée sous le No. 26 14 221, il n'existe pas d'évaporateur dans l'installation selon l'invention. Conformément à un mode avantageux de réalisation de l'in-vention, dans l'un de deux systemes de congélation adjacents, le tuyau d'admission est relié au tube de descente, tandis que le tuyau de décharge est relié au tube de congélation, alors que, dans l'autre système de congélation, le tuyau d'ad mission est relié au tube de congélation, tandis que le tuyau de décharge est relié au tube de descente. Précisément en utilisant comme fluide des gaz liquefies qui se vaporisent au contact du sol environnant, il se crée un corps congelé dont la forme n'est pas semblable à celle du tube de congélation mais qui a le profil d'une poire. Dans ce cas, la partie renflée du corps congele se forme au voisinage de la zone ou du gaz liquéfié pénètre dans le tube de congélation.Dans cette zone se produit essentiellement une vaporisation du gaz liquéfié qui extrait une grande de chaleur du sol envi ronnant. Le volume de gaz évaporé est bien plus grand que celui de la phase liquide, de sorte que la vitesse d'écoulement de la phase gazeuse est bien supérieure à celle de la phase liquide. En outre, la phase gazeuse a une plus faible action de refroidissement.Pour cette raison, il est avantageux d'adopter les deux modes précites d'introduction du fluide dans des systèmes de congélation adjacents: Lorsque le tuyau d'admission de fluide est relié au tube de descente d'un système de congélation, la partie renflée du corps congelé se forme sur la base du tube de congélation, alors que, pour le sys tème de congélation adjacent, où le tuyau d'admission de fluide est relié à la partie de tête du tube de congélation, ladite partie se forme à l'ex trémité opposee à la base du tube de congélation, c'est-à-dire le sommet de ce tube. De cette manière, des systemes de congélation adjacents se completent mutuellement, de sorte qu'au total on peut former rapidement un corps congelé homogene. Il est en outre possible d'évacuer le réfrigérant par l'intermédiaire d'un tube de descente qui pénètre dans le tube de congélation en s'étendant jusqu'à proximité de sa base. Dans de nombreux cas, il est avantageux, pour obtenir un écoulement favorable du réfrigérant ou du fluide dans le système de congélation, que le tube de descente débouche dans le tubedecongélation à une certaine distance au-dessus de la base dudit tube de congélation. Ainsi, le réfrigérant ne peut être refoulé hors du système de congélation, à l'aide d'air comprimé, que d'une façon incomplète, c'est-à-dire au maximum jusqu'au bord inférieur du tube de descente. Cela peut cependant provoquer, lors de l'introduction ulterieure du fluide, une congélation du réfrigérant et une modification des sections d'écoulement. En conséquence, conformément a un mode avantageux de mise en oeuvre du principe de l'invention, on dis pose à I'intérieur du tube de congélation un tube s'étendant jusqu'au voisinage immediat du fond du tube de congélation et qui est relié, par I'intermédiaire d'un tuyau obturable, avec le tuyau de retour. Le réfrigérant peut alors être refoulé, par l'intermédiaire dudit tube, pratiquement completement hors du système de congélation. Comme indiqué ci-dessus, l'évacuation du rfrigérant peut etre réalisée d'une maniere particulièrement simple lorsque le réfrigérant est refoulé hors du système de congélation à l'aide d'air comprime. Dans ce cas, on fait déboucher, conformement à la présente invention, dans chaque tube de congélation un tuyau obturable qui est relié a un tuyau d'air comprimé.Pour la commutation entre le refroidissement à l'aide du fluide et le refroidissement à l'aide du réfrigérant, et inversement, il est nécessaire de brancher dans le tuyau d'admission,-dans le tuyau de décharge, dans le tuyau reliant le tube de descente au tuyau d'admission, et dans le tuyau reliant le tube de congélation au tuyau de retour, des vannes d'arrêt correspondantes. D'autres avantages et caractéristiques de l'invention seront mis en évidence, dans la suite de la description, donnée à titre d'exemple non limitatif, en reférence-au dessin unique annexé qui représente un exemple de réalisation d'un dispositif conforme à la présente invention et servant a la mise en oeuvre du procédé selon l'invention. Dans un sol ou terrain a congeler, on creuse des trous dans lesquels on introduit ultérieurement des systemes de congélation, dont deux sont indiqués dans des positions adjacentes 13a et 13b sur le dessin schématique. Les systèmes de congélation représentent la partie d'un circuit qui est enfouie dans le sol, ledit circuit se composant en outre d'un tuyau d'entrée 20, d'un tuyau de retour 21 et d'une installation de réfrigération, non représentée. Les systèmes de congélation se composent d'un tube de congélation fermé 14, 15, d'un tube de descente 16, 17 et d'un tube de décharge de réfrigérant 18, 19. Les deux systèmes de congélation sont reliés a quatre tuyaux d'alimentation: les tubes de descente 16 et-17 sont reliés par l'intermédiaire de tuyaux 32, 33, comportant chacun une vanne d'arret 2, 8, au tuyau d'entrée 20 de réfrigérant, tandis que les tubes de congélation 14 et 15 sont reliés par l'intermédiaire de tuyaux 34, 35, qui comportent également chacun une vanne d'arrêt -4, 10, au tuyau de retour 21 de réfrigérant. Dans le tuyau 32 débouche, en aval de la vanne 2 en considérant la direction d'écoulement du réfrigérant, un tuyau d'admission 24 comportant une autre vanne d'arrêt 1 et qui est reliée à un tuyau 22 d'ecoulement de fluide. Pour 1 'évacuation du fluide hors du tuyau de congélation 14, il est prévu un tuyau de décharge 26 pourvu d'une vanne d'arrêt 6. Par contre, dans le système de congélation 13b, un autre tuyau d'alimentation 25, relié au tuyau 22 par l'intermédiaire d'une vanne 12, débouche dans le tube de congélation 15, tandis qu'un autre tuyau de décharge 27, pourvu d'une vanne 7, débouche dans le tuyau 33, entre la vanne 8 et le point de jonction du tuyau 33 avec le tube de descente 17.Enfin, les tubes de congélation 14, 15 sont reliés, chacun par l'intermediaire d'un tuyau 30, 31, associé à une vanne 5, 11, a un tuyau 23 d'air comprime, tandis que les tuyaux de déchar.ge de réfrigérant 18,'19 sont relies, par l'intermédiaire de tuyaux 28, 29, qui sont également munis de vannes d'arrêt 3, 9, au tuyau de retour 21 de réfrigérant. Les tuyaux 20 à 22, 24, 25, 32 et 33, peuvent être entourés par une isolation. Dans une première étape du processus de congélation, qui consiste à former le corps congelé, il est avantageux, à cause de la grande vitesse de formation de ce corps congelé, de refroidir le sol à l'aide du fluide refroidi en dessous du point de congélation du réfrigérant, et qui peut être de l'azote liquide dans l'exemple considéré. A cet effet, les vannes 2 à 5 et 8 à 11 sont fermées. De l'azote liquide est par exemple transporté dans un camion-citerne afin d'être directement injecté dans le tuyau d'ali mentation 22. Par l'intermédiaire de la vanne ouverte 12 et du tuyau 25, l'azote s'écoule dans le tube de congélation 15 du système de congélation 13b, il se vaporise par contact thermique indirect avec le sol à réfrigérer et il est déchargé dans l'atmosphère par l'intermédiaire du tube de descente 17, du tuyau 27 et de la vanne 7.Par contre, dans le système de congélation 13a, l'azote liquide provenant du tuyau 22 parvent, par l'intermédiaire de la vanne 1 et du tuyau 24, dans le tube de descente 16 du système de congélation 13a. L'azote vaporisé est également déchargé dans l'atmosphère à partir de ce système par l'intermédiaire du tuyau 26 et de la vanne 6. Autour des deux tubes de congelation, il se forme un corps congelé ayant le profil d'une poire. Par suite-des branchements différents, l'azote se vaporise dans le système de congélation 13a principalement au voisinage de la base du tube de congélation 14 et, dans le système de congélation 13b, principalement au sommet du tube de congélation 15, de sorte que le col du corps congelé en forme de poire est situé, dans le système de congélation 13a, au sommet du tube de congélation 14, alors que, dans le système de congélation 13b, il est par contre placé à la base du tube de congélation 15. De cette manière, des tubes de congélation, places dans des positions adjacentes se complètent et provoquent la formation rapide d'un corps congelé fermé. Lorsque la formation du corps congelé est terminee, il est nécessaire de fournir beaucoup moins d'énergie pour maintenir ce corps congelé. En conséquence, l'introduction d'azote est interrompue et le refroidissement complémentaire est assure par le reirigérant en circulation. Pour la commuta tion entre le refroidissement avec de l'azote liquide et le refroidissement avec du réfrigérant, il suffit de fermer les vannes 1, 6, 7 et 12 et d'ouvrir les vannes 2, 4, 8 et 10. Le refrigerant,refroidi- dans une installation de réfrigération non représentée, s'coule a partir du tuyau d'entrée 20 dans le tuyau 32, au travers de la vanne 2, puis dans le tube de descente 16 pour parvenir a la base du tube de congélation 14, entourant le tube de descente et obturé de façon etanche à sa partie inférieure.Le réfrigérant échange de la chaleur; dans le tube de congélation, avec le sol environnant et il est ensuite canalise dans le tube de congélation 14 pour parvenir, par l'intermédiaire de la vanne 4 et du tuyau 34, dans le tuyau de retour 21 aboutissant à l'installation de réfrigération. D'une manière analogue, le réfrigérant s'écoule dans le système de congelation 13b en passant, à partir du tuyau d'entrée 20, dans les tuyaux 33, 17, 15 et 35, pour parvenir dans le tuyau de retour 21. Dans le cas d'une grande entrée de chaleur dans le corps congelé, ou bien en cas de panne de l'installation de réfrigération, c'est-à-dire d'une façon générale lorsque liaction.de refroidissement du réfrigérant est insuffisante, il est possible, avec le dispositif conforme à la présente invention, de passer rapidement a un mode de refroidissement avec l'azote liquide.A cet égard, il est néces saire que le refrigerant, dont le point de congélation est supérieur a la température de l'azote liquide, soit refoulé hors de Ia.partie du circuit qui est enfouie dans le sol, c'est-a-dire hors des systèmes de réfrigeration 13a et 13b. A cet effet, on utilise de l'air comprimé qui est tenu disponible par l'intermédiaire du tuyau 23.Pour la commutation entre le mode de refroidissement à l'aide de réfrigérant et le mode de refroidissement a l'aide d'azote, on-ferme les vannes 2, 4, 8 et 10, tandis que les vannes 5, 11, et ensuite les vannes 3, 9, sont ouverte.De l'air s'écoule mainte nant, par l'intermédiaire des tuyaux 30 et 31, dans les tubes de congélation 14, 15, et il refoule le réfrigérant qui parvi-ent, par l'intermédiaire des tubes de decharge de réfrigérant 18 et 19, qui s'etendent jusqu'au voisinage immédiat de la base du tube de congelation correspondant, dans le tuyau de retour 21.Lorsque tout le réfrigérant a été évacué des systèmes de congéla tion 13a et 13b, les vannes 3 et 9 sont fermées, et l'introduction d'air comprimé est arrêté par fermeture des vannes 5, 11. De l'azote liquide peut maintenant être injecté dans la partie du circuit qui est enfouie dans le sol. A cet effet,.les vannes 1, 6, 7 et 12 sont ouvertes. Alors que la commutation entre le refroidissement par azote et le refroidissement par réfrigérant s'effectue sans perte de temps, il est nécessaire de prévoir pour la commutation inverse une certaine période qui dure cependant au maximum un à deux jours - suivant l'importance de l'installation. Cette période est suffisamment courte pour eviter une perte de résistance du corps congelé. Il est ainsi possible de se passer d'une installation supplémentaire de réfrigération, qui serait autrement nécessa-ire, et de réaliser des économies correspondantes. En outre, le système proposé est non seulement très efficace et très sûr - même en cas de panne de courant mais, en outre, il possède une souplesse d'adaptation extrêmement grande. Ainsi, par exemple dans le cas d'une augmentation, limitée cependant localiement, de la quantité de chaleur introduite dans le corps congele, il est possible de refroidir certains tubes de congélation avec de l'azote liquide, tout en assurant le refroidissement avec les autres tubes encore avec du refrigerant. A cet égard, il suffit d'évacuer le réfrigérant, de la manière décrite ci-dessus, des systèmes de congélation à refroidir avec de l'azote alors qu'on peut faire circuler dans les autres systèmes de congélation encore du réfrigérant.En principe, il est également possible de refouler le réfrigérant à l'aide.d'air comprimé vers le tuyau d'entrée du circuit de refrigerant, non pas en le faisant passer dans les tuyaux 28 et 29 et dans les tuyaux de décha-rge 18, 19 correspondants, mais dans les tubes de descente 16 et 17. A cet effet, les tubes de descente doivent descendre suffisamment profondément dans les tubes de congélation. De cette manière, il est possible de supprimer les tubes de décharge, ainsi que les tuyaux 28 et 29 equipés des vannes 3 et 9. Enfin, il est également possible d'introduire l'air comprimé dans les tubes de congéiation, non pas en le faisant passer dans les tuyaux 30, 31, mais dans les tuyaux de décharge 26, 27. Bien entendu, la présente invention n'est nullement limitée aux modes de réalisation décrits et représentés; elle est susceptible de nombreuses variantes accessibles à l'homme de l'art, suivant les applications envisagées et sans quel'on ne s'ecarte de l'esprit de l'invention. REVENDICATIONS 1.- Procédé de réfrigération du sol en utilisant un refrigerant 'de préférence liquide, s'écoulant dans un circuit fermé qui passe en partie dans le sol a réfrigérer, ce réfrigérant ayant un point d'ébullition infe- rieur a 0 C, caractérisé en ce que le réfrigérant, lorsque l'action de refroidissement est insuffisante, est refoulé hors de la partie du circuit qui est enfouie dans le sol et en ce qu'un fluide, refroidi a une temperature inferieure au point de congélation- du réfrigérant, est introduit dans ladite partie et est ensuite déchargé dans l'atmosphère après échange de chaleur avec le sol environnant. 2.- Procedé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on utilise comme fluide un gaz -liquefie, dont le point d'ébullition est inférieur au point de congélation du réfrigérant. 3.- Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'on utilise comme fluide de l'azote liquide. 4.- Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 a 3, caractérisé en ce qu'on refoule le réfrigérant hors delta partie du circuit qui est enfouie dans le sol à l'aide d'air comprimé. 5.- Dispositif pour la mise en oeuvre du procedé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, comportant au moins un système de congélation enfoui dans le sol et pourvu d'un tube de descente relie à un tuyau d'entree et d'un tube de congélation relié a un tuyau de retour et entourant le tube de descente, dispositif caractérisé en ce qu'un tuyau d'admission (24, 25) et un tuyau de décharge (26, 27) pour le fluide débouchent dans le système de congélation (13). 6.- Dispositif selon la revendication 5, caractérise en ce que, dans l'un de deux systèmes de congélatio-n adjacents (13a,13b),1e tuyau d'admission (24) est relié au tube de descente (16), tandis que le tuyau de décharge (26) est relié au tube decongélation (14) alors que, dans l'autre système de congélation (13b), le tuyau d'admission (25) est relié au tube de congélation (15), tandis que le tuyau de decharge (27) est relié au tube de descente (17). 7.- Dispositif selon la revendication 5 ou 6, caractérisé en ce qu'il est prevu l'interieurdu tube de congélation (14, 15) un tube 18, 19 s'étendant jusqu'au voisinage immediat de la base du tube de congélation et qui est relie, par l'intermédiaire d'un tuyau obturable (28, 29) au tuyau de retour (21)-. 8.- Dispositif selon l'une quelconque des revendications 5 à 7, carac térisé en ce qu'un tuyau obturable (30, 31), relié à un tuyau (23) d'air comprime, débouche dans le tube de congélation (14, 15). 9.- Dispositif selon l'une quelconque des revendications 5 à 8, carac térisé en ce qu'il est prévu dans le tuyau d'admission (24, 25), dans le tuyau de décharge (26, 27), dans le tuyau (32, 33) reliant le tube de descente (7, 17) au tuyau d'entrée (20) et dans le tuyau (34, 35) reliant le tube de congélation (14, 15) au tuyau de retour, respectivement une vanne d'arrêt (1,2,4,6,7,8,10,12).