地面冻结装置及方法与流程

本发明涉及一种地面冻结装置和方法。

背景技术：

根据现有技术使用称为“地面冻结”的用于冻结土壤的方法来固化或稳定建筑工地处的地面。例如，已知使用液氮或液化空气来作为制冷剂的方法。还已知利用盐水进行冻结，该盐水自身通过制冷设备冷却。虽然由于液氮的低温而使得液氮冻结比盐水冻结快得多，但在延长冻结时间的情形下用液氮的操作成本(能量成本)比利用盐水高得多。

在根据现有技术的地面冻结方法中，驱使装配有“冻结喷枪”(冻结矛枪器具)的地面冻结装置进入地面，该冻结喷枪具有外部管件和设置在内部空间中的两个下降管件。

在本文中，根据现有技术，制冷剂、例如诸如液氮之类的过冷液化气体通过其中一个下降管件引入到内部空间中。由液体制冷剂从周围土壤中去除热量，以使得冻结喷枪周围的土地冻结，该液体制冷剂与外部管件导热连接。

根据现有技术的方法，通过制冷剂蒸发而在内部空间中产生的废气(例如，气相氮)经由第二下降管件输送至土地表面。

然而，此种结构的缺点是在表面上形成大量云团，这会具体地说导致降低能见度，由此增大事故风险。

此外，在表面处离开第二下降管件的冷的气相氮可能在地面附近聚集，并且这会在该区域中产生窒息危险。

技术实现要素：

因此，本发明的目的是提供在这些所述缺点方面具有优于现有技术的改进的装置和方法。

该目的利用根据权利要求1所述的装置和根据权利要求5所述的方法来解决。该装置的有利变型在从属权利要求2至4中描述，且该方法的有利变型在从属权利要求6至10中描述。

本发明的第一方面涉及一种地面冻结装置，该地面冻结装置包括冻结喷枪，该冻结喷枪沿着纵向轴线延伸并且设计成引入到土地中以冻结地面，其中，该冻结喷枪包括管件覆盖层，该管件覆盖层封围内部空间，该内部空间具有用于保持液体制冷剂的第一部段(也称为冻结区域)，其中，冻结喷枪周围的地面能由存在于第一部段中的制冷剂冷却，或者热量能借助存在于第一部段中的制冷剂而从冻结喷枪周围的地面去除，以使得地面至少部分地冻结，且该冻结喷枪包括管件，该管件突出到内部空间中，以将液体制冷剂供给到内部空间的第一部段中，其中，该装置具有第一端部部段，在该第一端部部段中设有第一开口，用于从内部空间中提取出由于制冷剂蒸发而形成的废气，其中，该内部空间具有第二部段(也称为加温区域)，该第二部段沿着纵向轴线毗邻第一部段，用于保持废气来使得废气流能在第二部段中与管件覆盖层相接触。

采用此种结构，具体地说，在第二部段中，在存在于内部空间中的废气或者流动通过内部空间的废气和管件覆盖层之间能进行热量交换，以使得废气能通过热量交换而加热，该热量交换经由管件覆盖层与邻近于冻结喷枪的土地间进行。

这具体地说意味着，与现有技术相比消除单独的废气管件，取而代之的是，在冻结喷枪的顶端部处、具体地说在冻结头部处抽出废气流。

这样做的优点是，由于经由管件覆盖层与周围土地进行热量交换，因而在土地表面处离开的废气与现有技术的可比设备相比温热得多，在可比设备中，废气流通过下降管件输送，该下降管件具体地说是隔热的。这具有这样的效果，即有利地减少云的形成并且减少废气在表面处的聚积，由此改进冻结部位附近区域中的安全性。尤其是在人口稠密的区域，这是重要的。

所述第一端部部段可例如由冻结喷枪或者冻结喷枪的覆盖层或者由单独部件、冻结头部形成。

具体地说，该装置进一步在第一端部部段上包括连接于冻结喷枪的冻结部(头部)，其中，该冻结头部具体地说形成第一端部部段。冻结头部具体地说包括管线和/或第一开口，该管线用于供给液体制冷剂，该第一开口用于提取废气。冻结头部还可形成用于保持废气的第二部段的至少一部分。

该冻结头部可例如焊接到冻结喷枪上。当该装置正确地操作时，该冻结头部具体地说位于地面外部。

冻结喷枪周围的土地有利地用于加热废气。这样，可省去用于加热废气流的单独设备，并且成本和能量得以节省。

由于无需单独的废气管线，因而在装置的设计工程方面也减少了工作量和费用。

具体地说，第一端部部段毗邻第二部段，且管件覆盖层具有第二端部部段，该第二端部部段毗邻第一部段。

当正确地操作时，所述装置可例如设置成使得纵向轴线垂直地延伸，其中，第一部段设置在第二部段下方，并且其中，管件覆盖层的第一端部部段在最上方。具体地说，在本文中，第一端部部段设置在待冻结土地的区域外部。替代地，当正确地操作时，该装置可沿任何其它方向对准。

冻结喷枪可例如具有20米的总长度，其中，下方10米构成第一部段，而上方10米构成第二部段。在此种情形中，在管线中用于供给制冷剂的开口可例如定位在19.7米的深度处，也就是说，定位在冻结喷枪的底端部上方0.3米处。

替代地，也可设想冻结喷枪的较大总长度，例如60米或更长。

根据一个实施例，地面冻结装置在第一部段和第二部段之前的过渡区域处装配有第一温度测量装置、具体地是温度测量探头，该温度测量探头设计成测量第一部段和第二部段之间的过渡区域处废气的温度。

例如，这意味着，具有温度传感器的管件延伸到可用于测量参照温度的深度，以能够调节和/或设定第一部段为了冻结所需的温度。作为温度测量探头的替代，热电偶可例如直接地装配在冻结喷枪中，以使得可直接地测量温度。

这样，与利用现有技术的装置相比，可由此更精确地调节第一部段的温度(在使用点处优化的温度管理)，尤其是当废气流在接近土地表面的途中加热时。由于能更精确地确定制冷剂的消耗，因而这导致成本节省。

如果冻结喷枪的总长度是20米且下方10米用作第一部段，则第一温度测量装置可例如相对于土地表面定位在10米的深度处。

根据又一实施例，第一温度测量装置能沿着纵向轴线移位。

这有利地使得能够(针对相应的应用)灵活地调节各种冻结部段(也就是说，具体地是，第一部段和第二部段的高度或深度)。

根据又一实施例，地面冻结装置在第一开口处装配有第二温度测量件，该第二温度测量件设计成测量废气在第一开口处的温度。

在第一开口、也就是说具体地在土地表面处进行温度测量的情形下，可容易地确定废气的温度，从而允许得出关于第一部段中温度的结论。这进而使得能够控制或调节制冷剂进入第一部段的入流，以获得并且维持第一部段的特定温度。

当然，可同时提供第一装置和第二装置，该第一装置在第一部段和第二部段之间的过渡区域处且用于测量废气的温度，而该第二装置在第一开口处且用于测量废气的温度。

本发明的第二方面涉及一种借助根据本发明第一方面的地面冻结装置的地面冻结方法，其中，冻结喷枪至少部分地引入到地面中，且液体制冷剂供给到冻结喷枪的内部空间的第一部段中，其中，冻结喷枪周围的地面借助存在于第一部段中的制冷剂而冷却，以使得地面至少部分地冻结，并且废气在毗邻第一部段的第二部段中通过制冷剂的蒸发而形成，其中，废气在冻结喷枪的第一端部部段处从内部空气中去除，并且废气与第二部段中的管件覆盖层交换热量，以使得废气通过与邻近于管件覆盖层的地面进行热量交换而加热。

在本文中，主要经由管件覆盖层的围绕内部空间的第二部段或加温区域的部段而在废气和地面之间进行热量交换。

根据一个实施例，制冷剂是过冷液化气体，具体地说是液氮(n2)。

根据又一实施例，具体地说借助第一温度测量装置在第一部段和第二部段之间的过渡区域处测量废气的第一温度。

根据又一实施例，具体地说借助第二温度测量装置在冻结喷枪的第一端部部段中(例如，在冻结头部上)的第一开口处测量第二温度，具体地说是从内部空间中去除的废气的第二温度。

根据又一实施例，借助第一温度和/或第二温度、具体地说借助控制和/或调节装置来控制或调节制冷剂进入内部空间的入流。在本文中，可例如借助阀来控制或调节制冷剂进入第一部段的入流，其中，制冷剂容器和第一部段、尤其是管线之间的流体连接可借助阀中断和/或节流。

根据又一实施例，多个冻结喷枪引入到地面中，其中，仅仅在其中一些冻结喷枪上测量第一温度和/或第二温度。

具体地说，多个冻结喷枪设置在“冻结领域”中，该冻结领域由旨在冻结地面区域的若干冻结喷枪构成。在本文中，多个冻结喷枪(例如，其中多个冻结喷枪中的10％)装配有温度测量装置、具体地是温度探头，而其它冻结喷枪则具体地是通过与废气相关的调节数值(即，例如经由在相应冻结喷枪的第一端部部段处的废气温度的设定点数值)而调适，结果是将制冷剂流调适为使得特定温度存在于第一部段中。在这些情形下，这利用这样的情况，其中，不同冻结喷枪处的温度在特定深度处、尤其是在连续冻结区域中可比。

这样，有利地节省附加的温度测量装置的成本。

根据又一实施例，制冷剂在超压下、也就是说在比环境压力高的压力下存储在制冷剂容器中，其中，制冷剂从制冷剂容器引入到内部空间的第一部段中，并且废气通过内部空间和冻结喷枪周围的环境之间的压力差而经由第一开口从内部空间抽出，且第一开口与环境流体连通。

根据又一实施例，制冷剂在2巴至20巴、尤其是6巴至16巴、较佳地是8巴至12巴的决对压力下存储在制冷剂容器中。

在本文中，具体地说，环境压力在第一开口的外侧上存在，这意味着由制冷剂容器和冻结喷枪构成的系统和冻结喷枪的内部空间在第一开口的出口侧上并不加压。因此，废气在内部空间和周围环境的压力差的作用下流动或者通过第一开口排出到周围环境中。

附图说明

在参照附图的本发明实施例的以下附图描述中，会解释本发明的又一些特征和优点。附图示出：

图1是根据本发明的通过地面冻结装置的纵向横截面的示意图。

具体实施方式

图1以相对于纵向轴线l的纵向横截面示出根据本发明的装置1，该装置1沿着该纵向轴线延伸。装置1包括冻结喷枪10，该冻结喷枪具有管件覆盖层或外罩11，其中，管件覆盖层11具体地说沿相对于纵向轴线l的周向方向围绕内部空间12。

管件覆盖层11的横截面可相对于纵向轴线l的横截面具有任何形状。具体地说，管件覆盖层11的横截面相对于纵向轴线l可以是圆形的。管件覆盖层可例如具有50至60mm、具体地说54mm的直径。

具体地说，管件覆盖层11由诸如铜之类具有良好导热特性的材料制成，以使得确保内部空间12中的制冷剂k和周围地面之间进行良好地热量交换。

管件覆盖层11包括第一端部部段2和第二端部部段3，该第一端部部段相对于纵向轴线l设置在该管件覆盖层的正面上，而该第二端部部段设置在与第一端部部段2相对的正面上。

在图1中示出的实施例中，第一端部部段2由冻结头部5形成，该冻结头部例如通过焊接连结于冻结喷枪10。

当装置1正确地操作时，纵向轴线l例如垂直地延伸，其中，第一端部部段2形成冻结喷枪10的上端部且具体地说定位在待冻结地面的区域外部，并且第二端部部段3形成冻结喷枪10的下端部且具体地说定位在地下。第二端部部段3具体地说闭合，以使得任何制冷剂k均无法通过第二端部部段3从内部空间12逸出。然而，其它结构也是可能的，例如其中，纵向轴线水平地或者相对于垂直(方向)以一定角度延伸。

内部空间12包括第一部段13或冻结区域和第二部段14或加温区域，该第一部段或冻结区域用于保持液体制冷剂k、具体地说液氮，而该第二部段或加温区域沿着纵向轴线l邻近于第一部段13，且用于保持通过制冷剂k的蒸发而形成的废气a。

具体地说，当装置1按预期1使用时，第二部段14设置在第一部段13上方。因此，较轻的废气a在液体制冷剂k上方集聚。

具体地说，相边界在第一部段13和第二部段14之间的过渡区域4中存在于液体制冷剂k和气相废气a之间。当然，制冷剂k的液体-气体混合物也可存在于该相边界中或附近。

图1进一步示出管线15，该管线用于将液体制冷剂k供给到内部空间12的第一部段13中。管线15具体地说能够与用于存储制冷剂k的制冷剂容器19流体连通。在本文中，制冷剂k在过压下、例如在从2巴至20巴、具体地说从6巴至16巴、较佳地是8巴至12巴的压力下存储在制冷剂容器19中，并且经由管线15从制冷剂容器19引入到内部空间12中。具体地说，制冷剂容器19和管线15之间的流体连接可由阀20闭合和/或节流，以使得进入第一部段13的制冷剂流或制冷剂入流可经由阀20控制。管线15可例如具有6mm至28mm的直径，具体地说12mm的直径。管线15可具体地说是隔热的。

诸如温度测量探头之类用于温度测量的装置17也在图1中示出。用于温度测量的装置17或者设置在该装置的端部上的温度传感器设置在第一部段13和第二部段14之间的过渡区域4附近，以使得废气a的温度可在制冷剂k已蒸发之后立刻得以测量。这可获得关于第一部段13的温度的相对精确信息，以使得可在对应精确性的情形下调节制冷剂从制冷剂容器19进入第一部段13的入流，从而校正相对于设定点数值的温度偏差。

通过制冷剂k蒸发而形成的废气a在内部空间12的第二部段14中向上流动，其中，经由管件覆盖层11在废气a和周围地面之间进行热量交换，以使得随着废气a在第二部段14内部上升，该废气升温。

第一开口16在冻结头部5中设置在第一端部部段2上，也就是说具体地设置在冻结喷枪10的上端部上，用于将经加热废气a抽出，且设有第二开口22来用于将经加热废气a抽出。内部空间12具体地说经由第一开口16和第二开口22与环境大气流体连通，其中，在环境大气中存在大气压力。废气a具体地说由于由制冷剂容器19和内部空间12构成的系统和环境大气之间的压力差而从第一开口16和第二开口22流入到环境大气中。

图1中示出的第一开口16垂直于纵向轴线l定位，且第二开口22设置在纵向轴线l的轴向端部上，也就是说设置在第一端部部段2上。当然，也可仅仅在管件覆盖层11中设置开口。该开口可垂直于纵向轴线l设置或者设置在轴向端部上。

用于测量废气a的温度的可选第二装置18可定位在第一开口16处。在图1中示出的实施例中，第一开口16具体地说主要用于测量废气a的温度，而大多数废气a离开内部空间12并且通过第二开口22逸出到环境大气中。替代地，用于温度测量的第二装置18可设置在第一开口16处而非第二开口22处，或者用于测量废气a的温度的装置可同时设置在第一开口16处和第二开口22处。

图1中示出的第一开口16和第二开口22的结构可例如构造有t型件，其中，t型件的第一臂连接于管件覆盖层11，并且t型件的垂直于t型件的第一臂延伸的第二臂形成第一开口16，且与第一臂相对且平行于第一臂延伸的第三臂形成第二开口22。

此外在图1中示出控制和/或调节装置21，该控制和/或调节装置与用于温度测量的第一装置17、用于温度测量的第二装置18以及阀20连接，以使得废气a的温度可由用于温度测量的第一装置17和/或用于温度测量的第二装置18测量，并且作为实际参数发送至控制和/或调节装置21，其中，控制和/或调节装置21设计成调节阀20，从而调节制冷剂k从制冷剂容器19进入冻结喷枪10的内部空间12的第一部段13的入流，以使得将废气a的温度调适为预定设定点数值。

具体地说，选择该设定点数值，以使得当废气a的温度匹配设定点数值时，制冷剂k的温度处于冻结第一部段13中土地所需的温度(也就是说，将制冷剂的温度维持在该温度下或者调节至该温度)。

例如，如果废气a的测得温度高于某个设定点温度(这指示的是，制冷剂k在第一部段13中的温度过高)，则制冷剂k可例如间断地经由阀20馈送到第一部段13中，由此使得制冷剂k在第一部段13中的温度下降。

当然，对应的控制和/或调节装置21也可从用于温度测量的装置17、18的仅仅一个中接收温度数据(即，在过渡区域4处测得的气体温度或者在第一端部部段上的第一开口16处测得的废气温度)。

还可设想的是，控制和/或调节装置21并非借助阀20而是以一些其它方式来控制制冷剂k进入第一部段13的入流。

附图标记列表

1地面冻结装置

2第一端部部段

3第二端部部段

4过渡区域

5冻结头部

10冻结喷枪

11管件覆盖层

12内部空间

13第一部段或冻结区域

14第二部段或加温区域

15管线

16第一开口

17第一温度测量装置

18第二温度测量装置

19制冷剂容器

20阀

21控制和/或调节装置

22第二开口

a废气

k制冷剂

l纵向轴线