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La presente invention es~ rèIative à la tecnnique de congela-
tion des sols par injection d'un liquide cryogenique, nota~m~nt d'azote
li~uide, dans au moins une sonde de conselation enfoncee dans le sol.
On sait que la consolidation des sols ~ar congelation perm,et
5l'c,uverture de chantiers de travaux publics dans des sols humides et
instables. Elle est pratiquee par injection d'un liauide refriserant dans
des sondes introduites de place en place dans le sol. Ce refroidissement
congele le sol de proche en prcche, jusqu'à former un l~ur ccntinu ~uar~
les zones de congélation de chaque sonde ont rejoint leurs voisines~
10Il est connu d'injecter dans les sondes un liquide cryogenique
tel que l'azote liquide. Cette injection directe d'azote licuide presente
plusieurs inconvenients, notam~ent la dif,~iculte de ma~triser les coer~i-
cients d'echange thermique avec le sol. En effet, en cédant du froid,
l'azote se vaporise, et les ccefficients d'echange en~re la sonde et
15l'azote liquide pur d'a~ord, puis les melanges de liquide et de gaz en
proportions variables, puis le gaz refroidi seul sont très dif~ërents. Il
en resulte une forte heterogeneite de l'~raisseur du sol congele autour
de la sonde et une perte de t~,~s et d'energie pour que les zones les
moins congelees se rejoignent pour former le mur consolide, tandis que
20les zones les plus congelees sont inutile~ent sous-refroidies et sur-
dimensionnees. De plus, les sols etant ceneralement héterosènes, certai-
nes par'ies se congèlent plus vite que d'autres ; cette heterugeneite du
sol aug~.ente encore l'etendue des zones inutilement congelees et sous-
refroidies.
25L'invention a pour but de rendre le procede plus econGmique en
assurant un refroidissement plus hcmcg~ne du sol.
A cet effet, l'invention a pour objet un procede de consélation
de sol par injection d'un liquide cryc~enique, nota~ment d'azote liqui~e,
dans au moins une sonde de congélation enfoncée dans le sol, caract~risé
30en ce qu'on régule l'injection du liquide crycgénique de manière à
;maintenir la température du sol au voisinage de la sQnde, sur toute la
longueur de celle-ci, au-dessus d'une valeur limite predéten~lné~e, cette
valeur limite étant supérieure d'au moins 35C environ à la t~érature
d'ebullition du liquide cryogénique.
35Ainsi, on garantit que l'e~art de te~perature entre la paroi de
la sonde et le liquide c~yogerique est suffisant pour provoouer en
permanence la calefaction du liquide cryoSénique au contact de cette
paroi. Par suite, l'echange de chaleur entre le liqui~e et 12 paroi de la
sonde a tcujours lieu ~ar l'inter~ediaire d'une couche gazeuse de caléfac-
tion~ Qn evite ainsi le transfert excessif de froid à la paroi qu'occa-
sionnerait le contact franc liquide-paroi si la temperature de la paroi
de la sonde descendait trop près du point d'ebullition du liquide. Ces
conditions, que l'on rencontre habituellement dans les prccedes de l'art
anterieur, permettent un transfert de froid -tres rapide mais que l'on ne
peut assurer que sur une hauteur de sonde tres limitee.
En pa~ticulier, lorsque le liquide crycgenique est de l'azote
o liquide, ladite valeur limi~e est de preference ccmprise entre -140C et
-160C environ.
Dans un mode de mise en ce~vre avar.tageux qui assure une bonne
utilisation des frigories disponibles, on regle le debit de liquide
cryogenique, pendant les periodes d'injection, de manière ~ obtenir une
temperature du gaz à sa sortie de la sonde voisine d'une valeur predeter-
minee, cet.te valeur etant de preference egale à -70C environ dans le cas
de l'azote liquide.
L'hc~cgeneite du refroidisse~ent est encore amelioree lorsque,
la sonde ccmportant un passage central et un passage annulairer on
alterne des periodes d'injection du liquide cryogenique dans le passage
central et des periodes d'injection du liquide cryogenique dans le
passage annulaire.
L' mvention a egale~ent pour objet une installation de congela-
tion de s~l destinee à la mise en ceuvre d'un prccede tel que definit
ci~dessus. Cette installation, du type cc~prenant au moins une sonde de
congelation et des ~oyens d'injection dans cette sonde d'un liquide
cryc~énique tel que l'azote liquide, est caracterisee en ce que la son~e
camporte au moins un capteur de te~perature sur sa paroi ~xtérieure, au
voisinage d'une de ses extrémités.
Un exemple de realisation de l'invention va ~alntenant être
décrit en regard des dessins annexes, sur lesquels :
- la figure 1 est un schéma d'une partie d'une installation de
congélation confonme à l'invention ; et
- la figure 2 est un diagra~me qui lllustre le fonctionne~nt
de cette installation~
L'installation de congélation representee à la figure 1 CCIr
prend essentiellement un réservoir 1 de stockage d' æ ote liquide et
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une serie de sondes de congelation 2, dont une seule a éte represent~e et
qui sont toutes identiques.
L~a sonde ~, suP~osee enfoncee vertic~lement dans le sol,
oomprend trois tu~es concentriques 3 à 5. L~ tube exterieur 3 est fe~me à
son extre~lte inferieure par un fond 6 et definit avec ce dernier La
surface d'e.~hange thermique de la sonde avec le sol environnant 7. Les
tubes intelD}~lLaire 4 et interieur 5 s'etendent de l'orifice su~erieur de
la sonde jusqu'à une ~;hle distance du fond 6, et ils sont relies à cet
emplace~nt par une pzroi annul~ire horizQntale 8.
A~nsi sont delimites dans la sonde 2 : un pass2ge central 9
defir~ par le tube interieur 5 et de~ouchant sur le fond 6 ; un espace
annulaire in~er~diaire 10, delimite par les tubes 4 et 5 et la paroi 8,
qui peut être empli d'une matiere ther~lque~ent isolante telle que de la
perlite ; et un passage annulaire extérieur 11 délimité entre les tubes 3
et 4 et d~ouchant sur le fond 6.
L'installation camporte également des moyens pour injecter de
1'a~ote liquide dans les passages 9 et 11. Ces moyens d'injection
ccmprennent deux conduites 12 et 13 de~ouchant respective~ent dans ces
deux passages, reliees à la partie inlerieure d~ réservoir 1 et equipees
de vannes d'arrêt respectives 14 et lS. Une vanne ccm~une 16 d'arrêt et
de reglage de debit est egale~ent prevue ~ la sortie du reservo.ir.
L'extremité superieure des passages 9 et 11 est munie par
ailleurs de moyens d'evacuation de gaz, sc~ématises par des conduites
respectives 17, 18 ~quipees de vannes d'arrêt respectives 19, 20.
Les vannes 14, 15, 18 et 19 scnt mLnies d'un dispositif
d'actionnement s~multane à deux positions (non represente). Dans une
position, les vannes 14 et 20 sont c~vertes tandis que les vannes 15 et
19 sont fermees ; l'autre position inverse l'etat des quatre vannes. T
vanne 16 permet d'interrGmpre et de ret2blir le debit d'azote liquide.
Sur la face exterieure du tu~e exterieur 3, la sonde 2 porte
trois capteurs de tem~era~lre 21, constitues par exemple par des
thermocouples, qui sont adaptés pour mesurer la temperature du sol au
voisinage im~ediat de la sonde, à des profondeurs de 2 m, 10 m et 18 m
respective~ent (températures T2~ Tlo et T18 respectivement). Il est de
plus prévu un capteur de température 22 relié à chacune des condui~es 17
et 18 et adapte pour mesurer la temDerature TG de l'azote gazeux sortant
de la sonde.
~L2~9~
4 ~
En fait, l'installation ccmporte une ser-e de son~es 2 disposee
suivant ur.e l;sne qui definit le mur congele à realiser. Toutes les
sondes qui sont branchees en parallele sur le reservoir 1 de 12 n~niere
decrite ci-dessus, ch~que sonde comportant son propre jeu de vannes 14,
15, 16, 18 et l9.
Le fc,nctionnenY~t de cette installation, illustre à la ligure
2, est ~ase sur une double regulation de l'injection d'azote liquide dans
les sondes, chaque sonde et~nt regulee independam~ent des autres ~our
tenir csmptQ de l'k.eteroseneite du terrain :
- d'une part, l'admission d'azote liquide est regulee en tout
ou rien, au m~yen de la vanne 16, de maniere que la t~mçerature du sol au
point le plus froid reste en permanence ccmprise entre deux valeurs
limites predete~minees, à part1r des indications fournies par les
capteurs de tem~erature 21 de la sonde considere~. Cc~e e~pliqué. plus
haut, la limite in~erie~e est au moins egale à -160C afin d'assurer la
présence permanente d'une couche gazeuse de calefaction entre l'azote
liquide et le tube 3, de sorte que la tot lite de l'echange thermique
entre l'azote et la sonde est un echange gaz-~etal.
- d'autre part, pend2nt les periodes d'injection de l'azote
liquide, une fois terminee la phase transitoire de mise en froid, le
debit de liquide est reglé, au moyen de la vanne 16, de maniere que le
gaz resultant de la vaporisation de l'azote liquide ait à sa sor~ie de la
sonde une tem~erature voisine d'une t~mperature de consigne predete~minee
choisie de manière ~ optimiser l'utilisation de frigories. Une
temperature de consigne de l'ordre de -70C s'est revelee satisIaisante.
Cette manière de proceder a~eliore nettement l'hc~cgeneite du
re~roidissement du sol Far rapFort au cas où, sui~ant la technique
anterieure, on se contente de regler le debit d'azote liquide en ~oncti~n
de la temperature du saz sortant de la s~nde. Tcutefois, on ne peut
eviter par les seules regulations ci-dessus d'obtenir un fort gradient de
t~mperature entre le kas et le haut d~s sondes. Pour supprImer en grande
partie cette heterogeneite, on inverse periodiquement les vannes 14, 15,
19 et 20 de toutes les sondes.
Ainsi, en supposant que l'on a cc~ence F æ injecter Eendant
3S quelques heures l'azote liqui~e par le passage central 9 en evacuant
1'azote sazeux par le passage peripherioue ll, l'inversion a pour
resultat que l'a20te li~uide est injecte dans le passage 11 tancls o~e
l'azote gazeu~ est evacue par le passage central 9.
On atteint de ce~te façon au bout de quelques heures un nouvel
equilibre inverse dans lequel le point le plus froid, r~gulé entre les
deux temperatures limites precitees, est situe en haut de la sonde et le
point le moins froid en bas~ On comprend qu'en inversant periodique~ent
les courants d'azote, on obtient une bonne hc~ogeneite thermique dans le
sol.
L'exemple numerique suivant illus rera le procédé decrit
ci-dessus :
On désire consolider le plus rapide~ent possible par
congélation un mur de 1 m d'épaisseur dzns un sol sableux humide sur une
profondeur de 20 m et une largeur de 50 m. Pour cela , on enl'once dans le
sol d nquante sondes 2 espacees de 1 m les ures des autres.
Chaque scnde a un diamètre exterieur de 150 mm et est ccmposée
de trois tubes concentriques 3 à 5 de diamètres respectifs 150, 128 et 68
~m. L'espace annulaire central entre le tuke 4 de 128 mm et le tube 5 de
68 mm es. rempli de perlite. Les diametres sont choisis de façon que la
section iibre du passage central 9 et celle du passage annulaire
extérieur 11 soient egales.
La congelation comrence par l'injection d'azote liquide dzns
les tubes centraux 5. Les temperatures au voisinage des sondes sont
toutes initialenY~nt de l'ordre de 14C. ~ans chaque sonde, l'azote se
vaporise en cedant du froid au sol et en rer,ontant par le passage
annulaire exterieur. Le debit d'azote liquide D par sonde est le debit
mz~lEal de 15 l/mn (soit 750 l/mn pour les cinqu2ntes sondes), regle au
mcyen des ~annes 16.
Dans la suite, on décrira à titre d'exemple nu~erique, en
regard de la figure 2, le ccm~ortement d'une seule sonde, etant enter.du
que chacune des sondes est regulée indéFes~uiDent des autres. Les valeurs
limites de la temperature la plus froide du sol sont choisies ~ 5C et
-138C, et la valeur de consigne de sortie de l'azote gazeux z -70C.
La te~erature de l'azote gazeux en sortie de sonde s'abaisse
durant la première heure de -10C à -70C. Pendant ce temps, les
températures externes atteignent -140C à 18 m, ~100C à 10 m et -62C à
2 m de profondeur. Ccmr.e les phénomenes trar,sitoires de mise en froid se
font encore sentir, on poursuit l'injection d'azote liquide avec le mâme
g~
débit pendant lO mn supplementaires, durant lesquelles la ter~?erature de
sortie de l'azote gaæeux atteint -78C et la température e ~ érieure à 18
m atteint ~145C.
On coupe alors l'injection d'azote liquide. En lO mn, la
temperature exterieure à 18 m re~nte à -138C. On rétablit un débit de
10 l/mn d'azote liquide. Ce débit est plus faible que précede~.ent
puisque la température froide de -145C n'avait et~ atteinte que pcur une
tem~erature trop basse de l'azote gazeux sortant de la sonde.
En 20 mn, la te~pérature exterieure à 18 m s'a~aisse de nouveau
à -145C et la temperature de sortie des gaz à -75C. O.n coupe de nouveau
le debit d'azote, puis on le rétablit à 8 l/mn (paur la ~ê~,e rzison que
ci-dessus) auand la temperature à 18 m remonte à -133C.
On poursuit cette alternance d'inje ~ions et d'arrêts en
réduisant le débit tant que la temperature des gaæ descend au~dessous de
~70C. Le debit est g æ dé constant quand cette te~pérature S2 stabilis2
dans une fourchette de -68C à -72C. il est augm~nte si cette
t~erature rer~onte au-dessus de -68C, et dmunué si elle redescend
au-dessous de -72C~
Au bout de S heures de congélation, on inverse les deb.its de
~outes les sondes en injectant l'azote liquide par le passage annulalre
extérieur 11, le gaz ressortant par le passage central 9.
T e debit est alors fixe à 8 1/mn. Le gaz ressort initialement
tres ~roid à -120aC; c'est un regime transitoire qui provient du passage
de l'azote à contre-courant de la tem~erature du sol. Au bout de lO r~n~
la ter~érature de sortie du gaz remonte à -70C et les temperatures
externes s'etablissemt ~ : -100C à 2 m, -100C à lO m, -65C à 18 m ; 20
mn plus tard, la température externe ~ 2 m se trouve à -145C et le gaz
sort à -75C.
On coupe le debit d'azote, et Rn le rétablit à 7 l/mn quanl la
~emperature à 2 m remonte à -138C, ce qui se produit au bout de 5 mn
environ.
On poursuit cette succession d'injections et d' æ rets pend~nt 5
heures, en modi~iant eventuellement le debit d'azote liquide de la
manière indiquee plus haut. On inverse ~e nouveau les debits ~ l'issue de
cette periode.
~n poursuit la regulation ainsi definie en inversant les debits
toutes les 5 heures. Le sol est consolide par congelation sur une
~2~;9~
epaisseur de 1 m en 50 heures environ, avec une hcmogeneite de
tem~erature tres satisfaisante~
;
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