Note: Descriptions are shown in the official language in which they were submitted.
~L2~35;~
--1 --
La présente invention est re].ative à la technique
de congélation des sols. Elle concerne en premier lieu
un procédé de congélation de sol du type dans lequel on
refroidit un liquide réfrigérant par échange de chaleur
avec un fluide cryogénique, puis on fait circuler ce liquide
dans une série de sondes enfoncées dans le sol.
On sait que la consolidation des sols par congéla-
tion permet l'ouverture de chantiers de travaux publics
dans des sols humides et instables. Elle est pratiquée
par:injection d'un fluide réfrigérant dans des sondes intro-
duites de place en place dans le sol. Ce refroidissementcongèle le sol de proche en proche jusqu'à former un mur
continu quand les zones de congélation de chaque sonde
ont rejoint leurs voisines.
Il est connu d'injecter dans les sondes soit
un liquide refroidi, soit un liquide c.ryogénique tel que
l'azote liquide.
L'iniection directe d'azote liquide présente
plusieurs inconvénients, notamment la difficulté de maitri-
ser les coefficients d'échange th,-rmique avec le sol:
en cédant du froid, l'azote se vaporise et les coefficients
d'échange entre la sonde et l'azote liquide pur d'abord,
puis les mélanges de liquide et de gaz en proportion vari-
able, puis le yaz froid seul, sont très différents. Il
en résulte une forte hétérogénéité de l'épaisseur de sol
congelé autour de 1.a sonde et une perte de temps et d'énergie
pour que les zones les moins congelées se rejoignent pour
former le mur consolidé, tandis que les zones les plus
congelées sont inutilement sous-refroidies et sur-dimen-
sionnées.
L'injection d'un liquide refroidi ne présente
pas ces inconvénients, mais son efficacité dépend de la
méthode de refroidissement.
$~
~2~853
Le refroidissement d'un liquide circulant par
un groupe frigorifique permet d'injecter le liquide à -40C
dans le meilleur des cas, plus généralement à -20C ou
-30C. Ces conditions de congélation conduisent à une
durée de formation du mur congelé prohibitive, de l'ordre
de plusieurs semaines pour un mur de lm d'épaisseur. Cette
durée est généralement incompatible avec la durée des chan-
tiers dans les villes.
Pour permettre de faire circuler dans les sondes
un liquide à beaucoup plus basse température, par exemple
-80C ou même -120C, on a également proposé des procédés
de congélation du type indiqué plus haut. ~n tel procédé
permet de résoudre les inconvénients précités mais reste
actuellement couteux pour les raisons suivantes: d'une
part, pour accélérer la congélation, on est amené à refroi-
dir le sol plus que ce qui est strictement nécessaire pour
sa consolidation. D'autre part, le sol est toujours hétéro-
gène, et la consolidation du mur congelé est gouvernée
par le point le plus faible, c'est-à-dire où la congélation
avance le moins vite. On est alors obligé d'étendre, parfois
dans des proportions considérables, les zones congelées
le plus rapidement.
L'invention a pour but de permettre de réduire
considérablement l'excès de froid et, par suite, de rendre
le procédé beaucoup plus économique, sans pour cela augmenter
sensiblement la durée de la congélation.
A cet effet, l'invention a pour objet un procédé
de congélation de sol du type précité, caractérisé en ce
qu'on fait varier la température du liquide réfrigérant,
au cours de la phase de congélation du sol, en fonction
de la progression de la congélation.
Dans un premier mode de mise en oeuvre, on augmente
~269~3~3
-- 3 --
progressivement, de préférence par paliers successifs,
la température du liquide circulant dans l'une~au moins
des sondes.
Dans un second mode de mise en oeuvre de l'inven-
tion, qui peut se combiner avec le premier, on adapte la
température du liquide circulant dans chaque sonde à la
vitesse de congélation du sol autour de cette sonde, cette
température étant réglée sur une valeur d'autan-t plus élevée
que la vitesse de congélation est plus grande.
L'invention a également pour objet une installation
de congélation de sol destinée à la mise en oeuvre d'un
tel procédé. Cette installation, du type comprenant un
échangeur de chaleur alimenté d'une part en fl~i~e cry~c~é-
nique, d'autre part en un liquide réfrigérant, une série
de sondes de congélation, et des moyens pour faire circuler
le liquide dans chaque sonde, est caractérisée par le fait
qu'elle comprend des moyens pour faire varier la température
de consigne de l'échangeur de chaleur, et/ou par le fait
qu'elle comprend au moins deux échangeurs de chaleur indépen-
dants ayant des températures de consigne différentes.
Quelques exemples de mise en oeuvre de l'invention
vont maintenant être décrits en regard des dessins annexés,
sur lesquels:
La Figure 1 est un diagramme qui illustre
un premier mode de mise en oeuvre de l'invention;
la Figure 2 est un diagramme qui illustre l'avan-
tage apporté par le procédé illustré à la Figure l;
la Figure 3 est un schéma d'une installation
correspondant à un second mode de mise en oeuvre de l'inven-
tion; et qui apparalt sur la même feuille que la Figure
1;
La Figure 4 illustre schématiquement une variante.
~6~i3
Dans chacun des exemples ci-dessous, l'invention
se rapporte à la formation dans un sol sableux et hummide
d'un mur congelé à l'abri duquel certains travaux doivent
être effectués. Pour cela, on enfonce dans le sol une série
de sondes de congélation Sl, S2,..., illustrées schématique-
ment à la figure 3, et l'on fait circuler dans chacune
de celles-ci un liquide réfrigérant ayant une température
d'entrée déterminée. Le liquide choisi doit avoir un point
de congélation suffisamment bas, et le méthanol est un
liquide approprié, auquel on se référera dans la suite.
Comme représenté à la figure 3, ce liquide circule
en circuit fermé entre la sonde et un échangeur de chaleur
El, E2,..., dit "centrale froide", qui comporte d'une part
des passages pour ce liquide et d'autre part des passages
pour un fluide cryogénique, notamment de l'azote liquide.
I,e débit d'admission d'azote liquide dans ces derniers
passages est commandé par une vanne 1 pilotée par un capteur
de température 2 qui capte la température du liquide réfrigé-
rant sortant de l'échangeur. Les passages à azote peuvent
par exemple, comme illustré à la figure 3, être constitués
par une calandre 3 traversée par un serpentin 4 de circula
tion du liquide réfrigérant à contre-courant de l'azote.
Ces éléments n'ont été représentés à la figure 3 que pour
l'échangeur El, dans un but de clarté du dessin, mais il
est entendu que si l'installation comporte plusieurs échan-
geurs, comme celle de la figure 3, tous ces échangeurs
ont une constitution analogue.
Du liquide réfrigérant, sortant à une température
froide de consigne d'un échangeur, est injecté au fond
de chaque sonde connectée à ce dernier par un tube central
5 de celle-ci et remonte entre ce tube et l'enveloppe cylin-
drique 6 de la sonde pour retourner à l'échangeur. Entre
l'entrée et la sortie de la sonde, le liquide échange de
la chaleur avec le sol environnant, à travers l'enveloppe
6.
Suivant le mode de mise en oeuvre illustré à
la Figure 1, de module dans le temps de la -tempéra-ture
du liquide réfrigérant injecté dans les sondes de congéla-
tion, en augmentant progressivement cette température
d'une température minimale de début de congélation à une tem-
péra~ture finale de maintien en froid du mur déja congelé. Dans
l'exemple illustré, cette augmentation a lieu par paliers successifs.
A titre d'exemple numérique (exemple I), on suppo-
sera que l'on désire consolider par congelation en 100
heures un mur de 1 m d'épaisseur dans un sol sableux humide,
sur une profondeur de 20 m et une longueur de 50 m. Pour
cela, on enfonce dans le sol cinquante sondes S1, S2,...,S50
espacées de 1 m les unes des autres~ On fait circuler
du méthanol entre les sondes montées en parallèle et un
échangeur de chaleur unique refroidi à l'azote liquide
tel que l'échangeur El décrit ci-dessus. Le capteur de
température 2 est équipé d'un dispositif de réglage qui
permet de réguler à volonté la température du méthanol
entre -80C (limite inférieure tolerable pour ce corps)
et -10C
On commence la congélation en faisant circuler
le méthanol avec une température de consigne en sortie
d'échangeur (et donc à l'injection dans les sondes) de
-80C. On maintient cette température de consigne pendant
soheures. La te~érature du sol au voisinage des sondes
s'établit alors à -70C et la rayon congelé autour des
sondes est de 38 cm (soit un diamètre de 76 cm).
A ce moment, on règle la température de consiqne
du méthanol à -65C. On maintient cette température pendant
:~L269~5~
-- 6
20 heures. La température du sol au voisinage des sondes
s'établit à -57C. Pendant cette période de temps, la
progression du front de congélation du mur n'est pra-tiquement
pas ralentie, car ~le ~ouvernée par le gradient de
température au voisinage de l'isotherme de congélation
(0C) et non pas par la température de la sonde. On obtient
ainsi qu bout de 70 heures de congélation un diamaètre
congelé de 84 cm.
Après 70 heures de congélation, on fixe la température
de consigne du méthanol à -50C. On maintient cette tempéra-
ture de consigne pendant 15 heures. La température dusol au voisinage des sondes S'établit à -44C. Au bout
de 85 heures, le diamètre congelé autour des sondes est
de 88 cm.
On fixe alors la température de consigne du
méthanol à -40~C. On la maintient pendant 10 heures.
La température du sol au voisinage des sondes s'établit
à -35C. Au bout de 95 heures de congélation, le diamètre
de sol congelé autour des sondes est de ~0 cm.
On établit alors la température de consigne du
méthanol à -35C. On conservera cette température de consi-
gne pendant toute la période de maintien du mur congelé.
La température du sol autour des sondes s'équilibrera à
-30C. La congélation d'un diamètre de 100 cm sera obtenue
au bout de 100 heures environ.
Il est à noter que les indications ci-dessus
correspondent à un sol homogène et à une sonde isolée, en
fait, chaque sonde de congélation réagit avec ses voisines,
ce qui, pour un espacement de l m entre sondes, conduit
à un mur congelé d'épaisseur variable: l m au droit des
sondes, 80 cm environ à mi-distance entre les sondes.
On comprend par ailleurs, que, en variante, les
;9~53
-- 7
différentes températures de consigne du méthanol peuvent
être obtenues non plus au moyen d'un échangeur unique à
température de consigne ~églable, mais au moyen de plusieurs
échangeurs de chaleur ayant des températures de consigne
différentes mais fixes, ces échangeurs peuvant ê-tre sélectl-
vement connectés aux sondes par un jeu de vannes approprié.
De plus, si les échangeurs dont on dispose ne permettent
pas de fournir individuellement la puissance frigorifique
(proportionnelle au produit du débit de méthanol par l'écart
de température entre l'entrée et la sortie de l'échangeur)
1~ nécessaire, on peut utiliser pour chaque température de
consigne plusieurs échangeurs en parallèle réglés sur
la même température.
La figure 2 illustre l'avantage du procédé décrit
ci-dessus. Elle représente la variation de la température
T du sol en fonction du rayon R, compté à partir de la
paroi extérieure d'une sonde supposée isolée, ceci à la
fin de la congélation, c'est-à-dire lorsque le rayon congelé
Rc devient voisin de la demi-distance séparant les sondes
(environ 0,5 m dans l'exemple ci-dessus).
La courbe inférieure Al correspond au cas où
l'on aurait alimenté en permanence la sonde avec du méthanol
à -80C, suivant la technique antérieure. Cette courbe
monte de -70C pour R = à 0C pour R = Rc, puis de 0C
à la température ambiante Ta. La courbe supérieure A2
correspond au procédé suivant l'invention décrit ci-dessus;
elle monte de -30C pour R = 0 à 0C pour R = Rc, puis
continue à croltre de 0C jusqu'à Ta en restant au-dessus
de la courbe Al. L'aire hachurée comprise entre les deux
courbes Al et A2 est une représentation de l'économie de
frigories réalisée.
Suivant le mode de mise en oeuvre représenté
~2~i~3~353
à la Figure 3, on régule la température du méthanol non
plus dans le temps mais dans l'espace, en adaptant cette
température, pour chaque sonde, à la vitesse de congélation
du sol autour de cette sonde, afin d'éviter de sous-refroi-
dir à l'excès les parties du sol qui congèlent le plus
vite. ~n effet, dans la réalité, si un sol est généralement
relativement homogène dans le rayon de 50 à 60 cm qui
entoure une sonde, il n'en est pas de même d'une sonde
à l'autre.
Pour cela, on utilise plusieurs échangeurs
10 de chaleur El, E2,, au nombre de cinq dans l'exemple
illustré, ayant des températures de consigne indépendamment
réglables et pouvant chacun se raccorder à toutes les
sondes. On mesure la vitesse de refroidissement du sol
en début de congélation, et on envoie dans chaque sonde
du méthanol à une température d'autant moins froide que
le sol concerné par cette sonde se refroidit plus vite
La détermination de la vitesse de congélation,
qui permettra de fixer une température de consigne pour
chaque sonde et chaque échangeur de chaleur peut se faire
par exemple comme suit.
On peut tout d'abord effectuer des mesures
globales de refroidissement pour chaque sonde:
(a) la mesure de la différence de température
entre l'entrée et sa sortie du méthanol dans chaque sonde est
une mesure caractéristique du flux de chaleur absorbé
par le sol, pour un débit donné. Si cette différence
est plus élevée pour une sonde particulière, il faut
élever la température d'injection du méthanol dans cette
sonde, car le sol absorbe beaucoup de froid.
(b) on peut également disposer parallèlement
à la ligne des sondes une ligne de capteurs de température
i9853
g
Cl, C2, ..., par exemple comme représenté à la Figure 4,
où un capteur de température est disposé dans le sol,
près de la surface, entre les paires de sondes successives,
à égale distance des deux sondes de chaque paire. De
la même façon que précédemment, on fixe alors la température
d'injection du méthanol dans les sondes les plus voisines
de ces ca~te~lrs en fonction de la vitesse de refroidissement
du sol qulils montreront.
Toutefois, en pratique, il arrive fréquemment
que, sur la longueur du mur à congeler, le sol soit hétéro-
gène non seulement horizontalement, mais égalment vertica-
lement, au moins dans certaines zones. Il peut donc exister,
sur la hauteur de certaines sondes, des régions qui Gongè-
lent rapidement et d'autres qui congèlent lentement.
Par suite, les moyens de mesure glObale~ci-dessus risquent
de conduire à ralentir excessivement le refroidissement
d'une sonde qui congèlerait globalement vite (ce qui appa-
raltrait par exemple à partir d'une grande différence
de température entre le méthanol entrant et le méthanol
sortant) mais, en fait, très rapidement sur une portion
de sa longueur et très lentement sur une autre.
Pour éviter ce risque, on peut affiner la mesure
en disposant plusieurs capteurs de température 7 sur la
longueur des sondes, sur leur paroi extérieure, ces capteurs
étant adaptés pour mesurer la température du sol au voisinage
imrnédiate des sondes. On peut alors procéder de deux
manières:
(c) en début de refroidissement, mesurer la
vitesse de refroidissement en chacun de ces points; ou
(d) un certain temps après le début de la
congélation, injecter temporairement, par exemple pendant
10 à 30 minutes, du méthanol plus chaud que le sol, et
3S3
- 10 - .
mesurer la vitesse de remontée de la température aux diffé-
rents points de mesure. En effet, cette vitesse de remontée
varie dans le même sens que la vitesse de congélation
du sol~
Si cette procédure permet de déceler une hétéro-
généité verticale du sol, on se basera sur la variation
de température la plus faible pour déterminer la température
d'injection du méthanol dans la ou les sondes correspondantes.
L'exemple II suivant illustre la mise en oeuvre
de l'invention à partir des méthodes (a) et (d) ci-dessus.
Les données de base sont les mêmes que précédemment:
Il s'agit de congeler en 100 heures un mur de l m d'épaisseur
dans un sol sableux humide, sur une profondeur de 20 m
et une longueur de 50 m. On dispose cinquante sondes
Sl, S2, ..., S50 espacées de 1 m, et on y fait circuler
du méthanol refroidi. On utilise cinq échangeurs de chaleur
E1 à E5 indépendants alimentés en azote liquide suivant
le schéma de la figure 3. Par un jeu de tuyauteries et
de vannes appropriés (non représentés), on peut alimenter
n'importe quelle sonde à partir de n'importe quel échangeur.
Chaque sonde est munie de capteurs de température 8 et à
9 mesurant la température du méthanol à son entrée et
sa sortie, respectivement. Contre la paroi externe de
chaque sonde, on a disposé des thermocouples 7 pour mesurer
la température à 2 m, 10 m et 18 m de profondeur.
Après démarrage de l'injection dans toutes
les sondes du méthanol à -80C, on attend 5 heures que
les effets transitoires lnitiaux soient passés. On constate
à ce moment-la sur les sondes la différence de température
~ T suivante entre l'entrée et la sortie du méthanol.
~2i~;~8~3
-- 1. 1 --
Sondes n 1 à 4 5 à 12 13, 14 15 à 25 26 à 40 41 à 50
_ . _
TC 10 4 6 4 6 8
La température de la surface externe des sondes
est peu variable à ce moment-là, entre -70C et -72C
pour toutes les sondes.
Par changement la température de consigne
des échangeurs El à E5, on injecte dans les sondes du
méthanol à -50C pend~nt 20 mn- On mesure la vitesse de
remontée des températures externes des sondes. On constate
à 18 m de profondeur, sur les sondes S46 à S50, une remontée
trois fois plus lente de la température que sur les mêmes
sondes à 10 m et à 2 m de profondeur; aucune hétérogénéité
n'est constaté sur les autres sondes.
On rétablit alors llinlection de méthanol
froid en fixant les températures de consigne de la fa~on
suivante.
Sondes n 1 à I 5 à 12 13, 14 15 à 25 26 à 4Q 41 à Q5 46 à SQ
température ~55 -80 -70 -80 -70 -55 -80
_
Echangeurs El E2 & F.3 E4 & E5 E2 & E3 E4 & E5 El E2 ~ E3
Comme on le voit, malgré les résultats de la mesure
globale, les sondes S46 à S50 ont été traitées comme des
sondes à cong~lation lente pour tenir compte de la lenteur
de la congélation observée dans leur partie la plus profonde.
Par ailleurs, on alimente certains groupes
de sondes avec deux échangeurs connectés en parallèle.
Ceci permet de fournir un débit de méthanol du même ordre
à toutes les sondes. On remarque également que, pour
ne pas trop compliquer l'installation, on alimente les
~ ~3~ 8~
groupes cle sondes ~l à S4 et S4l à S45 à la même température
bien que, en toute rigueur, les sondes de ces deux groupes
absorbent des flux de chaleur différents.
Il résulte de ce qui précède que l'on fournit
à chaque sonde une puissance frigorifique d'autant plus
faible que le sol entourant cette sonde se congèle plus
vite.
L'exemple III ci-dessous illustre la procédure
(b) indiquée plus haut
A partir des mêmes données de base que dans
les exemples précédents, on dispose à 40 cm de la ligne
des sondes de congélation une ligne de vinc~-cinq capteurs
de température Cl, C2, ..., C25 au droit d'un intervalle
de sondes de congélation sur deux, comme indiqué sur la
figure 4, chaque capteur se trouvant à égale distance
de deux sondes. Le capteur de température Cl est volsin
des sondes de congélation Sl et S2, le capteur de températu-
re C2 est voisin des sondes de congélation S3 et S4, etc...
On commence par injecter du méthanol à -80C
dans toutes les sondes de congélation pendant 24 heures.
Au bout de 24 heures, on constate les température suivantes
sur les capteur-, de température.
Capteurs n 1, 2 3 à 61 7 8 à 12 13 à 20 21 à 23 24, 25
__ _. _
Température ¦ 0 ¦ + 7 + 4 ¦ 7 ¦ + 4 ¦ + ~ ¦ + 6
_
sondes à 4 5 à 12 13, 14 15 à 24 25 à 40 41 à 46 47 à 50
associées n
A partir de ce moment, on alimente les sondes
à des te~Dératures différentes, de la manière suivante:
- ]3 -
sondes n 1 à 4 5 à l2 13, 14 ¦ 15 a Z; ~' i 4n 41 à 4~ 47 à 50
_ _ I
Te~pérature
du méthanol
(C) -55 -80 -70 -80 -70 -55 -80
__ _ _ .
Echangeurs
utilisés El E2 & E3 E4 & E5 E2 & E3 E4 & E5 El E2 & E3
Les remarques faites plus haut au sujet de
l'utilisation des échangeurs, seuls ou en parallèles, restent
valables dans cet exemple.
Il est à noter qu'il est tout-à-fait possible
de combiner les divers procédés de régulation décrits
ci-dessus, et en particulier de faire varier la température
d'injection du méthanol à la fois dans le temps et dans
l'espace. Dans ce cas, après avoir fixé les différentes
températures d'injection du méthanol dans les différents
groupes de sondes, on définit pour chaque groupe une série
de paliers de plus en plus chauds, répartis sur la durée
totale de la congélation de façon à alimenter en fin de
congélation toutes les sondes à la température de consigne
unique qui sera conservée pendant la période de maintien
du mur congelé~
L'exemple IV ci-dessous combine ainsi les ensei-
gnements des exemples I à III précéder~ts et decrit sous
forme de tableau la procédure de congelatiorl pendant les
100 heures imparties pour obtenir un rrur de 1 m d'épaisseur.
~6!~35~
- 14
N des
sondes temps (h)
0 20 _ 40 _ 60 _ 80 _ lO0
_ -80C -65C -50C _ _
S à 12 -80C par par par -40C -35C
15 à 24 sur E2 E2 E2 sur sur
47 ~ 50 toutes les & E3 & E3 E3 tou~es toutes les
13 & 14 sondes ¦ -70C -60C E4 les sondes
25 à 40 par les par E4 par E4 et sondes par
et E5 et E5E5 I par El
l à 4 ~55C -50C -40C à E5
41 4 46 ~ par El par Elpar El E5
_ _
