BR102018015319B1

BR102018015319B1 - ELECTROMAGNETIC INDUCED HEATER

Info

Publication number: BR102018015319B1
Application number: BR102018015319-6A
Authority: BR
Inventors: Shiella Delos Reyes; Bruce C.W. Mcgee; David Nyarko; Edwin Walter Reid
Original assignee: McMillan-McGee Corp
Priority date: 2018-05-29
Filing date: 2018-07-26
Publication date: 2023-07-18

Abstract

A invenção se refere a um dispositivo de aquecimento para aquecer o solo subterrâneo compreendendo um condutor que está alojado em uma carcaça condutora, em que quando pelo menos uma corrente de condução é fornecida ao condutor, o condutor gera pelo menos um campo magnético que induz pelo menos uma corrente induzida na carcaça. As correntes de indução são de uma frequência suficiente para fazer com que as correntes induzidas gerem resistência na carcaça, aumentando a temperatura da carcaça. Uma pluralidade de dispositivos de aquecimento pode ser disposta em um arranjo para facilitar o aquecimento de uma área do solo.The invention relates to a heating device for heating underground soil comprising a conductor that is housed in a conductive housing, wherein when at least one conducting current is supplied to the conductor, the conductor generates at least one magnetic field that induces minus one current induced in the housing. The induction currents are of a sufficient frequency to cause the induced currents to generate resistance in the housing, increasing the temperature of the housing. A plurality of heating devices may be arranged in an arrangement to facilitate heating an area of the ground.

Description

CROSS REFERENCE

[0001] Este pedido reivindica prioridade ao pedido de patente Norte-americano 15/991,406, intitulado “Aquecedor induzido eletromagnético”, depositado em 29 de maio de 2018, que é incorporado em sua integra aqui.[0001] This application claims priority to North American patent application 15/991,406, entitled “Electromagnetic induced heater”, filed on May 29, 2018, which is incorporated in its entirety here.

FIELD OF INVENTION

[0002] Um aparelho para aquecer o solo, tal como para remediação do solo/ambiente ou recuperação de hidrocarbonetos, é fornecido. Mais particularmente, um dispositivo que utiliza indução eletromagnética para gerar calor é fornecido para a introduzir calor no solo para facilitar a remoção de contaminantes e/ou a mobilização de hidrocarbonetos.[0002] An apparatus for heating the soil, such as for soil/environmental remediation or hydrocarbon recovery, is provided. More particularly, a device that uses electromagnetic induction to generate heat is provided to introduce heat into the soil to facilitate the removal of contaminants and/or the mobilization of hydrocarbons.

BACKGROUND OF THE INVENTION

[0003] Os solos contaminados são uma preocupação ambiental e de segurança significativa. Muitos contaminantes têm a capacidade de fluir para os sistemas de aquíferos, contaminando assim o abastecimento público de água. A profundidade em que alguns contaminantes ocorrem torna o uso de escavação inviáveis economicamente. Portanto, métodos são empregados para remover contaminantes in-situ, onde a profundidade não é um fator. Tais métodos incluem o aquecimento do solo que usam eletricidade ou meios de combustão para vaporizar os contaminantes que são subsequentemente extraídos do solo.[0003] Contaminated soils are a significant environmental and safety concern. Many contaminants have the ability to flow into aquifer systems, thereby contaminating public water supplies. The depth at which some contaminants occur makes the use of excavation economically unfeasible. Therefore, methods are employed to remove contaminants in-situ where depth is not a factor. Such methods include soil heating that use electricity or combustion media to vaporize contaminants that are subsequently extracted from the soil.

[0004] Métodos de aquecimento do solo também são utilizados em conexão com o aquecimento de reservatórios subterrâneos de óleo pesado ou depósitos de betume para reduzir a viscosidade dos hidrocarbonetos para que possam ser recuperados mais facilmente.[0004] Soil heating methods are also used in connection with heating underground reservoirs of heavy oil or bitumen deposits to reduce the viscosity of hydrocarbons so that they can be more easily recovered.

[0005] As tecnologias de aquecimento do solo atuais se baseiam nos seguintes princípios: (1) passar uma corrente elétrica através dos elementos de aquecimento para aquecer o solo por condução, (2) combustão de combustível dentro de uma tubulação subterrânea e (3) passar uma corrente elétrica pelo solo entre vários eletrodos, onde o calor é gerado através do aquecimento por Joule do solo. Por exemplo, veja a tecnologia de Processo de Descarga Dinâmica Térmica (ET-DSP) da própria Requerente divulgada na Patente Norte- americana número 6,596,142.[0005] Current ground heating technologies are based on the following principles: (1) passing an electrical current through heating elements to heat the ground by conduction, (2) fuel combustion within an underground pipeline, and (3) passing an electric current through the soil between several electrodes, where heat is generated through Joule heating of the soil. For example, see Applicant's own Thermal Dynamic Discharge Process (ET-DSP) technology disclosed in U.S. Patent number 6,596,142.

[0006] Para o elemento aquecedor elétrico e as tecnologias de aquecimento de combustão, as considerações de custo limitam os elementos de aquecimento e as tubulações a um diâmetro pequeno. Além disso, é difícil controlar a temperatura limite ao longo da extensão vertical do furo do poço para aquecimento seletivo de diferentes extensões verticais do elemento/tubulação a diferentes temperaturas. Além disso, o equipamento de aquecimento usado em tais operações possui custos irrecuperáveis, pois normalmente são deixados no solo após a conclusão de um projeto de reparação. O ET-DSP™ e tecnologias semelhantes são capazes apenas de reparar um número limitado de contaminantes, pois a temperatura do solo é limitada ao ponto de ebulição da água, que pode ser menor que a temperatura necessária para atingir a reparação térmica de certos tipos de contaminantes.[0006] For electric heating element and combustion heating technologies, cost considerations limit heating elements and piping to a small diameter. Furthermore, it is difficult to control the threshold temperature along the vertical extent of the wellbore for selective heating of different vertical extents of the element/tubing at different temperatures. Additionally, the heating equipment used in such operations has sunk costs as it is typically left in the ground after a repair project is completed. ET-DSP™ and similar technologies are only capable of repairing a limited number of contaminants as the soil temperature is limited to the boiling point of water, which may be lower than the temperature required to achieve thermal remediation of certain types of contaminants.

[0007] Existe uma necessidade de um método e dispositivo econômicos para aquecer o solo que forneça uma grande área de superfície de aquecimento, que permita o aquecimento seletivo de extensões verticais do elemento em diferentes temperaturas e seja capaz de atingir temperaturas do solo suficientes para remediar contaminantes com elevados pontos de ebulição, permitindo a recuperação de pelo menos alguns dos equipamentos de aquecimento após a conclusão das operações.[0007] There is a need for an economical method and device for heating soil that provides a large heating surface area, that allows selective heating of vertical extents of the element at different temperatures, and is capable of achieving soil temperatures sufficient to remedy contaminants with high boiling points, allowing the recovery of at least some of the heating equipment after operations are completed.

SUMMARY OF THE INVENTION

[0008] De acordo com um aspecto geral da presente divulgação, é proporcionado um dispositivo de aquecimento para aquecer o solo subterrâneo compreendendo: uma carcaça condutora tendo uma primeira extremidade, uma segunda extremidade e uma parede que define um orifício interno que se estende da primeira e segunda extremidades, e uma temperatura; um condutor, pelo menos uma parte do condutor sendo posicionada no orifício interno, sendo o condutor eletricamente isolado da carcaça; e uma unidade de energia conectada ao condutor através da primeira extremidade, a unidade de energia configurada para converter energia recebida de uma fonte de energia em pelo menos uma corrente de condução e fornecer pelo menos uma corrente de condução ao condutor, em que o condutor é configurado para gerar pelo menos um campo magnético quando pelo menos uma corrente de condução é fornecida para criar pelo menos uma corrente induzida correspondente na carcaça e em que pelo menos uma corrente de condução é de uma frequência suficiente para que pelo menos uma corrente induzida encontre resistência na carcaça para aumentar a temperatura.[0008] In accordance with a general aspect of the present disclosure, there is provided a heating device for heating underground soil comprising: a conductive housing having a first end, a second end, and a wall defining an internal orifice extending from the first and second ends, and a temperature; a conductor, at least a portion of the conductor being positioned in the inner hole, the conductor being electrically isolated from the housing; and a power unit connected to the conductor through the first end, the power unit configured to convert energy received from a power source into at least one conduction current and supply at least one conduction current to the conductor, wherein the conductor is configured to generate at least one magnetic field when at least one conduction current is supplied to create at least one corresponding induced current in the housing and wherein the at least one conduction current is of a frequency sufficient for the at least one induced current to encounter resistance in the housing to increase the temperature.

[0009] De acordo com outro aspecto geral da presente divulgação, é proporcionado um sistema para aquecer uma ou mais áreas subterrâneas do solo compreendendo: uma pluralidade de dispositivos de aquecimento dispostos em um arranjo, em que cada dispositivo de aquecimento compreende: uma carcaça condutora tendo uma primeira extremidade, uma segunda extremidade e uma parede que define um orifício interno que se estende da primeira e segunda extremidades e uma temperatura; um condutor, pelo menos uma parte do condutor sendo posicionada no orifício interno, sendo o condutor eletricamente isolado da carcaça; e uma unidade de energia conectada ao condutor através da primeira extremidade, a unidade de energia configurada para converter energia recebida de uma fonte de energia em pelo menos uma corrente de condução e fornecer pelo menos uma corrente de condução ao condutor, em que o condutor é configurado para gerar pelo menos um campo magnético quando pelo menos uma corrente de condução é fornecida para criar pelo menos uma corrente induzida correspondente na carcaça e em que pelo menos uma corrente de condução é de uma frequência suficiente para que pelo menos uma corrente induzida encontre resistência na carcaça para aumentar a temperatura.[0009] In accordance with another general aspect of the present disclosure, there is provided a system for heating one or more subterranean areas of soil comprising: a plurality of heating devices arranged in an arrangement, wherein each heating device comprises: a conductive housing having a first end, a second end and a wall defining an internal orifice extending from the first and second ends and a temperature; a conductor, at least a portion of the conductor being positioned in the inner hole, the conductor being electrically isolated from the housing; and a power unit connected to the conductor through the first end, the power unit configured to convert energy received from a power source into at least one conduction current and supply at least one conduction current to the conductor, wherein the conductor is configured to generate at least one magnetic field when at least one conduction current is supplied to create at least one corresponding induced current in the housing and wherein the at least one conduction current is of a frequency sufficient for the at least one induced current to encounter resistance in the housing to increase the temperature.

[0010] De acordo com outro aspecto geral da presente invenção, é proporcionado um método para aquecer uma ou mais áreas subterrâneas do solo compreendendo: fornecer pelo menos uma corrente de condução alternada, cada uma tendo uma frequência para pelo menos uma respectiva bobina condutora alojada dentro de uma carcaça condutora, sendo pelo menos uma bobina condutora isolada eletricamente da carcaça condutora, e a carcaça condutora sendo posicionada em uma ou mais áreas subterrâneas; e induzir pelo menos uma corrente induzida na carcaça condutora, em que a frequência selecionada para fazer com que pelo menos uma corrente induzida gere resistência na carcaça condutora para aumentar a temperatura da carcaça condutora.[0010] In accordance with another general aspect of the present invention, there is provided a method for heating one or more subterranean areas of soil comprising: providing at least one alternating conductive current, each having a frequency to at least one respective conductive coil housed within a conductive housing, at least one conductive coil being electrically isolated from the conductive housing, and the conductive housing being positioned in one or more underground areas; and inducing at least one induced current in the conductive shell, wherein the frequency selected to cause the at least one induced current generates resistance in the conductive shell to increase the temperature of the conductive shell.

DESCRIPTION OF THE DRAWINGS

[0011] A invenção será agora descrita por meio de uma modalidade exemplificativa com referência aos desenhos sem escala e simplificados. Quaisquer dimensões fornecidas nos desenhos são fornecidas apenas para fins ilustrativos e não limitam a invenção como definida pelas reivindicações. Nos desenhos:[0011] The invention will now be described by means of an exemplary embodiment with reference to unscaled and simplified drawings. Any dimensions provided in the drawings are provided for illustrative purposes only and do not limit the invention as defined by the claims. In the drawings:

[0012] A figura 1A é uma representação esquemática de um dispositivo de aquecimento de acordo com as modalidades da presente invenção;[0012] Figure 1A is a schematic representation of a heating device according to embodiments of the present invention;

[0013] A figura 1B é uma vista lateral plana do dispositivo de aquecimento da figura 1A com partes omitidas;[0013] Figure 1B is a plan side view of the heating device of Figure 1A with parts omitted;

[0014] A figura 1C é uma vista em plana do dispositivo de aquecimento da figura 1B. As figuras 1A a 1C são coletivamente referidas aqui como figura 1;[0014] Figure 1C is a plan view of the heating device of Figure 1B. Figures 1A to 1C are collectively referred to herein as Figure 1;

[0015] A figura 2 é uma vista em corte transversal do dispositivo de aquecimento da figura 1B;[0015] Figure 2 is a cross-sectional view of the heating device of Figure 1B;

[0016] A figura 3A é uma vista lateral plana de um condutor utilizável no dispositivo de aquecimento de acordo com as modalidades aqui descritas;[0016] Figure 3A is a plan side view of a conductor usable in the heating device according to the embodiments described herein;

[0017] A figura 3B é uma vista lateral plana de outro condutor utilizável no dispositivo de aquecimento de acordo com as modalidades aqui descritas;[0017] Figure 3B is a plan side view of another conductor usable in the heating device according to the embodiments described herein;

[0018] A figura 3C é uma vista lateral plana de ainda outro condutor utilizável no dispositivo de aquecimento de acordo com as modalidades aqui descritas. As figuras 3A a 3C são coletivamente referidas aqui como figura 3;[0018] Figure 3C is a plan side view of yet another conductor usable in the heating device according to the embodiments described here. Figures 3A to 3C are collectively referred to herein as Figure 3;

[0019] A figura 4 é uma vista em perspectiva de um suporte de bobina de trabalho de amostra utilizável no dispositivo de aquecimento de acordo com as modalidades da presente invenção;[0019] Figure 4 is a perspective view of a sample work coil holder usable in the heating device in accordance with embodiments of the present invention;

[0020] A figura 5A é uma representação esquemática de um dispositivo de aquecimento tendo múltiplos inversores monofásicos de acordo com as modalidades aqui descritas;[0020] Figure 5A is a schematic representation of a heating device having multiple single-phase inverters according to the embodiments described herein;

[0021] A figura 5B é uma representação esquemática de um dispositivo de aquecimento tendo um inversor trifásico de acordo com as modalidades aqui descritas;[0021] Figure 5B is a schematic representation of a heating device having a three-phase inverter according to the embodiments described herein;

[0022] A figura 5C é uma representação esquemática do dispositivo de aquecimento da figura 5B mostrando as bobinas de trabalho do condutor trifásico;[0022] Figure 5C is a schematic representation of the heating device of Figure 5B showing the working coils of the three-phase conductor;

[0023] A figura 5D é uma representação esquemática simplificada do dispositivo de aquecimento da figura 5C, ilustrando a ligação em Y entre as bobinas de trabalho;[0023] Figure 5D is a simplified schematic representation of the heating device of Figure 5C, illustrating the Y connection between the working coils;

[0024] A Figura 5E é uma representação esquemática de um dispositivo de aquecimento tendo um inversor trifásico e um condutor trifásico tendo três bobinas de trabalho intercaladas;[0024] Figure 5E is a schematic representation of a heating device having a three-phase inverter and a three-phase conductor having three interspersed working coils;

[0025] A figura 5F é uma representação esquemática simplificada do dispositivo de aquecimento da figura 5E, ilustrando a ligação em Y entre as bobinas de trabalho. As figuras 5A a 5F são coletivamente referidas aqui como figura 5;[0025] Figure 5F is a simplified schematic representation of the heating device of Figure 5E, illustrating the Y connection between the working coils. Figures 5A to 5F are collectively referred to herein as Figure 5;

[0026] A figura 6 é uma vista em perspectiva de uma manga externa opcional suportada na carcaça do dispositivo de aquecimento de acordo com as modalidades aqui descritas;[0026] Figure 6 is a perspective view of an optional outer sleeve supported on the housing of the heating device in accordance with the embodiments described herein;

[0027] A figura 7 é uma representação esquemática de um dispositivo de aquecimento tendo um sistema de arrefecimento de acordo com as modalidades aqui descritas; e[0027] Figure 7 is a schematic representation of a heating device having a cooling system according to the embodiments described herein; It is

[0028] A Figura 8 é um gráfico que ilustra o tempo necessário para o solo no centroide de um arranjo de três dispositivos de aquecimento dispostos em um triângulo equilátero para atingir várias temperaturas.[0028] Figure 8 is a graph illustrating the time required for the ground at the centroid of an array of three heating devices arranged in an equilateral triangle to reach various temperatures.

DESCRIPTION OF MODALITIES

[0029] Ao descrever a presente invenção, todos os termos não definidos aqui têm os seus significados comuns reconhecidos pela técnica. Na medida em que a descrição que se segue é de uma modalidade específica ou de uma utilização particular da invenção, pretende-se que seja apenas ilustrativa e não limitativa da invenção reivindicada. A descrição que se segue destina-se a abranger todas as alternativas, modificações e equivalentes que estão incluídos no âmbito da invenção, conforme definido nas reivindicações anexas.[0029] When describing the present invention, all terms not defined here have their common meanings recognized by the art. To the extent that the following description is of a specific embodiment or of a particular use of the invention, it is intended to be illustrative only and not limiting of the claimed invention. The following description is intended to encompass all alternatives, modifications and equivalents that are included within the scope of the invention as defined in the appended claims.

[0030] Um dispositivo de aquecimento configurado para converter energia eletromagnética em energia térmica é fornecido. Uma aplicação do dispositivo de aquecimento é para o aquecimento do solo, tal como para remediação de solo in situ ou recuperação de betume e óleos pesados de reservatórios subterrâneos. Nas modalidades, o fator Q de qualidade de funcionamento do elemento de aquecimento do dispositivo de aquecimento é suficientemente baixo para proporcionar condições de funcionamento estáveis e uma elevada eficiência da transferência de energia eletromagnética para energia térmica. Consequentemente, a energia de entrada que pode ser fornecida ao elemento de aquecimento é maior do que a presentemente obtida com a tecnologia da técnica anterior.[0030] A heating device configured to convert electromagnetic energy into thermal energy is provided. One application of the heating device is for soil heating, such as for in situ soil remediation or recovery of bitumen and heavy oils from underground reservoirs. In embodiments, the operating quality factor Q of the heating element of the heating device is sufficiently low to provide stable operating conditions and a high efficiency of transferring electromagnetic energy to thermal energy. Consequently, the input power that can be supplied to the heating element is greater than that presently obtainable with prior art technology.

[0031] O funcionamento do dispositivo de aquecimento é baseado na lei de Faraday de indução eletromagnética. Em particular, nas modalidades, o elemento de aquecimento do dispositivo de aquecimento é uma carcaça condutora que é aquecida pela indução de uma corrente elétrica dentro da parede da carcaça como resultado da passagem de uma corrente alternada através de um condutor localizado dentro da carcaça, a corrente alternada possui uma frequência suficiente para explorar o efeito película. O efeito película limita a penetração de corrente na parede da carcaça de tal modo que a corrente induzida é confinada a uma camada muito fina da carcaça e, dado um condutor em forma helicoidal, a corrente induzida flui em uma direção circunferencial na parede da carcaça. Em outras palavras, a densidade de corrente na carcaça é maior perto da superfície interna da carcaça. O efeito película resulta no estabelecimento de uma resistência apreciável na carcaça, sob o qual a passagem da corrente induzida através da resistência gera calor.[0031] The operation of the heating device is based on Faraday's law of electromagnetic induction. In particular, in embodiments, the heating element of the heating device is a conductive housing that is heated by inducing an electrical current within the housing wall as a result of passing an alternating current through a conductor located within the housing, the alternating current has a frequency sufficient to exploit the film effect. The film effect limits current penetration into the housing wall such that the induced current is confined to a very thin layer of the housing and, given a helically shaped conductor, the induced current flows in a circumferential direction in the housing wall. In other words, the current density in the housing is greatest near the inner surface of the housing. The film effect results in the establishment of an appreciable resistance in the housing, under which the passage of the induced current through the resistance generates heat.

[0032] Em uma operação de remediação, uma pluralidade de dispositivos de aquecimento pode ser disposta em um padrão (também referido como um "arranjo"). Cada dispositivo de aquecimento compreende um elemento de aquecimento, por exemplo, uma carcaça condutora, que de um modo preferido impermeável e contém um condutor, por exemplo, uma ou mais hélices condutoras internas, prolongando-se no mesmo sentido longitudinalmente. O condutor está ligado a uma unidade de energia, que pode compreender um ou mais retificadores e inversores que convertem a energia fornecida aos mesmos, por exemplo, por um serviço de utilidade pública, para uma corrente alternada de alta frequência. A unidade de energia também pode compreender um ou mais capacitores para criar ressonância de circuito durante a operação para fornecer uma operação mais eficiente. O dispositivo de aquecimento também pode ser equipado com aparelhos para monitorar e regular a temperatura ao longo do elemento de aquecimento. A corrente alternada é fornecida ao condutor para produzir um campo magnético axial alternado, que por sua vez induz uma corrente elétrica circunferencial alternada correspondente na parede da carcaça condutora. O condutor e outros componentes eletrônicos do dispositivo de aquecimento podem ser recuperados para reutilização após a conclusão das operações de aquecimento do solo.[0032] In a remediation operation, a plurality of heating devices may be arranged in a pattern (also referred to as an "array"). Each heating device comprises a heating element, for example a conductive housing, which is preferably waterproof and contains a conductor, for example one or more internal conductive helices, extending in the same longitudinal direction. The conductor is connected to a power unit, which may comprise one or more rectifiers and inverters that convert power supplied thereto, for example, by a utility, to a high-frequency alternating current. The power unit may also comprise one or more capacitors to create circuit resonance during operation to provide more efficient operation. The heating device may also be equipped with apparatus for monitoring and regulating the temperature across the heating element. Alternating current is supplied to the conductor to produce an alternating axial magnetic field, which in turn induces a corresponding alternating circumferential electrical current in the wall of the conductive housing. The conductor and other electronic components of the heating device can be recovered for reuse after ground heating operations are completed.

[0033] Em um aspecto amplo da presente divulgação, com referência às figuras 1 e 2, proporciona um dispositivo de aquecimento 20 tendo um condutor 80 alojado dentro de um elemento de aquecimento, que na modalidade ilustrada é uma carcaça tubular condutora 60. O condutor 80 está ligado a uma unidade de energia 42. A unidade de energia 42 pode compreender um ou mais inversores 43, retificadores e capacitores. A carcaça 60 pode ser fechada em uma extremidade inferior 64, de tal modo que o interior da carcaça é isolado de partículas e fluidos no solo a ser aquecido. O condutor 80 recebe pelo menos uma corrente elétrica de condução da unidade de energia 42. A corrente elétrica de condução é uma corrente alternada que, quando fornecida ao condutor 80, faz com que o condutor 80 gere um campo magnético em relação ao mesmo. O campo magnético gerado por sua vez induz uma corrente elétrica induzida na parede da carcaça 60. A frequência da primeira corrente e as propriedades do material da carcaça 60 podem ser selecionadas para gerar calor na parede da carcaça que pode então ser transferida para o solo circundante quando o dispositivo de aquecimento 20 está enterrado. O calor gerado pelo dispositivo de aquecimento 20 pode ser usado para facilitar a remediação do solo pela vaporização dos contaminantes, e/ou recuperação de betume/óleo pesado pela mobilização de depósitos de hidrocarbonetos próximos em formações subterrâneas.[0033] In a broad aspect of the present disclosure, with reference to figures 1 and 2, it provides a heating device 20 having a conductor 80 housed within a heating element, which in the illustrated embodiment is a conductive tubular housing 60. The conductor 80 is connected to a power unit 42. The power unit 42 may comprise one or more inverters 43, rectifiers and capacitors. The shell 60 may be closed at a lower end 64 such that the interior of the shell is isolated from particles and fluids in the soil to be heated. The conductor 80 receives at least one electrical conduction current from the power unit 42. The electrical conduction current is an alternating current which, when supplied to the conductor 80, causes the conductor 80 to generate a magnetic field relative to it. The generated magnetic field in turn induces an induced electric current in the shell wall 60. The frequency of the first current and the material properties of the shell 60 can be selected to generate heat in the shell wall that can then be transferred to the surrounding soil. when the heating device 20 is buried. The heat generated by the heating device 20 can be used to facilitate soil remediation by vaporizing contaminants, and/or recovery of bitumen/heavy oil by mobilizing nearby hydrocarbon deposits in underground formations.

[0034] Nas modalidades, a unidade de energia 42 está alojada dentro de um invólucro elétrico 40 situado perto da carcaça 60. Com referência à figura 1A, o invólucro 40 pode estar situado acima do solo G. Em uma modalidade, o invólucro 40 é apoiado por um suporte do invólucro 41 de modo que o invólucro está a uma distância acima do solo. O invólucro elétrico 40 está configurado para permitir a comunicação elétrica entre a unidade de energia 42 e o condutor 80 e entre a unidade de energia 42 e uma fonte de energia externa 45, tal como um transformador configurado para receber energia de uma rede e energia de saída a uma tensão apropriada para ser entregue à unidade de energia 42. Um retificador pode ser usado para converter a corrente AC recebida da fonte de energia 45 para uma corrente DC, e um inversor pode ser usado para converter a corrente DC do retificador para uma corrente de frequência desejada. Um ou mais capacitores podem ser fornecidos na unidade de energia 42 para permitir a ressonância do circuito em resposta a uma corrente de condução fornecida em uma frequência de ressonância do circuito elétrico do dispositivo de aquecimento 20, permitindo assim um funcionamento mais eficiente.[0034] In embodiments, the power unit 42 is housed within an electrical enclosure 40 located near the housing 60. Referring to Figure 1A, the housing 40 may be situated above the ground G. In one embodiment, the housing 40 is supported by a casing support 41 so that the casing is a distance above the ground. The electrical enclosure 40 is configured to permit electrical communication between the power unit 42 and the conductor 80 and between the power unit 42 and an external power source 45, such as a transformer configured to receive power from a grid and power from output at a voltage appropriate to be delivered to the power unit 42. A rectifier can be used to convert the AC current received from the power source 45 to a DC current, and an inverter can be used to convert the DC current from the rectifier to a desired frequency current. One or more capacitors may be provided in the power unit 42 to allow resonance of the circuit in response to a driving current supplied at a resonant frequency of the electrical circuit of the heating device 20, thereby allowing more efficient operation.

[0035] O dispositivo de aquecimento 20 pode incluir um controlador (não mostrado) configurado para receber entradas de um ou mais sensores (não mostrados) localizados ao longo da carcaça 60 e controlar a pelo menos uma corrente de condução AC da unidade de energia 42 para uma saída ótima de calor em resposta aos dados recebidos dos sensores. O dispositivo de aquecimento 20 pode ainda compreender alarmes para notificar um operador de condições anormais de funcionamento e/ou falha de equipamento, e/ou componentes de telemetria para permitir o controle remoto e a operação do dispositivo de aquecimento 20. Um ou mais de controladores, sensores, alarmes, e componentes de telemetria podem ser alojados no invólucro 40.[0035] The heating device 20 may include a controller (not shown) configured to receive inputs from one or more sensors (not shown) located throughout the housing 60 and control the at least one AC driving current from the power unit 42 for optimal heat output in response to data received from sensors. The heating device 20 may further comprise alarms to notify an operator of abnormal operating conditions and/or equipment failure, and/or telemetry components to enable remote control and operation of the heating device 20. One or more controllers , sensors, alarms, and telemetry components may be housed in housing 40.

[0036] Em uma modalidade, como melhor mostrado nas figuras 1 e 2, a carcaça condutora 60 do dispositivo de aquecimento 20 é um elemento tubular alongado que tem uma primeira extremidade (superior) 62, uma segunda extremidade (inferior) 64 e um orifício interno 70 que se estende entre as mesmas. Nas modalidades, a extremidade superior 62 é aberta e configurada para se ligar de forma vedada a uma tampa superior 61, tal como através de uma ligação de flange 63 ou ligação roscada (não mostrada). Nas modalidades, a tampa superior 61 é feita de aço carbono, aço inoxidável ou outros materiais adequados e/ou preenchidos com argamassa refratária para isolamento elétrico e térmico. Em algumas modalidades, a interface entre a tampa superior 61 e a extremidade superior 62 pode ainda compreender uma junta (não mostrada) configurada para fornecer uma barreira térmica. A junta pode incluir material refratário. A tampa superior 61 tem aberturas 24 ali definidas para permitir ligações elétricas através da mesma. Em algumas modalidades, porções do condutor 80 são recebidas através das aberturas 24 e se estendem para além da superfície superior da tampa 61 para se ligar aos outros componentes do dispositivo de aquecimento 20, que serão descritos em detalhe abaixo. Alternativamente, os conectores elétricos, tais como cabos de alimentação de alta frequência 44, podem se prolongar desde a tampa 61 através das aberturas 24 e na carcaça 60 para se ligar ao condutor 80 no interior da carcaça 60. Na modalidade representada, a extremidade inferior 64 é fechada, por exemplo, por soldagem da tampa de fundo 66, de tal modo que o orifício interno 70 da carcaça 60 é isolado das partículas e fluidos externos durante a operação.[0036] In one embodiment, as best shown in Figures 1 and 2, the conductive housing 60 of the heating device 20 is an elongated tubular element having a first (upper) end 62, a second (lower) end 64 and a hole internal 70 that extends between them. In embodiments, the upper end 62 is open and configured to sealably connect to a top cover 61, such as through a flange connection 63 or threaded connection (not shown). In embodiments, the top cover 61 is made of carbon steel, stainless steel or other suitable materials and/or filled with refractory mortar for electrical and thermal insulation. In some embodiments, the interface between the top cover 61 and the top end 62 may further comprise a gasket (not shown) configured to provide a thermal barrier. The gasket may include refractory material. The top cover 61 has openings 24 defined therein to permit electrical connections therethrough. In some embodiments, portions of conductor 80 are received through openings 24 and extend beyond the top surface of lid 61 to connect to other components of heating device 20, which will be described in detail below. Alternatively, electrical connectors, such as high-frequency power cables 44, may extend from cover 61 through openings 24 and into housing 60 to connect to conductor 80 within housing 60. In the depicted embodiment, the lower end 64 is closed, for example, by welding the bottom cover 66, such that the internal orifice 70 of the casing 60 is isolated from external particles and fluids during operation.

[0037] A carcaça 60 é feita de um material condutor, por exemplo, com permeabilidade relativamente alta e baixa condutividade (isto é, alta resistividade), como o aço carbono, que possui uma permeabilidade relativa de 100, para se beneficiar do efeito película, como explicado abaixo. A carcaça 60 pode ser feita de qualquer outro material ferroso tendo uma permeabilidade relativa adequada para limitar a profundidade da película para tal ponto que a resistência resultante à corrente induzida na carcaça 60 gere a quantidade desejada de calor. Por exemplo, materiais de revestimento com uma permeabilidade relativa variando de 100 a 2000 seriam aceitáveis. Quando a carcaça 60 é feita de um material como descrito acima e é cooperativamente usado com o condutor 80 e um capacitor 47a, 47b, como mostrado, por exemplo, na figura 5A, o resultado é um circuito de baixo valor Q que é capaz de ressonar em resposta a uma gama mais ampla de frequências do campo magnético. Nas modalidades, uma argamassa refratária pode ser aplicada na parede interna da carcaça 60 para isolar elétrica e termicamente a carcaça 60 do condutor 80. Alternativamente, a argamassa refratária pode ser aplicada ao condutor 80 para isolá-lo eletricamente da carcaça 60. A argamassa é de preferência refratário de modo que não se quebre sob calor, o que pode comprometer o isolamento entre o condutor 80 e a carcaça 60. A espessura de parede da carcaça 60 deve ser maior do que uma profundidade da película δ, mas suficientemente fina de tal modo que a carcaça 60 possa alcançar a temperatura desejada em um período de tempo razoável quando o dispositivo de aquecimento 20 está em funcionamento. Em uma modalidade exemplificativa, a carcaça 60 é um tubo de aço de 6 polegadas (15,24 cm) de diâmetro com uma espessura de parede de cerca de 1/8 de polegada (3,17 mm), com um revestimento espesso de cerca de 1/16 polegadas (1,59 mm) de material refratário isolante elétrico adequado na parede interna. A carcaça 60 pode ser de qualquer comprimento, dependendo da aplicação e da profundidade da área subterrânea a ser aquecida. Em algumas modalidades, a carcaça 60 pode ser ligado ao aterramento da rede para segurança elétrica.[0037] Housing 60 is made of a conductive material, for example, with relatively high permeability and low conductivity (i.e., high resistivity), such as carbon steel, which has a relative permeability of 100, to benefit from the film effect , as explained below. The shell 60 may be made of any other ferrous material having a relative permeability suitable to limit the depth of the film to such an extent that the resulting resistance to the current induced in the shell 60 generates the desired amount of heat. For example, coating materials with a relative permeability ranging from 100 to 2000 would be acceptable. When the housing 60 is made of a material as described above and is cooperatively used with the conductor 80 and a capacitor 47a, 47b, as shown, for example, in Figure 5A, the result is a low Q value circuit that is capable of resonate in response to a wider range of magnetic field frequencies. In embodiments, a refractory mortar may be applied to the inner wall of the housing 60 to electrically and thermally insulate the housing 60 from the conductor 80. Alternatively, the refractory mortar may be applied to the conductor 80 to electrically isolate it from the housing 60. The mortar is preferably refractory so that it will not break under heat, which may compromise the insulation between the conductor 80 and the shell 60. The wall thickness of the shell 60 must be greater than a film depth δ, but sufficiently thin that so that the housing 60 can reach the desired temperature in a reasonable period of time when the heating device 20 is in operation. In an exemplary embodiment, the shell 60 is a 6-inch (15.24 cm) diameter steel tube with a wall thickness of about 1/8 inch (3.17 mm), with a thick coating of about 1/8 inch (3.17 mm). of 1/16 inch (1.59 mm) of suitable electrically insulating refractory material on the interior wall. Housing 60 can be of any length depending on the application and the depth of the underground area to be heated. In some embodiments, housing 60 may be connected to grid ground for electrical safety.

[0038] Com referência às figuras 1 e 2, o condutor 80 está alojado dentro da carcaça 60 e se prolonga axialmente ao longo de um comprimento do orifício interno 70. Nas modalidades, o condutor 80 está posicionado substancialmente coaxial e concentricamente em relação à carcaça 60. Um ou mais centralizadores podem ser utilizados para ajudar a manter a posição do condutor no interior da carcaça 60. O condutor 80 está ligado através de conectores elétricos à unidade de energia 42. Nas modalidades, o condutor 80 é feito de cobre, alumínio, prata ou outros materiais condutores adequados conhecidos na técnica. Em algumas modalidades, como mostrado nas figuras 2 e 3A, o condutor 80 compreende uma ou mais bobinas de trabalho 82a, 82b e uma porção de retorno linear 84 que se estende ao longo da sua abertura central e ligada a uma extremidade de cada uma das bobinas de trabalho 82a, 82b. Um centralizador 86 pode ser apoiado no condutor 80 para ajudar a centrar o mesmo em relação a carcaça 60. Na modalidade representada na figura 3A, o centralizador 86 é apoiado na porção de retorno 84 e posicionado entre as bobinas de trabalho 82a, 82b. Evidentemente, o centralizador 86 pode ser posicionado em outro local do condutor 80 e pode ser utilizado mais do que um centralizador.[0038] Referring to Figures 1 and 2, conductor 80 is housed within housing 60 and extends axially along a length of internal bore 70. In embodiments, conductor 80 is positioned substantially coaxially and concentrically with respect to the housing. 60. One or more centralizers may be used to help maintain the position of the conductor within the housing 60. The conductor 80 is connected via electrical connectors to the power unit 42. In embodiments, the conductor 80 is made of copper, aluminum , silver or other suitable conductive materials known in the art. In some embodiments, as shown in Figures 2 and 3A, the conductor 80 comprises one or more working coils 82a, 82b and a linear return portion 84 extending along its central opening and connected to one end of each of the working coils 82a, 82b. A centralizer 86 can be supported on the conductor 80 to help center it in relation to the housing 60. In the embodiment represented in Figure 3A, the centralizer 86 is supported on the return portion 84 and positioned between the working coils 82a, 82b. Of course, the centralizer 86 can be positioned in another location on the conductor 80 and more than one centralizer can be used.

[0039] Cada bobina de trabalho 82a, 82b é configurada para receber e ser energizada por uma respectiva corrente de condução AC a partir da unidade de energia 42 (isto é, uma corrente de condução produzida por um dos inversores). Na modalidade ilustrada, cada uma das bobinas de trabalho 82a, 82b tem uma porção de ligação superior 83a, 83b, respectivamente, para comunicação elétrica com a unidade de energia 42 através de um conector elétrico 44, tal como um cabo de alimentação. Na modalidade ilustrada, a porção de ligação superior 83a, 83b é a extremidade livre da bobina de trabalho 82a, 82b. A extremidade superior da porção de retorno 84 está também em comunicação elétrica com a unidade de energia 42 através de um conector elétrico 44. Na modalidade mostrada nas figuras 1A e 2, a extremidade superior da porção de retorno 84 e as porções de conexão superiores 83a, 83b são recebidas através das aberturas 24 e se estendem para além da superfície superior da tampa superior 61 para ligar aos conectores elétricos 44 na carcaça externa 60.[0039] Each work coil 82a, 82b is configured to receive and be energized by a respective AC driving current from the power unit 42 (i.e., a driving current produced by one of the inverters). In the illustrated embodiment, each of the work coils 82a, 82b has an upper connecting portion 83a, 83b, respectively, for electrical communication with the power unit 42 via an electrical connector 44, such as a power cord. In the illustrated embodiment, the upper connecting portion 83a, 83b is the free end of the working coil 82a, 82b. The upper end of the return portion 84 is also in electrical communication with the power unit 42 via an electrical connector 44. In the embodiment shown in Figures 1A and 2, the upper end of the return portion 84 and the upper connecting portions 83a , 83b are received through openings 24 and extend beyond the upper surface of the top cover 61 to connect to electrical connectors 44 on the outer casing 60.

[0040] Quando energizadas pela corrente de condução AC, as bobinas de trabalho 82a, 82b geram, cada uma delas, um campo magnético em torno do mesmo. Em algumas modalidades, as bobinas de trabalho 82a, 82b são bobinas helicoidais condutoras que proporcionam uma grande área superficial para transportar uma grande quantidade de corrente AC de alta frequência, reduzindo assim as perdas elétricas introduzidas pelo efeito película. Cada bobina de trabalho 82a, 82b pode ter uma secção transversal geralmente circular ou retangular e pode ser feita de tubulação oca ou sólida tal como tubulação de cobre.[0040] When energized by AC conduction current, the work coils 82a, 82b each generate a magnetic field around it. In some embodiments, the working coils 82a, 82b are conductive helical coils that provide a large surface area to carry a large amount of high-frequency AC current, thereby reducing electrical losses introduced by the film effect. Each work coil 82a, 82b may have a generally circular or rectangular cross-section and may be made of hollow or solid tubing such as copper tubing.

[0041] As bobinas de trabalho 82a, 82b se estendem cada uma ao longo de pelo menos uma porção do comprimento do orifício interno 70 e cada uma pode ser seletivamente situada em uma localização axial diferente do orifício interno 70 para aquecer uma camada diferente de solo. Em um exemplo, a bobina de trabalho 82a pode ser posicionada acima e espaçada a alguma distância da bobina de trabalho 82b. Enquanto duas bobinas de trabalho são mostradas nas figuras 2 e 3A, o dispositivo de aquecimento 20 pode compreender outros números de bobinas de trabalho e os inversores 43 podem ser selecionados de tal modo que a magnitude da corrente de condução AC recebida por cada bobina de trabalho 82 é a mesma ou diferente das recebidas pelas outras bobinas 82. Consequentemente, um gradiente de temperatura pode ser estabelecido ao longo da carcaça 60 e o dispositivo de aquecimento 20 pode ser configurado para permitir que diferentes porções longitudinais da carcaça 60 sejam seletivamente aquecidas em diferentes temperaturas adequadas para a composição do solo e contaminantes presentes nas várias áreas e/ou camadas. Por exemplo, o dispositivo de aquecimento 20 pode ser configurado para aquecer apenas uma área e/ou camada particular para as temperaturas necessárias para remediar os contaminantes nos mesmos, o que pode resultar em um uso mais eficiente da energia. Como o consumo de energia representa cerca de um terço do custo de um projeto de remediação, a economia de custos associada a essa operação pode ser significativa.[0041] The work coils 82a, 82b each extend along at least a portion of the length of the inner hole 70 and each may be selectively situated at a different axial location of the inner hole 70 to heat a different layer of soil . In one example, the work coil 82a may be positioned above and spaced some distance from the work coil 82b. While two work coils are shown in Figures 2 and 3A, the heating device 20 may comprise other numbers of work coils and the inverters 43 may be selected such that the magnitude of the AC conduction current received by each work coil 82 is the same or different from those received by the other coils 82. Consequently, a temperature gradient can be established across the housing 60 and the heating device 20 can be configured to allow different longitudinal portions of the housing 60 to be selectively heated at different appropriate temperatures for the soil composition and contaminants present in the various areas and/or layers. For example, the heating device 20 may be configured to heat only a particular area and/or layer to temperatures necessary to remediate contaminants therein, which may result in more efficient use of energy. As energy consumption represents about a third of the cost of a remediation project, the cost savings associated with this operation can be significant.

[0042] As figuras 3B, 3C e 5B-5F mostram condutores de amostra que podem ser usados com inversores trifásicos. Tais condutores são referidos como “condutores trifásicos”. Os condutores trifásicos 180 e 280 estão configurados para ligações em delta ou em Y, como mostrado nas figuras 5D e 5F. Por conseguinte, um condutor trifásico 180, 280 tem três (ou várias) bobinas de trabalho 182a, 182b, 182c dispostas axialmente em série ou três (ou várias) bobinas de trabalho intercaladas 282a, 282b, 282c, cada uma com uma porção de ligação separada 183a, 183b, 183c, 283a, 283b, 283c, para ligação à unidade de energia 42. Na modalidade mostrada nas figuras 3B, 5C e 5D, o condutor 180 compreende três bobinas de trabalho 182a, 182b, 182c dispostas axialmente em série, cada bobina de trabalho terminando nos respectivos nós eletricamente equivalentes 185a, 185b, 185c. Em outra modalidade, mostrada por exemplo nas figuras 3C, 5E e 5F, o condutor 280 compreende três bobinas de trabalho 282a, 282b, 282c que são intercaladas, se estendem ao longo do mesmo comprimento axial do orifício interno 70 e terminam no nó comum 285.[0042] Figures 3B, 3C and 5B-5F show sample conductors that can be used with three-phase inverters. Such conductors are referred to as “three-phase conductors”. Three-phase conductors 180 and 280 are configured for delta or Y connections, as shown in Figures 5D and 5F. Accordingly, a three-phase conductor 180, 280 has three (or more) working coils 182a, 182b, 182c arranged axially in series or three (or more) interleaved working coils 282a, 282b, 282c, each with a connecting portion separate 183a, 183b, 183c, 283a, 283b, 283c, for connection to the power unit 42. In the embodiment shown in Figures 3B, 5C and 5D, the conductor 180 comprises three working coils 182a, 182b, 182c arranged axially in series, each working coil terminating at respective electrically equivalent nodes 185a, 185b, 185c. In another embodiment, shown for example in Figures 3C, 5E and 5F, the conductor 280 comprises three working coils 282a, 282b, 282c which are interleaved, extend along the same axial length as the internal hole 70 and terminate at the common node 285 .

[0043] Por conseguinte, podem ser construídas várias bobinas de trabalho monofásicas ou uma bobina de trabalho trifásica: (i) possuindo uma série de bobinas de trabalho independentes ao longo do comprimento do orifício interno 70, como mostrado por exemplo nas figuras 3A e 3B; ou (ii) por ter três bobinas de trabalho, ou seus múltiplos, dispostas axialmente em série ou intercalando os enrolamentos das três bobinas de trabalho, ou seus múltiplos, como mostrado por exemplo nas figuras 3B e 3C.[0043] Therefore, several single-phase work coils or a three-phase work coil can be constructed: (i) having a series of independent work coils along the length of the internal hole 70, as shown for example in Figures 3A and 3B ; or (ii) by having three working coils, or multiples thereof, arranged axially in series or interspersing the windings of the three working coils, or multiples thereof, as shown, for example, in figures 3B and 3C.

[0044] Nos casos em que a carcaça 80 é longa e o local de remediação subterrâneo é profundo, a voltagem de funcionamento da bobina de trabalho 82 pode ser bastante elevada, o que representa um perigo maior para o pessoal que opera o dispositivo de aquecimento 20 e aumenta também o risco de arcos. Em tais casos, a utilização de um condutor trifásico 180 280 pode ser desejável de modo que os comprimentos das bobinas de trabalho 182a, 182b, 182c, 282a, 282b, 282c não se tornem muito longos e, assim, a tensão de operação do condutor 180,280 pode ser mantida em um nível modesto. Por exemplo, se uma bobina de trabalho de 60 pés (18,28 m) for necessária para aquecer um local de remediação, a voltagem necessária para aquecer suficientemente o local é de cerca de 400 volts a 500 volts. Se três bobinas de trabalho de 20 pés (6,096 m) conectadas a um inversor trifásico forem usadas, apenas cerca de 250 volts devem ser fornecidos a cada bobina para aquecer suficientemente o local de remediação. Uma alternativa para a modalidade de três fases acima é simplesmente fornecer três bobinas de trabalho monofásicas de 20 pés (6,096 m) para aquecer o local de remediação.[0044] In cases where the housing 80 is long and the underground remediation site is deep, the operating voltage of the working coil 82 can be quite high, which poses a greater danger to personnel operating the heating device 20 and also increases the risk of arches. In such cases, the use of a three-phase conductor 180 280 may be desirable so that the lengths of the working coils 182a, 182b, 182c, 282a, 282b, 282c do not become too long and thus the operating voltage of the conductor 180,280 can be maintained at a modest level. For example, if a 60-foot (18.28 m) working coil is needed to heat a remediation site, the voltage required to sufficiently heat the site is about 400 volts to 500 volts. If three 20-foot (6.096 m) work coils connected to a three-phase inverter are used, only about 250 volts must be supplied to each coil to sufficiently heat the remediation site. An alternative to the three-phase mode above is to simply provide three 20-foot (6.096 m) single-phase work coils to heat the remediation site.

[0045] Em algumas modalidades, a(s) bobina(s) de trabalho do condutor 80 é (são) enrolada(s) e suportada(s) em um suporte de bobina de trabalho 90, mostrado isoladamente na figura 4. O suporte 90 pode ser substancialmente coaxial e concentricamente posicionado dentro da(s) bobina(s) de trabalho e/ou carcaça 60. Em algumas modalidades, um ou mais centralizadores são utilizados para ajudar a centralizar o suporte 90 dentro da(s) bobina(s) de trabalho e/ou da carcaça 60. Por exemplo, um centralizador pode ser apoiado em cada extremidade do suporte 90 ajudam a manter sua posição coaxial em relação à(s) bobina(s) de trabalho e/ou carcaça 60. O suporte de bobina de trabalho 90 pode ser feito de material eletricamente isolado ou revestido com material eletricamente isolado, como material refratário, de modo a interromper correntes induzidas pelo condutor 80, tal que a energia proveniente do condutor 80 não é perdida para o aquecimento do suporte 90 por indução em vez da carcaça 60. Em uma modalidade de amostra, o suporte de bobina de trabalho 90 é um metal tubular, tal como um cilindro de aço ou malha de fio de aço inoxidável enrolado em uma forma tubular, revestida na sua superfície externa com um material refratário adequado para isolar eletricamente o suporte 90 da(s) bobina(s) de trabalho. Em uma modalidade exemplificativa, o suporte 90 tem uma espessura de parede de aproximadamente 1/16 polegadas (1,59 mm). Na modalidade ilustrada, o suporte de bobina de trabalho 90 tem uma pluralidade de perfurações 92 definidas na sua parede que funcionam para adicionalmente interromper as correntes parasitas e mitigar a indução de corrente no suporte 90 pelo condutor 80.[0045] In some embodiments, the working coil(s) of the conductor 80 is (are) wound and supported on a working coil support 90, shown separately in figure 4. The support 90 may be substantially coaxial and concentrically positioned within the work coil(s) and/or housing 60. In some embodiments, one or more centralizers are used to help center the support 90 within the coil(s). ) of work and/or housing 60. For example, a centralizer may be supported at each end of the support 90 to help maintain its coaxial position with respect to the work coil(s) and/or housing 60. The support work coil 90 may be made of electrically insulated material or coated with electrically insulated material, such as refractory material, so as to interrupt currents induced by conductor 80, such that energy from conductor 80 is not lost to heating support 90 induction instead of the housing 60. In a sample embodiment, the work coil holder 90 is a tubular metal, such as a steel cylinder or stainless steel wire mesh wound into a tubular shape, coated on its outer surface with a suitable refractory material to electrically isolate the support 90 from the work coil(s). In an exemplary embodiment, the bracket 90 has a wall thickness of approximately 1/16 inch (1.59 mm). In the illustrated embodiment, the work coil holder 90 has a plurality of perforations 92 defined in its wall that function to further interrupt eddy currents and mitigate current induction in the holder 90 by conductor 80.

[0046] As Figuras 5A e 5B mostram modalidades de amostras do dispositivo de aquecimento 20. Em algumas modalidades, a unidade de energia 42 compreende um ou mais inversores 43, cada um equipado com um retificador 46a, 46b para receber corrente elétrica trifásica de pelo menos uma fonte de energia externa 45 e convertendo-a em uma corrente DC, a qual é subsequentemente convertida pelo inversor 43 em uma corrente AC monofásica ou trifásica de alta frequência a ser fornecida ao condutor 80, 180, 280. A corrente de condução AC produzida pelos inversores 43 pode variar, por exemplo, de cerca de 100 volts a cerca de 300 volts, e de cerca de 10 kHz a cerca de 50 kHz. Cada inversor 43 pode ser um inversor monofásico ou um inversor trifásico de tal modo que a unidade de energia 42 pode ser configurada para gerar múltiplas correntes AC de alta frequência monofásicas ou trifásicas. Nas modalidades, pelo menos, um condensador 47a, 47b está disposto em série ou em paralelo com cada inversor 43a, 43b para obter a ressonância do circuito.[0046] Figures 5A and 5B show sample embodiments of the heating device 20. In some embodiments, the power unit 42 comprises one or more inverters 43, each equipped with a rectifier 46a, 46b for receiving three-phase electrical current from least one external power source 45 and converting it into a DC current, which is subsequently converted by the inverter 43 into a high frequency single-phase or three-phase AC current to be supplied to the conductor 80, 180, 280. The AC driving current produced by inverters 43 can vary, for example, from about 100 volts to about 300 volts, and from about 10 kHz to about 50 kHz. Each inverter 43 may be a single-phase inverter or a three-phase inverter such that the power unit 42 may be configured to generate multiple single-phase or three-phase high frequency AC currents. In embodiments, at least one capacitor 47a, 47b is disposed in series or in parallel with each inverter 43a, 43b to achieve circuit resonance.

[0047] Na modalidade de amostra mostrada na figura 5A, a unidade de energia 42 compreende dois inversores monofásicos 43a, 43b, cada um dos quais recebe energia DC de um retificador 46a, 46b que, por sua vez, é alimentado por corrente de uma fonte de energia de corrente alternada. Cada um dos inversores 43a, 43b converte a corrente AC de 50/60 Hz da fonte de energia 45 em uma corrente AC monofásica de alta frequência. Os inversores 43a, 43b estão ligados a um condutor monofásico 80, que pode compreender uma ou mais bobinas de trabalho respectivas 82a, 82b, como mostrado, por exemplo, na figura 3A. Os inversores 43a, 43b fornecem a corrente AC ao condutor 80 através dos conectores elétricos 44 e das porções de conexão 83a, 83b, respectivamente. As correntes AC fluem através do condutor 80 e retornam aos inversores 43a, 43b através da porção de retorno 84 e do conector elétrico 44. Enquanto dois inversores são mostrados na figura 5A, pode ser apreciado que mais ou menos inversores monofásicos podem ser utilizados para o dispositivo de aquecimento 20, que pode depender do número de bobinas de trabalho no condutor 80 e/ou do tamanho da carcaça 60.[0047] In the sample embodiment shown in Figure 5A, the power unit 42 comprises two single-phase inverters 43a, 43b, each of which receives DC power from a rectifier 46a, 46b which, in turn, is fed by current from a alternating current power source. Each of the inverters 43a, 43b converts the 50/60 Hz AC current from the power source 45 into a high frequency single-phase AC current. Inverters 43a, 43b are connected to a single-phase conductor 80, which may comprise one or more respective working coils 82a, 82b, as shown, for example, in figure 3A. Inverters 43a, 43b supply AC current to conductor 80 through electrical connectors 44 and connecting portions 83a, 83b, respectively. AC currents flow through conductor 80 and return to inverters 43a, 43b via return portion 84 and electrical connector 44. While two inverters are shown in Figure 5A, it can be appreciated that more or fewer single-phase inverters can be used for the heating device 20, which may depend on the number of working coils in the conductor 80 and/or the size of the housing 60.

[0048] AS figuras 5B, 5C e 5E mostram outra modalidade de amostra em que a unidade de energia 42 do dispositivo de aquecimento 20 compreende um inversor trifásico 143 com retificadores, o qual recebe 50/60 Hz da fonte de energia AC 45 e converte os mesmos em corrente AC de alta frequência trifásica. O inversor trifásico 143 está ligado a um condutor trifásico 180, 280, por exemplo, como descrito acima em relação às figuras 3B e 3C. O inversor 143 também compreende condensadores para obter a ressonância do circuito. O inversor trifásico 143 fornece a corrente AC convertida para o condutor 180, 280 através dos conectores elétricos 44 e das porções de conexão 183a, 183b, 183c, ou 283a, 283b, 283c, respectivamente. Como as bobinas de trabalho do condutor 180, 280 estão dispostas em uma configuração em Y, uma porção de retorno 84 não é necessária. Evidentemente, se forem utilizados múltiplos condutores trifásicos 180, 280 em uma operação de remediação, o dispositivo de aquecimento incluirá inversores trifásicos adicionais 143 para fornecer corrente de condução aos condutores 180, 280.[0048] Figures 5B, 5C and 5E show another sample embodiment in which the power unit 42 of the heating device 20 comprises a three-phase inverter 143 with rectifiers, which receives 50/60 Hz from the AC power source 45 and converts the same in three-phase high frequency AC current. The three-phase inverter 143 is connected to a three-phase conductor 180, 280, for example, as described above in relation to Figures 3B and 3C. The inverter 143 also comprises capacitors to achieve circuit resonance. The three-phase inverter 143 supplies the converted AC current to the conductor 180, 280 through the electrical connectors 44 and the connecting portions 183a, 183b, 183c, or 283a, 283b, 283c, respectively. Since the conductor working coils 180, 280 are arranged in a Y configuration, a return portion 84 is not necessary. Of course, if multiple three-phase conductors 180, 280 are used in a remediation operation, the heating device will include additional three-phase inverters 143 to provide driving current to the conductors 180, 280.

[0049] A carcaça 60 do dispositivo de aquecimento 20 pode estar em contato direto com o solo ou, em algumas modalidades, estar em contato indireto com o solo através de uma manga externa. Por exemplo, como mostrado na figura 6, o dispositivo de aquecimento 20 inclui uma manga externa 72 suportada e ligada a carcaça 60 através de ligações anulares 75 localizadas na primeira e segunda extremidades 73, 74 da manga 72. Nas modalidades, as ligações anulares 75 centralizam a manga 72 na carcaça 60 e fixam a manga 72 mesma, tal como através de um encaixe por pressão ou soldagem. Nas modalidades, a manga externa 72 é um tubo que tem uma pluralidade de perfurações 78 ao longo do seu comprimento, e moldada e dimensionada para se encaixar substancialmente de forma concêntrica e coaxial com o invólucro 60. O diâmetro interno da manga externa 72 é maior do que o diâmetro externo da carcaça 60 de tal modo que um anel é definido entre os mesmos. A manga externa 72 pode ser feita de aço ou de outros materiais condutores de calor, tais como aço inoxidável, alumínio e semelhantes, e a manga externa 72 é encaixada na carcaça 60 para permitir que um fluido de transporte entre no anel, por exemplo, dos orifícios de entrada 76 ou perto da primeira (ou superior) extremidade 73 da manga externa 72, e sair através das perfurações 78 para promover a advecção. Na modalidade representada, as aberturas de entrada 76 são formadas na ligação anular 75 adjacente à primeira extremidade 73. O fluido de transporte pode ser, por exemplo, ar, vapor ou água, que pode ser injetado no anel através de orifícios de entrada 76. A adição da manga externa 72 permite que o dispositivo de aquecimento 20 aqueça o solo circundante por condução e convecção simultaneamente.[0049] The housing 60 of the heating device 20 may be in direct contact with the ground or, in some embodiments, be in indirect contact with the ground through an external sleeve. For example, as shown in Figure 6, the heating device 20 includes an outer sleeve 72 supported by and connected to the housing 60 through annular connections 75 located at the first and second ends 73, 74 of the sleeve 72. In embodiments, the annular connections 75 they center the sleeve 72 in the housing 60 and secure the sleeve 72 thereto, such as by press-fitting or welding. In embodiments, the outer sleeve 72 is a tube having a plurality of perforations 78 along its length, and shaped and sized to fit substantially concentrically and coaxially with the casing 60. The inner diameter of the outer sleeve 72 is larger. than the outer diameter of the casing 60 such that a ring is defined therebetween. The outer sleeve 72 may be made of steel or other heat-conducting materials, such as stainless steel, aluminum and the like, and the outer sleeve 72 is fitted to the housing 60 to allow a transport fluid to enter the ring, e.g. from the inlet holes 76 or near the first (or upper) end 73 of the outer sleeve 72, and exit through the perforations 78 to promote advection. In the depicted embodiment, inlet openings 76 are formed in the annular connection 75 adjacent to the first end 73. The transport fluid may be, for example, air, steam or water, which may be injected into the ring through inlet holes 76. The addition of the outer sleeve 72 allows the heating device 20 to heat the surrounding soil by conduction and convection simultaneously.

[0050] Como mostrado na figura 7, o dispositivo de aquecimento pode opcionalmente compreender um sistema de arrefecimento para arrefecer os componentes do dispositivo de aquecimento 20. Na modalidade representada, o sistema de arrefecimento compreende uma bomba 142 e um permutador de calor 144. A bomba 142 e o permutador de calor 144 estão ligados em série em comunicação fluida com o condutor 80, 180, 280 através de ligações de fluidos adequadas conhecidas na técnica, tais como tubos isolados, para formar um circuito de arrefecimento. Em algumas modalidades, o condutor 80, 180, 280 compreende uma tubulação de cobre oca tal que as porções de conexão superiores 83a, 83b e a extremidade superior da porção de retorno 84 formam coletores através dos quais o fluido, tal como um refrigerante, pode escoar para dentro e fora do condutor 80, 180, 280. Além disso, o condutor 80, 180, 280, incluindo a(s) bobina(s) de trabalho 82, 182, 822, pode ser formado inteiramente de tubulação de cobre oca, de modo que o fluido possa fluir através do seu comprimento total.[0050] As shown in figure 7, the heating device may optionally comprise a cooling system for cooling components of the heating device 20. In the depicted embodiment, the cooling system comprises a pump 142 and a heat exchanger 144. pump 142 and heat exchanger 144 are connected in series in fluid communication with conductor 80, 180, 280 through suitable fluid connections known in the art, such as insulated tubes, to form a cooling circuit. In some embodiments, the conductor 80, 180, 280 comprises hollow copper tubing such that the upper connecting portions 83a, 83b and the upper end of the return portion 84 form collectors through which fluid, such as a refrigerant, can flow. flow into and out of the conductor 80, 180, 280. Furthermore, the conductor 80, 180, 280, including the working coil(s) 82, 182, 822, may be formed entirely of hollow copper tubing , so that fluid can flow through its full length.

[0051] A bomba 142 está configurada para circular um refrigerante C em torno do circuito de arrefecimento para arrefecer o condutor 80, 180, 280 durante as operações. Por exemplo, a bomba 142 injeta um refrigerante C no condutor 80, 180, 280 através da extremidade superior da porção de retorno 84 e faz circular o refrigerante C por todo o condutor. À medida que o refrigerante C passa através do interior do condutor, o calor do condutor 80, 180, 280 é transferido para o refrigerante C. O refrigerante C, juntamente com o calor transferido, sai do condutor 80 através das porções de ligação 83a e 83b e flui através do calor permutador 144. À medida que o refrigerante passa, o permutador de calor 144 dissipa ou de outro modo remove o calor do refrigerante C antes dele ser bombeado de volta para o condutor 80, 180, 280. O refrigerante C pode ser um gás ou líquido adequado que é de preferência não condutor, tal como ar, dióxido de carbono ou água deionizada. Em algumas modalidades, a superfície externa do condutor 80, 180, 280 pode ser revestida com uma argamassa refratária para isolar eletricamente o condutor 80, 180, 280 da carcaça 60.[0051] Pump 142 is configured to circulate a refrigerant C around the cooling circuit to cool conductor 80, 180, 280 during operations. For example, pump 142 injects a refrigerant C into the conductor 80, 180, 280 through the upper end of the return portion 84 and circulates the refrigerant C throughout the conductor. As the refrigerant C passes through the interior of the conductor, heat from the conductor 80, 180, 280 is transferred to the refrigerant C. The refrigerant C, together with the transferred heat, exits the conductor 80 through the connecting portions 83a and 83b and flows through the heat exchanger 144. As the refrigerant passes, the heat exchanger 144 dissipates or otherwise removes heat from the refrigerant C before it is pumped back to the conductor 80, 180, 280. The refrigerant C it may be a suitable gas or liquid which is preferably non-conductive, such as air, carbon dioxide or deionized water. In some embodiments, the outer surface of the conductor 80, 180, 280 may be coated with a refractory mortar to electrically isolate the conductor 80, 180, 280 from the housing 60.

[0052] Durante a operação, a unidade de energia 42 fornece uma ou mais correntes AC de condução ao condutor 80, 180, 280. Um campo magnético axial alternado é assim criado sobre a(s) bobina(s) de trabalho 82, 182, 282 do condutor 80, 180, 280, que por sua vez induz uma corrente AC circunferencial na parede da carcaça condutora 60. A frequência da corrente AC de acionamento pode ser ajustada para vantagem do efeito película da corrente induzida na carcaça 60, que pode ser ilustrada pela seguinte fórmula: Onde δ é a profundidade da película em metros, definida como a profundidade abaixo da superfície interna da carcaça 60 na qual a densidade de corrente caiu para 1/e (cerca de 0,37) da densidade de corrente na superfície interna, p é a resistividade de um meio em ohm-metros, μ0 é a permeabilidade do espaço livre, μr é a permeabilidade relativa do meio e f é a frequência da corrente induzida em Hz. Como mostrado pela fórmula, a profundidade da película diminui à medida que a frequência da corrente induzida aumenta. É desejável uma pequena profundidade película porque a diminuição da área da secção transversal da carcaça dentro da qual o fluxo de corrente induzida é restringido aumenta a resistência na carcaça 60 encontrado pela corrente. Aumentar a resistência na carcaça 60 aumenta o calor resultante gerado pela corrente induzida. Em uma modalidade preferida, pelo menos uma corrente de condução é fornecida a uma frequência que coincide com a frequência de ressonância do circuito elétrico, isto é, um ou mais capacitores 47a, 47b ligados em paralelo ou em série com o condutor 80, 180, 280, para atingir o fluxo máximo de corrente induzida na carcaça 60. O capacitor 47a, 47b pode ser alojado no invólucro 40 ou incluído em outro lugar no circuito elétrico do dispositivo de aquecimento 20. Sob condições ressonantes, somente a resistência da carcaça 60, que é refletida através do número de voltas da(s) bobina(s) de trabalho 82, 182, 822 está presente; não há reatância para limitar a corrente induzida.[0052] During operation, the power unit 42 supplies one or more AC conduction currents to the conductor 80, 180, 280. An alternating axial magnetic field is thus created over the work coil(s) 82, 182 , 282 of the conductor 80, 180, 280, which in turn induces a circumferential AC current in the wall of the conductive housing 60. The frequency of the driving AC current can be adjusted to take advantage of the film effect of the current induced in the housing 60, which can be illustrated by the following formula: Where δ is the depth of the film in meters, defined as the depth below the inner surface of the shell 60 at which the current density has fallen to 1/e (about 0.37) of the current density at the inner surface, p is the resistivity of a medium in ohm-meters, μ0 is the permeability of free space, μr is the relative permeability of the medium, and f is the frequency of the induced current in Hz. As shown by the formula, the depth of the film decreases as the frequency of the induced current increases. A small film depth is desirable because decreasing the cross-sectional area of the housing within which the induced current flow is restricted increases the resistance in the housing 60 encountered by the current. Increasing the resistance in housing 60 increases the resulting heat generated by the induced current. In a preferred embodiment, at least one driving current is supplied at a frequency that coincides with the resonant frequency of the electrical circuit, i.e., one or more capacitors 47a, 47b connected in parallel or in series with the conductor 80, 180, 280, to achieve the maximum induced current flow in the housing 60. The capacitor 47a, 47b may be housed in the housing 40 or included elsewhere in the electrical circuit of the heating device 20. Under resonant conditions, only the resistance of the housing 60, which is reflected through the number of turns of the working coil(s) 82, 182, 822 is present; there is no reactance to limit the induced current.

[0053] Em uma modalidade, uma pluralidade de sensores de temperatura, tais como termopares, está espaçada em torno do comprimento da carcaça 60 do dispositivo de aquecimento para determinar a temperatura da carcaça 60 em várias posições ao longo do seu comprimento durante operações de aquecimento e enviando os dados de temperatura de volta para o controlador. De preferência, os sensores medem a temperatura em tempo real, de tal modo que o controlador pode fazer ajustes na corrente de condução, conforme necessário, em resposta a condições variáveis à medida que surgem. Por exemplo, se a temperatura detectada em uma área exceder os níveis desejados, o controlador pode diminuir ou interromper a corrente de condução para a bobina de trabalho correspondente até que a temperatura caia para um valor aceitável.[0053] In one embodiment, a plurality of temperature sensors, such as thermocouples, are spaced around the length of the housing 60 of the heating device to determine the temperature of the housing 60 at various positions along its length during heating operations. and sending the temperature data back to the controller. Preferably, the sensors measure temperature in real time, such that the controller can make adjustments to the driving current as necessary in response to changing conditions as they arise. For example, if the temperature detected in an area exceeds desired levels, the controller can decrease or stop the driving current to the corresponding work coil until the temperature drops to an acceptable value.

[0054] Em remediação de solos ou operações de recuperação de hidrocarbonetos, vários dispositivos de aquecimento 20 podem se estender da superfície do solo G para a área de remediação e/ou formação de hidrocarbonetos. Os dispositivos de aquecimento 20 podem ser dispostos em matrizes para aquecer o solo dentro e em torno das matrizes até às temperaturas desejadas.[0054] In soil remediation or hydrocarbon recovery operations, a plurality of heating devices 20 may extend from the soil surface G into the area of remediation and/or hydrocarbon formation. The heating devices 20 may be arranged in arrays to heat the soil in and around the arrays to desired temperatures.

[0055] Em uma modalidade, o dispositivo de aquecimento 20 está configurado para gerar um calor superficial superior a 1000°C. O calor máximo da superfície do dispositivo 20 é limitado principalmente pelo ponto de fusão dos materiais utilizados para o condutor 80, a carcaça 60 e a manga externa 72 (se incluídos). Em algumas modalidades, os dispositivos 20 podem ser espaçados em um arranjo para atingir uma temperatura mínima do solo de 250 a 800°C em torno do centro da matriz. Por exemplo, os dispositivos 20 podem estar espaçados cerca de 5 pés (1,524 m) a cerca de 20 pés (6,096 m) um do outro. Como o dispositivo 20 gera calor através da corrente induzida magneticamente em uma carcaça condutora 60, pode ser utilizado uma carcaça com um raio maior do que os existentes nas tecnologias de aquecimento de tubos, proporcionando assim uma maior superfície de aquecimento. O tamanho da superfície de aquecimento é inversamente proporcional à quantidade de tempo necessária para atingir a temperatura desejada para a remediação do solo e/ou mobilização de hidrocarbonetos. A área superficial de um elemento de aquecimento cilíndrico (por exemplo, carcaça 60) é dada por 2πrL, onde r é o raio do cilindro e L é o comprimento do cilindro. Como tal, um aumento no raio da carcaça 60 é também inversamente proporcional ao tempo requerido para aquecer o solo até à temperatura desejada.[0055] In one embodiment, the heating device 20 is configured to generate surface heat greater than 1000°C. The maximum surface heat of the device 20 is limited primarily by the melting point of the materials used for the conductor 80, the housing 60, and the outer sleeve 72 (if included). In some embodiments, the devices 20 may be spaced in an arrangement to achieve a minimum soil temperature of 250 to 800°C around the center of the array. For example, the devices 20 may be spaced from about 5 feet (1.524 m) to about 20 feet (6.096 m) apart. As the device 20 generates heat through magnetically induced current in a conductive housing 60, a housing with a larger radius than those found in tube heating technologies can be used, thus providing a larger heating surface. The size of the heating surface is inversely proportional to the amount of time required to reach the desired temperature for soil remediation and/or hydrocarbon mobilization. The surface area of a cylindrical heating element (e.g. housing 60) is given by 2πrL, where r is the radius of the cylinder and L is the length of the cylinder. As such, an increase in the radius of casing 60 is also inversely proportional to the time required to heat the soil to the desired temperature.

[0056] Para algumas operações, múltiplos dispositivos de aquecimento 20 são usados e dispostos em arranjos (por exemplo, na forma de triângulos equiláteros, com um dos dispositivos de aquecimento em cada vértice e os dispositivos de aquecimento espaçados um do outro) e são estendidos para uma ou mais áreas do solo a serem aquecidas. A figura 8 proporciona uma ilustração gráfica da relação entre diâmetro do dispositivo de aquecimento, temperatura e tempo de aquecimento de um conjunto de três dispositivos de aquecimento 20 operando a cerca de 1500 Watts por metro e posicionados nos vértices de um triângulo substancialmente equilátero, em que cada dispositivo de aquecimento 20 está a cerca de 8 metros de distância dos outros. As temperaturas plotadas são calculadas no centroide do triângulo, que é cerca de 1,4 m de qualquer um dos vértices. O gráfico de temperatura por tempo para o arranjo de dispositivos de aquecimento 20 com carcaças de 2 polegadas (5,08 cm) de diâmetro, cada um com uma espessura de parede de cerca de 1/8” ((3,17 mm), é indicado pela referência 102. Da mesma forma, os gráficos de temperatura em função do tempo para os arranjos de dispositivos de aquecimento 20 com carcaças de 3 polegadas (7,62 cm), 4 polegadas (10,16 cm), 5 polegadas (12,7 cm) e 6 polegadas (15,24 cm) de diâmetro, cada um com uma espessura de parede de cerca de 1/8” (3,17 mm), estão indicados pelas referências 103, 104, 105 e 106, respectivamente.[0056] For some operations, multiple heating devices 20 are used and arranged in arrangements (e.g., in the form of equilateral triangles, with one of the heating devices at each apex and the heating devices spaced apart) and are extended to one or more areas of the ground to be heated. Figure 8 provides a graphic illustration of the relationship between heating device diameter, temperature and heating time of a set of three heating devices 20 operating at about 1500 Watts per meter and positioned at the vertices of a substantially equilateral triangle, wherein each heating device 20 is about 8 meters away from the others. The plotted temperatures are calculated at the centroid of the triangle, which is about 1.4 m from either vertex. The temperature-time graph for the arrangement of 20 heating devices with 2-inch (5.08 cm) diameter housings, each with a wall thickness of about 1/8” ((3.17 mm), is indicated by reference 102. Likewise, temperature versus time graphs for heating device arrangements 20 with 3-inch (7.62 cm), 4-inch (10.16 cm), 5-inch ( 12.7 cm) and 6 inches (15.24 cm) in diameter, each with a wall thickness of about 1/8” (3.17 mm), are indicated by references 103, 104, 105 and 106, respectively.

[0057] Como pode ser visto na linha 104 na figura 8, o conjunto de dispositivos de aquecimento 20 com carcaças de 4 polegadas de diâmetro é incapaz de atingir uma temperatura de centroide de 250°C dentro de 90 dias. Como mostrado na linha 105, o conjunto de dispositivos de aquecimento com carcaças de 5 polegadas (12,7 cm) de diâmetro leva cerca de 59 dias para atingir uma temperatura de aproximadamente 250°C. Como mostrado na linha 106, o conjunto de dispositivos de aquecimento com carcaças de 6 polegadas (15,24 cm) de diâmetro leva cerca de 44 dias para atingir uma temperatura de centroide de cerca de 250°C.[0057] As can be seen from line 104 in Figure 8, the set of heating devices 20 with 4-inch diameter casings is unable to reach a centroid temperature of 250°C within 90 days. As shown in line 105, the set of heating devices with 5-inch (12.7 cm) diameter housings takes about 59 days to reach a temperature of approximately 250°C. As shown in line 106, the array of heating devices with 6-inch (15.24 cm) diameter housings takes about 44 days to reach a centroid temperature of about 250°C.

[0058] Uma vez concluídas as operações de recuperação e/ou recuperação de hidrocarbonetos, o condutor 80 e o invólucro 40 (se colocados no subsolo) podem ser recuperados do solo simplesmente removendo o invólucro 40 e puxando o condutor 80 para fora da carcaça 60. Invólucro 40 e condutor 80 pode então ser reutilizado para outras operações, conforme desejado. A carcaça de aço 60 relativamente de baixo custo pode ser abandonada no solo. Deste modo, cerca de 60% ou mais dos materiais utilizados podem ser recuperados, em oposição a 100% dos materiais que são abandonados em operações típicas de aquecimento do solo da técnica anterior.[0058] Once the recovery and/or hydrocarbon recovery operations have been completed, the conductor 80 and casing 40 (if placed underground) can be recovered from the ground by simply removing the casing 40 and pulling the conductor 80 out of the casing 60 Casing 40 and conductor 80 can then be reused for other operations as desired. The relatively low-cost 60 steel casing can be left on the ground. In this way, about 60% or more of the materials used can be recovered, as opposed to 100% of the materials that are abandoned in typical prior art soil heating operations.

[0059] Em uma modalidade de amostra, a carcaça 60 é um tubo de aço carbono de 6 polegadas (15,24 cm), com 1/8” (3,17 mm) de revestimento de argamassa refratária na sua parede interna, ligado na sua extremidade superior por uma ligação de flange a uma tampa superior de aço 61 preenchida com argamassa refratária. As porções de ligação 83a, 83b e a porção de retorno 84 do condutor 80 se prolongam do interior da carcaça 60 até à tampa superior 61 para ligar à unidade de energia 42. A unidade de energia 42 é ligada a uma fonte de energia externa 45 para receber cerca de 50 VAC a 300 VAC, e tem componentes elétricos adequados, tais como retificadores e inversores, para converter a potência recebida para uma corrente alterna de alta frequência de condução que varia de cerca de 10 kHz a cerca de 50 kHz. A unidade de energia 42 também pode ter um ou mais capacitores em série ou paralelos para as bobinas de trabalho 82a, 82b do condutor para obter a ressonância do circuito. O dispositivo de aquecimento também inclui um controlador para controlar e ajustar a corrente AC de condução. O condutor 80 recebe a corrente AC de condução da unidade de energia 42. O condutor 80 compreende uma pluralidade de bobinas de trabalho helicoidais 82 localizadas em locais axiais selecionados ao longo do comprimento da carcaça 60 para aquecer várias áreas do solo e/ou camadas. Dada uma corrente de condução com uma frequência de cerca de 10 kHz a cerca de 50 kHz, pode obter-se uma profundidade de película de cerca de 110 μm a cerca de 50 μm para a corrente parasita induzida na carcaça 60. A frequência da corrente de condução pode ser regulada para algo próximo a frequência de ressonância do circuito, que é determinada pelo menos em parte pela profundidade da película, pelos capacitores 47, pela indutância de fuga da bobina de trabalho 82, 182, 222 e pela permeabilidade da carcaça 60.[0059] In a sample embodiment, shell 60 is a 6-inch (15.24 cm) carbon steel tube, with 1/8” (3.17 mm) of refractory mortar coating on its inner wall, connected at its upper end by a flange connection to a 61 steel top cover filled with refractory mortar. The connecting portions 83a, 83b and the return portion 84 of the conductor 80 extend from the interior of the housing 60 to the top cover 61 to connect to the power unit 42. The power unit 42 is connected to an external power source 45 to receive about 50 VAC to 300 VAC, and has suitable electrical components, such as rectifiers and inverters, to convert the received power to a high frequency driving alternating current ranging from about 10 kHz to about 50 kHz. The power unit 42 may also have one or more capacitors in series or parallel to the working coils 82a, 82b of the conductor to achieve circuit resonance. The heating device also includes a controller for controlling and adjusting the driving AC current. The conductor 80 receives the AC driving current from the power unit 42. The conductor 80 comprises a plurality of helical work coils 82 located at selected axial locations along the length of the housing 60 to heat various areas of the soil and/or layers. Given a driving current with a frequency of about 10 kHz to about 50 kHz, a film depth of about 110 μm to about 50 μm can be obtained for the eddy current induced in frame 60. The frequency of the current conduction frequency can be regulated to something close to the resonant frequency of the circuit, which is determined at least in part by the depth of the film, the capacitors 47, the leakage inductance of the working coil 82, 182, 222 and the permeability of the housing 60 .

[0060] Por conseguinte, o dispositivo de aquecimento 20 pode fornecer maior potência ao elemento de aquecimento (por exemplo, a carcaça 60) do que as tecnologias existentes. Por exemplo, a modalidade de amostra é capaz de fornecer cerca de 2500 W/m através da corrente parasita induzida na carcaça 60, em comparação com cerca de 700 W/m, tipicamente produzida por tecnologias convencionais. Quanto mais energia fornecida ao elemento do aquecedor, mais calor pode ser gerado.[0060] Therefore, the heating device 20 can provide greater power to the heating element (e.g., housing 60) than existing technologies. For example, the sample embodiment is capable of delivering about 2500 W/m through the eddy current induced in housing 60, compared to about 700 W/m typically produced by conventional technologies. The more energy supplied to the heater element, the more heat can be generated.

[0061] De acordo com um aspecto geral da presente divulgação, um dispositivo de aquecimento para aquecer solo subterrâneo é fornecido compreendendo: uma carcaça condutora tendo uma primeira extremidade, uma segunda extremidade e uma parede que define um orifício interno que se estende da primeira e segunda extremidades, e uma temperatura; um condutor, pelo menos uma parte do condutor sendo posicionada no orifício interno, sendo o condutor eletricamente isolado da carcaça; e uma unidade de energia conectada ao condutor através da primeira extremidade, a unidade de energia configurada para converter energia recebida de uma fonte de energia em pelo menos uma corrente de condução e fornecer pelo menos uma corrente de condução ao condutor, em que o condutor é configurado para gerar pelo menos um campo magnético quando pelo menos uma corrente de condução é fornecida para criar pelo menos uma corrente induzida correspondente na carcaça e em que pelo menos uma corrente de condução é de uma frequência suficiente para que pelo menos uma corrente induzida encontre resistência na carcaça para aumentar a temperatura.[0061] In accordance with a general aspect of the present disclosure, a heating device for heating underground soil is provided comprising: a conductive housing having a first end, a second end, and a wall defining an internal orifice extending from the first and second ends, and a temperature; a conductor, at least a portion of the conductor being positioned in the inner hole, the conductor being electrically isolated from the housing; and a power unit connected to the conductor through the first end, the power unit configured to convert energy received from a power source into at least one conduction current and supply at least one conduction current to the conductor, wherein the conductor is configured to generate at least one magnetic field when at least one conduction current is supplied to create at least one corresponding induced current in the housing and wherein the at least one conduction current is of a frequency sufficient for the at least one induced current to encounter resistance in the housing to increase the temperature.

[0062] De acordo com outro aspecto, o condutor compreende uma ou mais bobinas de trabalho. Estas bobinas de trabalho podem ser bobinas helicoidais. De acordo ainda com outro aspecto, uma ou mais bobinas de trabalho são posicionadas em uma localização axial no orifício interno para aumentar a temperatura da carcaça na posição axial. Estas bobinas de trabalho podem ser apoiadas em um suporte de bobina de trabalho.[0062] According to another aspect, the conductor comprises one or more working coils. These work coils can be helical coils. According to yet another aspect, one or more work coils are positioned in an axial location in the inner bore to increase the temperature of the housing in the axial position. These work coils can be supported on a work coil holder.

[0063] De acordo com outro aspecto, o condutor é um condutor monofásico e a unidade de energia compreende um ou mais inversores monofásicos; ou um condutor trifásico e a unidade de energia compreende um ou mais inversores trifásicos. De acordo ainda com outro aspecto, o condutor compreende um ou mais conjuntos de três bobinas de trabalho dispostas axialmente em série ou um ou mais conjuntos de três bobinas de trabalho intercaladas.[0063] According to another aspect, the conductor is a single-phase conductor and the power unit comprises one or more single-phase inverters; or a three-phase conductor and the power unit comprises one or more three-phase inverters. According to yet another aspect, the conductor comprises one or more sets of three working coils arranged axially in series or one or more sets of three interleaved working coils.

[0064] De acordo com outro aspecto, a carcaça condutora é um elemento tubular metálico. A carcaça condutora pode ser feita de um material de alta permeabilidade e alta resistividade. A parede da carcaça possui uma superfície interna que pode ser revestida com argamassa refratária. De acordo com outro aspecto, o condutor também pode ser revestido com argamassa refratária.[0064] According to another aspect, the conductive housing is a metallic tubular element. The conductive housing can be made of a material with high permeability and high resistivity. The carcass wall has an internal surface that can be coated with refractory mortar. According to another aspect, the conductor can also be coated with refractory mortar.

[0065] De acordo com outro aspecto, o dispositivo de aquecimento compreende ainda pelo menos um condensador ligado em paralelo ou em série com o condutor.[0065] According to another aspect, the heating device further comprises at least one capacitor connected in parallel or in series with the conductor.

[0066] De acordo com outro aspecto, a frequência de pelo menos uma corrente de condução é aproximadamente a mesma que a frequência ressonante de um circuito formado pelo menos pelo condutor, pela carcaça e pelo menos por um condensador.[0066] According to another aspect, the frequency of at least one conduction current is approximately the same as the resonant frequency of a circuit formed by at least the conductor, the housing and at least one capacitor.

[0067] De acordo com outro aspecto, o dispositivo de aquecimento compreende ainda um ou mais sensores de temperatura posicionados ao longo do comprimento da carcaça; e um controlador para receber dados de um ou mais sensores de temperatura e em resposta aos dados, modificando a pelo menos uma corrente de condução.[0067] According to another aspect, the heating device further comprises one or more temperature sensors positioned along the length of the housing; and a controller for receiving data from one or more temperature sensors and in response to the data, modifying the at least one driving current.

[0068] De acordo com outro aspecto, o dispositivo de aquecimento compreende ainda uma manga externa suportada na carcaça condutora e definindo um anel entre eles para receber um fluido de transporte.[0068] According to another aspect, the heating device further comprises an outer sleeve supported on the conductive housing and defining a ring therebetween for receiving a transport fluid.

[0069] De acordo com outro aspecto, o dispositivo de aquecimento compreende ainda um sistema de arrefecimento para remover calor do condutor.[0069] According to another aspect, the heating device further comprises a cooling system for removing heat from the conductor.

[0070] De acordo com outro aspecto geral da presente descrição, um sistema para aquecer uma ou mais áreas subterrâneas do solo é fornecido compreendendo: uma pluralidade de dispositivos de aquecimento dispostos em um arranjo. Em outro aspecto, o arranjo está na forma de um ou mais triângulos, com pelo menos um da pluralidade de dispositivos de aquecimento em cada vértice de um ou mais triângulos. A distância entre os dispositivos de aquecimento adjacentes é entre cerca de 5 pés (1,524 m) a cerca de 20 pés (6,096 m).[0070] According to another general aspect of the present description, a system for heating one or more subterranean areas of the ground is provided comprising: a plurality of heating devices arranged in an arrangement. In another aspect, the arrangement is in the form of one or more triangles, with at least one of the plurality of heating devices at each apex of the one or more triangles. The distance between adjacent heating devices is between about 5 feet (1.524 m) to about 20 feet (6.096 m).

[0071] De acordo com outro aspecto geral da presente invenção, um método para aquecer uma ou mais áreas subterrâneas do solo é fornecido compreendendo: fornecer pelo menos uma corrente alternada de condução tendo cada uma frequência para uma respectiva bobina condutora alojada dentro de uma carcaça condutora a, pelo menos, uma bobina condutora sendo isolada eletricamente da carcaça condutora, e a carcaça condutora sendo posicionada em uma ou mais áreas subterrâneas; e induzir pelo menos uma corrente induzida na carcaça condutora, em que a frequência selecionada para fazer com que pelo menos uma corrente induzida gere resistência na carcaça condutora para aumentar a temperatura da carcaça condutora.[0071] According to another general aspect of the present invention, a method for heating one or more subterranean areas of soil is provided comprising: providing at least one alternating conducting current having each a frequency to a respective conducting coil housed within a housing conductive to at least one conductive coil being electrically isolated from the conductive housing, and the conductive housing being positioned in one or more underground areas; and inducing at least one induced current in the conductive shell, wherein the frequency selected to cause the at least one induced current generates resistance in the conductive shell to increase the temperature of the conductive shell.

[0072] De acordo com outro aspecto, o método compreende ainda converter uma corrente de corrente alternada para pelo menos uma corrente contínua, e converter pelo menos uma corrente contínua em pelo menos uma corrente de condução alternada.[0072] According to another aspect, the method further comprises converting an alternating current current to at least one direct current, and converting at least one direct current into at least one alternating conduction current.

[0073] De acordo com outro aspecto, cada uma das pelo menos uma bobina condutora é conectada em paralelo ou em série com um correspondente pelo menos um capacitor e a frequência de cada uma das pelo menos uma corrente de condução é aproximadamente a mesma que uma frequência ressonante de um circuito formado por uma das respectiva pelo menos uma bobina condutora, seu correspondente em pelo menos um capacitor, e a carcaça condutora. Estas correntes de condução alternadas são monofásicas ou trifásicas.[0073] According to another aspect, each of the at least one conducting coil is connected in parallel or in series with a corresponding at least one capacitor and the frequency of each of the at least one driving current is approximately the same as a resonant frequency of a circuit formed by one of the respective at least one conducting coil, its corresponding at least one capacitor, and the conducting housing. These alternating conduction currents are single-phase or three-phase.

[0074] De acordo com outro aspecto, o método compreende ainda coletar dados de temperatura de pelo menos um sensor posicionado na carcaça condutora; e modificar seletivamente pelo menos uma corrente de condução alternada em resposta aos dados de temperatura coletados. De acordo com ainda outro aspecto, o método também compreende injetar um fluido de transporte para dentro de um anel definido entre a carcaça condutora e uma manga externa apoiada na carcaça condutora.[0074] According to another aspect, the method further comprises collecting temperature data from at least one sensor positioned on the conductive housing; and selectively modifying at least one alternating conduction current in response to the collected temperature data. According to yet another aspect, the method also comprises injecting a transport fluid into a ring defined between the conductive housing and an outer sleeve supported on the conductive housing.

[0075] De acordo com outro aspecto, o método compreende ainda a remoção de calor de pelo menos uma bobina condutora, que pode compreender a passagem de um fluído refrigerante através de pelo menos uma bobina condutora.[0075] According to another aspect, the method further comprises removing heat from at least one conductive coil, which may comprise passing a refrigerant fluid through at least one conductive coil.

Claims

1. Heating device (20) for heating underground soil comprising: a conductive housing (60) having a first end (73), a second end and a wall defining an internal orifice extending between the first and second ends (74) and a temperature; a conductor (80, 180, 280), at least a part of the conductor (80, 180, 280) being positioned in the internal hole (70), the conductor (80, 180, 280) being electrically isolated from the housing (60); and a power unit (42) connected to the conductor (80, 180, 280) through the first end (73), the power unit (42) configured to convert energy received from a power source (45) into at least a conduction current and supplying at least one conduction current to the conductor (80, 180, 280), wherein the conductor (80, 180, 280) is configured to generate at least one magnetic field when the at least one conduction current is provided to create at least one corresponding induced current in the housing (60), and wherein the at least one driving current is of a frequency sufficient for the at least one induced current to encounter resistance in the housing to increase the temperature; CHARACTERIZED by the fact that the power unit (42) comprises one or more three-phase inverters (143), and the at least one driving current is a three-phase current; and wherein the conductor (80, 180, 280) comprises one or more sets of three working coils (182a, 182b, 182c, 282a, 282b, 282c).

2. Heating device (20) according to claim 1, CHARACTERIZED by the fact that each of the one or more sets of three working coils (182a, 182b, 182c, 282a, 282b, 282c) are positioned in a location axial in the inner bore (70) to increase the temperature of the casing (60) in the axial location and, optionally, one or both of: the coils of the one or more sets of three working coils (182a, 182b, 182c, 282a, 282b , 282c) are helical coils; and the coils of the one or more sets of three work coils (182a, 182b, 182c, 282a, 282b, 282c) are supported on a work coil support (90).

3. Heating device (20) according to claim 1 or 2, CHARACTERIZED in that: (i) each set of three working coils comprises three working coils (182a, 182b, 182c) arranged in series; or (ii) each set of three work coils comprises three interleaved work coils (282a, 282b, 282c).

4. Heating device (20) according to any one of claims 1 to 3, CHARACTERIZED by the fact that one or both of: the housing (60) is a metallic tubular element; and the housing (60) is made of a high permeability material that has high resistivity.

5. Heating device (20) according to any one of claims 1 to 4, CHARACTERIZED by the fact that one or both of: the housing wall (60) has an inner surface coated with refractory material that is also an insulator electric; and the conductor (80, 180, 280) is coated with refractory material which is also an electrical insulator.

6. Heating device (20) according to any one of claims 1 to 5, CHARACTERIZED by also comprising at least one capacitor (47a, 47b) connected in parallel or in series with the conductor (80, 180, 280), and optionally, wherein the frequency of the at least one conduction current is the same as the resonant frequency of a circuit formed by at least the conductor (80, 180, 280), the housing (60) and the at least one capacitor (47a , 47b).

7. Heating device (20) according to any one of claims 1 to 6, CHARACTERIZED by additionally comprising: one or more temperature sensors positioned along the length of the housing (60); and a controller for receiving data from one or more temperature sensors and in response to the data, modifying at least one driving current.

8. Heating device (20) according to any one of claims 1 to 7, CHARACTERIZED by the fact that it further comprises one or both of: an external sleeve (72) supported on the conductive housing (60) and defining a ring between them to receive a transport fluid for heating the underground soil by thermal convection; and a cooling system for removing heat from the conductor (80, 180, 280).

9. System for heating one or more underground areas of the ground, CHARACTERIZED by comprising: a plurality of heating devices (20) as defined in any one of claims 1 to 7, arranged in an arrangement.

10. System according to claim 9, CHARACTERIZED by the fact that the arrangement is in the form of one or more triangles, with at least one of the plurality of heating devices (20) at each vertex of one or more triangles, and optionally wherein the distance between adjacent heating devices (20) is between 1.5 m (5 feet) and 6.1 m (20 feet).

11. Method for heating one or more underground areas of the ground with a heating device as defined in any one of claims 1 to 8 or with a system as defined in claim 9 or 10, the method CHARACTERIZED by comprising: providing at least one alternating conducting current, each having a frequency for a respective at least one conductor (180, 280) housed within a conductive housing (60), the at least one conductor (180, 280) being electrically isolated from the conductive housing (60 ), and the conductive housing (60) being positioned in one or more underground areas; and inducing at least one induced current in the conductive housing (60), wherein the frequency is selected to cause at least one induced current to generate resistance in the conductive housing (60) to increase the temperature of the conductive housing (60); wherein the at least one alternating conduction current is three-phase; and wherein the at least one conductor (180, 280) comprises one or more sets of three working coils (182a, 182b, 182c, 282a, 282b, 282c).

12. Method according to claim 11, CHARACTERIZED by the fact that each of the at least one conductor (180, 280) is connected in parallel or in series with at least one corresponding capacitor (47a, 47b) and the frequency of each of at least one conduction current being the same as a resonant frequency of a circuit formed by a respective of the at least one conductor (180, 280), its corresponding at least one capacitor (47a, 47b), and the conductive housing (60 ).

13. Method according to claim 11 or 12, CHARACTERIZED by also comprising collecting temperature data from at least one sensor positioned in the conductive housing (60); and selectively modifying at least one alternating conduction current in response to the collected temperature data.

14. Method according to any one of claims 11 to 13, CHARACTERIZED by additionally comprising one or both of injecting a transport fluid into a ring defined between the conductive housing (60) and an outer sleeve (72) supported on the housing conductive (60); and removing heat from the at least one conductor (180, 280).

15. Method according to any one of claims 11 to 14, CHARACTERIZED by the fact that the frequency is selected so that a film depth for the induced current falls within the range of 50 μm to 110 μm.