BR112019015502A2 - aquecedor helicoidal flexível - Google Patents

Abstract

Um aquecedor tendo um fio de aquecimento de resistência elétrica helicoidal conectado e enrolado em um fio de retorno de corrente. O aquecedor é usado em poços de aquecimento por condução térmica usados para remover contaminantes do solo, águas subterrâneas ou rochas.

Description

AQUECEDOR HELICOIDAL FLEXÍVEL FUNDAMENTOS DA INVENÇÃO

[001] Os poços de aquecimento por condução térmica têm aplicação para remover contaminantes do solo, águas subterrâneas ou rochas. Os poços de aquecimento por condução térmica são dispositivos de aquecimento que são normalmente colocados no solo ou na pilha do solo para fornecer energia térmica a um meio contaminado. Na maioria das aplicações, as sondas de perfuração são usadas para perfurar buracos no solo para instalar um revestimento de metal que pode acomodar um dispositivo de aquecimento para transferir calor para os arredores contaminados. Projetos existentes de poços de aquecimento elétricos têm focado no uso de aquecedores elétricos tubulares para geração de calor dentro de revestimentos de metal. Estes aquecedores são rígidos e difíceis de instalar, especialmente se o aquecedor for significativamente longo. Projetos de aquecedores tradicionais fornecem aquecimento uniforme ao longo do comprimento do aquecedor sem capacidade de alterar e ajustar o aquecimento em diferentes intervalos. Os sistemas convencionais também são volumosos, exigindo tipicamente um diâmetro de revestimento de seis polegadas ou maior para acomodar o aquecedor dentro do revestimento e equipamentos especiais para instalar os grandes revestimentos e componentes de aquecimento.

[002] Aquecedores compostos de tubulação rígida também são usados atualmente. O aço inoxidável é um material comum de construção. Guindastes ou equipamentos de elevação são necessários para elevar os aquecedores rígidos pré-construídos para colocá-los verticalmente em revestimento de metal abaixo do nível. Os aquecedores convencionais longos devem ser fabricados no local porque são muito longos para serem enviados quando pré-fabricados. Não há como alterar o montante de energia de aquecimento fornecida para diferentes intervalos de profundidade do aquecedor durante o projeto.

[003] Outra tecnologia de aquecimento por condução térmica inclui a instalação de revestimentos no solo e a injeção interna de gás quente através do revestimento para aquecer o subsolo. O gás quente é geralmente fornecido por um número de queimadores de gás natural ou propano e cada queimador requer um sistema de controle caro e medidas de segurança. Isso apresenta problemas como o uso ineficiente de energia devido à grande quantidade de perda de calor no gás quente exaurido para o ar dos aquecedores e ao acúmulo de condensado ácido nos sistemas de tubulação durante as fases iniciais de aquecimento. Esses sistemas de tubulação de injeção de gás utilizam um tubo dentro de um tubo e, portanto, também são volumosos e pesados. O diâmetro mínimo do tubo externo para esses sistemas é tipicamente de quatro a seis polegadas de diâmetro. Tal como os aquecedores elétricos tubulares, os poços de aquecimento a gás não têm um método prático para variar a saída de calor a várias profundidades.

[004] A prática atual no aquecimento subsuperficial continua sendo a instalação de aquecedores tubulares rígidos que são difíceis de transportar e instalar e que não podem ser modificados para fornecer aquecimento em diferentes intervalos de profundidade ou facilmente modificados durante diferentes estágios do projeto. Os sistemas são volumosos e exigem perfurações de grande diâmetro para suportar os elementos do aquecedor.

SUMÁRIO

[005] Um aquecedor helicoidal flexível é descrito tendo um fio de aquecimento de resistência elétrica helicoidal conectado a um fio de retorno de corrente. O fio de resistência elétrica helicoidal é enrolado em volta do fio de retorno de corrente. A densidade ou inclinação das bobinas em uma ou mais seções de fios de aquecimento é mantida pelo posicionamento de um ou mais centralizadores ao longo do fio de retorno de corrente para criar as intensidades de calor desejadas. Numa aplicação ilustrativa, o aquecedor helicoidal flexível pode ser inserido num revestimento posicionado num orifício de subsuperfície para proporcionar aquecimento de condução térmica para remover contaminantes do solo, águas subterrâneas ou rochas.

DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

[006] A invenção é melhor compreendida a partir da seguinte descrição detalhada quando lida em conjunto com os desenhos anexos de modalidades ilustrativas.

[007] A FIG. 1 representa uma modalidade de um aquecedor flexível sendo inserido num revestimento de poço de aquecimento.

[008] A FIG. 2 é um esquema de um poço de aquecimento utilizado para aplicações de aquecimento de subsuperfície tendo um fio de aquecimento de resistência enrolado em torno de um fio de retorno de corrente, em que a densidade da bobina pode ser ajustada para obter as intensidades de aquecimento desejadas. O aquecedor helicoidal flexível é mostrado dentro de uma seção transversal de outros componentes que juntos compõem o poço de aquecimento.

[009] A FIG. 3 representa um centralizador na forma de um centralizador entalhado.

DESCRIÇÃO DE MODALIDADES

[0010] Modalidades do aquecedor helicoidal flexível incluem um fio de aquecimento por resistência elétrica enrolado em torno de um fio de retorno de corrente que pode ser transportado e instalado mais facilmente que os aquecedores convencionais, e pode proporcionar ajustabilidade do aquecimento em diferentes níveis. Modalidades do aquecedor helicoidal flexível podem ser comprimidas como uma mola para criar um produto mais compacto para transporte ou outro tipo de transporte. O aquecedor helicoidal flexível pode caber dentro de um revestimento de metal de subsuperfície de diâmetro muito menor do que o tipicamente usado na indústria ao empregar aquecedores rígidos. Equipamentos especiais necessários para a instalação de aquecedores tubulares rígidos, como guindastes ou outros equipamentos de elevação, podem não ser necessários com as modalidades do aquecedor helicoidal flexível... Numa modalidade particular, o aquecedor helicoidal flexível pode caber dentro de um tubo tão pequeno quanto 25 milímetros a 50 milímetros de diâmetro. A densidade da bobina ou o passo da hélice podem ser modificados para regular o aquecimento para diferentes profundidades. Como utilizado neste documento, “densidade da bobina” é o número de bobinas por unidade de comprimento e é o inverso do passo da hélice. Mudanças no aquecimento podem ser mais facilmente implementadas no campo após o início de um projeto do que com aquecedores tubulares rígidos. Numa modalidade exemplificativa, o aquecedor helicoidal flexível é mais leve do que os aquecedores rígidos convencionais, o que pode tornara instalação mais fácil e segura. Geralmente, uma bobina de tipo será mais fácil de criar e esvaziar, mas outras bobinas de formato podem alcançar efeitos e dispositivos semelhantes.

[0011]A FIG. 1 representa uma modalidade de um aquecedor helicoidal flexível 100 sendo inserido num revestimento de poço de aquecimento 102 que geralmente compreende metal. O aquecedor helicoidal flexível 100 tem um fio de aquecimento helicoidal 104, que pode ser, por exemplo, um fio de Nicromo ou outro fio de aquecimento de resistência elétrica adequado. Numa modalidade exemplificativa, o fio de aquecimento helicoidal 104 é um fio flexível de alta temperatura. Embora a invenção possa ser descrita em relação aos fios de Nicromo, podem ser utilizados fios que consistem em outras ligas ou metais adequados. Como usado neste documento, “Nicromo” refere-se a uma liga de níquel-cromo. Ligas de níquel-cromo que contêm outros metais também podem ser usadas. Tipicamente, o níquel será o metal primário da liga, ou seja, compondo o maior percentual dos metais. Os termos “helicoidal” e “hélice” são usados amplamente e incluem enrolamento que matematicamente não é uma hélice e também que é matematicamente uma hélice. Numa modalidade exemplificativa, o fio de aquecimento helicoidal 104 pode ter um diâmetro no intervalo de 0,025 milímetros a aproximadamente 10 milímetros, que pode ser, por exemplo, um medidor de fio de Nicromo no intervalo de tamanho de 000 a 50 American Wire Gauge (AWG). Numa outra modalidade ilustrativa, o diâmetro do fio de aquecimento helicoidal 104 está no intervalo de 1 a 4 milímetros (17 a 6 AWG). Geralmente, o diâmetro do fio de aquecimento helicoidal 104 é selecionado para flexibilidade e densidade de bobina ideais.

[0012]Um diâmetro interno de hélice ilustrativa pode variar de 5 milímetros a maisde 150 milímetros quando usado em um grande revestimento. Numa modalidade adicional, o fio de aquecimento helicoidal 104 terá um diâmetro interno de hélice no intervalo de 6 milímetros a 40 milímetros. O fio de aquecimento helicoidal 104 neste intervalo permite tipicamente a inserção em pequenos revestimento que podem poupar tempo e dinheiro. O calor do fio de aquecimento helicoidal 104 é transferido para o revestimento do poço de aquecimento 102.

[0013]Um fio de retorno de corrente 106 corre concentricamente através das bobinas do fio de aquecimento helicoidal 104 para servir tanto como um suporte para o aquecedor como para um retorno de corrente elétrica. Embora o fio de retormo de corrente 106 seja descrito como estando disposto concentricamente através das bobinas, pode não estar especificamente centrado dentro das bobinas e a sua posição em relação às bobinas pode variar ao longo do seu comprimento. O fio de retorno de corrente 106 pode ser, por exemplo, um fio flexível, isolado em cerâmica de alta temperatura. Uma classificação de temperatura ilustrativa do fio de retorno de corrente 106 está em ou próximo de 1000ºC e, portanto, em cujo caso a mica e o isolamento trançado de cerâmica em um condutor de fio de níquel podem ser adequados. Outros exemplos de materiais incluem isolamento de mica e fibra de vidro em fios de cobre niquelado; embora esta opção ofereça uma classificação de temperatura mais baixa. O fio de retorno de corrente 106 pode também ser construído como um fio não isolado que é envolvido manualmente com um isolamento de alta temperatura. Por exemplo, fio niquelado ou fio de solda de níquel pode ser manualmente envolvido com uma fita de fibra cerâmica para criar um fio de retorno de corrente flexível e isolado. O fio de retorno de corrente 106 pode ter um diâmetro externo no intervalo de tamanhos de fio típicos variando de 50 AWG a 000 AWG (o que corresponde a aproximadamente 0,025 milímetros a 10 milímetros de diâmetro). Numa modalidade ilustrativa adicional, o diâmetro do fio de retorno de corrente 106 está no intervalo de aproximadamente 1 milímetro a 7 milímetros (17 a 1 AWG). Ilustrativamente, o diâmetro do fio de retorno de corrente 106 fornece suporte estrutural suficiente e área de superfície adequada para reduzir a resistência.

Numa modalidade ilustrativa, o fio de retorno de corrente 106 ocupa um espaço interno em hélice definido por bobinas de fio de aquecimento helicoidal 104 no intervalo de 0,1 a 99%. Numa modalidade exemplificativa, o espaço ocupado pelo fio de retorno de corrente 106 dentro do espaço interno da hélice está no intervalo dei6a7i%.

[0014]É mostrado ainda na FIG. 1 um centralizador isolante elétrico 108a, 108b para posicionar seções do fio de aquecimento helicoidal 104, incluindo a manutenção da densidade de bobina selecionada.

[0015]A FIG. 2 é um esquema de um poço de aquecimento 101 usado para aquecimento, com aplicações de solo, água subterrânea ou rocha para remover contaminantes. Numa modalidade ilustrativa, a porção submersa 124 do poço de aquecimento 101 é colocada dentro do solo, água subterrânea ou rocha (também chamada de “material de remediação”) que é direcionada para a remoção de contaminantes. A porção submersa 124 do poço de aquecimento 101 pode ser criada perfurando ou punçando um orifício 122 no material de remediação e inserindo um revestimento 102. O orifício 122 é mostrado por uma linha quebrada e uma seção transversal do revestimento 102 é representada. Como utilizado neste documento, “puncionado” significa um método de instalação no qual um furo 122 é formado por compressão ou deslocamento de material de — subsuperfície. Em outras modalidades de subsuperfície, o orifício 122 pode não ser revestido com um revestimento ou pode ser revestido com outro material ou componente. Por exemplo, nenhum revestimento pode ser necessário em alicerces sólidos e competentes. A porção submersa 124 do poço aquecedor 101 pode também existir numa aplicação de aquecimento acima do solo. Por exemplo, seosol ou a rocha são escavados e graduados numa pilha ou caixa na superfície, a porção submersa 124 do poço de aquecimento 101 pode estender- se através da interface do material de remediação 110 numa aplicação de tratamento acima do solo. Consequentemente, “porção submersa” pretende significar a porção do poço de aquecimento 101 que está dentro do material de remediação ou do seu material circundante. Interface de material de remediação

110 é definida como a camada que separa o material de remediação a ser tratado (solo, água subterrânea ou rocha) do seu entorno. Numa aplicação acima do solo ou subsuperfícial, o revestimento 102 pode estender-se para o material de remediação por uma distância significativa. Numa aplicação acima do solo, várias centenas de pés de revestimento 102 podem ser dispostos horizontalmente ou de outro modo, não verticalmente, dentro do solo, rocha ou água subterrânea para aquecimento. Numa aplicação de subsuperfície, o revestimento 102 pode estender-se à profundidade máxima alcançável de equipamento de perfuração, tipicamente no intervalo de 30 metros a 60 metros para aplicações de remediação ambiental.

[0016]Na borda superior do revestimento 102 está o redutor opcional 114. O redutor 114 e uma passagem 112 proporcionam uma área de tubo transversal inferior à do revestimento 102 para reduzir a condução térmica vertical e a convecção fora do material de remediação direcionado. Embora o redutor 114 esteja ilustrado como um redutor de sino, pode ser utilizado um acessório equivalente que reduza eficazmente o diâmetro para a passagem 112, tal como uma bucha de redução. A redução da condução térmica vertical e da convecção normalmente reduz as perdas de calor e a temperatura dos componentes da superfície. O material isolante 156 também pode ser colocado no interior da passagem 112 para impedir ou reduzir adicionalmente a transferência de calor condutiva e convectiva para fora do revestimento 102. O material isolante 156 pode consistir em qualquer meio isolante flexível de alta temperatura, tal como lã mineral, lã de vidro ou tecido de cerâmica. A passagem 112 pode ser construída em aço inoxidável ou cerâmica para reduzir ainda mais a sua condutividade térmica. A passagem 112 acomoda um fio de entrega corrente 118 e o fio de retorno de corrente 106. De forma ilustrativa, tanto o fio de entrega de corrente 118 como o fio de retorno de corrente 106 são fios isolados com uma classificação de temperatura elevada. A passagem 112 suporta a caixa de conexão elétrica ou “caixa de distribuição” 130. A caixa de distribuição 130 pode assumir muitas formas, incluindo as conhecidas na técnica. Como a caixa de distribuição 130 é tipicamente próxima da temperatura ambiente, ela pode usar componentes elétricos padrão. O fio de entrega de corrente 118 e o fio de retorno de corrente 106 ligam-se aos fios de fonte de energia 152, 154, respectivamente, dentro da caixa de junção 130. Os fios de fonte de energia 152, 154 fornecem energia elétrica a partir de uma fonte de energia 160, que aplica tensões diferentes aos fios 152, 154. Os fios de fonte de energia 152, 154 podem ser, por exemplo, fios de cobre padrão e podem ser ligados ao fio de distribuição de corrente 118 e fio de retorno de corrente 106, respectivamente, por qualquer meio de conexão convencional, por exemplo, por porcas de fio 150 como ilustrado na FIG.2.

[0017]O fio de aquecimento helicoidal 104 está disposto dentro do revestimento 102. Dentro do fio de aquecimento helicoidal 104 está o fio de retorno de corrente 106. Um primeiro centralizador 108a e um segundo centralizador 108b posicionam o fio de retorno de corrente 106 e o fio de aquecimento helicoidal 104. Os primeiro e segundo centralizadores 108a, 108b podem fornecer isolamento elétrico do fio de aquecimento helicoidal 104 e do fio de retorno de corrente 106 do revestimento 102. Para fins de isolamento, os primeiro e segundo centralizadores 108a, 108b podem ser feitos, por exemplo, de cerâmica (por exemplo: alumina, mulite ou zircônia) ou porcelana ou outro material isolante de alta temperatura adequado que possa suportar as temperaturas a que serão expostos no sistema durante a operação.

[0018]Numa modalidade exemplificativa, um ou mais centralizadores estão instalados no fio de retorno de corrente 106 na FIG. 2, primeiro e segundo centralizadores 108a, 108b correspondem às posições inferior e superior, respectivamente, no entanto, é notado que a porção submersa 124 do poço de aquecimento 101 não precisa ser uma porção submersa vertical 124 do poço de aquecimento 101 e pode ser posicionada conforme necessário para alcançar os locais de aquecimento desejados. Isto pode incluir posicionar a porção submersa 124 do poço de aquecimento 101 para evitar interferências com estruturas na vizinhança. O poço de aquecimento 101 pode ser posicionado abaixo de objetos localizados permanentemente ou fixamente localizados.

[0019]A corrente elétrica é fornecida pelo fio de alimentação 152 ao fio de aquecimento helicoidal 104 através do fio de distribuição de corrente 118 que passa através da passagem 112 na ou perto do topo da do poço de aquecimento

101.A passagem 112 estende-se para a caixa de distribuição 130. A passagem 112 pode ser, por exemplo, um tubo de aço inoxidável ou outro componente oco que reduz a condução térmica e a convecção. Numa modalidade exemplificativa, a passagem 112 é um tubo de aço inoxidável tipo 304 de 12 a 152 milímetros de diâmetro. O material ideal da passagem 112, tal como outros componentes do poço de aquecimento 101, depende, pelo menos em parte, do ambiente. Por exemplo, em certas condições, metais ou ligas resistentes à corrosão podem ser benéficos. O fio de entrega de corrente 118 liga-se ao fio de aquecimento helicoidal 104 no topo do material de remediação direcionado.

[0020]O fio de aquecimento helicoidal 104 está ligado a um fio de retorno de corrente isolado 106 na direção ou no fundo da cavidade do aquecedor 101 com um conector de fio 132, que pode ser uma junção de extremidade de alta temperatura ou outro conector de crimpagem. Podem ser utilizados outros componentes que ligam o fio de aquecimento helicoidal 104 ao fio de retorno de corrente isolado 106 e a função para fornecer as qualidades elétricas necessárias.

O fiode aquecimento helicoidal 104 estende-se a distâncias variáveis dentro do revestimento 102, mas numa modalidade exemplificativa não se estende mais perto do fundo do revestimento 102 do que uma distância “X” equivalente a aproximadamente 2% do comprimento de todo o aquecedor helicoidal flexível 100 para permitir espaço para expansão térmica. Por exemplo, se o aquecedor —helicoidal flexível 100 tiver 10 metros de comprimento, deve existir uma distância “X” de 0,2 metros (2% de 10 metros) entre o fundo do aquecedor helicoidal flexível 100 e o fundo do revestimento 102.

[0021]O fio de aquecimento helicoidal 104 pode variar no passo, ou seja, a densidade das bobinas, ao longo do seu comprimento, e pode também ter seções não enroladas. A FIG. 2 mostra uma primeira seção enrolada 134 que se estende a partir do fio de entrega de corrente 118 e tendo uma densidade de bobina relativamente alta.

Uma segunda seção enrolada 136 estende-se por baixo da primeira seção enrolada 134 e tem uma densidade inferior da bobina.

A área circundante da primeira seção enrolada 134 terá uma maior produção de calor do queaárea que envolve a segunda seção enrolada 136 devido à maior densidade de bobinas.

Uma terceira seção enrolada 138 é mostrada, prolongando-se ainda no poço de aquecimento 101, em que as bobinas têm uma densidade semelhante àquela primeira seção enrolada 134. A variação na saída de calor é desejada por muitas razões, uma das quais é para combater as perdas de calor no topo e no fundo do volume aquecido desejado e, portanto, atingir uma temperatura de subsuperfície mais uniforme a uma distância do poço de aquecimento.

As bobinas do fio de aquecimento helicoidal 104 podem ser separadas ou comprimidas, como desejado, para se conseguir o aquecimento mais apropriado para partes direcionadas do material de remediação.

Por exemplo, se um local for impactado por um derramamento de combustível a 10 metros abaixo do solo (10 metros abaixo da interface do material de remediação 110), mas a maior parte do combustível é conhecida entre as profundidades de 2 a 5 metros, a densidade da bobina do fio de aquecimento helicoidal 104 seria comprimido através de uma seção do fio de aquecimento helicoidal 104, que se prolonga de 2 a 5 metros para orevestimento 102, criando assim uma maior saída de calor por comprimento do que uma seção de fio com menor densidade de bobina.

A densidade da bobina pode ser expandida para proporcionar uma menor densidade da bobina em outras partes do poço do aquecedor 101. Além disso, a distribuição da densidade da bobina ao longo do comprimento do poço de aquecimento 101 pode ser variada durante uma interrupção na operação do aquecedor.

Modalidades ilustrativas do aquecedor helicoidal flexível 100 podem permitir que tais variações sejam realizadas com relativa facilidade e num curto período de tempo.

Num método exemplificativo, o aquecedor helicoidal flexível 100 pode ser removido do revestimento 102, os centralizadores 108a, 108b podem ser retirados do fio de retorno de corrente 106, a densidade da bobina pode ser redistribuída e os centralizadores 108a, 108b devolvidos ao fio de retorno de corrente 106, instalado para manter a densidade e a posição da bobina ajustada. Além disso, ou em vez disso, um ou mais centralizadores podem ser removidos. Essa facilidade de modificação permite que o operador se ajuste a condições inesperadas de subsuperfície encontradas durante a operação, como um intervalo de resfriamento causado pelo influxo de água subterrânea.

[0022]A FIG. 2 mostra o segundo centralizador 108b disposto entre a primeira seção enrolada 134 e a segunda seção enrolada 136. O primeiro centralizador 108a é colocado abaixo da terceira seção enrolada 138 e acima do conector de fio 132. Os fios podem ser enrolados em localizações de centralizador, tal como mostrado pela fita 142, entre as segundas seções enroladas 136 e a terceira seção enrolada 138. Um centralizador pode ser colocado sobre a fita 142. A fita 142 pode ser uma fita de cerâmica, por exemplo.

[0023]A FIG. 3 representa um centralizador 108 na forma de um centralizador entalhado. Embora mostrado como um disco circular, a forma do centralizador 108 não é crítica e pode assumir outras formas, tais como um triângulo, quadrado, polígono ou forma irregular, ao mesmo tempo que mantém o seu propósito e função. O entalhe 140 é fornecido de modo a que o centralizador 108 possa ser empurrado lateralmente para o fio de retorno de corrente 106 para proporcionar um ajuste de interferência ou ajuste por atrito. O entalhe pode ser qualquer forma que possa fornecer o ajuste adequado para que possa ser inserido e permaneça no lugar. Outros mecanismos podem ser usados para prender o centralizador ao fio de retorno 106, desde que eles posicionem adequadamente os centralizadores, mantenham a densidade de bobina desejada e suportem o processo de aquecimento e ambiente. O termo “lateralmente” é usado amplamente aqui e não implica uma direção precisa. O centralizador 108 pode ser colocado no fio de aquecimento helicoidal 104 entre bobinas ou entre uma seção enrolada e reta. A fita 142 pode fornecer proteção extra do fio no local do centralizador e aumentar o ajuste de atrito. O centralizador 108 pode evitar que ofiode aquecimento helicoidal 104 entre em contato com o revestimento 102 quando colocado no poço de aquecimento 101. O centralizador 108 também pode fixar circuitos de fio de aquecimento helicoidal 104 ao fio de retorno de corrente 106 em profundidades selecionadas no revestimento 102 para alterar a intensidade de calor conforme desejado. A configuração de entalhe do centralizador1i08 permite que a densidade da bobina seja alterada durante um projeto de aquecimento para solo, água subterrânea ou rocha.

[0024] Voltando à FIG. 2, primeiro e segundo centralizadores 108a, 108b são fixados ao fio de retorno de corrente 106 suficientemente para manter as seções enroladas 134, 136, 138 nas profundidades desejadas e com a densidade da bobina selecionada. Embora três seções helicoidalmente enroladas sejam mostradas para fins ilustrativos na FIG. 2, o desenho pode incluir seções enroladas mais ou menos helicoidais, dependendo de quantos níveis diferentes de aquecimento são desejados.

[0025]Na configuração mostrada na FIG. 2, primeiro e segundo centralizadores 108a, 108b têm um diâmetro maior do que a parte mais estreita do redutor 114. Portanto, a instalação inclui a perfuração de um orifício no solo, aproximadamente de diâmetro uniforme, inserindo o fio de aquecimento helicoidal 104 e o fio de retorno de corrente 106, expandindo e comprimindo o fio de aquecimento helicoidal 104 como desejado e colocando os primeiro e segundo centralizadores 108a, 108b conforme necessário para manter o compressão ou inclinação desejada da bobina. O redutor 114 pode então ser colocado no lugar para reduzir o diâmetro da abertura no topo do revestimento 102.

[0026]A FIG. 2 mostra dois centralizadores 108a, 108b. Dependendo da distribuição das densidades de bobina necessárias para obter a distribuição ou quantidade de aquecimento desejada, um ou mais centralizadores podem ser necessários, ou se uma densidade de bobina uniforme é escolhida, então nenhum centralizador precisa ser usado, a menos que seja necessário para fins de isolamento elétrico ou outros benefícios. Os centralizadores 108a, 108b evitam que o fio de aquecimento helicoidal não isolado 104 entre em contato com o revestimento de aço 102 e provoque um curto-circuito elétrico, o que pode ocorrer, por exemplo, em situações em que o diâmetro do revestimento 102 é pequeno ou o revestimento não está perfeitamente vertical. Se o revestimento não for vertical, geralmente são necessários mais centralizadores.

[0027]Numa modalidade ilustrativa, a energia é alimentada ao fio de aquecimento helicoidal 104, utilizando fios isolados de alta temperatura com diferentes potenciais de tensão ligados a ambas as extremidades do fio de aquecimento helicoidal 104. O fio de aquecimento helicoidal 104 liga-se ao fio de entrega de corrente 118 numa primeira extremidade do fio de aquecimento helicoidal 104 e ao fio de retorno de corrente 106 numa segunda extremidade oposta. Numa modalidade exemplificativa, o fio de aquecimento helicoidal 104 é Nicromo e o fio de retorno de corrente 106 e o fio de entrega de corrente 118 são 100% de níquel e o isolamento que envolve o fio de níquel é uma trança de fibra cerâmica. Note-se que embora o fio de retorno de corrente 104 e o fio de entrega de corrente 118 como descritos indiquem o funcionamento do aquecedor helicoidal flexível 100 num modo de corrente contínua (CC), a corrente elétrica para o fio de aquecimento helicoidal 104 pode ser fornecida quer como corrente contínua ou corrente alternada (CA).

[0028]Modalidades do fio de aquecimento helicoidal 104 podem proporcionar uma maior flexibilidade no projeto do poço de aquecimento 101. Os seguintes fatores, entre outros possíveis, podem ser variados independentemente para ajustar a configuração e o desempenho do poço de aquecimento 101:

[0029] tensão aplicada através do aquecedor helicoidal flexível

[0030] intensidade de calor

[0031] diâmetro do fio

[0032] diâmetro da hélice

[0033] densidade do passo / bobina da hélice.

[0034]Para uma dada intensidade de calor, fatores que aumentam a área de superfície do fio de aquecimento helicoidal 104, como maior diâmetro da bobina ou passo menor, resulta em uma temperatura mais baixa do fio de aquecimento em espiral. A bitola do fio de aquecimento helicoidal 104 pode ser diminuída, ou seja, o diâmetro aumentado, se for desejado tornar o fio de aquecimento helicoidal 104 mais rígido e durável. A variabilidade dos fatores pode permitir que o poço de aquecimento 101 seja adaptado para uma ampla gama de situações e aplicações.

[0035]Em uma modalidade ilustrativa, a voltagem aplicada através do fio de aquecimento helicoidal 104 está no intervalo de 5 volts por pé a 15 volts por pé de profundidade aquecida ou comprimento do poço de aquecimento. A intensidade de calor é ilustrativamente 200-500 W/ft. As especificações ilustrativas do fio de aquecimento helicoidal 104 incluem um diâmetro de fio de calibre6-18;um diâmetro de hélice no intervalo de 12 milímetros a 25 milímetros; e um passo de 5 milímetros a 50 milímetros. O intervalo de passos ilustrativos pode ser variado ao longo de uma seção enrolada de seção única de fio de aquecimento helicoidal 104 ou entre diferentes seções enroladas.

[0036]O fio de retorno de corrente isolado 106 é crítico para o aquecedor helicoidal flexível 100, na medida em que fornece o suporte para suspender, e a energia para operar, o fio de aquecimento helicoidal 104. Exemplos de materiais de fio de retorno de corrente 106 que podem ser adequados para várias temperaturas são os que seguem. Numa aplicação onde só se antecipam temperaturas moderadamente elevadas inferiores a 200ºC no interior do poço de aquecimento, o fio de retorno de corrente 106 pode ser construído em fio de cobre com um isolamento de polímero fluorado, tal como Teflon. Onde se podem esperar temperaturas no intervalo de 200ºC a 400ºC, o fio de retorno de corrente 106 pode ser construído em cobre niquelado envolvido num isolamento de fibra de vidro, fibra de mica ou fibra cerâmica. A temperaturas acima de 400ºC, o fio de retorno de corrente 106 pode ser construído de fio de níquel com um isolamento de fibra cerâmica. Tais fios podem não estar disponíveis no mercado, mas podem ser construídos conforme necessário envolvendo um fio de níquel com fita de fibra cerâmica. O desenho em espiral do fio de aquecimento helicoidal 104 permite a expansão no interior do revestimento 102, evitando o contato acidental do fio de aquecimento helicoidal 104 com as paredes do revestimento 102, porque a expansão é absorvida nas bobinas. A densidade da bobina (número de bobinas de fio de aquecimento por comprimento específico de aquecedor ou “passo de hélice”) pode ser alterada para aplicar diferentes intensidades de aquecimento em diferentes intervalos de profundidade do poço de aquecimento 101. Os centralizadores 108a, 108b podem ser removidos para ajustar a densidade da bobina quase a qualquer momento durante o uso, incluindo antes ou no meio de um projeto de aquecimento, como por exemplo, solo, água subterrânea ou rocha, se necessário.

[0037]O aquecedor helicoidal flexível 100 pode ser empregado para remediar contaminantes usando vários métodos. Em uma modalidade ilustrativa, um orifício é perfurado no solo, por exemplo, por uma sonda de perfuração. Um revestimento que pode acomodar o aquecedor helicoidal flexível 100 é instalado no orifício. O aquecedor helicoidal flexível 100 transfere calor para o ambiente contaminado. O calor pode volatilizar os contaminantes no solo, aumentando a pressão de vapor dos contaminantes. Em outras aplicações, o calor pode aumentar a temperatura da água subterrânea para melhorar as reações químicas de base aquosa que destroem os contaminantes no local. Para compostos que têm baixa volatilidade, altas temperaturas podem ser aplicadas pelo aquecedor para quebrar quimicamente a estrutura molecular dos contaminantes.

Normalmente, uma série de poços de aquecimento será instalada em uma área contaminada.

[0038]EM comparação com aquecedores tubulares convencionais, volumosos e rígidos, podem ser facilmente instaladas modalidades ilustrativas do aquecedor helicoidal flexível 100, por exemplo, à mão e por apenas uma pessoa, mesmo seo aquecedor helicoidal flexível 100 tiver um comprimento substancial.

[0039] Várias modalidades da invenção foram descritas, cada uma tendo uma combinação diferente de elementos. A invenção não está limitada às modalidades específicas divulgadas e pode incluir diferentes combinações dos elementos divulgados, omissão de alguns elementos ou a substituição de elementos por equivalentes de tais estruturas. Os métodos e aquecedores podem incluir elementos que existem na técnica anterior, incluindo, por exemplo, aqueles descritos na seção de antecedentes deste pedido.

[0040] Termos como “cerca de”, “aproximadamente”, ao modificar quantidades, incluem erro típico de medição ou valores que satisfaçam o objetivo da quantidade. Os valores específicos sem os modificadores também são incluídos como parâmetros divulgados.

[0041] Embora a invenção tenha sido descrita por modalidades ilustrativas, irão ocorrer vantagens e modificações adicionais para os especialistas na técnica. Portanto, a invenção nos seus aspectos mais amplos não está limitada a detalhes específicos mostrados e descritos aqui. Modificações, por exemplo, em dimensões ou materiais dos componentes, e incorporação de componentes equivalentes, podem ser feitas sem sair do espírito e escopo da invenção. Consequentemente, pretende-se que a invenção não seja limitada às modalidades ilustrativas específicas, mas seja interpretadas no espírito e escopo totaldas reivindicações anexas e seus equivalentes.

Claims (15)

1. REVINDICAÇÕES 1 Aparelho de aquecimento, caracterizado pelo fato de que compreende: um fio de entrega de corrente isolado configurado para ser conectado a uma fonte de energia e estender abaixo do nível do solo em uma abertura no solo, água subterrânea ou rocha; um fio de aquecimento de resistência elétrica helicoidal não isolado tendo uma primeira extremidade e uma segunda extremidade; o fio de aquecimento de resistência elétrica helicoidal ligado eletricamente na sua primeira extremidade ao fio de entrega de corrente isolada e prolongando- se a partir do mesmo para a abertura; um fio de retorno de corrente isolado tendo uma primeira extremidade e uma segunda extremidade, a primeira extremidade do fio de retorno de corrente eletricamente ligada à segunda extremidade do fio de aquecimento de resistência elétrica helicoidal; e o fio de retorno de corrente que se estende da segunda extremidade do fio de aquecimento de resistência elétrica helicoidal e retorna de volta através do espaço interno da hélice definido por bobinas do fio de aquecimento de resistência elétrica helicoidal e se estendendo ainda acima do nível do solo e configurado para ser conectado à fonte de alimentação.
2. 2. Aparelho de aquecimento, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que compreende um ou mais centralizadores de isolamento elétrico configurados para manter uma posição de uma seção do fio de aquecimento de resistência elétrica helicoidal e manter a densidade da bobina das bobinas da seção do fio de aquecimento de resistência elétrica helicoidal.
3. 3. Aparelho de aquecimento, de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de que um ou mais de um ou mais centralizadores é um disco tendo um entalhe, em que o entralhe é configurado para permitir que o centralizador deslize lateralmente sobre o fio de retorno de corrente, o entralhe dimensionado para proibir as bobinas do fio de aquecimento helicoidal de resistência elétrica de passarem através dele quando um ou mais centralizadores estiveram na posição aberta.
4. 4. Aparelho de aquecimento, de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de que um ou mais centralizadores são configurados para se ligar ao fio de retorno de corrente e manter a posição do um ou mais centralizadores ao longo do comprimento do fio de retorno de corrente.
5. 5. Aparelho de aquecimento, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de compreender ainda um sistema de calibração de aquecimento.
6. 6. Aparelho de aquecimento, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o diâmetro do fio de aquecimento helicoidal de resistência elétrica está no intervalo de 0,025 milímetros a 10 milímetros.
7. 7. Aparelho de aquecimento, de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pelo fato de que o diâmetro do fio de aquecimento helicoidal de resistência elétrica está no intervalo de 1 milímetro a 4 milímetros.
8. 8. Aparelho de aquecimento, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que as bobinas que definem o espaço interno da hélice tem um diâmetro no intervalo de 5 milímetros a 150 milímetros.
9. 9. Aparelho de aquecimento, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que as bobinas que definem o espaço interno da hélice tem um diâmetro no intervalo de 0,5 milímetros a 25 milímetros.
10. 10. Aparelho de aquecimento, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o diâmetro do fio de retorno de corrente está no intervalo de 0,025 milímetro a 10 milímetros.
11. 11. Aparelho de aquecimento, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o fio de aquecimento de resistência elétrica helicoidal tem uma pluralidade de bobinas seletivamente com passo, em que um passo de bobina selecionado controla a intensidade de calor produzida pelo fio de aquecimento de resistência elétrica helicoidal.
12. 12. Método de aquecimento de solo de subsuperfície, águas subterrâneas ou rocha, caracterizado pelo fato de que compreende: fornecer um fio de aquecimento de resistência elétrica helicoidal flexível ligado a um fio de retorno de corrente flexível; selecionar uma ou mais intensidades de calor para uma ou mais seções ao longo de um comprimento de um poço de aquecimento; selecionar uma ou mais tensões aplicadas através do fio de aquecimento de resistência elétrica helicoidal, diâmetro do fio de aquecimento de resistência elétrica helicoidal e diâmetro da bobina para obter uma ou mais intensidades de aquecimento selecionadas; inserir o fio de aquecimento de resistência elétrica helicoidal flexível ligado ao fio de retorno de corrente flexível dentro do poço de aquecimento.
13. 138. Método, de acordo com a reivindicação 12, caracterizado pelo fato de que compreende: antes de inserir o fio de aquecimento de resistência elétrica helicoidal flexível ligado ao fio de retorno de corrente flexível dentro do poço de aquecimento, posicionando um ou mais centralizadores ao longo do fio de aquecimento de resistência elétrica helicoidal para manter o comprimento de uma ou mais seções do fio de aquecimento de resistência elétrica helicoidal e a densidade da bobina selecionada de uma ou mais seções do fio de aquecimento de resistência elétrica helicoidal.
14. 14. Método, de acordo com a reivindicação 13, caracterizado pelo fato de que compreende: reposicionar um ou mais centralizadores de um ou mais centralizadores ao longo do fio de aquecimento de resistência elétrica helicoidal para manter comprimentos recém-selecionados de uma ou mais seções do fio de aquecimento de resistência elétrica helicoidal e densidades de bobina selecionadas de uma ou mais seções do fio de aquecimento de resistência elétrica helicoidal, ajustando assim a intensidade de calor.
15. 15. Método, de acordo com a reivindicação 12, caracterizado pelo fato de que compreende ainda selecionar o passo da bobina do fio de aquecimento de resistência elétrica helicoidal para obter uma ou mais intensidades de aquecimento.