CZ29933U1 - Vlnovod pro mikrovlnami podporovanou termickou podpovrchovou dekontaminaci in šitu - Google Patents

Description

Oblast techniky

Technické řešení se týká zavádění mikrovlnného záření do podpovrchových vrstev zemin a horninového prostředí v rámci termicky podporovaných dekontaminačních metod.

Dosavadní stav techniky

V řadě oblastí ČR se vyskytují lokality, které jsou znečištěny různými nežádoucími kontaminanty, jako jsou polychlorované bifenyly (PCB), pesticidy, polyaromatické a ropné uhlovodíky a další toxické látky. Dosud se pro účely jejich termické dekontaminace používají většinou zařízení spočívající ve využití konvenčního ohřevu, jako je elektřina, plyn, topný olej atp.

Nevýhody výše uvedených zařízení spočívají v tom, že je doprovází pomalá rychlost ohřevu způsobená nízkou teplotní vodivostí horninového prostředí a značnými ztrátami při přestupech tepla z topného elementu do horninového prostředí. Celý dekontaminační proces prováděný metodami konvenčního ohřevu je časově velmi pomalý a energeticky značně náročný. Kromě toho je konvenční ohřev tuhých materiálů nehomogenní a vyžaduje provedení dekontaminace při vysokých teplotách, jak uvádí například zveřejněný americký patent US 5 103 578.

Proto se v současné době hledají nové termické dekontaminační metody a technologie, které by tuto problematiku řešily. Jedním z možných řešení termické dekontaminace zemin, stavební suti, či ostatních tuhých odpadů, je využití mikrovlnné energie. Základní princip použití mikrovlnného ohřevu pro termo-desorpční zpracování tuhých kontaminovaných materiálů je v rámci dosavadního stavu techniky známý. Pro provádění termické podpovrchové dekontaminace in-situ je známý například český užitný vzor CZ 29176 Ul.

Užitný vzor CZ 29176 Ul prezentuje technické řešení zahrnující vystrojený podpovrchový vrt provedený do horninového prostředí. Ve vrtu je uložen vlnovod sestavený ze segmentů do požadované délky. Vlnovod má otevřené podstavy pro průchod mikrovln, přičemž jeho plášť může být opatřen perforacemi pro zavedení mikrovln i do boků vrtu. Homí podstava vlnovodu, která se nachází v oblasti zhlaví vrtu, je přivrácena ke zdroji mikrovlnného záření usazeného na zhlaví vrtu. Zdroj mikrovlnného záření je tvořen magnetronem připojeným vysokonapěťovému zdroji, který umožňuje plynulou regulaci výkonu mikrovlnného záření. Proti působení zpětného odrazu mikrovln na magnetron je mezi zdroj mikrovln a vstup do vlnovodu vložen ladící tuner.

Nevýhody výše uvedeného technického řešení spočívají v tom, že výkon zpětně odraženého mikrovlnného záření se mění v závislosti na vlhkosti, obsahu kontaminace a teplotě horninového prostředí, a obvykle dosahuje takových hodnot, které vyžadují časté ladění pomocí tuneru.

V opačném případě by hrozilo zničení magnetronu. Ladění je vždy prováděno mechanicky, což vyžaduje přítomnost obsluhy, která musí být v dojezdové vzdálenosti od místa provádění podpovrchové dekontaminace, aby mohla efektivně reagovat na změny stavu. Dále je nevýhodné, že podíl mikrovlnného záření vstupující do boků vrtu je několikanásobně nižší, než podíl dopadajících mikrovln na dno vrtu, takže je ohřev horninového prostředí soustředěn do oblasti dna vrtu a je nehomogenně rozptýlený.

Úkolem technického řešení je vytvoření vlnovodu, který by odstraňoval výše uvedené nedostatky tím, že umožní zavádění mikrovlnného záření do boků vrtu v horninovém prostředí, a který by efektivně snížil výkon zpětného odrazu mikrovln.

Podstata technického řešení

Vytčený úkol je vyřešen pomocí vlnovodu pro mikrovlnami podporovanou termickou podpovrchovou dekontaminaci in-situ ve vrtu vytvořeném v horninovém prostředí podle následujícího technického řešení.

-1 CZ 29933 Ul

Vlnovod je tvořený podélným dutým válcem nebo hranolem s otevřenými konci pro průchod mikrovln. Jedním otevřeným koncem jsou mikrovlny zavedeny do vlnovodu a druhým otevřeným koncem vystupují do horninového prostředí.

Podstata technického řešení spočívá v tom, že otevřený konec vlnovodu pro výstup mikrovln do horninového prostředí tvoří sestavu s homogenizačním kuželem. Homogenizační kužel je uspořádaný alespoň částečně pod otevřeným koncem vlnovodu a je orientovaný jeho vrcholem směrem do vlnovodu. Homogenizační kužel je vytvořen z materiálu odrážejícího mikrovlnné záření. Homogenizační kužel homogenizuje rozptyl mikrovlnného záření vystupujícího z vlnovodu. Na základě zákona odrazu vlnění je mikrovlnné záření rovnoměrně nasměrováno do boků vrtu horninového prostředí, přičemž výkon odraženého záření zpět do vlnovodu je díky zkosenému plášti kuželu minimalizován. Použití homogenízaěního kužele snižuje požadavek na míru ladění ladícího tuneru, takže je možné díky technickému řešení proces termální dekontaminace automatizovat. Rovněž je zajištěna dostatečná distribuce mikrovln do boků vrtu v horninovém prostředí.

Ve výhodném provedení vlnovodu podle technického řešení je homogenizační kužel pevně spojený s vlnovodem. Pevné spojem s vlnovodem umožňuje snazší instalaci vlnovodu do vystrojeného vrtu.

Ve výhodném provedení vlnovodu podle technického řešení má vrcholový úhel homogenizačního kužele velikost 45° nebo 60° nebo 75°. Výhodné velikosti vrcholového úhlu homogenizačního kužele byly zvoleny na základě experimentů jako optimální pro rozptyl mikrovlnného záření do boků vrtu v horninovém prostředí.

Ve výhodném provedení vlnovodu podle technického řešení je homogenizační kužel dutý, má otevřenou podstavu, a alespoň část jeho pláště je opatřena perforacemi. Použití plného homogenizaěního kužele odstíní dno vrtu horninového prostředí před dopadem mikrovlnného záření. ího aplikace, kdy je potřeba ohřívat mimo boků vrtu i dno vrtu, je homogenizační kužel dutý a je opatřen perforacemi pro průchod části mikrovlnného záření skrz perforovanou plochu odrazu a otevřenou podstavu.

Mezi výhody technického řešení patří snížení výkonu odraženého mikrovlnného záření a odbourání náročného ladění pomocí ladícího tuneru pro vysoké výkony odraženého záření, dále mezi výhody patří homogenní rozptyl mikrovlnného záření do boků vrtu v horninovém prostředí, a rovněž pasivní a mechanicky odolná konstrukce homogenízaěního kužele a nízké pořizovací náklady pro pořízem vlnovodu dle technického řešení.

Objasnění výkresu

Uvedené technické řešení bude blíže objasněno na následujících vyobrazeních, kde:

obr. 1 znázorňuje pohled na schéma vlnovodu podle technického řešení osazeného zařízením pro aplikaci mikrovln do horninového prostředí.

Příklad uskutečnění technického řešení

Rozumí se, že dále popsané a zobrazené konkrétní případy uskutečnění technického řešení jsou představovány pro ilustraci, nikoliv jako omezení technického řešení na uvedené příklady. Odborníci znalí stavu techniky najdou nebo budou schopni zajistit za použití rutinního experimentování větší či menší počet ekvivalentů ke specifickým uskutečněním technického řešení, která jsou zde popsána. I tyto ekvivalenty budou zahrnuty v rozsahu následujících nároků na ochranu.

Vlnovod I osazený zařízením pro aplikaci mikrovln do horninového prostředí 3 je schematicky zobrazený na obr. 1. Zdroj mikrovlnného záření 5 je tvořen vysokonapěťovým napájecím zdrojem 6 s plynulou regulací výkonu mikrovlnného záření v rozsahu 0,6 kW až 6 kW, který je spojen s hlavou magnetronu 7 emitující mikrovlnné záření do vrchního otevřeného konce vlnovodu 1. Proti negativnímu působení zpětně odraženého mikrovlnného záření je u vrchního konce vlnovodu i uspořádán ladící tuner 9.

-2CZ 29933 Ul

Vlnovod 1 se skládá z jednotlivých segmentů vhodně zvolené délky, které do sebe zapadají a jsou k sobě spojovány. Spojení dvou segmentů vlnovodu I je vyznačeno na pozici spojovací příruby 8. Vlnovod I, který může být buď hranatého anebo kruhového průřezu, je umístěn ve vrtu 2, který je opatřen výstrojí tvořenou potrubím ze speciálního izostatického šamotu nebo kameniny.

Poslední segment vlnovodu I má u dna vrtu 2 otevřený konec, kterým je vyvedeno mikrovlnné záření do horninového prostředí 3. Pod otevřeným koncem vlnovodu 1 je uspořádán homogenizační kužel 4, který homogenně odráží na základě zákonu odrazu mikrovlnné vlnění do boků vrtu

2. Homogenizační kužel 4 je vyroben z materiálu, který odráží mikrovlnné záření, např. z nerezové oceli. Homogenizační kužel 4 je upevněn k vlnovodu 1 pomocí např. nerezových drátů, jejichž jedny konce jsou upevněny k hraně spodního otevřeného konce vlnovodu 1 a druhé konce jsou upevněny k spodní hraně pláště homogenizačního kužele 4. Odborník zabývající se konstrukcí bude schopen rutinní prací vytvořit další varianty upevnění homogenizačního kužele 4 k vlnovodu L

Homogenizační kužel 4 svírá vrcholový úhel a o velikosti 45° nebo 60° nebo 75°. Na základě měření provedených v rámci pokusů bylo zjištěno, že tyto homogenizační kužely 4 mající tyto velikosti vrcholového úhlu a vykazují homogenní rozptyl a minimální výkon zpětně odraženého mikrovlnného záření.

V jednom z mnoha možných příkladů provedení je vlnovod I tvořen válcem majícím průměr 105 mm. Homogenizační kužel 4 vykazuje průměr podstavy 120 mm a výšku 140 mm. Vrchol homogenizačního kužele 4 se nachází pod otevřeným koncem vlnovodu 1, avšak v jiných příkladech provedení může být homogenizační kužel 4 alespoň z části zasunutý uvnitř vlnovodu

1.

Průmyslová využitelnost

Vlnovod pro mikrovlnami podporovanou termickou podpovrchovou dekontaminaci in-situ ve vrtu vytvořeném v horninovém prostředí podle technického řešení nalezne uplatnění při provádění dekontaminace půd a hornin metodou in-situ, kde je nežádoucí mechanický zásah do terénu a manipulace s horninovým prostředím.

NÁROKY NA OCHRANU

Claims (4)

1. Vlnovod (1) pro mikrovlnami podporovanou termickou podpovrchovou dekontaminaci in-situ ve vrtu (2) vytvořeném v horninovém prostředí (3), tvořený podélným dutým válcem nebo hranolem s otevřenými konci pro průchod mikrovln, vyznačující se tím, že otevřený konec vlnovodu (1) pro výstup mikrovln do horninového prostředí (3) tvoří sestavu s homogenizačním kuželem (4) uspořádaným pod koncem vlnovodu (1) a orientovaným jeho vrcholem k otevřenému konci vlnovodu (1), přičemž je homogenizační kužel (4) vytvořen z materiálu odrážejícího mikrovlnné záření.

2. Vlnovod podle nároku 1, vyznačující se tím, že je homogenizační kužel (4) pevně spojený s vlnovodem (1).

3. Vlnovod podle nároku 1 nebo 2, vyznačující se tím, že vrcholový úhel (a) homogenizačního kužele (4) má velikost 45° nebo 60° nebo 75°.

4. Vlnovod podle alespoň některého z nároků laž3, vyznačující se tím, že homogenizační kužel (4) je dutý, má otevřenou podstavu a alespoň část jeho pláště je opatřena perforacemi.