DE102009019287A1 - Method for heating up soil, associated plant and their use - Google Patents
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Abstract
Verfahren zum Aufheizen von Erdböden mit Erdreich, das elektrisch beheizt wird, wobei ein induktives Heizverfahren angewandt wird, bei dem das Erdreich durch hochfrequente elektromagnetische Felder im Bereich zwischen 10 und 200 kHz aufgeheizt wird. Bei einer zugehörigen Anlage zur Durchführung des Verfahrens ist wenigstens ein Generator (60) für Hochfrequenz vorgegebener Frequenz (f) im kHz-Bereich, an den wenigstens eine Induktoranordnung (10) mit einem Hinleiter (15) und einem Rückleiter (20) angeschlossen ist, vorhanden. Vorteilhafte Verwendung findet das Verfahren bzw. eine derartige Anlage im Rahmen des aktiven Umweltschutzes, insbesondere zur Rekultivierung mit organischen Substanzen verseuchter Gebiete.Method for heating soil with soil that is electrically heated using an inductive heating method in which the soil is heated by high-frequency electromagnetic fields in the range between 10 and 200 kHz. In an associated system for carrying out the method, at least one generator (60) for high frequency of predetermined frequency (f) in the kHz range, to which at least one inductor arrangement (10) with a forward conductor (15) and a return conductor (20) is connected, available. Advantageous use of the method or such a plant in the context of active environmental protection, in particular for reclamation contaminated with organic substances areas.
Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Aufheizen von Erdböden mit Erdreich, das elektrisch beheizt wird. Daneben bezieht sich die Erfindung auf die zugehörige Anlage sowie auf die Verwendung einer derartigen Anlagen bzw. eines derartigen Verfahrens.The The invention relates to a method for heating soil with soil that is electrically heated. Besides it refers the invention to the associated system and to the use Such a system or such a method.
Erdböden werden zu verschiedenen Zwecken aufgeheizt. Insbesondere kontaminierte Standorte – wie z. B. Kohlenwasserstoff-verunreinigte Böden – werden mittels in-situ-Verfahren dekontaminiert. Dabei ist ein Auskoffern des Erdbodens zu teuer. Manchmal befindet sich die kontaminierte Stelle unter einem Bauwerk, das nicht abgerissen sondern voll funktionsfähig bleiben soll.soils are heated for various purposes. In particular, contaminated Locations - such as B. hydrocarbon contaminated soils - be decontaminated by in situ process. There is a Auskoffern of the soil too expensive. Sometimes there is the contaminated Place under a structure that is not demolished but fully functional should stay.
Meist ist es wünschenswert, den Erdboden von z. B. 5°C auf 30... 40°C oder mehr aufzuheizen. Dadurch wird der mikrobakterielle Zersatz der Zielstoffe angeregt, da die Mikrobakterien bei höheren Temperaturen bessere Bedingungen zur Aktivität vorfinden. Bei weiterer Erhöhung der Temperatur wird die Mobilität der Schadstoffe verbessert, was den Einsatz komplementärer Verfahren ermöglicht, beispielsweise Bodenluftabsaugung.Most of time it is desirable, the soil of z. B. 5 ° C to heat to 30 ... 40 ° C or more. This will be the microbial cerebral replacement of the targeted substances stimulated since the microbacteria find better conditions for activity at higher temperatures. As the temperature further increases, the mobility becomes the pollutants improved, making the use of complementary Procedure allows, for example, Bodenluftabsaugung.
Kommt man bei letzterem Verfahren zum Siedepunkt des Wassers, spricht man von einem „Stripping”-Prozess, bei dem durch Wasserverdampfung ein noch höherer Schadstoffaustrag erreicht werden kann. Durch die Verdampfung wird ein Volumenstrom angeregt, welcher auf der Volumenvergrößerung Wasser/Wasserdampf beruht.comes one speaks in the latter method to the boiling point of the water one from a "stripping" process in which Water evaporation can be achieved even higher pollutant discharge can. By evaporation, a volume flow is excited, which on the volume increase water / steam based.
Es kann Ziel der Dekontaminationsstrategie sein, alle Temperaturbereiche zeitlich gesehen gezielt anzufahren und zu hal ten. Damit können biologische, chemische und physikalische Effekte genutzt werden.It may be the target of the decontamination strategy, all temperature ranges to approach and to hold in a timely manner biological, chemical and physical effects are exploited.
Mit
dem sog.
Die thermischen Verfahren bedienen sich im Allgemeinen eines dielektrischen oder resistiven Aufheizprozesses. Neben diesen elektrischen Verfahren gibt es auch Möglichkeiten einer Bodenlüftung, wobei heiße Luft oder Dampf verwendet wird.The Thermal processes generally use a dielectric or resistive heating process. In addition to these electrical procedures there There are also possibilities of a floor ventilation, where hot Air or steam is used.
Das resistive Verfahren wird beim Stripping Prozess so angewendet, dass Elektroden in den Erdboden verbracht werden. Die Elektroden werden mit einer Spannungsquelle verbunden, so dass durch den Erdboden ein resistiver Widerstand gebildet wird. Nachteil der Methode ist, dass der Strom sich leitfähige Pfade sucht, in welchen die Stromdichte am höchsten wird und die folglich austrocknen mit Verminderung der elektrischen Leitfähigkeit. Weiterhin ist an den Elektroden mit resistiven Übergangswiderständen zu rechnen, wobei mit der Zeit u. U. ein Verkoken der Elektroden auftreten kann. Die Methode erfordert weiterhin eine hohe Anzahl an vertikalen Elektroden, was es unmöglich macht, z. B. unter Gebäuden ohne Zerstörung des Fundamentes zu heizen. Gewöhnlich nimmt man 50 Hz oder 60 Hz Wechsel- oder Drehstrom oder Gleichstrom.The resistive process is applied in the stripping process so that Electrodes are brought into the ground. The electrodes will be connected to a voltage source, allowing through the ground a resistive resistance is formed. Disadvantage of the method is that the current seeks conductive paths in which the current density becomes highest and consequently dry out with reduction of electrical conductivity. Furthermore is at the electrodes with resistive contact resistance to calculate, with the u. U. a coking of the electrodes can occur. The method still requires a high number on vertical electrodes, which makes it impossible, for. B. under buildings without destroying the foundation to heat. Usually one takes 50 Hz or 60 Hz alternating or three-phase or direct current.
Wie erwähnt können alternativ für obigen Zweck auch Heizpatronen eingesetzt werden, was in der lokalen Wärmeverteilung allerdings eher ungleichmäßig bezüglich des Volumens ist und sich daher nicht bewährt hat.As may alternatively be mentioned for the above purpose also cartridge heaters are used, resulting in local heat distribution but rather uneven regarding the volume is and therefore has not been proven.
Eine bessere Methode ist bekanntermaßen das dielektrische Heizen. Hierbei werden die Dipole vornehmlich des Wasserdipols in Schwingung versetzt in einem Frequenzbereich größer 300 MHz, wobei idealerweise bei 2,45 GHz – wie in der Mikrowellentechnologie angewendet – die Resonanzfrequenz des Wasserdipols auftritt. Die dadurch entstehende Wärme heizt das im Erdreich natürlich vorhandene Wasser auf und demzufolge durch weitergehende Wärmeleitung auch die übrigen Erdstoffe.A better method is known to be the dielectric heating. Here, the dipoles are mainly the water dipole in vibration offset in a frequency range greater than 300 MHz, ideally at 2.45 GHz - as in microwave technology applied - the resonance frequency of the water dipole occurs. The resulting heat heats up the soil naturally existing water and consequently by further heat conduction also the other earths.
Nachteil letzterer Methode ist, dass ebenfalls eine hohe Anzahl an Antennen notwendig ist, weil die Eindringtiefe des elektromagnetischen Feldes auf den Meterbereich begrenzt ist und über die Entfernung von der Antenne das Feld radial stark abfällt.disadvantage The latter method is that also a high number of antennas is necessary because the penetration depth of the electromagnetic field is limited to the meter range and over the distance from the antenna, the field radially drops sharply.
Alle bekannten Methoden haben den Nachteil, dass unerwünschte Temperaturgradienten entstehen und damit insgesamt die Aufheizung inhomogen abläuft.All known methods have the disadvantage that undesirable Temperature gradients arise and thus the total heating runs inhomogeneously.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren anzugeben und eine zugehörige Anlage zu schaffen. Dazu sollen geeignete Anwendungen vorgeschlagen werden.task The invention is therefore to provide a method and an associated Create facility. For this purpose, suitable applications are proposed become.
Die Aufgabe ist für ein Verfahren der eingangsgenannten Art erfindungsgemäß durch die Maßnahmen des Patentanspruches 1 gelöst. Eine zugehörige Anlage ist Gegenstand des Patentanspruches 11. Eine erfindungsgemäße Verwendung einer solchen Anlage unter Verwendung des angegebenen Verfahrens ist Inhalt des Patentanspruches 21. Vorteilhafte Weiterbildungen des Verfahrens, der zugehörigen Anlage und der diesbezüglichen Verwendung sind in den Unteransprüchen angegeben.The object is achieved according to the invention for a method of the type mentioned by the measures of claim 1. An associated system is the subject of claim 11. An inventive use of such a system using the specified method is the content of claim 21. Advantageous developments of the method, the associated system and the related Ver Application are specified in the subclaims.
Gegenstand
der vorliegenden Erfindung ist ein induktives Heizverfahren mit
einer Anlage, wie sie für die Anmelderin mit dem
Die vorliegende Erfindung nutzt aus, dass die dort im Einzelnen beschriebene induktive Methode zur Heizung von oberflächennahem Erdbereich angewendet wird. Dabei wird eine geeignete Frequenz im Bereich von 10 kHz bis 200 kHz verwendet, welche von einem Umrichter erzeugt wird. Der Umrichter speist einen Induktor, welcher der Länge nach in zwei im Wesentlichen parallelen Strängen in den Erdboden eingebracht wird. Hierzu wird durch ein Horizontalbohrverfahren (sog. „horizontal directional drilling”) ein Verlauf gebohrt, welcher für den Induktor eine Schleife vorgibt, welche mit ihren Enden an den Hochfrequenz-Leistungsgenerator bzw. -Umrichter angeschlossen wird. Dabei können bei der Horizontalbohrung geeignete Krümmungen für die Induktorleitungen vorgegeben werden.The The present invention makes use of that which is described there in detail Inductive method used for heating near-surface earth area becomes. In this case, a suitable frequency in the range of 10 kHz to 200 kHz, which is generated by a converter. Of the Inverter feeds an inductor which runs lengthwise in two substantially parallel strands in the ground is introduced. This is done by a horizontal drilling method (so-called "horizontal directional drilling") a course drilled, which sets a loop for the inductor, which with their ends to the high-frequency power generator or Inverter is connected. It can in the horizontal bore suitable curvatures for the inductor lines be specified.
Bei der Erfindung wird also der Erdboden entsprechend seiner Leitfähigkeit kontaktlos aufgeheizt. Durch das immer vorhandene Wechselfeld um den Induktor werden im Erdboden Wirbelströme induziert, welche die Erwärmung verursachen. Dieser Effekt hat eine Eindringtiefe von bis zu ca. 50 m und propagiert sich selber weiter, indem an nicht mehr leitfähigen Stellen keine Wirbelströme erzeugt werden. Um den Induktor ist zunächst die höchste Leistungsdichte, nach außen hin verringert sich die Leistungsdichte deswegen, weil das aufzuheizende Volumen, radial vom Induktor weg gesehen, größer wird.at The invention thus the soil according to its conductivity heated without contact. Due to the always existing alternating field around the Inductor induced eddy currents in the ground, which cause the warming. This effect has a penetration depth up to about 50 m and propagates itself further by no longer conductive points no eddy currents be generated. At first the inductor is the highest Power density, outwardly, the power density is reduced because of the volume to be heated, away from the inductor radially seen, gets bigger.
Bei der Erfindung wird davon ausgegangen, dass 1 kW bis zu 10 kW bis 20 kW je Meter Länge des Induktors in den Erdboden eingebracht wird. Es ist je nach Leitfähigkeit und Volumen eine Aufheizzeit von mehreren Monaten bis Jahren notwendig. Durch gezieltes Einbringen leitfähiger Lösungen (z. B. Kochsalz- oder Meersalzlösung) ist eine Anhebung des Effektes an bestimmten Stellen oder großvolumig möglich.at The invention assumes that 1 kW up to 10 kW 20 kW per meter length of the inductor introduced into the ground becomes. It is depending on conductivity and volume a heating time of several months to years necessary. Through targeted introduction conductive solutions (eg saline or sea salt solution) is an increase of the effect in certain places or large volume possible.
Im Rahmen der Erfindung wird die Eindringtiefe durch Frequenz und Bodenleitfähigkeit bestimmt, wodurch im beheizten Erd reich ein Erwärmungsprofil eingestellt werden kann. Je kleinräumiger bzw. konzentrierter die Erwärmung erfolgen soll, desto höher muss die Frequenz gewählt werden. Dies kann sinnvoll sein, um die unerwünschte Erwärmung von Stahlarmierungen und Rohrleitungssystemen des Bauwerks zu vermindern.in the Under the invention, the penetration depth by frequency and soil conductivity determines, whereby in the heated earth rich a heating profile can be adjusted. The more compact or concentrated the warming is to take place, the higher it must be the frequency can be chosen. This can be useful to the unwanted heating of steel reinforcements and piping systems of the structure.
Weiterhin
kann eine gezielte, kleinräumige Erwärmung erfolgen,
indem Hin- und Rückleiter der Induktorschleife in geringem
Abstand, beispielsweise von 2 bis 5 m, geführt werden,
was beispielhaft in der älteren, nicht vorveröffentlichten
Wird
eine Anlage benutzt, wie sie im Einzelnen in der älteren,
nicht vorveröffentlichten
Der erfindungsgemäße Effekt hat eine Eindringtiefe von bis zu ca. 50 m. Besonders vorteilhaft ist dabei, dass nunmehr auch unter Gebäuden oder anderen lokal schwierigen Stellen ein Aufheizen des Erdbodens erreicht werden kann, was mit den thermischen Methoden des Standes der Technik nicht zu ereichen ist.Of the effect according to the invention has a penetration depth from up to approx. 50 m. It is particularly advantageous that now even under buildings or other locally difficult places a heating of the soil can be achieved, what with the thermal Methods of the prior art is not achievable.
Die erfindungsgemäße Aufheizung erfolgt kontaktlos. Die benötigte Fläche ist äußerst gering. Das neue Verfahren kann auch mit anderen Verfahren der Dekontaminierung kombiniert werden.The Heating according to the invention is effected without contact. The required area is extreme low. The new method can also be used with other methods of decontamination be combined.
Mit der Erfindung ist also eine Technologie geschaffen, die besonders vorteilhaft im Rahmen eines effektiven Umweltschutzes einsetzbar ist. Anwendungsbeispiele für bebaute Gelände sind Tankstellen, für nicht bebaute Gelände die Sanierung von Truppenübungsplätzen oder anderer mit Öl oder dergleichen organischen Substanzen verunreinigter Betriebsgelände.With The invention thus provides a technology that is particularly can be used advantageously in the context of effective environmental protection is. Application examples of built-up terrain are Petrol stations, for non-built-up areas the renovation from military training areas or other with oil or the like organic substances of contaminated premises.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Figurenbeschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung in Verbindung mit den Patentansprüchen.Further Details and advantages of the invention will become apparent from the following Description of the figures of exemplary embodiments with reference to FIG Drawing in conjunction with the claims.
Es zeigen jeweils in schematischer DarstellungIt each show in a schematic representation
In den Figuren haben gleiche Teile bzw. Einheiten gleiche bzw. sich entsprechende Bezugszeichen. Es wird dazu auch auf die oben bereits zitierten älteren deutschen Patentanmeldungen der Anmelderin verwiesen, auf deren Offenbarung teilweise zurückgegriffen wird.In The figures have the same parts or units or the same corresponding reference numerals. It will do so on the top already cited earlier German patent applications of the applicant referenced, their disclosure partially used becomes.
Vorgenannte Figuren werden nachfolgend teilweise einzeln oder aber gruppenweise gemeinsam beschrieben.The aforementioned In the following, some figures become individual or groupwise described together.
Zur
Dekontamination des Erdreiches erfolgt nunmehr vorteilhafterweise
eine induktive Beheizung des Bodens über eine Induktoranordnung
Zur wirtschaftlichen Durchführung letzterer Horizontalbohr-Technologie muss beachtet werden, dass die Krümmungsradien der Bohrungen nicht zu klein werden. Derartige Vorgaben sind bei dem hier angegebenen Beispiel mit Bohrungen unterhalb der Bebauung zwingend zu berücksichtigen.to economic implementation of the latter horizontal drilling technology must be noted that the radii of curvature of the holes do not get too small. Such specifications are given here Example with holes underneath the building must be taken into account.
Wie
aber oben bereits erwähnt ist speziell in
Abweichend von letzterem Anwendungsfall kann es sich aber auch um unbebautes Gelände, beispielsweise einen aufgelassenen Truppenübungsplatz, handeln. Wie die Erfahrungen zeigen, wurden in der Vergangenheit gerade hier unter Außerachtlassen jeglichen Umweltschutzes organische Materialien entsorgt, d. h. im Erdboden vergraben oder bei entsprechender Viskosität einfach in das Erdreich abgelassen.deviant from the latter application, but it may also be undeveloped Terrain, for example, an abandoned military training area, act. As the experience shows have been in the past just here, ignoring any environmental protection disposed of organic materials, d. H. buried in the ground or with appropriate viscosity simply drained into the soil.
Weitere Anwendungsbeispiele sind Mülldeponien oder Industriebrachen, die in zunehmendem Maße nach ihrer bestimmungsgemäßen Nutzung einer umweltgerechten Verwendung, beispielsweise auch Wohnzwecken, zugeführt werden sollen, ohne dass das Erdreich komplett ausgetauscht werden muss. Gerade in solchen Fällen sind aber vorher sind gezielte Umweltschutzmaßnahmen durchzuführen, wie die in vorliegender Patentanmeldung im Einzelnen beschrieben sind.Further Application examples are landfills or industrial wastes, which increasingly according to their intended purpose Use of environmentally sound use, for example residential purposes, should be fed without the soil completely must be replaced. Especially in such cases but before that, targeted environmental protection measures, such as which are described in detail in the present patent application.
In
Als Induktorleitungen werden Multifilament-Leitungen verwendet, wie sie im Prinzip bereits in älteren Anmeldungen der Anmelderin vorbeschrieben sind. Dabei kann eine kapazitive Kompensation, bei der die Induktivität der Leitungen durch in Serie geschaltete Kapazitäten kompensiert, wird vorgenommen werden, wobei sich eine vorgegebene Resonanzlänge ergibt.When Inductor leads are used as multifilament leads in principle already in earlier applications of the Applicant are described above. In this case, a capacitive compensation, at the inductance of the lines connected in series Capacities compensated, will be made, with there is a given resonance length.
Eine
entsprechende Draufsicht einer solchen Induktoranordnung ergibt
sich aus
Bei
Schaltungsanordnungen zum Betrieb der Induktoren werden Schaltungsanordnungen
verwendet, wie sie bereits in anderem Zusammenhang vorbeschrieben
sind. Dies wird beispielhaft anhand der
In
In
Die
einzelnen Induktorleitungen
Mit
letzterer Anordnung ist es möglich, gesteuert jeweils einzelne
benachbarte Bereiche der Erdbodenstätte zu beheizen. Dies
kann insbesondere zeitlich nacheinander, d. h. sequentiell, erfolgen. Der
Umschalttaktgeber
Möglich
ist es aber auch, die Temperaturen lokal an beliebigen Stellen in
der Erdbodenstätte
In
Die Verbindung der Induktoren kann ober- oder unterirdische erfolgen. Mit einer solchen Anordnung ist es insbesondere möglich, vier Induktorpaare gleichzeitig mit unterschiedlichen Stromstärken bei unterschiedlichen Frequenzen zu bestromen.The Connection of the inductors can be made above or below ground. With such an arrangement it is possible in particular four inductor pairs at the same time with different currents to energize at different frequencies.
Eine
Anordnung gemäß
Anhand
der Beispiele wurde gezeigt, dass die Heizleistunasan teile in der
Erdbodenstätte
- a: Bei Bestromung beispielsweise der Induktoren
1 bis5 ergibt sich beispielsweise eine prozentuale Verlustverteilung von: OB 31,3%, Erdbodenstätte 45,5% und UB 23,2%. - b: Bei gleichzeitiger Bestromung aller Induktoren ergibt sich dagegen: OB 24,2%, Erdbodenstätte 62,8% und UB 13,0%.
- a: When energizing, for example, the inductors
1 to5 For example, there is a percentage loss distribution of: OB 31.3%, ground 45.5% and UB 23.2%. - b: When all inductors are energized at the same time, OB 24.2%, ground source 62.8% and UB 13.0%.
Letzteres bedeutet, dass der größte Teil der Heizleistung in der Erdbodenstätte dann deponiert wird, wenn eine gleichzeitige Bestromung der Induktoren erfolgt, und zwar mit einer Phasenverschiebung von φ = 180° zwischen benachbarten Induktoren. Daher kann eine Umschaltung zwischen den Bestromungsarten je nach dem zeitlichen Ablauf der Erwärmung der Erdbodenstätte vorteilhaft sein, insbesondere in Abhängigkeit von der gewünschten Heizleistungsverteilung der Generatoren bzw. der dabei eingesetzten Generatorenanzahl.The latter means that most of the heating power then deposited in the earthworks, if a simultaneous Current supply of the inductors takes place, with a phase shift of φ = 180 ° between adjacent inductors. Therefore, a switch between the types of lighting depending on the timing of the warming of Erdbodenstätte be advantageous, in particular depending on the desired heating power distribution of the generators or the number of generators used.
Insgesamt kann festgehalten werden, dass die zur Beheizung der Erdbodenstätte maßgeblichen elektrischen Parameter zeitlich und/oder örtlich variabel vorgegeben werden und von außerhalb der Erdbodenstätte zur Optimierung der Erwärmung verändert werden können. Bei der zugehörigen Vorrichtung ist wenigstens ein Generator vorhanden, vorzugsweise aber mehrere Generatoren, wobei dessen/deren elektrische Parameter wie Strom (I), Frequenz (fi) und/oder Phase (φ) variabel und ggf. betriebsmäßig veränderbar sind.Overall, it can be stated that the relevant for the heating of the ground floor electrical parameters are given temporally and / or locally variable and can be changed from outside the ground to optimize the heating. In the associated device, at least one generator is present, but preferably a plurality of generators, wherein its / their electrical parameters such as current (I), frequency (f i ) and / or phase (φ) are variable and optionally operationally variable.
Vorstehend wurde ein Verfahren zum Aufheizen von Erdböden mit Erdreich, das elektrisch beheizt wird, beschrieben, wobei ein induktives Heizverfahren angewandt wird, bei dem das Erdreich durch hochfrequente elektromagnetische Felder im Bereich zwi schen 10 und 200 kHz aufgeheizt wird.above was a method for heating soil with soil, which is electrically heated, described, wherein an inductive heating method is applied, in which the soil by high-frequency electromagnetic Fields in the range between 10 and 200 kHz is heated.
Bei einer zugehörigen Anlage zur Durchführung des Verfahrens hat einen Generator für Hochfrequenz vorgegebener Frequenz im kHz-Bereich, an den wenigstens ein Induktor mit einem Hinleiter und einem Rückleiter angeschlossen ist. Der Hochfrequenzgenerator ist entweder ein Reihenresonanzumrichter oder ein Parallelresonanzumrichter, und die Induktoren bestehen vorzugsweise aus Multifilament-Leitungen. Verwendung findet das Verfahren bzw. eine derartige Anlage im Rahmen eines aktiven Umweltschutzes zur Rekultivierung verseuchter Betriebsgelände.at an associated installation for carrying out the Method has a generator for high frequency predetermined Frequency in the kHz range, to the at least one inductor with a Hinleiter and a return conductor is connected. The high frequency generator is either a series resonant converter or a parallel resonant converter, and the inductors are preferably made of multifilament leads. Use finds the method or such a plant in the context active environmental protection for the reclamation of contaminated premises.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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- - Habilitationsschrift H. Roland, Th. Bergakademie Freiberg 2006 [0006] - Habilitation Thesis H. Roland, Th. Bergakademie Freiberg 2006 [0006]
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