DE19824930A1 - Verfahren zur in-situ-Erwärmung eines Stoffes sowie Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens - Google Patents
Verfahren zur in-situ-Erwärmung eines Stoffes sowie Vorrichtung zur Durchführung des VerfahrensInfo
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Abstract
Ein Verfahren zur in-situ-Erwärmung eines Stoffes, z. B. zur thermischen Sanierung eines kontaminierten Bodens, weist folgende Verfahrensschritte auf: Erwärmen des Stoffes mittels HF-Energie über in den Stoff eingebrachte Elektroden, wodurch flüchtige Verbindungen, insbesondere Wasser, mobilisiert werden, und Absaugen der mobilisierten Verbindungen. Dabei wird die HF-Energie mittels mindestens eines Axial-Dipols in das Material, insbesondere in den kontaminierten Boden eingebracht, welcher die Energie vornehnlich auf den im Stoff aufhaltenden Wasseranteil überträgt.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur in-situ-Erwärmung ei
nes Stoffes mit den Verfahrensschritten: Erwärmen des Stoffs
mittels HF-Energie über in den Stoff eingebrachte Elektroden,
wodurch flüchtige Verbindungen, insbesondere Wasser, mobili
siert werden, und Absaugen der mobilisierten Verbindungen so
wie eine Vorrichtung zur in-situ-Erwärmung eines Stoffes, mit
Elektroden, die in den Stoff einbringbar sind, um die flüchti
gen Verbindungen, insbesondere Wasser, zu mobilisieren, und
mit einer Absauganlage für die mobilisierten Verbindungen.
In vielen Bereichen der Industrie müssen Flüssigkeiten, Le
bensmittel, Metalle und Kunststoffe erwärmt oder getrocknet
werden, damit sie verarbeitet werden können. Die Übertragung
der Wärmeenergie erfolgt dabei über Konvektion, Wärmeleitung
oder Wärmestrahlung. Der Wärmeträger ist meistens Luft, die
mittels Gas oder elektrischem Strom erhitzt wird. Bei der Wär
mestrahlung wird infrarotes Licht eingesetzt das Wärme direkt
in dem zu erwärmenden Material entstehen läßt.
In der Kunststoff verarbeitenden Industrie werden Kunststoffe
meist selektiv zum Biegen, Verformen oder Schweißen erwärmt.
Bei vielen großtechnischen Anwendungen müssen große Mengen von
Stoffen zum Trocknen erwärmt werden. Hierbei werden die zu er
wärmenden Stoffe in Vorrichtungen wie Förderbändern, Drehtrom
meln, Wirbelschichttrockner, Rohrbündel-Drehtrockner mittels
einer Wärmequelle auf die benötigte Temperatur gebracht.
Weitere Trocknungsverfahren sind die Vakuumtrocknung und die
Gefriertrocknung.
Ein weiteres breites Anwendungsgebiet der Trocknungstechnik im
Bereich der Pharma,-Chemie- und Lebensmittelindustrie sowie
der Land- und Bauwirtschaft, ist die Lagerung von großen Men
gen chemischer Stoffe, Futtermittel, Getreide und Baustoffen.
Diese Stoffe kommen vorwiegend in granulierter oder pulvriger
Form vor. Durch die porösen Strukturen des Lagergutes entste
hen große Oberflächen mit sehr vielen winzigen Lufteinschlüs
sen. Aufgrund der Kapillarwirkung und der Oberflächenbindungs
kräfte sind die Stoffe fähig, Wasser an sich zu binden. Dieses
Verhalten wird noch verstärkt, wenn die Stoffe selbst hygro
skopische Eigenschaften besitzen, wie z. B. Salze. Da die Stof
fe meist sehr feuchteempfindlich sind, müssen sie getrocknet
oder trocken gehalten werden.
Dies wird in der Regel mit Einblasen von Heißluft erreicht.
Die Behandlung mit Heißluft ist z. B. bei der Getreidetrocknung
ungünstig, da das Korn von außen her zu stark austrocknet oder
der Trocknungsvorgang zu lang dauert.
Bei direkter Beheizung, z. B. über Heizstäbe, stellt sich das
Problem, daß die Stoffe meist schlechte Wärmeleiter sind. Eine
Trocknung ist somit schlecht, oder nur mit großem Zeitaufwand
möglich ist.
Ferner wird die Trennung von flüchtigen, mit Wasser nicht oder
nur schlecht mischbaren Verbindungen aus festen Stoffen (Fest-
Flüssig-Extraktion) vorwiegend in der Pharmaindustrie zum Her
auslösen bestimmter löslicher Substanzen aus festen Stoffen
angewendet.
In der Abfallwirtschaft wird dieses Verfahren zur Trennung von
Lösemitteln, Kraftstoffen und Ölen aus Abfallstoffen angewen
det. Hierdurch wird erst ein Recycling der einzelnen Stoffe
möglich.
Bei der Trägerdampfdestillation werden mit Wasserdampf flüch
tige Verbindungen aus festen Stoffen herausgetrennt.
Des weiteren stellen Verunreinigungen mit flüchtigen organi
schen Schadstoffen, wie z. B. chlorierten Kohlenwasserstoffen
(CKW) in ungesättigten Bodenzonen häufig eine Gefahr für das
Grundwasser dar. Um dieser Gefahr zu begegnen, müssen die
Schadstoffpotentiale reduziert oder vollständig beseitigt wer
den.
Dies kann im einfachsten Fall durch Ausbaggern des verunrei
nigten Erdreiches erfolgen, was als eine ex-situ-Sanierung be
zeichnet wird.
Wo dies aus technischen oder wirtschaftlichen Gründen nicht
möglich ist, kommen sogenannte in-situ-Sanierungsverfahren zum
Einsatz. Dabei bleibt das Erdreich an Ort und Stelle. Die Re
duzierung des Schadstoffpotentials wird durch die Mobilisie
rung des Schadstoffs aus dem Boden, z. B. durch Bodenluftabsau
gung oder Bodenwaschverfahren oder durch den Abbau der Schad
stoffe durch mikrobiologische Prozesse erreicht.
Das Verfahren der Bodenluftabsaugung wurde im Laufe seiner An
wendung z. B. durch Reduzierung des Strömungswiderstandes im
Boden mit zusätzlichen gezielten Frischlufteintrag mittels
Frischluftbrunnen sowie durch Erzeugung von laminaren Strömun
gen über eine Reduzierung der Unterdrücke und spezielle Brun
nen sowie Filterkonstruktionen optimiert.
Dennoch bleibt bei der in-Situ-Sanierung eine Reihe bisher
nicht gelöster Probleme bestehen. So ist z. B. der Einsatz von
Bodenluftabsaugungen auf nicht-bindige Böden beschränkt. Eben
so verbleibt meist eine hohe Restkontamination und die Sanie
rungsdauer erstreckt sich über viele Jahre, ohne daß eine Ab
schätzung der Sanierungsdauer und des erreichbaren Sanierungs
erfolges ausreichend zuverlässig möglich ist.
Bei allen bekannten in-situ-Bodensanierungsverfahren, mit Aus
nahme des mit Microorganismen arbeitenden Verfahrens, wird
versucht, die Schadstoffe in der Bodenmatrix durch geeignete
Maßnahmen zu mobilisieren und über ein Transportmedium aus dem
Boden zu entfernen. Dabei bedeutet der Begriff "mobilisieren",
diesen Verbindungen so viel Energie zuzuführen, daß sie sich
von der Bodenmatrix lösen und abgeleitet werden können.
Für eine effektive Erwärmung von festen Stoffen, z. B. zum
Zweck der Verformung, Trocknung oder Trennung von flüchtigen,
mit Wasser nicht oder nur schwer mischbaren, Verbindungen,
insbesondere für die Sanierung von kontaminierten Erdreich,
kann auch HF-Energie eingesetzt werden.
Bei allen zuvor beschriebenen Anwendungen werden nichtmetalli
sche, elektrisch sowie thermisch nicht oder schlecht leitende
Stoffe erwärmt. Hierbei liegt der zu erwärmende Stoff zwischen
Elektroden, an die eine hochfrequente Spannung angelegt wird.
Das dabei zwischen den Elektroden entstehende elektromagneti
sche Feld wirkt auf den Stoff und erwärmt ihn über zwei Effek
te:
- 1. Ein durch den Stoff mit dem Widerstand R fließender
HF-Wirkstrom I, leistet in der Zeit t in dem durchflossenem
Stoff die Arbeit:
Q = 12 × R × t
Zur Vergrößerung der Arbeit, d. h. auch der eingebrachten Wärmemenge, muß der Strom möglichst groß sein, was wie derum nur durch eine große HF-Spannung erreicht werden kann. - 2. Das elektrische Wechselfeld greift chemische Moleküle mit dielektrischen Eigenschaften in dem Stoff mit einem soge nannten Dipol-Moment derart an, daß sich die Moleküle parallel zu den Feldlinien auszurichten versuchen. In ei nem elektrischen Wechselfeld werden die Dipol-Moleküle entsprechend der Frequenz hin und her bewegt, im Ideal fall um 180° gedreht. Die mechanische Bewegung der Mole küle erzeugt Reibung und damit Wärme. Diese Verluste wer den auch als dielektrische Verluste bezeichnet.
Aus diesen physikalischen Wirkmechanismen resultiert als wich
tigstes verfahrenstechnisches Prinzip, daß der Stoff also
nicht von den eingebrachten Erregerelektroden erwärmt wird,
sondern die Wärme in dem gesamten von dem elektromagnetischen
Feld durchflossenen Raum entsteht.
Die Energiezufuhr in dem zu erwärmenden Stoff erfolgt somit
praktisch verlustfrei durch das elektromagnetische Feld. Sie
wird unmittelbar in den Molekülen der polaren Bestandteile des
Stoffes realisiert und ist daher nicht von der Wärmeleitfähig
keit des Stoffes abhängig.
Da das Wassermolekül klein ist und gute dielektrische Eigen
schaften besitzt, läßt sich Wasser sehr leicht durch ein Wech
selfeld beeinflussen. Das Verfahren der Erwärmung mit
HF-Energie eignet sich daher besonders gut bei Stoffen mit hohem
Wasseranteil.
Bekanntlich können mit HF-Energie feste oder flüssige Stoffe
direkt erwärmt werden. Hierbei wird ausgenutzt, daß die Stoffe
selbst polare Strukturen aufweisen und somit bei entsprechen
der Frequenz in ihnen dielektrische Verluste entstehen.
HF-Energie wird auch zum Erwärmen oder Schweißen von Kunst
stoffen eingesetzt, um diese verformen oder verbinden zu kön
nen.
In der Lebensmittelbranche wird HF-Energie zum Erwärmen bzw.
schonenden Auftauen von Lebensmitteln verwendet. Hierbei wer
den aber die Lebensmittel hauptsächlich über die in ihnen ent
haltenen Wasseranteile erwärmt.
Bei der Trocknung mit HF-Energie werden vorrangig die zusätz
lich im festen Stoff enthaltenen flüssigen Bestandteile er
wärmt und zum Verdampfen gebracht. Eine Absaugvorrichtung
saugt die Dämpfe gleichzeitig ab.
Die bekanntesten Verfahren, bei der mit Hilfe von HF-Energie
Materialien getrocknet werden, sind solche zur Holz- und Leim
trocknung. Speziell bei der Leimtrocknung soll nur der Leim
erwärmt und zum Abbinden gebracht werden, damit eine schnelle
Weiterverarbeitung der Teile möglich ist. Da das Holz trocken
und der Leim einen hohen Wasseranteil besitzt, entstehen vor
wiegend im Leim dielektrische Verluste.
Torf oder Erdboden werden im Durchlaufverfahren mit HF-Energie
sterilisiert und gleichzeitig getrocknet.
Bei der Trockenhaltung bzw. Trocknung von zu lagernden Stoffen
wurde HF-Energie in der Vergangenheit nicht eingesetzt, da das
Verfahren unter anderem teuer und unrentabel ist. Weiterhin
sind die Stoffe sehr oft in langen, schlanken, runden Behäl
tern (Silos) untergebracht. Hierdurch können plattenförmige
Elektroden für eine HF-Erwärmung schlecht eingesetzt werden,
da starke Feldstärkenunterschiede auftreten würden und somit
eine gleichmäßige Wärmeverteilung kaum möglich wäre.
Die Trennung von flüchtigen, mit Wasser nicht oder nur
schlecht mischbaren, Verbindungen aus festen Stoffen wird üb
licherweise vorwiegend in der Pharmaindustrie angewendet. Spe
ziell bei der Trägerdampfdestillation werden mit Wasserdampf
flüchtige Verbindungen aus festen Stoffen herausgetrennt.
Durch Einsatz von HF-Energie werden die im Stoff enthaltenen
Wasseranteile, sowie der Stoff selbst über die dielektrischen
Verluste erwärmt, wodurch die Wasseranteile zum Verdampfen ge
bracht werden. Es muß somit nicht Wasserdampf separat erzeugt
und dem Stoff zugeführt werden. Die gewünschten Substanzen
werden dann über die verdampften Wasseranteile abtranspor
tiert. Über eine Absaugvorrichtung werden die Dämpfe abgesaugt
und einer Aufbereitungsanlage zugeführt.
Werden die zu behandelnden Stoffe in einem druckfesten Behäl
ter eingebracht und mit HF-Energie beaufschlagt, so steigt der
Siedepunkt von Wasser (Microwellendruckaufschluß). Somit ist
es auch möglich, schwer flüchtige Substanzen mit Wasserdampf
auszutreiben.
In der Abfallwirtschaft wird dieses Verfahren zur Trennung von
Lösemitteln, Kraftstoffen und Ölen aus Abfallstoffen angewen
det. Hierdurch wird ein Recycling oder eine umweltgerechte
Entsorgung der einzelnen Stoffe erst möglich.
Im folgenden werden bekannte Verfahren zur Sanierung von
kontaminierten Erdreich mittels HF-Energie beschrieben.
Bei der Bodensanierung besteht eine enge Verbindung der flüch
tigen Verbindungen zum Wasser, da die flüchtigen Verbindungen
adsorbtiv an die feste Bodenmatrix gebunden sowie absorbtiv in
den Wasseranteilen gelöst sind. Daher sollte die Energieüber
tragung in das Dreiphasengemisch Stoff-Wasser-Luft vornehmlich
in den Wasseranteil erfolgen. Durch das Anlegen eines hochfre
quenten elektromagnetischen Feldes läßt sich auf sehr effekti
ve Weise Energie vornehmlich auf den Wasseranteil
(Bodenfeuchte) des Bodens übertragen. Dabei spielen folgende
Effekte eine maßgebende Rolle.
Der Boden ist für Gleichspannung und technische Wechselspan
nung ein guter Isolator. Mit steigender Frequenz nimmt der
Scheinwiderstand zunächst ab und erreicht im Frequenzbereich
von ca. 5 bis 30 MHz Werte, die für eine technische Anwendung
zur Erwärmung des Bodens mit Hilfe von Hochfrequenzströmen ge
eignet sind.
Die Energieübertragung findet dabei zu über 90% in das als
Bodenfeuchtigkeit vorhandene Wasser statt. Das dabei entste
hende Wasserdampf-Luftgemisch dient als Transportmittel für
die flüchtigen Verbindungen bzw. Schadstoffe. Über die Boden
luftabsaugung wird dann das Wasserdampf-Luft-Schadstoffgemisch
aus dem Boden ausgetragen und der Aufbereitungsanlage zuge
führt.
Ein derartiges in-situ-Verfahren sowie eine entsprechende Vor
richtung sind in DE-43 37 192 A1 beschrieben.
Nach der hierbei verwendeten Verfahrenstechnik werden stabför
mige Elektroden in einer bestimmten Formation in den Boden ge
trieben. Die Elektroden werden dann über ein Anpassungs-
Netzwerk von einem HF-Generator gespeist. Des weiteren werden
oberirdisch die schadstoffhaltigen Dämpfe abgesaugt und gefil
tert. Zur besseren Wirkung können auch noch Absaugbohrungen
zwischen den Elektroden eingebracht werden. Um zu verhindern,
daß Schadstoffe und große HF-Strahlung austreten, wird das zu
behandelnde Areal oberirdisch mit einem leitfähigem Schutzzelt
abgedichtet.
Obwohl diese Vorrichtung bzw. dieses Verfahren relativ kosten
günstig sind, da nur ein Generator und nur ein Anspassungs-
Netzwerk notwendig ist, ist deren Anwendung wegen folgender
Probleme nicht einfach:
Zudem daß der Generator auf genau festgelegten Frequenzen ar beiten muß, sind bei Arbeitsplätzen, an denen Menschen arbei ten, Grenzwerte für die Strahlungsstärke zu berücksichtigen.
Zudem daß der Generator auf genau festgelegten Frequenzen ar beiten muß, sind bei Arbeitsplätzen, an denen Menschen arbei ten, Grenzwerte für die Strahlungsstärke zu berücksichtigen.
Um zu verhindern, daß große HF-Strahlung austritt, muß evtl.
die Bearbeitungsstelle abgeschirmt werden.
Die Verkabelung des Elektrodensystems erzeugt eine hohe Funk
störausstrahlung, die nur mit hohem Aufwand an Schirmungsmaß
nahmen reduziert werden kann. Trotz des geschirmten Aufbaus
des Elektrodensystems, kommt es dennoch durch die oberirdische
Ausstrahlung zu Energieverlusten. Des weiteren werden alle Sy
steme, z. B. Sensoren, Meßgeräte, Steuerungen usw., die sich
innerhalb der Abschirmung befinden, der oberirdischen Abstrah
lung des Elektrodensystems ausgesetzt.
Da die belasteten Bodenschichten meist tiefer liegen, werden
die oben liegenden, unbelasteten Bodenvolumen unnötigerweise
mit erwärmt, was zu einem hohen Energieverbrauch führt. Liegen
die schadstoffhaltigen Bodenschichten in größeren Tiefen, so
sind die Energieverluste in den oberen Bodenschichten untrag
bar hoch.
Sollten die Elektroden in wasserführende Schichten gelangen,
so kommt es außerdem noch zu einem HF-mäßigen Kurzschluß der
Elektroden. Dies hat zur Folge, daß der HF-Generator stark be
lastet wird u. gleichzeitig die in den Boden eingebrachte
Energie zurückgeht.
Bei allen zuvor genannten Anwendungen von HF-Energie wird das
Prinzip des einfachen Plattenkondensators realisiert, bei wel
chem sich der Stoff als Dielektrikum zwischen den Erregerelek
troden befindet.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der im
Oberbegriff des Patentanspruchs 1 genannten Art anzugeben, das
mit technischen einfachen Mitteln stets eine gezielte, rasche
und zuverlässige In-situ-Erwärmung von Stoffen ermöglicht.
Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs genannten
Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die HF-Energie mittels
mindestens eines Axial-Dipols selektiv in den Stoff einge
bracht wird, welcher die HF-Energie vornehmlich auf den im
Stoff enthaltenen Wasseranteil überträgt.
Der Erfindung liegt des weiteren die Aufgabe zugrunde, eine
Vorrichtung der eingangs genannten Art anzugeben, die mit
technisch einfachen Mitteln stets eine gezielte, rasche und
zuverlässige in-situ-Erwärmung ermöglicht.
Diese Aufgabe wird bei einer Vorrichtung der eingangs genann
ten Art erfindungsgemäß durch mindestens ein Axial-Dipol zur
selektiven Einbringung von HF-Energie gelöst, welcher die
Energie vornehmlich auf den im Stoff enthaltenen Wasseranteil
überträgt.
Erfindungsgemäß werden Dipole verwandt, die eine axiale Zulei
tung haben und somit in Bohrlöcher mit beliebiger Lage einge
bracht werden können. Außerdem können mehrere Axial-Dipole mit
einem oder mehreren Generatoren mit unterschiedlicher Phasen
lage betrieben werden.
Von besonderer Bedeutung ist hier, daß bei diesem Verfahren
die Erwärmung eines definierten Teilvolumen an fast beliebiger
Stelle innerhalb des Gesamtvolumen eines Stoffes möglich wird.
Als Energiequelle kann ein leistungsstarker HF-Generator, der
bei freigegebenen Frequenzen von beispielsweise 13,56, 27,12
oder 40,68 MHz betrieben wird, verwandt werden.
Kommen andere Frequenzen zum Einsatz, so müssen die gesetzli
chen Grenzwerte für Funkstöraussendung eingehalten werden.
Erfindungsgemäß werden Axial-Dipole verwandt, deren Einspei
sung zwar in der elektrischen Mitte, die Einführung der Zulei
tung jedoch axial erfolgt. Hierdurch wird es möglich, die
Axial-Dipole in einfache Bohrlöcher und in große Tiefen zu
versenken. Die Bohrlöcher können in einem beliebigen Winkel,
vorzugsweise jedoch vertikal angeordnet sein.
Werden Stoffe behandelt, die in sich locker sind, können die
Bohrlöcher mit perforierten Rohren ausgekleidet werden, die
aus Materialien mit geringen dielektrischen Verlusten, wie
z. B. Polypropylen, bestehen.
Ein einzelner Axial-Dipol erzeugt ein bezüglich seiner Längs
achse konzentrisches Feld.
Bei Verwendung mehrerer Axial-Dipole und entsprechender Ver
schiebung der Phasenlage der einzelnen Dipolspannungen zuein
ander kann durch die dabei entstehende Überlagerung der Dipol-
Felder eine fast beliebige Feldgeometrie erzeugt werden. Von
besonderem Interesse ist hierbei die Erzeugung eines flächen
haft ausgebildeten Feldes. Dies kann durch einfaches Drehen
der Dipolspannungen, durch entsprechende Anpassung der Lei
tungslängen oder durch Einsatz mehrerer HF-Generatoren glei
cher Frequenz und unterschiedlicher Phasenlage erreicht wer
den. Mit vier Axial-Dipolen in viereckiger Anordnung entsteht
ein sogenannter Quadrupol, mit dem sich bereits große Volumen
erwärmen lassen. Am einfachsten läßt sich ein Quadrupol da
durch aufbauen, daß vier Axial-Dipole mit je 180° Phasendre
hung zueinander an einem Generator und einem Anpaßnetzwerk be
trieben werden. Ein zylinderförmiges Feld entsteht, wenn zwei
oder mehr Axial-Dipole hintereinander in ein Bohrloch versenkt
werden.
Um den Einfluß der variablen Impedanz des dielektrischen Mate
rials über den Axial-Dipol auf den Generator auszugleichen,
wird ein Anpassungs-Netzwerk zwischen Generator und Axial-
Dipol geschaltet. Eine Prozessüberwachung kann die Lastver
hältnisse an dem Axial-Dipol erfassen und das Netzwerk automa
tisch so nachregeln, daß der HF-Generator maximale Leistung
abgibt.
Zur erfindungsgemäßen technischen Realisierung können mit Hil
fe von Meßsonden die für den gesamten Prozeß maßgebenden Para
meter erfaßt werden. Hierzu werden jeweils Strom und Spannung
am HF-Generator, am Anpaßnetzwerk und an den Axial-Dipolen,
sowie Feuchte, Temperatur, statische Druckdifferenz und ggf.
Schadstoffkonzentration im zu behandelnden Material on-line
gemessen. Die Meßdaten werden mittels eines Computers, der
gleichzeitig die Prozeßüberwachung und -steuerung übernimmt,
verarbeitet. Über Datenfernübertragung können sämtliche Pro
zeßdaten abgefragt werden, so daß unter deren Berücksichtigung
ggf. der Prozeß beeinflußt werden kann.
Erfindungsgemäß sind folgende Anwendungen möglich.
Das erfindungsgemäße Verfahren bzw. die entsprechende Vorrich
tung dient vorzugsweise der in-situ-Erwärmung von festen Stof
fen, um diese besser, schneller oder überhaupt erst verarbei
ten zu können.
Ferner sind diese zum selektiven Erwärmen bei Biege- oder
Schweißvorgängen von Kunststoffen, Beschleunigen von Klebe-,
Aushärte- oder sonstigen Reaktionsprozessen innerhalb eines
Werkstückes geeignet.
Darüber hinaus dienen das erfindungsgemäße Verfahren bzw. die
entsprechende Vorrichtung der in-situ-Erwärmung von festen
Stoffen zum Zweck der Trocknung,
in-situ-Verfahren zur Trocknung von Silos und Siloinhalten,
In-situ-Erwärmung von Betonrohren o. ä. bei sehr tiefen Tempe
raturen oder zur Beschleunigung der Aushärtung, sowie der
in-Situ-Trocknung von Rohren.
Nach einem weiteren Vorschlag dienen das erfindungsgemäße in-
situ-Verfahren bzw. die entsprechende Vorrichtung der Trennung
von flüchtigen Stoffen aus festen Stoffen.
Nach einer wichtigen Anwendung dienen das erfindungsgemäße
Verfahren bzw. die entsprechende Vorrichtung der in-situ-Sanierung
von Erdböden, die mit halogenierten und aromatischen
Kohlenwasserstoffen, sowie niedrig siedenden aliphatischen
Kohlenwasserstoffen (Mineralöl) belasteten sind.
Bei diesem in-situ-Verfahren wird das Prinzip der dielektri
schen Erwärmung mittels Erzeugen hochfrequenter elektromagne
tischer Felder in dem zu behandelnden Material (hydrosko
pisches Material, Erdboden, Abfälle und Deponiergut) zur Mobi
lisierung der Feuchtigkeit und der eventuell damit verbundenen
Schadstoffe genutzt.
Bodenfeuchtigkeit und organische Kontaminationen werden dabei
in die Gasphase überführt. Dieser Vorgang wird auch als Trä
gerdampfdestillation bezeichnet. Die mit Wasserdampf und even
tuellen Schadstoffen befrachtete Luft wird hierbei über eine
Absaugvorrichtung aus dem zu behandelnden Material entfernt.
Für die in-situ-Bodensanierung werden mit der Bodenluft auch
die Schadstoffe mit abgesaugt und einer Aufbereitungsanlage
zugeführt. Dort können die Schadstoffe recycelt oder verbrannt
werden. Bei der Verbrennung kann die freiwerdende Energie der
Schadstoffe zusätzlich genutzt werden. Des weiteren kann die
Abwärme dem Boden wieder zurückgeführt werden.
Die Energieübertragung erfolgt mit sehr hoher Effektivität,
bei der über 90% der eingetragenen HF-Energie auf den im zu
behandelnden Material gespeicherten Wasseranteil übertragen
wird.
Dies liegt an dem oben bereits beschriebenen Dipol-Charakter
des Wassermoleküls, das eine Dielektrizitätskonstante ε = 81
aufweist.
In dem vom Hochfrequenzfeld durchdrungenen zu behandelnden Ma
terial erfolgt eine allmähliche Erwärmung auf Temperaturen von
70° bis maximal 160°C. Die Erwärmung über den Siedepunkt von
drucklosem Wasser hinaus wird dadurch erreicht, daß im Materi
al selbst dielektrische Verluste entstehen.
Erfindungsgemäß werden Axial-Dipole in einer speziellen, an
die Stoffstruktur angepaßten Anordnung in den zu behandelnden
Stoff eingebracht. Mit den Axial-Dipolen kann das elektroma
gnetische Feld in jeder dreidimensionalen Ausdehnung fast
vollkommen frei konfiguriert und damit den Besonderheiten des
Stoffes angepaßt werden.
Die Geometrie des zu erwärmenden Volumens kann durch verschie
dene Parameter wie Geometrie und Anzahl der Axial-Dipole, ra
dialer und axialer Abstand sowie Lagewinkel und Phasenwinkel
der Axial-Dipole zueinander sowie durch die Dipolspannung
festgelegt werden.
Hierdurch wird es möglich, mit ein und derselben Technik klei
ne wie große Stoffvolumen gezielt zu erwärmen.
Bei z. B. vertikaler Anordnung der Axial-Dipole können durch
gemeinsame vertikale Verschiebung der Axial-Dipole in dem Vo
lumen gezielt horizontale Wärmezonen erzeugt und in vertikaler
Richtung verschoben werden.
Die HF-Energie wird bis zum Anpassungs-Netzwerk über Koaxial-
Leitungen und vom Anpassungs-Netzwerk zum Axial-Dipol über
Koaxial- oder Parallel-Leitungen zugeführt. Weiterhin wird nur
auf bestimmten, zugelassenen Frequenzbändern gearbeitet. Es
tritt daher nur am Axial-Dipol eine starke Abstrahlung auf.
Eine oberirdische Abschirmung ist somit nicht, oder nur in
Ausnahmefällen, notwendig.
Zur erfindungsgemäßen technischen Realisierung einer in-situ-
Bodensanierung werden Axial-Dipole in einer speziellen, von
der Bodenstruktur abhängigen Anordnung in das verunreinigte
Bodenmaterial eingebracht. Mit den Axial-Dipolen kann das
elektromagnetische Feld in jeder dreidimensionalen Ausdehnung
vollkommen frei konfiguriert und damit den geologischen schad
stoffspezifischen Besonderheiten des Standortes angepaßt wer
den.
Die Erwärmung findet gezielt dort statt, wo sich die Feuchtig
keit bzw. die Schadstoffe befinden. Von besonderem Vorteil ist
hierbei, daß dies auch in großen Tiefen ohne große Probleme
möglich ist.
Über die Bohrlöcher kann gezielt den belasteten Bodenschichten
Luft zugeführt oder von diesen abgesaugt werden. Das Rohr des
Bohrlochs ist hierzu an geeigneter Stelle perforiert bzw. Ab
gedichtet. Ebenso können auch über Rohrleitungen, die parallel
zu den HF-Zuleitungen liegen, die gasförmigen Schadstoffe ab
gesaugt oder Luft zugeführt werden.
Die Axial-Dipole können ohne Gefahr eines Kurzschlusses bis in
wasserführende Schichten abgesenkt werden. Dies kann sogar ge
zielt ausgenutzt werden, um die Feldstärke zwischen den oberen
Hälften der Axial-Dipole zu verstärken.
Die Restbelastungen im Boden liegen weit unter den Belastungen
bisheriger in-situ-Sanierungsverfahren. Weiterhin wird im Ver
gleich zu den bekannten Verfahren weniger Energie verbraucht.
Ferner reduziert sich mit dem neuen in-situ-Verfahren die Sa
nierungsdauer von bisher mehreren Jahren auf wenige Wochen.
Außerdem steht mit dieser neuen Technik nunmehr ein in-situ-
Sanierungsverfahren zur Verfügung, mit dem Schadensfälle sa
niert werden können, die bisher überhaupt nicht oder nur mit
einem unverhältnismäßig hohen technischen und finanziellen
Aufwand sanierbar waren.
Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den je
weils abhängigen Unteransprüchen angegeben.
Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus
der folgenden Beschreibung mehrerer Ausführungsformen sowie
aus den Zeichnungen, auf die Bezug genommen wird. Es zeigen:
Fig. 1 einen prinzipiellen Aufbau eines symmetrischen
Axial-Dipols mit Mittel-Einspeisung;
Fig. 2 einen prinzipiellen Aufbau eines asymmetrischen
Axial-Dipols mit HF-Einspeisung an einem Ende;
Fig. 3 in schematischer Form ein HF-Anpassungs-Netzwerk mit
symmetrischem Parallelschwingkreis zur Anregung ei
nes Axial-Dipole;
Fig. 4 in schematischer Form ein HF-Anpassungs-Netzwerk mit
asymmetrischem Doppel-Glied zur Anregung einer
Axial-Dipoles;
Fig. 5 in schematischer Form die Einspeisung von vier
Axial-Dipolen aus einem gemeinsamen HF-Anpassungs-
Netzwerk;
Fig. 6 in schematischer Darstellung die Erzeugung eines
vertikalen Quadrupol-Feldes mit Hilfe von zwei ge
genphasig angeregten Axial-Dipolen;
Fig. 7 das in Fig. 6 gezeigte Quadrupol-Feld in Draufsicht;
Fig. 8 in schematischer Form die Erzeugung eines vertikalen
und horizontalen Quadrupol-Feldes mit Hilfe von vier
jeweils paarweise gegenphasig angeregten Axial-
Dipolen, und
Fig. 9 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur
in-situ-Sanierung kontaminierter Böden.
Obwohl im folgenden die Erfindung am Beispiel einer in-situ-
Bodensanierung beschrieben wird, ist sie darauf nicht be
schränkt.
Wie bereits eingangs angegeben, können das erfindungsgemäße
Verfahren und die Vorrichtung auch zum Erwärmen von festen
Stoffen, zum Trocknen von festen Stoffen sowie zum Trennen
flüchtiger Stoffe aus festen Stoffen angewandt werden.
In Fig. 1 ist schematisch ein symmetrischer Axial-Dipol 10 ge
zeigt, der aus einem oberen Elektroden-Zylinder 12 und einem
unteren Elektroden-Zylinder 14 besteht. Beide Elektroden-
Zylinder 12 und 14 sind über eine koaxiale HF-Zuleitung 16
miteinander verbunden. Oberhalb des oberen Elektroden-
Zylinders 12 schließen sich ein Sperrtopf 18 sowie ein
HF-Anpassungs-Netzwerk 20 zum Betreiben der Axial-Dipol-Elektrode
10 an.
In Fig. 2 ist ein asymmetrischer Axial-Dipol 22 dargestellt,
der ebenfalls aus einem oberen Elektroden-Zylinder 24 und ei
nem unteren Elektroden-Zylinder 26 besteht.
Oberhalb des oberen Elektroden-Zylinders 24 sind konzentrisch
zu einer Zuleitung 28 mehrere Umweg-Leitungen 30 angeordnet.
Auch hier schließt sich wieder zum Betreiben der Axial-Dipole-
Elektrode 22 ein HF-Anpassungs-Netzwerk 32 an.
Die in den Fig. 1 und 2 gezeigten Axial-Dipole 10, 22 unter
scheiden sich hauptsächlich in der Art der Anregung der beiden
Dipol-Hälften bzw. Elektroden-Zylinder 12, 14 bzw. 24, 26.
Bei dem in Fig. 1 gezeigten Axial-Dipol 10 wird die HF-Energie
in der geometrischen Mitte des in vertikaler Richtung symme
trisch aufgebauten Axial-Dipols 10, ähnlich wie z. B. bei einer
klassischen KW-Sende-Antenne, eingespeist.
Bei einer vorteilhaften Frequenz von 13,56 MHz beträgt die zu
gehörige Wellenlänge in Luft und Vakuum ca. 22 Meter, d. h. λ/4
beträgt ca. 5,5 Meter.
Bei entsprechender Länge stellt jede der beiden Dipol-Hälften
einen kapazitiv verkürzten λ/4-Strahler dar, dessen elektroma
gnetisches Nahfeld die Strahlungsleistung in das umgebende
Dielektrikum (Erdreich) abgibt.
Aus praktischen Gründen kann die koaxiale HF-Zuleitung 16 im
inneren der oberen λ/4-Dipol-Hälfte bzw. in dem oberen Elek
troden-Zylinder 12 geführt werden. Diese koaxiale Zuleitung 16
transformiert die Dipol-Fußpunkt-Impedanz ZF auf einen anderen
Wert ZF', der seinerseits über das HF-Anpassungs-Netzwerk 20
auf einen reellen Wert ZR transformiert wird, der in der Regel
etwa 50 Ohm beträgt.
Die HF-Leistung kann nun über eine Zuleitung mit dem reellen
Widerstand ZR von einem HF-Sender zu dem HF-Anpassungs-
Netzwerk 20 geleitet werden.
Bei dem in Fig. 2 dargestellten asymmetrischen Axial-Dipol 22
erfolgt eine asymmetrische HF-Einspeisung an einem Ende der
Axial-Dipols 22.
Die HF-Energie wird auf dem kürzesten Wege von dem oberen Ende
her den beiden verkürzten λ/4-Dipol-Hälften bzw. den oberen
und unteren Elektroden-Zylindern 24 und 26 zugeführt.
Die ungleichen Impedanzen der Zuleitungen 28 zu den beiden
Elektroden-Zylindern 24 und 26 müssen durch entsprechende Zu
satz-Impedanzen im HF-Anpassungs-Netzwerk 32 ausgeglichen wer
den, um dort wieder eine gegenphasige, einfach detektierbare
HF-Anregungsspannung verwenden zu können.
Im folgenden werden konstruktive Details der HF-Axial-Dipolen
anhand der Fig. 1 und 2 näher erläutert.
Sowohl der obere als auch der untere Elektroden-Zylinder 12,
14 bzw. 24, 26 können je nach gewünschter Länge der gesamten
Axial-Dipols im Vergleich zur verkürzten Wellenlänge des
λ/4-Strahlers, wahlweise am äußeren Ende des Zylindermantels oder
am hinteren Ende oder auch in jeder Zwischen-Position mit der
HF-Zuleitung 16 bzw. 28 verbunden werden.
Infolge der Skin-Effektes dringt HF-Strom bei den vorwiegend
benutzten Frequenzen nur einiger µm in die Konstruktionswerk
stoffe der Axial-Dipole 10 bzw. 22 ein, die vorzugsweise aus
Aluminium- und Kupfer-Legierungen bestehen.
Um dem HF-Strom eine möglichst homogene Verteilung auf der Au
ßenfläche der Elektroden-Zylinder 12, 14 bzw. 24, 26 zu ermög
lichen, können in den ringartigen Verbindungen zwischen den
Zuleitungs-Rohren und den Innenflächen der Zylinder-
Mantelöffnungen sogenannte "Löcher" vorgesehen werden.
Um den Weg des HF-Stromes von dem HF-Anpassungs-Netzwerk 32 zu
dem oberen Elektroden-Zylinder 24 an den Weg zu dem unteren
Elektroden-Zylinder 26 anzupassen, sollte der kürzere Weg über
die Außenfläche der Koaxialleitung 28 durch Aufsetzen einer
Umweg-Leitungen 30 verlängert werden. Diese Umweg-Leitung 30
kann aus mit dem Außenrohr verbundenen metallischen Ringen be
stehen (Fig. 2).
Bei relativ langen Zuleitungen 16 in der Größenordnung von λ/4
(verkürzt) kann der Einsatz eines aus der Nachrichtentechnik
bekannten Sperrtopfes 18 zur Unterdrückung von Mantelwellen
sinnvoll sein (Fig. 1).
Für die praktische Anwendung können die Axial-Dipole 10 bzw.
22 aus Baugruppen mit genormten Abmessungen zusammengesetzt
sein. Diese Baugruppen sind z. B. Zylinder-Elektroden verschie
dener Längen, Dipol-Einspeisungen, koaxiale Zuleitungen,
Sperrtopf, Winkel-Kupplung, koaxiale Oberflächen-Leitung usw.
Zur Kontaktierung der Baugruppen untereinander werden Kontakt-
Federringe aus Beryllium-Bronze verwendet. Isolations-
Zwischenringe sind, je nach der Temperatur und Isolationsspan
nung, aus PTFE (Teflon), PP (Polypropylen) oder PU
(Polyurethan) gefertigt.
Die koaxiale Seele der Zuleitung zu dem unteren Elektroden-
Zylinder 14 bzw. 26 kann als Zugstange ausgebildet sein und
die einzelnen, koaxialen Baugruppen zu einer starren Einheit
zusammenpressen.
Anhand der Fig. 3 und 4 sind die entsprechenden HF-Anpassungs-
Netzwerke 20 und 32 näher beschrieben.
Das HF-Anpassungs-Netzwerk, das auch als "Matchbox" bezeichnet
ist, stellt das Bindeglied zwischen der Energie-Quelle
(HF-Sender) und dem Verbraucher (Dielektrikum/ Erde) dar.
Im abgestimmten Zustand stellt es einen HF-Transformator dar,
der bei der jeweiligen HF-Leistung die Spannung am Ende der
HF-Transportleitung auf die Elektroden-Spannung transformiert.
Bei dieser Definition wird die Elektroden-Zuleitung als Teil
des HF-Anpassungs-Netzwerks betrachtet.
Für eine optimale Leistungs-Übertragung ist es vorteilhaft,
den Innenwiderstand des HF-Senders an den Außenwiderstand des
Dielektrikums anzupassen.
Wie aus den Figuren zu sehen, wird die von einem beispielswei
se handelsüblichen HF-Sender mit der Frequenz f (vorzugsweise
f = 13,56 MHz) über eine große HF-Leitung dem Wellenwiderstand
ZR (vorzugsweise ZR = 50 Ohm) angelieferte HF-Energie, vor
zugsweise induktiv, in das HF-Transformationsglied 38 einge
koppelt.
Das Transformationsglied 38 besteht im einfachsten Fall aus
einem Parallel-Schwingkreis, dessen Mitte entweder kapazitiv
oder induktiv auf Erdpotential liegt (s. Fig. 3 und 4).
Die beiden Enden des Schwingkreises führen in Bezug auf das
Erdpotential gegenphasige Spannungen. Die Enden der koaxialen
Anschluß-Leitung zu den Axial-Dipolen 10 und 22 werden über
reaktive Widerstände, die vorzugsweise aus variablen Vakuum-
Kondensatoren C und unter Umständen auch noch aus Festindukti
vitäten (Fig. 4) bestehen, derart mit dem Transformations-
Parallel-Kreis verbunden, daß zwischen den beiden Elektroden-
Zylindern 12 und 14 unter anderem eine möglichst hohe Diffe
renzspannung entsteht (s. dazu auch Fig. 3).
Wie in Fig. 4 gezeigt, können der Transformations-Parallel-
Schwingkreis und die Zuleitungs-Reaktanzen durch ein funkti
onsgleiches, asymmetrisches Doppel-Glied ersetzt werden.
Die für Antriebs-Motoren (nicht dargestellt), die die Axial-
Dipole 10, 22 beispielsweise vertikal in Bohrlöchern verfahren
können, und die Elektronik-Baugruppen notwendige Spannungsver
sorgung kann aus einem Akkumulator erfolgen, der aus einer von
der HF-Spannung abgezweigten, gleichgerichteten Hilfspannung
auch ständig nachgeladen wird. Diese Versorgungsart erspart
die Verlegung eines störanfälligen Kabels von der Anlagen-
Netzverteilung zu der Matchbox.
Im folgenden ist eine HF-Meßtechnik zur Gewinnung von Signalen
beschrieben, die die automatische Resonanz-Abstimmung des in
Fig. 4 gezeigten HF-Anpassungsnetzwerks 32 erlaubt.
Damit die HF-Leistung von dem HF-Sender über den Axial-Dipol
10 oder 22 in das Dielektrikum (Erde) abgegeben werden kann,
sollte die HF-Ausgangs-Impedanz des Senders mit dem Wellenwi
derstand der Verbindungsleitung und der Eingangs-Impedanz in
der Matchbox übereinstimmen.
Dabei ist es von Vorteil, einen sogenannten Phasen/Amplituden-
Detektor 40 in der Verbindungsleitung vorzusehen, der diese
Bedingungen in zwei Schritten überwacht.
Der erste Schritt erfolgt über den Phasen-Detektor. Wenn in
der Verbindungsleitung von dem HF-Sender zur Matchbox keine
Phasen-Verschiebung zwischen der HF-Spannung und dem HF-Strom
vorhanden ist, wird davon ausgegangen, daß alle Reaktanzen auf
der Lastseite von der Matchbox durch Variation von Induktivi
täten und Kapazitäten zu "Null" kompensiert worden sind.
Das Ausgangs-Signal des Phasen-Detektors wird Null, und es
werden keine weiteren Impedanz-Änderungen vorgenommen.
Der zweite Schritte erfolgt über den Amplituden-Detektor. Der
verbleibende transformierte, reelle Widerstand des Dielektri
kums sollte noch weiter transformiert werden, bis er den reel
len Wert des Leitungs-Wellenwiderstandes annimmt.
Die Kontrolle übernimmt der sogenannte Amplituden-Detektor.
Dabei werden gleichzeitig, unabhängig voneinander die
HF-Spannung und der HF-Strom gemessen, gleichgerichtet und der
Quotient Spannung/Strom gebildet.
Die Transformation sollte solange verändert werden, bis der
Quotient den Wert des reellen Leitungs-Wellenwiderstandes an
nimmt.
Die Abgleich-Vorgänge der beiden Detektoren 40 beeinflussen
sich gegenseitig, und es ist nicht zwingend notwendig, daß
sich beide Abgleich-Vorschriften mit nur zwei variablen Bau
teilen für alle Last-Verhältnisse verwirklichen lassen.
Es werden deshalb ein oder zwei zusätzliche variable Reaktan
zen eingesetzt, die von ein oder zwei weiteren Detektoren zwi
schen der Matchbox und dem Axial-Dipol kontrolliert werden.
Die Lage der zusätzlichen Detektoren direkt am Axial-Dipol 10
oder 22 ermöglicht es, als Randbedingung zur Lösung der Ab
stimm-Aufgabe die Forderung einzuführen, daß der Impedanz-
Abgleich auch ein Maximum der Feldstärke des Dipols erzielen
soll.
Ferner wird die Einspeisung von HF-Energie von der Matchbox in
den entsprechenden Axial-Dipol 10 oder 22 von zwei sogenannten
"UIP-Detektoren" 42 (s. Fig. 4) in den Verbindungsleitungen
von der Matchbox zum "äußeren" und "inneren" Elektroden-
Anschluß überwacht.
Der UIP-Detektor 42 mißt gleichzeitig die HF-Spannung (U), den
HF-Strom (I) und den Phasen-Winkel (P) zwischen der Spannung
und dem Strom jeweils nach Betrag und Vorzeichen.
Mit Kenntnis all dieser Größen kann eine Auswerteeinheit in
einem Computer neben der Optimierung der Feldstärke auch Ände
rungen im Dielektrikum, z. B. Temperaturen, Feuchtigkeit, er
fassen und das HF-Anpassungs-Netzwerk 32 entsprechend steuern.
Um gezielter Änderungen des Bodenzustands berücksichtigen zu
können, ist es von Vorteil, zur Erfassung von Zustands-
Parametern in der Umgebung der jeweiligen Axial-Dipole 10 bzw.
22 Sensoren in das Dielektrikum einzuführen, die den physika
lischen Zustand (z. B. Temperatur und Feuchtigkeit) an den oben
genannten Prozeß-Computer melden können. Diese Sensoren oder
Teile davon können außerdem zu Meß-Dipolen ergänzt werden, mit
denen das Strahlungsverhalten der Axial-Dipole 10 bzw. 22
überwacht werden kann.
Zur Erfassung der physikalischen Zustands-Parameter kann in
sinnvollen Zeit-Intervallen der HF-Sender kurzzeitig ausge
schaltet werden. Die Sensoren zeigen dann ihre eigentlichen
Parameter an. Die Energie-Versorgung der Sensoren und die
elektronische Signal-Aufbereitung erfolgt in einem
HF-abgeschirmten Nebenraum der Matchbox, von wo auch über Licht
wellenleiter die Matchbox-Daten zu dem Computer übertragen
werden.
In den Fig. 5 bis 8 sind Systeme von mehreren Axial-Dipolen
gezeigt.
Zur räumlichen Ausdehnung des zu den erwärmenden Volumens des
Dielektrikums (Erde) können mehrere Axial-Dipole in geeigneter
geometrischer Anordnung und passender Phasenlage der
HF-Einspeise-Spannung verwendet werden.
Relativ einfache Systeme bestehen dabei aus zwei bzw. vier
Axial-Dipolen.
In den Fig. 6 und 7 ist ein System mit zwei Axial-Dipolen 10
dargestellt.
Werden diese zwei Axial-Dipole 10 in einem Abstand d, der zwi
schen λ/4 < d < λ/2 liegt, vorzugsweise vertikal und parallel
zueinander in dem Dielektrikum angeordnet und gegenphasig an
geregt, so entsteht in der vertikalen Ebene zwischen den bei
den Elektroden 10 ein sogenanntes Quadrupol-Feld. Dieses wird
dadurch erzeugt, daß die jeweiligen oberen und unteren Elek
troden-Zylinder 12, 14 unterschiedliche Polungen aufweisen.
In den horizontalen Ebenen jeweils in der Mitte der Elektro
den-Zylinder 12, 14 ist ein klassisches Dipol-Feld vorhanden.
Es ist dabei selbstverständlich, daß der gezeigte theoretische
Feldlinien-Verlauf durch eine unregelmäßige Verteilung der re
lativen Dielektrizitätskonstanten gestört wird.
Der theoretische Feldfreiraum etwa im Zentrum zwischen den
vier Elektroden-Zylindern 12 und 14 muß unter Umständen zur
dielektrischen Erwärmung durch Veränderungen der Phasenlage
der HF-Anregungs-Spannung und/oder durch Variationen der
HF-Spannungen zwischen den Elektroden-Zylindern 12 und 14 zumin
dest teilweise mit Feldlinien durchsetzt werden.
Ein aus vier Axial-Dipolen bestehendes System ist in den Fig. 5
und 8 gezeigt.
Um auch in der Horizontalen zwei großvolumige Quadrupol-Felder
erzeugen zu können, müssen vier Axial-Dipole, die vorzugsweise
vertikal und parallel zueinander angeordnet sind, in das Die
lektrikum eingeführt werden.
Bei einer Anregung der Axial-Dipole 10, wie in Fig. 5 oder 8
dargestellt ist, wird als Feldgeometrie ein dreidimensionaler
Quadrupol erzeugt, dessen Feldlinienverlauf ebenfalls durch
ungleiche Verteilung der relativen Dielektrizitätskonstanten
im Volumen zwischen und im Umkreis um die Axial-Dipole 10 ge
stört sein kann.
Auch hier muß ggf. durch entsprechende Korrektur-Maßnahmen,
wie z. B. eine Lageänderung der Axial-Dipole 10, 22, das theo
retische Feld-Minimum im Zentrum des Quadrupols mit zusätzli
cher Energie versorgt werden, damit möglichst alle Bereiche
erwärmt werden.
Diese Korrektur wird in der Praxis in der Erde automatisch er
folgen. Dies liegt darin begründet, daß in der Nähe der vier
Axial-Dipole 10 zunächst wegen der höheren Feldstärke eine
stärkere Erwärmung und somit ein verstärktes Verdampfen von
Wasser stattfindet. Dadurch wird die mittlere Dielektrizitäts
konstante im Verhältnis zum Zentrum kleiner. Die Feldlinien
dichte steigt dann im Restvolumen automatisch an und erwärmt
auch diesen Bereich, bis sich wieder ein Gleichgewicht einge
stellt hat.
Die Art der HF-Einspeisung in die Axial-Dipole 10 richtet sich
nur nach den örtlichen Gegebenheiten, wie z. B. den Abständen
der Bohrlöcher, der Distanz zum HF-Sender und dem zur Verfü
gung stehenden Material.
Gemäß Fig. 5 kann diese HF-Einspeisung aus einer einzigen
Matchbox 20 mit identischen Zuleitungen zu den vier Axial-
Dipolen 10 unter Verwendung von nur einem HF-Sender erfolgen.
Es ist aber auch möglich, vier Einzel-Matchboxen gemäß Fig. 8
zu verwenden, die jeweils aus einem HF-Leistungsteiler in Ver
bindung mit ebenfalls nur einem HF-Sender gespeist werden.
Außerdem können vier Einzel-Matchboxen verwendet werden, die
aus ebenfalls vier synchronisierten HF-Sender-Endstufen mit
vier identischen Verbindungsleitungen gespeist werden.
In Fig. 9 ist schematisch eine Vorrichtung 50 zur in-situ-
Sanierung eines kontaminierten Bodens dargestellt. In diesem
Fall werden vier Axial-Dipole 10 mit jeweils zugeordneten
HF-Anpassungs-Netzwerken 20 verwandt.
Die entsprechende elektrische Energie wird von einem
HF-Generator 44 erzeugt und den HF-Anpassungs-Netzwerken 20 nach
Anpassung zugeführt.
Wie bereits oben beschrieben, wird durch die Erwärmung des Bo
dens der Schadstoffin dem Wasserdampf gelöst und kann zusam
men mit diesem ausgetragen werden.
Wie in der Fig. 9 deutlich zu sehen, sind die Axial-Dipole 10
in vorzugsweise ausgekleidete Bohrlöcher eingeführt, so daß
der mit Schadstoff angereicherte Wasserdampf in diesen Bohrlö
chern gesammelt und von diesen über eine Vakuumpumpe 46 abge
saugt werden kann.
Die Schadstoffbeseitigung erfolgt dann in einer katalytischen
Oxidationsanlage 48, wobei die Wärme des Wasserdampfs rückge
wonnen und dem Boden wieder zugeführt werden kann.
Obwohl in den Fig. 5 bis 9 jeweils nur symmetrische Axial-
Dipole 10 beschrieben wurden, ist es selbstverständlich, daß
auch die asymmetrischen Axial-Dipole 22 gemäß Fig. 2 verwandt
werden können.
Claims (20)
1. Verfahren zur in-situ-Erwärmung eines Stoffes mit den
Verfahrensschritten:
die HF-Energie mittels mindestens eines Axial-Dipols (10, 22) selektiv in den Stoff eingebracht wird, welcher die HF-Energie vornehmlich auf den im Stoff enthaltenen Wasseranteil überträgt.
- - Erwärmen des Stoffes mittels HF-Energie über in den Stoff eingebrachte Elektroden, wodurch flüchtige Verbindungen, insbesondere Wasser, mobilisiert wer den, und
- - Absaugen der mobilisierten Verbindungen,
die HF-Energie mittels mindestens eines Axial-Dipols (10, 22) selektiv in den Stoff eingebracht wird, welcher die HF-Energie vornehmlich auf den im Stoff enthaltenen Wasseranteil überträgt.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß
der Stoff auf eine für den jeweiligen Prozeß notwendige
Temperatur, von vorzugsweise 0°-200°C erwärmt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, daß
mehrere Dipol-Felder überlagert werden, um eine vorbe
stimmte Feldgeometrie zu erzeugen.
4. Verfahren nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet, daß
ein flächenhaft ausgebildetes Feld erzeugt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet, daß
ein Quadrupol-Feld erzeugt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet, daß
ein zylinderförmiges, längliches Feld erzeugt wird.
7. Verfahren nach den Ansprüchen 5 oder 6,
dadurch gekennzeichnet, daß
bei vertikal ausgerichteten Axial-Dipolen horizontale
Wärmezonen vorbestimmt in vertikaler Richtung verschoben
werden.
8. Verfahren nach mindestens einem der vorstehenden Ansprü
che 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß
feste Stoffe für eine Ver- bzw. Bearbeitbarkeit erwärmt,
feste Stoffe getrocknet oder flüchtige Stoffe aus festen
Stoffen getrennt werden.
9. Verfahren nach mindestens einem der vorstehenden Ansprü
che 1 bis 8,
dadurch gekennzeichnet, daß
daß kontamierte Böden thermisch saniert werden.
10. Verfahren nach mindestens einem der vorstehenden Ansprü
che 1 bis 9,
dadurch gekennzeichnet, daß
die für den Austragungsprozeß maßgeblichen Parameter,
z. B. Feuchte, Temperatur, statistische Druckdifferenz
und gegebenenfalls Schadstoffkonzentration on-line di
rekt vor Ort zur Überwachung, Protokollierung und Steue
rung des Austragungsprozesses gemessen werden.
11. Verfahren nach mindestens einem der vorstehenden Ansprü
che 1 bis 10,
dadurch gekennzeichnet, daß
die abgesaugten Verbindungen einer Aufbereitungsanlage,
vorzugsweise einer katalytischen Oxidationsanlage (48)
zugeführt werden.
12. Vorrichtung zur in-situ-Erwärmung eines Stoffes, mit
Elektroden, die in den Stoff einbringbar sind, um flüch
tige Verbindungen, insbesondere Wasser, zu mobilisieren,
und mit einer Absauganlage für die mobilisierten Verbin
dungen,
gekennzeichnet durch
mindestens einen Axial-Dipol (10; 22) zur selektiven Ein
bringung einer HF-Energie, welcher die Energie vornehm
lich auf den im Stoff enthaltenen Wasseranteil über
trägt.
13. Vorrichtung nach Anspruch 12,
dadurch gekennzeichnet, daß
der Axial-Dipol ein symmetrischer (10) oder ein asymme
trischer Axial-Dipol (22) ist.
14. Vorrichtung nach Anspruch 13,
dadurch gekennzeichnet, daß
der Axial-Dipol (10, 22) über ein zugeordnetes
HF-Anpassungsnetzwerk (20, 32) betreibbar ist.
15. Vorrichtung nach Anspruch 13 oder 14,
dadurch gekennzeichnet, daß
der symmetrische Axial-Dipol (10) mit Mittel-Einspeisung
und axialer Einführung der Zuleitung betreibbar ist.
16. Vorrichtung nach Anspruch 13 oder 14,
dadurch gekennzeichnet, daß
der asymmetrische Axial-Dipol (22) mittels
HF-Einspeisung an einem Ende und axialer Einführung der Zu
leitung betreibbar ist.
17. Vorrichtung nach mindestens einem der vorstehenden An
sprüche 12 bis 16,
dadurch gekennzeichnet, daß
mehrere Axial-Dipole (10, 22) zu einem Dipolsystem zusam
mengefaßt sind.
18. Verfahren nach mindestens einem der vorstehenden Ansprü
che 12 bis 17,
dadurch gekennzeichnet, daß
der bzw. die Axial-Dipole (22) auf ihrer Längsachse ver
schiebbar angeordnet sind.
19. Vorrichtung nach mindestens einem der vorstehenden An
sprüche 12 bis 18,
gekennzeichnet durch
Meßsonden zur Erfassung der für den Austragungsprozeß
maßgeblichen Parameter, z. B. Feuchte, Temperatur, stati
sche Druckdifferenz und gegebenenfalls Schadstoffkonzen
tration, zur Überwachung, Protokollierung und Steuerung
des Austragungsprozesses.
20. Vorrichtung nach mindestens einem der vorstehenden An
sprüche 12 bis 19,
gekennzeichnet durch
eine Aufbereitungsanlage, vorzugsweise eine katalytische
Oxidationsanlage (48) für abgesaugte Verbindungen.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19824930A DE19824930A1 (de) | 1998-06-04 | 1998-06-04 | Verfahren zur in-situ-Erwärmung eines Stoffes sowie Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19824930A DE19824930A1 (de) | 1998-06-04 | 1998-06-04 | Verfahren zur in-situ-Erwärmung eines Stoffes sowie Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens |
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Publication Number | Publication Date |
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DE19824930A1 true DE19824930A1 (de) | 1999-12-09 |
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ID=7869862
Family Applications (1)
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DE19824930A Withdrawn DE19824930A1 (de) | 1998-06-04 | 1998-06-04 | Verfahren zur in-situ-Erwärmung eines Stoffes sowie Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens |
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Country | Link |
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DE (1) | DE19824930A1 (de) |
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8130 | Withdrawal |