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Erwärmung von Halbleitern.
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Schon seit Jahrzehnten ist es bekannt, elektrische Leiter, alsD im
wesentlichen Metalle und Graphit durch elektrische Induktion zu erwärmen oder zu
erhitzen. Die elektrische Induktionserwärmung wird beim Schmelzen, Härten, Glühen
oder bei anderen Hochtemperatur-Prozessen angewandt.Die elektrische Induktionserwärmung
wird gelegentlich auch Wirbelstromerwärmung genannt, da das von den Induktionsspulen
erzeugte elektromagnetische Feld in dem metallischen Körper, der innerhalb der Induktionsspule
zur Erwärmung angeordnet wird, Wirbelströme verursacht. Diese im Metall fließenden
Wirbelströme führen dann zur Temperaturerhöhung des Metalls.
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Es ist allgemeine Oberzeugung, daß die elektrische Induktionserwärmung
nur auf Leiter in praktisch kontinuierlicher Form angewandt werden kann.
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Als Beleg für diese allgemeine Oberzeugung kann die US-PS 2 472 445
genannt werden. Gemäß dieser US-PS sollen rohölhaltige Erdschichten erwärmt werden.
Hierzu wird der Einsatz metallischer Bohrrohre oder Schachtgehäuse vorgeschlagen,
die durch elektrische Induktion erwärmt werden und dann ihre Wärme durch Wärmeleitung
an die umgebenden Erdschichten abgeben sollen. Dies ist jedoch extrem unwirtschaftlich
und unpraktisch, da die Warmeleitfähigkeit der Erdschichten relativ niedrig ist
und eine große
Anzahl leitfähiger Bohrrohre zur Erwärmung eines
nennenswerten Volumens notwendig wäre. Ersichtlich beruht der Vorschlag der US-PS
auf der Vorstellung, daß die Erdschichten, die im wesentlichen aus halbleitenden
Materialien oder Stoffen bestehen, häufig auch aus teilchenförmigem Material, nicht
unmittelbar durch elektrische Induktion wirtschaftlich erwärmt werden können.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Möglichkeit zur unmittelbaren
Erwärmung von Materialien anzugeben, die als Halbleiter und in Grenzfällen sogar
als Isolatoren klassifiziert werden.
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Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist dadurch gekennzeichnet,
daß man das Material mit mindestens einer elektrischen Induktionsspule im wesentlichen
umschließt und die Spule für eine bestimmte Zeitdauer mit Wechselstrom bestimmter
Spannung, Stromstärke und Frequent beaufschlagt.
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Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß die elektrische Induktionserwärmung
auch auf halbleitende Materialien und einige Materialien angewandt werden kann,
die möglicherweise als Isolatoren anzusehen sind, also auf solche Materialien, deren
elektrischer spezifischer Widerstand im Bereich von 10 1 Ohm cm bis 106 Ohm cm und
darüber liegt. Dies steht im Gegensatz zum spezifischen Widerstand von elektrischen
Leitern, also von Metallen, deren spezifischer Widerstand zwischen 10'6 und 2 x
10 5 Ohm cm liegt, und von Graphit mit einem spezifischen Widerstand von ungefähr
2 x 10 3 Ohm cm. Nach aller Kenntnis der Erfinder ist die elektrische Induktionserwärmung
zur unmittelbaren Erwärmung von Halbleitern oder auch teilchenförmigen Materialien
bisher nicht vorgeschlagen worden.
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Die erfindungsgemäße elektrische Induktionserwärmung solcher Materialien
oder Stoffe kann für eine große Vielfalt verschiedener Zwecke durchgeführt werden.
So können unterirdische Ul-Ablagerungen, die auf andere Weise
schwierig
auszubeuten sind, induktiv erwärmt werden, indem man die ölhaltige Bodenformation
mit elektrischen Induktionsspulen umgibt.
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Elektrische Induktionsspulen können auch zum Trocknen von Holz oder
anderer Zellulose, von Früchten, Gemüse u.s.w. eingesetzt werden.
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Auch neuentstandene Beton-Strukturen können zum Aushärten des Betons
bei kalter Witterung mittels Induktionsspulen erwärmt werden. Immer wenn Wasser
vorhanden ist, das von kompaktem oder teilchenförmigem, nichtleitendem Material
absorbiert oder eingeschlossen ist, wird durch die Gegenwart des Wassers gewöhnlich
die Leitfähigkeit des Materials auf einen Wert angehoben, bei welchem ein wirksamer
Energietransport aus dem angelegten elektromagnetischen Feld in die wasserhaltige
Masse stattfinden kann.
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Die angegebene Untergrenze für den spezifischen Widerstand der erfindungsgemäß
zu erwärmenden Materialien von 0,1 Ohm cm entspricht dem Bereich größter Leitfähigkeit
der gewöhnlich als Halbleiter klassifizierten Materialien. Natürlich wird bei Vorhandensein
von Wasser im Material dessen spezifischer Widerstand in Abhängigkeit vom Wassergehalt
beträchtlich schwanken. Dies trifft insbesondere dann zu, wenn das Wasser ein Teil
des Materials lösen kann und so als Elektrolyt wirkt.
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Für das erfindungsgemäße Verfahren kann jede übliche elektrische Induktionsspulen-Anordnung
verwendet werden. In der Literatur werden häufig Wendel spulen vorgeschlagen. Toroidspulen
und Quasi-Toroidspulen, letztere mit unterbrochenen Windungen, die parallel geschaltet
sein können, sind für besondere Anwendungen ebenfalls geeignet. Die Toroidspulen
können anstelle eines üblichen kreisförmigen Querschnitts rechteckigen Querschnitt
haben, um besondere räumliche Gegebenheiten berücksichtigen zu können.
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Um den Energieübergang in das zu erwärmende Material möglichst groß
zu machen, ist es zweckmäßig, die induktive Schaltung, jedenfalls bei Anwendung
sinusförmiger Ströme, mittels eines Abgleichkondensators abzugleichen
bzw.
zu kompensieren und außerdem das Verhältnis von Blindwiderstand zu Wirkwiderstand,
den Gütefaktor Q der Schaltung, in geeigneter Weise festzulegen. Für viele Anwendungen
ist eine Güte Q=1 geeignet. Für viele Anwendungen dürfte die übliche Netzfrequenz
von 60 Hz bzw. 50 Hz richtig sein. In anderen Fällen, insbesondere dann, wenn der
Wert des GUtefaktors Q der Erwärmungs-Schaltung bei Netzfrequenz deutlich größer
als 1 wäre, kann es zweckmäßig sein, die Frequenz des zugeführten Wechsel stromes
mittels eines Frequenzwandlers zu erhöhen.
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Einige halbleitende Materialien, insbesondere manche fossile Brennstoffe,
haben die Eigenschaft, daß ihr spezifischer Widerstand mit zunehmender Temperatur
sinkt. Zum Beispiel hat Kohle bei Raumtemperatur einen sehr hohen spezifischen Widerstand
von ungefähr 10101014 Ohm cm, jedoch bei 9000C einen deutlich niedrigeren spezifischen
Widerstand in der Größenordnung von 5 Ohm cm. Entsprechend wird gemäß einer wichtigen
Weiterbildung -der Erfindung vorgeschlagen, solche fossilen Brennstoffe oder andere
hierzu geeignete Materialien vor Beginn der obenbeschriebenen elektrischen Induktionserwärmung
vorzuwärmen, um die höhere elektrische Leitfähigkeit, die bei erhöhten Temperaturen
vorhanden ist, mit Vorteil ausnutzen zu können. Im Falle unterirdischer fossiler
Brennstoff-Ablagerungen kann die Vorwärmung bequem in der Weise geschehen, daß ein
Teil der Ablagerung verbrannt und dadurch benachbarte, unverbrannt zurückbleibende
Teile auf eine ausreichend hohe Temperatur gebracht werden mit der entsprechenden
Herabsetzung des spezifischen Widerstandes, bevor mit der elektrischen Induktionserwärmung
begonnen wird.
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In manchen Fällen kann hierzu die Einleitung oder Injizierung eines
Verbrennungsmittels, z.B. von Luft oder Sauerstoff, durch Bohrlöcher in die Ablagerung
zweckmäßig sein.
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Im folgenden ist die Erfindung mit weiteren vorteilhaften Einzelheiten
anhand schematisch dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert.
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In den Zeichnungen zeigen:
Figur 1 - ein Blockschaltbild
einer Schaltungsanordnung zur Durchführung der elektrischen Induktionserwärmung
nach der Erfindung, Figur 2 - eine isometrische Ansicht einer elektrischen Induktionsspule,
die um eine zu erwärmende Betonsäule gewickelt ist, Figur 3 - eine isometrische
Ansicht eines Gehsteiges aus Beton, auf dessen Oberfläche eine flache Induktionsspule
aufgebracht ist, Figur 4 - eine Seitenansicht einer länglichen, toroidalen Trockenkammer
für die Kammertrocknung von Nutzholz zusammen mit einem Blockschaltbild der Speiseschaltung
für die im Inneren angebrachte Induktionsspule, Figur 4a - einen Schnitt nach der
Linie 4a-4a in Figur 4, Figur 5 - einen Schnitt durch einige, teilweise freigelegte
Schichten der Erdrinde, von denen eine bituminöse Sandschicht durch Induktion erwärmt
wird, Figur 6 - eine isometrische Ansicht eines Teiles der Erdoberfläche mit einer
aufgebrachten flachen Induktionsspule, Figur 7 - eine Schemaansicht einer quasi-toroidalen
Spulenanordnung für die Induktionserwärmung, Figur 8 - eine Draufsicht auf einen
Teil der Erdoberfläche mit Bohrlöchern und Tunneln zur Verlegung von Teilstücken
einer quasitoroidalen Spulenanordnung für die Induktionserwärmung einer unterirdischen
Kohlenwasserstoff-Ablagerung,
Figur 9 - einen Querschnitt durch
die in der Erde angeordnete Spulenanordnung nach Figur 8, Figur 10 - einen Schnitt
durch eine von der Erdoberfläche aus niedergebrachte Gewinnungsbohrung mit einer
zugeordneten Induktionsspule zur Erzeugung von Wärme bei- der Gewinnung von Kohlenwasserstoffen
aus einer unterirdischen Ablagerung.
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Als erstes Beispiel der Erfindung wird das Aushärten von Beton beschrieben.
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Beton wird durch Mischen von Zement und einem Zuschlag aus harten,
inerten Teilchen unterschiedlicher Größe hergestellt. Bei dem Zuschlag handelt -es
sich z.B. um eine Kombination von Sand oder Steinsplit mit Kies, Bruchstein, leichten
Zuschlägen oder anderem Material.
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Frost verzögert das Abbinden und Härten von Portland-Zement-Beton
und führt sehr leicht zu einem dauerhaften Festigkeitsverlust. An freiliegenden
Flächen, z.B. bei Mauern und Gehsteigen, die bei Frostwetter hergestellt werden,
kann eine dünne Schale von der Oberfläche wegbrechen.
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In manchen Fällen wird Beton durch Frost sogar vollständig zerstört.
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Die Nachbehandlung zum Aushärten des Betons kann bei kalter Umgebung
durch elektrische Induktionserwärmung erleichtert werden. Mindestens die Oberfläche
des Betons wird mittels geeignet angeordneten Induktionsspulen auf eine gewünschte
Temperatur erwärmt Im Falle einer Betonsäule kann die Spule um die Säule gewickelt
werden. Im Falle einer flachen Beton-Fläche, z.B. einer Gebäudewand oder der Oberfläche
eines Gehsteiges, kann eine flache Spiralspule benutzt werden. Wenn die Spule mit
Wechselstrom beaufschlagt wird, entnehmen die leitenden und halbleitenden Materialien
im Beton Energie aus dem angelegten, von der Spule erzeugten elektromagnetischen
Feld. Dadurch wird der Teil des im Feld liegenden Betons erwärmt.
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Gemäß Fi-gur 1 ist eine Stromquelle 130 für Wechselstrom vorgesehen,
die z.B; ein normaler Netzauslaß oder ein Generator sein kann. Die Stromquelle speist
eine oder mehrere zur Erwärmung dienende Induktionsspulen 136. Es kann zweckmäßig
sein, die Frequenz der Stromquelle von gewöhnlich 60- oder 50 Hz in die zur Induktionserwärmung
optimale Frequenz umzuwandeln, di-e von der Größe, den elektrischen Eigenschaften
und den -Dim-ensionender zur zur erwärmenden Materialmasse abhängt. Zu diesem Zweck
ist ein Frequenzwandler 132 zwischen die Stromquelle 130 und die Induktionsspule
136 eingefugt. Darüberhinaus kann ei-n Transformator 134 vorgesehen sein, welcher
die-Quellenspannung auf die optimale Klemmenspannung fijr die Induktionsspule 136
umsetzt.
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Sowohl der Frequenzwandler 132 als auch der Transformator 134 und
gegebenenfalls sogar beide Geräte können fortgelassen werden,-wenn Frequenz oder
Spannung am Ausgang der Stromquelle 130 unmittelbar zur Speisung der Induktionsspule
136 richtig sind. Ein Abstimm-!bzw. Abgleichkondensator 135 ist auf Serienresonanz
mit der Induktionsspule 136 bei der ausgewählten Frequenz eingestellt. Dadurch wird
maximaler Energieübergang in den Beton ermöglicht.
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Gemäß Figur 2 ist eine Betonsäule 210 zum teil von einer Induktionsspule
212 umgeben, welche über Anschlüsse 214 an eine geeignete Wechselstromquelle angeschlossen
werden-kann. Bei der Aufschlagung der Spule 212 mit Wechselstrom wird das gesamte
Betonvolumen, das von der Spule zwischen der obersten Spulenwindung 216 und der
untersten Spulenwindung 218 umschlossen ist, durch Wirbelströme erwärmt. Die leitenden
und halbleitenden Materialien im Beton absorbieren Energie aus dem ele-ktromagnetischen
Feld innerhalb der Induktionsspule 212. Nichtleitende-Anteile des Betons von hohem-spezifischen
Widerstand absorbieren wenig oder gar keine Energie; außerdem sind auch eventuelle
Holz-oder Kartonschalungen, die den frischen Beton umgeben, in hohem Maße nichtleitend
und absorbieren deshalb praktisch keine Energie. Entsprechend läßt sich die Wärme
wirksam der Betonsäule in Fällen zuführen, in denen dies notwendig ist, z.B. unter
winterlichen Bedingungen in den
nördlichen Breiten Nordamerikas.
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Wenn sich der nachzubehandelnde Beton nicht mit einer Spule umhüllen
läßt, sondern stattdessen eine ausgedehnte Fläche aufweist, die zu erwärmen ist,
kann eine Spiralspule verwendet werden, deren Windungen in einer Ebene liegen5 wie
es z.B. anhand Figur 3 für das Beispiel eines Gehsteiges gezeigt ist. Die Oberfläche
322 eines Abschnittes eines Gehsteiges 320 ist mit einer Induktionsspule 324 in
Form einer Rechteck-Spirale versehen, deren Windungen in einer Ebene liegen und
daher in Berührung mit der Oberfläche 322 angeordnet werden können. Die Enden der
spiraligen Induktionsspule 324 sind mit Anschlußdrähten 326 zum Anschluß an eine
Wechselstromquelle versehen. Bei Beaufschlagung der Induktionsspule 324 mit Wechselstrom
wird neben ihren Windungen ein elektromagnetisches Feld erzeugt, das mindestens
in die oberen Teile der Gehsteig-Oberfläche eindingt, an welcher die Induktionsspule
324 angebracht ist. Die leitenden und halbleitenden Materialien im Beton absorbieren
wie beim vorhergehenden Fall Energie aus dem elektromagnetischen Feld, so daß die
Beton-Fläche erwärmt wird. Wenn leitfähiges Material, z.B. zur Verstärkung dienende
Stahlstäbe, im Inneren der Betonmasse angeordnet sind, kann Sorgfalt notwendig sein,
um eine Oberhitzung zu vermeiden.
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Als zweites Beispiel der Erfindung wird das Trocknen von Holz und
dergleichen beschrieben.
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Das Trocknen von zellulosehaltigem Material, z.B. Holz, kann durch
elektrische Induktionserwärmung des Materials erleichtert werden.
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Zweckmäßigerweise wird das Material in einen von elektrischen Induktionsspulen
umhüllten Raum eingeführt und den Spulen Wechselstrom zugeführt, so daß ein elektromagnetisches
Feld im umhüllten Raum entsteht und dadurch im zellulosehaltigen Material durch
die in diesem Material fließenden Wirbelströme Wärme freigesetzt wird.
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Wasser, das zusammen mit verschiedenen gelösten Substanzen im Holz
eingeschlossen
ist, gibt dem Holz gewöhnlich eine so ausreichend hohe elektrische Leitfähigkeit,
daß die Induktionserwärmung des Holzes bewirkt werden kann. Sollte jedoch das zu
behandelnde Materiat einen unbefriedigend hohen spezifischen Widerstand haben, kann
ein fludförmiges oder teilchenförmiges, leitendes oder halbleitendes Material als
Oberzug oder Imprägnierung zugesetzt werden, um den Energieübergang aus dem angelegten
elektromagnetischen Feld in das behandelte Material zu erleichtern.
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Holz kann durch Erwärmung bequem innerhalb einer trockenraumartigen
Kammer getrocknet werden5 an deren Wänden'die Windungen elektrischer Induktionsspulen
angeordnet sind. Unter der Annahme, daß der leitende oder halbleitende Gehalt des
behandelten Materials ausreichend hoch ist, kann die Temperatur des Materials schnell
den Verdampfungspunkt der eingeschlossenen Flüssigkeit erreichen. Die-Spule bzw.
Spulen werden mit Wechselstrom beaufschlagt, bis die gewünschte Flüssigkeismenge
verdampft ist. Zweckmäßigerweise ist eine Zwangsentiüftung zum Abzug des Dampfes
aus der Kammer vorgesehen. Die Zwangsentiüftung kann gewünschtenfalls so stark ausgelegt
werden, daß in der Kammer ein Teilvakuum entsteht. Nach Verdampfung genügender Flüssigkeit
kann die Zwangsentlüftung verschlossen und ein Imprägniermittel in die Kammer eingeleitet
werden, bei dem es sich um ein Konditioniermittel, z.B. ein Fungizid, ein Festigungsmittel
oder ein Konservierungsmittel handelt. Wegen des günstigen Druckunterschiedes wird
das Imprägniermittel relativ leicht in die Oberfläche des behandelten Materials
eindringen.
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Je nach Spulenanordnung oder -konfiguration, Abmessungen des Materials,
Abmessungen der Kammer und Art des in die Trockenkammer eingeführten Materials kann
die Charge in der Kammer gedreht, geschüttelt oder anders bewegt werden, um eine
relativ gleichmäßige Trocknung der Charge durch das angelegte elektromagnetische
Feld sicherzustellen.
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Die zur Trocknung des Holzes verwendete Induktionsspule 434 ist vorzugsweise
in Form eines länglichen Toroids an den Innenwänden einer Trockenkammer 440 ausgebildet.
Die Trockenkammer 440 ist mit halbkugelförmigen Endklappen 442 und 444 versehen,
welche das Einführen einer Ladung Nutzholz in die Trockenkammer und das Abziehen
aus der Trockenkammer ermöglichen. Die Endklappen 442, 444 sind um Angeln 446 und
448 schwenkbar. Die Wände der Trockenkammer 440 einschließlich der Endklappen können
zur Verstärkung und Isolation mehrschichtig ausgebildet sein; in jedem Falle sollten
jedoch alle Wandteile, die innerhalb der Induktionsspule liegen1 aus einem keramischen,
nichtleitenden Material hergestellt sein. Die Induktionsspule 434 hat die Form einer
länglichen, toroidalen Anordnung aus Streifenleitern 450 und 452, von denen die
Streifenleiter 450 an den Endklappen und die Streifenleiter 452 an der zylindrischen
Trockenkammerwand vorgesehen sind. Die Streifenleiter laufen an der eine Endklappe
444 zu einem Leiterring 466 zusammen und treffen sich an der anderen Endklappe 442
in einem Verbindungspunkt 468, der über lösbare, längliche Leiterstücke 470., 472
und 474 mit einem Anschluß 464 an der Endklappe 444 verbunden ist. Der Anschluß
464 und seine Verbindung zu einem Transformator 430 sind nur schematisch dargestellt.
Natürlich müssen dieser Anschluß und die Verbindungsleitung und außerdem auch ein
Anschluß 462, der in Verbindung mit dem Leiterring 466 steht, in der erforderlichen
Weise beweglich ausgebildet sein, um das Uffnen und Schließen der Endklappe 444
zu ermöglichen.
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Das Innere der Trockenkammer 440 steht über ein Abzugsrohr 454 mit
einer Pumpe bzw. einem Gebläse 456 zur Entlüftung und Dampfentfernung aus dem Inneren
in Verbindung. Hiermit wird nicht nur aus dem erwärmten Holz in Dampfform freigesetzte
Feuchtigkeit entfernt, sondern auch ein Teilvakuum erzeugt, welches das Austreten
der Feuchtigkeit aus dem Holz in der Trockenkammer 440 begünstigt. Weiterhin ist
ein Einlaßrohr 458 vorgesehen, durch welches Holz-Konservierungsmittel oder andere
Behandlungsmittel für das Holz während eines geeigneten Zeitpunkts der Erwärmung
eingeführt werden können.
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Die Induktionsspule 434 wird aus einer Stromquelle 426 gespeist, an
welche die Induktionsspule über einen Frequenzwandler 428 und den Transformator
430 angeschlossen ist. Ein Abgleichkondensator 432 liegt in Serie zwischen der Sekundärwicklung
des Transformators 430 und der Induktionsspule 434. Wie es unter Bezugnahme auf
Figur 1 erläutert worden ist, können die Bauteile 428 und 430 auch fortgelassen
werden, wenn die Stromquelle 426 die richtige Frequenz und Spannung liefert. Für
viele Anendungsfälle dürfte die übliche Netzfrequenz von 60 Hz (in -Nordamerika)
bzw. 50 Hz (in Europa) ohne weiteres richtig sein. Der Abgleichkondensator 432 jedoch
ist zweckmäßig, um die gesamte Schaltung in Resonanz zu halten, damit eine optimale
Energieübertragung in die Charge bzw. die Ladung Nutzholz, die sich in der Trockenkammer
befindet, stattfindet.
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Da das zu trocknende Holz beträchtliche Mengen Wasser enthält!, ist
seine Leitfähigkeit im Normalfall so ausreichend hoch, daß eine beträchtliche Energiemenge
aus dem elektromagnetischen Feld, das von der Spule 434 induziert wird, in das feuchte
Holz übergeht. Sollte sich jedoch im Einzelfall herausstellen, daß die Leitfähigkeit
der Charge in der Trockenkammer 440 unzureichend niedrig ist, kann die Charge mit
einer geeigneten -flud- oder teilchenförmigen Substanz, die leitendes oder halbleitendes
Material-enthält, besprüht, imprägniert, überzogen oder sonstwie behandelt werden.
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Die Trockenkammer 440 ist vorzugsweise luftdicht ausgebildet, abgesehen
von dem Abzugsrohr für Dampf und Gas, an welches das Saug-Gebläse 456 angeschlossen
ist. Das Gebläse ist so ausreichend stark ausgelegt, daß es ein Teilvakuum innerhalb
der Trockenkammer erzeugt. Hierdurch wird ein wirtschaftlicher Energieeinsatz ermöglicht
und außerdem das Eindringen von Konservierungsmitteln oder anderen -Behandlungsmitteln
in das Holz erleichtert.-Der elektrische Widerstand von Holz hängt hauptsächlich
vom Feuchtigkeitsgehalt und erst in zweiter Linie von der Dichte, der Faserrichtung,-der
Temperatur,
Mineralstoffen und Extraktionsmitteln ab. Der spezifische elektrische Widerstand
von ofentrockenem Holz liegt zwischen 3 x 1017 bis 3 x 1018 Ohm cm und beträgt bei
16% Feuchtigkeitsgehalt im Durchschnitt ungefähr 108 Ohm cm. Im allgemeinen nimmt
der Logarithmus der Leitfähigkeit, also des Kehrwertes des spezifischen Widerstandes,
linear mit dem Feuchtigkeitsgehalt des Holzes bis zum Sättigungspunkt der Faser
zu. An diesem Punkt nähert sich der spezifische Widerstand demjenigen von Wasser
(105106 Ohm cm) und nimmt bis zum maximalen Wassergehalt nur noch leicht zu.
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Es ist daher möglich, aus einem intensiven magnetischen Wechselfeld
Energie in feuchtes Holz zu übertragen. Wenn das Holz durch und durch, also in seinem
gesamten Volumen auf eine Temperatur knapp oberhalb des Siedepunktes von Wasser
erwärmt wird, trocknet es relativ schnell aus.
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Mit fortschreitender Trocknung nimmt das Maß der Energieübertlragung
aus dem angelegten Feld in das Holz ab bis auf einen niedrigen Wert zu dem Zeitpunkt,
an welchem das Holz ofentrocken ist. Daher besteht fUr das trockne oder nahezu trockne
Holz wegen der dann geringen Energieübertragung keine Gefahr, daß das Holz auf eine
seine Festigkeit beeinträchtigende Temperatur erhitzt wird. Außerdem wird keine
Zeit für eine langsame Energieübertragung durch Wärmeleitung von der Außenseite
der Ladung Holz in das Innere bis zum Kern der Charge verschwendet. Schließlich
kann auch keine zerstörende Hydrolyse des Holzes stattfinden.
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Als drittes Beispiel wird das Auftauen von Boden beschrieben.
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Manchmal ist es notwendig, gefrorenen Boden aufzugraben, oder in anderer
Weise zu bearbeiten, zu zerkleinern oder zu handhaben. Boden-Material ist teilchenförmig
und porös, wobei normalerweise Wasser eingeschlossen ist, und friert deshalb unter
entsprechenden klimatischen oder Wetter-Bedingungen. Der Boden läßt sich leichter
ausgraben, bearbeiten, zerkleinern u.s.w., wenn er zuerst getaut wird. Jedoch steht
sehr häufig kein geeignetes Mittel zum Auftauen des Bodens zur Verfügung.
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Das Auftauen teilchenförmigen Materials wie z.B. Boden, gewöhnlich
in kalter Umgebung, kann durch elektrische Induktionserwärmung bewirkt werden. Unter
Boden sollen auch teilchenförmige Materialien wie Sand, Kies, Ton u.s.w. verstanden
werden. Mindestens die Oberfläche des Bodens wird mittels geeignet angeordneter
Induktionsspulen auf eine gewünschte Temperatur erwärmt bzw. erhitzt. Falls es sich
um ein beträchtliches Volumen an Boden handelt, können Löcher in den Boden gebohrt
und in den Löchern Leiter angeordnet werden, die das Volumen im wesentlichen umhüllen
bzw. einschließen. Im Falle einer relativ flachen Fläche, z.B. eines Teils der Erdoberfläche,
in welchem ein Graben ausgehoben werden soll, kann eine flache Spiralspule benutzt
werden. Bei Beaufschlagung der Induktionsspule mit Wechselstrom entnehmen die leitenden
und halbleitenden Materialien im Boden Energie aus dem angelegten, durch die Spule
erzeugten elektromagnetischen Feld. Dadurch wird der im Feld liegende Teil der Bodens
erwärmt.
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Gemäß Figur 5 ist eine Induktionsspule 521 in Form einer rechteck-zylindrischen
Wendel mit horizontaler Achse vorgesehen, welche-in einer gefrorenen Masse 523 bituminösen
Sandes z.B. zur Erleichterung der Ausgrabung angeordnet ist. Eine solche Spule kann
in Löchern installiert werden, die durch Richtungsbohren erzeugt wurden. Sie wird
zur Erhöhung der Temperatur des Sandes durch Beaufschlagung mit geeignetem Wechselstrom
z.B. aus einer Schaltungsanordnung gemäß Figur 1 über Anschlüsse 522 verwendet.
Die Stromstärke des Spulenstromes'wird so hoch gewählt, daß rapide Wärmeverluste
an der freiliegenden Fläche aufgrund der sehr niedrigen Umgebungstemperaturen ausgeglichen
werden. Da die unterirdischen Temperaturen in den Zonen, in denen bituminöse Sande
auftreten, in der Regel nur 2-3 Grd. über dem Gefrierpunkt liegen, kann die Induktionserwärmung
der Ablagerungen vor dem Ausgraben die mit dem Abbau der Sande verbundenen Schwierigkeiten
bedeutend herabsetzen. Beim Beispiel der Figur 5 liegt der bituminöse Sand 523 unter
der Erdoberfläche 524 zwischen einem teilweise bereits abgeräumten Detkgebirge 525
und einer unteren Felsschicht 526
Die in Figur 6 gezeigte Induktionsspule
631 hat die Form einer flachen Spirale in den Proportionen, die entsprechend dem
aufzutauenden Gebiet des Bodens benötigt werden. Hierbei kann es sich z.B. um einen
Abschnitt eines Grabens handeln, der zum Verlegen oder Reparieren von elektrischen
Kabeln, Wasserrohren, Abwasserkanälen oder Ul-Leitungen - um nur einige typische
Beispiele zu nennen - ausgehoben werden soll. Es kann sich auch um ein Grab oder
um eine Grube für Betonfundamente handeln. Beim Anlegen eines geeigneten Wechselstromes
an die Anschlüsse 632 der flachen spiraligen Induktionsspule 631 erzeugt diese ein
Feld, das in die Oberfläche 633 der aufzutauenden Erde bis zu einer wirksamen Tiefe
eindringt, die von der Bauart der Spule, den Wetterbedingungen und den elektrischen
Schaltungsparametern abhängt.
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Es gibt eine zweifache Basis für die Anwendung der Induktionserwarmung
zum Auftauen von Boden und ähnlichem Material in Regionen mit niedrigen Wintertemperaturen:
Zum einen ist es die teilchenförmige Natur dieser Materialien, die zu einer geringen
Wärmeleitfähigkeit führt und zum anderen die Tatsache, daß solche Materialien aufgrund
des Wassergehaltes und des Vorhandenseins von Mineral-Auszügen eine ziemlich hohe
elektrische Leitfähigkeit haben, so daß ihr spezifischer Widerstand in der Größenordnung
von 108 Ohm cm liegt. Diese Materialien können daher durch Anwendung äußerer Wärmequellen
nur schwierig erwärmt werden, lassen sich jedoch durch elektrische Induktion relativ
leicht erwärmen.
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Als weiteres Beispiel der Erfindung wird die Induktionserwärmung von
Ulsanden und Ulschiefern beschrieben.
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In Colorado und anderen Gebieten der Vereinigten Staaten befinden
sich Lagerstätten sogenannter "Ulschiefer". Gelegentlich liegen diese an der Oberfläche
frei, sind jedoch im allgemeinen von einem Deckgebirge unterschiedlicher Dicke oder
Mächtigkeit bedeckt. Im Ulschiefçr ist Ul in Form von Kerogen eingeschlossen bzw.
eingebunden. Schon seit Jahren werden Anstrengungen zur Gewinnung des Uls unternommen.
Verschiedene
Gewinnungsverfahren sind vorgeschlagen worden. Zu
diesen gehört der Vorschlag, den Ulschiefer abzubauen und anschließend an der Oberfläche
das Ul aus dem abgebauten Ulschiefer zu extrahieren bzw. zu gewinnen. Mit dem Abbau
und der zugeordneten Extraktion sind jedoch unvertretbar hohe Kapitalinvestitionen,
hoher Energieeinsatz, ökologische Schäden und Kosten für Extraktion und Raffination
verbunden.
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Die gegenwärtig kommerziell angewandten Methoden zur Gewinnung von
Bitumen aus den bituminösen Sanden im nördlichen Teil der kanadischen Provinz Alberta
beruhen auf dem Tagebau der Sande. Nach dem Abbau werden die Sande zu Verarbeitungsstätten
an der Oberfläche gefördert, wo das Bitumen vom Sand getrennt wird. Bei einem kommerziellen
Betrieb mug eine beträchtliche Menge Heißwasser, das verunreinigende Abfälle enthält,
in einen Abgangs- oder Bergeteich abgeleitet werden. Für die übliche Gewinnung und
Aufbereitung sind also relativ kostspidlige Abbaumethoden notwendig, die mit zunehmender
Mächtigkeit des Deckgebirges über den bituminösen Sand-Formationen immer ungeeigneter
werden; außerdem führt das übliche Verfahren zu schwerer Umweltbeeinträchtigung,
da schon der Tagebau an sich die- Erdoberfläche schwer beschädigt und da die Teiche
für die Abwässer die Umwelt an der Oberfläche zusätzlich verschmutzen. Darüberhinaus
sind die bituminösen Sande, die unter den Verarbeitungsanlagen und -fabriken sowie
den Abgangsteichen liegen, für den üblichen Abbau nicht zugänglich.
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Elektrische Induktionsspulen können für die Erwärmung unterirdischer
Kohlenwasserstoffe an Ort und Stelle benutzt werden, die in unterirdischen Kohlenwasserstoff-Ablagerungen
oder kohl enwasserstoffhal ti gen Ablagerungen, z.B. in Ulschiefern oder bituminösen
Sanden, enthalten sind.
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Vorzugsweise wird die Erwärmung mittels einer quasi-toroidalen Induktionsspulen-Anordnung
bewirkt, mit welcher ein bestimmter Teil bzw. Abschnitt der Ablagerung auf eine
bestimmte Temperatur erwärmt wird, die zur Erleichterung der Extraktion bzw. Gewinnung
mindestens einiger der in den ausgewählten Abschnitt enthaltenen Kohlenwasserstoffe
ausreicht.
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Unter "Kohlenwasserstoffen" werden eine oder mehrere Bestandteile
natürlich vorkommender Ablagerungen von Rohöl, Kerogen, Lignit u.s.w.
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verstanden, die sich aus den Elementen Wasserstoff und Kohlenstoff,
manchmal mit zusätzlichen anderen ETementen,zusammensetzen.
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Die Erwärmung wird mittels einer quasi-toroidalen räumlichen Anordnung
bzw. Konfiguration von Leiterwindungen bewirkt, vorzugsweise von unterbrochenen
Windungen rechteckiger Gestalt, die in Serie oder parallel verbunden sind und im
Untergrund so angeordnet werden, daR sie den gewünschten bestimmten Abschnitt der
Kohlenwasserstoff-Ablagerung im wesentlichen umschließen. Die elektrische Induktionserwärmung
soll solange fortgesetzt werden, bis die Temperatur der Bestandteile der Ablagerung
auf einen Wert gestiegen ist, der ausreicht, mindestens einige Bestandteile zu verflüssigen
oder zu verdampfen und die freigesetzten Dämpfe oder Flüssigkeiten an einer oder
mehreren Brunnenbohruhgen aufzufangen.
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Wie bereits erwähnt, hat die Induktionsspule vorzugsweise eine quasitoroidale
Konfiguration. Was hierunter zur verstehen ist, wird im folgenden etwas genauer
erläutert.
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Eine Rotationsfläche wird durch Drehung einer ebenen Kurve um eine
feste, in der Ebene der Kurve liegende Linie, die Achse der Rotationsfläche, erzeugt.
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Ein üblicher Torus ist eine Rotationsfläche, die durch einen gegenüber
der Achse versetzten Kreis erzeugt wird, der bei seiner Drehung um die Achse über
einen Winkel von 3600 die Toroidfläche definiert. Ein Schnitt durch den Torus ergibt
den erzeugenden Kreis. Der Innenradius des Torus ist der Abstand zwischen der Achse
und dem gegenüber der Achse nächstgelegenen Punkt des Kreises. Der Außenradius des
Torus ist der Abstand zwischen der Achse und dem von der mittleren Achse am weitesten
entfernten Punkt des Kreises. Wenn eine Drahtspule mit einer insgesamt torusförmigen
Gestalt
gebildet wird, spricht man von einer Spule, die eine "toroidale, leitfähige Umhüllende"
bildet, da die Spule einen allgemein toroidalen Raum umschließt.
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Toroidale Induktionsspulen sind in der Elektronik durchaus bekannt.
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Oblicherweise wird eine durchgehende Drahtspule zu einem Torus geformt,
wodurch eine toroidale Umhüllende mit einem kreisförmigen Querschnitt entsteht.
Die Tatsache, daß die Spule ein durchgehender Leiter ist, bedeutet, daß die einzelnen
Windungen der Toroidspule in Serie miteinander verbunden sind. Eine derartige Toroidspule
hat die wünschenswerte Eigenschaft, daß ihr elektromagnetisches Feld im wesentlichen
auf das Innere des Torus beschränkt ist.
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Das erläuterte Beispiel betrifft nicht echt toroidale Umhüllende,
sondern vielmehr quasi-toroidale Umhüllende, die durch mehrere diskrete und unterbrochene
Windungen gebildet sind, welche unter verschiedenen Winkeln so verlaufen, daß sie
das innerhalb der Umhüllenden liegende Volumen angenähert umgeben. Mit einer "unterbrochenen
Windung" ist eine Windung gemeint, die eine diskrete Diskontinuität aufweist, welche
im Vergleich zur Länge der Windung klein ist.
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Eine quasi-toroidale Leiter-Konfiguration (und im übrigen auch eine
toroidale Induktivität) hat die Eigenschaft, daß das elektromagnetische Feld am
Innenradius des Quasi-Torus am stärksten ist weshalb die Kohlenwasserstoffe am Innenradius
schneller als am Außenradius verflüssigt oder vergast werden dürften. Daraus ergibt
sich, daß der Strom in Quasi-Toroidspulen ansteigen muß, um eine Feldstärke aufrechtzuerhalten,
die zur Verflüssigung oder Vergasung der weiter außen in Richtung zum Außenradius
des Quasi-Torus liegenden Kohlenwasserstoffe ausreicht. Unter Umständen wird dadurch
die notwendige Stromstärke unannehmbar hoch, so daß ohne korrigierende Maßnahmen
der Vorgang zu einem Stillstand kommen müßte.
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Entsprechend kann mit Vorteil im erläuterten Beispiel der Erfindung
weiterhin vorgesehen sein, daß eine progressive Ausdehnung der quasitoroidalen Leiter-Konfiguration
auf quasi-toroidale Strukturen von zunehmendem Radius angewandt wird, um die Gewinnung
von Kohlenwasserstoffen aus großen unterirdischen Volumina zu erleichtern. Wenn
die Leiter anfänglich in einer sechseckigen Anordnung verlegt sind, kann diese bei
Vergrößerung des quasi-toroidalen Radius bis zu einem passenden Maximal radius weiterhin
beibehalten werden.
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Die Anwendung einer sechseckigen oder sechsseitigen Konfiguration
bringt es außerdem mit sich, daß ein bestimmtes Land-Gebiet bequem in ein Sechseck-Netzwerk
unterteilt werden kann, welches eine bequeme Gewinnung der Kohlenwasserstoffe im
wirtschaftlich größtmöglichen Ausmaß aus den Kohlenwasserstoff-Formationen unterhalb
des Sechseck-Gitters an der Oberfläche gestattet.
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Bei einem bevorzugten Vorgehen wird von der Erdoberfläche aus ein
vertikaler, zentraler Schacht bis zum Boden der unterirdischen Kohlenwasser-Ablagerung
oder bis zu einem anderen passenden Punkt innerhalb der Ablagerung gegraben. Außerdem
werden vertikale Schächte oder Bohrlöcher an Steller niedergebracht, die generell
den Scheitelpunkten eines Sechsecks entsprechen, dessen Mittelpunkt praktisch mit
dem Mittelpunkt des vertikalen Zentralschachtes zusammenfällt. Von einem Punkt aus,
der innerhalb des Zentralschachtes an oder in der Nähe der Oberseite der Kohlenwasserstoffschicht
liegt, werden horizontale Tunnel in radialer Richtung nach außen jeweils zu einem
der an den Scheitelpunkten befindlichen vertikalen Schächte gegraben. Diese horizontalen
Tunnel können bis zu einem Radius fortgesetzt werden, der als geeignetes Maximum
für ein bestimmtes Gitter-Element anzusehen ist.
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Wenn eine Spulen-Konfiguration mit sechs Windungen benutzt wird, beträgt
der Winkel zwischen benachbarten horizontalen Tunneln 60°C. Sechs vertikale Schächte
oder Bohrlöcher sind mit jeweils gleichem Abstand vom Zentralschacht
so
angeordnet, daß sie die horizontalen Tunnel schneiden.
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Wenn der Durchmesser des Zentralschachtes beispielsweise 2m beträgt,
kann die erste Gruppe vertikaler Schächte in der Umgebung des Zentralschachtes in
einem Abstand von ungefähr 7m von diesem vorgesehen sein. Dann können vertikale
und horizontale Leiter-Teilstücke bzw. -Elemente im Zentralschacht, in den vertikalen
Bohrlöchern und in den horizontalen Tunneln so verlegt werden, daß ein ringförmiger,
quasi-toroidaler Teil der Ablagerung umschlossen ist, der zwischen dem Zentralschacht
und den davon beabstandeten Bohrlöchern und zwischen den oberen und unteren Tunneln
liegt, wobei die Tunnel, wie oben bereits angedeutet,.in geeigneter Weise am oberen
bzw. am unteren Ende der Kohlenwasserstoff-Ablagerung angeordnet sind.
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Es sei angenommen, daß der innerste Quasi-Torus durch den 2m weiten
Zentral schacht und durch eine sechsseitige Anordnung vertikalJer Bohrlöcher in
einem Abstand von ungefähr 7m vom Zentral schacht definiert ist. Als nächstes wird
dann ein weiteres Muster Bohrlöcher hergestellt, welche jeweils die Verlängerung
eines horizontalen Tunnels in einem größeren Abstand vom Zentralschacht, und zwar
auch in einem relativ zur ersten Gruppe-Bohrlöcher größeren Abstand vom Zentralschacht
schneiden.
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Die nächste Gruppe-vertikaler Bohrlöcher kann beispielsweise in einem
Abstand von 4+m vom Zentralschacht angeordnet sein. Wenn eine weitere Gruppe Windungen
über den Abstand von 40m hinaus vorgesehen sein soll, kann hierfür eine anschließende
Gruppe Bohrlöcher in einem Abstand von beispielsweise 200m vom Zentral schacht angeordnet
sein. Bei einem solchen Abstand vom Zentral schacht werden zum Abbau einer unterirdischen
Ablagerung vermutlich mehrere Jahre benötigt.
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Die erläuterte Wahl der Abstände für die vertikalen Bohrlöcher hat
folgenden Grund. Bei einer toroidalen oder quasi-toroidalen~Leiter-Konfiguration
ist die elektromagnetische Feldstärke am Innenrad der Spulenwindungen am höchsten
und am Außenrand der Spulenwindungen am niedrigsten. Daher werden die Kohlenwasserstoffe
am Innenrand der Spule zuerst
verflüssigt oder vergast, wobei sich
die Verflüssigung oder Vergasung vom inneren der Spulenwindungen allmählich nach
außen bis zu einem Punkt ausbreitet, an welchem eine weitere wirtschaftliche Gewinnung
von Stoffen aus der Ablagerung nicht mehr durchführbar ist. Während der Gewinnung
von Kohlenwasserstoffen aus beispielsweise dem inneren quasi-toroidalen Umhüllungs-Bereich,
wird der elektrische Strom, der zur Aufrechterhaltung der Verflüssigung oder Vergasung
der Kohlenwasserstoffe notwendig ist, allmählich immer größer, da die Menge des
leitenden bzw. leitfähigen Materials, das im elektromagnetischen, von der Leiterspule
erzeugten Feld liegt, zunehmend kleiner wird. Unter Umständen wird ein Punkt erreicht,
an welchem die Spule so heiß wird oder der Strom so groß wird, daß eine weitere
Gewinnung oder Extraktion von Kohlenwasserstoffen nicht möglich ist. Dieser Punkt
richtet sich zum Teil nach dem Verhältnis des Durchmessers der inneren Gruppe von
Spulen-Leiterelementen zum Durchmesser der Anordnung deriäußeren Spulen-Leiterelemente.
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Anhand mathematischer Modelle durchgeführte Untersuchungen lassen
den Schluß zu, daß mindestens für einige bedeutende unterirdische Kohlenwasserstoff-Ablagerungen,
z.B.die bituminösen Sande in Alberta, das Verhältnis von äußerem Umhüllungsradius
zu innerem Umhüllungsradius für die quasi-toroidale Umhüllende niemals größer als
10 sein sollte, wobei ein Verhältnis von etwa 5:1 bevorzugt wird. Wenn der Radius
des Zentralschachtes praktisch der Innenradius der innersten quasi-toroidalen Umhüllenden
bzw. Umschließung ist, bedeutet dies, daß die innerste quasi-toroidale Umhüllende
einen Außenradius haben sollte, der größenordnungsmäßig fünfmal größer als der des
Zentralschachtes ist. Die nächste anschließende toroidale Umhüllende kann dann einen
Innenradius vom fünffachen des Radius des Zentralschachtes und einen Außenradius
vom fünfundzwanzigfachen des Radius des Zentralschachtes haben; dies setzt sich
progressiv nach außen fort, bis ein Maximal radius erreicht wird, der die wirtschaftliche
Obergrenze für den- Abbau der betreffenden Ablagerung darstellt.
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Aus obigen Ausführungen ergibt sich, daß bei Anwendung weniger Windungen,
z.B. 6 Windungen, das wirksame von der Spule erzeugte elektromagnetische Feld notwendigerweise
von einem Feld abweicht, das mit einer viel größeren Anzahl von Windungen zur Definition
der Umhüllenden erzeugt würde. Mit dem Begriff "quasi-toroidal" wie er in den Anmeldungsunterlagen
verwendet wird, soll die Annäherung an ein genau ringförmiges Volumen bzw. eine
genau ringförmige Umhüllende gemeint sein, welche von dem elektromagnetischen Feld
durchflutet wird, das von relativ wenigen leitenden Windungen, in der Regel weniger
als zwanzig Windungen und gemäß einigen betrachteten Beispielen von sechs Windungen
erzeugt wird.
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Der Vorschlag der Erfindung, progressiv zu erwärmen, also progressiv
quasi-toroidale Umschließungen mit zunehmend größerem Radius anzuwenden, führt zu
einer Ersparnis beim Bohren und zu einer besseren Ausnutzung der elektrischen Leiter,
da mindestens einige der inneren vertikalen Leiterelemente einer äußeren quasi-toroidalen
Umhüllenden in einfacher Weise die äußeren vertikalen Leiterelemente der nach ihnen
unmittelbar benachbarten quasi-toroidalen Umhüllenden sein können.
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Außerdem kann die Herstellung der horizontalen Tunnel zu Beginn relativ
leicht für die ganze Gruppe horizontaler Tunnel gemeinsam durchgeführt werden, da
die horizontalen Leiterelemente der äußeren quasi-toroidalen Umhüllenden, jedoch
mindestens ein Teil dieser Leiterelemente, zweckmäßigerweise in Fluchtung mit den
horizontalen Leiterelementen der inneren quasi-toroidalen Umhüllenden verlegt werden,
so daß die gleichen horizontalen Tunnel für die Anordnung der Leiter verwendet werden
können.
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Allerdings kann es unter Umständen vorteilhaft sein, die Anzahl der
Windungen mit größer werdendem Radius des Quasi-Torus zu vergrößern.
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Figur 7 zeigt schematisch eine Ausführungsform einer inneren, quasi-toroidalen
Umhüllenden bzw. Umschließung nach der Erfindung. Innerhalb einer Kohlenwasserstoff-Ablagerung
sind innere vertikale Leiterelemente 701 über obere horizontale Leiterelemente 703
und untere horizontale Leiterelemente 704 mit äußeren vertikalen Leiterelemente
bzw. -teilstücken 702 verbunden. Figur 7 zeigt als Beispiel sechs Windungen, von
denen jede aus
zwei vertikalen Leiterelementen 701 und 702 und
aus zwei horizontalen Leiterelementen 703 und 704 ungefähr in Rechteckform zusammengesetzt
ist. Die einzelnen Windungen stehen unter einem Winkel von 600 zu einander und definieren
eine allgemein sechseckige Konfiguration, wobei die äußeren vertikalen Leiterelemente
702 an den Scheitelpunkten eines gedachten regelmäßigen Sechsecks liegen. Auch die
inneren Leiterelemente 701 liegen an den Scheitelpunkten oder Ecken eines inneren
gedachten Sechsecks. Mit "gedachtem Sechseck" ist gemeint, daß es keine tatsächliche
Struktur gibt, welche den gesamten Umfang des Sechsecks bildet; nur die Ecken der
jeweiligen Sechsecke sind durch körperliche Gebilde definiert.
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Die oberen horizontalen Leiterelemente 703 sind gemeinsam über einen
Leiterring 707 mit einem Anschluß 705 verbunden, an welchem die Verbindung zu einer
Klemme einer Stromquelle hergestellt werden! kann. Die inneren vertikalen Leiterelemente
701 reichen von ihren jeweiligen Verbindungspunkten mit den unteren horizontalen
Leiterelementen 704 vertikal nach oben zu einem Leiterring 709, der mit einem Anschluß
706 verbunden ist, an welchem die Verbindung mit der anderen Klemme der Stromquelle
hergestellt wird. Die Leiterelemente 701 sind gegenüber dem Leiterring 707 und gegenüber
den oberen Leiterelementen 703 isoliert, so daß sich an der inneren oberen Ecke
jeder rechteckigen Windung eine Diskontinuität befindet. Dies ist natürlich notwendig,
damit Strom durch die parallel geschalteten Rechteck-Windungen fließen kann. Zur
Bezeichnung., daß eine solche Diskontinuität vorhanden ist, wird manchmal der Begriff
"unterbrochene Windung" benutzt.
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Bei Beaufschlagung der Anschlüsse 705 und 706 mit Wechselstrom wird
von den rechteckigen Windungen der Spule ein elektromagnetisches Feld erzeugt. Das
elektromagnetische Feld sucht einen quasi-toroidalen Raum zu durchsetzen, welcher
sich von einem genau toroidalen Raum nicht nur durch den Feldstärkeabfall zwischen
den leitfähigen Windungen insbesondere am äußeren Rand derselben, sondern auch durch
die unterbrochene, rechteckige Windungs-Konfiguration unterscheidet, die im Gegensatz
zu
der üblichen kreisförmigen Windungs-Konfiguration steht, wie
sie bei üblichen, kleineren Anwendungen von Toroid-Induktivitäten angetroffen wird.
Der quasi-toroidale Raum hat einen Innenradius seines Ringes, welcher durch den
Radius des Leiterringes 707 bzw. durch den Radius des gedachten Kreises definiert
ist, auf welchem die Verbindungspunkte zwischen den Leiterelementen 701 und den
Leiterelementen 704 liegen.
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Der Außenradius des quasi-toroidalen Raumes ist durch die äußeren
vertikalen Leiterelemente 702 definiert. Die Obergrenze des quasitoroidalen Raumes
ist durch-eine gedachte horizontale Kreisfläche definiert, in welcher die oberen
Leiterelemente 703 liegen. Eine entsprechende gedachte Kreisfläche, in welcher die
mittleren Leiterelemente 704- liegen, definiert die Untergrenze des quasi-toroidalen
Raumes. Also bilden die Windungen aus inneren und äußeren vertikalen Leiterelementen
701 und 702 sowie oberen und unteren horizontalen Leiterelementen 703 und 704 zusammen
eine quasi-toroidalel Umhüllende, welche den obendefinierten quasi-toroidalen Raum
im wesentlichen umgibt. Natürlich wird sich dastatsächliche elektromagnetische Feld
in umso besserer Annäherung durch den gesamten, von der Umhüllenden umgebenen quasi-toroidalen
Raum erstrecken, desto mehr Windungen für die Umhüllende benutzt werden. Es ist
jedoch zu beachten, daß für die Einführung jedes Leiterelementes in die unterirdische
Kohlenwasserstoff-Ablagerung eine Tunnelbildung oder ein Bohrvorgang notwendig ist
und dementsprechend eine Abwägung zwischen dem Wirkungsgrad bei der Erzeugung des
eektromagnetischen Feldes im quasi-toroidalen Raum und den wirtschaftlichen Vorteilen
aufgrund einer Herabsetzung der Anzahl der gebohrten oder gegrabenen Löcher oder
Tunnel zu erfolgen hat. Für die folgende Diskussion sei angenommen, daß die Zahl
der Windungen nur sechs beträgt, was die Bildung eines-sechsseitigen, wabenförmigen
Gitters zur Gewinnung von Kohlenwasserstoff aus einer ganzen Kohlenwasserstoff-Ablagerung
erleichtert, die zu groß ist, um mittels einer einzigen erfindungsgemäßen Anordnung
erwärmt werden zu können. Natürlich kann auch unter entsprechenden Umständen eine
andere Anzahl Leiter bzw. Windungen angewandt werden; zweifellos wird man bei der
jeweiligen Anwendung eine empirische
Abschätzung der Wirtschaftlichkeit
auf der Basis der ursprünglich angewendeten Windungszahl vornehmen und danach entscheiden,
ob eventuell eine größere oder kleinere Windungszahl zweckmäßig ist. Natürlich können
zusätzliche Tunnel und Bohrlöcher zur Erhöhung der Windungszahl im benötigten Umfang
erzeugt werden.
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Obwohl beim Beispiel gemäß Figur 7 die oberen Leiterelemente 703 und
die unteren Leiterelemente 704 in horizontaler Lage gezeigt sind, können diese Leiterelemente
natürlich auch bezüglich ihrer Lage mit dem Neigungswinkel der Oberseite und Unterseite
der unterirdischen zu erwärmenden Wasserstoff-Ablagerung übereinstimmen.
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Aus zuvor erläuterten Gründen gibt es eine praktische Obergrenze für
das Verhältnis des durch die vertikalen Leiterelemente 702 definierten Außenradius
der quasi-toroidalen Umhüllenden zu ihrem Innenradius der durch die Lage der inneren
vertikalen Leiterelemente 701 definiert ist.
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Aus diesem Grund kann es zweckmäßig sein, eine weitere quasi-toroidale
Umhüllende vorzusehen, welche die in Figur 7 dargestellte umgibt. Solch eine weitere
quasi-toroidale Umhüllende kann als innere vertikale Leiterelemente die Leiterelemente
702 nach Figur 7 benutzen. Figur 8 zeigt in Draufsicht eine entsprechende Anordnung
aus vertikalen Bohrlöchern und horizontalen Tunneln, in welchen die dazu erforderlichen
Leiter- oder Spulenelemente verlegt werden können. Natürlich überdecken sich in
der Draufsicht der Figur 8 die jeweils übereinanderliegenden beiden horizontalen
Tunnel, so daß immer nur ein Tunnel der beiden unmittelbar untereinander liegenden
Tunnel-Paare sichtbar ist.
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In einem vertikalen, kreiszylindrischen Vertikalschacht 820 sind die
inneren vertikalen Leiterelemente 701 angeordnet. Vom Zentralschacht 820 erstrecken
sich horizontale Tunnel 850 radial nach außen; es soll sich um die unteren, horizontalen
Tunnel handeln, in denen die unteren horizontalen Leiterelemente 704 angeordnet
werden. Die oberen horizontalen Tunnel
würden dann unmittelbar
über den Tunneln 850 liegen. Vertikale Bohrlöcher 852, in welchen vertikale Leiterelemente
702 angeordnet sind, schneiden die horizontalen Tunnel 850. Die Leiter-Anordnung
definiert so eine innere quasi-toroidale Umschließung, deren Außenumfang im wesentlichen
von einer gedachten Zylinderfläche definiert ist, die in der Draufsicht durch eine
unterbrochene Kreislinie 853 dargestellt wird, und deren Innenumfang die gedachte
Zylinderfläche ist, die durch die Leiterelemente 701 definiert wird.
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Die nächste quasi-toroidale Umhüllende, welche die innere Umhüllende
aus den Leiterelementen 701-704 umgibt, wird dann durch Verlängerung der Tunnel
850 in radialer Richtung nach außen über die Bohrlöcher 852 hinaus und durch Niederbringen
weiterer vertikaler Bohrlöcher 854 gebildet, welche wiederum auf einer gedachten
Zylinderfläche liegen, die in Figur 7 durch die unterbrochene Kreislinie 855 dargestellt
ist. Die Bohrlöcher 854 liegen demgemäß notwendigerweise an den Eck- oder Scheitelpunkten
eines weiteren Sechsecks, das größer als das durch die Bohrlöcher 852 definierte
Sechseck ist. Die inneren vertikalen Leiterelemente für die äußere quasi-toroidale
Umhüllende sind zweckmäßigerweise die bereits verlegten vertikalen Leiterelemente
702 in den Bohrlöchern 852. Dadurch wird eine Ersparnis sowohl beim Bohren als auch
bei der Leiter-Ausnutzung erzielt. Wenn ein weiterer quasi-toroidaler Raum abgegrenzt
werden soll, können die Tunnel 850 noch weiter radial nach außen verlängert werden,
eine weitere Gruppe vertikaler Bohrlöcher, die nicht gezeigt sind, niedergebracht
werden und geeignete Verlängerungen der horizontalen Leiterelemente und geeignete
Verlegungen zusätzlicher vertikaler Leiterelemente vorgenommen werden. Die inneren
Leiterelemente für diese hypothetische weitere Umhüllende wären die in den Bohrlöchern
854 bereits verlegten Leiterelemente.
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Wenn man die Mitte des Zentralschachtes 820 mit Z bezeichnet, dann
ist der Innenradius der inneren Umhüllenden gleich AZ, wobei A auf dem von
den
inneren Leiterelementen 701 definiertem Kreis liegt. Der Außenradius der inneren
Umhüllenden ist gleich BZ, wobei B auf dem von den vertikalen Leiterelementen 702
in den Bohrlöchern 852 definierten Kreis liegt. Die außen als nächstes anschließende
quasi-toroidale Umhüllende hat einen Innenradius BZ und einen Außenradius CZ, wobei
C auf dem von den Bohrlöchern 854 definierten Kreis liegt.
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Die Anordnung nach Figur 8 wird noch deutlicher bei Betrachtung des
schematisierten Aufrisses gemäß Figur 9, der einen Schnitt durch die Erde längs
einer der horizontalen Tunnel 850 darstellt.
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Vom Zentral schacht 820 erstrecken sich die unteren horizontalen Tunnel
850 radial nach außen. Diese Tunnel befinden sich oder in der Nähe des Bodens einer
Kohlenwasserstoff-Ablagerung 950, die von der Erdoberfläche 952 durch eine Deckgebirgs-Schicht
954 getrennt ist. Eini Gruppe oberer horizontaler Tunnel 851 erstreckt sich vom
Zentralschacht 820 am oder in der Nähe der Obergrenze der Kohlenwasserstoff-Ablagerung
radial nach außen. Eine erste Gruppe Bohrlöcher 852 definiert die Außengrenze des
innersten quasi-toroidalen Raumes, der von einer quasi-toroidalen leitfähigen Umhüllenden
zu umgeben ist. Eine weitere Gruppe vertikaler Bohrlöcher 854, die mit radialem
Abstand von den Bohrlöchern 852 außerhalb derselben vorgesehen sind, definiert die
Außengrenze des zweiten quasi-toroidalen Raumes. Weitere, nicht gezeigte vertikale
Bohrlöcher können noch weiter außerhalb in einem noch größeren radialen Abstand
vom Zentralschacht 820 vorgesehen sein, um die Außengrenze eines noch weiteren quasi-toroidalen
Raumes zu definieren.
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Die Leiterelemente 701 bis 704 sind an die oberflächenseitigen Anschlüsse
705 und 706 geführt, über welche der Anschluß an eine Wechselstromquelle in der
bereits erläuterten Weise erfolgt. Die inneren vertikalen Leiterelemente 701 liegen
im allgemeinen am Umfang des Zentralschachtes 820,
während die
vertikalen Leiterelemente 702 in den Bohrlöchern 852 in der Kohlenwasserstoff-Ablagerung
950 verlegt sind. Weiterhin liegen die oberen horizontalen Leiterelemente 703 in
den oberen horizontalen Tunneln 851, während die unteren horizontalen Leiterelemente
704 im-den unteren .horizontalen Tunneln 850 liegen.
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Um die rechteckigen Windungen für die nächste, außen anschließende
quasi-toroidale Umhüllende bilden zu können, sind die Tunnel 850 und 851 radial
nach außen über die vertikalen Bohrlöcher 852 hinaus verlängert bis zum Schnittpunkt
mit der äußeren Gruppe vertikaler Bohrlöcher 8S;. Die horizontalen Leiterelemente
704 können mit horizontalent *n-^lementen 856 verlängert sein, die zwischen den
Bohrlösche@ @@2 und 854 verlegt sind. Vertikale Leiterelemente 960, die in denBohrlöchern
854 angeordnet sind, sind zwischen die horizontalen Leiterelemente 856 und weitere
horizontale Leiterelemente 9@2 geschaltet, die in den oberen horizontalen Tunneln
851 liegen. Die unte.rbrochenen rechtecklgen Windungen der zweiten quasi-toroidalen
Umhüllenden bzw. Umschließung umfassen also die Leiterelemente 702, 856, 960 und
962. Die oberen horizontalen Leiterelemente 962 sind mit einem Anschluß 966 verbunden.
Zur Speisung der betrachteten, mittleren Umhüllung wird dann den Anschlüssen 705
und 966 Strom zugeführt.
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Die horizontalen Leiterelemente 704 und 856 können mit Leiterelemente
858 noch weiter bis zu einer äußeren Gruppe vertikaler, nicht gezeigter -Bohrlöcher
verlängert sein, tn denen eine äußere Gruppe vertikaler Leiterelemente, die ebenfalls
nicht gezeigt sind, angeordnet ist. Diese vertikalen Leiterelemente können mit horizontalen
Leiterelementen 964 verbunden sein, die in den verlängerten Tunneln 851 verlegt
sind und ihrerseits mit einem Anschluß 968 an der Oberfläche verbunden sind. Zur
Speisung der äußeren quasi-toroidalen Umhüllenden wird dann Wechselstrom an die
Anschlüsse 966 und 968 angelegt. Hierbei verwendet die äußere Umhüllende
als
innere vertikale Leiterelemente die Leiterelemente 960 in den Bohrlöchern 854. Die
erläuterte Art, fortschreitend Bohrlöcher niederzubringen und die Schaltung auszudehnen,
kann beliebig bis zur Erreichung einer äußeren wirtschaftlichen Grenze fortgesetzt$werden,
Bei der oben erläuterten Anordnung ist es natürlich notwendig, dafur zu sorgen,
daß die Leiterelemente 703, 962, 964 u.s.w., die in den horizontalen Tunneln 851
angeordnet sind, gegeneinander isoliert sind. Die Auswahl des Tunnels 851 für die
Aufnahme mehrerer horizontaler Leiterelemente und die Verlegung nur eines, verlängerten
horizontalen Leiters im Tunnel 850 ist natürlich willkürlich; genauso gut kann unter
bestimmten Umständen die umgekehrte Anordnung zweckmäßig sein. Außerdem kann es
unter bestimmten Umständen vorzuziehen sein, die vertikalen Leiterelemente nach
oben durch die Bohrlöcher !852, 854 u.s.w. zu verlegen und dann an der Oberfläche
anstatt innerhalb der horizontalen Tunnel 851 weiterzuverbinden. Vom Fachmann dürften
in Kenntnis obiger Offenbarung weitere in Einzelfällen zweckmäßige oder brauchbare
Abwandlungen von Spulen-Konfigurationen auffindbar sein.
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Die Spulen-Anordnung gemäß Figuren 7, 8 und 9 wurde mit einer Parallelschaltung
ihrer einzelnen Windungen gezeigt. Die Parallelschaltung dürfte die zweckmäßigste
Verbindungsart der Windungen sein. Allerdings könnte sie, falls es in besonderen
Situationen als zweckmäßig angesehen wird, auch durch eine Serienverbindung der
Windungen ersetzt werden.
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Die Größe der Tunnel 850 und 851 und der Bohrlöcher 852 und 854 sowie
des Zentralschachtes 820 ist aus Gründen der Anschaulichkeit übertrieben dargestellt.
Die Tunnel, Löcher und Schächte sollten unter Bercksichtigung der vorgesehenen Verwendung
so klein wie möglich gemacht werden. So wird beispielsweise der Zentralschacht 820
nicht nur für die Verlegung der Leiterelemente 701 und der Verbindungsleitungen
zu den Anschl-üssen 705, 706, 966 und 968~benutzt, sondern auch als Konstruktions-Schacht
benötigt, der
für Arbeiter und Maschinen zugänglich ist, um die
horizontalen Tunnel 850 und 851 graben zu können. Der Zentralschacht 820 kann auch
zur Extraktion mindestens eines Teils der Kohlenwasserstoffe aus der Ablagerung
durch geeignete Leitungen benutzt werden. Ferner ist daran gedacht, die Bohrlöcher
852 und 854 nicht nur zur Verlegung der vertikalen Leiterelemente, sondern auch
für die Injektion von Flüssigkeiten oder Gasen in die Kohlenwasserstoff-Ablagerung
oder die Extraktion mindestens eines Teils der Kohlenwasserstoffe aus der Ablagerung
zu verwenden.
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Figur 10 zeigt eine Anordnung, die zur Erwärmung bituminöser Sande
oder Ulschiefer geeignet ist. Zur Vereinfachung ist nur die innerste quasi-toroidale
Leiter-Konfiguration dargestellt; jedoch gilt die folgende Beschreibung sinngemäß
auch für andere quasi-toroidale Umschl ießungen. 1 Eine Ablagerung 10 von Ulschieder
oder bituminösem Sand besitzt eine Obergrenze 12 und eine Untergrenze 14. Die Formation
oder Ablagerung ist von der Erdoberfläche 16 durch eine Deckgebirgs-Schicht 18 getrennt.
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Ein Zentralschacht 20 reicht von der Erdoberfläche zum Boden oder
zu einem Punkt in der Nähe des Bodens der Ulsand- oder Ulschiefer-Ablagerung 10.
Zur Erzielung von Konstruktionsfestigkeit und zur Abdichtung des Schachtes ist dessen
Wand mit einer ringförmigen Verstärkungsschicht 22 aus Beton ausgekleidet. Elektrische
Leiter 24 verlaufen von einer oberflächenseitigen Stromquelle in den Schacht 20
hinein und sind dort an eine rechteckige elektrische Induktionsspule 26 angeschlossen.
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Die Induktionsspule 26 erstreckt sich vom Schacht 20 nach außen und
umgibt ein ringförmiges, quasi-toroidales Volumen der Ablagerung 10. Bei der Stromquelle
28, welche die Leiter 24 speist, kann es sich um einen turbinengetriebenen Generator
handeln, der mit einem Teil der gewonnenen
Kohlenwasserstoffe betrieben
wird. Zwischen die Stromquelle 28 und die Induktionsspule 26 kann gewünschtenfalls
ein Frequenzwandler 30 und/oder ein Transformator 32 eingefügt sein, was im einzelnen
davon abhängt, mit welchen Parametern das System betrieben werden soll und welche
Frequenz und Spannung die Stromquelle 28 liefert. Ferner ist ein in Serie geschalteter
Abgleich-Kondensator 34 vorgesehen, welcher die Schaltung in Resonanz bringt und
dadurch eine maximale Energieübertragung in das umschlossene Volumen der Ablagerung
mittels der Induktionsspule 26 ermöglicht.
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Gewünschtenfalls kann zusätzlich ein Injektionsrohr 36 zur Injektion
von Wasser in die heiße Ablagerung oder Formation vorgesehen sein, um dadurch nach
Abschluß der Kohlenwasserstoff-Extraktion Dampf zu erzeugen. Das Injektionsrohr
36 kann auch zur Einleitung von Gas unter Druck in die Formation verwendet werden,
um dadurch die Extraktion oder Gewinnung der Kohlenwasserstoffe zu erleichtern.
Schließlich können durch das Injektionsrohr Katalysatoren in die Ablagerung eingeleitet
werden, um das Kracken von Koks-Rückstand nach Extraktion flüchtiger Fraktionen
zu ermöglichen. Die verschiedenen möglichen Extraktions-bzw. Gewinnungsmethoden
sind in das Belieben des Anwenders gestellt und gehören nicht zur Erfindung, welche
hauptsächlich auf die Erwärmung als solche gerichtet ist. Das untere Ende 38 des
Injektionsrohres befindet sich gerade noch oberhalb und außerhalb der Induktionsspule
26. Wenn nämlich das Injektionsrohr 36 aus Metall besteht und in das von der Induktionsspule
26 umschlossene Volumen hineinreichen würde, ergäbe sich eine übermässige Energieabsorption
durch das Injektionsrohr innerhalb des erwärmten Volumens und im Zusammenhang damit
die Gefahr der Beschädigung des Injektionsrohres, der Verbrennung benachbarter Kerogene
u.s.w.. Nötigenfalls können auch mehrere Injektionsrohre vorgesehen sein, und zwar
nicht notwendigerweise in getrennten Bohrlöchern, sondern innerhalb des Schachtes
20, von dem sie dann radial nach außen durch geeignete oeffnungen in der Beton-Schicht
2 in das Innere der Ablagerung hineinreichen würden.
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Entsprechende Uffnungen in der Verstärkungsschicht 22 für die Leiter
der Induktionsspule 26 sind mit 41 bezeichnet.
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Ein weiteres End- und/oder Versorgungsrohr 44 befindet sich im Inneren
des Zentralschachtes 20; da es sich dort außerhalb des von der Induktionsspule umschlossenen
Raumes und damit außerhalb des starken magnetischen Feldes befindet, kann es, auch
wenn es aus Metall besteht, bis zum unteren Ende 42-des Zentralschachtes reichen.
An der Erdoberfläche 16 ist der Zentral schacht mit einem Deckel 40 verschlossen,
durch welchen des Rohr 44 und die Leitungen 24 hindurchgeführt sind.
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Es können auch ein oder mehrere Injektionsrohre 36 zur Einleitung
eines Verbrennungsmittels, z.B. Luft oder Sauerstoff, in die Ablagerung benutzt
werden, so daß ein Teil der Ablagerung verbrannt werden kann, um dadurch einen verbleibenden
Teil der Ablagerung vorzuwärmen und so den spezifischen elektrischen Widerstand
des verbleibenden-Teils zu senken. Wenn die Temperatur des unverbrannten Rück-Standes
der Ablagerung neben dem verbrannten Teil innerhalb der Induktionsspule einen ausreichenden
Wert erreicht hat, wird die Induktionserwärmung in Gang gesetzt und die Injektion
des Verbrennungsmittels unterbrochen. Das angelegte elektromagnetische Feld wird
Wirbelströme hauptsächlich i-n den auf hoher Temperatur befindlichen Rückständen
erzeugen, die niedrigen spezifi-schen Widerstand haben und die verschiedenen Injektionsrohre
umgeben mit der Folge, daß die Extraktion über die Injektionsrohre möglicherweise
vorzuziehen ist.
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Unabhängig von der jeweils angewandten Extraktionsmethode wird die
Induktionsspule 26 mit Wechselstrom einer Frequenz, Spannung und Stromstärke beaufschlagt,
die zur Erwärmung des ausgewählten Teiles bzw. Abschnittes der Ablagerung innerhalb
der ringförmigen, von der Induktionsspule 26 gebildeten quasi-toroidalen Umhüllenden
auf eine gewünschte Temperatur ausreicht, bei welcher das vom Anwender ausgesuchte
Gewinnungs- oder Extraktionsverfahren durchgeführt wird. .... Patentansprüche
L
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