Einrichtung zum stellenweisen Auftauen des Erdbodens Die Erfindung
betrifft eine Einrichtung zum stellenweisen "luftaueti des gefrorenen Erdbodens,
wie es beispielsweise erforderlich ist,umaneine Fehlerstelle eines iin 1?rdboden
verlegten Versorgungsstranges (1al)el-o(lerKohrleitung) heranzukommen. Bisher pflegte
man dabei so vorzugehen, daß über die mutmaßliche Schadensstelle ein Koksofen gestellt
und das Auftauen des Erdbodens durch die von dieseln abgestrahlte Wärme bewirkt
wurde.. Dieses Verfahren ist langwierig und unbequem.Device for thawing the ground in places. The invention
relates to a device for "Luftaueti" the frozen ground in places,
how it is necessary, for example, to remedy a fault in a ground floor
installed supply line (1al) el-o (ler pipe). So far used
proceed in such a way that a coke oven is placed over the alleged damage site
and causes the thawing of the ground by the heat radiated from the diesels
was .. This procedure is tedious and inconvenient.
Es ist bekannt, eingefrorene Wasserleitungsrohre dadurch aufzutauen,
daß an zwei durch einen Zwischenraum voneinander getrennten Stellen des Rohres ein
von einem Transformator oder einem rotierenden Umformer gelieferter niedrig gespannter
Wechselstrom mit einer Periodenzahl von 5o Hz und einer Stromstärke von wenigstens
ioo Ainp. zu- und abgeführt wurde, uni (las 1, is durch die zwischen den Stromanschlußpunkten
in Wärme umgesetzte elektrische Energie zum Schmelzen zu bringen (vgl. E. T. Z.
52 [r931] 128o). Versuche, in ähnlicher Weise auch den Erdboden aufzutauen, indem
zwei stabförmige Elektroden nebeneinander in den Erdsoden- getrieben werden und
zwischen ihnen eine technische Wechselspannung angelegt wird, führten zu keinem
befriedigenden Ergebnis, da sich zumeist nur ein mit Schmelzwasser gefüllter enger
Kanal zwischen den beiden Elektroden bildete, der praktisch den ganzen zwischen
den Elektroden übergehenden Strom führte. Die Erfindung besteht in einer Einrichtung,
welche ein wirksames Auftauen des Erdbodens mittels elektrischer Ströme ermöglicht.It is known to thaw frozen water pipes by
that at two points of the pipe separated from one another by a gap
low voltage supplied by a transformer or rotary converter
Alternating current with a number of periods of 50 Hz and a current strength of at least
ioo Ainp. was supplied and discharged, uni (read 1, is through the between the power connection points
to melt electrical energy converted into heat (cf. E. T. Z.
52 [r931] 128o). Similarly, try to thaw the ground by adding
two rod-shaped electrodes are driven next to each other in the Erdsoden- and
a technical alternating voltage is applied between them did not lead to any
satisfactory result, as there is usually only a narrow one filled with meltwater
Channel formed between the two electrodes, practically the whole between
current passed to the electrodes. The invention consists in a device
which enables effective thawing of the ground by means of electrical currents.
Gemäß der Erfindung werden wenigstens zwei flächenförmige Elektroden
an beiden Seiten der aufzutauenden Stelle des Erdbodens auf die Erdoberfläche gelegt
oder dieser bis auf einen kleinen Abstand
(Größenordnung = cm) genähert
und durch eine Hochfrequenzstromquelle mit einer Periodenzahl von vorzugsweise mehr
als 3 - io" Hz verbunden. Da die Dielektrizitätskonstante des Erdbodens größer als
die von Luft ist, verläuft das hochfrequente elektrische Feld vorwiegend durch den
Erdboden und ruft bei ausreichender Ergiebigkeit der Hochfrequenzstromquelle in
dem ganzen Bereich starker Feldzusammendrängung so große dielektrische Verluste
und Stromwärmeverluste hervor, daß das darin enthaltene Eis schmilzt. Die Wahl einer
Frequenz, welche groß ist gegen die des technischenWechselstromes, ist von Bedeutung,
weil die Leitfähigkeit des Erdbodens, wenigstens vor dem Auftauen, dabei einen im
wesentlichen kapazitiven Charakter hat. Das von dem Hochfrequenzfeld durchsetzte
Erdreich bildet einen verlustbehafteten Kondensator und die Wärmeentwicklung in
dem gefrorenen Erdreich geschieht durch dielektrische Verlustarbeit in den festen
Substanzen des Bodens. Der Wassergehalt ist dabei von untergeordneter Bedeutung,
und die Erwärmung setzt sogleich beim Einschalten des Gerätes ein. Bei der Anwendung
von Strömen niedriger Frequenz kommt dagegen nur die Joulesche Wärme in Betracht,
wobei eine endliche galvanische Leitfähigkeit vorausgesetzt werden muß. Eine solche
Leitfähigkeit von technisch ausnutzbarer Größe ergibt sich aber im wesentlichen
nur durch das im Erdreich vorhandene Wasser. Da die Leitfähigkeit im ganz gefrorenen
Zustand gering ist, kommt die erwärmende Wirkung wegen der begrenzten Höhe der angelegten
Spannung nur langsam in Gang und hat die Neigung, sich auf die erwähnten Leitbahnen
von Schmelzwasser zu beschränken, welche sich als niedrigere Widerstände dem Widerstand
des noch gefrorenen Erdreiches parallel schalten und so ein gleichmäßiges Auftauen
verhindern. Bei der Anwendung von Hochfrequenzenergie spielt natürlich beim Fortschreiten
des Auftauens und beim Anwachsen der Leitfähigkeit die Joulesche Wärme ebenfalls
eine Rolle. Da es aber im Anfang des Vorganges nicht zu der erwähnten Ausbildung
von Kurzschlußleitbahnen kommt, so bleibt die Wärmeentwicklung bis zum völligen
Auftauen ziemlich gleichmäßig verteilt.According to the invention, at least two sheet-like electrodes
placed on the surface of the earth on both sides of the part of the earth to be thawed
or this up to a small distance
(Order of magnitude = cm) approximated
and by a high frequency power source with a period number of preferably more
than 3 - io "Hz. Since the dielectric constant of the ground is greater than
that is from air, the high-frequency electric field runs mainly through the
Ground and, if the high-frequency power source is sufficiently productive, calls in
the whole area of strong field crowding has such great dielectric losses
and current heat losses cause the ice contained therein to melt. Choosing one
Frequency, which is large compared to that of the technical alternating current, is important
because the conductivity of the ground, at least before thawing, has an im
has an essential capacitive character. The one interspersed with the high frequency field
Soil forms a lossy condenser and heat builds up in
The frozen ground happens due to dielectric loss work in the solid
Soil substances. The water content is of subordinate importance,
and the heating starts immediately when the device is switched on. In the application
of currents of low frequency, on the other hand, only Joule heat comes into consideration,
a finite galvanic conductivity must be assumed. Such
However, conductivity of a technically usable size essentially results
only through the water present in the ground. Since the conductivity in the completely frozen
Condition is low, the warming effect comes because of the limited amount of applied
Tension takes off slowly and has a tendency to concentrate on the aforementioned channels
from meltwater to restrict, which turns out to be lower resistances to the resistance
of the still frozen ground in parallel and thus an even thawing
impede. The application of radio frequency energy naturally plays a role in progression
thawing and the increase in conductivity also the Joule heat
a role. But since the beginning of the process does not involve the training mentioned
comes from short-circuit conductors, the heat development remains until complete
Thawing fairly evenly.
In der Zeichnung ist die praktische Ausführung der Erfindung an Hand
von zwei Beispielen schematisch veranschaulicht. Die Abb. i und 2 betreffen eine
im Auf- und Grundriß dargestellte Einrichtung mit am Boden anliegenden Elektroden,
während die Abb. 3 und 4 sich auf eine Einrichtung mit Luftspalten zwischen den
Elektroden und dem Boden beziehen. Um die mit i bezeichnete Stelle des Erdbodens
aufzutauen, werden gemäß Abb. i und 2 die beiden Elektroden 2 und 3 zu beiden Seiten
dieser Stelle auf den Erdboden gelegt. Damit sie sich an die Unterlage eng anschmiegen,
ist es zweckmäßig, sie zu beschweren. Sehr vorteilhaft ist in dieser Hinsicht die
Verwendung von Elektroden aus einem nachgiebigen Drahtgeflecht. Ferner ist es zweckmäßig,
jede Elektrode mit einer Sandschicht 4, 5. zu bedecken, weil diese einerseits die
Verbindung der Elektrode mit dem Erdboden verbessert und andererseits das Auftreten
von Sprühentladungen an der Elektrode verhindert. Die beiden Elektroden werden durch
eine Hochfrequenzstromquelle 6 miteinander verbunden. Dadurch wird zwischen ihnen
ein elektrisches Feld aufgerichtet, dessen Verlauf durch die punktiert eingetrauenen
Feldlinien angedeutet ist. In der Darstellung wurde zum Ausdruck gebracht, daß die
Feldliniendichte gerade in dem aufzutauenden Bereich des Erdbodens wesentlich größere
Werte erreicht als in der Umgebung und insbesondere in der Luft. An Stelle nur eines
Elektrodenpaares können auch mehrere Elektroden verwendet werden, welche in zwei
einander gegenüberliegenden Gruppen um die aufzutauende Stelle herum angeordnet
werden.In the drawing, the practical implementation of the invention is on hand
illustrated schematically by two examples. Figs. I and 2 relate to one
Facility shown in elevation and plan with electrodes resting on the floor,
while Figs. 3 and 4 refer to a device with air gaps between the
Electrodes and the ground. Around the point on the ground marked i
To thaw, the two electrodes 2 and 3 on both sides are shown in Fig. i and 2
this place on the ground. So that they hug the surface tightly,
it is appropriate to weight them down. This is very beneficial in this regard
Use of electrodes made from a flexible wire mesh. It is also useful
to cover each electrode with a layer of sand 4, 5. because this on the one hand the
Connection of the electrode to the ground is improved and, on the other hand, the occurrence
from spray discharges on the electrode. The two electrodes are through
a high frequency power source 6 connected to one another. This gets between them
an electric field is set up, its course through the dotted graved
Field lines is indicated. In the representation it was expressed that the
Field line density, especially in the area of the ground that is to be thawed, is much greater
Values reached than in the environment and especially in the air. Instead of just one
Electrode pairs can also be used several electrodes, which in two
arranged opposite groups around the place to be thawed
will.
Abb. 3 zeigt eine Einrichtung mit denselben Bestandteilen wie
die Abb. i und 2, aber einem absichtlich eingehaltenen Luftspalt 7 zwischen den
Elektroden 2, 3 und der Erdoberfläche. Dieser hat zur Folge, daß sich für den Ausgangskreis
des Hochfrequenzerzeugers das in Abb. 4 dargestellte Ersatzschaltbild ergibt. Der
Ausgangskreis besteht aus der Schwingkreisinduktivität 8 und einer Schwingkreiskapazität
mit geerdetem Mittelpunkt, die durch zwei in Reihe geschaltete Kondensatoren 9,
io gebildet werden möge. Zu ihr im Nebenschluß liegt der Verbraucher, der als Kondensator
mit verlustbehaftetem Dielektrikum zu behandeln ist. Die Kondensatorbelegungen werden
durch die Elektroden 2, 3 gebildet, während das Dielektrikum aus den beiden Luftspalten
7 und dem vom elektrischen Hochfrequenzfeld durchsetzten Erdreich ii zusammengesetzt
ist. Die Anwesenheit der Luftspalte hat zur Folge, daß der Verbraucher unter allen
Umständen eine kapazitive Belastung des Schwingungskreises darstellt und die Einwelligkeit
des aus dem Schwingungskreis und dem Verbraucher bestehenden Resonanzsystem gewahrt
bleibt. Die Luftspalte 7 haben zweckmäßig eine Länge in der Größenordnung von cm
und werden durch Isolatoren 12 (Abb. 3) mit möglichst kleiner Dielektrizitätskonstante
bestimmt. Es ist vorteilhaft, die Luftspaltlänge einstellbar zu machen, um dadurch
die Möglichkeit einer Anpassung an verschiedene Bodeneigenschaften zu gewinnen.Fig. 3 shows a device with the same components as Figs. I and 2, but an intentionally maintained air gap 7 between the electrodes 2, 3 and the surface of the earth. The consequence of this is that the equivalent circuit diagram shown in Fig. 4 results for the output circuit of the high-frequency generator. The output circuit consists of the resonant circuit inductance 8 and a resonant circuit capacitance with a grounded center point, which may be formed by two capacitors 9, io connected in series. Shunted to it is the consumer, which is to be treated as a capacitor with a lossy dielectric. The capacitor coverings are formed by the electrodes 2, 3, while the dielectric is composed of the two air gaps 7 and the soil ii through which the electrical high-frequency field passes. The presence of the air gap has the consequence that the consumer is under all circumstances a capacitive load on the oscillation circuit and the single-ripple of the resonance system consisting of the oscillation circuit and the consumer is preserved. The air gaps 7 expediently have a length in the order of magnitude of cm and are determined by insulators 12 (FIG. 3) with the lowest possible dielectric constant. It is advantageous to make the air gap length adjustable in order to gain the possibility of adaptation to different soil properties.
Wenn die Elektroden mit dem frequenzbestimmenden Schwingungskreis
eines als Hochfrequenzquelle verwendeten Röhrensenders über eine Energieleitung
verbunden sind und eine gegen die Wellenlänge nicht mehr zu vernachlässigende Länge
haben, z. B. länger als A/io sind, so besteht die Gefahr, daß im Sender Zieherscheinungen
auftreten, welche Betriebsstörungen zur Folge haben können oder zumindest eine besonders
geschickte Bedienung des Senders bedingen. Diese Zieherscheinungen lassen sich dadurch
vermeiden, däß die Elektroden hinsichtlich ihrer Länge so bemessen werden, daß sie
im Betriebfrequenzbereieh die Eigenschaft einer Leitung haben, und daß der Wellenwiderstand
der Energieleitung dem der Elektrodenanordnung wenigstens angenähert gleich gemacht
wird. Infolge der Dämpfung durch den Erdboden tritt längs der Elektroden im wesentlichen
nur eine fortschreitende Welle auf, deren Amplituden von der Speisestelle nach dem
freien Ende der Elektroden hin abnehmen. Die Anpassung der Wellenwiderstände der
Energieleitung und Elektrodenanordnung hat zur Folge, daß an der Speisestelle selbst
eine merkliche
Reflexion der Schwingungen nicht zustande kommt.
Der Erfolg dieser Maßnahme beschränkt sich jedoch nicht darauf, daß die Zieherscheinungen
entfallen, sondern er besteht außerdem noch darin, daß der Koppelkondensator, über
welchen die Elektroden an den Schwingungskreis des Generators angeschlossen sind,
eine geringere Kapazität zu haben braucht als bei stationärer Stromverteilung auf
den Elektroden. Es ist nun nicht notwendig, die Elektroden so lang zu machen, daß
die Amplitude der fortschreitenden Welle an ihrem freien, d. h. dem Speisepunkt
abgekehrten Ende klein ist gegen die Amplitude am Speisepunkt selbst. Es ist sogar
zweckmäßig, die Elektrodenlänge so zu wählen, daß die Amplituden der fortschreitenden
Welle am Speisepunkt und am freien Ende sich wie 2 : i verhalten. Dann tritt nämlich
am offenen Ende durch Reflexion eine Spannungserhöhung auf den doppelten Wert ein,
während die rücklaufende Welle am Speisepunkt auf 1/4 der Amplitude der fortschreitenden
Welle an diesem Punkte absinkt. Das Ergebnis ist eine ziemlich gleichmäßige Spannungsverteilung
längs der Elektroden, während die Impedanz der Elektrodenanordnung mit hinreichender
Annäherung gleich dem Wellenwiderstand ist. Diesen Überlegungen liegt eine bestimmte
Bodenleitfähigkeit zugrunde. Man tut gut daran, die Länge der Elektroden so groß
zu wählen, daß die angestrebte Spannungsverteilung zustande kommt, wenn die Elektroden
auf dem Boden unmittelbar aufliegen oder aber einen Mindestabstand von ihm haben
und die Bodenleitfähigkeit den kleinsten in Betracht kommenden Wert hat. Bei größerer
Bodenleitfähigkeit kann dieselbe Dämpfung der längs der Elektroden fortschreitenden
Welle durch Einfügung eines Luftspaltes zwischen dem Boden und den Elektroden oder
durch Vergrößerung des bestellenden Luftspaltes eingestellt werden. Der Anschluß
der Energieleitung an die Elektroden erfolgt vorwiegend an einem Ende derselben,
jedoch kann auch eine andere Stelle der Elektroden, insbesondere die Mitte derselben
mit der Energieleitung verbunden werden.When the electrodes are connected to the frequency-determining oscillation circuit
a tube transmitter used as a high frequency source via a power line
are connected and a length that can no longer be neglected in relation to the wavelength
have e.g. B. are longer than A / io, there is a risk that the transmitter will drag
occur, which can result in malfunctions or at least one in particular
require skillful operation of the transmitter. These signs of pulling can thereby
avoid that the electrodes are dimensioned in terms of their length so that they
have the characteristic of a line in the operating frequency range, and that the characteristic impedance
the power line made at least approximately equal to that of the electrode arrangement
will. As a result of the attenuation by the ground occurs essentially along the electrodes
only one advancing wave, the amplitudes of which from the feed point to the
Remove the free end of the electrodes. The adjustment of the wave resistance of the
Energy conduction and electrode arrangement have the consequence that at the feed point itself
a noticeable one
Reflection of the vibrations does not materialize.
The success of this measure is not limited to the pulling symptoms
omitted, but it also consists in the fact that the coupling capacitor over
which the electrodes are connected to the oscillating circuit of the generator,
Need to have a lower capacity than with stationary power distribution
the electrodes. It is now not necessary to make the electrodes so long that
the amplitude of the advancing wave at its free, d. H. the feed point
remote end is small against the amplitude at the feed point itself. It even is
expedient to choose the electrode length so that the amplitudes of the progressive
Wave at the feed point and at the free end behave like 2: i. Then you step
at the open end a voltage increase to double the value due to reflection,
while the returning wave at the feed point is 1/4 the amplitude of the advancing one
Wave sinks at this point. The result is a fairly even distribution of stress
along the electrodes, while the impedance of the electrode arrangement with sufficient
Approximation is equal to the wave resistance. There is a definite factor in these considerations
Ground conductivity. One would do well to make the length of the electrodes so great
to choose that the desired voltage distribution comes about when the electrodes
lie directly on the floor or have a minimum distance from it
and the soil conductivity has the smallest possible value. With larger
Soil conductivity can have the same attenuation as that progressing along the electrodes
Wave by inserting an air gap between the bottom and the electrodes or
can be set by increasing the air gap to be ordered. The connection
the energy conduction to the electrodes takes place mainly at one end of the same,
however, another location of the electrodes, in particular the center thereof, can also be used
be connected to the power line.
Die Hochfrequenzstromquelle 6 kann beliebig ausgeführt werden. Mit
Rücksicht auf die vorzugsweise in Betracht kommende kurze Wellenlänge von etwa io
m erscheint jedoch ein Röhrenschwingungserzeuger besonders geeignet. Da hinsichtlich
der Frequenzkonstanz und Oberwellenfreiheit keinerlei erschwerende Forderungen zu
erfüllen sind, wie es bei Sendern der drahtlosen Nachrichtentechnik der Fall ist,
kann der Schwingungserzeuger sehr einfach aufgebaut und mit gutem Wirkungsgrad betrieben
werden. Eine nennenswerte Störung in der Nähe befindlicher Funkempfangsgeräte durch
die beschriebene Auftaueinrichtung braucht nicht befürchtet zu werden, da die Ausstrahlung
von den auf dem Erdboden ruhenden Elektroden sehr gering ist und diese außerdem
ebenso wie sonstige hochfrequenzführende Leiter abgeschirmt werden können. Eine
solche Abschirmung ist in Abb. 3 schematisch angedeutet und mit 13 bezeichnet.The high-frequency power source 6 can be designed as desired. With
Consideration of the preferably short wavelength of about io
However, a tube vibrator appears to be particularly suitable. As regards
The frequency constancy and freedom from harmonics are not subject to any aggravating requirements
are fulfilled, as is the case with transmitters in wireless communications engineering,
the vibration generator can be constructed very simply and operated with good efficiency
will. Significant interference with radio receivers in the vicinity
the thawing device described need not be feared, since the radiation
of the electrodes resting on the ground is very small and this also
as well as other high-frequency conductors can be shielded. One
Such shielding is indicated schematically in FIG. 3 and denoted by 13.