EP3236711B1

EP3236711B1 - Verfahren und vorrichtung zur nicht-invasiven dielektrischen erwärmung von feststoffen

Info

Publication number: EP3236711B1
Application number: EP17167430.2A
Authority: EP
Inventors: Ulf Roland; Markus Kraus; Ulf Trommler; Frank Holzer; Christian Hoyer; Frank-Dieter Kopinke
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2016-04-22
Filing date: 2017-04-20
Publication date: 2020-04-29
Anticipated expiration: 2037-04-20
Also published as: EP3236711A1; DE102016107547B3

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur nicht-invasiven dielektrischen Erwärmung von Feststoffen. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung zur thermischen Behandlung einer ausgedehnten Festkörperstruktur mittels Hochfrequenzenergie, wobei zur Kontaktierung zumindest einer als Elektrode wirkenden Komponente eine kapazitive Kopplung ohne elektrisch Gleichstrom leitende konstruktive Verbindungen durch den Feststoff hindurch realisiert wird.

Technologischer Hintergrund der Erfindung

Die Freisetzung von unerwünschten Stoffen wie Wasser oder Kontaminanten aus Feststoffen und insbesondere aus Baumaterialien wie Mauerwerk, Naturstein, Ziegel, Beton oder Holz kann durch eine kontrollierte Temperaturerhöhung im Material wesentlich beschleunigt werden. Ursachen hierfür können eine Erhöhung des Dampfdruckes und der Diffusionsgeschwindigkeit mit der Temperatur oder die Verdampfung der Fremdstoffe bei ausreichender Aufheizung sein. So wird die Entfeuchtung durch die Verdampfung von Porenwasser und die thermisch unterstützte Desorption von adsorbiertem Wasser wesentlich beschleunigt, insbesondere dann, wenn durch geeignete unterstützende Maßnahmen ein optimaler Wasserabtransport weg von der Oberfläche gewährleistet ist. Analog gilt dies für Chemikalien wie beispielsweise Mineralölkohlenwasserstoffe, Lösungsmittel und Holzschutzmittel, die in Feststoffen als unerwünschte Kontamination enthalten sein können. Eine Kombination von Wasser- und Chemikalienaustrag kann zu einer effektiven Form der Dekontamination führen, wenn der Chemikalienaustrag durch die Bildung von Wasserdampf und die damit verbundene Erzeugung eines inhärenten Transportstromes aus dem Porenraum heraus unterstützt wird. Dieser als Strippen bezeichnete Prozess entspricht einer Wasserdampfdestillation, wie sie aus der chemischen Verfahrenstechnik und aus der durch Hochfrequenz-Erwärmung unterstützten Bodensanierung bekannt ist [U. Roland et al., Environ. Sci. Technol. 44 (2010) 9502].
Die Notwendigkeit einer Entfernung von Wasser und/oder Chemikalien aus Materialien wie Baustoffen kann sich aus verschiedenen Ursachen ergeben. So können Akutereignisse zur Überflutung von Bauwerken oder zu Wasserschäden führen, die unter Umständen auch eine Kontamination mit Heizöl durch Leckagen an Heizungsanlagen mit sich bringen. Der Einsatz toxischer Chemikalien beispielsweise zum Holzschutz kann zu einer inakzeptablen Belastung der Raumluft führen, so dass eine Dekontamination erforderlich ist. Schließlich können Planungs- und Ausführungsfehler zu Feuchteschäden führen, die wiederum energetische und gesundheitliche Probleme, beispielsweise durch Schimmelbildung, mit sich bringen können. Im Baubereich ergeben sich die Randbedingungen für eine Sanierung einerseits aus konstruktiven Aspekten (ein- oder beidseitige Zugänglichkeit, betroffene Materialien, Geometrie u.a.), andererseits aber auch aus Aspekten der Werthaltigkeit und der Denkmalpflege. In der Regel besteht ein besonderer Bedarf an nicht-invasiven Verfahren, die die Baustruktur möglichst wenig stören und schädigen.
Die Sanierungsmaßnahmen müssen naturgemäß bei Bedarf durch Aktivitäten ergänzt werden, die eine Wiederbefeuchtung bzw. -kontamination verhindern. Dabei kann es sich beispielsweise um Horizontalsperren handeln, die durch das Einbringen einer polymer-bildenden Substanz in Mauerwerk realisiert werden. Voraussetzung hierfür ist die Bereitstellung von freiem Porenvolumen im Material, was oft ebenfalls eine vorherige Entfeuchtung erfordert.
Eine Dekontamination im Sinne dieser Erfindungsbeschreibung kann neben der Entfernung von Chemikalien auch so verstanden werden, dass Schädlinge und insbesondere Holzschädlinge durch die Behandlung abgetötet oder zumindest geschädigt werden, indem eine bestimmte Temperatur im Material erreicht wird. Die zur Abtötung notwendigen Letaltemperaturen hängen von den jeweiligen Organismen und deren Entwicklungsstadien ab, können aber auch durch Parameter wie Materialfeuchte und Dauer der Behandlung beeinflusst werden. Obwohl in den meisten Fällen die Abtötung von Holzschädlingen durch thermische Effekte begründet werden kann [S. Steinbach et al., Schützen & Erhalten (2012) 29; C. Hoyer et al., Chemie Ingenieur Technik 86 (2014) 1187], werden in der Literatur auch Selektivitätseffekte diskutiert, die eine Abtötung der Schädlinge bei niedrigeren Temperaturen der den Schädling umgebenden Matrix im Vergleich zur Letaltemperatur erlauben [S.O. Nelson, Trans. Am. Soc. Agricult. Eng. 39 (1996) 1475]. Für die Anwendung im Kontext der Erfindung ist diese Unterscheidung jedoch nicht relevant.
Eine Erhöhung der Temperatur in zu behandelnden Materialien und insbesondere in Baumaterialien, die in eine Struktur eingebunden sind, kann durch verschiedene Verfahren erreicht werden. Das Einbringen von Heizstäben in Bohrlöcher ist zwar technisch relativ einfach, jedoch treten in der Umgebung der Heizstäbe starke Temperaturgradienten auf. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn trockene Materialien eine geringe Wärmeleitfähigkeit aufweisen. Besonders nachteilig ist jedoch die mechanische Schädigung der behandelten Struktur, die gerade im Bereich von denkmalgeschützten Bauten oft nicht akzeptabel ist und auch für sonstige Anwendungen einen Folgesanierungsbedarf mit sich bringt. Es wird deshalb der Einsatz von nicht-invasiven Verfahren angestrebt, auf die im Folgenden näher eingegangen werden soll.
Durch eine Infrarotbestrahlung wird die Oberfläche des Materials erwärmt, wobei durch die sehr geringe Eindringtiefe der Infrarotstrahlung die Erwärmung des Feststoffinneren durch Wärmeleitung erfolgen muss. Im Ergebnis sind hohe Temperaturgradienten mit einer Überhitzung der Oberfläche zu erwarten. Für dieses Verfahren sind bestrahlte und somit erwärmte Flächen von unter einem Quadratmeter typisch. Weiterhin kann es sich nachteilig auswirken, dass die eingestrahlte Infrarotenergie durch den austretenden Wasserdampf teilweise absorbiert wird und somit bei der Trocknung ein Effektivitätsverlust im Hinblick auf die Erwärmung der Oberfläche eintritt. Ähnliches trifft für die Verwendung von Heizdecken oder Heizplatten zu. Auch bei einer Erwärmung des Raumes über Heißgas erfolgt der Wärmetransport von der Oberfläche ausgehend. Der für die Behandlung des Volumens maßgebende Wärmetransport ins Innere des Materials ist nicht davon abhängig, in welcher Weise die erhöhte Oberflächentemperatur etabliert wird (Infrarot, Heizplatten oder Heißgas).
Ein weiteres, z.T. schon etabliertes Verfahren für die nicht-invasive Erwärmung ist die dielektrische Erwärmung mit Mikrowellen mit Frequenzen im Gigahertz(GHz)-Bereich [ EP 1 374 676 B1 ]. Die Erwärmung ist hier vorzugsweise an das Vorhandensein von Wassermolekülen gebunden, da sich diese als Dipolmoleküle in einem äußeren Feld umorientieren und durch Wechselwirkungen mit ihrer Umgebung auf Grund innerer Reibungsverluste eine Erwärmung vermitteln. Einige trockene Baustoffe lassen sich mit dieser Methode deshalb praktisch nicht erwärmen. Auch unpolare Kohlenwasserstoffe (z.B. Mineralölbestandteile) sind zur Vermittlung der Energieeinkopplung ungeeignet. Charakteristisch für die Mikrowellenerwärmung sind die zumeist geringen Eindringtiefen im Zentimeterbereich für die meisten Baustoffe, die zu großen Temperaturgradienten mit den entsprechenden Nachteilen für die Behandlung führen. Dies birgt die Gefahr, dass die für die relevanten Prozesse der Trocknung, Dekontamination oder Abtötung von Schädlingen notwendigen Temperaturen nicht zuverlässig im gesamten Volumen erreicht werden.
Ein innovatives direktes Erwärmungsverfahren, dessen Wirkprinzip dem der MikrowellenErwärmung ähnelt, ist die dielektrische Erwärmung mittels Radiowellen, d.h. elektromagnetischen Wellen im Radiofrequenz-Bereich von einigen Megahertz (MHz) [ DE 20 2008 012 371 U1 ]. Diese Methode einer volumetrischen Aufheizung erzielt deutlich homogenere Temperaturprofile auf Grund einer wesentlich größeren Eindringtiefe in die Materialien im Meter-Bereich. Damit ist ein aus verschiedenen Materialien bestehendes Mauerwerk in der Regel gut thermisch zu behandeln. Nach dem Stand der Technik ist es jedoch, wie in DE 20 2010 001 410 U1 beschrieben, erforderlich, beidseitig einer flächigen Struktur Elektroden anzubringen und diese zu kontaktieren. Hierfür sind, sofern keine natürlichen Öffnungen vorhanden sind, Löcher in die zu erwärmende Wand einzubringen, durch die elektrisch leitende Mittel zur Kontaktierung geführt werden müssen. Obwohl dieses Verfahren gegenüber einer invasiven Methode wie dem Einbringen von Heizstäben bereits wesentlich schonender ist, muss eine Schädigung des zu behandelnden Baukörpers jedoch in Kauf genommen werden. Dies kann unter Umständen die Anwendbarkeit der Radiofrequenz-Erwärmung trotz ihrer Vorteile gerade im denkmalgeschützten Bereich erheblich einschränken. Darüber hinaus ist es mit der konventionellen Anordnung schwieriger, die Wand oder andere zu behandelnde Feststoffstrukturen sukzessiv zu behandeln, da in der Regel beide Elektroden unter Beibehaltung der beschriebenen Kontaktierung und unter Gewährleistung der adäquaten elektromagnetischen Abschirmung versetzt werden müssen, was auch eine mehrfache Durchbohrung des Mauerwerks erforderlich machen würde.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Verfügung zu stellen, die die genannten Vorteile der Radiofrequenz-Erwärmung hinsichtlich Einsatzbreite und Homogenität der Temperaturprofile aufgreift und dabei die beschriebenen Nachteile des Standes der Technik überwindet, wodurch sich das Einsatzpotential der Radiowellen-Technologie für die genannten und weitere Applikationen signifikant vergrößert. Mit dem Verfahren und der Vorrichtung nach der vorliegenden Erfindung soll es möglich sein, in nicht-invasiver Weise praktisch ohne Schädigung des Materials und der Struktur Anordnungen aus Materialien wie z.B. Stein, Beton, Ziegel oder Holz effizient thermisch zu trocknen und/oder zu dekontaminieren, wobei sowohl chemische als auch biologische Kontaminationen eliminiert werden können. Die Erfindung soll es ermöglichen, auch nur einseitig zugängliche, so genannte einhäuptige Strukturen nach den genannten Prinzipien erfolgreich zu behandeln.
DE 94 13 736 U1 offenbart eine Mikrowellen-Trocknungs- und Schädlingsbekämpfungsanlage, bei der die Wirksamkeit hochfrequenter Wechselfelder ausgenutzt wird. Aus EP 0 581 815 A1 sind ein Verfahren zur Verhinderung und Bekämpfung von Pilzbefall in Gebäudestrukturen sowie Elektroden zur Ausführung des Verfahrens bekannt. FR1 151 084 A betrifft ein Elektrodensystem zur dielektrischen Verlustheizung und insbesondere ein System, bei dem zwei Elektroden nebeneinander auf einer Seite eines zu erhitzenden Volumens angeordnet sind und sich eine Gegenelektrode auf der gegenüberliegenden Seite befindet.

Zusammenfassung der Erfindung

Diese Aufgaben werden erfindungsgemäß durch die unabhängigen Patentansprüche gelöst. Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen enthalten.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur dielektrischen Erwärmung von Feststoffen umfasst das Bereitstellen mindestens einer spannungsführenden Elektrode und mindestens einer Schirmungselektrode auf einer ersten Seite eines Feststoffs sowie mindestens eines Kopplungselements auf einer zweiten Seite des Feststoffs, wobei sich die erste Seite des Feststoffs und die zweite Seite des Feststoffs gegenüberliegen. Weiterhin erfolgt eine Einstellung des Flächenverhältnisses zwischen dem Überlappungsbereich zwischen den Oberflächen des mindestens einen Kopplungselements und der mindestens einen Schirmungselektrode, und den Oberflächen der mindestens einen spannungsführenden Elektrode, wobei das Flächenverhältnis größer als 3:1 ist. Weiterhin erfolgt eine zumindest teilweise kapazitive Kopplung des mindestens einen Kopplungselements mit der mindestens einen Schirmungselektrode. Weiterhin umfasst das Verfahren das Anlegen einer Hochfrequenz-Spannung an die mindestens eine spannungsführende Elektrode, wobei die Hochfrequenz-Spannung eine Frequenz aus dem Bereich zwischen 500 kHz und 500 MHz aufweist.
Vorzugsweise ist das Verfahren zur dielektrischen Erwärmung von Feststoffen mit Hochfrequenz-Energie dadurch gekennzeichnet, dass der Feststoff zumindest teilweise zwischen mindestens einer spannungsführenden, so genannten heißen Elektrode und mindestens eines Kopplungselements angeordnet ist und dass das Kopplungselement mit einer Schirmungselektrode, die sich auf der Seite der heißen Elektrode befindet, kapazitiv gekoppelt ist, so dass sich im Feststoff ein hochfrequentes elektrisches Feld zwischen heißer Elektrode und Kopplungselement aufbaut, das zur Erwärmung des Feststoffes führt.
Das angewandte elektrische Feld kann bevorzugt eine Hochfrequenz im Bereich zwischen 500 kHz und 500 MHz, ebenfalls bevorzugt zwischen 1 und 50 MHz und besonders bevorzugt eine für industrielle, medizinische und Forschungsanwendungen freigegebene ISM-Frequenz in diesem Bereich, beispielsweise 13,56 MHz oder 27 MHz, aufweisen.
Die Idee der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen Festkörper aus einem Feststoff und insbesondere eine Baustruktur derart mit Hilfe einer kapazitiven Kopplung thermisch zu behandeln, dass es nicht notwendig ist, durch die Festkörperstruktur oder an ihr vorbei elektrisch leitende Verbindungen zur Kontaktierung zu führen. Vorzugsweise ist die thermische Behandlung mit einer signifikanten Temperaturerhöhung verbunden, die es erlaubt, Wasser und/oder Schadstoffe effizienter aus dem Festkörper zu entfernen und/oder im Festkörper vorhandene Schadorganismen durch Überschreitung einer Letaltemperatur abzutöten und/oder diese irreversibel zu schädigen. Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich besonders für die Behandlung von Strukturen, die planare und zueinander parallel angeordnete Oberflächen besitzen. Ein Beispiel hierfür sind gemauerte oder betonierte Wände in Gebäuden.
Im Gegensatz zu dem Effekt der kapazitiven Kopplung, die im Zusammenhang mit der elektromagnetischen Verträglichkeit zu beachten ist [A.J. Schwab, Elektromagnetische Verträglichkeit, Springer Verlag 1996, ISBN 3-540-60787-0], wird im erfindungsgemäßen Fall dieses Instrument zum gezielten Energieeintrag genutzt. Unter dem Aspekt der elektromagnetischen Verträglichkeit führt eine kapazitive Kopplung beispielsweise zu einer unerwünschten Einkopplung hochfrequenter Spannungen in parallel liegende Leitungen. Sie kann auch bewusst dazu eingesetzt werden, um hochfrequente Spannungen auf unterschiedlichen Gleichspannungsniveaus zu übertragen. In beiden Fällen unterscheiden sich die Anwendungen trotz der Verwendung desselben Begriffs sehr deutlich von dem erfindungsgemäßen Verfahren, bei dem dieses Prinzip genutzt wird, um über einen Energieeintrag eine dielektrische Erwärmung zu realisieren.
Vorzugsweise wird die Umsetzung des erfinderischen Verfahrens mit einer Anordnung realisiert, bei der sich auf einer Seite der Struktur eine spannungsführende flächige Elektrode im bevorzugt zu erwärmenden Bereich der Struktur befindet (heiße Elektrode), auf derselben Seite eine ausgedehnte geerdete und elektrisch leitfähige Elektrode (Schirmungselektrode), die als Schirmung wirken kann und die üblicherweise im Abstand von einigen Zentimetern auch über die heiße Elektrode ausgedehnt ist, angeordnet ist und sich auf der anderen Seite der zu behandelnden Struktur ein als Elektrode wirkendes Kopplungselement befindet, das mit den beiden erstgenannten Komponenten kapazitiv gekoppelt ist. Das Kopplungselement befindet sich an der Position einer "kalten" Elektrode bei der konventionellen Zweielektrodenanordnung (vgl. z.B. DE 20 2010 001 410 U1 ). Vorzugsweise ist die Feldstärke des Hochfrequenzfeldes zwischen dem Kopplungselement und der heißen Elektrode besonders hoch, was zu einer Erwärmung vor allem zwischen der heißen Elektrode und dem Kopplungselement führt. In einer besonders bevorzugten Anordnung ist die heiße Elektrode von einer als Schirmung wirkenden elektrisch leitfähigen Struktur, welche als Schirmungselektrode wirkt, komplett überspannt, so dass die elektromagnetische Abstrahlung in die Umgebung minimiert wird. Vorzugsweise umfasst das mindestens eine Kopplungselement eine elektrisch leitfähige Kopplungselektrode, wobei die Kopplungselektrode ein metallisches Material umfassen kann.
Bevorzugt ist, dass ein vorgewähltes Aufheizregime durch eine Anpassung der eingebrachten HF-Leistung an mindestens eine im Volumen gemessene Temperatur erfolgt. Ebenfalls bevorzugt ist, dass durch die Temperaturerhöhung die Trocknung des Feststoffes beschleunigt wird. Bevorzugt ist auch, dass durch die Temperaturerhöhung der Austrag von Schadstoffen aus dem Feststoff beschleunigt wird. Ebenfalls bevorzugt ist, dass dabei der Austrag der Schadstoffe durch den Austrag von Wasserdampf unterstützt wird. Besonders bevorzugt ist, dass durch die Temperaturerhöhung eine Abtötung und/oder eine Beeinträchtigung der Lebensfähigkeit von Holzschädlingen erfolgt.
Die Erwärmung wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ohne direkte Kontaktierung dadurch realisiert, dass eine kapazitive Kopplung zwischen Schirmungselektrode und Kopplungselement erfolgt. Dies bedeutet vereinfacht gesprochen eine indirekte Kontaktierung des Kopplungselements, die dann funktionell ähnlich einer kalten Elektrode bei klassischen Anordnungen nach dem Stand der Technik wirken kann. Die Schirmungselektrode ist vorzugsweise geerdet, beispielsweise indem sie elektrisch leitend mit dem Gehäuse eines vorgeschalteten elektronischen Anpassnetzwerkes, einer sogenannten Matchbox, verbunden ist. Die kapazitive Kopplung bedeutet also, dass die Potentialdifferenz zwischen Schirmungselektrode und Kopplungselement klein gegenüber der Potentialdifferenz zwischen Kopplungselement und "heißer" Elektrode ist. Dadurch ergibt sich beispielsweise für Feststoffstrukturen mit ausreichender Homogenität eine deutlich höhere elektrische Feldstärke zwischen heißer Elektrode und Kopplungselement als zwischen Schirmungselektrode und Kopplungselement. Bekanntermaßen führt dies zu einer stärkeren dielektrischen Erwärmung zwischen heißer Elektrode und Kopplungselement im Vergleich zum Volumen abseits der heißen Elektrode. Bevorzugt sind dabei insbesondere solche Ausführungsformen, bei denen die Hochfrequenz-Spannung durch einen Hochfrequenzgenerator erzeugt wird und die von der mindestens einen spannungsführenden Elektrode zum Hochfrequenzgenerator rückreflektierte Leistung durch ein elektronisches Anpassnetzwerk minimiert wird. In einer vorzugsweisen Realisierung von Verfahren und Vorrichtung wird die kapazitive Kopplung zwischen Schirmungselektrode und Kopplungselement teilweise oder vollständig durch ein Material realisiert, das sich von dem vorzugsweise zu erwärmenden Material zwischen heißer Elektrode und Kopplungselement hinsichtlich seiner elektrischen Eigenschaften unterscheidet. Weiterhin ist bevorzugt, dass sich die jeweiligen Materialien bzw. Stoffe zwischen heißer Elektrode und Kopplungselement und zwischen Schirmungselektrode und Kopplungselement ganz oder teilweise voneinander unterscheiden.
Eine erfindungsgemäße dielektrische Erwärmung von Festkörperstrukturen ist somit auch möglich, wenn eine Seite der erzeugten Kondensatoranordnung, die den zu erwärmenden Feststoff enthält, keine (direkte) elektrisch Gleichstrom leitende Kontaktierung besitzt. Dies trifft sogar zu, wenn das Kopplungselement gar keine Elektrode im eigentlichen Sinne darstellt, sondern wenn ein natürlich anstehendes Medium wie beispielsweise feuchter Boden diese Funktion übernimmt. Dies ist insbesondere im Kontext von Anwendungen im Bauwesen relevant. Hierbei kann es sich beispielsweise um die Trocknung und/oder Dekontamination von chemisch oder biologisch kontaminiertem Mauerwerk oder anderen Baustoffen handeln. Damit sind ein- und beidseitig zugängliche Strukturen thermisch behandelbar. Bevorzugt ist unter anderem im genannten Anwendungskontext, dass das mindestens eine Kopplungselement durch ein natürliches Kompartiment (Umweltkompartiment) gebildet wird oder dieses umfasst. Insbesondere werden keine metallischen bzw. elektrisch leitfähigen Kopplungselektroden benötigt. Vorzugsweise handelt es sich bei dem natürlichen Kompartiment um anstehendes oder aufgefülltes Erdreich.
In einer vorzugsweisen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens für einhäuptige Problemfälle wird daher die kapazitiv gekoppelte Gegenelektrode (Kopplungselektrode), die sich gegenüber der "heißen" Elektrode befindet, durch eine natürliche Struktur zur Verfügung gestellt. Dies kann beispielsweise ein anstehender Boden mit einer ausreichenden Hochfrequenzleitfähigkeit sein, so dass diese natürliche Elektrode als Kopplungselement fungieren kann und näherungsweise eine Äquipotentialfläche ausbildet. Ein typisches Beispiel hierfür kann bei einer solchen einhäuptigen Anordnung im Kellerbereich von Gebäuden feuchtes anstehendes Erdreich sein. Die kapazitive Kopplung ist dadurch möglich, dass bei den eingesetzten Frequenzen der zu behandelnde Festkörper, der als Kondensator zwischen den beidseitig angeordneten Elektroden wirkt, eine ausreichende dielektrische Leitfähigkeit aufweist, was den Potentialunterschied zwischen der Schirmungselektrode und dem Kopplungselement auf der Gegenseite deutlich reduziert.
In einer bevorzugten Variante bei der Anwendung werden die Eigenschaften des natürlichen Kompartiments gezielt variiert, damit dieses die Funktion als Kopplungselement besser erfüllen kann. Eine typische vorzugsweise Option in diesem Sinne ist die Befeuchtung von anstehendem Boden, um dessen elektrische Leitfähigkeit und damit dessen Wirkung als elektrodenäquivalentes Kopplungselement zu verbessern. Die entsprechende Befeuchtung kann bei Bedarf kontinuierlich erfolgen oder mehrfach wiederholt werden.
In bestimmten Situationen können sich auch die Materialien für die verschiedenen Bereiche der zu behandelnden Feststoffstruktur unterscheiden oder räumlich voneinander getrennt sein. Beispielsweise kann sich das vorzugsweise zu erwärmende Material zwischen der heißen Elektrode und dem Kopplungselement, von dem Material unterscheiden, durch das die kapazitive Kopplung in der beschriebenen Weise realisiert wird.
Für die Funktion des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es in der Regel notwendig, dass die überlappende Fläche zwischen Schirmung und "kalter" Elektrode auf der Gegenseite deutlich größer als die Fläche der "heißen" Elektrode ist. Vorzugsweise ist das entsprechende Verhältnis größer als 4:1, besonders bevorzugt mindestens 8:1. In diesem Fall ist mit einer bevorzugten Erwärmung des Volumens zu rechnen, welches sich zwischen heißer Elektrode und Kopplungselement befindet. Das entsprechende Flächenverhältnis ist von den konkreten stofflichen und geometrischen Gegebenheiten abhängig und gegebenenfalls experimentell oder durch Modellrechnung zu ermitteln. Bevorzugt wird das Flächenverhältnis zwischen heißer Elektrode und dem Überlappungsbereich von Schirmungselektrode und entgegengesetzt angeordnetem Kopplungselement so eingestellt, dass die Erwärmung vorzugsweise im Volumen zwischen heißer Elektrode und Kopplungselement erfolgt.
Es ist jedoch auch möglich, das Verhältnis der Flächen von Schirmungselektrode und heißer Elektrode so zu wählen, dass ein bestimmtes Verhältnis der Aufheizraten in beiden Volumenbereichen (zwischen heißer Elektrode und Kopplungselement bzw. zwischen Schirmungselektrode und Kopplungselement) eingestellt wird, was unter bestimmten Umständen für den verfahrenstechnischen Ablauf vorteilhaft sein kann. So kann beispielsweise erreicht werden, dass der kältere Bereich der Festkörperstruktur eine Temperatur nicht unterschreitet, die zu einer Rekondensation von verdampften Stoffen wie Wasser oder Chemikalien führen würde. Bevorzugt ist, dass das erfindungsgemäße Verfahren, zum Zwecke einer maximalen Erwärmung des Bereichs zwischen der mindestens einen spannungsführenden Elektrode und dem mindestens einen Kopplungselement, weiterhin die Einstellung des Flächenverhältnisses zwischen dem Überlappungsbereich zwischen den Oberflächen des mindestens einen Kopplungselements und der mindestens einen Schirmungselektrode, und den Oberflächen der mindestens einen spannungsführenden Elektrode. Insbesondere sind dabei Flächenverhältnisse von größer als 3:1, größer als 6:1 und größer als 10:1 besonders bevorzugt. Bevorzugt kann über das Flächenverhältnis ein vorgewähltes Verhältnis der Aufheizraten innerhalb und außerhalb des Bereiches zwischen der mindestens einen spannungsführenden Elektrode und dem mindestens einen Kopplungselement eingestellt werden. Vorzugsweise kann das Verhältnis der Überlappungsflächen von heißer Elektrode und Kopplungselement bzw. von Schirmungselektrode und Kopplungselement so gewählt werden, dass ein vordefiniertes Verhältnis der Aufheizraten im zu behandelnden Feststoff in den Bereichen zwischen heißer Elektrode und Kopplungselement bzw. zwischen Schirmungselektrode und Kopplungselement realisiert wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren beruht auf einer direkten dielektrischen Erwärmung des Materials, wobei ein als Elektrode wirkendes Element, das Kopplungselement, kapazitiv und nicht direkt elektrisch über die Schirmungselektrode mit der HF-Spannungsquelle verbunden ist. Hierzu wird ein hochfrequentes elektrisches Wechselfeld derart angelegt, dass sich im Festkörper ein solches Feld etabliert, das zur Umorientierung oder anderweitigen Bewegung polarer Strukturen im Festkörper führt. Deren Umorientierung bzw. Bewegung ist durch die Wechselwirkung mit ihrer Umgebung mit Reibungsverlusten verbunden, die zur Erwärmung im Volumen führen. Während die Orientierungspolarisation des Wassermoleküls im MHz-Bereich im Gegensatz zum GHz-Frequenzbereich der Mikrowellen nicht zu einer effizienten Energieeinkopplung und damit Erwärmung führt, können beispielsweise Prozesse der lonenbeweglichkeit zu einer sehr effizienten Erwärmung im MHz-Frequenzbereich führen. Aus diesem Grund ist es im eingesetzten Frequenzbereich auch möglich, trockene Materialien effizient zu erwärmen. Die Mechanismen der Energieeinkopplung, die der dielektrischen Erwärmung zugrunde liegen, sind der Fachliteratur zu entnehmen. Für die Umsetzung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es unerheblich, auf welchem physikalischen Wirkprinzip die dielektrische Erwärmung konkret beruht. Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt durch die Umsetzung der Vorteile der Radiowellen-Erwärmung eine vergleichsweise homogene Erwärmung von Bauwerksstrukturen auch dann, wenn eine Durchführung von elektrischen Leitungen durch die Struktur nicht möglich ist oder wenn die Struktur nur von einer Seite zugänglich ist, weil beispielsweise Erdreich die zu erwärmende Struktur auf der der heißen Elektrode abgewandten Seite begrenzt.
Die Vielzahl von Prozessen, die für die einzelnen Stoffe einen dielektrischen Energieeintrag, d.h. eine Absorption von Energie im Hochfrequenzbereich, ermöglicht, bringt eine hohe Flexibilität hinsichtlich der zu behandelnden Materialien mit sich. Es können trockene und feuchte, poröse und unporöse Stoffe mit hoher Effizienz erwärmt werden. Als Beispiele aus dem Baubereich seien Naturstein, Ziegelmauerwerk, Beton oder Holz genannt. Dies schließt gegebenenfalls Zwischen- und Deckschichten wie Mörtelfugen und Putzoberflächen mit ein. Das erfindungsgemäße Verfahren ist jedoch auch auf andere Bereiche der Verfahrenstechnik übertragbar. So kann es sich bei der zu erwärmenden Feststoffstruktur prinzipiell auch um ein Bauteil aus Kunststoff oder Keramik oder um ein Schüttbett aus verschiedenen Materialien wie Adsorbenzien oder Katalysatoren handeln. Weitere Applikationen mit anderen Materialien werden ausdrücklich nicht ausgeschlossen.
Der Grenzfall einer idealen kapazitiven Kopplung wäre nur dann zu erreichen, wenn das Verhältnis aus den überlappenden Flächen von Schirmungselektrode und Kopplungselement einerseits und heißer Elektrode und Kopplungselement andererseits unendlich groß wäre. Im realen Einsatzfall ist die elektrische Feldstärke, die für die Aufheizrate relevant ist, durch das endliche Flächenverhältnis auch zwischen Schirmungselektrode und gegenüberliegend angeordnetem Kopplungselement nicht Null. Da aber die Aufheizrate dem Quadrat der elektrischen Feldstärke proportional ist, kann durch die Wahl von Flächenverhältnissen oberhalb von 5 oder sogar 10 problemlos eine deutlich bevorzugte Aufheizung im Bereich der "heißen" Elektrode realisiert werden. Dies bedeutet beispielsweise für ein sehr ausgedehntes Kopplungselement mit einer Fläche, die den gesamten Bereich abdeckt, dass die Schirmungselektrode wesentlich größer als die heiße Elektrode sein muss, was in der Regel problemlos realisiert werden kann.
Aus verfahrenstechnischer Sicht kann es jedoch von Vorteil sein, parallel zur Erwärmung zwischen heißer Elektrode und Kopplungselement eine moderate Erwärmung in der Umgebung der eigentlich aufzuheizenden Zone des Festkörpers vorzunehmen. So kann beispielsweise eine unerwünschte Rekondensation von aus der heißen Zone austretenden Verbindungen wie Wasser und Schadstoffen verhindert werden. Außerdem wird durch verminderte Temperaturgradienten der Wärmefluss aus dem direkt erwärmten Bereich reduziert. Geringere Temperaturgradienten sind darüber hinaus mit kleineren mechanischen Spannungen im Material verbunden, wodurch das Risiko einer Schädigung beispielsweise durch Rissbildung vermindert werden kann. Eine Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens kann also durchaus auf verringerte bzw. definiert eingestellte Flächenverhältnisse im oben genannten Sinne zurückgreifen, um die Erwärmungsraten im eigentlichen Zielbereich und im angrenzenden Wandbereich gezielt aufeinander abzustimmen.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur dielektrischen Erwärmung von Feststoffen, welche vorzugsweise mindestens all diejenigen Merkmale aufweist, welche für die Durchführung der einzelnen Verfahrensschritte des beschriebenen Verfahrens erforderlich sind. Eine Vorrichtung zur dielektrischen Erwärmung von Feststoffen umfasst eine spannungsführende Elektrode; eine Schirmungselektrode, wobei die spannungsführende Elektrode und die Schirmungselektrode auf einer ersten Seite eines Feststoffs anordenbar sind, und die Schirmungselektrode mit einem Kopplungselement auf einer zweiten Seite des Feststoffs im Betrieb kapazitiv gekoppelt ist, wobei sich die erste Seite des Feststoffs und die zweite Seite des Feststoffs gegenüberliegen; und ein Mittel zum Anlegen einer Hochfrequenz-Spannung, dazu ausgebildet, eine Hochfrequenz-Spannung mit einer Frequenz aus dem Bereich zwischen 500 kHz und 500 MHz an die spannungsführende Elektrode anzulegen, wobei das Flächenverhältnis zwischen dem Überlappungsbereich zwischen den Oberflächen des mindestens einen Kopplungselements und der mindestens einen Schirmungselektrode, und den Oberflächen der mindestens einen spannungsführenden Elektrode größer als 3:1 ist.
Insbesondere kann eine bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur dielektrischen Erwärmung von Feststoffen eine flächig ausgedehnte spannungsführende Elektrode mit einer Hauptebene; eine flächig ausgedehnte Schirmungselektrode mit einer Hauptebene, wobei die Hauptebene der Schirmungselektrode parallel zur Hauptebene der spannungsführenden Elektrode ausgerichtet ist; und ein Mittel zum Anlegen einer Hochfrequenz-Spannung, dazu ausgebildet, eine Hochfrequenz-Spannung mit einer Frequenz aus dem Bereich zwischen 500 kHz und 500 MHz an die spannungsführende Elektrode anzulegen; umfassen. Diese Ausführungsform der Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Projektion der spannungsführenden Elektrode auf die Schirmungselektrode entlang einer Achse senkrecht zur Hauptebene der spannungsführenden Elektrode vollständig mit der Schirmungselektrode überlappt, der minimale Abstand zwischen der spannungsführenden Elektrode und der Schirmungselektrode bevorzugt mindestens 1 cm, ebenfalls bevorzugt mindestens 10 cm, noch bevorzugter mindestens 20 cm, beträgt und das projektierte Flächenverhältnis zwischen den Oberflächen der Schirmungselektrode und der spannungsführenden Elektrode bevorzugt größer als 3:1, ebenfalls bevorzugt größer als 6:1, noch bevorzugt größer als 10:1, ist.
Dabei ergibt sich für diese Betrachtung eine Fläche der Schirmungselektrode durch denjenigen Flächenbereich der Schirmungselektrode, welcher flächig auf den zu erwärmenden Feststoff aufliegt bzw. weitestgehend an dessen Oberfläche angrenzt. Die Oberfläche der Schirmungselektrode ergibt sich dabei bei einer bevorzugten Ausführungsvariante als die maximal innerhalb der Hauptebene durch die Abmessungen der Schirmungselektrode umschriebene Fläche, die in einer Ebene mit der spannungsführenden Elektrode liegt. Die spannungsführende Elektrode und die Hauptebene der Schirmungselektrode liegen vorzugsweise parallel zueinander, so dass Projektion der spannungsführenden Elektrode auf die Hauptebene der Schirmungselektrode vollständig mit der Schirmungselektrode überlappt.
Weiterhin umfasst diese Ausführungsform der Vorrichtung zur dielektrischen Erwärmung von Feststoffen vorzugsweise ein Kopplungselement, wobei zwischen der spannungsführenden Elektrode und dem Kopplungselement ein Aufnahmeraum für einen zu erwärmenden Feststoff ausgebildet ist; die spannungsführende Elektrode und die Schirmungselektrode auf einer ersten Seite des Aufnahmeraums und das Kopplungselement auf einer zweiten Seite des Aufnahmeraums angeordnet sind, wobei sich die erste Seite des Aufnahmeraums und die zweite Seite des Aufnahmeraums gegenüberliegen; das Kopplungselement mit der Schirmungselektrode zumindest teilweise kapazitiv gekoppelt ist; und zwischen der mindestens einen spannungsführenden Elektrode und dem Kopplungselement eine Hochfrequenz-Spannung anliegt, wobei die Hochfrequenz-Spannung eine Frequenz aus dem Bereich zwischen 500 kHz und 500 MHz aufweist.
Vorzugsweise umfasst die erfindungsgemäße Vorrichtung zur dielektrischen Erwärmung von Feststoffen weiterhin eine Hochfrequenz-Spannungsquelle, die eine elektrische Spannung mit einer Frequenz zwischen 500 kHz und 500 MHz, vorzugsweise zwischen 1 und 50 MHz und besonders bevorzugt mit einer für industrielle, medizinische und Forschungsanwendungen freigegebenen, so genannten ISM-Frequenz von beispielsweise 13,56 MHz oder 27 MHz, bereitstellt, elektrische Verbindungen zu einer spannungsführenden Elektrode und zu einer Schirmungselektrode, die vorzugsweise als elektromagnetische Abschirmung fungiert, sowie ein Kopplungselement auf der Gegenseite der zu behandelnden Feststoffstruktur, das kapazitiv mit der Schirmungselektrode gekoppelt ist. Auf einer Seite der zu behandelnden Festkörperstruktur sind damit sowohl die elektrisch leitfähige Schirmungselektrode als auch die spannungsführende heiße Elektrode angeordnet und mit der Spannungsquelle elektrisch leitend verbunden. Auf der Gegenseite der Anordnung ist eine aktiv angebrachte Kopplungselektrode oder ein passiv wirkendes natürliches Kopplungselement positioniert, die mit der auf der anderen Seite angeordneten Elektroden-Schirmungs-Anordnung nicht durch elektrisch leitende Zuleitungen verbunden sein muss. Wesentliches verfahrensimmanentes Merkmal ist es, dass eine kapazitive Kopplung zwischen der Schirmung und der auf der Gegenseite angeordneten, flächig ausgedehnten Elektrode bzw. dem Kopplungselement realisiert wird.
Bevorzugt enthält die erfindungsgemäße Vorrichtung zusätzlich ein elektronisches Anpassnetzwerk, das zwischen Spannungsquelle und Elektroden bzw. Schirmung angeordnet ist und das die Impedanz der Last an den Innenwiderstand der Spannungsquelle so anpasst, dass die zum Generator reflektierte HF-Leistung minimiert und nach Möglichkeit gänzlich eliminiert wird.
Vorzugsweise ist im zu erwärmenden Medium mindestens ein Mittel zur Temperaturmessung, beispielsweise ein Temperatursensor, positioniert, der besonders bevorzugt mit einem Mittel zur Leistungsregelung, beispielsweise einem Computersystem mit einer entsprechenden Software zur Auswertung, Steuerung und Regelung, so verbunden ist, dass auf der Basis der Messwerte der Leistungseintrag in den Feststoff so reguliert werden kann, dass vorgewählte Temperaturprogramme realisierbar sind. Weiterhin kann die Vorrichtung mindestens ein Mittel zur Messung einer Feldstärke umfassen, wobei eine gemessene Feldstärke dem Mittel zur Leistungsregelung zugeführt werden und von diesem ebenfalls zur Steuerung und Regelung eingesetzt werden kann. Das vorzugsweise als Teil der erfindungsgemäßen Vorrichtung vorhandene Mittel zur Leistungsregelung kann neben der Steuerung und Regelung auch zusätzliche Aufgaben zur Optimierung des Prozessablaufs mit übernehmen. Dies beinhaltet beispielsweise auch Datenerfassung und -archivierung, Überwachung der Temperaturen im zu erwärmenden Volumen, Überwachung der elektrischen Feldstärke, Datenweitergabe oder Übernahme von Kontrollfunktionen zur Einleitung von Notfallregimes.
Bevorzugt sind die Elektroden und/oder die Schirmung so ausgebildet, dass ein Durchtritt von aus dem behandelten Feststoff austretenden Substanzen möglich ist. Die Elektroden und die Schirmung sind dabei insbesondere so gestaltet, dass ein Transport von Wasser und/oder Schadstoffen aus dem behandelten Material nicht oder wenig behindert wird. Hierfür bieten sich Netz- oder Lochelektroden bzw. gleichartige Schirmungen an. Auch der Einsatz von metallbeschichteten, ggf. stoffdurchlässigen Folien kann für die Ausbildung der unterschiedlichen Elektroden geeignet sein, um die Handhabbarkeit vor Ort zu verbessern.
In einer besonders bevorzugten Variante für bestimmte Anwendungskontexte umfassen die spannungsführende Elektrode, das Kopplungselement und/oder die Schirmungselektrode ein adsorptionsaktives Material. Besonders bevorzugt sind die Elektroden mit einer Schicht aus adsorptionsaktivem Material, vorzugsweise aus Aktivkohle oder einem hydrophoben Zeolith, belegt, wodurch einen Durchtritt von ausdampfenden Schadstoffen in die Umgebungsluft minimiert oder gänzlich verhindert wird. Zur Erfüllung dieser Aufgabe eignet sich besonders auch ein Aktivkohlevlies, das direkt mit den flächigen Elektroden verbunden sein kann.
Mithin weist die erfindungsgemäße Vorrichtung zur dielektrischen Erwärmung von Feststoffen vorzugsweise mindestens all diejenigen Merkmale auf, welche für die Durchführung der einzelnen Verfahrensschritte des beschriebenen Verfahrens erforderlich sind. Insbesondere weisen die einzelnen Komponenten der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur dielektrischen Erwärmung von Feststoffen vorzugsweise all diejenigen Merkmale auf, welche in Beschreibung des Verfahrens als notwendig oder bevorzugt betrachtet werden. Weiterhin ergeben sich aus einzelnen Ausführungsformen oder der Kombination einzelner Merkmale des erfindungsgemäßen Verfahrens ebenfalls entsprechende Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Alle zu den einzelnen Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens gemachten Angaben gelten entsprechend.
Auch wenn die Ausführungen auf potentielle Anwendungen im Bauwesen fokussiert sind, sind Applikationen in anderen Bereichen ausdrücklich adressiert. Bei anderen Anwendungsfeldern sollen explizit auch andere relevante thermisch unterstützte Prozesse angesprochen werden. Hierbei kann es sich beispielsweise um eine thermisch initiierte Aushärtung oder Strukturbildung im materialwissenschaftlichen Kontext handeln. Auch die thermisch unterstützte Polymerbildung in Baustoffen ist für in-situ-Anwendungen mit der Vorrichtung und dem Verfahren in optimaler Form kombinierbar.

Kurzbeschreibung der Figuren

Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen erläutert. Es zeigen:

Figur 1: eine schematische Aufsicht-Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Erwärmung von Feststoffen;
Figur 2: eine schematische Aufsicht-Darstellung einer erfindungsgemäßen Elektrodenanordnung mit metallischer Kopplungselektrode als Kopplungselement;
Figur 3: eine schematische Aufsicht-Darstellung einer erfindungsgemäßen Elektrodenanordnung mit natürlichem Kompartiment als Kopplungselement;
Figur 4: zeitliche Verläufe der mittleren Temperatur, der HF-Leistung und der HF-Spannung während eines Versuches zur Erwärmung einer Porenbetonwand mittels kapazitiver Kopplung;
Figur 5: zeitliche Verläufe der mittleren Temperatur, der HF-Leistung und der HF-Spannung während eines Versuches zur Erwärmung der Wand aus Ziegelmauerwerk mittels kapazitiver Kopplung;
Figur 6: zeitliche Verläufe der mittleren Temperatur in zwei verschiedenen Tiefen, der HF-Leistung und der HF-Spannung während eines Versuches zur Erwärmung eines Kellerbodens mittels kapazitiver Kopplung;
Figuren 7a, 7b: zeitliche Verläufe der mittleren Temperatur, der HF-Leistung und der HF-Spannung (Figur 7a) sowie Temperaturverläufe für verschiedene Tiefen (Figur 7b) im Mauerwerk während eines Versuches zur Erwärmung einer Kellerwand mittels kapazitiver Kopplung;

Detaillierte Beschreibung der Erfindung

Figur 1 zeigt eine schematische Aufsicht-Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 100 zur Erwärmung von Feststoffen 40. Bei der dargestellten Ausführungsform handelt es sich um eine Elektrodenanordnung mit einer elektrisch leitfähigen, beispielsweise metallischen Kopplungselektrode 22 als Kopplungselement 20. Diese liegt flächig an einem räumlich ausgedehnten Feststoff 40 an. Beispielsweise kann es sich bei dem Feststoff um stehendes Mauerwerk handeln. Auf der gegenüberliegenden Seite des Feststoffs 40 befindet sich parallel zum Kopplungselement 20 ebenfalls flächig angeordnet eine spannungsführende Elektrode 10. Die von der spannungsführenden Elektrode 10 überdeckte Oberfläche des Feststoffs kann, wie hier dargestellt, deutlich kleiner als die von dem Kopplungselement 20 überdeckte Oberfläche sein.
Die spannungsführende Elektrode 10 ist umgeben von einer Schirmungselektrode 30, welche in einem Bereich um die spannungsführende Elektrode 10 ebenfalls flächig an der Oberfläche des Feststoffs 40 anliegt. Dieses Flächenelement bildet dabei die Hauptebene der Schirmungselektrode 30 aus. In der gezeigten Darstellung liegt die spannungsführende Elektrode 10 vollständig innerhalb der von einem Großteil der Schirmungselektrode 30 aufgespannten Hauptebene der Schirmungselektrode 30. Die Hauptebene der Schirmungselektrode 30 liegt parallel zur Kopplungselektrode 10. Zwischen der spannungsführenden Elektrode 10 und dem Kopplungselektrode 22 als Kopplungselement 20 wird dabei ein Aufnahmeraum für einen zu erwärmenden Feststoff 40 ausgebildet. Im Bereich unmittelbar um die spannungsführende Elektrode 10 ist die Schirmungselektrode 30 derart geformt, dass die spannungsführende Elektrode 10 zwar von der Schirmungselektrode 30 halbseitig umschlossen bzw. überdeckt wird, sich jedoch ein minimaler Abstand d_min zwischen spannungsführender Elektrode 10 und Schirmungselektrode 30 ergibt. Dies dient insbesondere dazu, die Schirmungselektrode 30 von der spannungsführender Elektrode 10 elektrisch hinsichtlich der Leitfähigkeit zu entkoppeln. Die Schirmungselektrode 30 und die spannungsführende Elektrode 10 können sich somit auf unterschiedlichen elektrischen Potentialen befinden. Die formenhafte Ausgestaltung des unmittelbaren Bereichs zwischen der spannungsführende Elektrode 10 und der Schirmungselektrode 30 kann weitgehend beliebig ausgeprägt sein; das hier dargestellte Reckteckprofil der Überdeckung ist rein beispielhaft für illustratorische Zwecke gewählt.
Die spannungsführende Elektrode 10 und die Schirmungselektrode 30 sind vorzugsweise über ein elektronisches Anpassnetzwerk 60 mit einem Hochfrequenzgenerator 50 verbunden. Über diesen wird ein hochfrequentes Wechselfeld zwischen die spannungsführende Elektrode 10 und die Kopplungselektrode 22 als Kopplungselement 20 erzeugt, wobei die von der Elektrodenanordnung zum Hochfrequenzgenerator 50 rückreflektierte Leistung durch das elektronische Anpassnetzwerk 60 minimiert wird. Die dargestellte erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst weiterhin ein Mittel 70 zur Temperaturmessung und ein Mittel 90 zur Bestimmung der Feldstärke. Bei dem Mittel 70 zur Temperaturmessung kann es sich insbesondere um einen faseroptischen Temperatursensor handeln. Bei dem Mittel 90 zur Bestimmung der Feldstärke kann es sich insbesondere um einen Sensor zur Messung der elektrischen Feldstärke handeln. Die Sensoren können mit einem Mittel 80 zur Regelung der Hochfrequenz-Spannung verbunden sein. Das Mittel 80 zur Regelung der Hochfrequenz-Spannung kann dabei die vom Hochfrequenzgenerator 50 abgegebene Hochfrequenz-Spannung bzw. die Hochfrequenz-Leistung in Abhängigkeit von den Eingangsgrößen einzelner Messmittel steuern und regeln. Unterbleibt eine aktive Regelung und Steuerung, so können die Messwerte vorzugsweise durch das Mittel 80 zur Regelung der Hochfrequenz-Spannung gespeichert und/oder zur weiteren Auswertung zur Verfügung gestellt werden.
Figur 2 zeigt eine schematische Aufsicht-Darstellung einer erfindungsgemäßen Elektrodenanordnung mit metallischer Kopplungselektrode 22 als Kopplungselement 20. Die dargestellte Elektrodenanordnung entspricht der in Figur 1 gezeigten Anordnung. Die Bezugszeichen und Beschreibungen gelten daher entsprechend. Zusätzlich sind hier jedoch die äußeren Abmessungen der Oberfläche A₁ der Schirmungselektrode 30 und die Oberfläche A₂ der spannungsführenden Elektrode 10 mit dargestellt. Eine erfindungsgemäße Bestimmung eines projektierten Flächenverhältnisses zwischen den Oberflächen A₁, A₂ der Schirmungselektrode 30 und der spannungsführenden Elektrode 10 ergibt sich daraus als Verhältnis der eingezeichneten Oberflächen, wobei für A₁ nur die Fläche berücksichtigt wird, für die die Schirmungselektrode an der zu behandelnden Struktur 40 anliegt. Anliegen bedeutet in diesem Fall, dass der Abstand zum Feststoff 40 wesentlich kleiner als der Abstand zum Feststoff im Bereich der spannungsführenden Elektrode 10 ist. Wesentlich ist in diesem Zusammenhang mit einem Faktor von mindestens 10 gegeben. Die Projektion ist insbesondere im Falle einer gegenseitigen Verkippung zwischen der spannungsführenden Elektrode 10, genauer der von der spannungsführenden Elektrode 10 aufgespannten Ebene, und der Hauptebene der Schirmungselektrode 30 von Bedeutung. Vorzugsweise liegen diese beiden Ebenen jedoch parallel zueinander.
Figur 3 zeigt eine schematische Aufsicht-Darstellung einer erfindungsgemäßen Elektrodenanordnung mit einem natürlichen Kompartiment 24 als Kopplungselement 20. Die dargestellte Elektrodenanordnung entspricht weitgehend der in Figur 1 gezeigten Anordnung, wobei hier jedoch beim Kopplungselement 20 die in Figur 1 gezeigte Kopplungselektrode 22 durch ein natürliches Kompartiment 24 ersetzt wurde. Hierbei kann es sich insbesondere um anliegendes oder aufgeschüttetes Erdreich handeln. Zur Umsetzung des erfindungsgemäßen Verfahrens muss dieses die Funktion einer Kopplungselektrode 22 übernehmen können. Daher ist besonders bevorzugt, dass das natürliche Kompartiment 24 ein zumindest geringfügig elektrisch leitfähiges Material umfasst. Hierbei kann es sich insbesondere um feuchtes, mineralhaltiges Erdreich handeln. Es ist möglich, im Rahmen einer Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens das als Kopplungselement 20 wirkende Medium kontinuierlich oder diskontinuierlich zu befeuchten, um dessen Funktion als Kopplungselement 20 zu verbessern. Hierzu kann eine erfindungsgemäße Anordnung eine entsprechende Dosiereinrichtung, vorzugsweise für Wasser, enthalten. In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Vorrichtung kann im Kompartiment 24 zusätzlich ein Mittel zur Messung der elektrischen Leitfähigkeit und/oder der Feuchte platziert werden. Besonders bevorzugt ist, dieses Mittel mit der Auswerte- und Steuerungseinheit zu verbinden.

Ausführungsbeispiel 1:

Erwärmung einer Wand aus Porenbeton im Technikumsmaßstab

Zur Demonstration wurde in einem Technikumsversuch eine Wand aus Porenbeton (Größe ca. 2,0 m x 1,8 m, Dicke 0,2 m) nach dem erfindungsgemäßen Verfahren behandelt. Hierzu wurde sie auf der Rückseite mit einer mit Aluminium (Schichtdicke 7 µm) beschichteten Polyethylenfolie (Foliendicke 12 µm) versehen, welche als Kopplungselektrode (Fläche 3,6 m²) wirkte. Die spannungsführende, so genannte heiße Elektrode bestand aus Aluminiumlochblech und wies eine Fläche von 0,36 m² auf. Die Schirmungselektrode aus Kupfergaze deckte eine Gesamtfläche von 3 m² ab, wobei sie auch zur Schirmung über der heißen Elektrode diente. Dies wurde erreicht, indem die Schirmung mit einem Abstand von 10 cm auch über der heißen Elektrode angeordnet war.
Die spannungsführende heiße Elektrode und die geerdete Schirmungselektrode waren mit einem elektronischen Anpassnetzwerk verbunden, dass wiederum mit einem HF-Generator (Arbeitsfrequenz 13,56 MHz, Maximalleistung 3 kW) über ein Koaxialkabel in Verbindung stand. Es wurde eine kapazitive Kopplung zwischen Schirmungselektrode und Kopplungselektrode in erfindungsgemäßer Art und Weise realisiert.
Figur 4 zeigt zeitliche Verläufe der mittleren Temperatur, der HF-Leistung und der HF-Spannung während eines Versuches zur Erwärmung einer Porenbetonwand mittels kapazitiver Kopplung nach dem erfindungsgemäßen Verfahren und Verwendung einer Variante der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Bei einer über die Zeit im Wesentlichen konstanten HF-Leistung und HF-Spannung ist ein nahezu linearer Temperaturanstieg im Porenbetonmauerwerk zwischen der heißen Elektrode und der Kopplungselektrode zu verzeichnen. Der Versuch wurde bei einer Endtemperatur von ca. 32°C abgebrochen, da das Demonstrationsziel erreicht worden war. Es wurde eine Erwärmung um ca. 13 K durch faseroptische Temperatursensoren nachgewiesen.

Ausführungsbeispiel 2:

Erwärmung eines Wandsegmentes aus Ziegelmauerwerk

An einem realen Standort wurde eine durchfeuchtete Wand aus Ziegelmauerwerk mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und einer erfindungsgemäßen Vorrichtung thermisch behandelt. Die Wanddicke betrug 24 cm. Die behandelte Außenwand des entsprechenden Gebäudes war von beiden Seiten zugänglich, allerdings sollte sie für die Trocknung nicht durchbohrt werden, weshalb die kapazitive Kopplung für die dielektrische Erwärmung eingesetzt werden musste. Auf der Außenseite der Wand wurde ein als Kopplungselektrode fungierendes Aluminiumlochblech eingesetzt, das die Wand auf einer Fläche von ca. 12 m² bedeckte. An der Innenwand waren die heiße Elektrode aus Aluminiumlochblech mit einer Fläche von ca. 1 m² und die Schirmungselektrode aus Kupfergaze (ca. 10 m²) positioniert. Schirmung und heiße Elektrode waren mit dem elektronischen Anpassnetzwerk und weiter mittels eines Koaxialkabels mit dem HF-Generator (Arbeitsfrequenz 13,56 MHz, Maximalleistung 5 kW) verbunden. Innerhalb der erwärmten Wand waren in Tiefen von 4 cm, 12 cm und 20 cm faseroptische Temperatursensoren angeordnet, um den Erwärmungsfortschritt kontinuierlich und örtlich aufgelöst zu verfolgen.
Figur 5 zeigt zeitliche Verläufe der mittleren Temperatur, der HF-Leistung und der HF-Spannung während eines Versuches zur Erwärmung der Wand aus Ziegelmauerwerk mittels kapazitiver Kopplung. Die dargestellten Kurvenverläufe verdeutlichen den Erwärmungsfortschritt innerhalb der Wand für das Segment unterhalb der heißen Elektrode anhand des Mittelwertes für die entsprechenden dort angeordneten Temperatursensoren. Die Stabilisierung der Temperatur im Bereich von 100 °C ist vor allem auf die sich in diesem Temperaturbereich wesentlich verstärkende Wasserverdampfung zurückzuführen. Es ist darauf hinzuweisen, dass dieses Temperaturplateau für viele Einzelsensoren klar nachweisbar war, während der hier dargestellte Mittelwert auch von Temperatursensoren mitbestimmt wird, die die Verdampfungstemperatur des Wassers noch nicht erreicht hatten. Die tiefenaufgelöste Temperaturmessung zeigte eine gute Homogenität des Temperaturprofils über den Wandquerschnitt. Die ansteigende HF-Spannung, die für die Aufrechterhaltung der Sollleistung von 5 kW notwendig war, ist durch eine fortschreitende Austrocknung der Wand zu erklären. Die dielektrische Erwärmung der Wand demonstriert wiederum die Anwendbarkeit der Erfindung.

Ausführungsbeispiel 3:

Erwärmung eines Kellerbodens mit feuchtem Untergrund

Hierbei wurden die erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren in einem Wohnhaus ausgeführt, das über einen durchfeuchteten Kellerboden verfügte. Es ist davon auszugehen, dass unterhalb des Kellerbodens durchfeuchtetes Erdreich vorhanden war, das als Kopplungselement im Sinne der Erfindung fungierte. Der Kellerboden bestand aus einer Deckschicht aus Estrich (Dicke ca. 2 cm) über einer Schicht aus Ziegelsteinen, welche wiederum direkt auf dem durchfeuchteten Erdreich auflagen. Insofern ist hier der Verbund Estrich/Ziegel als zu erwärmender Festkörper zu verstehen.
Für die Erwärmung wurde ein HF-Generator (Arbeitsfrequenz 13,56 MHz, Maximalleistung 3 kW) in Verbindung mit einem elektronischen Anpassnetzwerk verwendet. Dieses war über ein Kupferband mit einer heißen Elektrode aus Aluminiumlochblech mit einer Fläche von ca. 1 m² verbunden. Das Gehäuse der Matchbox war mit der Schirmungselektrode verbunden, die aus Kupfergaze bestand und auf dem Kellerboden ausgelegt war. Die Gesamtfläche der Kupfergaze betrug ca. 10 m². Das durchfeuchtete Erdreich war kapazitiv mit einer Schirmungsgaze gekoppelt und fungierte so wirksam als Kopplungselement, wie aus den Resultaten der Erwärmungsversuche geschlossen werden kann. Zur Erfassung der Temperaturen wurden insgesamt 24 faseroptische Temperatursensoren, die auch während der dielektrischen Erwärmung zuverlässige Messungen liefern, in Tiefen von 5 cm und 15 cm unterhalb der Oberfläche des Kellerbodens eingesetzt.
Figur 6 zeigt zeitliche Verläufe der mittleren Temperatur in zwei verschiedenen Tiefen, der HF-Leistung und der HF-Spannung während eines Versuches zur Erwärmung eines Kellerbodens mittels kapazitiver Kopplung. Dargestellt sind die mittleren Temperaturverläufe in den beiden horizontalen Ebenen innerhalb des Kellerbodens, die jeweils aus den Daten von 12 Temperatursensoren ermittelt wurden. Zusätzlich sind die HF-Leistung (konstant 1 kW) und die HF-Spannung angegeben. Es wird deutlich, dass ein Erwärmung des Kellerbodens mit Hilfe der erfindungsgemäßen Vorrichtung und unter Nutzung des erfindungsgemäßen Verfahrens möglich ist, ohne dass eine Kontaktierung der als Kopplungselektrode fungierenden Erdschicht durch den Kellerboden hindurch notwendig ist. Ein Vergleich der Aufheizraten für die einzelnen Temperatursensoren zeigte eine gute Homogenität der Erwärmung innerhalb einer Ebene (Abweichungen kleiner als 20 %). Durch Erhöhung der eingesetzten Leistung und/oder eine Verlängerung der Zeit können auch deutlich höhere Temperaturen im Kellerboden erreicht werden, die eine ausreichende Trocknung sicherstellen können.

Ausführungsbeispiel 4:

Erwärmung einer Kellerwand mit dahinter liegendem Erdreich

An einem weiteren Demonstrationsstandort wurden die erfindungsmäßige Vorrichtung und das erfindungsmäßige Verfahren in Analogie zum Ausführungsbeispiel 3 an einer einseitig zugänglichen und stark durchfeuchteten Struktur, in diesem Fall einer Ziegelmauerwand (Fläche 4 m x 2 m, Dicke 0,36 m) mit anliegendem Erdreich, erfolgreich getestet. Hier fungierte das dahinterliegende feuchte Erdreich als Kopplungselement. Die dabei eingesetzte heiße Elektrode hatte eine Größe von 1 m² und bestand aus Aluminiumlochblech. Für die Schirmungselektrode wurden Kupfergaze und aluminiumbeschichtete Polyethylenfolie verwendet.
Für die Erwärmungsversuche stand ein HF-Generator (Arbeitsfrequenz 13,56 MHz, Maximalleistung 5 kW) in Verbindung mit einem elektronischen Anpassnetzwerk zur Verfügung. Die Verbindung zwischen dem elektronischen Anpassnetzwerk (Matchbox) und der heißen Elektrode wurde über ein Messingprofil realisiert. Weiterhin war das Gehäuse der Matchbox mit der Schirmungselektrode, welche aus Kupfergaze im Bereich der heißen Elektrode und aus aluminiumbeschichteter Kunststofffolie (gelocht, Dicke der Aluminiumschicht 15 µm, Dicke der Trägerfolie 20 µm) im übrigen Bereich bestand, verbunden. Die Gesamtfläche der Schirmungselektrode betrug ca. 7 m². Zur Erfassung der Temperaturen wurden insgesamt 15 faseroptische Temperatursensoren, welche in Tiefen von 6 cm, 18 cm und 30 cm in das Ziegelmauerwerk eingebracht waren, verwendet.
Figur 7 zeigt zeitliche Verläufe der mittleren Temperatur, der HF-Leistung und der HF-Spannung (Figur 7a) sowie Temperaturverläufe für verschiedene Tiefen im Mauerwerk während eines Versuches zur Erwärmung einer Kellerwand mittels kapazitiver Kopplung (Figur 7b). Dargestellt sind die mittlere Temperatur aller im direkt erwärmten Bereich hinter der heißen Elektrode eingebrachten Temperatursensoren sowie die HF-Leistung und die HF-Spannung über den gesamten Versuchszeitraum. Außerdem sind die mittleren Temperaturverläufe für die einzelnen Tiefen im Mauerwerk dargestellt. Es konnte gezeigt werden, dass mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens und unter der Nutzung der erfindungsgemäßen Vorrichtung die dielektrische Erwärmung einer einseitig zugänglichen Kellerwand mittels Radiowellen möglich ist.

Bezugszeichenliste

10: spannungsführende Elektrode
20: Kopplungselement
22: Kopplungselektrode
24: natürliches Kompartiment
30: Schirmungselektrode
40: Feststoff
40': Aufnahmeraum
50: Hochfrequenzgenerator
60: elektronisches Anpassnetzwerk
70: Mittel zur Temperaturmessung
80: Mittel zur Leistungsregelung
90: Mittel zur Bestimmung der Feldstärke
100: Vorrichtung zur dielektrischen Erwärmung

d_min: minimaler Abstand zwischen spannungsführender Elektrode und Schirmungselektrode

A₁: Oberfläche der Schirmungselektrode 30
A₂: Oberfläche der spannungsführenden Elektrode 10

Claims

Verfahren zur dielektrischen Erwärmung von Feststoffen (40), folgende Verfahrensschritte umfassend:
- Bereitstellen mindestens einer spannungsführenden Elektrode (10) und mindestens einer Schirmungselektrode (30) auf einer ersten Seite eines Feststoffs (40) und mindestens eines Kopplungselements (20) auf einer zweiten Seite des Feststoffs (40), wobei sich die erste Seite des Feststoffs (40) und die zweite Seite des Feststoffs (40) gegenüberliegen;

- Einstellung des Flächenverhältnisses zwischen dem Überlappungsbereich zwischen den Oberflächen des mindestens einen Kopplungselements (20) und der mindestens einen Schirmungselektrode (30), und den Oberflächen der mindestens einen spannungsführenden Elektrode (10), wobei das Flächenverhältnis größer als 3:1 ist;

- zumindest teilweise kapazitive Kopplung des mindestens einen Kopplungselements (20) mit der mindestens einen Schirmungselektrode (30);

- Anlegen einer Hochfrequenz-Spannung an die mindestens eine spannungsführende Elektrode (10), wobei die Hochfrequenz-Spannung eine Frequenz aus dem Bereich zwischen 500 kHz und 500 MHz aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei über das Flächenverhältnis ein vorgewähltes Verhältnis der Aufheizraten innerhalb und außerhalb des Bereiches zwischen der mindestens einen spannungsführenden Elektrode (10) und dem mindestens einen Kopplungselement (20) eingestellt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das mindestens eine Kopplungselement (20) ein natürliches Umweltkompartiment (24) als elektrodenäquivalentes Kopplungselement (20) umfasst.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei eine Befeuchtung des natürlichen Umweltkompartiments (24) erfolgt, um die elektrische Leitfähigkeit des natürlichen Umweltkompartiments (24) und damit dessen Wirkung als elektrodenäquivalentes Kopplungselement (20) zu verbessern.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Leistung der Hochfrequenz-Spannung an eine im Bereich zwischen der mindestens einen spannungsführenden Elektrode (10) und dem mindestens einen Kopplungselement (20) gemessene Temperatur im Hinblick auf ein beabsichtigtes zeitliches Aufheizregime angepasst wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zur Trocknung des Feststoffs (40), zur Abtötung und/oder Beeinträchtigung der Lebensfähigkeit von Holzschädlingen, und/oder zum Austrag von Schadstoffen aus dem Feststoff (40) die Temperatur des Feststoffs (40) erhöht wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Austrag von Schadstoffen aus dem Feststoff (40) durch einen Austrag von Wasserdampf aus dem Feststoff (40) unterstützt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Leistung der Hochfrequenz-Spannung an eine im Bereich zwischen der mindestens einen spannungsführenden Elektrode (10) und dem mindestens einen Kopplungselement (20) gemessene Feldstärke angepasst wird.
Vorrichtung (100) zur dielektrischen Erwärmung von Feststoffen (40) umfassend:
- eine spannungsführende Elektrode (10);

- eine Schirmungselektrode (30), wobei die spannungsführende Elektrode (10) und die Schirmungselektrode (30) auf einer ersten Seite eines Feststoffs (40) anordenbar sind, und die Schirmungselektrode (30) mit einem Kopplungselement (20) auf einer zweiten Seite des Feststoffs (40) im Betrieb kapazitiv gekoppelt ist, wobei sich die erste Seite des Feststoffs (40) und die zweite Seite des Feststoffs (40) gegenüberliegen; und

- ein Mittel zum Anlegen einer Hochfrequenz-Spannung, dazu ausgebildet, eine Hochfrequenz-Spannung mit einer Frequenz aus dem Bereich zwischen 500 kHz und 500 MHz an die spannungsführende Elektrode (10) anzulegen;
dadurch gekennzeichnet, dass
das Flächenverhältnis zwischen dem Überlappungsbereich zwischen den Oberflächen des mindestens einen Kopplungselements (20) und der mindestens einen Schirmungselektrode (30), und den Oberflächen der mindestens einen spannungsführenden Elektrode (10) größer als 3:1 ist.
Vorrichtung (100) nach Anspruch 9, wobei die Schirmungselektrode (30) und die spannungsführende Elektrode (10) in einer gemeinsamen Ebene liegen.
Vorrichtung (100) nach Anspruch 9 oder 10, wobei das mindestens eine Kopplungselement (20) ein natürliches Umweltkompartiment (24) als elektrodenäquivalentes Kopplungselement (20) umfasst.
Vorrichtung (100) nach Anspruch 11, wobei mindestens ein Mittel zur Befeuchtung des natürlichen Umweltkompartiments (24) vorgesehen ist, um die elektrische Leitfähigkeit des natürlichen Umweltkompartiments (24) und damit dessen Wirkung als elektrodenäquivalentes Kopplungselement (20) zu verbessern.
Vorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 9 bis 12, weiterhin umfassend:
- ein Mittel (70) zur Temperaturmessung, dazu ausgebildet, eine Temperatur des Feststoffs (40) zu bestimmen und/oder ein Mittel (90) zur Bestimmung der Feldstärke zwischen der spannungsführenden Elektrode (10) und dem Kopplungselement (20);

- ein Mittel (80) zur Leistungsregelung, dazu ausgebildet, die Leistung der an der spannungsführenden Elektrode (10) anliegenden Hochfrequenz-Spannung in Abhängigkeit von der Temperatur des Feststoffs und/oder von der Feldstärke zu regeln.
Vorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 9 bis 13, wobei die spannungsführende Elektrode (10), das Kopplungselement (20) und/oder die Schirmungselektrode (30) durchlässig für aus dem Festkörper (40) austretende Schadstoffe sind und/oder ein adsorptionsaktives Material umfassen.