Verfahren und Vorrichtung zum Ausbringen von in Erd- oder Gesteinsschichten gehaltenen Flüssigkeiten und/oder Stoffen
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ausbringen von in Erd- oder Gesteinsschichten gehaltenen, flüssigen oder gefrorenen Flüssigkeiten und/oder schmelz- bzw. verdampfbaren Stoffen, insbesondere von Wasser, gefrorenen oder flüssigen Gasen, wobei ein Bohrloch bis in den Bereich der in der Erd- oder Gesteinsschicht gehaltenen Flüssigkeiten und/oder Stoffe eingebracht wird, in welches eine mit ei- nem Mikrowellengenerator verbundene Antenne bis etwa in den Bereich der in der Erd- oder Gesteinsschicht gehaltenen Flüssigkeiten und/oder Stoffe eingeführt und Mikrowellenenergie über die Antenne in den Bereich der in der Erd- oder Gesteinsschicht gehaltenen Flüssigkeiten und/oder Stoffe abgestrahlt wird, sowie eine Vorrichtung für die Ausführung dieses Verfahrens. " "
Die Gewinnung von Wasser und/oder von anderen Nutzstoffen aus der Tiefe von Erd- oder Gesteinsschichten wird für die menschliche Besiedelung, für den Pflanzenbau und/oder die Tierhaltung, für die Energieerzeugung usw. zunehmend bedeutsam. Insbesondere trifft das für die Wassergewinnung in trockenen Gegenden aus dem Grundwasser zu, wobei im allgemeinen (insbesondere in Entwicklungsländern) eine aufwendige Gerätetechnik zur Förderung aus der Tiefe nicht zur Verfügung steht.
Bekannte Verfahren und Vorrichtungen zum Ausbringen von in der Tiefe lagern- dem/fließendem Wasser bzw. von schmelz- bzw. verdampfbaren Nutzstoffen, wie beispielsweise tiefgefrorenen Kohlenwasserstoffgasen, sind vergleichsweise technisch aufwendig und teuer. In der Regel versagen sie, wenn das Wasser öder andere zu gewinnende Stoffe in der Tiefe nur (noch) in Spuren z. B. als feuchter Sand, vorhanden ist.
Aus US 4 370 534 ist bereits die Anwendung von Mikrowellenenergie bei der Ölför- derung bekannt, wobei allerdings nur die Verringerung der Viskosität des Öls zwecks besserer Sammlung und Förderung vorgesehen ist.
Aus DE 18 93 912 U1 ist desweiteren ein Mikrowellengerät zur Verwendung in Bohrlöchern bekannt. Das Gerät besteht aus in einem rohrförmigen Körper untergebrachtem Mikroweliengenerator, Netztransformator und Kühlsystem sowie der zur Abstrahlung der HF-Energie benutzten Antenne, sowie Mitteln für Befestigung von Drahtseilen usw. sowie für den Anschluß von Kabeln. Dem Gerät liegt der Einsatzzweck zugrunde, das langsame Undurchlässigwerden der Erdformation am Fuße des Bohrloches durch das bei Erdöiquelien ausströmende Erdöl mit seinen Unreinheiten zu verhindern. Mit durch in das Bohrloch eingebrachter Mikrowellenenergie wird Wärme entwickelt, die dann die verhärteten Öibeimischungen „auftaut". De - gemäß ist mit dem Gerät die Erwärmung von Erdformationen in der Umgebung von Bohrlöchern bezweckt, wobei es insbesondere um die Verflüssigung von Erdöl geht.
In Anbetracht der Nachteile des bekannten Standes der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Ausbringen von in Erd- oder Gesteinsschichten gehaltenen Flüssigkeiten und/oder schmelz- bzw. verdampfbaren Stoffen, insbesondere von Wasser, anzugeben, wobei mit vergleichsweise geringem technischen Aufwand auch nur in geringerer Anreicherung vorhandene Feuchtigkeit bzw. zu gewinnende Stoffe ausgebracht werden können.
Erfϊndungsgemäß wird diese Aufgabe mit einem Verfahren dadurch gelöst, daß durch die Abstrahlung von Mikrowellenenergie über die Antenne die in der Erd- oder Gesteinsschicht gehaltenen Flüssigkeiten und/oder Stoffe in die Dampfphase überführt werden, anschließend die verdampften Flüssigkeiten und/oder Stoffe aus dem Bohrloch abgesaugt und im Anschluß daran kondensiert werden.
Weiter erfindungsgemäß wird die Aufgabe mit einer Vorrichtung gelöst, wobei die röhrenförmige Antenne als Hohlleiterantenne ausgebildet und am unteren Ende ein Anpaßelement für eine optimale Mikrowellenenergieübertragung in die Erd- oder Gesteinsschicht aufweist sowie am unteren und oberen Ende durchlässige Bereiche für
verdampfte Flüssigkeiten und/oder Stoffe besitzt, und wobei das obere Ende der Hohlleiterantenne nach dem durchlässigen Bereich mit einem Pumpgerät und einem Kondensator verbunden ist.
Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäß gestaltete Vorrichtung ermöglichen nun eine äußerst effektive Gewinnung von Flüssigkeiten und/oder schmelz- bzw. verdampfbaren Stoffen, insbesondere von Wasser, aus Erd- oder Gesteinsschichten, wobei bei vergleichsweise geringem technischen Aufwand auch nur noch in geringer Anreicherung vorhandene Feuchtigkeit bzw. Stoffe ausgebracht werden können. Dabei ist der Einsatz von hochfrequenter Mikrowellenenergie besonders günstig, wobei bekanntlich Wasser- und analog bipolar strukturierte Moleküle aufgrund ihrer elektrischen Ladung zu Schwingungen angeregt werden, was zur Erwärmung und schließlich zur Verdampfung führt. Demgemäß entsteht Wärme gezielt nur in den z. B. feuchten Bereichen, d. h. die für die Verdampfung erforderliche Energie wird exakt und dosiert in den Bereich eingebracht, der die schmelz- bzw. verdampfbaren Stoffe, insbesondere das Wasser enthält. Energieverluste und auch Folgeschäden für Mensch, Tier und Natur sind damit weitestgehend vermieden. Die Tiefe der Bereiche hat aufgrund der speziellen Ausführung der Antenne keinen nennenswerten negativen Einfluß auf die Feldstärke und damit auf den Energiebedarf und die Wirkung des elektromagnetischen Feldes. Die Anordnung eines Anpaßelements am unteren Ende der Antenne sichert eine optimale Mikrowellenenergieübertragung in den betreffenden Bereich der Erd- oder Gesteinsschicht, wobei die hochfrequenten elektromagnetischen Wellen im wesentlichen kugelförmig abgestrahlt werden. Die durch deren Wirkung verdampften Flüssigkeiten bzw. Stoffe können nun effektiv unter der Wirkung eines aufgebrachten Unterdrucks durch das Innere der als Hohlleiter ausgebildeten Antenne nach oben befördert und anschließend kondensiert werden.
In vorteilhafter Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Mikro- weilenenergie aus Solarenergie gewonnen. Dadurch ist ein von konventioneilen Energieträgern unabhängiger Betrieb mit allen seinen Vorteilen möglich, zumal insbesondere in trockenen Regionen der Erde eine besonders hohe und andauernde Sonnenbestrahlung vorhanden ist. Deren Energie kann sinnvoll genutzt werden.
Weiter vorteilhaft zeichnet sich das Verfahren dadurch aus, daß als Antenne eine Hohlleiterantenne Verwendung findet. Zweckmäßig besitzt die Hohlleiterantenne ein am unteren Ende angeordnetes Anpaßeiement für die optimale Mikrowellenenergieübertragung in die Erd- oder Gesteinsschicht. Dabei wird verfahrensgemäß das Inne- re der Hohlleiterantenne für die Förderung der verdampften Flüssigkeiten und/oder Stoffe verwendet. Dazu sind in weiterer zweckmäßiger Ausgestaltung am unteren und am oberen Ende der Hohlleiterantenne durchlässige Bereiche für den Ein- bzw, Austritt der verdampften Flüssigkeiten und/oder Stoffe in das bzw. aus dem Inneren der Hohlleiterantenne vorgesehen und an dem durchlässigen Bereich des oberen Endes der Hohlleiterantenne wird ein Unterdruck angelegt. Für die Erzeugung des Unterdrucks wird ein geeignetes Pumpgeräi verwendet. Aus oben erläuterten Gründen ist es (gleichfalls) besonders günstig, daß das Pumpgerät mit Solarenergie betrieben wird.
In besonders vorteilhafter Ausgestaltung der Vorrichtung besteht die Hohlleiterantenne aus einem Rohr aus Metall oder aus einer Metallegierung, dessen oberes Ende durch eine Kurzschlußplatte verschlossen ist und dessen unteres Ende eine Verjün-i gung aufweist, in der das Anpaßelement befestigt ist. Dabei ist zweckmäßig das Anpaßelement als dielektrischer Einsatz ausgeführt. Besonders günstig besteht das Anpaßelement aus Teflon oder einem ähnlichen dielektrischen Kunststoffwerkstoff. Zur Realisierung einer optimalen Mikrowellenenergieübertragung in die Erd- oder Gesteinsschicht besitzt zweckmäßigerweise das Anpaßelement die Form eines zylindrischen Grundkörpers, der in Richtung auf das Innere des Rohrs der Hohlleiterantenne wahlweise ein- oder mehrfach zylindrisch abgesetzt ist. Weiterhin sind am unteren Ende der Hohlleiterantenne vor und an deren Verjüngung durchlässige Bereiche in Form einer Perforation des Rohrs vorgesehen. Das obere Ende der Hohlleiterantenne ist mit einer Anschlußstelle für das Verbindungskabel versehen, welche einen Einkoppelstift besitzt, der quer zur Längsachse der Hohlleiterantenne in deren Inneres hineinragt. Weiterhin ist die am oberen Ende der Hohlleiterantenne angeord- nete Kurzschlußplatte mit einem für verdampfte Flüssigkeiten und/oder Stoffe durchlässigen Bereich in Form einer für Mikrowellen undurchlässigen Perforation versehen.
ln weiterer zweckmäßiger Ausgestaltung der Vorrichtung ist am oberen Ende der Hohlleiterantenne und konzentrisch zu dieser eine der perforierten Kurzschlußplatte nachgeordnete Aspirationsglocke befestigt. Dieser ist ausgangsseitig ein Pumpgerät für die Erzeugung eines Unterdrucks im Inneren des Rohrs der Hohlleiterantenne nachgeschaltet, dessen Ausgang mit dem Kondensator verbunden ist. Zweckmäßig wird ein luftgekühlter Schraubenröhrenkondensator verwendet, jedoch ist auch der Einsatz eines anderen geeigneten Kondensators möglich.
Weiterhin ist im Inneren des Rohrs der Hohlleiterantenne oder parallel zu dieser eine Belüftungsverbindung zwecks Druckausgleichs zwischen der Absaugstelle am unteren Ende der Hohlleiterantenne und der äußeren Atmosphäre vorgesehen.
Die elektrischen Antriebsaggregate des Mikrowellengenerators und/oder des Pumpgeräts erhalten in vorteilhafter Ausgestaltung der Vorrichtung ihre elektrische Energie von einer vorgeschalteten Solarenergieanlage.
Die Erfindung wird nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert. In der zugehörigen Zeichnung zeigen:
Fig. 1 eine im Einsatz befindliche Vorrichtung zum Ausbringen von in Erd- oder Ge- Steinsschichten gehaltenen Flüssigkeiten oder Nutzstoffen,
Fig. 2 den Axialschnitt durch eine zweckmäßig ausgestaltete Hohlleiterantenne in Querdarstellung.
In einer als Grundwasserleiter wirksamen Erdschicht 1 in einer Tiefe T von etwa 1 m sickert beispielsgemäß ein die Hohlräume der Erdschicht 1 ausfüllender Grundwasserstrom unter der Wirkung der Schwerkraft in Richtung des Pfeiles „A" (s. Fig. 1). Dieses Grundwasser soll mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens und der erfin- dungsgemäßen Vorrichtung für die Nutzung gewonnen werden.
Verfahrensgemäß wird zunächst unter Verwendung eines geeigneten Bohrgeräts (nicht gezeichnet) ein etwa senkrechtes Bohrloch 2 mit einem Durchmesser von ca. 100 mm bis in die Tiefe T gebohrt, nachdem die Lage der den Grundwasserstrom führenden Erdschicht 1 durch Gebrauch beispielsweise eines handbewegten Bodenradargeräts (nicht dargestellt) hinreichend genau lokalisiert wurde.
In das Bohrloch 2 wird eine Antenne 3 eingeführt und mit ihrem unteren Ende 3.1 bis in das Bereich der Erdschicht 1 in der Tiefe T geschoben. Die Antenne 3 ist über ein Koaxialkabel 4 mit einem Mikrowellengenerator 5 verbunden, der u. a. ein nicht dar- gestelltes Magnetron enthält. Dem Mikrowellengenerator 5 ist eine Solarenergieanlage 6 vorgeschaltet, weiche u. a. aus einem Sonnenkoliektor, einem Regler und einem Akkumulator besteht.
Die Antenne 3 ist als Hohlleiterantenne 3 ausgeführt (s. Fig. 2) und besteht in ihrer geometrischen Grundform aus einem zylindrischen Rohr 3.4 aus einer Kupferlegierung und mit einem Durchmesser von ca. 90 mm. Das obere Ende 3.2 ist durch eine Kurzschlußplatte 7 verschlossen, im Bereich des oberen Endes 3.2 ist des weiteren eine Anschlußstelle 8 für das Koaxialkabel 4 vorgesehen, deren Außengewindeteil für die Aufnahme einer Überwurfmutter des Koaxialkabels 4 elektrisch mit dem Rohr 3.4 der Hohlleiterantenne 3 verbunden ist. Ein Kontaktstift ist gegen das Rohr 3.4 isoliert mit einem in das Innere des Rohrs 3.4 der Hohlleiterantenne 3 hineinragenden Einkoppelstift 9 verbunden.
Das untere Ende 3.1 des Rohrs 3.4 der Hohlleiterantenne 3 weist eine Verjüngung 3.3 auf, in welcher ein Anpaßelement 10 befestigt ist. Dieses Anpaßelement 10 dient einer optimalen Mikrowellenenergieübertragung in die Erdschicht 1. Es ist als dielektrischer Einsatz ausgeführt und besteht im Beispiel aus Teflon mit einer zylindrischen Grundform, die in Richtung auf das Innere des Rohrs 3.4 einen zylindrischen Absatz 10.1 besitzt
Am unteren Ende 3.1 der Hohlleiterantenne 3 sind weiterhin vor und an der Verjüngung 3.3 durchlässige Bereiche vorgesehen, die als Perforation 11 des Rohrs 3.4 ausgeführt sind. In analoger Weise besitzt die Kurzschlußplatte 7 eine Perforation 12, welche allerdings für Mikrowellen weitgehend undurchlässig ist. Nach der perfo- rierten Kurzschlußplatte 7 ist konzentrisch zu dieser eine Aspirationsglocke 13 vorgesehen, welche auf den Saugeingang eines elektromotorisch angetriebenen Pumpgeräts 14 führt. Dessen Druckausgang ist mit einem luftgekühlten Schraubenröhren- kondensator 15 verbunden, dem ausgangsseitig ein Kondensatbehälter 16 zugeordnet ist.
lm Inneren des Rohrs 3.4 der Hohlleiterantenne 3 ist des weiteren eine Belüftungsverbindung 17 in Form eines entsprechenden Rohrs 17 vorgesehen, welches einerseits im Bereich der Verjüngung 3.3 am unteren Ende 3.1 und andererseits im Be- reich des oberen Endes 3.2 der Hohlleiterantenne 3 mündet und dem Druckausgleich zwischen der Absaugsteile und der äußeren Atmosphäre dient.
Bei Inbetriebnahme des Mikrowellengenerators 5 erzeugt dessen Magnetron mit einer Leistung von 1 KW und bei einer Arbeitsfrequenz von 2,45 GH eine hochfre- quente elektromagnetische Schwingung, welche über das Koaxialkabel 4 auf die Hohlleiterantenne 3 übertragen wird. Dabei werden die Mikrowellen durch den Einkoppelstift 9 in die Luftsäule des Rohrs 3.4 der Hohlleiterantenne 3 eingekoppelt. Sie breiten sich in der Luftsäule in Richtung auf das untere Ende 3.1 der Hohlleiterantenne 3 aus und werden durch Wirkung des Anpaßelements 10 in die Erdschicht 1 ein- geleitet, wobei sich die Mikrowellen etwa kugelförmig um das untere Ende 3.1 der Hohlleiterantenne 3 am Anpaßelement 10 ausbilden.
Bei einer Einwirkungszeit von ca. 1 - 2 Std. werden im Bereich des unteren Endes 3.1 der Hohlleiterantenne 3 bzw. des Anpaßelerrieήts 10 Temperaturen in Höhe von ca. 250° C erreicht. Dadurch wird das in der Erdschicht 1 vorhandene Grundwasser im Umfeld des unteren Endes 3.1 verdampft. Bei gleichzeitiger Inbetriebnahme des Pumpgeräts 14 wird im inneren des Rohrs 3.4 der Hohlleiterantenne 3 ein geeigneter Unterdruck gegenüber dem äußeren Atmosphärendruck erzeugt. Unter dessen Wirkung und bei geeignetem Druckausgleich über die Belüftungsverbindung 17 kann der Dampf durch die Perforation 11 in das innere des Rohrs 3.4 eindringen. Er wird nach oben über die Perforation 12 der Kurzschlußplatte 7 und über die Aspirationsglocke 13 abgesaugt und dem luftgekühlten Schraubenröhrenkondensator 15 zugeleitet. Hier kondensiert der Dampf zu reinem Wasser, welches im Kondensatbehälter 16 gesammelt wird.
Die Erfindung ist nicht durch Einzelheiten des vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiels beschränkt. Insbesondere kann sowohl das Verfahren als auch die Vorrichtung für das Ausbringen von schmelz- bzw. verdampfbaren Nutzstoffen, die analog zum Wassermolekül bipolar strukturierte Moleküle besitzen, verwendet wer-
den. Das trifft beispielsweise auf organische Stoffe zu, die Hydroxylgruppen im Molekül enthalten, Demgemäß sind Verfahren und Vorrichtung auch für das Ausbringen von z. B. tiefgefrorenen Kohlenwasserstoffgasen geeignet.
Bezugszeichenliste
1 Erdschicht
2 Bohrloch
3 Antenne, Hohlleiterantenne
3.1 unteres Ende
3.2 oberes Ende
3.3 Verjüngung
3.4 Rohr
4 Kabel, Koaxialkabel
5 Mikrowellengenerator
6 Solarenergieanlage
7 Kurzschlußplatte
8 Anschlußstelle
9 Einkoppelstift
10 Anpaßelement
10.1 Absatz
11 durchlässiger Bereich, Perforation
12 durchlässiger Bereich, Perforation
13 Aspirationsglocke
14 Pumpgerät
15 Kondensator, Schraubenröhrenkondensator
16 Kondensatbehälter
17 Belüftungsverbindung, Rohr
Tiefe