Vývoj inovativní in-situ sanační technologie uplatňující mikrovlnný ohřev Ing. Jiří Kroužek Ing. Jiří Hendrych Ph.D., Ing. Jiří Sobek Ph.D., Ing. Daniel Randula, Ing. Václav Durďák, RNDr. Pavel Špaček

Projekt TAČR TA02021346 Vývoj mobilní technologie pro sanaci pozemních staveb a povrchů Příjemce: CHEMCOMEX Praha, a.s. (RNDr. Pavel Špaček) Další účastník: VŠCHT Praha (doc. Dr. Ing. Martin Kubal) CÍLE PROJEKTU: In-situ dekontaminační technologie založená na principu termické desorpce Účinný nástroj umožňující rychlé uplatnění na malé lokalitě Vysoká mobilita, jednoduchost a bezpečnost provozu technologie

In-situ dekontaminace povrchů Princip technologie: Cílený mikrovlnný ohřev znečištěného povrchu – open-space Desorpce kontaminantů a odsátí jejich par z povrchu Čištění procesního proudu Úkoly výzkumu: Účinná desorpce při nízké teplotě Zjednodušení a zdokonalení systému čištění procesního proudu – snížení velikosti zařízení Zabránění úniku mikrovln do okolí v otevřeném systému

Postup řešení projektu 2012 2013 2014 2015 Principy dekontaminace materiálů Koncept řešení mikrovlnné části Principy čištění procesní vzdušiny Konstrukce mikrovlnné části Finální koncept Testování mikrovlnné části Konstrukce systému čištění procesní vzdušiny Testování finálního řešení Ověření technologie Realizace výsledků Řešení projektu bylo na počátku rozděleno do čtyř etap odpovídajících jednotlivým rokům řešení, které se vzájemně více či méně prolínají a zároveň na sebe nutně navazují. Postup řešení tak byl založen nejprve na soustavné teoreticko-experimentální činnosti rozvíjející základní hypotézu projektu za účelem racionalizace řešení z pohledu praktické aplikace. V posledních dvou letech pak byly poznatky postupně přenášeny do hmatatelné podoby a očekávaného výsledku projektu, který bude v poslední etapě testován, ověřen a optimalizován a následně dojde také k jeho realizaci. Rozvoj teoretického konceptu v první polovině řešení projektu probíhal zejména s využitím systematického laboratorního výzkumu, při němž byly simulovány jednotlivé kroky vyvíjeného technologického postupu a úspěšně zkoušeny nové metody za účelem intenzifikace celého procesu. V průběhu druhé etapy pak byla započata konstrukce technického řešení, kdy v této etapě byla sestrojena mikrovlnná část technologie blízká finálnímu řešení, ale zatím v provizorním uspořádání bez jejího ukotvení na nosnou konstrukci. V letošním roce pak byla tato část řádně otestována, dále byly zkonstruovány další prvky technologie a v posledních dnech byly jednotlivé prvky spojovány do finální podoby hlavního výsledku projektu, což je základní milník řešení projektu. Více o současném stavu řešení ale pohovořím v závěru prezentace. Určení výkonu a limitů řešení Posílení účinku technologického postupu Technické řešení Formulace finálního uplatnění

Laboratorní fáze vývoje Cíle laboratorních experimentů Studium principů mikrovlnného ohřevu Interakce mikrovln a materiálů Různé matrice při odlišných podmínkách Uzavřený i otevřený systém Studium termické desorpce vlhkých materiálů Aspekty procesu kondenzace par POPs Inovativní možnost absorpce par POPs Možnost in-situ destrukce kontaminantů přímo v matrici Obecné parametry laboratorních testů Laboratorní aparatury s mikrovlnným i klasickým ohřevem Problémy s hodnocením experimentů – měření teploty Uměle připravená kontaminace – zeminy, stavební materiály Kontaminace POPs Nízkoteplotní desorpce – do 230°C

Konstrukční fáze 1 – průmyslový magnetron 2- otevřený aplikátor   1 – průmyslový magnetron 2- otevřený aplikátor 3 – izolační deska 4 – odtah procesní směsi 5 – pohyb aplikátoru 6 - filtrace 7 – absorbér 8 – tepelný výměník 9 – odsávací zařízení 10 – adsorbér 11 – pohyblivý nosný rám 12 – výfuk

Návrh kondenzátoru - výpočet Vstupní parametry konstrukčního výpočtu Protiproudý svazkový tepelný výměník Kondenzace vodní páry z proudu vzduchu odhad složení vstupní směsi Zavedení zjednodušujících předpokladů Ideální chování, ustálené laminární proudění, konst. vlastnosti apod. Postup - iterativní entalpická bilance kondenzátoru bezrozměrná kritéria – Re, Pr, Pe, Nu, Ch vlastnosti tekutin (směs) empirický vztah pro Nu 𝑁𝑢=0,1823 𝑅𝑒 0,7707 𝑃𝑟 1 3 𝐶ℎ 0,2615 𝑁𝑢=1,86 𝑃𝑒 𝑑 𝐿 1 3 𝜂 𝐵 𝜂 𝑊 0,14 Výpočet koeficientu prostupu tepla

Technické řešení Na závěr zde představím aktuální stav řešení projektu, kdy hlavním cílem současné etapy bylo sestavení cílové technologie, která je dle obrázků na tomto slidu defacto dokončená, zbývají již pouze některé drobné technické úpravy. Na levém obrázku vidíte zařízení při pohledu zepředu a vpravo celistvější obrázek. Myslím, že na první pohled je docela patrné splnění cílů projektu ohledně mobility technologie, kdy je skutečně konstrukce velmi kompaktní a osazená na kolech. Zde můžete vidět nejdůležitější prvky technologie. Mikrovlnná část byla sestavena v minulé etapě. Klíčovým prvkem čištění procesních směsí je kondenzátor, který je také dominantním prvkem technologie. Jeho design byl detailně rozvržen pomocí složitého výpočetního aparátu, jež umožňuje modelovat proces kondenzace, přičemž klíčové vstupní parametry pro návrh designu kondenzátoru vycházely z poznatků předchozích etap řešení projektu. Dále pak jenom zmíním … Technologie je tedy plně připravena na navazující etapu řešení, která je zaměřená na důkladné odzkoušení technologie. Lze tedy tvrdit, že dosažení dílčího výsledku řešení projektu ve formě funkční vzorku nic nebrání a bude v letošní závěrečné zprávě k dispozici.

Experimentální vývoj Testy mikrovlnného ohřevu v laboratorním i poloprovozním měřítku Cíle testů Ohřev materiálu v otevřených podmínkách Různé materiály – písek, zemina, beton Efekt vlhkosti matrice Bezpečnost aplikace mikrovln Finální úpravy mikrovlnné části technologie

Testy mikrovlnného ohřevu Na tomto snímku jsou pak představeny první fáze poloprovozní simulace – na obrázku vlevo je ukázáno technické řešení mikrovlnné časti technologie v neukotveném stavu. Zařízení bylo testováno v terénu pro účely posouzení mikrovlnného ohřevu v této fázi sice nekontaminovaného materiálu, ale v jeho původním prostředí. Během testů byl měřen teplotní prostorový profil jednak pomocí online měření optickými vlákny v definovaném rozmístění vláken, jež je neúplně přehledně znázorněno na obrázku vpravo nahoře, a jednak také pomocí běžného termočlánku po skončení procesu pro účely zjištění teplotní distribuce s vyšším prostorovým rozlišením. Na obrázku vpravo dole pak vidíte příklad teplotní distribuce na ohřívané ploše 5 cm pod povrchem testované zeminy v jejím původním prostředí. Tyto testy nám pomohly ukázat reálný obrázek o procesu mikrovlnného ohřevu v podmínkách blízkých budoucí aplikace vyvíjeného zařízení. Z pozorování průběhu ohřevu lze o charakteru průběhu ohřevu v podstatě zjednodušeně tvrdit, že během aplikace mikrovln na plochu se teplo postupně šíří a narůstá tak teplota ve směru od středu ohřívané plochy všesměrově k hranici ohřívané plochy a stejně tak i do hloubky. Zároveň, jak je patrné z hlavního obrázku, byla kontrolována bezpečnost pomocí měření úniku mikrovln, na základě jeho výsledků došlo k jistým technickým úpravám otevřeného aplikátoru před jeho ukotvení na nosnou konstrukci.

Závěry – testy mikrovlnného ohřevu Výkon technologie vyplývá z limitů generátoru mikrovln 6 kW, účinnost 60-70 % (chlazení), nízké ztráty odrazem - do 5 % Teplota 220°C - plocha 2,5 m2, hloubka 20cm, cca 1 t zeminy Nehomogenní distribuce teploty v matrici Malá část energie (do 5 %) – ztráta do okolní matrice, ztráta do okolí technologie Bezpečný provoz Měření úniků nepotvrdilo porušování NPH (SAR limit) – ref. hodnota 10 W/m2 Problémy s nerovným povrchem – technická opatření Nastavení výkonu a velikosti plochy – přibližně lineární vztah Vliv dielektrických vlastností materiálu nelineární průběh v závislosti na teplotě Efekt na rychlost a homogenitu ohřevu Obtížné sledování a predikce průběhu ohřevu – potřeba modelování

Modelování mikrovlnného ohřevu Komplexní fyzikální problém Závislost dielektrických vlastností na mnoha faktorech Vzájemně se prolínající procesy Sdílení tepla Elektromagnetické interakce Sdílení hmoty - sušení Numerická řešení Složitý výpočet – drahé nástroje (COMSOL)

Závěr Prokázaný účinný a bezpečný in-situ mikrovlnný ohřev open-space Fyzikální limity výkonu technologie mobilita/cena/účinnost dekontaminace/výkon Nutnost inovativních postupů dekontaminace In-situ rozklad Evaporace kontaminantů s vodní parou Absorpce par kontaminantů Opatrnost při designování technologických prvků Komplexní charakter průběhu mikrovlnného ohřevu Obtížná predikce – matematické modelování

Děkuji za pozornost Připraveno za podpory TAČR projektu TA02021346 ve spolupráci se společností Chemcomex Praha a.s.