Gekoppelte thermisch-hydraulische Simulation einer Spülung zur Altlastensanierung

Transkript

1 Gekoppelte thermisch-hydraulische Simulation einer Spülung zur Altlastensanierung Dipl.-Ing. Michael Berger, BSc Univ.Prof. Dipl.-Ing. Dr.techn. Dietmar Adam Dipl.-Ing. Dr.techn. Roman Markiewicz Institut für Geotechnik Forschungsbereich für Grundbau, Boden- und Felsmechanik GEC Offenburg

2 Inhalt o Verfahrensbeschreibung einer Spülung o Untergrundverhältnisse des Pilotversuches o Aufbau des Pilotversuches o Ergebnisse des Pilotversuches o Theoretische Grundlagen der Simulationen o Aufbau der Simulationen o Ergebnisse der Simulationen o Vergleichende Betrachtung von Pilotversuch und Simulation o Zusammenfassung

3 Verfahrensbeschreibung einer Spülung o Mobilisierung der Schadstoffe in der gesättigten Zone der Bodenmatrix o Spülungen in Verbindung mit dem Betrieb von Sanierungs- und Sicherungsbrunnen o Behandlung des abgepumpten und verunreinigten Wassers o Auswahl des Spülmittels (Wasser, Tenside, Alkohol,...) in Abhängigkeit des vorherrschenden Schadstoffspektrums o Grundsätzlich bei gut bis mittel löslichen, organischen Schadstoffen anwendbar wie MKW, PAK, BTEX, LCKW oder Phenole o Standortvoraussetzung: mittel bis stark durchlässiger Untergrund

4 Untergrundverhältnisse des Pilotversuches o Anthropogene Anschüttungen unmittelbar unter GOK o Hauptsächlich Kiese bis in Tiefen von etwa 100 m o Vereinzelt Schichten aus Feinsanden lokaler Ausdehnung, Mächtigkeit im Mittel etwa 1 m o Lokaler Zwischenstauer schwach sandigen Schluffen bei etwa m unter GOK o Schadstoffe in der gesättigten Zone etwa 4,5 m bis 13 m unter GOK

5 Untergrundverhältnisse des Pilotversuches o Hydraulische Sicherungsmaßnahme des Versuchsfeldes durch Sperrbrunnen ergibt ein Grundwassergefälle von 1,5 o Kalibrierte Gebietsdurchlässigkeit von 1, m/s Porenanteil n=0,15 o o Durchlässigkeit im Bereich des Versuchsfeldes: 7, m/s Porenanteil n=0,15 Durchlässigkeit des lokalen Zwischenstauer: 3, m/s Porenanteil n=0,05

6 Aufbau des Pilotversuches o 7 Heißwasser-Infiltrationsbrunnen DN 100 mit einer Filterstrecke von 7,5 m o 3 Grundwasser-Entnahmebrunnen DN 150 mit einer Filterstrecke von 6,5 m o 1 Plattenwärmetauscher o 1 Mobile Heizanlage + Öltank o 1 Aktivkohle GW Reinigungsanlage inkl. Vorlagebehälter und Sandfilter o 13 Temperaturmessstellen DN 80 Messpunkte bei -6,0, -9,0 und -12,0 m unter GOK

7 Aufbau des Pilotversuches Der durchgeführte Pilotversuch erstreckte sich über einen Zeitraum von etwa 3 Monaten und lässt sich in drei Phasen unterteilen: o Erste Heizphase: 3 Tage Aufheizphase und 37 Tage Heizbetrieb o Abkühlphase: 48 Tage Pumpbetrieb ohne Heizbetrieb o Zweite Heizphase: 14 Tage Heizbetrieb

8 Temp C Temp C Temp C Ergebnisse des Pilotversuches 80.0 T Entnahmebrunnen E1+E2+E T 1 - Anstrom TNWT TE TNWT T1O TE 2 T1M 30.0 TE T1U Heizphase Abkühlphase 2. Heizphase Heizphase Abkühlphase 2. Heizphase T 11 - Feld Abstrom TNWT T11O T11M 30.0 T11U Heizphase Abkühlphase 2. Heizphase

9 Ergebnisse des Pilotversuches Räumliche Temperaturverteilung Räumliche Temperaturverteilung o Konstante Infiltrationstemperatur von rund 60 C o Schnelles Ansprechverhalten des Untergrundes auf die Erwärmung o Starke Erwärmung des oberen Bereiches auf etwa 50 C o Unterschiedliche Erwärmung der mittleren Bereiche auf rund C o Schlechte Erwärmung des unteren Bereiches auf nur etwa 20 C o Rascher Rückgang der Temperatur nach Beendigung des Heizbetriebes o Klare Abnahme der Temperatur mit zunehmender Tiefe in sämtlichen Bereichen des Messfeldes

10 Theoretische Grundlagen der Simulation Bestimmung der Filtergeschwindigkeit in einem porösen Medium nach dem Gesetz von Darcy Allgemeine Form: 3-dimensionale Form: Das Geschwindigkeitsfeld u beschreibt im Gesetz von Darcy eine, über die Schnittfläche betrachtete Filtergeschwindigkeit Anwendung im Modell: Einfache Berechnung der globalen Grundwasserströmung

11 Theoretische Grundlagen der Simulation Brinkman Gleichung zur Beschreibung von schnellen Strömungen in porösen Medien o Erweiterung des Gesetzes von Darcy um die Energiedissipation, hervorgerufen durch ein viskoses Scherverhalten mit der Navier-Stokes Gleichung o Charakterisiert durch eine Impulsbilanz und sowie durch die Kontinuitätsgleichung o Die Brinkman Gleichung bildet den Übergang von langsam fließenden Strömungen in porösen Medien nach Darcy hin zu schnellen Strömungen in nicht porösen Medien, beschrieben durch die Navier-Stokes Gleichung o Das Geschwindigkeitsfeld u beschreibt in der Brinkman Gleichung die tatsächliche Geschwindigkeit im Porenraum

12 Theoretische Grundlagen der Simulation o Die thermischen Bodeneigenschaften hängen im hohen Maße von Porenvolumen und Feuchtigkeitsgrad ab. o Maßgebende Wärmetransportmechanismen im Boden: Wärmeleitung Wärmeübergang Wärmeübergang durch latente Wärme aufgrund von Verdunstung o Wärmeleitung beschrieben durch das Fourier sche Grundgesetz o Für die Berechnung der Temperatur bei den Simulationen wird auf folgende Gleichung zurückgegriffen: o Koppelung des thermodynamischen und des strömungsmechanischen Modells über das jeweilige Geschwindigkeitsfeld u

13 Aufbau der Simulationen o Modellierung des Untergrundes anhand bodenphysikalischen Laborversuche o Erfassung der globalen Grundwasserströmung mit einem Darcy schen Modell o Wirklichkeitsnahe Modellierung der einzelnen Sanierungsbrunnen Modellierung der Strömung im Infiltrations- bzw. Entnahmebrunnen nach Navier-Stokes o Modellierung der erzeugten Grundwasserströmung der Sanierungsbrunnen mit einem Modell nach Brinkman o Dreidimensionales Simulationsmodell Koppelung des thermodynamischen und strömungsmechanischen Rechenmodells Koppelung über das jeweilige Geschwindigkeitsfeld u Erfassung der natürlichen Konvektion aufgrund des Dichteunterschiedes der Flüssigkeit im Bereich der Sanierungsbrunnen Boussinesq Approximation Zusätzliche Auftriebskraft Berechnung des Geschwindigkeitsfeldes zum Zeitpunkt t Berechnung der Temperatur zum Zeitpunkt t

14 Ergebnisse der Simulation o Maximale Geschwindigkeit am Einlass in das Bohrloch o Exponentielle Abnahme der Geschwindigkeit mit zunehmender Tiefe o Gleichmäßige Verteilung der Geschwindigkeit am Modellübergang o Tiefenlage des Einlasses in den Brunnen hat keinen Einfluss auf das Ausflussregime

15 Ergebnisse der Simulationen Gekoppelte Simulation der gesamten Brunnenanlage Gesetz von Darcy Angesetzte Randbedingungen des dreidimensionalen Modells Gesetz von Darcy o Lage des lokalen Zwischenstauers o Definition der gesättigten Bodenzone o Räumliche Anordnung der Brunnenanlage o Globale Grundwasserströmung sowie erzeugte Strömung aus den Brunnen nach Darcy o Infiltrations- und Entnahmewassermengen aus dem Pilotversuch

16 Ergebnisse der Simulationen Gekoppelte Simulation der gesamten Brunnenanlage Gesetz von Darcy Druckpotential Geschwindigkeitsfeld o Konstante Temperatur innerhalb der Infiltrationsbrunnen o Keine signifikante Temperaturfahne o Keine Abnahme der Temperatur mit zunehmender Tiefe = 40 Tage Temperatur Temperatur Temperatur

17 Ergebnisse der Simulationen Gesetz von Darcy Parametervariation der Durchlässigkeit k f = m/s k Temperatur f = m/s k f = m/s k f = m/s o Starke Abhängigkeit der Temperaturausbreitung von der hydraulischen Durchlässigkeit o Erfolgreiche Begrenzung der Temperaturfahne durch E3 bei geringen Durchlässigkeiten o Bei einer Vergrößerung der hydraulischen Durchlässigkei vergrößert sich auch die Temperaturfahne o Keine gleichmäßige Erwärmung des Feldes bei Durchlässigkeiten k f > m/s

18 Ergebnisse der Simulationen Gekoppelte Simulation der gesamten Brunnenanlage Brinkman Gleichung Angesetzte Randbedingungen des dreidimensionalen Modells Brinkman Gleichung o Lage des lokalen Zwischenstauers o Definition der gesättigten Bodenzone o Globale Grundwasserströmung sowie erzeugte Strömung aus Brunnen nach Brinkman o Infiltrations- und Entnahmewassermengen aus dem Pilotversuch o Berücksichtigung des Dichteunterschiedes der erwärmten Flüssigkeitsphasen

19 Ergebnisse der Simulationen o Transiente Berechnung der Flüssigkeitsströmung ohne Einfluss einer Auftriebskraft ρ = const. o Quasi-stationäres Geschwindigkeitsfeld über die Simulationsdauer von 40 Tagen o Rasche Abnahme der Geschwindigkeit mit zunehmender Entfernung vom Einlass o Gleichmäßige Verteilung der Stromlinien über den rotationssymmetrischen Querschnitt

20 Ergebnisse der Simulationen o Transiente Berechnung der Flüssigkeitsströmung mit Einfluss einer Auftriebskraft ρ = f(t) o Instationäres Geschwindigkeitsfeld über die Simulationsdauer von 40 Tagen o Warme Flüssigkeitsphasen unterliegen aufgrund des Dichteunterschiedes einer größeren Auftriebskraft als die kälteren Phasen o Stärkere Erwärmung der oberen Bereiche des gesättigten Bodenkörpers

21 Ergebnisse der Simulationen Gekoppelte Simulation der gesamten Brunnenanlage Brinkman Gleichung Druckpotential Geschwindigkeitsfeld o Keine signifikante Temperaturfahne o Klare Abnahme der Temperatur mit zunehmender Tiefe sowohl in den Randbereichen als auch in der Mitte des Feldes = 40 Tage Temperatur Temperatur Temperatur

22 Ergebnisse der Simulationen Brinkman Gleichung Parametervariation der Durchlässigkeit k f = m/s k Temperatur f = m/s k f = m/s k f = m/s o Starke Abhängigkeit der Temperaturausbreitung von der hydraulischen Durchlässigkeit o Erfolgreiche Begrenzung der Temperaturfahne durch E3 bei geringen Durchlässigkeiten o Kurze Temperaturfahnen sowie gleichmäßige Erwärmung = 40 Tage des Feldes bei Durchlässigkeiten k f > m/s o Ausbildung eines geschlossen erwärmten Bereiches rund um die Sanierungsbrunnen

23 Temp C Temp C Temp C Vergleichende Betrachtung von Pilotversuch und Simulation T 5 - Abstrom Anstrombereich des Versuchsfeldes TNWT T5O T5M T5U Heizphase Abkühlphase T 5 - Abstrom 2. Heizphase T 11 - Feld Abstrom Abstrombereich des Versuchsfeldes = 40 Tage TNWT T5O T5M T5U TNWT T11O T11M T11U Temperatur 1. Heizphase Abkühlphase 2. Heizphase 1. Heizphase Abkühlphase 2. Heizphase

24 Zusammenfassung o Eine erfolgreiche in-situ Sanierungen verlangt eine sehr genaue Kenntnis der geologischen und hydrogeologischen Randbedingungen o Anpassung der Sanierung an eben diese Randbedingungen o Umfangreiches Monitoring während und nach der Sanierung o Eine thermisch-hydraulische in-situ Sanierung erfordert eine gekoppelte Simulation der strömungsmechanischen und thermodynamischen Vorgänge im Untergrund o Einfache Berechnung der Strömung im Untergrund nach Darcy zeigt nur eine schlechte Übereinstimmung mit den Messergebnissen o Auftriebskraft zufolge eines Dichteunterschiedes zwischen dem erwärmten Spülmittel und dem Grundwasser o Berücksichtigung der Auftriebskraft bei der Berechnung der Strömung nach Brinkman liefert eine gute Übereinstimmung mit den Messergebnissen