CN111033165A

CN111033165A - 用于传递气体中所含热量的方法以及用于该目的热交换器

Info

Publication number: CN111033165A
Application number: CN201880045568.1A
Authority: CN
Inventors: G.安布罗塞蒂; P.古德
Original assignee: Synhelion SA; Eni SpA
Current assignee: Synhelion SA; Eni SpA
Priority date: 2017-07-07
Filing date: 2018-06-28
Publication date: 2020-04-17
Also published as: US11802715B2; CL2019003904A1; US20200217561A1; AU2018297399B2; WO2019006565A1; EP3649420B1; EP3649420A1; AU2018297399A1; EP3649420C0

Abstract

本发明涉及用于交换包含在流体中的热量的方法。使用间接加热并发射红外辐射的气体作为流体，所述流体经由入口被引导至热交换器并通过热交换器中的吸收器室，并且在吸收器室中提供至少一个表面，所述至少一个表面吸收气体的红外辐射以便利用气体的热量。气体的质量流和温度被附加地调节并且对于热交换具有吸收作用的至少一个表面被设计成使得在操作期间由于吸收而流过所述表面的热量与流过所述表面的总热量的比率ψ≥0.6。因此，可以实现更简单且更便宜的热交换器。

Description

用于传递气体中所含热量的方法以及用于该目的热交换器

技术领域

本发明涉及一种根据权利要求1的前序部分的方法、一种根据权利要求10的前序部分的热交换器以及一种根据权利要求16的前序部分的用于操作炉的方法。

背景技术

太阳能发电站，例如诸如塔式太阳能发电站，以工业规模运行，诸如加利福尼亚的Ivanpah太阳能发电站，其具有392 MW的额定输出，其通过将集中的太阳辐射引导至布置在塔中的热交换器的管而直接产生在170bar下温度范围大于750°K的蒸汽，在该热交换器中以这种方式产生蒸汽。由盐构成的蓄热器允许蒸汽在良好的太阳辐射阶段之外被使用。

为了更高的效率，塔式太阳能发电站越来越多地被提供，其经由容积式接收器将空气加热到超过1000°K直至大约1500°K，并且现今在试验基础上加热到直至大约2000°K及以上。然后，加热的空气用于经由热交换器产生蒸汽或工艺热。还可以预见的是，例如，这种塔式太阳能发电站也将被设计用于Ivanpah太阳能发电站类型的功率范围。

另一方面，已知的是，利用具有碟形接收器（其也可以被分组为集群）的小的本地独立装置，在千瓦时范围内的功率下可以实现高于1000°K、甚至超过2500°K的温度。这种热源的使用也是令人感兴趣的。

根据现有物质的性质，在太阳能系统的接收器中累积的辐射热在高于1000°K的温度下以加热空气的形式从接收器中被移除。继而，以这种方式输送的热量的使用需要使用下游的热交换器。热交换器所必需的到待加热介质中的良好热传递需要相当大的结构努力，主要与加热介质中相当大的流动阻力相关。

发明内容

因此，本发明的目的是形成一种用于传递气体中所含热量的改进方法和一种改进的热交换器。

该任务通过根据权利要求1的特征部分的特征的方法、通过具有权利要求11的特征部分的特征的热交换器和具有权利要求14的特征部分的特征的操作方法来实现。

通过使用被引导到热交换器的吸收器室中的发射红外辐射的气体，其热量可以以辐射方式（即，经由其红外辐射）以足够的功率传递到热交换器的吸收表面上。这消除了用于通过对流进行优化热传递的方法步骤和装置，基于对流表面与放出热量的气体体积的最大可能比率，所述方法步骤和装置生产起来冗长且昂贵，并且产生相当大的流动阻力。

由于通过红外辐射放出热量的气体被引导到热交换器的吸收器室中，因此可以主要以吸收的方式发生期望的热传递，这允许热交换器相应地以简单的方式被设计。通过提供具有用于在红外范围内辐射的间接加热气体的入口的炉，这可以用间接加热气体而不是经由辐射放出热量的燃烧产物（气体和特别是烟灰，其也在可见频率范围内辐射，从而使火焰可见）来操作，这允许以低努力水平改装的炉以无污染物的方式操作，并且允许省去污染物消除设备的操作，并且允许继续使用具有小修改的现有基础设施。

关于吸收表面，如果由于吸收而产生的热流与流过它的总热量的比率ψ≥0.6，则上文所示出的优点特别明显。

红外辐射气体特别是可以由根据尚未公布的专利申请CH00627/17的接收器加热，与已知的容积式接收器相比，该接收器吸收性地加热气体。可以经由黑体辐射通过辐射被加热的这种气体继而自身在红外范围内辐射，并且除了常规加热的红外辐射气体之外，这种气体然后可以理想地用于根据本发明来使用。

优选的实施例具有从属权利要求的特征。

附图说明

在下文基于附图更详细地解释本发明。

附图示出了：

图1a以截面图示意性地示出了根据本发明的热交换器；

图1b示出了从呈图1a中的热交换器的类型的热交换器的吸收器室的外部观察的示意图；

图1c以图1b的视角示意性地示出了图1a和1b中的热交换器的改进实施例；

图2a示出了根据本发明的具有蓄热器和热交换器的系统的示意图；

图2b示出了根据本发明的用于传递气体中所含热量的方法的步骤；

图3a示意性地示出了根据本发明操作的传统重整器的吸收器室的视图；

图3b示出了根据本发明的操作方法的步骤；以及

图4示出了用于产生间接加热的红外辐射气体的接收器。

具体实施方式

图1a示意性地示出了贯穿根据本发明的热交换器1的实施例的截面图。放热的间接加热（对此，参见下文）气体根据吸入箭头方向经由入口2进入吸收器室3，流过该吸收器室到达排出口4，气体通过该排出口再次离开热交换器1，其中，在所示的实施例中，入口2、吸收器室3和排出口4形成用于将气体输送通过热交换器1的装置。

根据本发明的间接加热的气体在热交换器1之前已经被加热，其中，与吸收器室中所产生的烟气（即，燃烧产物）相反，间接加热的气体在吸收器室中待交换的热量不是源自其自身的燃烧，所述烟气的待交换热量是由在吸收器室中起作用的燃烧过程引起的。

在入口2和吸收器室3之间，存在用于流过吸收器室3的气体的分配器5，使得气体跨过吸收器室3的整个直径而流过所述吸收器室。气体的收集器6将其引导到吸收器室3之后的排出口4中。这里，分配器5和收集器6也是用于通过热交换器1输送气体的装置的部件，本领域技术人员可以在个体的基础上来适当地设计分配器5和收集器6。

在所示的实施例中，吸收器室3是圆柱形的；所引导的气体是在红外范围内辐射的气体、或包括在红外范围内辐射的气体的气体混合物。

在吸收器室3中，设置了相对于吸收器室轴向延伸的管线，并且所述管线在此设计为管7，所述管自身由用于待加热流体的分配器8供给，并且流入用于已加热流体的收集器9中。继而，分配器8和收集器9可以由本领域技术人员在个体的基础上进行适当设计。管7的表面形成吸收红外线辐射的表面。如果只提供一根管7，则存在至少一个吸收表面，否则存在多个吸收表面，特别是在所示出的具有一束管7 （参见图1b和1c）的当前的情况下。

在红外范围内辐射的热气体流过热交换器1，并因此流过吸收器室3，所述热气体相应地辐射到管7的表面上，加热这些表面以使得在红外辐射气体与管7的吸收表面之间发生热交换，所述吸收表面自身加热流经它们的流体。因此，管形成了被提供用于经由红外辐射进行热交换的表面，例如与吸收器室3的壁10的表面相反，尽管是绝热的，壁10的表面导致气体的不期望的热损失，该热损失不用于预期的热交换；并且所述管被设计为吸收红外辐射，即，它们具有不被设计为反射器的表面。

在红外范围内辐射的气体包括例如CO₂、水蒸汽、CH₄、NH₃、CO、SO₂、HCl、NO和NO₂。

通常，气体在其特有的频带中发射电磁辐射，其中以W/m²为单位的辐射强度或每个面积的辐射功率取决于温度。

对于固体，应用（理想的）辐射黑体的模型（“黑体辐射”），其在整个频谱上以W/m²为单位的辐射强度取决于其温度，其中最大强度随着温度增加而向更高频率偏移，并且同时以温度的四次方增加。

甚至真实固体在其频谱中的辐射相对于（理想的）黑体的频谱也表现出降低；对于特定的真实固体，辐射强度在一些情况下在其特有的频率中显著降低。

在这方面，气体具有更极端的性质，其仅在单独的频带中辐射，该频带可以在紫外范围、可见范围或红外范围中。如果气体在相对低的温度下辐射、例如在紫外范围内辐射，则其辐射强度（即，辐射功率）是小的；如果它在相同的温度下在红外范围内辐射，则其辐射强度是高的。根据本发明，通过如下来利用气体的这种特性：使用在高达2500°K或更高的当今技术上可控的温度范围（在未来的几年中，这些温度范围将向上偏移）内在红外范围内辐射的气体，其中，它们的辐射强度变得显著，并且因此可有效地用于热交换。除了下文所指出的优点之外，这允许设计非常简单但有效的热交换器，其将热量从在红外范围内辐射的气体传递到另一介质。此外（参见下文关于这一点的描述），省去了用于对流热传递的常规结构努力，该对流热传递通过接触进行，因此需要相对于放出热量的气体的体积的大的热交换面积。

申请人已经发现的是，如果通过吸收交换的热流与所交换（通过吸收和对流）的总热流的比率ψ≥0.6，即吸收的比例超过对流的比例，则通过发射/吸收进行的热交换的构造优点具有特别高的影响。因此，即使在热交换器的最简单的实施方式的情况下，也不能避免由于对流而引起的热交换，并且在热交换的意义上，由于对流而引起的热交换也是非常受欢迎的。然而，对流比例越低，结构简化就越大，并且生产的工作量以及在任何情况下热交换器本身的维护工作量都越少。以个体为基础，本领域技术人员可以适当地限定确定参数（红外辐射气体或气体混合物、其温度、压力和流率、吸收器室和至少一个吸收表面的几何形状，等）以调节比率ψ≥0.6并实现根据本发明的优点。

在这一点上，应当注意的是，被示出在圆柱形吸收器室3的直径内具有五根管7的实施例应当理解为纯粹是用于解释手头的条件的示例。例如，可以提供以任何构造和任何发展（即，不仅仅轴向地延伸）穿过吸收器室的任何数量的管线，只要这仍然意味着吸收性热量摄入的比例占主导，即，实现了比率ψ≥0.6。

根据本发明，产生了一种用于交换流体内所含热量的方法，其中，使用被间接加热并且发射红外辐射的气体作为该流体，所述流体经由入口（2）被引导至该热交换器（1）并且通过该热交换器（1）中的吸收器室（3），其中，在该吸收器室（3）中提供了至少一个表面，该至少一个表面吸收该气体的红外辐射以便使用该气体的热量，并且其中，该气体的质量流和温度被调节并且用于对该热交换进行吸收的该至少一个表面被设计成使得在操作期间由于吸收而流过该表面的热量与流过该表面的总热量的比率ψ≥0.6。

用于实施该方法的热交换器具有用于输送在热交换器中通过红外辐射放出热量的气体的装置，该装置具有吸收器室，该吸收器室具有设置用于经由红外辐射进行热交换的至少一个表面，其中热交换器设计成具有用于放出热量的间接加热气体的入口，并且吸收器室和至少一个吸收表面设计成使得，在在吸收表面中放出热量的气体的预定质量流和预定温度的情况下，在操作期间，流过其的热量与流过其的总热量的比率ψ≥0.6。因此，热交换器优选地设计成具有用于输送在热交换器中通过红外辐射放出热量的气体的装置，该装置具有吸收器室（3），该吸收器室具有至少一个表面，该至少一个表面被提供用于经由红外辐射进行热交换，并且通过红外辐射放出热量的间接加热的气体流过该装置，其中，热交换器被设计成具有用于放出热量的间接加热的气体的入口，并且吸收器室和至少一个吸收表面被设计，并且放出热量的气体的质量流和温度被调节，使得在吸收表面中流经其的热量与流经其的总热量的比率ψ≥0.6。为此，例如，热交换器可以设置有相应的控制系统，该控制系统控制通过吸收器室的质量流，其中优选地，设置用于流动到热交换器的放出热量的气体的温度的温度传感器，该温度传感器产生用于控制系统的相应的温度信号，该控制系统然后调节和调整质量流。控制系统不必集成在热交换器中，而是可以位于使用热交换器的系统中的适当位置中。本领域技术人员可以在个体基础上设计合适的控制系统，包括用于要由控制系统处理的数据的传感器，使得比率ψ≥0.6。

图1b示出了从外部来看的图1a中的热交换器1的吸收器室3的视图。显然，吸收器室3的圆柱形壁10以及管7布置成彼此相邻地延伸的空间束，从而在所示实施例中以大致均匀的方式填充圆柱形吸收器室3。

出于工艺工程的原因，也可以提供另一装置。管7在热交换器1 （图1a）的操作期间基本上被跨过其长度轴向流动（由箭头15表示）的红外辐射气体（例如，水蒸汽）吸收性地加热。例如，用于（催化）生产合成气或其它化学反应物质或仅仅流体的组分，其可以将所交换的热量引导到合适的位置，例如就次级回路而言，因为工艺热就是这种情况，所述组分在此在管道自身中沿由箭头15所示的相同方向流动。

在生产合成气的情况下，图1a和1b中所示的装置代表具有根据本发明实现的热交换的重整器。合成气生产需要高温，例如诸如1200°K的平均管温度。在此情况下，在简单的示例性实施例的意义上，在此假定外部管直径为130 mm，内部管直径为100 mm，并且管长度为12m （即，吸收器室3的高度为12m），其中，在管7中流入管中的热流q'应该为管表面的100kW/m²（这当然取决于在管中进行的相应过程）。此外，假定管从中心到中心的距离是管的外径的六倍，即780 mm，并且最外层管到吸收器室3的壁10的距离是其一半，即390 mm。

因此，吸收器室3的直径为3.9m。红外辐射气体的分压为1bar，其中流过假定示例的水蒸汽具有的环境压力为1bar（因此，不添加非辐射气体）。

在上述假定下，申请人的粗略计算给出了基于在可用的间接加热的气体的变化的温度下的两个示例得到的在下表中所示的比率ψ的值：

T<sub>in</sub>（气体的入口温度）	1700°K	1580°K
			T<sub>out</sub> （气体的出口温度）	1340°K	1460°K
v （流率）	7.1m/s	21.1m/s
			ψ（比率，吸收/吸收+对流）	0.97	0.94
T<sub>Gas</sub>用于粗略计算的气体的平均温度	1520°K	1520°K

因此，根据本发明，热交换可以通过所示的热交换器1 （图1a）来实现。应当注意的是，在粗略计算下，已经假定了吸收器室3中的均匀条件，即，已经忽略了对壁10的影响以及从管7的入口到出口（即，沿着圆柱形吸收器室3的轴线）的实际温度分布。然而，这并不改变基本的可行性。

取决于反应（如上文所提及的：例如合成气反应）或吸热流体的需要，在管线（管7）中存在约40bar的主要过压，其中例如100bar的更高过压也是所期望的。然后，设计成耐压的相应管线（管7）的壁厚相应地增加，这继而对进入管线的热流有害，使得例如红外辐射气体的温度必须增加以保持所期望的热流（在该示例中，100 kW/m²）。

按照根据本发明的吸收器室3 （或图1a中的热交换器1）的思路，被引导通过吸收器室3的管线7可以紧凑地捆扎，例如，使得吸收器室3由管状壁10限制。这继而使得吸收器室3能够相对容易地设计成用于更高或较高的压力，因为由于压力而在管状壁区域中产生切向张力，在结构水平上基本上更容易控制所述切向张力。如果在吸收器室3中存在显著的过压，则相对于管线（管7）的内部压力的压力差减小。因此，可以减小管线的壁厚，从而改善进入管线的热流。

根据本发明的热交换器具有用于输送在热交换器中通过红外辐射放出热量的气体的装置，该装置具有吸收器室，该吸收器室具有至少一个表面，该至少一个表面被设置用于经由红外辐射进行热交换，其特征在于，热交换器被设计成具有用于放出热量的间接加热的气体的入口，并且吸收器室和至少一个吸收表面被设计成使得，在吸收表面中的放出热量的气体的预定质量流和预定温度的情况下，在操作期间流过其的热量与流过其的总热量的比率ψ≥0.6。此外，这优选地导致至少一个吸收表面由多根管线、优选地管路形成，并且其中管线被布置成延伸穿过吸收器室的束，并且在管之间提供用于可操作地流过的红外辐射的放出热量的气体的空间。此外，这导致吸收器室优选地设计成耐压的，以承受≥5bar、优选地≥10bar、特别优选地≥20bar、并且实际优选地≥50bar的放出热量的气体的压力。

如果水蒸汽用作红外辐射气体，根据对于管7的尺寸和100 kW/m²的热流的上述假定进行的粗略计算，在吸收器室3中的10bar的操作压力下得到结果如下：

T<sub>in</sub>（气体的入口温度）	1620°K
		T<sub>out</sub> （气体的出口温度）	1340°K
v （流率）	3.8m/s
		ψ（比率，吸收/吸收+对流）	0.9
T<sub>Gas</sub>用于粗略计算的气体的平均温度	1480°K

气体的辐射率ϵ随其压力p和辐射气体层的厚度L （路径长度）而增加；适用ϵ＝f（p，L）。辐射率的无量纲曲线示出了倒置曲棍球杆的形状，在低路径长度（L）处具有陡峭的梯度，而在远离吸收辐射的壁的一定距离处具有轻微的梯度，即，更大的路径长度。随着压力的增加，从管7到管7的距离可以减小，在本示例中为390 mm，在吸收器室3中的操作压力为10bar时，这导致1.95m的直径，因此是相对于操作压力为1bar的情况来说吸收器室3的直径的一半。这些较小的尺寸支持吸收器室的耐压设计，这继而促进了其中甚至更高的压力。在个体基础上，本领域技术人员例如可以基于管线7中的最佳内压和它们的壁厚（热传递）来确定吸收器室3中的操作压力，由此考虑到压力安全性和到管线7中的热量输送的影响。

在这一点上应当注意的是，在上文定量描述的示例中，比率ψ在0.9和以上的范围内，尤其是还因为超过1500°K的间接加热气体的高温。然而，根据申请人的发现，根据本发明的比率ψ≥0.6也可以在间接加热的气体的温度为1000°K、例如1300°K、或者根据以上示例超过1500°K的情况下实现。这导致，根据本发明，优选地，间接加热的气体具有1000°K、优选地1300°K、并且特别优选地1500°K的温度。

图1c示出了从图1a中的热交换器1的另一实施例的吸收器室3的外部观察的视图。如图1b那样，吸收器室21的圆柱形壁20以及管7是明显的，所述管彼此相邻地布置成空间束，从而填充圆柱形吸收器室21。

与图1b中的实施例相比，另外提供了壁22，其布置在管7之间。这些壁22或它们的表面23在操作期间由红外辐射气体通过其红外辐射加热，直到由于壁22由于（真正的）黑体辐射自身损失能量而设定温度平衡。这种黑体辐射现在有利地加热管线或这里加热管7。应当注意到，吸收器室的壁20已经在这个意义上起作用，然而，壁22是具有与吸收器室20的壁分离的附加表面23的附加的、分离的壁。

上文应当提及的是，辐射率ϵ曲线具有带有剧烈增加的第一范围和带有微弱增加的第二范围，其中过渡自然不是急剧的。这意味着辐射到壁中的能量首先随着辐射气体层的厚度（路径长度L）的增加而剧烈地增长，然后根据取决于气体的厚度等等而变得越来越弱（但仍然增长）。这可以解释为使气体本身绝热，换句话说，更远离壁定位的气体区域不太能够经由其辐射将能量发射到壁上。现在，如果现在在适当的区域中布置另一壁，其也被加热并且然后发射（真正的）黑体辐射，则这将至少在其中红外辐射气体不吸收的频率范围（对于这些频率，省去了绝热效果）中实际上不受阻碍地到达待加热的壁，从而以未削弱的方式加热该壁。结果，穿过管线的吸收表面的热流q̇增加。在个体的基础上，本领域技术人员可以将这种另一壁布置在此处远离吸收表面（此处：一排管7）的距离处，该距离在红外辐射气体的辐射率ϵ的微小增加的范围内，并且此外，使得吸收表面上的另一壁的黑体辐射的强度大于被另一壁切断的红外辐射气体层的强度（由于切断路径长度L而导致的附加强度）。

在这一点上应当注意的是，管线或管7继而也发射黑体辐射，然而处于相对低的温度，因为它们由于流体在其中流动而成为散热器。上文所提及的其它壁达到高于吸收器室中的管线7或至少一个吸收表面的温度的平衡温度，使得在该所提及的合适装置的情况下，可以改善到至少一个吸收表面上的热辐射。

总之，在该吸收器室中布置了分布在该吸收器室中的多根管线，每根管线具有吸收表面，并且设置了至少一个其他表面，该其他表面自身在操作期间可以通过放出热量的气体来加热，该其他表面在操作期间通过黑体辐射来照射这些吸收表面，使得穿过所述吸收表面的热流q̇通过吸收而增加。

图2a示意性地示出了用于使用太阳能的系统30的布置结构，所述系统具有根据本发明的热交换器1、蓄热器31以及用于（集中的）太阳辐射的接收器32和光伏接收器37。

在接收器32中，通过入射的太阳辐射33，合适的流体被加热到例如高于1000°K或高达超过2000°K的温度，经由管线34进入蓄热器35，并经由管线36回到接收器32中，使得蓄热器35可以经由管线34、36在相应的回路上被充入热量。光伏系统或光伏接收器37通过太阳辐射的入射而产生33电力，如果需要，该电力经由电力线37和电加热器38在蓄热器31中提供处于所需温度的热量，特别地，能够将蓄热器中的均匀上限温度保持在例如2000°K的范围。由于蓄热器31的热量，红外辐射气体被加热并经由回路中的管线39、40被引导通过热交换器1。

然而，优选地，红外辐射气体已经被接收器32加热，其经由在回路中的管线41、42被输送通过热交换器1，即可选地直接供应至热交换器，这取决于蓄热器38是否仍然应该被充注。

在热交换器1中，流体被加热，该流体经由管线43、44流过该热交换器。如上文所提及的，这通常可以是任何种类的工艺热、用于化学反应的反应物/产物或驱动蒸汽轮机（电力）的蒸汽。所示系统30的一个优点是例如供应到热交换器1的红外辐射气体的简单温度控制：为了冷却，这种未加热的气体可以被添加到回路（直接经由接收器32或经由蓄热器35）；电加热器38可用于加热，这样，即使太阳的辐射强度低于接收器32针对所期望的非常高的温度将需要的阈值，电加热器可以主要地产生非常高的温度。所示系统的另一优点在于，可以在所示回路中在压力下以相对简单的结构努力来引导红外辐射气体，其中，热交换器1中的热传递也可以以较少的努力实现。

因此，所示系统可以仅用一个热源（太阳能接收器32或蓄热器38）来操作，该热源分别用于间接加热的气体，或者如果需要，可以在这些热源的组中操作，所述热源附加地具有加热器38。

这导致，在所示实施例的情况下，用于输送放出热量的气体的装置操作地（例如在回路中）连接到间接加热所述气体的热源，该热源优选地具有蓄热器。此外，该热源具有以下产热装置中的至少一个-太阳能接收器、蓄热器或优选地电加热器，优选地是通过光伏电力供电的电加热器。对于根据本发明的方法，这导致优选地，发射红外辐射的气体在包围热交换器的回路中被引导，在该回路中气体被间接加热，并且其中，此外优选的是，在该回路中在热交换器之前设置蓄热器。此外，这导致以下热源中的至少一个用于间接加热：接收器、蓄热器或优选地是电加热器（特别优选地被光伏供电）的加热器。

接收器32可以被设计为塔式太阳能发电站的接收器。为此，参见下文关于图4的描述。蓄热器35可根据WO2012/027854设计，其中基体材料可以由Al₂O₃构成（目前常用的盐蓄热器不适合根据本发明的温度，因为盐会随后分解）。光伏太阳能发电站是本领域技术人员已知的。

图2b示出了根据本发明的用于热交换的方法的步骤。在步骤45处，选择气体作为放出热量的气体，该气体的待交换热量不是由其燃烧产生的，并且该气体在热交换器之前被加热，即间接加热的气体，该气体发射红外辐射以便通过该辐射交换热量。优选地，这种气体是异极气体。CO₂、水蒸汽、CH₄、NH₃、CO、SO₂、HCl、NO和NO₂或这些气体的混合物是合适的。如果出于程序原因这是适当的，则非辐射气体可以在个体的基础上混合，然而在由比率ψ指示的限制内。

在步骤46处，针对特定情况选择气体（或气体混合物），质量流（流率和压力）及其温度与吸收器室中的吸收表面的相应设计相互协调，使得通过吸收产生的热流与总交换的热流的比率ψ≥0.6，这意味着吸收胜过对流。优选地，吸收表面由管线7的表面形成，其引导通过吸收器室3 （图1a至1c），其中特别优选的是，提供了管线的（空间）束，因为气体可以围绕该井流动。待加热的流体被引导到管线中。吸收表面也可以由吸收器室的壁区段形成，或者由用于通过热交换被加热的流体的一根或多根管线（优选地，管路）形成。选择的比率ψ越高，例如≥0.7、优选地≥0.8并且特别优选地≥0.9，则越容易设计热交换器。如果将处于过压下的气体引导通过吸收器室（优选地≥5bar，优选地≥10bar，特别优选地≥20bar，并且非常优选地≥50bar），则根据本发明的热交换器可以设计成特别紧凑。在步骤47处，通过在预定操作参数下被引导通过具有适当设计的吸收表面的吸收器室的选定气体或气体混合物来执行预备的热交换。

这导致，优选地，发射红外辐射的气体在包围热交换器的回路中被引导，在该热交换器中间接地加热气体，并且其中优选地，在该回路中在热交换器之前设置蓄热器。在气体的太阳能加热的情况下，这也可以在具有强烈太阳辐射的时段之外变得可用。此外，出现了以下热源中的至少一个用于间接加热，由此产生了相应主要的太阳辐射的强度的有利独立性：所述热源是接收器、蓄热器或加热器、优选地电加热器，特别优选地光伏供电的电加热器。

图3a示意性地示出了根据本发明操作的常规重整器的吸收器室（或加热室） 50。重整用于工艺工程中的化学转化，并且通常以催化方式作为吸热过程进行。特别地，“管式重整器”是已知的，即重整系统，其中待处理的材料在管中被引导通过加热室，使得化学工艺所需的热量可以通过管供给到材料。热量由燃烧器产生，燃烧产物通常包含在红外范围内辐射的烟灰以及在红外范围内辐射的气体。

代表炉的加热室是长方形的。

沿着加热室的中心线，管一个接一个地布置成一排，使得在管的两侧上，存在细长的子室，由燃烧器产生的火焰作用在子室中。在“顶部燃烧”原理的情况下，火焰从上方伸入子室中；在“阶梯状壁”原理的情况下，燃烧器布置在子室的外壁的台阶上，并且在“侧部燃烧”原理的情况下，燃烧器布置成横跨外壁分布。这种原理的缺点是，难以控制管的整个长度上的温度（火焰处具有高温，然后急剧的温度下降），并且必须存在用于火焰的不受干扰的发展的足够空间。最后，该原理还导致这样的事实，在加热室中，管成排布置，以在火焰的面积和由管产生的吸收表面的面积之间形成有效的关系。根据本发明，具有加热室50的传统重整器设置有用于在红外范围内辐射的间接加热气体的入口，在该加热室中，管51彼此相邻布置从而延伸成一排，并且燃烧装置不被使用，即，停用或扩展以用于炉的预期操作，并且因此用于重整器的预期操作。根据箭头52，气体在一排管51的两侧（当然也在管之间）流过子室53、54，并通过其红外辐射加热所述管。

为了粗略计算，再次假定在重整器中产生合成气，其中继而需要例如1200°K的平均管温度。如图1b那样，这里假定外管直径为130 mm，内管直径为100 mm，且管长度为12m（即加热室50的高度为12m），其中进入管7的热流q̇应为管表面的100 kW/m²。外壁的温度为350°K，对流传热系数h为10W/（m²K），由于在300K的环境温度下绝热，其导致0.89 kW/m²的总热流q̇（通过对流和热辐射）。

例如，如果甲烷在常规重整器的炉中在环境压力下在空气中燃烧（CH₄+ 2O₂ +8N₂-＞CO₂ + 2H₂O + 8N₂），并且根据申请人的粗略计算，利用间接加热的气体（这里是环境压力下的水蒸汽）的根据本发明的操作与该常规操作形成对比，则得到以下结果：

参数	常规炉	间接加热气体
			T<sub>in</sub>（火焰的温度/气体的入口温度）	2050°K	1580°K
T<sub>out</sub> （气体的出口温度）	1330°K	1340°K
			v （流率）	3.6m/s	11.2m/s
T<sub>Gas</sub>用于粗略计算的气体的平均温度	1550°K	1460°K
			p （在红外范围辐射的气体的分压- N<sub>2</sub>不辐射红外线）	0.27bar	1bar
ψ（比率，吸收/吸收+对流）	0.95	0.97

因此，经由炉产生所需热量的常规重整器可以经由根据本发明的操作方法利用在红外范围内辐射的间接加热的气体进行操作。由此，有利的是，与不能再利用烟气的炉相比，间接加热的气体可以在回路（具有或不具有蓄热器；参见图2a）中被引导。此外，如果通过太阳能接收器进行间接加热，则可以显著减少环境足迹，而不需要在重整器侧进行大的投资。最后，在此也适用的是，在管的整个长度上不存在必要的非常热的火焰的情况下，预期更均匀且因此更有利的热分布。

图3b示出了根据本发明的用于操作炉的方法的步骤。在步骤55处，选择炉或重整器来操作它，而不是利用在红外范围内辐射的间接加热的气体来燃烧的材料。

在步骤56处，停用或移除燃烧装置，并且设置用于间接加热的红外辐射气体的入口。

在步骤57处，类似于图2b中的步骤46，选择红外辐射气体或气体混合物，并且限定其操作参数以便实现ψ≥0.6的比率。

在步骤58中，炉的预期操作随着气体的输送而开始。继而，异极气体是优选的。如上文所提及的，CO₂、水蒸汽、CH₄、NH₃、CO、SO₂、HCl、NO和NO₂或这些气体的混合物是合适的。如果出于程序上的原因是适当的，非辐射气体可以由本领域技术人员在个体的基础上进行混合，但是其在由比率ψ指示的限制内。

根据本发明，提供了一种用于操作炉的方法，该炉具有用于待燃烧以产生有用热的气体的流动路径，其中，在该流动路径中存在吸收器室，该吸收器室具有至少一个表面，该至少一个表面被提供用于经由红外辐射进行热交换的吸收，并且其中，该炉的燃烧装置未被使用并且设置有用于在红外范围内辐射的间接加热气体的入口，使得该气体能够可操作地被引导到用于待燃烧气体的流动路径中并且沿着该流动路径被引导，并且使得在红外范围内辐射的间接加热气体在操作期间以质量流和温度被供应给该炉，使得在该至少一个吸收表面中通过吸收产生的热流与总热流的比率ψ≥0.6。优选地，将炉切换到由间接加热的气体构成的回路中，该回路优选地包围蓄热器。

在附图中未示出的实施例的情况下，根据本发明的热交换器中的热交换不是经由引导吸收所交换的热量的流体的管线发生的，而是直接地到达存在于吸收器室中的材料上，该材料由于吸收红外辐射而加热，该材料是例如用于热处理或用于产生金属熔体的金属，或者例如也用于通过产生由源产物构成的熔体来制造玻璃的金属。这得到如下方法，其中优选地，吸收表面由待加热的材料形成。

图4示意性地示出了根据尚未公布的瑞士专利申请CH00627/17的接收器60，其用于间接加热在红外范围内辐射的气体或气体混合物。接收器60具有加热区域61，其具有光学开口62（例如石英窗）和吸收器63，其中，在石英窗64和吸收器63之间提供吸收区域65，待加热的红外辐射气体根据从右到左的引入箭头流过所述吸收区域，即，冲击吸收器63。另外，接收器60的输送装置66具有围绕石英窗64布置的用于传热介质的入口喷嘴67以及在吸收器63后面的中心出口喷嘴68，所述入口喷嘴引入到吸收区域65中。

根据本发明，吸收器63设计为黑体辐射装置，即，其具有布置在吸收该辐射的入射太阳辐射69的路径中的表面70，其设计为使得其由于落在表面70上的入射太阳辐射69而可操作地加热，然后相应地将红外辐射71穿过其表面70发射到吸收区域65中。

由此，吸收器63将其热能的主要部分以红外辐射的形式发射到吸收区域65中，在该区域中，流向它的气体在到达它之前已经以吸收的方式被加热。

如上文所提及的，实际结构仅近似地像理想黑体那样辐射。在此，关于“黑体辐射装置”，应当理解的是，入射的太阳辐射69尽可能最大程度地被吸收在吸收器的表面上（意味着与体积式吸收器相比，主要仅稍微渗入吸收器中），使得该表面加热到高温，并且通过这种方式，其像黑体一样辐射到具有相关高温的吸收区域65中。在高达2000°K （或还高于此温度）的吸收器63温度下，即在相对于可见光的较低频率下，发射到吸收区域65中的辐射的主要比例在红外范围内。

由此，省去了复杂的吸收器结构，所述吸收器结构特别是为体积式接收器设置的、在其深度上是分级的，所述吸收器结构在其深度上也相应地吸收入射的辐射并且同时入射的辐射在其内部空间中至少部分地散射并且在已发生多次反射之后被逐渐地吸收。

由此，在这种吸收器结构的情况下经常发生的复杂的热问题也没有发生。由此，吸收器63被设计成用于进行低水平的对流，这意味着，它可以容易地流过而不会增加对于热交换而言重要的对流特性。由此，也省去了用于流动介质的最大对流的设计，即，热交换器所需的结构尽可能有效，并且与热交换介质的流动体积相比具有大的表面，这在以高的效率水平制造时是复杂的，并且在操作期间导致流动介质的压力的显著下降。

在此要注意的是，必须提及的是，在吸收器63处引起的一定的对流热传递是自然不可避免的，特别是在图4所示的实施例的情况下，因为这在那里形成了吸收区域65的壁区段。到传热气体的相应对流热传递在热传递方面是自然的，然而加热气体的出口温度T_out应该在主要或主导程度上基于吸收（更多信息参见下文），由此使得简化接收器60的结构成为可能。如上文所提及的，吸收器63的简化结构尤其提供了例如从热的观点（经由吸收器63的温度分布）看更稳定操作的可能性，这导致接收器的工业适用性水平提高。

得到如下接收器，所述接收器具有：用于加热传热介质的加热区域，所述加热区域具有用于太阳光的光学开口；布置在入射太阳光的路径中的吸收太阳光的吸收器；以及用于输送介质通过加热区域的输送装置，其中吸收器被设计为具有减少的对流的黑体辐射装置，并且用于输送气体的输送装置被设计为传热介质。

由此，优选的是，吸收器设计成黑体辐射装置，其具有用于传热气体的流的减小的对流，并且此外其优选地与光学开口64相对地定位。此外，红外吸收气体或气体混合物用作传热介质，其在属于红外范围的频带中吸收。例如，这种气体包括异极气体，优选地CO₂、水蒸汽、CH₄、NH₃、CO、SO₂、HCl、NO和NO₂。当使用这些气体时，最终导致可由接收器60使用或被使用的温室效应，因为这些气体对于由此主要到达吸收器63的可见光是高度半透明的，然而对于吸收器63的红外辐射仅稍微半透明到几乎不透明，使得它们以吸收方式升温。这里，必须提及的是，真实气体不能在所有频率上均匀地吸收可见光或红外辐射，并且不是半透明的，但是最重要的是，在为相应气体指定的频带处具有各种强度。此外，吸收随着与辐射源的距离增加而下降。由此，关于辐射的吸收或透明性，上面提及“高度半透明”或“稍微半透明至几乎不透明”。

吸收器63可以设计为穿孔板，优选地为双穿孔板或简单的平坦网状结构。在穿孔板的情况下，穿孔图案分布在穿孔板的范围上，使得传热气体可以容易地流动，但是由此提供穿孔板的足够表面或尽可能多的表面，以用于将入射的太阳辐射和红外反向辐射吸收至吸收器室中。本领域技术人员可以容易地在特定情况下以最佳方式确定穿孔图案。在具有网状结构或具有彼此平行的两个板的双孔板的情况下也是如此，其中一个板的穿孔布置成相对于另一板的穿孔彼此偏移，使得尽管热交换气体的低对流通过，但吸收器的尽可能恒定的辐射表面面向吸收区域。用于吸收器的合适材料是碳化硅SiC。

由于在红外范围内吸收的气体也在红外范围内辐射，因此上文所提及的气体可以提供用于塔式太阳能发电站的接收器（优选但不排他）中的太阳能加热，然后根据本发明提供用于热交换。还可能的是，根据图2的接收器用于碟式聚光器，这是因为由于太阳辐射的二维聚集，在碟式聚光器也可以达到高达2000°K及更高的温度。

Claims

1.一种用于交换流体中所含热量的方法，其特征在于，使用被间接加热并发射红外辐射的气体作为所述流体，所述流体经由入口（2）被引导至热交换器并通过所述热交换器（1）中的吸收器室（3），并且在所述吸收器室（3）中提供至少一个表面，所述至少一个表面吸收所述气体的红外辐射以便利用所述气体的热量，并且其中，所述气体的质量流和温度被附加地调节，并且对热交换有吸收作用的所述至少一个表面被设计成使得在操作期间由于吸收而流过所述表面的热量与流过所述表面的总热量的比率ψ≥0.6。

2. 根据权利要求1所述的方法，其中，所述比率ψ≥ 0.7，优选地≥ 0.8，并且特别优选地≥ 0.9。

3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述气体包括异极气体，优选地CO₂、水蒸汽、CH₄、NH₃、CO、SO₂、HCl、NO和NO₂或这些气体的混合物。

4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述至少一个表面由用于待加热的介质的管线形成，优选地由管路（7）形成，或者由所述吸收器室的至少一个壁区段形成。

5.根据权利要求1所述的方法，其中，吸收表面由待加热的材料形成。

6.根据权利要求1所述的方法，其中，发射所述红外辐射的气体在包围所述热交换器（1）的回路中被引导，在所述回路中所述气体被间接地加热，并且其中，优选地，在所述热交换器（1）之前在该回路中设置蓄热器（31）。

7.根据权利要求1或6所述的方法，其中，如下热源中的至少一个用于间接加热：接收器（32）、蓄热器（35）或加热器，优选地特别是优选地被光伏供电的电加热器（38）。

8.根据权利要求1所述的方法，其中，使用被间接加热到1000°K、优选地1300°K、并且特别优选地1500°K的温度的气体。

9.根据权利要求1所述的方法，其中，将经受大于环境压力的压力的发射所述红外辐射的气体引导通过所述吸收器室（3），所述压力优选地≥5bar，优选地≥10bar，特别优选地≥20bar，并且非常优选地≥50bar。

10.一种用于执行根据权利要求1所述的方法的热交换器，所述热交换器具有用于输送在所述热交换器中通过红外辐射放出热量的气体的装置，所述装置具有吸收器室（3），所述吸收器室具有被提供用于经由红外辐射进行热交换的至少一个表面，其特征在于，所述热交换器（1）被设计成具有用于放出热量的被间接加热的气体的入口（2），并且所述吸收器室（3）和所述至少一个吸收表面被设计成使得，在所述吸收表面中放出热量的所述气体的预定质量流和预定温度的情况下，在操作期间流过其的热量与流过其的总热量的比率ψ≥0.6。

11.根据权利要求10所述的热交换器，所述热交换器具有用于输送在所述热交换器中通过红外辐射放出热量的气体的装置，所述装置具有吸收器室（3），所述吸收器室具有被提供用于经由红外辐射进行热交换的至少一个表面，并且通过红外辐射来放出热量的被间接加热的气体流过所述装置，其中，所述热交换器（1）被设计成具有用于放出热量的被间接加热的气体的入口（2），并且所述吸收器室（3）和所述至少一个吸收表面被设计，并且放出热量的所述气体的质量流和温度被调节成使得在所述吸收表面中流过其的热量与流过其的总热量的比率ψ≥0.6。

12.根据权利要求10或11所述的热交换器，其中，所述至少一个吸收表面由多根管线形成，优选地由管路（7）形成，并且其中，所述管线（7）被布置成延伸穿过所述吸收器室（3）的束，并且在管之间提供用于可操作地流过的红外辐射的放出热量的气体的空间。

13.根据权利要求10或11所述的热交换器，其中，分布在吸收器室（3）中的多根管线布置在所述吸收器室中，每根管线设置有吸收表面和至少一个其它表面（23），所述至少一个其它表面自身在操作期间能够通过放出热量的气体被加热，所述至少一个其它表面在操作期间通过黑体辐射来照射所述吸收表面，使得穿过所述吸收表面的热流通过吸收而增加。

14.根据权利要求10或11所述的热交换器，其中，所述吸收器室（3）设计成是耐压的，其耐受≥5bar、优选地≥10bar、特别优选地≥20bar、并且非常优选地≥50bar的放出热量的气体的压力。

15.根据权利要求10或11所述的热交换器，其中，用于输送放出热量的所述气体的装置可操作地连接到间接地加热所述气体的热源，所述热源优选地具有蓄热器（31）。

16.根据权利要求15所述的热交换器，其中，所述热源具有如下产热装置中的至少一个：太阳能接收器（32）、蓄热器（31）或优选地电加热器（38），优选地通过光伏电力供电的电加热器。

17.一种用于操作炉的方法，所述炉具有用于待燃烧以产生有用热量的气体的流动路径，其中，在所述流动路径中存在吸收器室（50），所述吸收器室具有至少一个表面，所述至少一个表面被设置用于吸收经由红外辐射进行的热交换，其特征在于，所述炉的燃烧装置不被使用并且设置有用于在红外范围内辐射的被间接加热的气体的入口，使得该气体能够被可操作地引导到用于待燃烧气体的流动路径中并且沿着所述流动路径被引导，并且使得在所述红外范围内辐射的被间接加热的气体在操作期间以质量流和温度被供应到所述炉，使得在所述至少一个吸收表面中通过吸收所产生的热流与总热流的比率ψ≥0.6。

18.根据权利要求16所述的方法，其中，所述炉被切换到由被间接加热的气体构成的回路中，所述回路优选地包围蓄热器（31）。

19.根据权利要求17所述的方法，其中，被间接加热的气体具有≥1000°K的温度、优选地≥1300°K的温度、并且特别优选地≥1500°K的温度。