DE102010001848B4 - Wärmerohr und Wirbelschicht-Reaktor mit einem solchen Wärmerohr - Google Patents

Abstract

Wärmerohr (10), mit einer beidseitig geschlossenen Rohrhülle aus Metall, einem Verdampfungsabschnitt (18), einem dem Verdampfungsabschnitt (18) gegenüberliegenden Kondensationsabschnitt (20) und einer Wasserstoff-Ausdiffusionseinrichtung (22), wobei: – die Wasserstoff-Ausdiffusionseinrichtung (22) eine Ausdiffusionskammer (26) und ein erstes Kapillarrohr (24) umfasst; – die Ausdiffusionskammer (26) im Bereich des Verdampfungsabschnitts (18) des Wärmerohrs (10) angeordnet ist; – das erste Kapillarrohr (24) einen Kondensationsabschnitt-seitigen Endabschnitt des Wärmerohrs (10) mit der Ausdiffusionskammer (26) verbindet, – die Ausdiffusionskammer (26) außerhalb des Verdampfungsabschnitts (18) angeordnet ist und einen einem Verdampfungsabschnitt-seitigen Endabschnitt (30) des Wärmerohrs (10) gegenüberliegenden Endabschnitt des Verdampfungsabschnitts (18) wenigstens teilweise umgibt, und – das erste Kapillarrohr (24) mit einem dem Verdampfungsabschnitt-seitigen Endabschnitt (30) des Wärmerohrs (10) abgewandten Endabschnitt der Ausdiffusionskammer (26) verbunden ist; dadurch gekennzeichnet, dass – die Wasserstoff-Ausdiffusionseinrichtung (22) ein zweites Kapillarrohr (44) umfasst, das einen dem Verdampfungsabschnitt-seitigen Endabschnitt (30) des Wärmerohrs (10) zugewandten Endabschnitt der Ausdiffusionskammer (26) mit dem Kondensationsabschnitt-seitigen Endabschnitt des Wärmerohrs (10) verbindet.

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft ein Wärmerohr und einen Wirbelschicht-Reaktor mit einem solchen Wärmerohr.
• Wärmerohre, auch Wärmeleitrohre oder Heatpipes genannt, sind als äußerst effektive Wärmetransportsysteme seit langem bekannt. Sie beruhen auf dem Prinzip der Wärmeübertragung durch Verdampfung und Kondensation in geschlossenen Systemen. Im Gegensatz zu großen, z. B. natürlichen Kreislaufsystemen finden die darin stattfindenden Kreislaufsysteme jedoch in einem einzigen, gasdicht verschlossenen Rohr statt. Das Rohr ist evakuiert und enthält ausschließlich eine Flüssigkeit, die im gewünschten Temperaturbereich verdampft bzw. kondensiert. Die Flüssigkeit nimmt die zu ihrer Verdampfung erforderliche Verdampfungswärme aus einem heißen Reservoir auf und gibt sie im Zuge der Kondensation an ein kaltes Reservoir ab. Hierbei erfolgen die Verdampfung und die Kondensation in dem Wärmerohr idealerweise bei gleichem Druck und damit bei gleicher Temperatur; das System aus Flüssigkeit und Dampf befindet sich im so genannten Nassdampfgebiet.
• Die Wärmeübertragungsraten von Wärmerohren sind grundsätzlich außerordentlich hoch, da die Wärmeübertragung nahezu verlustfrei erfolgt, d. h. ohne zusätzliches treibendes Temperaturgefälle. Jedoch ist beim Betrieb des aus der WO 00/77128 A1 bekannten Reformers festgestellt worden, dass im Druck aufgeladenen Betrieb des Vergasers – im Gegensatz zum drucklosen Betrieb – die Wärmeübertragungsleistung innerhalb weniger Stunden stark verlieren kann.
• Die Ursache hierfür ist das so genannte Wasserstoffproblem. Das Wandmaterial des Wärmerohrs ist im Arbeitsbereich bei 800°C–900°C für Wasserstoff durchlässig. Der Wasserstoff diffundiert von außen (dem Reformer/Vergasungsraum) in den Kondensationsbereich des Wärmerohrs, wo er sich als Gas anreichert und ein so genanntes H₂-Polster ausbildet. Durch den konvektiven Wärmeträgerdampfstrom wird der Wasserstoff tendenziell ans Kondensatorende transportiert. Während der Dampf kondensiert und als Kondensat zurückfließt, reichert sich Wasserstoff am oberen Ende an, bildet ein Polster, das die Kondensation des Dampfes in diesem Bereich behindert, so dass die Wärmeübertragung im Bereich des Wasserstoffpolsters nahezu zum Erliegen kommt.
• Aus der DE 10 2006 016 005 A1 ist ein Wärmerohr sowie ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Wärmerohrs in wasserstoffreicher Umgebung bekannt. Bei dem darin beschriebenen Wärmerohr wird das Wasserstoffproblem dadurch gelöst, dass zumindest in einem Teilbereich eines Wärme abgebenden Endes des Wärmerohrs ein Wasserstoff-Abzug vorgesehen ist, der zwischen dem Inneren einer das Wärmerohr bildenden Rohrhülle und einer Außenseite der Rohrhülle einen Wasserstoffkonzentrationsgradienten bereitstellt. Dieses Prinzip hat jedoch den Nachteil, dass der Druckbehälter des Reaktors an zwei Stellen durchbrochen und entsprechend abgedichtet werden muss. Je Heatpipe ist deswegen ein Abzugsröhrchen notwendig, die alle zentral zusammengeführt werden müssen. Ferner geht dem System dadurch der abgeführte Wasserstoff verloren.
• Aus der WO 03/015908 A1 oder der DE 30 34 192 A1 sind Wärmerohre bzw. Prozesse hiermit bekannt, bei denen während des Prozesses anfallendes Inertgas mittels Kapillarrohren gesammelt und abgeführt werden kann.
• Aus der DE 10 2007 026 301 A1 , von der die vorliegende Erfindung ausgeht, ist es bekannt, in einem Wärmerohr-geführten Prozess anfallendes Wasserstoffgas dadurch aus dem Prozess zu entfernen, dass man es bewusst durch die Wandung eines aus Stahl gefertigten Behälters dringen lässt. Auch hier kann dem System der so abgeführte Wasserstoff verloren gehen.
• Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Wärmerohr vorzuschlagen, das so gestaltet ist, dass das Wasserstoffproblem minimiert wird. Es ist ferner eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Wirbelschicht-Reaktor mit einem solchen Wärmerohr bereitzustellen.
• Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der Ansprüche 1 bzw. 6 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen definiert.
• Gemäß Anspruch 1 wird demnach ein Wärmerohr geschaffen mit einer beidseitig geschlossenen Rohrhülle aus Metall, einem Verdampfungsabschnitt, einem dem Verdampfungsabschnitt gegenüberliegenden Kondensationsabschnitt und einer Wasserstoff-Ausdiffusionseinrichtung, wobei die Wasserstoff-Ausdiffusionseinrichtung eine Ausdiffusionskammer und ein erstes Kapillarrohr umfasst; die Ausdiffusionskammer im Bereich des Verdampfungsabschnitts des Wärmerohrs angeordnet ist; das erste Kapillarrohr einen Kondensationsabschnitt-seitigen Endabschnitt des Wärmerohrs mit der Ausdiffusionskammer verbindet, die Ausdiffusionskammer außerhalb des Verdampfungsabschnitts angeordnet ist und einen einem Verdampfungsabschnitt-seitigen Endabschnitt des Wärmerohrs gegenüberliegenden Endabschnitt des Verdampfungsabschnitts wenigstens teilweise umgibt, und das erste Kapillarrohr mit einem dem Verdampfungsabschnitt-seitigen Endabschnitt des Wärmerohrs abgewandten Endabschnitt der Ausdiffusionskammer verbunden ist. Erfindungsgemäß umfasst die Wasserstoff-Ausdiffusionseinrichtung ein zweites Kapillarrohr, das einen dem Verdampfungsabschnitt-seitigen Endabschnitt des Wärmerohrs zugewandten Endabschnitt der Ausdiffusionskammer mit dem Kondensationsabschnitt-seitigen Endabschnitt des Wärmerohrs verbindet.
• Nachfolgend wird anhand der beigefügten 1, auf welche schon jetzt Bezug genommen wird, das der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Arbeitsprinzip einer dann erfindungsgemäß weiter zu entwickelnden Wärmeröhre veranschaulicht. Der Bezug auf 1 an dieser Stelle dient somit lediglich der Veranschaulichung des erfinderischen Gedankens; die im Folgenden von dieser Ausführungsform abstrahierte und von konstruktiven Details gelöste Formulierung ist daher beachtlich.
• Es seien zunächst vier thermodynamische Volumina definiert: Ein Verdampfungs-/Kondensationsvolumen V1, in dem ein Wärmeträgermedium verdampft und kondensiert, ein H₂-Ausdiffusionsvolumen V2, das von der Ausdiffusionskammer gebildet ist, ein Volumen V3 einer Brennkammer eines Reaktors mit einer Temperatur T3 und ein Volumen V4 einer Vergasungskammer mit einer Temperatur T4 < T3, wobei V1 aus einem Verdampfungsabschnitt-seitigen Teilvolumen V1-V, das sich in der Brennkammer erstreckt, und einem Kondensationsabschnitt-seitigen Teilvolumen V1-K, das sich in der Vergasungskammer erstreckt, gebildet ist, und wobei in der Brennkammer ein Temperaturgradient ΔT3 herrscht, der in Richtung der Vergasungskammer gerichtet ist. V1 und V2 sind über das Kapillarrohr miteinander verbunden. Insbesondere mündet ein Ende des Kapillarrohrs in einen Kondensationsabschnitt-seitigen Endabschnitt des Wärmerohrs. Durch die im Einsatz des Wärmerohrs herrschenden Temperaturen und H₂-Partialdrücke in V1–V4 ist folgender H₂-Pfad realisierbar: V4 → V1 → Kapillarrohr → V2 → V3; kurz V4 → V3, da durch die in der Vergasungskammer ablaufenden chemischen Reaktionen der Partialdruck in V4 stets sehr hoch ist und aufgrund der höheren Temperatur in der Brennkammer der Partialdruck in V3 stets vernachlässigbar ist (der Wasserstoff wird dort umgehend verbrannt). Ein hohes Partialdruckgefälle kann z. B. durch die Verwendung von bestimmten Alkalimetallen als Wärmeträgermedium in V1 erreicht werden. Im Betrieb des Wärmerohrs bildet sich im Bereich der Mündungsstelle des Kapillarrohrs das oben erwähnte H₂-Polster aus, und der dieses H₂-Polster bildende Wasserstoff wird durch das Kapillarrohr in V2 gedrückt und diffundiert in V3. Der entscheidende Vorteil des erfindungsgemäßen Wärmerohrs besteht somit darin, dass die Ausdiffusionskammer im Bereich des Verdampfungsabschnitts des Wärmerohrs, d. h. mit Bezug auf 1 innerhalb der Brennkammer, angeordnet ist und die dort herrschenden Temperaturen vorteilhafterweise zur Erhöhung der Diffusionsrate des Wasserstoffs von V2 nach V3 verwendet. Wie es oben beschrieben ist, wird das Wärmeträgermedium durch den sich anreichernden und so das H₂-Polster bildenden Wasserstoff nach unten gedrängt, so dass weitestgehend vermieden wird, dass das Wärmeträgermedium durch das Kapillarrohr nach V2 geleitet wird. Dies ist wichtig, denn gelangt Wärmeträgermedium durch das Kapillarrohr in der Ausdiffusionskammer, würde es durch die hohen, dort herrschenden Temperaturen verdampfen und die gewünschte Ausdiffusion behindern, da es entgegen der gewünschten Strömungsrichtung des Wasserstoffs in dem Kapillarrohr aufsteigen würde. Dabei könnte sich ein Dampfdruckgleichgewicht einstellen, und die einzig treibende Kraft für den Wasserstoff hätte seine Ursache in einem Konzentrationsunterschied (Diffusion).
• Das Kapillarrohr kann innerhalb des Wärmerohrs angeordnet sein, was den Vorteil hat, dass das Wärmerohr an weniger Stellen durchbohrt werden müsste. Die Führung des Kapillarrohrs ist jedoch grundsätzlich beliebig. Es kann aus (verfahrens-)technischen Gründen vorteilhaft sein, das Kapillarrohr außerhalb des Wärmerohrs anzuordnen, z. B. entlang von dessen äußerer Oberfläche. Ein Grund könnte sein, dass auf Druck und Temperatur im Inneren des Kapillarrohrs Einfluss genommen werden möchte.
• Ist die Ausdiffusionskammer von einem Verdampfungsabschnitt-seitigen Endabschnitt des Wärmerohrs gebildet, ist dies konstruktiv einfach und somit kostengünstig. Alternativ könnte die Ausdiffusionskammer auch so innerhalb des Verdampfungsabschnitts angeordnet sein, dass sie diesen in einer Längsrichtung des Wärmerohrs untereilt. Dies hätte zwar den Nachteil, dass dadurch die Strömung des Wärmeträgermediums in entsprechenden Kanälen durch die Ausdiffusionskammer und/oder an dieser vorbei geführt werden müsste, wobei ein Kompromiss hinsichtlich der Größe der Kanäle zu finden wäre, da diese bezüglich der Strömung möglichst groß, bezüglich der Funktion der Ausdiffusionskammer jedoch möglichst klein ausgelegt werden müssten. Ferner wäre es nachteilig, dass durch diese Anordnung die Ausdiffusionsfläche reduziert werden würde. Doch stünde diesem Nachteil der Vorteil gegenüber, dass die Ausdiffusionskammer dann näher an oder gar in den Bereich des genannten Freeboard, einem über der Wirbelschicht liegenden Bereich der Brennkammer, gerückt wäre, wo aufgrund der häufig auftretenden Flammenbildung über der Wirbelschicht höhere Temperaturen herrschen. Zum Beispiel könnte die Ausdiffusionskammer aus einem zentralen Gehäuse und sich von diesem zentralen Gehäuse radial nach außen erstreckenden Kanälen, die im Bereich der Wandung des Wärmerohrs zur Vergrößerung der Ausdiffusionsfläche aufgeweitet sind, gebildet sein.
• Vorteilhafterweise wird die Ausdiffusionskammer wenigstens teilweise von einer Wandung des Wärmerohrs begrenzt, so dass die Fläche für den Ausdiffusionsmassestrom möglichst groß ist. Erstreckt sich die Ausdiffusionskammer über die gesamte Stirnseite des Verdampfungsabschnitts, so kann sie auch als separate Fortsetzung in Längsrichtung des Wärmerohrs und außerhalb von diesem angeordnet aufgefasst werden. In diesem Fall wäre ein leichter Zugang zu der Ausdiffusionskammer möglich und diese könnte problemlos ausgetauscht oder repariert werden.
• Bevorzugt kann die Ausdiffusionskammer außerhalb des Verdampfungsabschnitts angeordnet sein und umgibt wenigstens teilweise einen einem Verdampfungsabschnitt-seitigen Endabschnitt des Wärmerohrs gegenüberliegenden Endabschnitt des Verdampfungsrohrs. Obgleich diese Ausführungsform fertigungstechnisch aufwendiger und somit teurer ist als die oben beschriebene Anordnung innerhalb des Wärmerohrs, ist sie verfahrenstechnisch vorteilhaft, da in diesem Bereich, wie oben erwähnt, höhere Temperaturen herrschen. Wie stark sich dieser Vorteil auswirkt, hängt z. B. vom Abstand der Ausdiffusionskammer von der Obergrenze des Wirbelbetts ab, der bei gegebener Geometrie von der Art und Weise abhängt, wie der Wirbelschicht-Reaktor „gefahren” wird. Da es der Zweck des Wärmerohrs ist, möglichst effizient über den Verdampfungsabschnitt aufgenommene Wärme in den Kondensationsabschnitt zu transportieren, ist es vorteilhaft, wenn die Ausdiffusionskammer das Wärmerohr nicht vollständig umgibt, da das Wasserstoffgas eine gute Wärmeisolation darstellt. Eine teilweise Umschließung kann in Einzelfällen dennoch vorteilhaft sein. Diese kann zum Beispiel dadurch erreicht werden, dass die Ausdiffusionskammer in Umfangsrichtung segmentartig ausgebildet ist, oder einen mehr oder weniger weit geöffneten zusammenhängenden Ring bildet oder dergleichen.
• Das Kapillarrohr kann einmal mit einem oberen (vgl. 3) und einmal mit einem unteren (vgl. 4) Endabschnitt der Ausdiffusionskammer verbunden sein. Der Unterschied kommt zum Tragen, da es nicht auszuschließen ist, dass sich Wärmeträgerflüssigkeit in der Ausdiffusionskammer sammelt. Verdampft die Wärmeträgerflüssigkeit und befindet sich die Verbindungsstelle unten, so kann der Dampfdruck die Wärmeträgerflüssigkeit durch das Kapillarrohr in das Wärmrohr zurückbefördern, so dass die Ausdiffusionskammer häufiger mit Wasserstoff gefüllt werden kann; gewissermaßen ein Selbstreinigungseffekt der Ausdiffiusionskammer. Befindet sich hingegen der Anschluss oben, so wird solange Dampf abgeführt, bis keine Wärmeträgerflüssigkeit mehr in der Ausdiffusionskammer vorhanden ist.
• Eine weitere Möglichkeit, dem Problem der Ansammlung von Wärmeträgermedium in der Ausdiffusionskammer zu begegnen, besteht darin, ein erstes Ventil und ein zweites Steuerventil anzuordnen. Sobald in der Ausdiffusionskammer befindliches Wärmeträgermedium verdampft, wird das erste Ventil geschlossen. Im Wesentlichen zeitgleich wird das zweite Ventil geöffnet und gibt einen Durchfluss aus der Ausdiffusionskammer in das Wärmerohr, genauer den Verdampfungsabschnitt, frei, so dass das dampfförmige Wärmeträgermedium in das Wärmerohr zurückströmen kann.
• Ist der in dem Kondensationsabschnitt angeordnete Endabschnitt des ersten Kapillarrohrs halbkreisförmig gekrümmt, so dass dessen Öffnung zu dem Verdampfungsabschnitt gerichtet ist, wird erreicht, dass Kondensat, das sich im Kapillarrohr ansammelt, gar nicht erst in die Ausdiffusionskammer (das Volumen V2) geleitet wird, sondern in das Volumen V1 zurücktropft, da die Ausdiffusion um so stärker beeinträchtigt ist, je größer die Menge an Wärmeträgermedium ist, die sich in der Ausdiffusionskammer anreichert.
• Zusammenfassend bietet die vorliegende Erfindung weitere Lösungsansätze, um dem Problem der Ansammlung von Wärmeträgermedium in der Ausdiffusionskammer zu begegnen, entweder, indem Vorkehrungen getroffen werden, die in die Ausdiffusionskammer gelangtes Wärmeträgermedium daraus entfernen, oder indem Vorkehrungen getroffen werden, wonach von vornherein kann Wärmeträgermedium in die Ausdiffusionskammer gelangt. Jede Kombinationen hieraus sind natürlich ebenso möglich, und deren Umsetzung liegt im Ermessen des Fachmanns.
• Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ferner ein Wirbelschicht-Reaktor nach Anspruch 6 definiert, der das erfindungsgemäße Wärmerohr enthält. Insbesondere, wenn in dem Wirbelschicht-Reaktor, der eine Brennkammer und eine von der Brennkammer durch eine Behälterwand getrennte Reformerkammer (Vergasungskammer) umfasst, Biomasse umgesetzt wird und dabei in der Reformerkammer große Mengen von Wasserstoff gebildet werden, ist die Verwendung des erfindungsgemäßen Wärmerohres vorteilhaft, um einen konstant hohen Wirkungsgrad zu gewährleisten.
• Die obigen und weitere Aufgaben, Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung sind aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung, die unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen gemacht wurde, deutlicher ersichtlich.
• Die 1 bis 6 zeigen Ausführungsformen eines Wärmerohrs gemäß der vorliegenden Erfindung, wobei 5 konkret den erfindungsgemäßen Gedanken darstellt, der z. T. mit den Ausführungsformen und/oder Abwandlungen der restlichen Figuren kombinierbar ist. Insofern ist in der nachfolgenden Beschreibung der Begriff „Ausführungsform der Erfindung” bzw. Äquivalente hiervon nicht immer zwingend als auf ein konkretes Ausführungsbeispiel verweisend zu verstehen. So zeigt beispielsweise – wie bereits weiter oben erläutert – 1 das der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Arbeitsprinzip einer dann erfindungsgemäß weiter zu entwickelnden Wärmeröhre.
• 1 zeigt eine erste Ausführungsform eines Wärmerohrs 10 gemäß der vorliegenden Erfindung. Das Wärmerohr 10 ist Teil eines erfindungsgemäßen Wirbelschicht-Reaktors, von dem in 1 außer dem Wärmerohr 10 nur eine Behälterwand 12 dargestellt ist, die eine Brennkammer 14 von einer Reformerkammer 16 trennt. Das Wärmerohr 10 durchdringt dicht abschließend die Behälterwand 12 und erstreckt sich von dieser mit seinem Verdampfungsabschnitt 18 in die Brennkammer 14 und mit seinem Kondensationsabschnitt 20 in die Reformerkammer 16. Das Wärmerohr 10 umfasst eine beidseits geschlossene Rohrhülle 34 aus Metall und eine innerhalb der Rohrhülle 34 angeordnete Wasserstoff-Ausdiffusionseinrichtung 22, die aus einem Kapillarrohr 24 und einer Ausdiffusionskammer 26 gebildet ist. Das Kapillarrohr 24 durchdringt einen Zwischenboden 28, der zusammen mit einem unteren, becherförmigen Endabschnitt 30 des Wärmerohrs 10 die Wand der Ausdiffusionskammer 26 bildet. Die so gebildete Anordnung definiert ein Volumen V1, das von der Rohrhülle 34 und dem Zwischenboden 28 begrenzt ist, ein Volumen V2 der Ausdiffusionskammer 26, ein Volumen V3, das von der Außenwand (nicht gezeigt) der Brennkammer 14, der Behälterwand 12 und dem Verdampfungsabschnitt 18 der Rohrhülle 34 begrenzt ist, und ein Volumen V4, das von der Außenwand (nicht gezeigt) der Reformerkammer 16, der Behälterwand 12 und dem Kondensationsabschnitt 20 der Rohrhülle 34 begrenzt ist. Das Volumen V1 ist ferner in ein Teilvolumen V1-V des Verdampfungsabschnitts 18 und ein Teilvolumen V1-K des Kondensationsabschnitts 20 unterteilt, wobei diese Unterteilung nur deskriptiv, nicht konstruktiv ist. In der Rohrhülle 34 befindet sich ein Wärmeträgermedium 29, das das Volumen V1 zu einem kleinen Teil in flüssigem und zu einem größeren Teil in gasförmigem Zustand ausfüllt. Die flüssige Phase befindet sich in der in 1 gezeigten vertikalen Arbeitsposition des Wärmerohrs 10 als so genannter Sumpf auf dem Zwischenboden 28. Durch die hohe Temperatur T3 in der Brennkammer (V3) verdampft das Wärmeträgermedium 29, steigt nach oben, kondensiert an der kühleren Oberfläche des Kondensationsabschnitts 20 und gibt hierbei Wärme an die Reformerkammer 16 (V4) ab. Der bei den in der Reformerkammer 16 ablaufenden Reaktionen entstehende molekulare Wasserstoff H₂ diffundiert durch die Wand des Kondensationsabschnitts 20 und wird durch das aufsteigende Wärmeträgermedium mit einem temperaturabhängigen Druck p = f(T) zu einem H₂-Polster 32 in dem oberen Endabschnitt des Wärmerohrs 10 zusammengedrückt. Der Druck p drückt den Wasserstoff durch das Kapillarrohr 24 in die Ausdiffusionskammer 26 (V2), von wo aus er in die Brennkammer 14 (V3) diffundiert, wo er verbrannt wird.
• Die oben beschriebene und die nachfolgenden Ausführungsformen unterscheiden sich im Wesentlichen durch (a) die Lage der Ausdiffusionskammer 26, (b) die Form und Anzahl der Kapillarrohre 24 und (c) die Lage der Verbindungsstelle des Kapillarrohrs 24 mit der Ausdiffusionskammer 24.
• 2 zeigt eine zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wobei nur die zum Verständnis der Unterschiede bezüglich der ersten Ausführungsform erforderlichen Elemente bezeichnet und erläutert sind. Gemäß der zweiten Ausführungsform ist der in dem Kondensationsabschnitt 20 angeordnete Endabschnitt 36 des Kapillarrohrs 24 halbkreisförmig nach unten gekrümmt, so dass dessen Öffnung 38 zu dem Verdampfungsabschnitt 18 gerichtet ist. Wie es oben ausgeführt ist, wird durch diese Variante die Menge an Wärmeträgermedium, die über das Kapillarrohr 24 in die Ausdiffusionskammer 26 gelangt, verringert. Es ist zu beachten, dass die gekrümmte Form des Kapillarrohrs 24, obgleich es in den weiteren Zeichnungen nicht dargestellt ist, auch dort alternativ vorgesehen sein kann.
• 3 zeigt eine dritte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wobei nur die zum Verständnis der Unterschiede bezüglich der ersten und zweiten Ausführungsform erforderlichen Elemente bezeichnet und erläutert sind. Im Gegensatz zur ersten und zweiten Ausführungsform ist gemäß der dritten Ausführungsform die Ausdiffusionskammer 26 außerhalb der Rohrhülle 34 angeordnet und umschließt einen in 3 oberen, an die Behälterwand 12 angrenzenden Abschnitt der Rohrhülle 34. Ein unteres Ende 40 des Kapillarrohrs 24 ist radial nach außen abgewinkelt und durch eine Durchführung 42 in der Rohrhülle 34 mit einem dem Verdampfungsabschnitt-seitigen Endabschnitt des Wärmerohrs 10 abgewandten Endabschnitt der Ausdiffusionskammer 26 verbunden. Wie es in 3 gezeigt ist, ist dadurch bei gleicher Länge der Rohrhülle 34 zum einen das Volumen V1 größer, zum anderen jedoch die zur Übertragung von Wärme von der Brennkammer 14 nach V1 zur Verdampfung des Wärmeträgermediums 29 zur Verfügung stehende Oberfläche kleiner; das Wasserstoffgas in der Ausdiffusionskammer 26 wirkt thermisch isolierend. Daher ist es u. U. vorteilhaft, den Verdampfungsabschnitt 18 des Wärmerohrs 10 zu verlängern.
• 4 zeigt eine vierte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die sich von der dritten Ausführungsform nur durch die Position der Durchführung 42 des Kapillarrohrs 24 unterscheidet, so dass gemäß dieser Ausführungsform das untere Ende des Kapillarrohrs 24 mit einem dem Verdampfungsabschnitt-seitigen Endabschnitt des Wärmerohrs 10 zugewandten Endabschnitt der Ausdiffusionskammer 26 verbunden ist.
• 5 zeigt eine fünfte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die eine Kombination der dritten und vierten Ausführungsform darstellt: Gemäß 5 umfasst das Wärmerohr 10 ein erstes Kapillarrohr 24, das dem der dritten Ausführungsform in Anordnung und Abmessung entspricht, und ein zweites Kapillarrohr 44, das dem der vierten Ausführungsform hinsichtlich der Anordnung entspricht, jedoch einen kleineren Strömungsdurchmesser als dieses besitzt.
• 6 zeigt eine sechste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die aus einer Kombination der dritten und vierten Ausführungsform – also einer Ausführungsform, die sowohl das in 3 als auch das in 4 dargestellte Kapillarrohr 24 enthält – abgeleitet ist. Der Unterschied besteht zum einen darin, dass das untere Kapillarrohr auf einen Rohrstutzen 46 gekürzt ist, der dem Verdampfungsabschnitt-seitigen Endabschnitt des Wärmerohrs 10 zugewandte Endabschnitt der Ausdiffusionskammer 26 also nicht mit dem H₂-Polster 32, sondern direkt mit dem Verdampfungsabschnitt, d. h. dem Volumen V1-V, verbunden ist. Und zum anderen darin, dass in dem Kapillarrohr 24 und an dem Rohrstutzen 46 ein erstes Ventil 48 bzw. ein zweites Ventil 50 angeordnet sind. Die Wirkungsweise ist ebenfalls oben beschrieben.
• Obgleich die vorliegende Erfindung bezüglich der bevorzugten Ausführungsformen offenbart worden ist, um ein besseres Verständnis von diesen zu ermöglichen, sollte wahrgenommen werden, dass die Erfindung auf verschiedene Weisen verwirklicht werden kann, ohne den Umfang der Erfindung zu verlassen. Deshalb sollte die Erfindung derart verstanden werden, dass sie alle möglichen Ausführungsformen und Ausgestaltungen zu den gezeigten Ausführungsformen beinhaltet, die realisiert werden können, ohne den Umfang der Erfindung zu verlassen, wie er in den beigefügten Ansprüchen dargelegt ist.
• Bezugszeichenliste

10

Wärmerohr

12

Behälterwand

14

Brennkammer

16

Reformerkammer

18

Verdampfungsabschnitt

20

Kondensationsabschnitt

22

Wasserstoff-Ausdiffusionseinrichtung

24

Kapillarrohr

26

Ausdiffusionskammer

28

Zwischenboden

29

Wärmeträgermedium

30

Endabschnitt von 10

32

H₂-Polster

34

Rohrhülle

36

Endabschnitt von 24

38

Öffnung von 36

40

unteres Ende von 24

42

Durchführung in 34

44

zweites Kapillarrohr

46

Rohrstutzen

48

erstes Sperrventil

50

zweites Sperrventil

V1–V4

Volumina

Claims (7)

1. Wärmerohr (10), mit einer beidseitig geschlossenen Rohrhülle aus Metall, einem Verdampfungsabschnitt (18), einem dem Verdampfungsabschnitt (18) gegenüberliegenden Kondensationsabschnitt (20) und einer Wasserstoff-Ausdiffusionseinrichtung (22), wobei: – die Wasserstoff-Ausdiffusionseinrichtung (22) eine Ausdiffusionskammer (26) und ein erstes Kapillarrohr (24) umfasst; – die Ausdiffusionskammer (26) im Bereich des Verdampfungsabschnitts (18) des Wärmerohrs (10) angeordnet ist; – das erste Kapillarrohr (24) einen Kondensationsabschnitt-seitigen Endabschnitt des Wärmerohrs (10) mit der Ausdiffusionskammer (26) verbindet, – die Ausdiffusionskammer (26) außerhalb des Verdampfungsabschnitts (18) angeordnet ist und einen einem Verdampfungsabschnitt-seitigen Endabschnitt (30) des Wärmerohrs (10) gegenüberliegenden Endabschnitt des Verdampfungsabschnitts (18) wenigstens teilweise umgibt, und – das erste Kapillarrohr (24) mit einem dem Verdampfungsabschnitt-seitigen Endabschnitt (30) des Wärmerohrs (10) abgewandten Endabschnitt der Ausdiffusionskammer (26) verbunden ist; dadurch gekennzeichnet, dass – die Wasserstoff-Ausdiffusionseinrichtung (22) ein zweites Kapillarrohr (44) umfasst, das einen dem Verdampfungsabschnitt-seitigen Endabschnitt (30) des Wärmerohrs (10) zugewandten Endabschnitt der Ausdiffusionskammer (26) mit dem Kondensationsabschnitt-seitigen Endabschnitt des Wärmerohrs (10) verbindet.
2. Wärmerohr (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Kapillarrohr (24) innerhalb des Wärmerohrs (10) angeordnet ist.
3. Wärmerohr (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in dem ersten Kapillarrohr (24) ein erstes Ventil (48) angeordnet ist, und dass eine Verbindung (46) zwischen einem dem Verdampfungsabschnitt-seitigen Endabschnitt (30) des Wärmerohrs (10) zugewandten Endabschnitt der Ausdiffusionskammer (26) und dem Verdampfungsabschnitt (18) vorgesehen ist und in der Verbindung ein zweites Ventil (50) angeordnet ist.
4. Wärmerohr (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der in dem Kondensationsabschnitt (20) angeordnete Endabschnitt (36) des ersten Kapillarrohrs (24) halbkreisförmig gekrümmt ist, so dass dessen Öffnung zu dem Verdampfungsabschnitt (18) gerichtet ist.
5. Wärmerohr (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmerohr (10) in Form eines geraden Zylinders ausgebildet ist.
6. Wirbelschicht-Reaktor mit einem Wärmerohr (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, mit einer Brennkammer (14) und einer von der Brennkammer (14) durch eine Behälterwand (12) getrennte Reformerkammer (16), dadurch gekennzeichnet, dass sich der Verdampfungsabschnitt (18) des Wärmerohrs (10) in der Brennkammer (14) und sich der Kondensationsabschnitt (20) des Wärmerohrs (10) in der Reformerkammer (16) erstreckt.
7. Wirbelschicht-Reaktor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die außerhalb des Verdampfungsabschnitts (18) angeordnete Ausdiffusionskammer (26) im Bereich des Freeboard des Wirbelschicht-Reaktors angeordnet ist.

Images