DE102010043851A1 - High-temperature heat transport apparatus for transferring heat from heat source to heat sink, has transport fluid introduction device connected with pipe section of ring line, such that constant diameter over entire length is set suitably - Google Patents
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- C10J2300/1853—Steam reforming, i.e. injection of steam only
Abstract
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Hochtemperatur-Wärmetransportvorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The present invention relates to a high-temperature heat transport device according to the preamble of claim 1.
Zahlreiche physikalisch-chemische Verfahren benötigen die Zuführung von Wärme auf einem hohen Temperaturniveau, um Betriebstemperaturen von 800°C und mehr zu erzeugen und während eines vorbestimmten Betriebsablaufs zu halten. Hierzu ist es zum Beispiel bekannt, (a) die Reaktoren, in denen diese Verfahren stattfinden, direkt zu befeuern, (b) den Reaktor durch umlaufendes Wärmeträgermaterial zu heizen, oder (c) den Reaktor indirekt, z. B. über Wärmerohre – so genannte Heatpipes –, auf die gewünschte Temperatur zu erwärmen, wobei von (a) nach (c) der Abstand zwischen der Wärmequelle und der Wärmesenke (der Ort, an dem das Verfahren durchgeführt wird) zu- und somit die Direktheit der Wärmeübertragung abnimmt. Diese Tatsache spiegelt sich in den Möglichkeiten der Wärmeübertragung und den Problemen ihrer technischen Realisierung wider, z. B. in ausgedehnteren Leitungssystemen, die entsprechend isoliert sein müssen.Many physico-chemical processes require the supply of heat at a high temperature level to produce and maintain operating temperatures of 800 ° C and above during a predetermined operation. For this purpose, it is known, for example, (a) to directly fire the reactors in which these processes take place, (b) to heat the reactor by circulating heat transfer material, or (c) to charge the reactor indirectly, e.g. Heat pipes, for example, heat to the desired temperature, from (a) to (c) the distance between the heat source and the heat sink (the place where the process is performed) and thus the Directness of heat transfer decreases. This fact is reflected in the possibilities of heat transfer and the problems of their technical realization, for. B. in more extensive piping systems, which must be isolated accordingly.
Aus der
In der
Eine Hochtemperatur-Wärmetransportvorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 der vorliegenden Erfindung ist aus der
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Hochtemperatur-Wärmetransportkreislauf vorzuschlagen, der – ausgehend von der
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen definiert.This object is solved by the features of claim 1. Advantageous embodiments are defined in the subclaims.
Gemäß der vorliegenden Erfindung (Anspruch 1) ist eine Hochtemperatur-Wärmetransportvorrichtung zum Transportieren von Wärme von einer Wärmequelle zu einer Wärmesenke mit Hilfe einer in einer Ringleitung, in der die Wärmequelle und die Wärmesenke angeordnet sind, zirkulierenden Wärmetransportflüssigkeit, wobei (a) die Ringleitung eine Vorlaufleitung und eine Rücklaufleitung umfasst und (b) die Wärmesenke eine Reaktionskammer umfasst, in der durch die über die Wärmetransportflüssigkeit zugeführte Wärme wenigstens ein Edukt in wenigstens ein Produkt umgewandelt wird, gekennzeichnet (c) durch eine Blasenpumpe zur Aufrechterhaltung der Zirkulation der Wärmetransportflüssigkeit, die eine Vorrichtung zum Einleiten eines Transportfluids in die Wärmetransportflüssigkeit und eine Abscheidevorrichtung zum Abscheiden des Transportfluids aus der Wärmetransportflüssigkeit umfasst, und dadurch, dass (d) die Vorrichtung zum Einleiten eines Transportfluids (nachfolgend kurz „Einleitungsvorrichtung” genannt) mit einem Rohrabschnitt der Ringleitung verbunden ist, der auf seiner gesamten Länge einen konstanten Durchmesser besitzt und so ausgelegt ist, dass er sich zur Ausbildung einer Schwallströmung (englisch: „slug flow”) eignet. Die Pumpwirkung einer Blasenpumpe basiert auf einem Dichteunterschied zwischen einer Flüssigkeit, hier der Wärmetransportflüssigkeit, und einem darin eingeschlossenen und Blasen bildenden Fluid, hier dem Transportfluid, wobei die Blasen aufgrund des Dichteunterschieds einen Auftrieb erfahren und dabei die sie umgebende Wärmetransportflüssigkeit „mitreißen”. Oder, auf die Gesamtheit bezogen: Eine Flüssigkeit mit Blasen hat eine geringere Dichte als eine Flüssigkeit ohne Blasen. Das heißt, die Pumpwirkung der sich in der Flüssigkeit ausgebildeten Blasen ist schwerkraft-induziert und kommt daher ohne mechanische Teile aus. Insbesondere wird lediglich zum Einleiten des Transportfluids und nicht zum Bewegen der Wärmetransportflüssigkeit Energie benötigt. Erfindungsgemäß werden die Blasen durch die Einleitungsvorrichtung in die Wärmetransportflüssigkeit eingeleitet und nach Zurücklegen einer vorbestimmten Strecke innerhalb der Ringleitung durch die Abscheidevorrichtung aus dieser ab- oder ausgeschieden. Will man erläuternd einen Mechanismus aus der Chemie bemühen, so könnte man sagen, dass die Blasen als Katalysator wirken, der eine Reaktion, hier den Transport der Wärmetransportflüssigkeit, bewirkt und dabei selbst unverändert bleibt. Gemäß dem oben genannten Merkmal (d) besitzt der Rohrabschnitt einen Durchmesser, „der so ausgelegt ist, dass er sich zur Ausbildung einer Schwallströmung eignet”. Wie es zum Beispiel in
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung (Anspruch 2) ist der Rohrabschnitt entweder in der Vorlaufleitung oder in der Rücklaufleitung angeordnet. Ferner ist gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung (Anspruch 3) die Abscheidevorrichtung ebenfalls entweder in der Vorlaufleitung. oder der Rücklaufleitung angeordnet. Die zwei Komponenten der Blasenpumpe, die Einleitungsvorrichtung und die Abscheidevorrichtung, können somit dank der Ringleitung grundsätzlich in beliebig kombinierbarer Weise entweder nur in der Vorlaufleitung, nur in der Rücklaufleitung, oder auf beide Leitungen verteilt angeordnet sein. Es ist jedoch vorteilhaft, insbesondere wenn als Transportfluid ein Gas verwendet wird, dieses in Strömungsrichtung hinter der Wärmequelle einzuleiten, da sich dort aufgrund der höheren Temperatur der Wärmetransportflüssigkeit bei sonst gleichen Bedingungen größere Blasen ausbilden als in der von der Wärmesenke abführenden Leitung (Rückleitung). Wie die Bedingungen im Einzelfall einzustellen sind und welche Parameter dabei berücksichtigt werden müssen, ist in der Vergangenheit theoretisch und experimentell bestimmt worden (vgl. z. B.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung (Anspruch 4) ist die Einleitungsvorrichtung mit einem in Zirkulationsrichtung der Wärmetransportflüssigkeit vorderen Endabschnitt des Rohrabschnitts verbunden. Die Einleitung des Transportfluids an dieser Position – egal ob die Einleitung in die Vorlaufleitung oder die Rücklaufleitung erfolgt – vergrößert die Pumpwirkung, die im Übrigen auch mit zunehmender Länge des vorzugsweise möglichst vertikal angeordneten Rohres erhöht wird.According to a further advantageous embodiment of the present invention (claim 4), the introduction device is connected to a front in the direction of circulation of the heat transfer fluid end portion of the pipe section. The introduction of the transport fluid at this position - regardless of whether the introduction takes place in the flow line or the return line - increases the pumping action, which is also increased with increasing length of the preferably vertically disposed tube, moreover.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung (Anspruch 5) umfasst der Hochtemperatur-Wärmetransportkreislauf einen Regelkreis, in dem eine Ausgangsgröße der Wärmesenke eine Regelgröße und eine Dosierung der Transportfluidmenge und/oder eine Strömungsgeschwindigkeit der Wärmetransportflüssigkeit eine Steuergröße ist. Die Wärmesenke ist der Ort, an dem die Umwandlung des wenigstens einen Edukts in das wenigstens eine Produkt stattfindet. Die Umwandlung ist eine oder eine Mehrzahl von chemische/biologische Reaktionen, die durch Reaktionsgleichungen beschrieben werden können. Ausgangsgrößen im Sinne der vorliegenden Erfindung sind die bei diesen Reaktionen gebildeten Produkte, die einzeln oder in ihrer Zusammensetzung erfasst werden können (Anspruch 11). Da das Gleichgewicht der Reaktionen temperaturabhängig ist, die Temperatur in der Wärmesenke wiederum von der Konfiguration der Hochtemperatur-Wärmetransportvorrichtung abhängt, kann die Messung von einem oder von mehreren an den Reaktionen beteiligten Substanzen dazu verwendet werden, die Parameter der Einleitung (Menge, Einleitungsgeschwindigkeit, Druck etc.) des Transportfluids zu regulieren und somit das chemische Gleichgewicht zu verschieben und die Produktgasmenge und -qualität zu regeln.According to a further advantageous embodiment of the present invention (claim 5), the high-temperature heat transfer circuit comprises a control loop in which an output of the heat sink is a controlled variable and a dosage of the transport fluid amount and / or a flow rate of the heat transfer fluid is a control variable. The heat sink is the place where the conversion of the at least one reactant into the at least one product takes place. The transformation is one or a plurality of chemical / biological reactions that can be described by reaction equations. Starting materials for the purposes of the present invention are the products formed in these reactions, which can be detected individually or in their composition (claim 11). Since the equilibrium of the reactions is temperature dependent, the temperature in the heat sink, in turn, depends on the configuration of the high temperature heat transfer device The measurement of one or more substances involved in the reactions may be used to regulate the parameters of initiation (amount, rate of introduction, pressure, etc.) of the transport fluid, thus shifting the chemical balance and increasing the product gas quantity and quality regulate.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung (Anspruch 6) ist die Wärmetransportflüssigkeit Zinn, Galistan oder Lithium-Beryllium-Fluorid (FLiBe). Der große Vorteil dieser Materialien besteht darin, dass sie im Gegensatz zu Alkalimetallen ungiftig, nicht explosiv und nicht brennbar sind. Letzteres, ein aus einer Mischung aus Lithiumfluorid (LiF) und Berylliumfluorid (BeF2) bestehendes Salz, wird insbesondere in dem hochsensiblen Umfeld von Atomforschungsreaktoren als Umlaufmedium in Hochtemperatur-Heizkreisen genutzt (vgl. z. B. das „holten-Salt Reactor Experiment” (MSRE) am Oak Ridge National Labaratory).According to a further advantageous embodiment of the present invention (claim 6), the heat transfer fluid is tin, galstan or lithium beryllium fluoride (FLiBe). The great advantage of these materials is that unlike alkali metals they are non-toxic, non-explosive and non-combustible. The latter, a salt consisting of a mixture of lithium fluoride (LiF) and beryllium fluoride (BeF 2), is used in particular in the highly sensitive environment of nuclear research reactors as circulating medium in high-temperature heating circuits (cf., for example, the "holten-Salt Reactor Experiment" (cf. MSRE) at Oak Ridge National Labaratory).
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung (Anspruch 7) ist Transportfluid ein Edelgas, Luft, Wasser oder Wasserdampf. Die Vorteile dieser Stoffe liegen insbesondere darin, dass sie billig sind. Wasser hat zudem den Vorteil, dass man es bereits in flüssigem Zustand vorliegt, es also nicht wie unter Umständen bei einem Gas erforderlich ist, mit hohem energetischen und damit finanziellen Aufwand verdichten (verflüssigen) muss. Wasserdampf ist im HPR-Prozess auf einem ausreichenden Überdruck bereits vorhanden und muss nicht gekauft bzw. zusätzlich erzeugt werden.According to a further advantageous embodiment of the present invention (claim 7) transport fluid is a noble gas, air, water or water vapor. The advantages of these substances are, in particular, that they are cheap. Water also has the advantage that it is already in a liquid state, so it is not necessary as under certain circumstances for a gas, with high energy and therefore financial expense to condense (liquefy) must. Water vapor is already present in the HPR process at a sufficient overpressure and does not have to be purchased or additionally produced.
Gemäß weiteren vorteilhaften Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung, die einzeln oder in Kombination eingesetzt werden können, umfasst die Wärmesenke einen Reformer zur Erzeugung von brennbarem Produktgas aus kohlenstoffhaltigen Einsatzstoffen durch allotherme Wasserdampfvergasung (Anspruch 8), umfasst die Wärmequelle eine Brennkammer zur Verbrennung von kohlenstoffhaltigen Einsatzstoffen und/oder von Pyrolyseresten des Reformers umfasst (Anspruch 9) und dient die Abscheidevorrichtung der Abscheidung von in der Wärmesenke in die Wärmeträgerflüssigkeit diffundiertem Wasserstoff (Anspruch 13). Vorzugsweise ist in dem Reformer und/oder der Brennkammer eine Wirbelschicht ausgebildet, und die Ringleitung ist innerhalb des Reformers und/oder der Brennkammer als Rohrbündel- oder Rohrschleifenkonstruktion ausgebildet. Diese Variante ist in der
Das Loop-Wärmerohr
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung (Anspruch 14) wird das abgeschiedene Transportfluid zur Blasenpumpe zurückgeführt. Das heißt, gemäß dieser vorteilhaften Ausgestaltung existieren zwei Kreisläufe, ein Wärmetransportflüssigkeitskreislauf und ein Transportfluidkreislauf, die sich überlappen oder ineinander greifen, d. h. einen Teil der Ringleitung gemeinsam haben.According to a further advantageous embodiment of the present invention (claim 14), the separated transport fluid is returned to the bladder pump. That is, according to this advantageous embodiment, there are two circuits, a heat transfer fluid circuit and a transport fluid circuit, which overlap or interlock with each other, that is, they are interlocked. H. have a part of the loop together.
Die obigen und weitere Aufgaben, Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung sind aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung, die unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung gemacht wurde, deutlicher ersichtlich. In den Zeichnungen sind:The above and other objects, features and advantages of the present invention will become more apparent from the following detailed description made with reference to the accompanying drawings. In the drawings are:
Der in den
Insbesondere umfasst die Hochtemperatur-Wärmetransportvorrichtung
Die in
Die in
Äquivalente Verhältnisse liegen in der in
Die in den
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.Although the present invention has been disclosed in terms of the preferred embodiments in order to facilitate a better understanding thereof, it should be understood that the invention can be embodied in various ways without departing from the scope of the invention. Therefore, the invention should be understood to include all possible embodiments and embodiments to the illustrated embodiments which can be practiced without departing from the scope of the invention as set forth in the appended claims.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 1010
- Hochtemperatur-WärmetransportvorrichtungHigh-temperature heat transfer device
- 1212
- Ringleitungloop
- 12-112-1
-
Vorlaufleitung von
12 Supply line from12 - 12-212-2
-
Rücklaufleitung von
12 Return line from12 - 1414
- Brennkammercombustion chamber
- 1616
- Reformerreformer
- 1818
- Blasenpumpebubble pump
- 2020
- Schleuselock
- 2222
- Abscheidevorrichtungseparating
- 2424
- EinleitungsvorrichtungIntroduction device
- B, B1, B2B, B1, B2
- Brennstoffefuels
- PP
- Produktgasproduct gas
- RR
- Rauchgasefumes
- TFRTFR
- TransportfluidrückführungTransport fluid return
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
- DE 3907767 A1 [0003, 0004, 0004, 0009] DE 3907767 A1 [0003, 0004, 0004, 0009]
- DE 1601462 [0003] DE 1601462 [0003]
- WO 2010/057919 A1 [0005, 0006, 0014, 0014, 0015] WO 2010/057919 A1 [0005, 0006, 0014, 0014, 0015]
- US 2007/0084207 A1 [0009] US 2007/0084207 A1 [0009]
- DE 102006016005 A1 [0015] DE 102006016005 A1 [0015]
Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature
- „A Review of Bubble Pump Technologies”, Benhmidene et al., Journal of Applied Sciences 10 (16): 1806–1813, 2010 [0008] "A Review of Bubble Pump Technologies", Benhmidene et al., Journal of Applied Sciences 10 (16): 1806-1813, 2010 [0008]
- „A Review of Bubble Pump Technologies”, Benhmidene et al., Journal of Applied Sciences 10 (16): 1806–1813, 2010 [0009] "A Review of Bubble Pump Technologies", Benhmidene et al., Journal of Applied Sciences 10 (16): 1806-1813, 2010 [0009]
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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R016 | Response to examination communication | ||
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