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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Regenerators, bspw in Form eines Pebble Heaters, zur Erzeugung von Heißwind für einen Stahlerzeugungs-/behandlungsprozess oder einen chemischen Prozess, bei welchem zyklisch Kaltgas und Heißgas durch ein Schüttgut in jeweils entgegengesetzter Richtung geleitet wird, welches sich in einem Ringraum zwischen einem Heißrost und einem das Heißrost umgebenden Kaltrost befindet, und wobei in wiederkehrenden Zyklen eine Menge Schüttgut aus dem Ringraum entnommen wird, sowie ein Regenerator selbst, gemäß Oberbegriff der Patentansprüche 1 und 6.
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Regeneratoren dieser Art werden bspw in der Stahlherstellung oder Stahlbehandlung für Temperaturen oberhalb von 800°C eingesetzt. Im Hochofen- und Konverterbetrieb dienen solche Regeneratoren zur Erzeugung von Heißwind, bei denen Temperaturen auch im Bereich von 1.200°C gefordert sind. Regeneratoren dieser Art sind aus der
US 2,272,108 bekannt. Es ist ferner bekannt, dass diese Regeneratoren der oben genannten Bauart einen Ringraum zwischen einem inneren Heißrost und einem äußeren Kaltrost aufweisen, in dem das Schüttgut als Wärmeträger enthalten ist. Somit unterscheidet man zwei Betriebsphasen, eine Heißphase und eine Blas- oder Kaltphase. In der Heißphase werden heiße Gase durch die Schüttung geleitet, und die fühlbare Wärme darin gespeichert. In der Blas- oder Kaltphase werden Kaltgase in umgekehrter Richtung durch die Schüttung hindurch geleitet, wodurch die Wärme aus der Schüttung auf das Kaltgas übertragen wird. Heißrost und Kaltrost sind über Öffnungen oder Maschen so abgeschlossen, dass die Öffnungs- oder Maschenweite so gewählt ist, dass Gase ungehindert hindurchtreten können, aber das Schüttgut nicht. D. h. die Partikel- oder Korngröße des Schüttgutes, Pebbles genannt, ist größer als die Öffnungs- oder Maschenweite von Heißrost und Kaltrost.
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Der Heißrost besteht dabei aus Schamottsteinen, oder aus Steinen aus anderen feuerfesten Materialien. Der Kaltrost besteht im Wesentlichen aus Lochblech.
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Als Schüttgut (Pebbles) werden üblicherweise Kugeln aus keramischem Werkstoff, bspw aus Aluminiumoxyd verwendet.
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Es ist zu berücksichtigen, dass sich das Schüttgut bei thermischer Beaufschlagung, d. h. beim Aufheizen ausdehnt. So kommt es im besagten Ringraum des Regenerators zu mechanischen Spannungen, und daraufhin zu zunehmender Kompaktierung die sowohl den Kaltrost als auch den Heißrost beschädigen kann. Diese Temperaturwechselbeanspruchung führt also dazu, dass sich das Schüttgut mehr und mehr kompaktiert, und damit den Heißrost auf Dauer zerstört.
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Aus der
EP 0 908 692 A2 ist es bekannt, aus dem Regenerator während des Durchleitens von Heißgas, also in der Heißphase, eine definierte Menge Schüttgut abzulassen, um die ausgeübte Druckspannung auf Heiß- und Kaltrost zu reduzieren. Dabei nehmen Hohlkammern des Heißrostes Schüttgut auf, welches durch thermische Ausdehnung in der Heißphase, Schüttgutmengen durch thermische Ausdehnung durch eine Öffnung durchschiebt. Das abgelassene Schüttgut wird über einen Transportgasstrom dann wieder nach oben zum Regenerator geführt, um es dort wieder einzufüllen.
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Bereits durch die thermische Ausdehnung in der Heißphase und den dadurch bewirkten erzwungenen Durchtritt des Schüttgutes durch Öffnungen, sowie insbesondere durch den Transport desselben über einen Gasstrom werden die Körner (Pebbles) des Schüttgutes stark erodiert. Hinzu kommt, dass die Pebbles im eingangs genannten Stand der Technik heiß abgelassen werden und durch den Transportgasstrom sehr schnell abgekühlt werden. Zur mechanischen Beanspruchung kommt somit noch die starke thermische Wechselbeanspruchung, was die Erosion der Pebbles noch weiter verstärkt.
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Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betrieb eines Regenerators, sowie einen Regenerator selbst dahingehend zu verbessern, dass das Schüttgut deutlich schonender behandelt, und auch die Reduktion der Druckspannungen im Regenerator effektiver erfolgt.
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Die gestellte Aufgabe ist bei einem Verfahren der gattungsgemäßen Art erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den abhängigen Ansprüchen 2 bis 5 angegeben.
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Im Hinblick auf einen Regenerator selbst ist die gestellte Aufgabe erfindungsgemäß durch die kennzeichnenen Merkmale des Patentanspruches 6 gelöst.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des Regenerators sind in den übrigen abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Kern der verfahrensgemäßen Erfindung ist, dass aus dem Schüttgut in der Kaltphase oder kurz vor der Phase der Heißgasbeaufschlagung eine definierte, mit Messmitteln ermittelte Menge an Schüttgut durch Bodenöffnungen des Ringraumes abgelassen wird. Es wird also anders als im Stand der Technik das Schüttgut in der Kaltphase abgelassen und die Temperaturwechselbeanspruchung damit reduziert. Damit wird das Schüttgut erheblich schonender behandelt. Eine mechanische Verschiebung des Schüttgutes in der Kaltphase, oder kurz davor oder kurz danach ist somit erheblich weniger erosiv.
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In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung ist angegeben, dass die abgelassene Schüttgutmenge über eine Wäage- oder Füllmaßbestimmung geleitet wird, bis die Menge an abzulassendem Schüttgut erreicht ist. Dies heisst, dass die Menge des abgelassenen Schüttgutes genau auf die erwartbare thermische Ausdehnung berechnet und bemessen ist, oder bemessen werden kann.
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Das Schüttgut, d. h. die Pebbles rieseln oder rollen dann unter Schwerkrafteinfluss nach unten heraus in ein Fördersystem, das bspw ein Becherwerk, oder ein anderer Vertikalförderer wie Taschenförderer oder Gurttaschenförderer sein kann. Dabei kann das Schüttgut zunächst in ein im Förderer enthaltenes oder beigestelltes Sammelgefäß einlaufen, von wo aus es dann über den Förderer nach oben gefördert werden kann.
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In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung ist angegeben, dass bei der Bemessung der abzulassenden Schüttgutmenge die Ablassrohre in ihrem Volumen derart mitberücksichtigt werden, dass die nach Schließen von Schiebern an der Ablassleitung oder den Ablassleitungen noch ausrieselnde Schüttgutmenge in der gewünschten Zielmenge automatisch mitberücksichtigt wird. Wenn also beispielsweise die Schieber direkt am Boden des Regenerators, oder am obersten Ende der Ablassleitungen angeordnet sind, werden diese dann geschlossen, wenn die bereits ausgerieselte und in einem Becher gesammelte Schüttgutmenge plus die noch im Ablassrohr nach Schließen des Schiebers vorhandene und noch ausrieselnde Schüttgutmenge in Summe der vorbestimmten Ablassmenge entspricht.
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In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung ist angegeben, dass die abgelassene Schüttgutmenge nach Füllmaß- oder Gewichtsbestimmung über einen Förderer bspw ein Becherwerk nach oben zu einer Rückführung von Schüttgut in den Ringraum des Regenerators gefördert wird. Anders als im eingangs beschriebenen Stand der Technik wird das Schüttgut nicht über einen Gasstrom durch ein Rohr nach oben geleitet, sondern durch einen Förderer bspw ein Becherwerk, wodurch das Schüttgut ganz erheblich geringerer mechanischer Belastung ausgesetzt wird. Damit hat das Schüttgut selbst eine deutlich längere Standzeit.
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In besonderer vorteilhafter Ausgestaltung ist angegeben, dass die Wäage- oder Füllmaßbestimmung integraler Bestandteil des Förderers, und somit des Rückförderungsprozesses des abgelassenen und wieder rückgeführten Schüttgutes ist. Dadurch wird die Einrichtung in der Betriebsweise erheblich vereinfacht, und es braucht keine separate Massenbestimmung zwischen Ablassleitungen und Förderer vorgesehen werden.
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In Bezug auf einen Regenerator der gattungsgemäßen Art besteht die Erfindung darin, dass die Ablassöffnung über eine Rohrleitung mit einem Förderer, vorzugsweise einem vertikal aufgestellten Becherwerk verbunden ist, in welches das Schüttgut einrieselt und von dort zum Regenerator nach oben zur Rückverfüllung des Schüttgutes in den Ringraum förderbar ist, und dass der Förderer bspw ein Becherwerk sowie die Schieber zum Ablassen als auch zum Rückverfüllen der abgelassenen Schüttgutmenge über eine Steuereinrichtung angesteuert betrieben werden, in welcher auch die Heiß- und Kaltzyklen des Regenerators geregelt werden.
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Auf diese Weise wird das Schüttgut schonend abgelassen und zurück transportiert. Die Bemessung des Ablasses lässt sich ggfs temperaturabhängig bestimmen und so auf einfache Weise steuern. Auf diese Weise werden die Schüttgutpartikel (Pebbles) außerdem möglichst in der Kaltphase oder vor der Heißphase bereits abgelassen, so dass die Temeperaturwechselbeanspruchung des Schüttgutes, d. h. der Pebbles während des Ablasses reduziert, und damit eine zusätzlich mechanisch schonende Behandlung des Schüttgutes beim Ablass und bei der Rückverfüllung erfolgt.
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Die Ablassmenge ist so dimensioniert, dass in der Heißphase mindestens die im Schüttgut bewirkte Ausdehnung und die damit einhergehende Volumenänderung durch den Schüttgutablass auf diese Weise kompensiert wird. Wesentlicher funktioneller Aspekt bleibt aber dennoch, dass hiermit einer Kompaktierung des Schüttgutes durch einem zunehmende Verdichtung der Zwischenräume zwischen den Schüttgutpartikeln entgegen gewirkt wird. Damit werden außerdem in effektiver Weise Heißrost und Kaltrost mechanisch entlastet.
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In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung ist angegeben, dass der Förderer oder ein vom Förderer bedienter Sammelbehälter integrale Wäage- oder Füllmaßbestimmungsmittel zumindest an einem der Förderteilvolumina, wie bspw Becher, Taschen etc, enthält, über welche die abgelassene Schüttgutmenge ermittelbar ist. Auf diese Weise kann die abgelassene Schüttgutmenge in jedem Fall genau dimensioniert werden, auf die nach Erfahrungswerten zuvor ermittelte erwartbare thermische Ausdehnung. Das System ist somit in sich geschlossen steuer-/regelbar.
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In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung ist angegeben, dass die Wäage- oder Füllmaßbestimmungsmittel des Förderers mit einer Steuereinrichtung derart korrespondieren, dass hierüber die Menge des abzulassenden Schüttgutes über die Ansteuerung des Schiebers der Ablassöffnung steuerbar ist, bis die Menge an abzulassendem Schüttgut erreicht ist, diese Schieber automatisch geschlossen werden.
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In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung ist angegeben, dass dem Förderer am Schüttgutablass ein Sammelbehälter vorgeschaltet ist, welcher mit den Wäage- oder Füllmassbestimmungsmitteln zunächst unabhängig vom Becherwerk in der vorstehend beschriebenen Weise füllbar ist, und das Becherwerk anschließend die dort befüllte Schüttgutmenge aus dem Sammelbehälter nach oben transportiert.
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So kann man die Wäage- oder Füllmassbestimmungsmittel zwar im Förderer oder Becherwerk integrieren, wobei aber bei dieser Variante die Gewichts- oder Füllmassbestimmung vom reinen Förderer separiert bleibt.
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Weiterhin ist vorteilhaft ausgestaltet, dass zwischen dem obersten Förderpunkt und dem Rückverfüllungungseingang in den Ringraum des Regenerators ein Schüttgutpuffer vorgeschaltet ist, über welchen das nach oben rückgeförderte Schüttgut zunächst kurzfristig zwischengelagert und sodann gesteuert in den Ringraum rückverfüllt wird. Dieser Schüttgutpuffer ist oder kann auch als Druckschleuse eingesetzt werden, weil bei der Umförderung und Rückführung des Schüttgutes während der Blas- oder Kaltphase ein Überdruck vorliegt. Für den Anlagenbetrieb mit nennenswertem Überdruck in der Blasphase ist dies sogar notwendig und vorteilhaft. Da hierzu ja ein Schieber zum Regenerator oben geöffnet werden muss, muss zuvor die über das Becherwerk rückgeförderte Menge in Gänze zunächst vorliegen, damit in einem möglichst kurzen Rückfüllvorgang das Schüttgut rückverfüllt werden kann.
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In Bezug auf den Aufbau des Heißrostes ist in vorteilhafter Weise weiter ausgestaltet, dass das Heißrost aus Steinen mit einer polygonalen Trapezform nach Art von Tortenstücken gebildet ist, die zu einem Ring verlegt sind, und dabei eine Mehrzahl von Ringen übereinander gelegt sind.
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In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die Steine hohl bzw hohl gebohrt sind und auf der Heißrostinnenseite des Regenerators ein Loch mit einem runden Querschnitt und auf der zum Ringraum des Regenerators weisenden Außenseite ein Loch mit einem quadratischen Querschnitt aufweisen, welches wiederum mit einem keramischen Gitterstein verschlossen ist, dessen Maschenweite kleiner als der Durchmesser der Schüttgutpartikel (Pebbles) ist. Bei diesem Heißrost ist anders als in der eingangs zitierten
EP 0 908 692 A2 ein Eindringen des Schüttgutes in Öffnungen oder Innenräume der Steine gezielt vermieden. Dadurch kommt es auch zu keinem im heißen Zustand quasi gewaltsam durch thermische Ausdehnung bewirkten erosiven expansiven Durchtritt durch Öffnungen des Heißrostes.
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Ein Ausgestaltungsbeispiel der Erfindung ist in den Abbildungen dargestellt.
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Es zeigt:
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1: Regenerator im Querschnitt
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2: Regenerator mit außen angeordnetem Becherwerk
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3: Heißroststein im Detail
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4: Ring aus Heißroststeinen
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1 zeigt einen Regenerator 1 im Querschnitt. Der Innenraum 5 des Regenerators 1 wird von Heißgas beaufschlagt, und von einem gasdurchlässigen Heißrost 2 umschlossen. Beim Durchtritt des Heißgases durch den Heißrost 2 wird das Schüttgut 4 aufgeheizt. Nach dem Aufheizvorgang wird sodann Kaltgas durchgeleitet, welches durch das heisse Schüttgut dann aufgeheizt wird. Im Schüttgut, wird also die vorher gespeicherte thermische Energie dann zum Heizen des Kaltgases genutzt.
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Der Heißrost 2 ist von einem weiteren Mantel, dem Kaltrost 3 umgeben. Zwischen Heißrost 2 und Kaltrost 3 bildet sich somit ein zylindrischer Ringraum 4, in dem Schüttgut angeordnet ist. Im vorliegenden Fall sind keramische Gitter vorgesehen, die verhindern, dass Schüttgut in den Heißrost 2 und/oder den beheizten Inneraum hineintreten. Der mit dem Schüttgut (Pebbles) befüllte Zylinderraum 4 zwischen Heißrost 2 und Kaltrost 3 mündet unten im Regenerator 1 in die Ablassleitungen 10 aus.
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Die Rückfüllung des abgelassenen und außerhalb des Regenerators 1 nach oben geförderten Schüttgutes erfolgt am Regenerator oben. Dort sind Stutzen 7 und mit diesen verbundene Rohrleitungen angeordnet, die das rückverfüllte Schüttgut von oben über Schwerkraft wieder in den Zwischenraum 4 des Regenerators 1 führen.
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2 zeigt den Regenerator 1 mit den Rohrleitungsführungen sowie der vom Regeneratorraum nach außen gelegten, ebenso erfindungsgemäßen Förderstrecke des unten abgelassenen und oben wieder rückverfüllten Schüttgutes. Der Regenerator, wie in 2 gezeigt, weist wie bereits in 1 zu erkennen, einen zylindrischen Außenmantel auf. Die beiden Enden des zylindrischen Mantels sind distal mittels Deckel 8 und 9 verschlossen. Im Bereich des unteren Deckels sind die Ablass-Rohrleitungen 10 angeordnet. Das Schüttgut fließt direkt vom zylindrischen Zwischenraum 4 des Regenerators 1 in die Ablass-Rohrleitungungen 10.
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Die Rückverfüllung am oberen Ende des Regenerators 1 ist ebenfalls im dort angeordneten oberen Deckel 8 angeordnet. In der Vertikalen neben dem eigentlichen Regenerator 1 ist der Förderer 14 platziert. Am unteren Ende des Regenerators 1 sind die Ablass-Rohrleitungen 10 so angeordnet, dass unter Einwirkung der Schwerkraft das Schüttgut nach unten fließt, rollt oder rieselt. Da eine Mehrzahl von radial verteilt angeordneten Ablass-Rohrleitungen 10 vorgesehen sind, um einen gleichmäßigen Ablass von Schüttgut um den gesamten Umfang des zylindrischen Zwischenraumes 4 zu gewährleisten, sind die Rohrleitungen 10 über den gesamten Verlauf ihrer Länge in einer steten abfallenden Richtung platziert, so dass kein Syphoneffekt entsteht. Denn dann würde das Schüttgut dort unter der Schwerkraft nicht mehr abfließen können. Alle Rohrleitung laufen zusammen und münden in ein unter dem Förderer, der hier als Becherwerk dargestellt ist, oder in einen im Becherwerk unten integrierten Sammelbehälter 13. Dieser Behälter ist mit Füllmaß- oder Gewichtsermittlungsmitteln versehen. Die vor der Heißphase abzulassende Schüttgutmenge wird dabei so bemessen, dass es dem zuvor bestimmten, durch thermische Außdehnung des Schüttgutes bewirkten Volumenzuwachs entspricht. Wird also die diesbezüglich ermittelte Schüttgutmenge abgelassen, so entlastet dies den mechanischen Druck auf den Heißrost und den Kaltrost. Am Beginn des Ablasses werden Schieber an den Ablass-Rohrleitungen 10 im Regenerator 1 geöffnet und es fließt Schüttgut ab. Dieses fließt dann durch die Ablass-Rohrleitungen 10 nach unten in das Sammelbehältnis 13 am oder im Förderer bzw Becherwerk. Wird dort der ermittelte Füllstand oder das ermittelte Gewicht der abzulassenden Schüttgutmenge erreicht, so wird der oder werden die Schieber wieder geschlossen. Da auch die Ablass-Rohrleitungen 10 ein Volumen haben, muss bei der ermittelten abzulassenden Schüttgutmenge dieses „Totvolumen” mitberechnet werden, so dass die hier nicht weiter dargestellte Steuerung dieses beim definierten Schüttgutablass bzw der definierten Schütgutablassmenge mitberücksichtigt.
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Ist diese abzulassende Schüttgutmenge erreicht, so wird der Förderer bzw das Becherwerk in Gang gesetzt, und fördert die abgelassene Schüttgutmenge nach oben, zum oberen Ende des Regenerators 1. Dort fließt sie wieder unter Schwerkrafteinfluss in ein Zwischenbehältnis 16, von wo aus sie wieder definiert, und ggfs mit mindestens einem weiteren Schieber über Rückführrohrleitungen 17 und 7 direkt in den im Regenerator 1 angeordneten Zwischenraum 4 zwischen Kaltrost 3 und Heißrost 2 rückverfüllt wird. Das besagte Zwischenbehältnis ist vorteilhafterweise eine Druckschleuse oder mit einer Druckschleuse verbunden, oder wird als Druckschleuse betrieben. Die Förderung ist gegenüber dem eingangs beschriebenen Stand der Technik aus den oben bereits genannten Gründen erheblich schonender für die Schüttgutpartikel (Pebbles).
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3 zeigt einen einzelnen Heißroststein 21. Der Aufbau des Heißrostes besteht aus diesen Steinen, die in übereinander gestapelten, jeweils versetzt zueinander angeordneten Ringen, Ring für Ring übereinander gestapelt sind, wie eine ringförmige Mauer. Wie zu erkennen ist, sind die Steine 21 mit Durchgangsöffnungen versehen, die so platziert und konturiert sind, dass im verbauten Zustand das zum Inneren hin, also zum von dem Heißrost umgebenden Innenraum hin, als Ausmündungen 22 rund ausgebildet, und nach außen, also zum mit Schüttgut befüllten Zwischenraum hin als Ausmündungen 23 quadratisch ausgebildet sind. Die quadratischen Ausmündungen 23 sind dabei mit hitzebeständigen oder keramischen Gittern 24 verschlossen, so dass genau anders als im eingangs genannten Stand der Technik, keinerlei Schüttgut in das Innere der Steine 21 eindringen kann. Hierzu ist die Maschenweite der keramischen Gitter 24 kleiner als die kleinste Korngröße des Schüttgutes (Pebbles). Fixiert sind die keramischen Gitter 24 in den Steinen 21 mit keramischem Kleber.
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4 zeigt einen aus Heißroststeinen 21 zusammengefügten Ring. Der Heißrost besteht somit aus einer Mehrzahl von übereinander gelegten und miteinander verklebten Ringen, zu einer polygonalen Zylinderröhre wie in 1 als Heißrost 2 dargestellt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Regenerator
- 2
- Heißrost
- 3
- Kaltrost
- 4
- Zwischenraum für Schüttgut (Pebbles)
- 5
- Inneraum, Heißgaseintritt Heizphase
- 7
- Rückfüllstutzen/-leitungen
- 8
- Oberer Regeneratordeckel
- 9
- Unterer Regeneratordeckel
- 10
- Untere Ablassrohrstutzen, Ablassrohrleitungen
- 11
- Außenmantel des Regenerators
- 13
- Sammelbehälter
- 14
- Förderer (Becherwerk)
- 15
- Rohrabschnitt
- 16
- Oberes Zwischenbehältnis
- 17
- Obere Rückfüllleitungen
- 20
- Füllmaß- oder Gewichtsermittlungsmittel
- 21
- Heißroststein
- 22
- Ausmündung der Durchgangsöffnung im Heißroststein nach innen
- 23
- Ausmündung der Durchgangsöffnung im Heißroststein zum Schüttgutzwischenraum
- 24
- Gitter/Filter, keramisch
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2272108 [0002]
- EP 0908692 A2 [0006, 0028]
