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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Verbrennung von Feststoffen. Dies können beispielsweise Pellets aus unterschiedlichen Materialien wie Holz oder landwirtschaftlichen Abfallprodukten sein. Derartige Vorrichtungen können beispielsweise zur Strom- oder Wärmeerzeugung genutzt werden.
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Aus dem Stand der Technik sind bereits Vorrichtungen bekannt, in denen Feststoffe zur Strom- oder Wärmeerzeugung verbrannt werden.
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Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine effizientere Vorrichtung zu schaffen. Außerdem soll ein effizienteres Verfahren geschaffen werden.
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Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1 und durch ein Verfahren gemäß Anspruch 10 gelöst. Ausführungsformen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Die Vorrichtung umfasst eine Brennkammer, in der die Feststoffe verbrannt werden können. Über ein Zuführmittel können die Feststoffe in die Brennkammer eingebracht werden. Die Brennkammer kann außerdem durch ein Drehmittel – beispielsweise einen Motor – in Rotation versetzt werden. Beispielsweise kann als Brennkammer ein Drehrohrofen verwendet werden.
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In der Brennkammer können Zermahlungsmittel angeordnet sein, die dazu ausgebildet sind, die Feststoffe in der Brennkammer zu zermahlen. Dies kann insbesondere vorteilhaft sein, wenn die Feststoffe sehr fest zu einem sogenannten Pellet zusammengepresst sind. Ohne eine Zermahlung kann es dabei vorkommen, dass der Kern des Pellets nicht verbrennt, da sich um ihn eine Ascheschicht bildet, bevor er verbrennt. Außerdem können zermahlene Feststoffe üblicherweise besser verbrannt werden als im unzermahlenen Zustand. Des Weiteren können Rückstände an der Innenwand der Brennkammer durch die Zermahlungsmittel ebenfalls gelöst werden.
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Es ist möglich, dass die Brennkammer durch das Drehmittel um eine Rotationsachse in Rotation versetzbar ist, wobei die Rotationsachse sowohl durch den ersten Endbereich als auch durch den zweiten Endbereich der Brennkammer verläuft. Das Zuführmittel kann im ersten Endbereich der Brennkammer angeordnet sein.
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Es ist möglich, dass die Zermahlungsmittel durch die Schwerkraft zumindest vom ersten Endbereich zum zweiten Endbereich bewegbar sind.
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Nach einer Ausführungsform der Erfindung umfasst die Vorrichtung ein Stützmittel, das dazu ausgebildet ist, auf einer ebenen Bodenfläche zu stehen. Das Stützmittel kann auch als Stützstruktur bezeichnet werden. Durch das Stützmittel wird erreicht, dass ein erster Bereich der Brennkammer weiter entfernt von der Bodenfläche ist als ein zweiter Bereich der Brennkammer. Dies ist insbesondere vorteilhaft, damit die Zermahlungsmittel in Bewegung gebracht werden und damit die verbrennenden Feststoffe in Richtung des zweiten Bereichs bewegt werden.
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Nach einer Ausführungsform der Erfindung kann die drehbare Brennkammer innerhalb eines Rohres angeordnet sein. Bei dieser Anordnung ist es insbesondere möglich, dass ein Luftspalt zwischen der Brennkammer und dem Rohr angeordnet ist, der bei Betrieb der Vorrichtung als Wärmeisolationsschicht funktioniert. Versuche haben ergeben, dass der Verbrennungsprozess besonders gut abläuft, wenn die Temperatur innerhalb der Brennkammer oberhalb von 850°C liegt.
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Durch die Anordnung der Brennkammer innerhalb des Rohrs kann erreicht werden, dass die Brennkammer in einem Temperaturbereich unterhalb von etwa 1000°C vergleichsweise wenig Wärme abstrahlt. Die Intensität hängt gemäß dem Stefan-Boltzmann-Gesetz von der vierten Potenz der Temperatur ab. Bei geeigneter Anordnung der Brennkammer in dem Rohr kann daher erreicht werden, dass bei einer Temperatur oberhalb von 1000°C in der Brennkammer die Wärmestrahlung signifikant zur Abkühlung der Brennkammer beiträgt. Auf diese Weise lässt sich also eine Vorrichtung mit einem Selbstregelmechanismus schaffen, da aufgrund der Isolierung relativ wenig Wärme unterhalb von 1000°C und relativ viel Wärme oberhalb von 1000°C abgestrahlt wird.
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Nach einer Ausführungsform der Erfindung kann das Rohr fest mit dem Stützmittel verbunden sein. Mit anderen Worten kann das Rohr also nicht drehbar relativ zum Stützmittel ausgebildet sein.
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Nach einer Ausführungsform der Erfindung kann das Rohr zumindest teilweise in einem Fluid angeordnet sein. Das Fluid kann beispielsweise ein flüssiges Salz sein. Das Fluid kann also durch die von der Wärmekammer abgestrahlte Wärme erhitzt werden. Als Salz kann beispielsweise Natriumchlorid verwendet werden. Flüssige Salze haben oftmals gute Wärmeleiteigenschaften, sodass sie sich für den Transport von Wärme besonders gut eignen.
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Nach einer Ausführungsform der Erfindung kann in dem Fluid ein Wärmetauscher angeordnet sein, durch den ein weiteres Fluid strömen kann. Dabei ist eine Anordnung des Wärmetauschers und des Rohrs innerhalb einer einzigen Kammer vorteilhaft, sodass sowohl das Rohr als auch der Wärmetauscher vom selben Fluid umgeben sind. Das weitere Fluid kann beispielsweise Wasser sein. Bei ausreichender Erhitzung kann das Wasser zum Antrieb einer Turbine genutzt werden.
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Nach einer Ausführungsform der Erfindung kann die Vorrichtung ein Rückführungsmittel für die Zermahlungsmittel umfassen. Das Rückführungsmittel kann dazu ausgebildet sein, die Zermahlungsmittel vom zweiten Endbereich wieder zurück zum ersten Endbereich zu bewegen.
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Es ist möglich, dass das Rückführungsmittel zumindest ein Hebeelement umfasst, das dazu ausgebildet ist, die Zermahlungsmittel während der Rotation der Brennkammer anzuheben.
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Außerdem ist es möglich, dass das Rückführungsmittel mehrere Hebeelemente umfasst, die dazu ausgebildet sind, die Zermahlungsmittel während der Rotation der Brennkammer anzuheben.
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Die Hebeelemente können im zweiten Endbereich der Brennkammer angeordnet sein. Die Hebeelemente können schaufelartig ausgebildet und an einer Innenwand der Brennkammer angeordnet sein.
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Das Rückführungsmittel kann ein Transportelement umfasst, das dazu ausgebildet ist, die Zermahlungsmittel vom zweiten Endbereich der Brennkammer zum ersten Endbereich der Brennkammer zu transportieren. Dies ist insbesondere vorteilhaft, da die Zermahlungsmittel dann insgesamt zweimal die Brennkammer in unterschiedlichen Richtungen durchlaufen, sodass besonders effizient gemahlen wird.
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Es ist möglich, dass das Zermahlungsmittel mehrere Kugeln umfasst. Das Transportelement kann in diesem Fall als Kugellaufbahn ausgebildet sein. Die Kugellaufbahn kann ein Gefälle vom zweiten Endbereich in Richtung des ersten Endbereichs aufweisen.
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Es ist auch möglich, dass die Vorrichtung ein Behältnis mit einer Öffnung und zumindest ein Schaufelmittel umfasst. Das Behältnis kann dabei auch Teil des Stützmittels sein und/oder vom Stützmittel umgeben sein. Während des Betriebs ist die Öffnung des Behältnisses nach oben gerichtet. Das Schaufelmittel ist an einer Außenwand der Brennkammer angeordnet und dazu ausgebildet, durch die Öffnung in das Behältnis hinein zu ragen.
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In dem Behältnis kann beispielsweise eine heiße Flüssigkeit angeordnet sein, deren Temperatur über der Zündtemperatur des zu verbrennenden Feststoffs liegt. Die Temperatur der Flüssigkeit kann durch ein Heizmittel – beispielsweise eine Heizschlange – bei Bedarf erhöht werden. Bei einer Rotation der Brennkammer taucht das Schaufelmittel in das Behältnis ein und schaufelt einen Teil der Flüssigkeit auf die Außenwand der Brennkammer. Dadurch erhöht sich die Temperatur innerhalb der Brennkammer auf eine Temperatur oberhalb der Zündtemperatur des Feststoffs, sodass dieser in Brand gerät. Durch die Umströmung der Brennkammer mit der heißen Flüssigkeit wird eine besonders gleichmäßige Temperaturverteilung innerhalb der Brennkammer erreicht, sodass besonders gute Bedingungen für eine Verbrennung des Feststoffs geschaffen werden.
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Als Flüssigkeit kann beispielsweise ein flüssiges Salz verwendet werden, das besonders gute Wärmeleiteigenschaften hat. Insbesondere Natriumchlorid eignet sich für diesen Zweck.
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Wenn die Vorrichtung zur Stromerzeugung genutzt werden soll, kann sie auch Stromerzeugungsmittel wie beispielsweise eine Turbine und einen Generator umfassen. Als Turbine kann beispielsweise eine Teslaturbine verwendet werden.
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Anspruch 10 betrifft ein Verfahren zur Verbrennung von Feststoffen. Zunächst wird der Feststoff der Brennkammer zugeführt. Dann wird eine Verbrennung des Feststoffs in der Brennkammer ausgelöst. Außerdem wird der Feststoff in der Brennkammer durch zumindest ein Zermahlungsmittel zermahlen.
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Die Brennkammer kann derart isoliert sein, dass in einem Temperaturbereich im Innenraum der Brennkammer unter 1000°C nur relativ wenig Wärme abgestrahlt wird. Dies lässt sich zum Beispiel durch die Anordnung der Brennkammer innerhalb eines Rohrs mit einem Luftspalt zwischen der Brennkammer und dem Rohr erreichen. Auf diese Weise kann die Temperatur innerhalb der Brennkammer sehr lange über 850°C gehalten werden, was für die Verbrennung des Feststoffs vorteilhaft ist. Eine Wärmeabstrahlung bei einer Temperatur im Innenraum über 1000°C kann zur Erhitzung eines Fluids genutzt werden und ist nicht nachteilig für die Verbrennung des Feststoffs. Es kann also ein Selbstregelungsmechanismus geschaffen werden, der die Temperatur ausreichend hoch hält und trotzdem die Nutzung der Wärme ermöglicht.
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Es ist möglich, dass die Brennkammer während der Verbrennung des Feststoffs rotiert. Außerdem kann ein flüssiges Salz, insbesondere Natriumchlorid, die Brennkammer zumindest teilweise umspülen und dadurch die Temperatur innerhalb der Brennkammer oberhalb der Zündtemperatur des Brennstoffs halten. Das flüssige Salz kann also zum einen als Wärmetransportmedium genutzt werden. Zum anderen kann es auch als Wärmespeicher genutzt werden.
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Die Verbrennung des Feststoffs in der Brennkammer kann durch die zumindest teilweise Umspülung der Brennkammer mit dem flüssigen Salz ausgelöst werden. Das flüssige Salz kann durch zumindest ein Schaufelmittel auf eine Außenwandung der Brennkammer gefördert werden.
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Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden deutlich anhand der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die beiliegenden Abbildungen. Dabei werden für gleiche oder ähnliche Bauteile und für Bauteile mit gleichen oder ähnlichen Funktionen dieselben Bezugszeichen verwendet. Darin zeigen:
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1 eine schematische Frontansicht einer Vorrichtung nach einer ersten Ausführungsform der Erfindung;
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2 eine schematische Schnittansicht der Vorrichtung aus 1 entlang der Schnittlinie A-A;
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3 eine schematische perspektivische Ansicht der Vorrichtung aus 1;
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4 eine Detailansicht des mit B in 3 gekennzeichneten Ausschnitts;
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5 eine schematische Frontansicht einer Vorrichtung nach einer zweiten Ausführungsform der Erfindung;
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6 eine schematische Schnittansicht der Vorrichtung aus 5 entlang der Linie B-B;
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7 eine schematische Seitenansicht der Vorrichtung aus 5;
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8 eine schematische perspektivische Ansicht der Vorrichtung aus 5; und
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9 eine schematische Draufsicht auf die Vorrichtung aus 5.
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Die in den 1 bis 4 dargestellte Vorrichtung 100 umfasst eine Brennkammer 101, in der Kugeln 102 als Zermahlungsmittel eingesetzt werden. Die Kugeln 102 zermahlen einen Feststoff, wenn er sich innerhalb der Brennkammer 101 befindet und sorgen so für eine bessere und rückstandsärmere Verbrennung. Die Brennkammer 101 kann in Rotation versetzt werden, sodass bei der Rotation die Kugeln auch Rückstände von der Innenwand der Brennkammer 101 lösen.
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In 2 ist besonders gut ersichtlich, dass die Brennkammer 101 ein Gefälle von einem ersten Endbereich (in 2 rechts) hin zu einem zweiten Endbereich (in 2 links) aufweist, sodass die Kugeln 102 durch die Schwerkraft vom ersten Endbereich zum zweiten Endbereich bewegt werden. Außerdem umfasst die Vorrichtung 100 mehrere Hebeelemente 200, die schaufelartig ausgebildet sind und die Kugeln 102 anheben, wenn sie sich im zweiten Endbereich der Vorrichtung 100 befinden.
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Außerdem umfasst die Vorrichtung 100 ein Transportelement 201, das ein Gefälle vom zweiten Endbereich in Richtung des ersten Endbereichs aufweist. Wenn die Kugeln 102 durch eines der Hebeelemente 200 angehoben wurden, werden sie über das Transportelement 201 zum ersten Endbereich transportiert. Auch hier erfolgt die Bewegung aufgrund der Schwerkraft.
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Des Weiteren umfasst die Vorrichtung 100 ein Behältnis 202, in dem ein Heizmittel 203 angeordnet ist. Das Behältnis 202 kann Teil eines Stützmittels 204 sein, das eine Positionierung der Vorrichtung 100 auf einer ebenen Bodenfläche ermöglicht. In dem Behältnis 202 kann eine Flüssigkeit, beispielsweise ein flüssiges Salz, durch das Heizmittel erhitzt werden, sodass es eine Temperatur aufweist, die höher als die Zündtemperatur des Feststoffs ist.
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Insbesondere aus 3 ist ersichtlich, dass an der Außenwand der Brennkammer 101 Schaufelmittel 300 angeordnet sind, die bei einer Rotation der Brennkammer 101 in das Behältnis 202 eintauchen und anschließend Flüssigkeit aus dem Behältnis auf die Außenwand der Brennkammer 101 fördern. Auf diese Weise wird eine besonders gleichmäßige Temperaturverteilung innerhalb der Brennkammer 101, die oberhalb der Zündtemperatur des Feststoffs liegt, erreicht. Als Flüssigkeit eignet sich besonders gut ein flüssiges Salz wie beispielsweise Natriumchlorid. Dadurch, dass die Temperatur in der Brennkammer 101 oberhalb der Zündtemperatur des Feststoffs liegt, wird die rückstandsarme Verbrennung des Feststoffs erreicht.
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Die in den 5 bis 9 dargestellte Vorrichtung 500 unterscheidet sich vor allem dadurch von der Vorrichtung 100 aus den 1 bis 4, dass keine Schaufelmittel vorhanden sind, mit denen eine Flüssigkeit über die Außenwandung der Brennkammer geschaufelt wird. Anstatt dessen ist die Brennkammer 600 innerhalb eines Rohrs 800 angeordnet, sodass sich ein Luftspalt zwischen der Brennkammer 600 und dem Rohr 800 befindet. Das Rohr 800 ist in einer Kammer 601 angeordnet, die mit einem Fluid, beispielsweise einem flüssigen Salz wie Natriumchlorid, gefüllt ist. In der Kammer 601 ist ebenfalls ein Wärmetauscher 602 angeordnet.
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Der Luftspalt zwischen der Brennkammer 600 und dem Rohr 800 erfüllt die Funktion einer Wärmeisolierung. Bei besonders hohen Temperaturen (z.B. oberhalb von 1000°C) innerhalb der Brennkammer 600 wird ausreichend Wärme an das Fluid in der Kammer 601 abgegeben, sodass durch den Wärmetauscher 602 fließendes Wasser erwärmt wird. Wenn die Temperatur innerhalb der Brennkammer jedoch unter einen bestimmten Wert (z.B. 1000°C) fällt, wird sehr viel weniger Wärme abgestrahlt. Dies ist vorteilhaft, um eine Abkühlung des Innenraums der Brennkammer 600 unter die Zündtemperatur des Feststoffs (z.B. 850°C) hinauszuzögern. Ermöglicht wird dieser Selbstregulierungsprozess vor allem dadurch, dass die Intensität der Wärmeabstrahlung gemäß dem Stefan-Boltzmann-Gesetz von der vierten Potenz der Temperatur abhängig ist.
