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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Wärmeübertrager zur Wärmeübertragung zwischen einem ersten partikelförmigen Medium und einem zweiten partikelförmigen Medium.
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Bei einer Vielzahl von industriellen Prozessen werden Feststoffpartikel erhitzt um beispielsweise eine thermochemische Reaktion der Feststoffpartikel hervorzurufen. Im weiteren Prozess werden diese Feststoffpartikel abgekühlt. Die beim Abkühlen frei werdende Wärme wird häufig zur Vorwärmung von Luft verwendet, die als Verbrennungsluft verwendet wird, wenn die Feststoffpartikel über fossile Energieträger erhitzt werden. Ein derartiges Verfahren wird beispielsweise bei der Zementproduktion eingesetzt.
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Bei der Erwärmung der Feststoffpartikel über beispielsweise konzentrierte Solarstrahlung ist eine Wärmeübertragung an die Luft ungünstig, da diese in dem Prozess nicht oder nur unzureichend nutzbar ist. Eine Übertragung der Wärme bei der Abkühlung der Feststoffpartikel auf beispielsweise die zu erwärmenden Feststoffpartikel und somit zur Vorwärmung der Feststoffpartikel ist energetisch wesentlich sinnvoller.
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Daher sind erste Verfahren entwickelt worden, in denen eine Wärmeübertragung von einem Feststoffpartikel auf Feststoffpartikel erfolgt.
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Aus
DE 10 2015 209 962 der Anmelderin ist beispielsweise ein Wärmeübertrager zur Übertragung von Wärme zwischen festen Medien bekannt, der in der Wärmerückgewinnung aus Redox-Partikeln in thermochemischen Kreisprozessen bei der Herstellung von Wasserstoff verwendet wird. Bei der Wasserstoffherstellung wird hierbei ein Metalloxid in Form von Feststoffpartikeln auf eine hohe Temperatur von beispielsweise 1.400°C erhitzt, wodurch das Material reduziert wird, so dass Sauerstoff frei wird. Danach wird das Material auf etwa 1.000°C abgekühlt und für die Wasserstoffabspaltung genutzt. Die während der Abkühlung des reduzierten Materials frei werdende Wärme soll hierbei für die Vorwärmung des oxidierten Materials dienen.
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Hierfür wird ein festes Medium genutzt. Diese wird in direktem Kontakt mit dem in dem thermochemischen Kreisprozess verwendeten Reaktionsmaterial gebracht. Über eine Vibration wird eine Mischung erzeugt. Diesem Verfahren liegt die Erkenntnis zugrunde, dass durch die Vibrationen die Partikel, die eine geringere Dichte und/oder einen größeren Partikeldurchmesser besitzen nach oben steigen. Dadurch kann ein Gegenstromprinzip erreicht werden, das eine bessere höhere Leistungsfähigkeit des Wärmeübertragers ermöglicht. Durch die passende Auswahl des Mediums kann der Effekt erreicht werden.
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Dieses Verfahren benötigt jedoch ein zusätzliches Wärmeträgermedium, da die reduzierten Feststoffpartikel nicht mit den oxidierten Feststoffpartikeln in direkten Kontakt treten können, da diese sonst miteinander reagieren würden und auch nicht wieder getrennt werden können. Auch würde der Dichte- und/oder Partikeldurchmesserunterschied zu gering sein um eine vorteilhafte Gegenstromförderung zu erreichen.
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Das Einbringen von Vibrationen für zu einer erhöhten Belastung des Wärmeträgers. Darüber hinaus kann starker mechanischer Verschleiß der Feststoffpartikel auftreten. Aufgrund der hohen Temperaturen sind mechanisch bewegte Teile und damit auch die durch die Vibration hervorgerufene Bewegung problematisch.
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Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen Wärmeübertrager zur Wärmeübertragung zwischen partikelförmigen Medien zu schaffen, bei denen die Reduzierung des vorrichtungstechnischen Aufwandes ein verbesserter Wärmeübertrag möglich ist. Insbesondere sollen mechanisch bewegte Teile im heißen Bereich der Wärmeübertrager vermieden werden.
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Ferner soll ein verbessertes Verfahren zur Wärmeübertragung zwischen partikelförmigen Medien geschaffen werden.
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Der erfindungsgemäße Wärmeübertrager ist definiert durch die Merkmale des Anspruchs 1.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ist definiert durch die Merkmale des Anspruchs 9.
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Der erfindungsgemäße Wärmeübertrager zur Wärmeübertragung zwischen einem ersten partikelförmigen Medium und zweitem partikelförmigen Medium sieht mindestens eine erste Kammer, durch die das erste partikelförmige Medium leitbar ist, und eine von der ersten Kammer getrennte zweite Kammer vor, durch die das zweite partikelförmige Medium leitbar ist. Die mindestens eine erste und die mindestens eine zweite Kammer sind über eine Wärmeleitvorrichtung wärmeleitend miteinander verbunden. Das erste partikelförmige Medium und das zweite partikelförmige Medium werden im Gegenstrom oder im Quasi-Gegenstrom zu einander geleitet, wobei das zweite partikelförmige Medium schwerkraftbedingt als Fließbett durch die mindestens eine zweite Kammer transportiert wird.
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Als partikelförmige Medien können grundsätzlich Feststoffpartikel vorgesehen sein, die schüttfähig sind. Dabei kann es sich um Feststoffpartikel handeln, die lediglich zum Wärmetransport eingesetzt werden oder es können Feststoffpartikel sein, die einer chemischen Reaktion oder thermischen Behandlung unterzogen werden sollen.
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Ein Leiten des ersten und zweiten partikelförmigen Mediums im Quasi-Gegenstrom bedeutet im Rahmen der Erfindung, dass über den gesamten Wärmeübertrager betrachtet ein Transport im Gegenstrom erfolgt, wobei sich der Gegenstrom durch die Verschaltung einzelner Abschnitte, die im Gleichstrom betrieben werden, ergibt.
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Der erfindungsgemäße Wärmeübertrager hat den Vorteil, dass das erste partikelförmige Medium und das zweite partikelförmige Medium nicht in direkten Kontakt zueinander gelangen. Durch die Leitung des ersten partikelförmigen Mediums und des zweiten partikelförmigen Mediums im Gegenstrom oder im Quasi-Gegenstrom wird darüber hinaus eine vorteilhafte Wärmeübertragung zwischen dem ersten partikelförmigen Medium und dem zweiten partikelförmigen Medium erreicht. Da das zweite Medium schwerkraftbedingt als Fließbett durch die mindestens eine zweite Kammer transportiert wird, wird die mechanische Belastung des zweiten partikelförmigen Mediums gering gehalten, da nur wenig Scherkräfte auf die Partikel des zweiten partikelförmige Mediums wirken. Ferner werden in dem Wärmeübertrager mechanisch bewegte Teile (mit Ausnahme der partikelförmigen Medien) vermieden.
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Die mindestens eine erste Kammer ist vorzugsweise gasdicht von der mindestens einen zweiten Kammer getrennt. Dadurch kann beispielsweise verhindert werden, dass es zu einem Sauerstoffaustausch und einer ungewollten Reduzierung oder Oxidierung des ersten und/oder zweiten Mediums kommen kann. Der erfindungsgemäße Wärmeübertrager ist daher besonders vorteilhaft in einem thermochemischen Kreisprozess für die Wasserstoffherstellung einsetzbar.
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Der erfindungsgemäße Wärmeübertrager kann insbesondere mindestens einen ersten Einlass für das das erste partikelförmige Medium und mindestens einen zweiten Einlass für das zweite partikelförmige Medium sowie mindestens einen ersten Auslass für das erste partikelförmige Medium und mindestens einen zweiten Auslass für das zweite partikelförmige Medium aufweisen. Dabei ist der erste Einlass für das erste partikelförmige Medium und der zweite Auslass für das zweite partikelförmige Medium an einem ersten Endabschnitt des Wärmeübertragers und der erste Auslass für das erste partikelförmige Medium und der zweite Einlass für das zweite partikelförmige Medium an einem zweiten Endbereich des Wärmeübertragers angeordnet. Auf diese Weise ist die Leitung des ersten partikelförmigen Mediums und des zweiten partikelförmigen Mediums im Gegenstrom oder im Quasi-Gegenstrom in vorteilhafter Weise verwirklichbar.
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Vorzugsweise ist vorgesehen, dass das erste partikelförmige Medium mittels eines Fluidstroms entgegen der Schwerkraft durch die mindestens eine erste Kammer transportiert wird. Grundsätzlich besteht auch die Möglichkeit, dass das erste partikelförmige Medium durch Teilabschnitte des Wärmeübertragers schwerkraftbedingt als Fließbett transportiert wird.
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Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die erste Kammer in einen Gaszuführabschnitt und einen Partikelleitungsabschnitt unterteilt ist, wobei eine Gaszuleitung in den Gaszuführabschnitt mündet und wobei ein erster Einlass für das erste partikelförmige Medium oberhalb des Gaszuführabschnitts in den Partikelleitungsabschnitt mündet. Dadurch kann ein Fluidstrom in Form eines Gases unterhalb des zugeführten ersten partikelförmigen Mediums in die erste Kammer eingeleitet werden und das erste partikelförmige Medium kann von unten mittels des Gasstroms aufgelockert werden. Durch die Auflockerung wird das erste partikelförmige Medium weiter in den Partikelleitungsabschnitt nach oben gedrückt, so dass ein weiterer Massenstrom des ersten partikelförmigen Mediums durch den ersten Einlass der Kammer zugeführt werden kann. Der Transport des ersten partikelförmigen Mediums kann somit in ähnlicher Weise wie in einer Wirbelschicht nahe dem Lockerungspunkt erfolgen. Das erste partikelförmige Medium wird dabei durch den Gasstrom sowie den Massenstrom des nachgeführten partikelförmigen Mediums in der ersten Kammer nach oben gedrückt. Dadurch kann in vorteilhafter Weise das erste partikelförmige Medium gegenüber dem zweiten partikelförmigen Medium im Gegenstrom geführt werden. Das Gas ist vorzugsweise inert, um eine Reaktion mit dem ersten Medium zu vermeiden.
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Dabei ist vorzugsweise vorgesehen, dass der Gaszuführabschnitt und der Partikelleitungsabschnitt durch eine Gittervorrichtung getrennt sind. Die Gittervorrichtung kann an die Größe der Partikel des ersten partikelförmigen Mediums angepasste Gitteröffnungen aufweisen.
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Durch das Vorsehen der Gittervorrichtung kann verhindert werden, dass Partikel des ersten partikelförmigen Mediums aus dem Partikelleitungsabschnitt in den Gaszuführabschnitt gelangen. Die Größe der Gitteröffnung kann dabei derart an die Größe der Partikel des ersten partikelförmigen Mediums angepasst sein, dass ein Verstopfen er Gitteröffnungen verhindert wird. Beispielsweise können die Gitteröffnungen einen Durchmesser aufweisen, der kleiner ist als der kleinste Durchmesser der Partikel des ersten partikelförmigen Mediums.
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Der Bereich des Gaszuführabschnitts der ersten Kammer kann ebenfalls mittels der Wärmeleitvorrichtung mit der zweiten Kammer verbunden sein. Dadurch kann in dem Gaszuführabschnitt eine Gasvorwärmung erfolgen.
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Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die zweite Kammer in mehrere zweite Unterkammern unterteilt ist, die die erste Kammer durchdringen, wobei Kammerwandungen der Unterkammer die Wärmeleitvorrichtung bilden. Das Fließbett des zweiten partikelförmigen Mediums wird somit aufgeteilt und die zweiten Unterkammern werden von dem zweiten partikelförmigen Medium parallel durchströmt. Dadurch ist ein besonders vorteilhafter Wärmeübergang zwischen dem ersten und dem zweiten partikelförmigen Medium möglich. Die zweiten Unterkammern können beispielsweise langgestreckt sein und sich in vertikaler Richtung erstrecken. Die zweite Kammer kann beispielsweise einen Sammelbereich oberhalb der zweiten Unterkammern aufweisen, indem das zweite partikelförmige Medium gesammelt wird und in die zweiten Unterkammern aufgeteilt wird. Hierzu können die zweiten Unterkammern beispielsweise einen trichterförmigen Einlaufbereich aufweisen, wodurch in vorteilhafter Weise das zweite partikelförmige Medium in die zweiten Unterkammern aufgeteilt und in diese eingeleitet werden kann.
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Die zweite Kammer kann grundsätzlich langgestreckt ausgebildet sein und sich in eine vertikale Richtung erstrecken. Grundsätzlich ist es auch möglich, dass die zweite Kammer, die als eine Kammer, oder aufgeteilt in zweite Unterkammern ausgebildet sein kann, zur Horizontalen geneigt angeordnet ist, beispielsweise in einem Winkel zwischen 30° und 80°, vorzugsweise 60°, zur Horizontalen. Dadurch wird die Geschwindigkeit des durch die zweite Kammer bzw. die zweiten Unterkammern strömenden Fließbetts reduziert werden, so dass die Verweilzeit des zweiten partikelförmigen Mediums in der zweiten Kammer ausreichend lang ist, um einen vorteilhaften Wärmeübergang auf das erste partikelförmige Medium zu gewährleisten.
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Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die zweite Kammer als Rohrbündel ausgebildet ist, wobei jeweils ein Rohr des Rohrbündels eine zweite Unterkammer bildet. Eine derartige Ausgestaltung des Wärmeübertragers ist besonders vorteilhaft, da die einzelnen Rohre des Rohrbündels, die die erste Kammer durchdringen, in vorteilhafter Weise von dem ersten partikelförmigen Medium umströmt werden können. Dadurch ist ein guter Übergang zwischen den Rohrwandungen, die die Wärmeleitvorrichtung bilden und dem ersten Medium, möglich.
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Es kann auch vorgesehen sein, dass der Partikelleitungsabschnitt der ersten Kammer in mehrere erste Unterkammern unterteilt ist, wobei jeweils eine erste Unterkammer eine zweite Unterkammer der zweiten Kammer umgibt. Somit kann auch der Partikelstrom des ersten partikelförmigen Mediums in mehrere parallele Ströme aufgeteilt werden und das erste partikelförmige Medium kann in vorteilhafter Weise an den zweiten Unterkammern entlang geleitet werden. Dadurch wird ein vorteilhafter Wärmeübergang erreicht.
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Bei dem erfindungsgemäßen Wärmeübertrager kann auch vorgesehen sein, dass die Wärmeleitvorrichtung Wärmeleitstäbe aufweist, die die erste und die zweite Kammer verbinden, wobei die Wärmeleitstäbe jeweils in die erste und die zweite Kammer ragen. Eine derartige Ausgestaltung bietet einen besonderen Vorteil bei der Wärmeübertragung, da die Wärmeleitstäbe durch das Hineinragen in die erste und die zweite Kammer auch in Kontakt mit Partikeln des ersten und zweiten partikelförmigen Mediums kommen, die in einem mittleren Bereich der ersten oder zweiten Kammer transportiert werden. Da der Transport der Partikel des ersten und zweiten Mediums mit wenig Verwirbelungen erfolgt, gibt es nur eine geringe Durchmischung innerhalb der Medien. Daher erfolgt eine Übertragung der Wärme von Partikeln, die sich in einem inneren Bereich der ersten oder zweiten Kammer befinden, auf den äußeren Bereich, der eine Übertragung auf die jeweils andere Kammer bewirkt, durch Wärmeübertragung von Partikel auf Partikel. Durch das Vorsehen der Wärmeleitstäbe, die in die erste und zweite Kammer ragen, wird erreicht, dass auch die Partikel, die sich in einem inneren Bereich der ersten oder zweiten Kammer befinden, eine direkte Wärmeübertragung auf die Wärmeleitvorrichtung bewirken können. Die Wärmeleitstäbe können beispielsweise als Wärmeleitrohre ausgebildet sein. Die Wärmeleitrohre können auch mit einem Wärmeträgermedium gefüllt sein und somit als Wärmerohre (Heat Pipes) ausgebildet sein. Die Wärmeleitstäbe können beispielsweise horizontal angeordnet sein und können beispielsweise von den partikelförmigen Medien quer angeströmt werden. Die Wärmeleitstäbe können jedoch auch gegenüber der Horizontalen geneigt sein. Dies hat insbesondere bei der Ausbildung der Wärmeleitstäbe als Wärmerohre den Vorteil, dass diese dann als Thermosiphon funktionieren können.
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Dabei kann vorgesehen sein, dass die erste und die zweite Kammer beabstandet voneinander angeordnet sind und eine Wärmeleitverbindung lediglich über die Wärmeleitstäbe erfolgt. Auch ist es möglich, dass die erste und die zweite Kammer direkt aneinander angrenzen, so dass die Wärmeleitvorrichtung zusätzlich zu den Wärmeleitstäben die erste und zweite Kammer trennenden Wandungen umfasst.
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In einem Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Wärmeübertragers kann vorgesehen sein, dass dieser mehrere erste und zweite Kammern umfasst, wobei jeweils eine der ersten Kammern mit einer der zweiten Kammern zusammenwirken. Dabei sind die mehreren ersten Kammern übereinander angeordnet, wobei ein erster Einlass für das erste partikelförmige Medium an der untersten der ersten Kammern und ein erster Auslass für das erste partikelförmige Medium an der obersten der Kammern angeschlossen sind. Die mehreren zweiten Kammern sind ebenfalls übereinander angeordnet, wobei ein zweiter Einlass für das zweite partikelförmige Medium an einer Oberseite der obersten der zweiten Kammern und ein zweiter Auslass für das zweite partikelförmige Medium an einer Unterseite der untersten der zweiten Kammern angeschlossen ist.
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Dabei sind die zweiten Kammern jeweils mit einer Partikelleitung miteinander verbunden, wobei das zweite partikelförmige Medium schwerkraftbedingt durch die Partikelleitungen geleitet wird. Die Partikelleitungen verbinden dabei jeweils die Unterseite einer zweiten Kammer mit der Oberseite der darunter liegenden zweiten Kammer. Die zweiten Kammern werden dabei in Reihe von dem zweiten partikelförmigen Medium durchströmt. Bei einer derartigen Ausgestaltung des Wärmeübertragers kann vorgesehen sein, dass die ersten Kammern jeweils in einen Gaszuführabschnitt und einen Partikelleitungsabschnitt unterteilt sind, wobei eine Gaszuleitung jeweils in die Gaszuführabschnitte mündet. Dadurch können die ersten Kammern jeweils von dem ersten partikelförmigen Medium im Gegenstrom zu dem Partikelstrom in den zweiten Kammern durchströmt werden, indem das erste partikelförmige Medium mittels einer Gasströmung transportiert wird.
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Die Ausgestaltung des Wärmeübertragers mit mehreren ersten und zweiten Kammern, die jeweils übereinander angeordnet sind, kann auch unabhängig von der Erzeugung eines Fluidstromes verwirklicht werden. Dabei kann vorgesehen sein, dass der erste Einlass für das erste partikelförmige Medium an einer Oberseite der untersten ersten Kammern angeschlossen ist und der erste Auslass für das erste partikelförmige Medium an einer Unterseite der obersten ersten Kammern angeschlossen ist, wobei die ersten Kammern mit einer Partikelleitvorrichtung miteinander verbunden sind, wobei die Partikelleitvorrichtung jeweils eine Unterseite einer der ersten Kammern mit der Oberseite der darüber angeordneten ersten Kammer verbindet und wobei in der Partikelleitvorrichtung eine Partikelhebevorrichtung angeordnet ist. Bei einer derartigen Ausgestaltung des Wärmeübertragers werden jeweils die zusammenwirkenden ersten und zweiten Kammern in Gleichstrom durchströmt. Durch die entsprechende Verschaltung der ersten Kammern liegt jedoch über den gesamten Wärmeübertrager betrachtet ein Quasi-Gegenstrom vor.
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Die Partikelhebevorrichtung kann beispielsweise einen chargenweisen Transport des ersten partikelförmigen Mediums vorsehen. Beispielsweise kann das erste partikelförmige Medium nach dem Durchströmen einer Kammer in einem Isolierbehälter gesammelt und zu der nächsten Kammer transportiert werden. Da bei einem derartigen Transport das erste partikelförmige Medium gegenüber der Umgebung thermisch isoliert ist, sind die für die Partikelhebevorrichtung notwendigen bewegten mechanischen Teile keiner hohen thermischen Belastung ausgesetzt, so dass diese auf konstruktiv einfache Weise verwirklichbar sind. Grundsätzlich ist es auch möglich, dass die Partikelhebevorrichtung einen Fluidstrom in der Partikelleitvorrichtung erzeugt und somit ein Anheben der Partikel zu der nächsten ersten Kammer bewirkt.
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Bei der Ausgestaltung des Wärmeübertragers mit mehreren zweiten Kammern können die zweiten Kammern jeweils in mehrere zweite Unterkammern unterteilt sein, wobei die Unterkammern einer zweiten Kammer die erste, mit der diese zweite Kammer zusammenwirkt, durchdringen und wobei Kammerwandungen der Unterkammern jeweils die Wärmeleitvorrichtung bilden. Durch das Vorsehen der Unterkammern wird, wie zuvor bereits bei dem vergleichbaren Ausführungsbeispiel beschrieben, ein vorteilhafter Wärmeübergang ermöglicht. Die zweiten Kammern können hierbei ebenfalls mit einem Sammelbereich oberhalb der zweiten Unterkammern ausgebildet sein und die zweiten Unterkammern können jeweils einen trichterförmigen Einlaufbereich aufweisen. Die zweiten Kammern können beispielsweise jeweils als Rohrbündel ausgebildet sein, wobei einzelne Rohre des Rohrbündels die Unterkammern bilden.
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Auch kann vorgesehen sein, dass die mehreren ersten Kammern jeweils in mehrere erste Unterkammern unterteilt sind, wobei jeweils eine erste Unterkammer eine zweite Unterkammer einer zweiten Kammer umgibt. Hierdurch entsteht ein vorteilhafter Wärmeübergang zwischen den Medien in der ersten und zweiten Kammer.
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Bei dem Wärmeübertrager mit mehreren ersten und zweiten Kammern, die übereinander angeordnet sind, kann auch vorgesehen sein, dass die Wärmeleitvorrichtung Wärmeleitstäbe aufweist, die jeweils eine erste Kammer mit einer zweiten Kammer verbinden, wobei die Wärmeleitstäbe jeweils in die erste und die zweite Kammer ragen. Hierdurch entstehen die zuvor in Bezug auf Wärmeleitstäbe beschriebenen Vorteile.
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Bei einem erfindungsgemäßen Wärmeübertrager kann auch vorgesehen sein, dass in der ersten Kammer oder in den ersten Unterkammern Einbauten vorgesehen sind, die den Partikelstrom des ersten partikelförmigen Mediums leiten. Auch kann vorgesehen sein, dass die zweite Kammer oder die zweiten Unterkammern zur Horizontalen geneigt angeordnet sind, wohingegen die erste Kammer bzw. die ersten Unterkammern vertikal angeordnet sind. Dadurch entsteht ein teilweiser Kreuzstrom der Medien.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zur Wärmeübertragung zwischen einem ersten partikelförmigen Medium und einem zweiten partikelförmigen Medium in einem Wärmeübertrager sieht vor, dass das erste partikelförmige Medium durch mindestens eine erste Kammer des Wärmeübertragers geleitet wird und das zweite partikelförmige Medium schwerkraftbedingt als Fließbett durch mindestens eine von der ersten Kammer getrennte zweite Kammer des Wärmeübertragers geleitet wird, wobei Wärme des zweiten partikelförmigen Mediums von der zweiten Kammer über eine Wärmeleitvorrichtung auf die erste Kammer und auf das erste partikelförmige Medium bzw. umgekehrt übertragen wird, wobei das erste partikelförmige Medium und das zweite partikelförmige Medium im Gegenstrom oder im Quasi-Gegenstrom geleitet werden. Das erfindungsgemäße Verfahren ist insbesondere in dem erfindungsgemäßen Wärmeübertrager verwirklichbar und weist die in Bezug auf den Wärmeübertrager aufgeführten Vorteile auf.
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Bei dem Verfahren kann vorgesehen sein, dass das erste partikelförmige Medium mittels eines Fluidstroms aufgelockert wird, wobei Partikel des ersten partikelförmigen Mediums in das aufgelockerte erste partikelförmige Medium von außen eingebracht werden. Dadurch kann in vorteilhafter Weise ein Transport des ersten partikelförmigen Mediums mit einer vertikalen Richtungskomponente erzeugt werden, wodurch ein Gegenstrom zu dem zweiten partikelförmigen Medium, das schwerkraftbedingt transportiert wird, erzeugt werden kann.
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Mittels des Fluidstroms wird das erste partikelförmige Medium fluidisiert und die von außen eingebrachten Partikel können die fluidisierten Partikel nach oben schieben.
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Der Fluidstrom kann beispielsweise durch ein Gas gebildet werden.
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Der Fluidstrom kann beispielsweise pulsförmig erfolgen.
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Es kann auch vorgesehen sein, dass eine Reaktion des ersten oder zweiten partikelförmige Mediums in der wärmeübertrager erfolgt, so dass dieser einen Reaktor bildet. Beispielsweise kann bei einem Redox-Kreisprozess die Reduktion des zu erwärmenden Mediums und somit die Sauerstoffabgabe bereits in dem Wärmeübertrager erfolgen.
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Im Folgenden wird unter Bezugnahme auf die nachfolgenden Figuren die Erfindung näher erläutert. Es zeigen:
- 1 eine schematische Ansicht eines ersten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Wärmeübertragers,
- 2 eine schematische Ansicht eines zweiten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Wärmeübertragers und
- 3 eine schematische Ansicht eines dritten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Wärmeübertragers.
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In 1 ist ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Wärmeübertragers 1 schematisch dargestellt.
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Der Wärmeübertrager 1 besteht aus einer ersten Kammer 3 und einer zweiten Kammer 5. Die zweite Kammer 5 weist mehrere Unterkammern 7 auf, die die erste Kammer 3 durchdringen. Die erste und die zweite Kammer 3,5 sind voneinander getrennt, vorzugsweise gasdicht getrennt.
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Durch die zweite Kammer 5 und die zweiten Unterkammern 7 wird ein zweites Medium 9 schwerkraftbedingt in einem Fließbett transportiert. Dabei werden die Unterkammern 7 von dem zweiten partikelförmigen Medium 9 parallel durchströmt.
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Die zweite Kammer 5 weist hierzu einen Sammelbereich 11 oberhalb der zweiten Unterkammern 7 auf, in dem das zweite partikelförmige Medium 9 gesammelt ist, bevor es auf die zweiten Unterkammern 7 aufgeteilt wird. Die zweiten Unterkammern 7 weisen jeweils einen trichterförmigen Einlaufbereich 7a auf, so dass das zweite partikelförmige Medium 9 in vorteilhafter Weise in die zweiten Unterkammern 7 gelangen kann.
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Die erste Kammer 3 ist in einen Gaszuführabschnitt 13 und einen Partikelleitungsabschnitt 15 unterteilt. Über einen ersten Einlass 3a wird ein erstes partikelförmiges Medium 17 in die erste Kammer 3 in den Partikelleitungsabschnitt 15 eingefüllt. Über einen ersten Auslass 3b wird das erste partikelförmige Medium von der ersten Kammer 3 abgeführt. Der Gaszuführabschnitt 13 befindet sich unterhalb des Partikelleitungsabschnitts 15 und ist von diesem über eine Gittervorrichtung 19 abgetrennt. Über eine Gaszuleitung 21 wird Gas in den Gaszuführabschnitt 13 eingelassen, so dass dieses Gas die auf der Gittervorrichtung 19 befindlichen Partikel des ersten partikelförmigen Mediums 17 fluidisiert. Dadurch werden diese in vertikaler Richtung in den Partikelleitungsabschnitt 15 der ersten Kammer 3 transportiert. Über den ersten Einlass 3a können weitere Partikel des ersten partikelförmige Mediums in das in der ersten Kammer 3 befindliche aufgelockerte erste partikelförmige Medium eingebracht werden, so dass Partikel des ersten partikelförmige Mediums 17 in vertikaler Richtung nach oben verschoben werden. Dadurch wird ein Gegenstrom zwischen dem ersten und dem zweiten partikelförmigen Medium 9,17 erreicht.
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Die zweiten Unterkammern 7 sind rohrförmig ausgestaltet, so dass die zweite Kammer 5 als Rohrbündel ausgebildet ist.
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Die erste und die zweite Kammer 3,5 sind über eine Wärmeleitvorrichtung 23, die durch die Kammerwandungen der Unterkammern 7 gebildet ist, miteinander verbunden. Das wärmere, zweite partikelförmige Medium 9 gibt Wärme beim Durchströmen der Unterkammern 7 an die Wärmeleitvorrichtung 23 ab, wobei die Wärmeleitvorrichtung 23, die Wärme an das in der ersten Kammer 3 befindliche erste partikelförmige Medium 17 überträgt.
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Das zweite partikelförmige Medium 9 wird über einen zweiten Einlass 5a in die zweite Kammer 5 eingebracht und über einen zweiten Auslass 5b abgeführt.
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In 2 ist ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Wärmeübertrager 1 schematisch dargestellt.
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Der Wärmeübertrager besteht wiederum aus einer ersten Kammer 3 und einer zweiten Kammer 5, die getrennt voneinander und parallel zueinander angeordnet sind. Die erste und die zweite Kammer 3,5 sind über eine Wärmeleitvorrichtung 23 miteinander verbunden. Die Wärmeleitvorrichtung 23 besteht aus einer Vielzahl von Wärmeleitstäben 25. Die Wärmeleitstäbe 25 ragen jeweils in die erste und zweite Kammer 3,5. Das erste partikelförmige Medium 17 wird der ersten Kammer 3 durch einen ersten Einlass 3a zugeführt. In vergleichbarer Weise wie bei dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ist die erste Kammer 3 in einen Gaszuführungsabschnitt 13 und einen Partikelleitungsabschnitt 15 unterteilt. Diese beiden Abschnitte sind über eine Gittervorrichtung 19 getrennt. Das erste Medium 17 wird oberhalb der Gittervorrichtung 19 der ersten Kammer 3 zugeführt und mittels des über den Gaszuführabschnitt 13 zugeführte Gas in vertikaler Richtung zu einem ersten Auslass 3b transportiert.
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In der zweiten Kammer 5 wird ein zweites Medium 9 schwerkraftbedingt im Fließbett transportiert. Die Partikel des zweiten Mediums 9 umströmen dabei die Wärmeleitstäbe 25 der Wärmeleitvorrichtung 23 und übertragen Wärme auf die Wärmeleitstäbe 25. Die Wärmeleitstäbe 25 übertragen die Wärme in die Kammer 3 und an die die Wärmeleitstäbe 25 ebenfalls umströmenden Partikel des ersten Mediums 17.
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Das zweite partikelförmige Medium 9 wird dabei über einen zweiten Einlass 5a der zweiten Kammer 5 zugeführt und über einen zweiten Auslass 5b von der zweiten Kammer 5 abgeführt.
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Die Ausgestaltung der Wärmeleitvorrichtung 23 als Wärmeleitstäbe 25 hat den Vorteil, dass auch Partikel der Medien 9,17, die im Inneren einer Kammer angeordnet sind, direkt zur Wärmeübertragung beitragen können.
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In 3 ist ein drittes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Wärmeübertrager 1 schematisch dargestellt.
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Der Wärmeübertrager 1 besteht bei diesem Ausführungsbeispiel aus mehreren ersten Kammern 3 und mehreren zweiten Kammern 5. Die mehreren ersten Kammern 3 sind übereinander angeordnet. Die mehreren zweiten Kammern 5 sind ebenfalls übereinander angeordnet. Jeweils eine erste Kammer 3 wirkt mit einer zweiten Kammer 5 zusammen. Hierzu sind diese mittels einer Wärmeleitvorrichtung 23 in Form von Wärmeleitstäben 25 miteinander verbunden.
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Ein zweiter Einlass 5a leitet das zweite partikelförmige Medium in die oberste der zweiten Kammern 5. Über eine Partikelleitung 27 sind die zweiten Kammern 5 jeweils miteinander verbunden, wobei jeweils die Unterseite einer zweiten Kammer 5 mit der Oberseite der darunter liegenden zweiten Kammer 5 verbunden ist. Die zweiten Kammern 5 werden somit in Reihe von dem zweiten partikelförmigen Medium 9 durchströmt. An der Unterseite der untersten zweiten Kammer 5 ist ein zweiter Auslass 5b angeschlossen.
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Die ersten Kammern 3, die ebenfalls übereinander angeordnet sind, sind hierbei so miteinander verbunden, dass über den gesamten Wärmeübertrager 1 betrachtet ein Quasi-Gegenstrom zwischen den zweiten Medium 9, das durch die zweiten Kammern 5 strömt, und einem ersten partikelförmigen Medium 17, das durch die ersten Kammern 3 strömt, entsteht. Hierzu wird das erste partikelförmige Medium 17 an einer Oberseite der untersten der ersten Kammern 3 dieser ersten Kammer 3 zugeführt. Eine Partikelleitvorrichtung 29 verbindet die Unterseite der untersten der ersten Kammern 3 mit der Oberseite der darüber angeordneten ersten Kammer 3. Entsprechend wird jeweils die Unterseite einer ersten Kammer 3 mit der Oberseite der darüber angeordneten ersten Kammer 3 mittels der Partikelleitvorrichtung 29 verbunden. Die Partikelleitvorrichtung 29 weist eine nicht dargestellte Partikelhebevorrichtung auf, über die das erste partikelförmige Medium 17 jeweils zwischen den ersten Kammern 3 transportiert wird. An der Unterseite der obersten der ersten Kammern 3 ist ein erster Auslass 3b zum Abführen des ersten partikelförmigen Mediums 17 angeordnet.
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Der Wärmeaustausch zwischen den jeweils zusammenwirkenden ersten und zweiten Kammern 3,5 erfolgt in vergleichbarer Weise zu dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel, wobei das erste und das zweite partikelförmige Medium 9,17 in einem durch eine erste Kammer 3 und eine zweite Kammer 5 gebildeten Abschnitt des erfindungsgemäßen Wärmeübertrager 1 im Gleichstrom strömen.
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Der 3 dargestellte erfindungsgemäße Wärmeübertrager 1 bietet den Vorteil, dass die einzelnen ersten Kammern 3 auch jeweils von dem ersten partikelförmigen Medium 17 schwerkraftbedingt im Fließbett durchströmt werden können. Der Transport des ersten partikelförmigen Mediums 17 erfolgt außerhalb der ersten Kammern 3 und somit außerhalb des Bereichs, in dem die tatsächliche Wärmeübertragung stattfindet.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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