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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Wärmeübertrager zur Wärmeübertragung zwischen einem ersten partikelförmigen Medium und einem zweiten Medium.
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Bei einer Vielzahl von industriellen Prozessen ist es notwendig, Feststoffpartikel mittels eines Wärmeträgermediums zu erhitzen oder erhitzte Feststoffpartikel, die als Wärmeträgermedium verwendet werden, zur Erwärmung eines zweiten Mediums einzusetzen.
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Beispielsweise soll aus einer heißen Partikelschüttung, die in einem industriellen Prozess oder durch solare Erwärmung entstanden ist, die Wärmenergie rückgewonnen werden, wobei der erhitzte Feststoffpartikel abgekühlt wird.
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Für eine derartige Wärmeübertragung sind beispielsweise sogenannte Wanderbettwärmeübertrager bekannt, in denen ein dichtes Schüttbett schwerkraftbedingt an wärmeübertragenden Flächen, wie beispielsweise Rohren oder Paneelen, entlangwandert. Dabei findet ein indirekter Wärmetransport zu dem beispielsweise in den Rohren strömenden zweiten Medium statt. Derartige Wärmeübertrager werden zumeist als Kreuz- oder Kreuz-Gegenstromübertrager ausgeführt.
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Das abgekühlte oder aufgeheizte Schüttgut aus Feststoffpartikeln verlässt den Wärmeübertrager am unteren Ende. Nach dem Austritt kann das Schüttgut über geeignete Fördervorrichtungen abtransportiert werden.
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Beim Strömungsverhalten des abzukühlenden Schüttguts muss bei der Auslegung des Wärmeübertragers berücksichtigt werden, dass es bei unsachgemäßer Dimensionierung zur Bildung von Toträumen oder Feststoffbrücken, die Verstopfungen hervorrufen, kommen kann.
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Hinzu kommt das Problem, dass die lokale thermische Leistungsdichte mit der durchströmten Länge bzw. Kontaktzeit des jeweiligen Mediums abnimmt, insbesondere, wenn das zweite Medium einen Phasenwechsel konstanter Temperatur durchläuft, wie es bei der Verdampfung oder Kondensation vorliegt. Im unteren Bereich eines vorbekannten Wanderbettwärmeübertragers wird somit nur eine verhältnismäßig geringe Wärmemenge übertragen.
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Insbesondere im Kreuz-Gegenstrombetrieb eines Wärmeübertragers nimmt die treibende Temperaturdifferenz mit zunehmender Verweilzeit des Schüttguts ab. An den in Strömungsrichtung weiter unten liegenden Rohren des Wärmeübertragers ist der Wärmestrom somit deutlich geringer als im oberen Bereich des Wärmeübertragers. Dies führt dazu, dass die im unteren Bereich angeordneten Rohre einen wirtschaftlich geringeren Nutzen besitzen.
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Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Wärmeübertrager der eingangs genannten Art zu schaffen, bei dem die Leistungsfähigkeit in Bezug auf die Wärmeübertragung im unteren Bereich des Wärmeübertragers verbessert ist und somit eine bessere Ausnutzung der wärmeübertragenden Fläche erfolgt.
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Der erfindungsgemäße Wärmeübertrager ist definiert durch die Merkmale des Anspruchs 1.
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Der erfindungsgemäße Wärmeübertrager zur Wärmeübertragung zwischen einem partikelförmigen Wärmeträgermedium und einem zweiten Medium, wobei das zweite Medium fließfähig ist, weist mindestens eine Kammer auf, durch die das erste partikelförmige Wärmeträgermedium in einer Hauptströmungsrichtung schwerkraftbedingt als Wanderbett transportierbar ist. Ferner sind mehrere Rohrabschnitte in der Kammer angeordnet und verlaufen quer zur Hauptströmungsrichtung. Das zweite Medium ist durch die Rohrabschnitte leitbar. Die Kammer verjüngt sich in einem unteren Abschnitt zu einem Partikelauslass für das partikelförmige Wärmeträgermedium hin, wobei die Anordnung der Rohrabschnitte in dem unteren Abschnitt der Kammer an die sich verjüngende Form der Kammer angepasst ist.
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Durch die Verjüngung des unteren Abschnitts der Kammer und die Anpassung der Anordnung der Rohrabschnitte an die sich verjüngende Form der Kammer wird die Anzahl der Rohrabschnitte in dem unteren Abschnitt im Vergleich zu dem darüber liegenden Abschnitt der Kammer verringert. Gleichzeitig wird durch die verjüngende Form der Kammer erreicht, dass die Fließ- bzw. Wandergeschwindigkeit des partikelförmigen Wärmeträgermediums erhöht wird. Dadurch kommt es zu einer Verkürzung der Kontaktzeit der Partikel an den Rohrabschnitten, wodurch der Wärmeübergangskoeffizient zwischen dem partikelförmigen Wärmeträgermedium und den Rohrabschnitten erhöht wird. Dies ist dadurch bedingt, dass der Wärmeübergangskoeffizient zwischen den Rohrabschnitten und dem partikelförmigen Wärmeträgermedium umgekehrt proportional zur Wurzel der Kontaktzeit ist.
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Durch die Verjüngung der Kammer wird der freie Strömungsquerschnitt verengt, so dass es zu der entsprechenden Erhöhung der Geschwindigkeit des partikelförmigen Wärmeträgermediums kommt.
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Durch die Verbesserung des Wärmeübergangs zwischen dem partikelförmigen Wärmeträgermedium und den Rohrabschnitten im unteren Abschnitt der Kammer kann die Anzahl benötigter Rohre im Vergleich zu herkömmlichen Wärmeübertragern reduziert werden, wodurch die Materialkosten des erfindungsgemäßen Wanderbettwärmeübertragers gegenüber herkömmlichen deutlich gesenkt ist.
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Unter einer an die verjüngende Form der Kammer angepassten Anordnung der Rohrabschnitte wird im Rahmen der Erfindung verstanden, dass bei gleichbleibendem Abstand zwischen benachbarten Rohrabschnitten die Anzahl in horizontaler Richtung nebeneinander angeordneter Rohrabschnitte in Richtung der Verjüngung der Kammer hin abnimmt.
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Bei dem erfindungsgemäßen Wärmeübertrager kann insbesondere vorgesehen sein, dass im unteren Abschnitt der Kammer der Abstand der darin angeordneten Rohrabschnitte in horizontaler Richtung stets gleich ist. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass in der gesamten Kammer der Abstand zwischen benachbarten Rohrabschnitten in horizontaler Richtung konstant ist. Dies hat zur Folge, dass die Veränderung des freien Strömungsquerschnitts nicht durch eine Veränderung der Abstände der Rohrabschnitte erfolgt, sondern durch die verjüngende Form der Kammer.
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Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die Rohrabschnitte die Kammer durchdringen. Mit andern Worten: Die Rohrabschnitte werden in der Kammer nicht umgelenkt, sondern sind an beiden Enden aus der Kammer herausgeführt. Dadurch wird sichergestellt, dass durch Rohrbiegungen oder andere Rohrumlenkungen keine Hindernisse für die Strömung des partikelförmigen Wärmeträgermediums gebildet ist, so dass die Gefahr von Ablagerungen oder Brückenbildungen, die zu Verstopfungen führen, reduziert ist.
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Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die Rohrabschnitte in der Kammer parallel zueinander verlaufen.
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In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, dass mehrere Rohrabschnitte durch ein als Rohrschlange ausgebildetes Rohr gebildet sind, wobei sich das Rohr zur Bildung der mehreren Rohrabschnitte mehrfach durch die Kammer erstreckt und jeweils außerhalb der Kammer über Rohrbögen in die Kammer rückgeführt ist. Durch die Ausbildung mehrerer Rohrabschnitte durch ein als Rohrschlange ausgebildetes Rohr wird das zweite Medium somit mehrfach durch die Kammer geführt. Bei einem Ausführungsbeispiel, bei dem das partikelförmige Wärmeträgermedium das zweite Medium erwärmt, kann beispielsweise vorgesehen sein, dass das als Rohrschlange ausgebildete Rohr von dem zweiten Medium aufsteigend durchströmt wird. Somit durchfließt das zweite Medium zunächst den unteren Abschnitt der Kammer, wobei nach dem Durchströmen eines Rohrabschnittes der nächste zu durchströmende Rohrabschnitt oberhalb des zuletzt durchströmten liegt. Somit können das zweite Medium und das partikelförmige Wärmeträgermedium im Kreuz-Gegenstrom geleitet werden.
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Durch das Anordnen der Rohrbögen außerhalb der Kammer wird sichergestellt, dass durch die Rohrbögen kein Hindernis für das partikelförmige Wärmeträgermedium besteht, was zu Verstopfungen der Kammer führen könnte.
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Grundsätzlich besteht auch die Möglichkeit, dass die Rohrabschnitte durch ein Rohrbündel aus mehreren Rohren gebildet sind.
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Auch hierbei kann vorgesehen sein, dass die Rohre als Rohrschlange ausgebildet sind, wobei sich jedes Rohr zur Bildung mehrerer der Rohrabschnitte mehrfach durch die Kammer erstreckt und jeweils außerhalb der Kammer über Rohrbögen in die Kammer rückgeführt ist.
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Die Rohrabschnitte können somit durch mehrere parallele Rohrbündel gebildet werden, die als Rohrschlange die Kammer mehrfach zur Bildung der Rohrabschnitte durchdringen. Eine derartige Anordnung hat sich als besonders vorteilhaft herausgestellt.
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Es kann vorgesehen sein, dass die Kammer in einem oberen Abschnitt einen konstanten Querschnitt aufweist. Die Kammer kann somit in dem oberen Abschnitt zunächst beispielsweise eine Quaderform aufweisen.
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Dabei ist vorzugsweise vorgesehen, dass sich der untere Abschnitt unten an den oberen Abschnitt anschließt.
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Die Kammer kann auch grundsätzlich über ihre gesamte Höhe einen sich nach unten hin verjüngenden Querschnitt aufweisen.
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Der Wärmestrom an den Rohrabschnitten hängt u.a. auch von der sogenannten treibenden Temperaturdifferenz ab, d.h. die Temperaturdifferenz zwischen dem partikelförmigen Wärmeträgermedium und dem zweiten Medium. Beispielsweise bei einer Leitung des partikelförmigen Wärmeträgermediums und des zweiten Mediums im Kreuz-Gegenstrom ist in dem oberen Bereich zumeist noch eine ausreichende treibende Temperaturdifferenz vorhanden, so dass in diesem Abschnitt keine Verjüngung der Kammer notwendig ist. Somit kann durch den oberen Abschnitt der Kammer mit konstantem Querschnitt eine vorteilhafte Anpassung des erfindungsgemäßen Wärmeübertragers an die spezifischen Anforderungen erreicht werden.
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Der obere Abschnitt kann beispielsweise einen rechteckigen Querschnitt aufweisen.
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Vorzugsweise ist vorgesehen, dass der untere Abschnitt der Kammer eine Form eines Stumpfes eines geraden Keils oder eines Pyramidenstumpfes aufweist. Ein gerader Teil wird auch gerades Dreiecksprisma genannt. Die Stumpfform der jeweiligen Form ergibt sich durch die am unteren Ende des unteren Abschnitts gebildete Öffnung für den Partikelauslass. Derartige Formen haben sich als besonders vorteilhaft herausgestellt.
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Dabei kann vorgesehen sein, dass der untere Abschnitt der Kammer zwei gegenüberliegende Schrägwände aufweist, deren Neigung zu der Horizontalen mindestens 70° beträgt.
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Bei üblichen partikelförmigen Wärmeträgermedien, wie beispielsweise Quarzsand, Basalt, Bauxit oder Ähnlichem, die beispielsweise einen Partikeldurchmesser von zwischen 0,5 mm und 1,5 mm besitzen, hat sich gezeigt, dass eine derartige Neigung ausreichend ist, um einen kontinuierlichen Massenfluss zu gewährleisten.
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Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die Anzahl der in horizontaler Richtung nebeneinander angeordneten Rohrabschnitte in dem unteren Abschnitt nach unten hin abnimmt. Es kann beispielsweise auch vorgesehen sein, dass die Rohrabschnitte als alternierend angeordnete Rohrreihen angeordnet sind. Dies bedeutet, dass eine horizontale Reihe von Rohrabschnitten versetzt zu den Rohrabschnitten der darüber liegenden horizontalen Reihe angeordnet ist. Ein Rohrabschnitt fluchtet somit mit der zwischen den beiden darüber liegenden Rohrabschnitten gebildeten Lücke. Eine derartige Ordnung hat sich als vorteilhaft herausgestellt, da das partikelförmige Wärmeträgermedium die Kammer somit nicht in einer geraden Wegstrecke durchlaufen kann, sondern durch die Rohrabschnitte stets abgelenkt wird, so dass es zu einer Umwälzung des partikelförmigen Wärmeträgermediums kommt. Dadurch können auch von den Rohrabschnitten beabstandet wandernde Partikel des partikelförmigen Wärmeträgermediums näher an die Rohrabschnitte oder in direkten Kontakt zu den Rohrabschnitten gelangen.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass zumindest ein Teil der Rohrabschnitte einen runden, einen rautenförmigen oder einen ovalen Querschnitt aufweist. Beispielsweise können in dem oberen Abschnitt die Rohrabschnitte einen runden Querschnitt aufweisen und die Rohrabschnitte in dem unteren Abschnitt der Kammer einen rautenförmigen oder ovalen Querschnitt. Vorzugsweise werden Rohrabschnitte mit einem rautenförmigen oder einem ovalen Querschnitt verwendet, da es sich gezeigt hat, dass an Rundrohren an der Oberseite sogenannte Stauzonen ausgebildet werden, auf denen ein nahezu unbewegtes, keilförmiges Haufwerk von partikelförmigem Wärmeträgermedium entsteht. An der Unterseite des Rohres kann es zu einer Ausbildung eines keilförmigen Leerraumes kommen, in dem sich keine Partikel befinden.
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Daher ist es von besonderem Vorteil, wenn die Rohrabschnitte mit rautenförmigem oder ovalem Querschnitt hochkant angeordnet sind. Unter hochkant wird dabei eine Anordnung verstanden, bei der sich der längste Durchmesser des Rohrabschnittes in vertikaler Richtung befindet.
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Rohrabschnitte mit rautenförmigem oder ovalem Querschnitt haben den Vorteil, dass diese im Vergleich zu ihrer Querschnittfläche sich mit einer relativ geringen Fläche der Strömung des partikelförmigen Wärmeträgermediums entgegenstellen, so dass diese in vorteilhafter Weise umströmt werden. Die Stauzonen oben auf dem Rohrabschnitt und die Leerräume unterhalb der Rohrabschnitte werden somit sehr klein gehalten. Ferner kann der Wärmeübergangskoeffizient durch den verbesserten Materialfluss erhöht werden.
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In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist vorgesehen, dass bei Rohrabschnitten mit rautenförmigem Querschnitt Rohrwandungen der Rohrabschnitte einen Winkel bilden, der an die Form der Kammer in dem unteren Abschnitt angepasst ist. Dabei kann vorgesehen sein, dass ein Rohrwandungsabschnitt der Rohrabschnitte parallel zu einer der Schrägwände der Kammer angeordnet ist.
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Im Folgenden wird unter Bezugnahme auf die nachfolgenden Figuren die Erfindung näher erläutert.
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Es zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung eines solarthermischen Turmkraftwerks mit einem erfindungsgemäßen Wärmeübertrager,
- 2 eine schematische Schnittdarstellung eines erfindungsgemäßen Wärmeübertragers,
- 3 eine schematische Schnittdarstellung eines erfindungsgemäßen Wärmeübertragers aus einem anderen Blickwinkel,
- 4a-4c schematische Darstellungen von Querschnitten der Rohrabschnitte des erfindungsgemäßen Wärmeübertragers und
- 5 eine schematische Darstellung der in 4b dargestellten Rohrabschnitte in einem erfindungsgemäßen Wärmeübertrager.
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In 1 ist ein solarthermisches Turmkraftwerk 1 schematisch dargestellt.
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Das Turmkraftwerk besteht aus einem Solarturm 100 und einem mit dem Solarturm 100 verbundenen herkömmlichen Wasser-Dampfkreislauf 200.
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An dem Turm 100 ist ein sogenannter Partikelreceiver 110 angeordnet, dem ein partikelförmiges Wärmeträgermedium zugeführt wird. Das partikelförmige Wärmeträgermedium wird in dem Partikelreceiver 110 über Solarstrahlung erwärmt. Hierzu können rund um den Solarturm 100 beispielsweise nicht dargestellte Heliostate vorhanden sein, die die Solarstrahlung auf den Partikelreceiver 110 reflektieren.
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Das in dem Partikelreceiver 110 erwärmte partikelförmige Wärmeträgermedium gelangt nach dem Erwärmen durch die Solarstrahlung in einen Hochtemperaturspeicher 120. Um die gespeicherte thermische Energie wieder freizusetzen, wird diese auf einen herkömmlichen Wasser-Dampfprozess übertragen. Hierfür ist in dem Solarturm 100 ein erfindungsgemäßer Wärmeübertrager 10 angeordnet, in dem die Wärmeenergie von dem partikelförmigen Wärmeträgermedium auf ein zweites Medium, beispielsweise Wasser, übertragen wird. Der erfindungsgemäße Wärmeübertrager kann beispielsweise als Vorwärmer, Verdampfer und Überhitzer dienen, so dass in dem Wasser-Dampfkreislauf 200 Dampf eine Turbine 210 antreiben kann, die wiederum einen Generator 220 zur Stromerzeugung antreibt.
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Nach dem Durchströmen des erfindungsgemäßen Wärmeübertragers 10 kann das partikelförmige Wärmeträgermedium dem Partikelreceiver 110 zugeführt werden. Es besteht auch die Möglichkeit, dass das partikelförmige Wärmeträgermedium zunächst in einem Niedertemperaturspeicher zwischengespeichert wird.
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In 2 ist ein erfindungsgemäßen Wärmeübertrager 10 schematisch im Schnitt dargestellt. Der Wärmeübertrager weist eine Kammer 12 auf, durch die das partikelförmige Wärmeträgermedium 14 in einer Hauptströmungsrichtung (in 2 durch einen Pfeil angedeutet) schwerkraftbedingt als Wanderbett transportiert wird. Die Kammer 12 ist seitlich durch gegenüberliegende Schrägwände 16 begrenzt. Die Neigung zur Horizontalen dieser Schrägwände 16 beträgt mindestens 70° und maximal 85°.
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Am unteren Ende der Kammer 12 ist ein Partikelauslass 18 gebildet. Durch diesen verlässt das partikelförmige Wärmeträgermedium 14 die Kammer 12 und kann von dem Wärmeübertrager 10 abtransportiert werden.
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Durch die Schrägwände 16 verjüngt sich die Kammer 12 nach unten hin.
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Die Kammer 12 ist von Rohrabschnitten 20 durchdrungen, die parallel in der Kammer 20 angeordnet sind. Die Rohrabschnitte 20 verlaufen quer zur Hauptströmungsrichtung. Durch die Rohrabschnitte wird das zweite Medium, beispielsweise Wasser oder Dampf, geleitet.
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Die Anordnung der Rohrabschnitte 20 ist an die Form der Kammer 12 angepasst, so dass die Anzahl der in horizontaler Richtung nebeneinander angeordneten Rohrabschnitte 20 nach unten hin abnimmt.
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Wie in 2 schematisch dargestellt ist, sind die Rohrabschnitte 20 in horizontalen Reihen nebeneinander angeordnet, wobei zwischen den einzelnen Rohrabschnitten ein gleicher Abstand in horizontaler Richtung besteht. Die jeweils darunter liegende Reihe von Rohrabschnitten 20 ist dabei „auf Lücke“ angeordnet, so dass eines der Rohrabschnitte 20 mit der zwischen den darüber liegenden Rohrabschnitten 20 gebildeten Lücke fluchtend angeordnet ist. Mit anderen Worten: In Hauptströmungsrichtung des partikelförmigen Wärmeträgermediums wird die freie Wegstrecke des partikelförmigen Wärmeträgermediums 14 fast immer durch eines der Rohrabschnitte 20 versperrt, so dass eine vorteilhafte Umströmung der Rohrabschnitte 20 erfolgt und darüber hinaus das partikelförmige Wärmeträgermedium während des Transports durch die Kammer 12 umgewälzt wird.
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Durch die sich verjüngende Kammer 12 wird eine Verkleinerung des freien Strömungsquerschnitts für das partikelförmige Wärmeträgermedium 14 erzeugt, so dass eine kontinuierliche Erhöhung der mittleren Partikelgeschwindigkeit in Hauptströmungsrichtung erzeugt wird. Durch die Erhöhung der mittleren Partikelgeschwindigkeit wird eine verkürzte Kontaktzeit im Vergleich zu den darüber liegenden Rohren erreicht, so dass der Wärmeübergangskoeffizient zwischen dem partikelförmigen Wärmeträgermedium und einer Rohrwand des Rohrabschnitts 20 erhöht wird. Die Leistungsfähigkeit derartiger Rohrabschnitte 20 im Vergleich zu Rohrabschnitten, die bei gleichen Temperaturverhältnissen in einer quaderförmigen Kammer angeordnet sind, wird somit verbessert.
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Durch die Anordnung der Schrägwände 16, die beispielsweise aus Stahl gefertigt sein können, wird erreicht, dass ein kontinuierliches Fließen des partikelförmigen Wärmeträgermediums in Hauptströmungsrichtung erfolgt, ohne dass Toträume gebildet werden.
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Wie aus 3 hervorgeht, in der eine um 90° um die vertikale Achse gedrehte Ansicht des Wärmeübertragers 10 der 2 dargestellt ist, durchdringen die Rohrabschnitte 20 die Kammer 12 und werden teilweise über Rohrbögen 22 außerhalb der Kammer 12 umgelenkt und in die Kammer 12 zur Bildung eines weiteren Rohrabschnitts 20 zurückgeführt.
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Dabei kann ein Teil der Rohrabschnitte 20 durch ein einziges Rohr 24 gebildet sein, das als Rohrschlange ausgebildet ist und sich zur Bildung mehrerer Rohrabschnitte 20 mehrfach durch die Kammer 12 erstreckt. In dem in 3 dargestellten Ausführungsbeispiel wird die Kammer 12 von zwei unterschiedlichen Rohren 24 durchdrungen. Dabei kann beispielsweise das untere Rohr 24 Teil des Vorwärmers sein, wohingegen das obere Rohr 24 Teil des Verdampfers ist.
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Die Rohre 24 können grundsätzlich auch Teil von Rohrbündeln aus mehreren Rohren 24 sein, die parallel durch die Kammer 12 geführt sind.
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Durch die Anordnung der Rohrabschnitte 20 als Teil von Rohren 24 ist ein Kreuz-Gegenstrom zwischen dem zweiten Medium und dem partikelförmigen Wärmeträgermedium 14 möglich.
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Ferner wird durch die Anordnung der Rohrbögen 22 außerhalb der Kammer 12 erreicht, dass aufgrund der Rohrbögen 22 keine Hindernisse in der Kammer 12 für das partikelförmige Wärmeträgermedium 14 entstehen, in denen es zu einer Brückenbildung zwischen den einzelnen Partikeln kommen kann, was zu einer Verstopfung der Kammer 12 führen könnte.
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Die Rohrabschnitte 20 können verschiedene Querschnitte aufweisen. In den 4a-4c sind derartige Querschnitte dargestellt. In 4a ist ein herkömmlicher runder Querschnitt gezeigt. In 4b ist ein rautenförmiger Querschnitt gezeigt. In 4c ist ein ovaler Querschnitt gezeigt.
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Bei der Umströmung der Rohrabschnitte 20 durch das partikelförmige Wärmeträgermedium 14 kann es zu Zonen auf dem Rohrabschnitt 20 kommen, in denen das partikelförmige Wärmeträgermedium ein unbewegtes Haufwerk bildet. Dies ist beispielsweise am oberen Scheitelpunkt der Rohre der Fall. Durch die versetzt übereinander angeordneten Rohre kann dieses Problem bereits verringert werden. Durch die Wahl eines von dem runden Querschnitt, der in der 4a dargestellt ist, unterschiedlichen Querschnitts, beispielsweise des Querschnitts, der in der 4b und 4c dargestellt ist, wird darüber hinaus die Neigung zur Haufwerkbildung verringert. Ferner kann bei den Rohrabschnitten unter dem Rohr ein Leerraum entstehen, in dem sich keine Partikel des partikelförmigen Wärmeträgermediums 14 befinden. Ein derartiger Leerraum wird auch durch die in den 4b und 4c dargestellten Rohrabschnittsform reduziert.
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Bei der Anordnung der Rohrabschnitte 20 mit einer Rautenform oder einer Ovalform ist es von besonderem Vorteil, wenn die Rohrabschnitte hochkant, d.h. wie in den 4b und 4c dargestellt, mit dem langen Durchmesser in Hauptströmungsrichtung angeordnet werden. Dadurch wird die Umströmung der Abschnitte 20 durch das partikelförmige Wärmeträgermedium 14 verbessert.
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In einem Ausführungsbeispiel, das in 5 dargestellt ist, weisen die Rohrabschnitte 20 einen rautenförmigen Querschnitt auf. Dabei sind die Rohrwandungen 20a in einem an den Verlauf der Schrägwände 16 der Kammer 12 angepassten Winkel angeordnet, so dass eines der Rohrwandungsabschnitte 20a parallel zu einer Schrägwand 16 verläuft. Durch eine derartige Ausbildung und Anordnung der Rohrabschnitte 20 wird ein verbesserter Materialfluss des partikelförmigen Wärmeträgermediums 14 erreicht, der zu einem höheren Wärmeübergangskoeffizienten im Vergleich zu Rundrohren führen kann.
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Ähnliche Phänomene sind auch bei dem Rohrabschnitt 20 mit ovalem Querschnitt zu erwarten.
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Der erfindungsgemäße Wärmeübertrager 10 ist in den in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen in Form eines Stumpfes eines geraden Keils dargestellt, d. h., dass zwei Schrägwände und zwei vertikal verlaufende Wände die Kammer 12 begrenzen. Grundsätzlich kann die Kammer auch die Form eines Pyramidenstumpfes aufweisen, so dass sämtliche Wände als Schrägwände 16 ausgebildet sind. Die jeweilige Stumpfform wird dadurch gebildet, dass an der durch die Schrägwände 16 unten an der Kammer 12 gebildeten Kante die Kammer 12 zur Bildung des Partikelauslasses 18 abgeschnitten ist.
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Die Kammer 12 kann auch einen nicht dargestellten oberen Abschnitt aufweisen, in dem Kammer 12 einen konstanten Querschnitt aufweist. Die Kammer kann im oberen Abschnitt beispielsweise quaderförmig angeordnet sein. Da in den Wärmeübertrager 10 einströmendes partikelförmiges Wärmeträgermedium 14 im oberen Bereich eine hohe Temperatur aufweist, ist die zur Verfügung stehende treibende Temperaturdifferenz zwischen dem partikelförmigen Wärmeträgermedium und dem durch die Rohrabschnitte 20 fließenden zweiten Medium relativ hoch, so dass ein ausreichender Wärmestrom verwirklichbar ist. Daher kann in dem oberen Bereich des Wärmeübertragers 10 auf eine verjüngende Form verzichtet werden, so dass gleichmäßig verteilte Rohrabschnitte 20 in diesem Bereich der Kammer 12 angeordnet sein können.
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Im Rahmen der Erfindung wird der erfindungsgemäße Wärmeübertrager 10 so beschrieben, dass das partikelförmige Wärmeträgermedium das heiße Medium ist, das ein zweites Medium erwärmt, so dass die Zielsetzung die Erwärmung des zweiten Mediums darstellt. Grundsätzlich besteht natürlich auch die Möglichkeit, dass im Rahmen eines Prozesses ein erwärmtes partikelförmiges Wärmeträgermedium abgekühlt werden soll, um ein Endprodukt darzustellen, so dass dann die primäre Zielsetzung die Abkühlung des partikelförmigen Mediums ist. Grundsätzlich kann mittels des erfindungsgemäßen Wärmeübertragers 10 auch ein Wärmefluss in umgekehrte Richtung erfolgen, so dass beispielsweise das durch die Rohrabschnitte 20 fließende Medium wärmer ist als das partikelförmige Wärmeträgermedium und das partikelförmige Wärmeträgermedium mittels des zweiten Mediums erwärmt werden soll, um beispielsweise getrocknet zu werden.
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Mittels des erfindungsgemäßen Wärmeübertragers können folgende Vorteile erreicht werden: Im unteren Bereich des Wärmeübertragers kann eine Erhöhung des Wärmeübergangs am Einzelrohr erreicht werden. Gleichzeitig kommt es im unteren Bereich des Wärmeübertragers zu einer Reduzierung der Rohranzahl bei gleichzeitiger Erhöhung der lokalen Wärmestromdichte. Dies ermöglicht eine Material- und Raumersparnis.
