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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Behälter zur Aufnahme, vorzugsweise zum Transport, von erwärmtem partikelförmigem Feststoffmedium sowie einen Wärmetauscher mit mindestens einem derartigen Behälter.
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Bei der effizienten und kostengünstigen Herstellung erneuerbarer Energieträger, wie beispielsweise Wasserstoff, basiert ein Ansatz auf solar-thermochemischen Kreisprozessen. Dabei wird ein Redoxmaterial zyklisch durch solarerzeugte Wärme reduziert und in einem zweiten Schritt durch die Hinzugabe von Wasserdampf und CO2 oxidiert. Das Redoxmaterial liegt dabei beispielsweise partikelförmig vor.
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Da der Reduktionsschritt bei sehr hohen Temperaturen von beispielsweise 1.200°C-1.700°C erfolgt, wohingegen die Herstellung von Wasserstoff durch die Oxidation des Redoxmaterials bei deutlich geringeren Temperaturen zwischen 600°C und 1.200°C erfolgt, ist eine Wärmerückgewinnung in dem Kreisprozess zur Erhöhung des thermischen Wirkungsgrads von besonderer Bedeutung.
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Verschiedene Konzepte wurden bisher vorgeschlagen, die theoretisch Wärmerückgewinnungsraten von über 50 % ermöglichen.
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Das Redoxmaterial kann beispielsweise in einem Solarreceiver erwärmt und somit reduziert werden. Zumeist muss das reduzierte Redoxmaterial anschließend zu einer Reaktionskammer transportiert werden, in der der Oxidationsschritt und somit die Wasserstoffherstellung stattfindet. Erste Ansätze sehen vor, dass die reduzierten Feststoffpartikel und die oxidierten Feststoffpartikel durch einen Wärmetauscher geleitet werden, um eine Wärmerückgewinnung zu erreichen. Da sich der gegenläufige Transport der Feststoffpartikel schwierig gestaltet, wird hierbei ein Gleichstromwärmetauscher verwendet, den die reduzierten Feststoffpartikel und die oxidierten Feststoffpartikel schwerkraftbedingt durchfließen.
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Es ist grundsätzlich bei Wärmetauschern auch bekannt, mehrere im Gleichstrom betriebene Wärmetauscherabschnitte derart zu schalten, dass ein quasi Gegenstrom gebildet ist. Ein derartiger Wärmetauscher ist beispielsweise aus der nachveröffentlichten
DE 10 2016 220 266 A1 bekannt.
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Ein weiterer Ansatz der Anmelderin sieht vor, dass erwärmtes partikelförmiges Feststoffmedium nach dem Erwärmen in einem Solarreceiver in isolierte Transportbehälter gefüllt wird, worin dieses transportierbar und lagerbar ist.
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Schließlich hat die Anmelderin einen Ansatz entwickelt, bei dem ein Wärmeübertrag von einem Redoxmaterial auf ein weiteres partikelförmiges Wärmeträgermedium durch Vermischung des partikelförmigen Redoxmaterials und des partikelförmigen Wärmeträgermediums erfolgt.
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Bei den bisherigen Ansätzen besteht zumeist das Problem, dass ein zusätzlicher Transport des partikelförmigen Feststoffmediums notwendig ist, um einen quasi Gegenstrom zu erzeugen oder eine Trennung von Redoxmaterial und Wärmeträgermedium nach dem Wärmeübertrag notwendig ist. Dadurch wird der vorrichtungstechnische Aufwand erhöht. Bei dem Ansatz mit Transportbehältern ist zunächst keine Wärmerückgewinnung vorgesehen.
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Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein System zu schaffen, mit dem eine vorteilhafte Wärmerückgewinnung bei geringem vorrichtungstechnischem Aufwand möglich ist.
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Die Erfindung ist definiert durch die Merkmale des Anspruchs 1 und 8.
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Die Erfindung sieht einen vorzugsweise beweglichen bzw. mobilen Behälter zur Aufnahme, vorzugsweise zum Transport, von erwärmtem oder zu erwärmendem partikelförmigem Feststoffmedium vor, mit einer Kammer und mit mindestens einem Einlass in die Kammer, über den das partikelförmige Feststoffmedium der Kammer zuführbar ist. Der erfindungsgemäße Behälter ist dadurch gekennzeichnet, dass in der Kammer ein oder mehrere Festkörper mit mehreren Kanälen angeordnet ist bzw. sind oder mehrere Festkörper mehrere Kanäle bilden, wobei die Kanäle einen an Partikel des partikelförmigen Feststoffmediums angepassten Querschnitt aufweisen und wobei die Kanäle jeweils zumindest ein zu der Kammerumgebung des Festkörpers hin offenes erstes Ende aufweisen, durch das das partikelförmige Feststoffmedium jeweils zumindest teilweise in die Kanäle eindringbar ist. Der Behälter sieht somit vor, dass beim Befüllen der Kammer mit partikelförmigen Feststoffmedium dieses zum Teil in den Festkörper eindringt und der Festkörper somit von dem Feststoffmedium zum Teil durchdrungen wird. Es kann vorgesehen sein, dass der Feststoffkörper zusätzlich von Feststoffmedium umgeben ist. Durch das Eindringen des partikelförmigen Feststoffmediums in die Kanäle des Festkörpers ist ein vorteilhafter Wärmeübergang von dem Feststoffmedium auf den Festkörper möglich, da der Festkörper einzelne Partikel des partikelförmigen Feststoffmediums umgibt. Bei Verwendung von partikelförmigen Feststoffmedium von sehr hohen Temperaturen, beispielsweise 1.400°C und größer, kann somit ein vorteilhafter Wärmeübergang von dem Feststoffmedium auf den Festkörper durch Strahlung erfolgen. Grundsätzlich erfolgt auch ein Wärmeübergang durch Leitung und Konvektion. Dadurch kann das partikelförmige Feststoffmedium abkühlen und Wärme an den Festkörper abgeben. Somit lässt sich der Behälter in vorteilhafter Weise für eine Wärmeübertragung, die vorzugsweise rekuperativ erfolgt, benutzen. Dabei wird das partikelförmige Feststoffmedium, das abgekühlt ist, aus der Kammer entnommen, beispielsweise durch den Einlass in die Kammer. Dies kann durch ein Umdrehen des Behälters erfolgen. Anschließend kann beispielsweise ein weiteres partikelförmiges Feststoffmedium in den Behälter eingefüllt werden, das dann durch die thermische Energie des Festkörpers erwärmt wird. Anstelle eines partikelförmigen Feststoffmediums kann selbstverständlich auch ein anderes Medium, beispielsweise ein flüssiges oder gasförmiges, mittels des Behälters erwärmt werden.
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Die Kanäle weisen vorzugsweise einen engsten Durchmesser, welcher mindestens dem größten Durchmesser der Partikel des partikelförmigen Feststoffmediums entspricht, auf. Vorzugsweise beträgt der engste Durchmesser mindestens fünf Mal dem größten Durchmesser der Partikel. Dadurch wird sichergestellt, dass die Kanäle ausreichend weit sind, damit die Partikel ungehindert in die Kanäle eindringen können und aus diesen wieder heraus gelangen. Vorzugsweise weisen die Kanäle einen engsten Durchmesser auf, der maximal das Fünfzehnfache des größten Durchmessers der Partikel beträgt, vorzugsweise maximal das Zehnfache. Es hat sich herausgestellt, dass die Kanäle zwar einerseits weit genug sein sollten, um einen zuverlässigen Fluss der Partikel zu ermöglichen, andererseits aber so eng wie möglich sein sollten, damit ein vorteilhafter Wärmeaustausch erfolgen kann. Kanäle mit einem engsten Durchmesser in dem angegebenen Bereich haben sich als besonders vorteilhaft herausgestellt. Als engster Durchmesser der Kanäle wird der kleinste Durchmesser eines Kanals in eine beliebige Richtung in seinem gesamten von Partikeln durchflossenen Verlauf verstanden. Als größter Durchmesser der Partikel wird die größte Erstreckung eines Partikels verstanden, die in eine beliebige Richtung verlaufen kann.
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Vorzugsweise ist die Kammer von einer thermisch isolierenden Wandung umgeben. Dadurch wird verhindert, dass ein zu hoher Wärmeverlust an die Umgebung entsteht. Der erfindungsgemäße Behälter kann auch in vorteilhafter Weise zum Transport des partikelförmigen Feststoffmediums verwendet werden. Somit besteht die Möglichkeit, das partikelförmige Feststoffmedium einzufüllen und in der Zeit, in der ein Wärmeübertrag erfolgt, den Behälter zu transportieren. Somit wird erreicht, dass in dem Zeitraum, in dem der Wärmeübertrag erfolgt, gleichzeitig das partikelförmige Feststoffmedium in Richtung seines nächsten Einsatzortes, beispielsweise des Reaktors, transportiert werden kann. Durch die thermisch isolierende Wandung wird erreicht, dass in diesem Zeitraum der Wärmeverlust reduziert ist.
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Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die Kanäle zumindest ein zu der Kammerumgebung des Festkörpers bzw. der Festkörper offenes zweites Ende aufweisen. Es kann somit vorgesehen sein, dass die Kanäle den bzw. die Festkörper durchfließen können. Dadurch wird erreicht, dass beim Entleeren des Behälters dieser nicht umgedreht werden muss, damit das partikelförmige Feststoffmedium aus dem Festkörper heraus gelangen kann.
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Vorzugsweise ist vorgesehen, dass der Behälter mindestens einen Auslass aus der Kammer aufweist, über den das partikelförmige Feststoffmedium aus der Kammer entnehmbar ist. Vorzugsweise ist der Auslass an einem dem Einlass gegenüberliegenden Ende der Kammer angeordnet. Durch den Auslass wird somit die Entnahme des Feststoffmediums aus der Kammer vereinfacht, da beispielsweise der Einlass an einem oberen Ende angeordnet sein kann und der Auslass an einem unteren Ende, so dass durch den Auslass mittels der Schwerkraft das Feststoffmedium auf einfache Art und Weise aus der Kammer entnommen werden kann.
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Vorzugsweise ist vorgesehen, dass das offene erste Ende zumindest eines Teils der Kanäle zu dem mindestens einen Einlass hin gerichtet ist und/oder, dass das offene zweite Ende zumindest eines Teils der Kanäle zu dem mindestens einen Auslass hin gerichtet ist. Dadurch kann auf einfache Art und Weise sichergestellt werden, dass Partikel, die durch den Einlass der Kammer zugeführt werden, ohne aufwändige Bewegungen des Behälters in die Kanäle eindringen können bzw. bei Entnahme der Partikel auf einfache Art und Weise aus den Kanälen heraus zum Auslass gelangen können.
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Vorzugsweise ist vorgesehen, dass der oder die Festkörper als Schaumkörper oder als Parallelkanalmonolith ausgebildet sind. Derartige Formen haben sich als besonders vorteilhaft als Festkörper mit Kanälen herausgestellt. Grundsätzlich besteht auch die Möglichkeit, dass mehrere Festkörper in einer Kammer angeordnet sind, wobei die Festkörper beispielsweise als parallele Platten ausgebildet sind, und zwischen den Platten die Kanäle gebildet sind.
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Vorzugsweise ist der oder sind die Festkörper aus einem inerten Material hergestellt. Dadurch wird verhindert, dass eine Reaktion des warmem Feststoffmediums mit dem Festkörper bzw. den Festkörpern erfolgt. Insbesondere bei der Verwendung von Feststoffmedium als Redoxmaterial ist ein inertes Material als Festkörper von Vorteil, da vermieden wird, dass das reduzierte warme Feststoffmedium durch eine Reaktion mit dem Festkörper erneut oxidiert. Der oder die Festkörper können beispielsweise aus einer Hochtemperaturkeramik bestehen. Es kann auch vorgesehen sein, dass der Festkörper aus einem Redoxmaterial besteht und das partikelförmige Feststoffmedium als vorzugsweise inertes Wärmeträgermedium ausgebildet ist, das den Festkörper erwärmt. In diesem Fall kann der Behälter auch als Reaktor genutzt werden.
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Vorzugsweise ist vorgesehen, dass der mindestens eine Einlass einen Deckel zum Verschließen des Einlasses aufweist und/oder dass der mindestens eine Auslass einen Deckel zum Verschließen des Auslasses aufweist.
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Der bzw. die Deckel können aktiv betätigbar sein, beispielsweise über einen entsprechenden Antrieb. Auch ist es möglich, dass der bzw. die Deckel passiv betätigbar sind, beispielsweise indem die Behälter bewegt werden und über einen entsprechenden Mechanismus der oder die Deckel geöffnet bzw. geschlossen werden. Der bzw. die Deckel haben den Vorteil, dass die Kammer während des Gebrauchs des Behälters vollständig geschlossen werden kann, so dass beispielsweise der Wärmeverlust gering gehalten werden kann. Auch kann eine gewünschte Atmosphäre in der Kammer geschaffen werden. Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass die Kammer zusätzlich eine Absaugvorrichtung aufweist, über die in der Kammer beispielsweise ein Unterdruck erzeugbar ist. Auch kann die Kammer einen Gaseinlass aufweisen, über den Gase zur Beeinflussung der Atmosphäre der Kammer einleitbar sind. Vorzugsweise ist eine kombinierte Absaug- und Gaszuführvorrichtung vorgesehen.
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Die Erfindung betrifft ferner einen Wärmeübertrager mit mindestens einem erfindungsgemäßen Behälter.
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Vorzugsweise weist der Wärmeübertrager mehrere erfindungsgemäße Behälter auf. Dabei sind jeweils mindestens zwei Behälter miteinander verbindbar, so dass partikelförmiges Feststoffmedium aus einem der Behälter in einen anderen Behälter übergebbar ist. Dadurch wird ermöglicht, dass das erwärmte partikelförmige Feststoffmedium in einem ersten Behälter Wärme in einem ersten Temperaturniveau abgibt und in dem zweiten Behälter Wärme in einem zweiten, niedrigeren Temperturniveau. Wenn anschließend abgekühltes partikelförmiges Feststoffmedium oder ein anderes Medium in den zweiten Behälter mit dem niedrigeren Temperaturniveau eingefüllt wird und anschließend in den ersten Behälter mit dem höheren Temperaturniveau ist somit ein Wärmeübertrag im quasi Gegenstrom erzeugbar.
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Dabei kann vorgesehen sein, dass mehrere Behälter in einer Reihe angeordnet sind. Somit können bei einem Wärmeübertrager mehrere Stufen, die jeweils durch einen Behälter gebildet sind, vorgesehen sein, wobei in jeder Stufe ein anderes Temperaturniveau herrscht. Dadurch ist ein besonders vorteilhafter Wärmeübertrag möglich.
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Grundsätzlich ist es auch möglich, dass einzelne Behälter abwechselnd mit warmem partikelförmigem Feststoffmedium befüllt und somit erwärmt und anschließend mit einem kühleren Medium zu dessen Erwärmung befüllt werden. Hierbei können auch isolierte Zwischenspeicher zum Einsatz kommen. Bei einer derartigen Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass die Behälter jeweils stets nur in einem bestimmten Temperaturbereich erwärmt und abgekühlt werden. Dabei können die Ausgestaltung des Behälters und insbesondere die Wahl des Festkörpers und des Isolationsmaterials in Abhängigkeit von dem entsprechenden Temperaturniveau erfolgen. Für Behälter, die nur in niedrigeren Temperaturbereichen verwendet werden, kann dabei zumeist kostengünstigeres Material verwendet werden als für Behälter, die in höherenTemperaturbereichen eingesetzt werden.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass die mehreren Behälter ringförmig angeordnet sind. Dabei kann vorgesehen sein, dass die Behälter jeweils mindestens einen Einlass und mindestens einen Auslass aufweisen und jeweils der mindestens eine Einlass eines der Behälter mit dem mindestens einen Auslass eines ersten benachbarten Behälters und jeweils der mindestens eine Auslass des Behälters mit dem mindestens einen Einlass eines zweiten benachbarten Behälters verbindbar ist. Durch die ringförmige Anordnung ist eine besonders kompakte Ausgestaltung des Wärmeübertragers möglich. Dadurch, dass ein Einlass eines Behälters mit dem Auslass eines benachbarten Behälters oder ein Auslass eines Behälters mit dem Einlass eines benachbarten Behälters verbindbar ist, ist in vorteilhafter Weise möglich, das partikelförmige Feststoffmedium von einem Behälter in den anderen zu übergeben.
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Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die Behälter auf einer Führungsvorrichtung angeordnet sind, wobei die Behälter über die Führungsvorrichtung bewegbar sind. Beispielsweise kann die Führungsvorrichtung einzelne Behälter anheben, so dass das partikelförmige Feststoffmedium von einem angehobenen Behälter schwerkraftbedingt in einen benachbarten Behälter fallen kann. Dabei kann beispielsweise vorgesehen sein, dass der Auslass eines angehobenen Behälters mit dem Einlass eines benachbarten, nicht angehobenen Behälters verbindbar ist. Um das partikelförmige Feststoffmedium nun weiterzubewegen, können in einem zweiten Schritt die zuvor nicht angehobenen Behälter nunmehr angehoben werden und die zuvor angehobenen Behälter in einem nicht angehobenen Zustand verbleiben. Auf diese Weise ist in vorteilhafter Weise ein Bewegen des feststoffförmigen Mediums durch sämtliche Behälter möglich.
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Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass das erwärmte partikelförmige Feststoffmedium zunächst in einen ersten Behälter gefüllt wird und von der Anzahl her die Hälfte der Behälter durchwandert. Abgekühltes partikelförmiges Feststoffmedium oder ein anderes Medium wird einem dem ersten Behälter, in den das erwärmte partikelförmige Feststoffmedium eingefüllt wird, gegenüberliegenden Behälter zugeführt und durchwandert die andere Hälfte der Behälter. Dadurch ist in besonders vorteilhafter Weise ein kontinuierlicher Betrieb möglich. Es hat sich herausgestellt, dass, um den Durchsatz zu erhöhen und die Wärmeverluste zu reduzieren, zu einem Zeitpunkt, an dem der eine Behälter gefüllt ist, der benachbarte Behälter frei ist und entsprechend nur jeder zweite Behälter gefüllt ist. Dadurch kann auf vorteilhafte Weise ein kontinuierlicher Durchfluss erreicht werden. Die Verweilzeit der Partikel in dem jeweiligen Behälter, die zur Wärmeübertragung auf den oder die Festkörper benötigt wird, kann genutzt werden, um die jeweiligen Behälter abzusetzen bzw. zum Umfüllen in den nächsten Behälter anzuheben. Ferner kann vorgesehen sein, dass der erste Behälter, in den das erwärmte partikelförmige Feststoffmedium eingefüllt wird, nicht immer der selbe Behälter ist, sondern der bei einer neuen Charge von erwärmtem partikelförmigem Feststoffmedium der von der letzten Charge von erwärmten partikelförmigen Feststoffmedium als zweites durchflossener Behälter der erste Behälter ist. Gleiches gilt für das zu erwärmende Medium. Dies kann erreicht werden, in dem der Wärmeübertrager eine bewegliche Einfüllvorrichtung aufweist oder die Behälter entsprechend verschoben werden.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Behälter jeweils einen Deckel zum Verschließen des mindestens einen Einlasses und einen Deckel zum Verschließen des mindestens einen Auslasses aufweisen, wobei beim Bewegen eines der Behälter in vertikaler Richtung nach oben der Deckel zum Verschließen des Auslasses dieses Behälters und der Deckel zum Verschließen des Einlasses eines benachbarten Behälters geöffnet werden. Dadurch ist eine Übergabe des partikelförmigen Feststoffmediums von dem einen Behälter an den benachbarten Behälter in vorteilhafter Weise möglich. Das Öffnen der Deckel kann über einen passiven Mechanismus erfolgen, d.h. dass beispielsweise durch die Bewegung des einen Behälters die Deckel geöffnet werden. Die Deckel können beispielsweise über eine Federvorrichtung in Richtung ihrer Schließstellung vorgespannt sein, dass durch die Bewegung des einen Behälters diese zunächst aufgedrückt werden und bei einer Rückbewegung des Behälters aufgrund des Federmechanismus zurück in die Schließstellung gelangen.
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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 Schnittdarstellung eines erfindungsgemäßen Behälters,
- 2 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Wärmeübertragers,
- 3a-3c schematische Darstellungen des Wärmeübertragers der 2 bei der Übergabe von partikelförmigen Feststoffmedium,
- 4 eine schematische Detaildarstellung zweier benachbarter Behälter eines erfindungsgemäßen Wärmeübertragers bei der Übergabe von partikelförmigen Feststoffmedium,
- 5a-5f eine schematische Darstellung des Funktionsprinzips eines erfindungsgemäßen Wärmetauschers und
- 6a-6f eine schematische Darstellung des Funktionsprinzips einer zweiten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Wärmetauschers
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In 1 ist ein erfindungsgemäßer Behälter 1 zur Aufnahme, insbesondere zum Transport von erwärmtem partikelförmigem Feststoffmedium, schematisch dargestellt. Der Behälter 1 weist eine Kammer 3 auf, in der das partikelförmige Feststoffmedium aufnehmbar ist. In der Kammer 3 ist ein Festkörper 5 angeordnet, der beispielsweise aus einer Hochtemperaturkeramik besteht. Der Festkörper 5 weist mehrere Kanäle 7 auf, die den Festkörper 5 durchdringen. Die Kanäle 7 weisen somit ein zu der Kammerumgebung des Festkörpers 5 offenes erstes Ende 7a und ein zu der Kammerumgebung des Festkörpers 5 offenes zweiten Ende 7b auf. Die Kanäle sind derart ausgebildet, dass Partikel des partikelförmigen Feststoffmediums in die Kanäle 7 eindringen können. Zur Übersichtlichkeit sind die Partikel in 1 nicht dargestellt. Die Kanäle 7 weisen hierfür einen an die Partikel angepassten Durchmesser auf, beispielsweise beträgt der engste Durchmesser der Kanäle zwischen dem fünf- und dem Zehnfachen des größten Durchmessers der Partikel des partikelförmigen Feststoffmediums.
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Die Kammer 3 ist ferner durch eine thermisch isolierende Wandung 9 umgeben.
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Am oberen Ende des Behälters 1 ist ein Einlass 11 für das partikelförmige Feststoffmedium angeordnet. Am unteren Ende des Behälters 1 ist ein Auslass 13 für das partikelförmige Feststoffmedium angeordnet.
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Der Einlass 11 weist einen Deckel 11a auf, der den Einlass 11 verschließt. Der Auslass 13 weist einen Deckel 13a auf, der den Auslass 13 verschließt.
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Die offenen ersten Enden 7a der Kanäle 7 sind zumindest teilweise in Richtung des Einlasses 11 gerichtet. Die offenen zweiten Enden 7b der Kanäle 7 sind zumindest teilweise in Richtung des Auslasses 13 gerichtet.
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Partikelförmiges Feststoffmedium, das durch den Einlass 11 in die Kammer 3 eingefüllt wird, umgibt den Festkörper 5 und dringt in die Kanäle 7 ein. Dadurch ist ein vorteilhafter Wärmeübergang zwischen dem Feststoffmedium und dem Festkörper 5 möglich, so dass das partikelförmige Feststoffmedium den Festkörper 5 erwärmt. Dieser Vorgang kann beispielsweise während eines Transports des Behälters 1 erfolgen.
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Um eine gewünschte Atmosphäre in dem Behälter 1 erzeugen zu können, weist der Behälter 1 ferner eine Absaug- oder Gaszuführvorrichtung 15 auf, über die in der Kammer 3 des Behälters 1 beispielsweise ein Unterdruck erzeugbar ist.
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Der Behälter 1 ist insbesondere im Rahmen eines thermochemischen Kreisprozesses einsetzbar, bei dem das partikelförmige Feststoffmedium ein Redoxmaterial ist. Im Rahmen dieses Kreisprozesses wird das partikelförmige Feststoffmedium auf sehr hohe Temperaturen von bis zu 1.600°C erwärmt. In diesem Temperaturbereich erfolgt ein Großteil des Wärmeübertrags von dem partikelförmigen Feststoffmedium auf den Festkörper 5 mittels Wärmestrahlung. Durch das Vorsehen der Kanäle erfolgt ein besonders vorteilhafter Wärmeübergang auf den Festkörper 5, da auch ein Wärmeeintrag in das Innere des Festkörpers 5 erfolgen kann.
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Über den Auslass 13 kann das partikelförmige Feststoffmedium aus der Kammer 3 entnommen werden. Das partikelförmige Feststoffmedium ist nun abgekühlt und der Festkörper 5 aufgewärmt. Nun kann ein anderes Medium in die Kammer 3 eingefüllt werden, das mittels des Festkörpers 5 erwärmt werden kann. Das weitere Medium kann beispielsweise das im Rahmen des thermochemischen Kreisprozesses bei der Oxidation abgekühlte Feststoffmedium sein, das mittels des Behälters zur Wärmerückgewinnung wieder aufgewärmt wird.
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Mittels mehrerer erfindungsgemäßer Behälter lässt sich in vorteilhafter Weise ein Wärmeübertrager bereitstellen. Hierbei kann vorgesehen sein, dass mehrere Behälter 1 in einer Reihe oder, wie in 2 dargestellt ist, ringförmig angeordnet sind. Die Behälter 1 des Wärmeübertragers 100 sind in 2 stark vereinfacht dargestellt. In dem in 2 dargestellten Zustand sind die Behälter 1 nebeneinander angeordnet. 2 zeigt eine Draufsicht auf den Wärmeübertrager 100. In dem in 2 dargestellten Zustand sind die Behälter verschlossen und in den Kammern 3 angeordnetes partikelförmiges Feststoffmedium überträgt Wärme auf die nicht dargestellten Festkörper in den Kammern 3. Das partikelförmige Feststoffmedium wird von einer Kammer 3 eines Behälters 1 in die Kammer 3 eines benachbarten Behälters 1 übergeben. Dadurch ist der Wärmeübertrager 100 mehrstufig ausgeführt, wobei die einzelnen Behälter 1 unterschiedliche Stufen bilden und unterschiedliche Temperaturniveaus aufweisen. Die Übergabe von partikelförmigem Feststoffmedium von einem Behälter 1 an einen benachbarten Behälter 1 wird in Bezug auf die 3a-3c sowie 4 näher erläutert.
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In den 3a-3c ist der in 2 dargestellte Wärmeübertrager 100 schematisch in einer Seitenansicht dargestellt. Die Behälter 1 sind auf einer nicht dargestellten Führungsvorrichtung angeordnet, über die die Behälter bewegbar sind. In dem in den 3a-3c sowie 4 dargestellten Ausführungsbeispiel erfolgt die Bewegung der Behälter 1 in vertikale Richtung. Die Führungsvorrichtung bewegt zunächst jeden zweiten Behälter (in Bezug auf die 3a-3c sowie 4 als Behälter 1a bezeichnet) in vertikale Richtung. Die jeweils benachbarten Behälter 1 verbleiben in der Ursprungsposition. Wie aus 3c ersichtlich ist, befindet sich nach der Bewegung jeder zweite Behälter 1a in einer höheren Position als die benachbarten Behälter 1. Dadurch kann die Schwerkraft zur Übergabe des partikelförmigen Feststoffmediums von jedem zweiten Behälter 1a auf die benachbarten Behälter 1 ausgenutzt werden, indem das partikelförmige Feststoffmedium von jedem zweiten Behälter 1a in den jeweils benachbarten Behälter 1 rutscht. Dies ist in 4 näher gezeigt. Die Deckel 11a des Auslasses 11 des benachbarten Behälters und der Deckel 13a des dazugehörigen zweiten Behälters 1a werden durch die Vertikalbewegung des zweiten Behälters 1a geöffnet. Dadurch kann das partikelförmige Feststoffmedium von dem zweiten Behälter 1a in den benachbarten Behälter 1 rutschen. In 4 sind die Behälter 1, 1a stark vereinfacht dargestellt. Grundsätzlich können die Behälter 1, 1a und Deckel 11a, 13a so ausgestaltet sein, dass eine verlustfreie Überführung des partikelförmigen Feststoffmediums erfolgen kann.
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Bei dem in 4 dargestellten Ausführungsbeispiel erfolgt das Öffnen der Deckel 11a, 13a passiv, d.h. rein durch die Bewegung des zweiten Behälters 1a. Dies kann beispielsweise über entsprechende Führungseinrichtungen erfolgen, die die Deckel 11a, 13a in die geöffnete Stellung drücken.
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Nach dem Entleeren des zweiten Behälters 1a in den Behälter 1 wird der Behälter 1a wieder zurück in seine Ausgangsstellung nach unten bewegt. Hierbei werden die Deckel 11a, 13a geschlossen. Dies kann beispielsweise über eine Federvorrichtung erfolgen. Dies bedeutet, dass das Öffnen der Deckel 11a, 13a entgegen einer Federkraft erfolgt. Grundsätzlich besteht auch die Möglichkeit, dass die Führungseinrichtung die Deckel zurück in die geschlossene Position drückt.
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Selbstverständlich besteht auch die Möglichkeit, dass die Deckel 11a, 13a motorbetrieben sind und aktiv angetrieben werden.
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Nach der Rückführung der zweiten Behälter 1a in die Ursprungsposition (3a) sind nun die Behälter 1 gefüllt. Im nächsten Schritt werden die Behälter 1 über die Führungsvorrichtung in vertikaler Richtung bewegt, so dass ein entsprechendes Umfüllen des Feststoffmediums von den Behältern 1 in die jeweils benachbarten zweiten Behälter 1a erfolgt. Auf diese Weise kann der gesamte Wärmetauscher 100 beispielsweise in einer Richtung entgegen dem Uhrzeigersinn von dem Feststoffmedium „durchflossen“ werden. Dabei werden die benachbarten Behälter 1 jeweils auf unterschiedliche Temperaturniveaus erwärmt, da sich bei dem Durchwandern der Behälter 1 des Feststoffmediums kontinuierlich abkühlt.
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In den 5a-5f ist das Prinzip des erfindungsgemäßen Wärmeübertragers 100 schematisch dargestellt. In den 5a-5f wird angenommen, dass ein idealer Wärmeübertrag zwischen partikelförmigem Feststoffmedium und den Festkörpern 5 in den Behältern 1 erfolgt. Dies bedeutet, dass keine Wärmeverluste vorliegen und das partikelförmige Feststoffmedium und der Festkörper 5 in den Behältern 1 beim Verlassen des partikelförmigen Feststoffmediums die gleiche Temperatur aufweisen.
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Der erfindungsgemäße Wärmeübertrager 100 wird so betrieben, dass das erwärmte partikelförmige Feststoffmedium eine Hälfte der Behälter 1 „durchfließt“ und das zu erwärmende partikelförmige Feststoffmedium die andere Hälfte. Bei dem in den 5a-5f dargestellten Ausführungsbeispiel wird lediglich eine Charge von erwärmtem partikelförmigem Feststoffmedium 110 und eine Charge von abgekühltem partikelförmigem Feststoffmedium 120 betrachtet. Das erwärmte partikelförmige Feststoffmedium 110 weist beispielsweise eine Temperatur von 1.500°C auf. Das abgekühlte partikelförmige Feststoffmedium weist beispielsweise eine Temperatur von 800°C auf. Die entsprechenden Chargen von partikelförmigem Feststoffmedium 110, 120 werden an gegenüberliegenden Seiten in Behälter 1 über nicht dargestellte Einfüllvorrichtungen eingefüllt. Die Temperaturniveaus der einzelnen Behälter sind entsprechend in den 5a-5f angegeben. Das erwärmte partikelförmige Feststoffmedium wird in einem Behälter, der beispielsweise 1.300°C aufweisen kann, eingefüllt. Hierbei erwärmt sich der in dem Behälter 1 befindliche Festkörper 5 (in den 5a-5f nicht dargestellt) auf eine Temperatur von 1.400°C. Das partikelförmige Feststoffmedium 110 wird entsprechend auf eine Temperatur von 1.400°C abgekühlt. Anschließend wird durch den in Bezug auf die 3a-3c und 4 beschriebenen Übergabevorgang das erwärmte partikelförmige Feststoffmedium 110 in den benachbarten Behälter 1, in dem ein Temperaturniveau von 1.200°C herrscht, übergeben. Zum gleichen Zeitpunkt erfolgt eine Erwärmung des abgekühlten partikelförmigen Feststoffmediums 120, das in einen Behälter 1 mit einem Temperaturniveau von 1.000°C eingefüllt wurde. Das abgekühlte partikelförmige Feststoffmedium 120 erwärmt sich auf ein Temperaturniveau von 900°C, wohingegen der Behälter, in dem es sich befindet, auf ein Temperaturniveau von 900°C abgekühlt wird. Anschließend wird dieses an den benachbarten Behälter 1 übergeben, in dem ein Temperaturniveau von 1.100°C vorliegt. Die Übergabe des erwärmten partikelförmigen Feststoffmediums 110 und des abgekühlten partikelförmigen Feststoffmediums 120 in den jeweils benachbarten Behälter 1 erfolgt gleichzeitig.
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Bei dem weiteren Durchlaufen der einzelnen Behälter gemäß den 5c-5e wird das partikelförmige Feststoffmedium 110 sukzessive abgekühlt und das partikelförmige Feststoffmedium 120 sukzessive erwärmt. Wie in der 5f dargestellt ist, wird das ursprünglich erwärmte und nunmehr abgekühlte partikelförmige Feststoffmedium 110 bei einer Temperatur von 1.000°C entnommen. Das ursprünglich kühlere Feststoffmedium 120 wurde auf eine Temperatur von 1.300°C erwärmt. In den 5a-5f ist nur eine Charge partikelförmiges Feststoffmedium 110, das abgekühlt wird, und eine Charge partikelförmiges Feststoffmedium 120, das erwärmt wird, dargestellt. Grundsätzlich kann der Wärmeübertrager quasi kontinuierlich betrieben werden, indem, sobald ein Behälter frei wird, eine neue Charge entsprechendes Feststoffmedium eingefüllt wird. Um einen kontinuierlichen Betrieb zu ermöglichen, ist jedoch nur jeder zweite Behälter 1 gefüllt, so dass ohne Wartezeit ein Behälter in einen benachbarten Behälter entleert werden kann. Der erfindungsgemäße Wärmeübertrager 100 ermöglicht somit einen Betrieb im quasi Gegenstrom, so dass eine effektive Wärmeübertragung möglich ist.
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Ferner kann vorgesehen sein, dass der erste Behälter 1, in den das erwärmte partikelförmige Feststoffmedium 110 eingefüllt wird, nicht immer der selbe Behälter 1 ist, sondern der bei einer neuen Charge von erwärmtem partikelförmigem Feststoffmedium 110a der von der letzten Charge von erwärmtem partikelförmigem Feststoffmedium 110 als zweites durchflossener Behälter (5b. 5c) der erste Behälter ist. Gleiches gilt für das zu erwärmende Medium, so dass Behälter 1, in dem das zu erwärmende partikelförmige Feststoffmedium 120 eingefüllt wird, nicht immer der selbe Behälter 1 ist, sondern der bei einer neuen Charge von erwärmtem partikelförmigem Feststoffmedium 120a der von der letzten Charge von erwärmten partikelförmigen Feststoffmedium 120 als zweites durchflossene Behälter ( 5b. 5c) der Behälter 1, in den das zu erwärmende partikelförmige Feststoffmedium 120 eingefüllt wird. Dies kann erreicht werden, in dem der Wärmeübertrager eine bewegliche Einfüllvorrichtung aufweist oder die Behälter 1 entsprechend verdreht werden.
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In den 6a-6f ist das Prinzip einer zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Wärmeübertragers 100 schematisch dargestellt. In den 6a-6f wird angenommen, dass ein idealer Wärmeübertrag zwischen partikelförmigem Feststoffmedium und den Festkörpern 5 in den Behältern 1 erfolgt. Dies bedeutet, dass keine Wärmeverluste vorliegen und das partikelförmige Feststoffmedium und der Festkörper 5 in den Behältern 1 beim Verlassen des partikelförmigen Feststoffmediums die gleiche Temperatur aufweisen. Bei dem Ausführungsbeispielen der 6a-6f werden die einzelnen Behälter abwechselnd mit zu erwärmenden partikelförmigen Feststoffmedium 120 und mit erwärmtem partikelförmigem Feststoffmedium 110 zur Abkühlung befüllt werden.
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Im Ausführungsbeispiel der 6a-6f wird das erwärmte partikelförmige Feststoffmedium 110 bei 1500°C dem Wärmeübertrager 100 zugeführt und das zu erwärmende partikelförmige Feststoffmedium 120 bei 800°C. Beim Durchlaufen des Wärmeübertragers 100 wird das erwärmte partikelförmige Feststoffmedium 110 auf 1080°C abgekühlt und das zu erwärmende partikelförmige Feststoffmedium 120 auf 1220°C aufgewärmt.
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Der Wärmeübertrager 100 weist bei dem Ausführungsbeispiel der 6a-6f ferner thermisch isolierte Zwischenspeicher 130, in denen die partikelförmigen Feststoffmedien zwischengespeichert werden.
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Bei dem Wärmeübertrager gemäß dem Ausführungsbeispiel der 6a-6f wird jeder einzelne Behälter 1 in einem engeren Temperaturbereich betrieben und kann für diesen optimiert werden.
