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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Herstellung von Partikeln, insbesondere von feinteiligen Partikeln, wie nanoskaligen oder nanokristallinen Partikeln.
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Solche Partikel weisen typischerweise eine mittlere Korngröße von 10 nm bis wenige Millimeter auf.
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Atome oder Moleküle, die Teil einer Oberfläche sind, haben andere elektronische und chemische Eigenschaften als ihre Atome oder Moleküle im Materialinneren. Je kleiner ein Partikel ist, desto höher ist sein Anteil an Oberflächenatomen. Entsprechend können sehr feinteilige Materialien, besonders Nanopartikel, ganz andere mechanische, elektronische, chemische oder optische Eigenschaften haben als chemisch - mineralogisch identische größere Partikel und machen sie deshalb für spezifische Anwendungen besonders interessant.
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Zur Herstellung von feinteiligen Pulvern haben sich im Wesentlichen die folgenden Herstellungsverfahren etabliert; chemische Herstellung in Lösungen (z. B. Sol-Gel-Methode), Herstellung im Plasma oder Herstellung aus der Gasphase (Aerosolprozess). Je nach Einsatzgebiet der Nanoteilchen ist meist eine genau definierte und enge Partikelgrößenverteilung erforderlich. Abhängig von der chemischen Natur der gewünschten Nanoteilchen eignet sich das eine oder andere Verfahren besser, um ein gutes Ergebnis zu erreichen. Meist liefern Verfahren in Lösung oder Verfahren der Selbstorganisierung die besten Ergebnisse, sind aber großtechnisch nur schwer oder gar nicht durchführbar.
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Aus der
WO 02/072471 bzw. aus der
DE 10 2004 044 266 A1 sind Pulsationsreaktoren zur Herstellung feinteiliger Pulver bekannt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine verbesserte Vorrichtung zur Herstellung von Partikeln, insbesondere von feinteiligen Partikeln, wie nanoskaligen oder nanokristallinen Partikeln, anzugeben.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Die Vorrichtung zur Herstellung von Partikeln, insbesondere von feinteiligen, wie nanoskaligen oder nanokristallinen Partikeln, beispielsweise mit einer mittleren Partikel größe von 10 nm bis wenige Millimeter, aus mindestens einem Rohstoffmaterial, umfasst mindestens einen Brenner und eine sich an den Brenner anschließende Brennkammer zur Erzeugung eines pulsierenden Heißgasstroms. Weiterhin umfasst die Vorrichtung einen einer Materialaufgabe nachgeschalteten Reaktionsraumabschnitt, beispielsweise ein Resonanzrohr, und zumindest eine Temperiervorrichtung zur Temperierung des Heißgasstroms mit einem Temperierabschnitt und einem Gehäuse, welches einen Reaktionsraum oder den Reaktionsraumabschnitt derart vollständig umschließt, dass zwischen dem Gehäuse und dem Temperierabschnitt ein Gehäuseinnenraum ausgebildet ist. Alternativ oder zusätzlich ist zumindest eine Temperiervorrichtung zur Wärmeübertragung zwischen wenigstens zwei Vorrichtungsabschnitten vorgesehen. Dabei umfasst die Temperiervorrichtung zumindest einen Temperierabschnitt, welcher mit den Vorrichtungsabschnitten zur Wärmeübertragung thermisch gekoppelt ist und einen Innenraum umfasst, in welchem zumindest ein Temperiermedium zur Wärmeübertragung zuführbar ist. Dabei umgibt der Temperierabschnitt den jeweiligen Vorrichtungsabschnitt vollständig und eine Form des Temperierabschnitts korrespondiert mit einer Form des jeweiligen Vorrichtungsabschnitts. Insbesondere bilden bzw. bildet die Brennkammer und/oder der Reaktionsraumabschnitt jeweils einen der Vorrichtungsabschnitte oder beide Vorrichtungsabschnitte.
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Mittels der Temperiervorrichtung zur Temperierung des Heißgasstroms, im Folgenden als erste Temperiervorrichtung bezeichnet, ist eine Einstellung einer Temperatur des Heißgasstroms innerhalb des Reaktionsraumes möglich. Insbesondere ist eine Abkühlung des Heißgasstroms und somit eine Reduzierung einer Behandlungstemperatur zur Herstellung der Partikel einstellbar bzw. regulierbar.
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Somit ist innerhalb des Gehäuses, d. h. in einem zwischen dem Gehäuse und dem Temperierabschnitt gebildeten Gehäuseinnenraum, zumindest ein Temperiermedium gleichmäßig den Temperierabschnitt umgebend anordbar oder führbar. Dabei kann der Temperierabschnitt als ein Kühlsegment ausgebildet sein. Das Temperiermedium ist beispielsweise ein gasförmiges, flüssiges oder festes Medium. Zum Beispiel kann als Temperiermedium Wasser, Luft oder Öl verwendet werden. Da die Temperatur des Heißgasstroms, beispielsweise nach oder vor einer Rohstoffmaterialaufgabe in den Reaktionsraum, eine wichtige Steuergröße für innerhalb des Reaktionsraumes ablaufende Prozesse ist, kann mittels der Temperiervorrichtung zur Temperierung des Heißgasstroms eine einfache und eine in Bezug auf den Reaktionsraum ortsspezifisch durchführbare Regulierung der Temperatur zur Herstellung der Partikel erfolgen. Zudem kann ein thermisches Behandlungsverfahren eingestellt bzw. an eine Rohstoffmischung angepasst werden.
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Mittels der Temperiervorrichtung zur Wärmeübertragung zwischen wenigstens zwei Vorrichtungsabschnitten, im Folgenden als zweite Temperiervorrichtung bezeichnet, ist eine Einstellung einer auf die Vorrichtungsabschnitte wirkenden Temperatur möglich. Insbesondere ist eine Abkühlung eines Vorrichtungsabschnitts und eine Vorwärmung eines weiteren Vorrichtungsabschnitts und/oder eines dem weiteren Vorrichtungsabschnitt zugeführten Prozessmediums einstellbar bzw. regulierbar. Hierdurch kann insbesondere eine Verlustleistung, insbesondere Verlustwärme, der Vorrichtungsabschnitte weitestgehend reduziert werden. Die Temperiervorrichtung temperiert, insbesondere kühlt, einen der Vorrichtungsabschnitte, indem beispielsweise dem Vorrichtungsabschnitt Wärme entzogen wird. Gleichzeitig ist die Temperiervorrichtung zur Vorwärmung eines weiteren Vorrichtungsabschnitts und zur Wärmeisolierung der jeweiligen Vorrichtungsabschnitte vorgesehen. Dabei kann eine weitestgehend konstante Temperatur eines Reaktionsraums, insbesondere des Reaktionsraumabschnitts, erzeugt werden, wobei die konstante Temperatur während der Verweilzeit die Behandlung zur Partikelherstellung verbessert. Beispielsweise können sich Vorrichtungsabschnitte, insbesondere Wandungen der jeweiligen Vorrichtungsabschnitte, aufgrund eines innerhalb der Vorrichtungsabschnitte durchgeführten Prozesses, beispielsweise zur Erzeugung des Heißgasstromes und zur Herstellung der Partikel, erhitzen. Dabei kann sich die Erhitzung der Vorrichtungsabschnitte negativ auf eine Standzeit und auf eine Prozessbehandlung auswirken. Insbesondere ist die Temperiervorrichtung zur Erhöhung der Standzeit und zur Verbesserung der Prozessbehandlung, insbesondere der Brennkammer und/oder des beispielsweis als Resonanzrohr ausgebildeten Reaktionsraumabschnitts, vorgesehen. Dadurch, dass der Temperierabschnitt den jeweiligen Vorrichtungsabschnitt vollständig umgibt und die Form des Temperierabschnitts mit der Form des jeweiligen Vorrichtungsabschnitts korrespondiert, sind gewünschte, zu temperierende Bereiche der Vorrichtung in ihrer Temperatur einstellbar. Weiterhin ist die Anordnung des Temperierabschnitts auch in beengten Einbausituationen möglich.
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Unter nanoskaligen Partikeln, die in der zuvor beschriebenen Vorrichtung hergestellt werden, werden insbesondere Partikel im Nanobereich gemäß DIN SPEC 1121 (DIN ISO/TS 27687) verstanden, die beispielsweise Korn- oder Partikelgrößen im Bereich von 10 nm bis 120 nm, insbesondere im Bereich von 20 nm bis 100 nm, beispielsweise von 40 nm bis 80 nm, aufweisen. Unter nanokristallinen Partikeln, die in der zuvor beschriebenen Vorrichtung hergestellt werden, werden insbesondere Partikel verstanden, deren Korn aus mehreren kleinen Kristallen gebildet ist und eine Korn- oder Partikelgröße von wenigen Millimetern, insbesondere von kleiner 8 mm, insbesondere kleiner 5 mm oder 3 mm, aufweisen. Auch können unter feinteiligen Partikeln nanokristalline Partikel mit einer Partikel größe von < 20 µm verstanden werden. Darüber hinaus kann verstanden werden, dass Nanopartikel, insbesondere so genannte nanoskalige Partikel, auf Partikelgrößen im Nanobereich bezogen sind, wobei nanokristalline Partikel eine im Vergleich größere Partikelgröße aufweisen können. Die nanokristallinen Partikel kennzeichnen sich durch beispielsweise eine polykristalline Struktur, bei welcher die Kristalle Größenanordnungen im Nanobereich aufweisen können. Diese Stoffe können ebenso differenzierte Eigenschaften aufweisen. Insbesondere sind beide Partikelarten abhängig vom Eingangsmaterial erzeugbar.
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Das Rohstoffmaterial wird insbesondere als Feststoff, beispielsweise als imprägnierter Feststoff, aufgegeben. Beispielsweise kann es sich dabei um ein feinteiliges Pulver mit oder ohne Beschichtung handeln. Alternativ kann das Rohstoffmaterial in Form einer Lösung oder Suspension aufgegeben werden. Dabei erfolgt die Aufgabe des Rohstoffmaterials als Lösung oder Suspension beispielsweise in die Brennkammer.
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Unter dem Reaktionsraum wird insbesondere jenes Anlagen- oder Reaktorraumvolumen, wie beispielsweise Rohr-, Behälter- und/oder Leitungsvolumen, vom Aufgabeort des Rohstoffmaterials bis hin zur Abkühlung des Materials vor einer Abscheidung oder einem Filtern der hergestellten Partikel verstanden.
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In einer möglichen Ausgestaltung der Vorrichtung ist die erste Temperiervorrichtung in der Art eines Schalldämpfers und/oder in der Art eines Heißgas-Quenchsystems ausgebildet. Alternativ oder zusätzlich ist die erste Temperiervorrichtung als ein Wärmeübertrager ausgebildet.
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In einer möglichen Ausgestaltung der Vorrichtung umfasst die erste Temperiervorrichtung mit dem Gehäuse zumindest eine Eintrittsöffnung und zumindest eine Austrittsöffnung für den pulsierenden Heißgasstrom und zumindest ein am Gehäuse angebrachtes Zuführungselement mit einer von einem Temperiermedium durchströmbaren Öffnung. Beispielsweise ist der im Gehäuse angeordnete Temperierabschnitt in einer möglichen Ausgestaltung mit dem Reaktionsraum oder dem Reaktionsraumabschnitt jeweils im Bereich der Eintrittsöffnung und der Austrittsöffnung verbunden. Zum Beispiel ist die erste Temperiervorrichtung stoff-, kraft- und/oder formschlüssig mit dem Reaktionsraum oder Reaktionsraumabschnitt verbunden. Zum Beispiel ist sowohl das Gehäuse als auch der Temperierabschnitt zylindrisch, insbesondere rohrförmig, ausgebildet. Insbesondere korrespondieren sowohl eine Form des Gehäuses als auch eine Form des Temperierabschnitts jeweils mit einer Form des Reaktionsraumes oder Reaktionsraumabschnitts.
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In einer weiteren möglichen Ausgestaltung der Vorrichtung liegt der Temperierabschnitt der ersten Temperiervorrichtung außerhalb des Reaktionsraumes. Beispielsweise kann die Temperierung in Strömungsrichtung vor der Materialaufgabe oder nach der Materialabscheidung erfolgen.
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In einer weiteren Ausführungsform weist das Gehäuse der ersten Temperiervorrichtung einen zumindest im Wesentlichen gegenüber dem Reaktionsraum oder Reaktionsraumabschnitt und/oder dem Temperierabschnitt größeren Querschnitt auf. Somit kann ein Temperiermediumvolumen variabel ausgestaltet und an Behandlungsprozesse zur Herstellung der Partikel angepasst werden. Des Weiteren ist das Gehäuse beispielsweise aus Metall gebildet, insbesondere aus einem Blech geformt, beispielsweise gewalzt.
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In einer weiteren möglichen Ausgestaltung der Vorrichtung umfasst der Temperierabschnitt der ersten Temperiervorrichtung zumindest eine Anzahl von Elementen, insbesondere von Durchgangsöffnungen, zur Unterstützung einer Verwirbelung des Heißgasstroms innerhalb des Temperierabschnitts. Insbesondere ist der Temperierabschnitt zumindest abschnittsweise perforiert ausgebildet. Eine Anzahl oder Mehrzahl, Anordnung, Form und Größe der im Temperierabschnitt ausgebildeten Durchgangsöffnungen können je nach Behandlungsprozess und gewünschter Behandlungstemperatur variieren. Mittels des perforierten Temperierabschnitts wird eine Verwirbelung des pulsierenden Heißgasstroms innerhalb des Gehäuses unterstützt, wenn der Heißgasstrom durch den Temperierabschnitt strömt. Dadurch wird insbesondere eine bessere Durchmischung der Rohstoffe bzw. Rohstoffmischungen der Rohstoffmaterialaufgabe und dem Temperiermedium ermöglicht. Zudem wird die spezifische Wärmemenge des Heißgasstroms gesenkt. Die dadurch hervorgerufene Abkühlung bewirkt beispielsweise Änderung des Schwingungsverhaltens, wodurch beispielsweise eine Behandlung hergestellter Partikel verbessert werden kann.
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Gemäß einer möglichen Weiterbildung der Vorrichtung umfasst der Temperierabschnitt der ersten Temperiervorrichtung zumindest ein in einen Gehäuseinnenraum ragendes Element zur Leitung eines in den Gehäuseinnenraum geführten Temperiermediums in den Temperierabschnitt. Insbesondere ist das Element rohrförmig und als Leitungselement ausgebildet. Dabei ist das jeweilige Leitungselement zur Leitung des beispielsweise gasförmigen Temperiermediums, mit welchem das Gehäuse beaufschlagt wird, in den Temperierabschnitt und somit in den Reaktionsraum vorgesehen. Das Temperiermedium bewirkt innerhalb und außerhalb des Temperierabschnitts eine Abkühlung des Heißgasstroms. Das Temperiermedium strömt anschließend mit dem im Wesentlichen abgekühlten Heißgasstrom in Strömungsrichtung des Reaktionsraumes. Ein Querschnitt, eine Form und eine Abmessung, insbesondere eine Länge, des jeweiligen Leitungselements können unterschiedlich ausgebildet sein.
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In einer Weiterbildung der Vorrichtung umfasst der Temperierabschnitt der ersten Temperiervorrichtung eine Mehrzahl von Elementen, welche voneinander im Wesentlichen beabstandet und radial an dem Temperierabschnitt und im Gehäuseinnenraum verteilt angeordnet sind. Insbesondere ist durch diese Anordnung der Leitungselemente eine weitestgehend gleichmäßige Temperierung des Heißgasstroms möglich.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung ist der Temperierabschnitt der ersten Temperiervorrichtung derart ausgebildet, dass ein Querschnitt des Temperierabschnitts zumindest im Wesentlichen größer oder kleiner ist als ein Querschnitt des Reaktionsraumes oder Reaktionsraumabschnitts oder, dass der Querschnitt des Temperierabschnitts und der des Reaktionsraumes oder Reaktionsraumabschnitts gleich groß sind. In Abhängigkeit ausgebildeter Querschnitte des jeweiligen Temperierabschnitts und des Reaktionsraumes oder Reaktionsraumabschnitts ist beispielsweise eine Beeinflussung einer Strömung innerhalb des Reaktionsraumes und des Temperierabschnitts und somit auch innerhalb der Vorrichtung vorhandener Druckverhältnisse möglich. Unterschiedliche Druckverhältnisse können beispielsweise unterschiedliche Verwirbelungen des Heißgasstroms, insbesondere Verwirbelungsstärken, bewirken.
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Zur Realisierung einer einfachen und zuverlässigen Einstellung der Temperatur des Heißgasstroms umfasst das Gehäuse der ersten Temperiervorrichtung zumindest eine Öffnung zur Beaufschlagung der Temperiervorrichtung mit dem Temperiermedium. Insbesondere ist das Temperiermedium zumindest ein Gas oder Gasgemisch und/oder Luft. Durch die Temperierung mittels des Gasgemisches und/oder der Luft ist eine einfache Einstellung der Temperatur des Heißgasstroms möglich, wobei ein Behandlungsprozess nicht aufgrund des Temperiermediums beeinflusst wird.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Vorrichtung sind der Temperierabschnitt der ersten Temperiervorrichtung und der Reaktionsraum oder Reaktionsraumabschnitt als ein Bauteil ausgebildet. Dabei kann ein Abschnitt des Reaktionsraumes oder Reaktionsraumabschnitts mit Perforationen versehen werden. Alternativ oder zusätzlich werden die Leitungselemente im Bereich der Perforationen bzw. im Bereich von in einer Wandung des Temperierabschnitts ausgebildeten Durchgangsöffnungen angeordnet. Beispielsweise werden die Leitungselemente stoff-, kraft- und/oder formschlüssig an der Wandung des Temperierabschnitts befestigt. Zum Beispiel werden die Leitungselemente in die Durchgangsöffnungen gesteckt und/oder mittels einer Niet-, Klips-, Schraub- und/oder Klebverbindung mit dem Temperierabschnitt verbunden. Weiterhin können die Leitungselemente im Bereich der Durchgangsöffnungen mit der Wandung des Temperierabschnitts verschweißt werden. Das Gehäuse wird um diesen Abschnitt des Reaktionsraumes oder Reaktionsraumabschnitts angeordnet und mit dem Reaktionsraum oder Reaktionsraumabschnitt an der Eintritts- und Austrittsöffnung des Gehäuses kraft-, stoff- und/oder formschlüssig verbunden. Beispielsweise wird der Reaktionsraum oder Reaktionsraumabschnitt durch die Eintritts- und Austrittsöffnung des Gehäuses gesteckt oder im Bereich der jeweiligen Eintritts- und/oder Austrittsöffnung verschweißt. Des Weiteren kann der Reaktionsraum oder Reaktionsraumabschnitt im Bereich der jeweiligen Eintritts- und/oder Austrittsöffnung mittels einer Schraub-, Klips-, Kleb- und/oder Nietverbindung mit dem Gehäuse verbunden werden. Mittels der Ausbildung des Temperierabschnitts direkt an dem Abschnitt des Reaktionsraumes oder Reaktionsraumabschnitts können zumindest ein Montageaufwand und Montageteile verringert werden.
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Ist die erste Temperiervorrichtung mit dem Gehäuse und mit einem separaten Temperierabschnitt als ein separates Bauteil ausgebildet, kann der Reaktionsraum oder Reaktionsraumabschnitt beispielsweise an dem vorgegebenen Abschnitt in zwei Teile getrennt bzw. zerlegt werden. Die Temperiervorrichtung wird anschließend als separates Bauteil zwischen den getrennten Reaktionsraumteilen angeordnet und mit dem Reaktionsraum oder Reaktionsraumabschnitt verbunden. Dadurch sind beispielsweise ein Austausch und eine Reparatur der Temperiervorrichtung vereinfacht.
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Gemäß einer weiteren möglichen Ausgestaltung ist durch einen versetzbaren Temperierabschnitt der ersten Temperiervorrichtung längs der Strömungsrichtung des Heißgasstroms eine Behandlung und Herstellung der Partikel bewusst beeinflussbar oder beendbar. So können beispielsweise unterschiedliche Verweilzeiten im Heißgasstrom bei hoher Temperatur ermöglicht werden.
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In einer möglichen Ausführungsform der Vorrichtung umfasst der Temperierabschnitt der zweiten Temperiervorrichtung zumindest ein Zuführelement zur Zuführung des Temperiermediums und zumindest ein Abführelement zur Abführung des Temperiermediums, beispielsweise zum strömungseingangsseitigen Ende der Brennkammer oder in den Reaktionsraumabschnitt. Beispielsweise sind das Zuführelement und das Abführelement jeweils ein Leitungselement.
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In einer möglichen Weiterbildung ist das Abführelement eine Durchgangsöffnung, welche in einer dem Reaktionsraumabschnitt zugewandten Wandung des Temperierabschnitts ausgebildet ist. Dabei umfasst der Reaktionsraumabschnitt eine mit der Durchgangsöffnung des Temperierabschnitts der zweiten Temperiervorrichtung korrespondierende Öffnung. Dadurch kann die dem Heißbereich des Vorrichtungsabschnitts entzogene Wärme zur Temperierung des durch den Reaktionsraumabschnitt strömenden Heißgases verwendet werden. Insbesondere können dadurch eine weitestgehend konstante Prozesstemperatur zur Partikelherstellung und eine Reduzierung der energetischen Verluste und somit einen effizienteren Prozess ermöglicht werden.
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Weiterhin kann das Temperiermedium am strömungseingangsseitigen Ende der Brennkammer, insbesondere in den Brenner und anschließend in die Brennkammer, zugeführt werden. Dabei kann das Temperiermedium zur Vorwärmung des Verbrennungsgases, beispielsweise als vorgewärmter Sauerstoffanteil, verwendet werden, so dass eine höhere Anfangstemperatur erzielbar ist. Die Vorwärmung bzw. Vorheizung des Verbrennungsgases führt zu einer im Wesentlichen höheren Verbrennungstemperatur und somit einer heißeren Verbrennungsflamme in der Brennkammer. Dadurch kann ein Reaktionsprozess der Partikel im Heißgasstrom verbessert werden.
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In einer weiteren möglichen Ausführungsform der Vorrichtung wird das Temperiermedium genutzt, um Wärme an den Abgasstrom zu übertragen. So kann die Temperatur des Abgases bei verschiedensten Einstellungen über dem Taupunkt der sich darin befindlichen Stoffe gehalten werden. In einer Ausführungsform wird das Temperiermedium dem Abgasstrom direkt zugeführt und in einer anderen Ausführungsform wird das Temperiermedium durch eine doppelwandige Abgasleitung geführt.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Vorrichtung sind der Temperierabschnitt der zweiten Temperiervorrichtung und die Vorrichtungsabschnitte als ein doppelwandiges oder mehrwandiges Bauteil ausgebildet, wobei zwischen einer Außenwandung und Innenwandung des Bauteils zumindest ein Innenraum ausgebildet ist, in welchem das Temperiermedium in Richtung des nachgelagerten Vorrichtungsabschnitts strömt. Hierdurch ist eine einfache und einstellbare Anpassung des zu temperierenden Vorrichtungsabschnitts möglich. Weiterhin kann beispielsweise eine Abmessung des Innenraumes in Abhängigkeit einer Füllmenge oder Strömungsgeschwindigkeit des Temperiermediums ausgebildet werden.
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Eine Weiterbildung der Vorrichtung sieht vor, dass das mehrwandig ausgebildete Bauteil zumindest einen weiteren Innenraum umfasst, durch welchen das Temperiermedium zum strömungseingangsseitigen Ende der Brennkammer oder in den Reaktionsraumabschnitt strömt. Der Innenraum ist beispielsweise an eine Abführgeschwindigkeit, Abführmenge und/oder eine gewünschte, zu erzeugende Verwirbelung des Temperiermediums einstellbar. Insbesondere ist mittels des als doppelwandig oder mehrwandig ausgebildeten Bauteils ein Zirkulationssystem herstellbar.
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In einer weiteren möglichen Ausgestaltung der Vorrichtung temperiert, insbesondere kühlt, das dem Temperierabschnitt der zweiten Temperiervorrichtung zugeführte Temperiermedium einen Hochtemperaturbereich eines vorgelagerten Vorrichtungsabschnitts und strömt in Richtung eines dem vorgelagerten Vorrichtungsabschnitt nachgelagerten Vorrichtungsabschnitts. Dabei temperiert, insbesondere wärmt, das Temperiermedium einen Niedertemperaturbereich des nachgelagerten Vorrichtungsabschnitts.
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In einer möglichen Weiterbildung der Vorrichtung ist das Temperiermedium der zweiten Temperiervorrichtung ein Gasgemisch und/oder Luft. Beispielsweise kann Umgebungsluft verwendet werden. Weiterhin ist ein Gasgemisch nutzbar, welches einen geeigneten zur Partikelherstellung nutzbaren Stoffanteil aufweist, welcher der Brennkammer oder dem Reaktionsraum zugeführt werden kann.
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In einer möglichen Ausgestaltung der Vorrichtung sind die Brennkammer und der Reaktionsraumabschnitt doppelwandig ausgeführt. Zwischen einer Innenwand und einer Außenwand strömt jeweils ein Temperiermedium, wie beispielsweise Luft. Das Temperiermedium wird beispielsweise bei Umgebungstemperatur in die heiße Doppelwand der Brennkammer eingeleitet. Während das Temperiermedium der Brennkammer Wärme entzieht und aufgeheizt wird, strömt es in Richtung Reaktionsraumabschnitt. Das heiße Temperiermedium strömt anschließend durch die Doppelwand des Reaktionsraumabschnitts und gibt dort Wärme ab. So kann eine Standzeit der Brennkammer erhöht werden und gleichzeitig können Wärmeverluste am Reaktionsraumabschnitt minimiert werden. Die Behandlungstemperatur ist somit über die Länge des Reaktionsraumes, vorliegend insbesondere über die Länge der Brennkammer und des als Resonanzrohr ausgebildeten Reaktionsraumabschnitts, gleichmäßiger. Auch ist es möglich, dass heiße Temperiermedium nach der Erhitzung an der Brennkammer in den Reaktionsraumabschnitt selbst zu führen.
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In einer weiteren möglichen Ausgestaltung der Vorrichtung wird das Temperiermedium alternativ oder zusätzlich am Ende des Reaktionsraumabschnitts oder zwischen Brennkammer und Reaktionsraumabschnitt der Doppelwand zugeführt. In der Doppelwand erwärmt sich das Temperiermedium, da es dem entsprechenden Bauteil Wärme entzieht. Anschließend wird das heiße Temperiermedium beispielsweise dem Brenner als Primärluft für die Verbrennung zugeführt. So kann die Standzeit der Brennkammer erhöht werden sowie eine höhere Verbrennungstemperatur bei identischem Brennstoffeinsatz erreicht werden. Durch diese Ausführung kann die Effizienz der Vorrichtung signifikant gesteigert werden.
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Alternativ oder zusätzlich wird das bereits erwärmte Temperiermedium genutzt, die Abgasleitung in ihrer Temperatur über dem Taupunkt der sich darin befindlichen Stoffe zu halten. Dabei ist die Abgasleitung doppelwandig ausgeführt und/oder das Temperiermedium wird dem Abgas zugeleitet.
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Zur Einstellung einer jeweiligen Nutzung und somit Leitung des Temperiermediums umfasst die Vorrichtung in einer möglichen Ausgestaltung entsprechende Ventile und Leitungen, mittels welchen ein Strom des Temperiermediums geleitet werden kann. Somit kann je nach Bedarf entschieden werden, für welche Funktion oder Funktionen der Strom des Temperiermediums genutzt wird. Hierdurch ist auch eine Umschaltung oder Änderung des Stromes des Temperiermediums während eines Betriebs der Vorrichtung möglich.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.
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Darin zeigen:
- 1 schematisch eine Vorrichtung zur Herstellung von Partikeln mit einer Temperiervorrichtung,
- 2 schematisch ein erstes Ausführungsbeispiel eines Temperierabschnitts der Temperiervorrichtung,
- 3 schematisch ein zweites Ausführungsbeispiel eines Temperierabschnitts der Temperiervorrichtung,
- 4A und 4B schematisch weitere Ausführungsbeispiele eines Temperierabschnitts der Temperiervorrichtung,
- 5 schematisch eine Vorrichtung zur Herstellung von Partikeln mit einer Temperiervorrichtung,
- 6 schematisch eine perspektivische Ansicht einer Temperiervorrichtung und
- 7 schematisch ein weiteres Ausführungsbeispiel der Temperiervorrichtung.
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Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt eine Vorrichtung PR, insbesondere einen thermischen Reaktor zur Herstellung von feinteiligen Partikeln P, insbesondere von nanoskaligen oder nanokristallinen Partikeln P. Beispielsweise weisen die aus mindestens einem Rohstoffmaterial RM hergestellten Partikel P im Endprodukt eine mittlere Partikel- oder Korngröße von kleiner 10 nm bis wenige Millimeter, auf.
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Der thermische Reaktor ist beispielhaft als ein Pulsationsreaktor ausgebildet, in welchem in einem pulsierenden, schwingenden Heißgasstrom HGS die Partikel P gebildet werden. Hierzu umfasst der thermische Reaktor einen Brenner 1 und eine sich an den Brenner 1 anschließende Brennkammer 2 zur Erzeugung des pulsierenden Heißgasstroms HGS. Dabei werden Verbrennungsgase VG und zumindest ein Brennstoff BS über eine Zuführung 3 gemeinsam oder separat in den Brenner 1 und über diesen in die Brennkammer 2 eingebracht.
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Als Brennstoff BS wird insbesondere ein brennbares Gas, wie zum Beispiel Wasserstoff, zugeführt. Auch kann ein anderes geeignetes Gas als Brenngas zugeführt werden.
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Als Verbrennungsgas VG wird zum Beispiel Umgebungsluft, Sauerstoff, etc. verwendet. Die zugeführten Verbrennungsgase VG und Brennstoffe BS werden beispielsweise in der Brennkammer 2 gezündet. Die daraus resultierende Flamme pulsiert aufgrund einer selbsterregten periodisch-instationären Verbrennung und erzeugt einen pulsierenden Heißgasstrom HGS in der Brennkammer 2. Der pulsierende Heißgasstrom HGS strömt von der Brennkammer 2 strömungsausgangsseitig in einen Reaktionsraumabschnitt 5, beispielsweise ein Resonanzrohr.
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Im Detail werden der Brennstoff BS sowie das notwendige Verbrennungsgas VG gemeinsam, beispielsweise vorgemischt, oder getrennt über den Brenner 1 der Brennkammer 2 zugeführt und dort gezündet. Dabei verbrennen der Brennstoff BS und das Verbrennungsgas VG sehr schnell und erzeugen eine Druckwelle in Richtung des Reaktionsraumabschnitts 5, beispielsweise in Richtung eines Resonanzrohrs. Durch den geringeren Strömungswiderstand in Richtung des Reaktionsraumabschnitts 5 erfolgt die Ausbreitung einer Druckwelle. Während des akustischen Schwingungsverlaufes wird der Druck in der Brennkammer 2 reduziert, so dass neues Brenngasgemisch oder neuer Brennstoff BS und Verbrennungsgas VG nachströmen kann bzw. können. Dieser Vorgang des Nachströmens durch Druckschwankungen erfolgt selbstregelnd periodisch. Der pulsierende Verbrennungsprozess in der Brennkammer 2 erzeugt den pulsierenden Heißgasstrom HGS, welcher durch einen hohen Turbulenzgrad gekennzeichnet ist. Die hohe Strömungsturbulenz und die sich stetig wechselnde Strömungsgeschwindigkeit verhindern den Aufbau einer isolierenden Gashülle (Grenzschicht) um die sich aus dem Rohstoffmaterial RM, insbesondere eine Rohstoffmischung, bildenden Partikel P, wodurch ein höherer Wärmeübertrag und Stofftransport (zwischen Rohstoff und Heißgas), das heißt eine schnellere Reaktion bei vergleichsweise niedrigeren Temperaturen, möglich sind. Typischerweise liegt die Verweilzeit bei weniger als einer Sekunde bis wenige Sekunden. Zudem erreicht ein besonders großer Anteil der gebildeten Partikel P eine gewünschte sphärische Form. Die schnelle Reaktion führt weiterhin bei der Ausbildung der festen Phase der Partikel P zu einem hohen Anteil an Gitterfehlordnungen (zum Beispiel zu einer nanokristallinen Form) und infolgedessen zu einer hohen Reaktivität der hergestellten Partikel P. Zur Abscheidung der Partikel P als Reaktionsprodukt aus dem Heißgasstrom HGS schließt sich an den Reaktionsraum 5 zumindest mittelbar, beispielsweise mittels einer Ausgangsleitung A, eine geeignete Abscheidevorrichtung 7 für feinteilige Partikel P oder Feinstpartikel an.
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Die Frequenz des pulsierenden Heißgasstroms HGS liegt dabei im Hertz-Bereich, insbesondere in einem Bereich von wenigen Hertz, beispielsweise von größer 5 Hz, insbesondere größer 50 Hz, beispielsweise in einem Bereich von 5 Hz bis 350 Hz. Parameter des Heißgasstroms HGS, wie Amplitude und/oder Frequenz der Schwingung, sind dabei einstellbar. Dies kann über die Verbrennungsparameter, wie Brennstoffmenge, Luftmenge, Lufttemperatur, Brennstofftemperatur und/oder Flammentemperatur, Ort der Brennstoff-/Luftaufgabe und/oder über Proportionen und/oder Änderungen dieser von Brennkammer 2, Brenner 1 und/oder Reaktionsraum erfolgen.
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Der Reaktionsraumabschnitt 5 ist zum Beispiel als ein Resonanzrohr, welches sich unmittelbar an die Brennkammer 2 anschließt, ausgebildet. Die Brennkammer 2 ist als ein Brennraum ausgebildet, dessen Abmessungen, insbesondere dessen Durchmesser, größer ist als die Abmessungen, insbesondere größer als der Durchmesser des Reaktionsraumabschnitts 5.
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Beispielsweise sind die Brennkammer 2 und der Reaktionsraumabschnitt 5 im Wesentlichen senkrecht zueinander und in Längsrichtung X versetzt zueinander angeordnet. Beispielsweise ist die Brennkammer 2 im Wesentlichen vertikal angeordnet und der Reaktionsraumabschnitt 5 ist horizontal zur Brennkammer 2 angeordnet. Es ist aber auch jede andere geeignete Anordnung möglich.
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Zwischen der Brennkammer 2 und dem Reaktionsraumabschnitt 5 kann ein Bogenelement angeordnet sein, welches die Brennkammer 2 und den Reaktionsraumabschnitt 5 strömungstechnisch verbindet.
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Darüber hinaus ist mindestens ein Aufgabeort AO1 zur Aufgabe von Rohstoffmaterial RM, im Folgenden als Rohstoffmaterialaufgabe bezeichnet, vorgesehen. Zum Beispiel können im Bereich einer Eingangsleitung E und/oder in einem Bogenbereich des Bogenelementes Rohstoffmaterialien RM in Form von festen, gasförmigen und/oder flüssigen Rohstoffen und/oder Rohstoffmischungen, als Rohstofflösung oder Rohstoffdispersion eingebracht werden.
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Der Reaktionsraumabschnitt 5 kann optional gegenüber der Eingangsleitung E und einer Ausgangsleitung A für den Heißgasstrom HGS aufgeweitet ausgebildet sein.
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Alternativ oder zusätzlich kann das Rohstoffmaterial RM in die Brennkammer 2 und/oder in den sich daran anschließenden Reaktionsraumabschnitt 5, insbesondere in das Resonanzrohr, eingebracht werden. Hierzu kann die Vorrichtung PR weitere Aufgabeorte AO2 bis AOn im Bereich der Brennkammer 2, insbesondere am strömungseingangsseitigen Ende, und/oder entlang des Reaktionsraumabschnitts 5 aufweisen.
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Die Aufgabe des Rohstoffmaterials RM erfolgt in einer möglichen Ausführungsform am oberen Ende der Brennkammer 2, insbesondere am Übergang von Brennkammer 2 zum Reaktionsraumabschnitt 5. Beispielsweise erfolgt die Aufgabe des Rohstoffmaterials RM in den Heißgasstrom HGS in Strömungsrichtung R und parallel zu dieser.
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Im Fall einer Aufgabe des Rohstoffmaterials RM, insbesondere einer Lösung oder einer Suspension, bereits in der Brennkammer 2 kann die Brennkammer 2 selbst einen Reaktionsraum bilden. Im Allgemeinen findet in der Brennkammer 2 die Verbrennung statt und die Erzeugung des pulsierenden Heißgasstroms HGS. Demgegenüber findet im Reaktionsraumabschnitt 5 üblicherweise keine Verbrennung des Brennstoffes BS mehr statt. Es ist aber auch möglich, insbesondere am Eingang des Reaktionsraumabschnitts 5 und somit im Bereich des oberen Endes der Brennkammer 2 zusätzlich Brennstoff BS und/oder Verbrennungsgas VG als Zwischenfeuerung zuzuführen. Ebenso ist es möglich, brennerseitig der Brennkammer 2 Rohstoffmaterial RM zuzuführen. In diesem Fall bildet die Brennkammer 2 auch einen Reaktionsraum, da dort ebenfalls Material behandelt wird.
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Dem Reaktionsraumabschnitt 5 ist die Abscheidevorrichtung 7 mittelbar mittels der Ausgangsleitung A nachgeschaltet. Das Rohstoffmaterial RM wird mittels des Heißgasstroms HGS über den Reaktionsraumabschnitt 5 unter Bildung der Partikel P zu der Abscheidevorrichtung 7 geführt und transportiert. Die Abscheidevorrichtung 7 ist beispielsweise ein Fliehkraftabscheider und/oder Schwerkraftabscheider und/oder ein Filter, insbesondere ein Heißgasfilter. Aus der Abscheidevorrichtung 7 werden die gefertigten Partikel P abgeschieden.
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Wie die vorherige Beschreibung verdeutlicht, sind die Verbrennungstemperatur innerhalb der Brennkammer 2 zur Erzeugung des Heißgasstroms HGS und die Temperatur innerhalb des Reaktionsraumabschnitts 5 wichtige Steuergrößen für innerhalb der Vorrichtung PR ablaufende Prozesse, insbesondere zur Einstellung einer Prozesstemperatur des pulsierenden Heißgasstroms HGS.
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Um stets einen hohen Wirkungsgrad der Vorrichtung PR zu erzielen und die Vorrichtung PR an unterschiedliche Anwendungen anzupassen sowie unterschiedliche Betriebsarten derselben zu ermöglichen, umfasst die Vorrichtung PR zumindest eine Temperiervorrichtung TV2 zur Wärmeübertragung, insbesondere Übertragung einer Wärmemenge Q, zwischen wenigstens zwei Vorrichtungsabschnitten PR1 bis PRn.
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Im dargestellten Ausführungsbeispiel umfasst die Vorrichtung PR eine im Bereich der Brennkammer 2 und des Reaktionsraumabschnitts 5 angeordnete Temperiervorrichtung TV2. Beispielsweise bildet jeweils die Brennkammer 2 einen zu temperierenden Vorrichtungsabschnitt PR1 und der Reaktionsraumabschnitt 5 einen zu temperierenden Vorrichtungsabschnitt PR2. Alternativ oder zusätzlich können die Brennkammer 2 und der Reaktionsraumabschnitt 5 jeweils zwei oder mehrere zu temperierende Vorrichtungsabschnitte PR1 bis PRn umfassen.
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Die Temperiervorrichtung TV2 umfasst einen Temperierabschnitt 8, welcher mit den Vorrichtungsabschnitten PR1 bis PRn zur Wärmeübertragung thermisch gekoppelt ist. In einer Weiterbildung erstreckt sich der Temperierabschnitt 8 nur im Bereich der Brennkammer 2 oder nur im Bereich des Reaktionsraumabschnitts 5 zur einstellbaren Temperierung der gewünschten Vorrichtungsabschnitte PR1 bis PRn. Insbesondere umfasst der Temperierabschnitt 8 eine mit einer Wandung 2.1, 5.2 der Brennkammer 2 und des Reaktionsraumabschnitts 5 verbundene, nach innen gerichtete Wandung 8.1. Insbesondere ist die nach innen gerichtete Wandung 8.1 mit den Vorrichtungsabschnitten PR1 bis PRn zur Wärmeübertragung thermisch gekoppelt. Alternativ oder zusätzlich kann die nach innen gerichtete Wandung 8.1 des Temperierabschnitts 8 zumindest bereichsweise von der jeweiligen Wandung 2.1, 5.2 der Brennkammer 2 und/oder des Reaktionsraumabschnitts 5 in Abhängigkeit einer gewünschten Wärmeübertragung beabstandet sein.
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Des Weiteren umgibt der Temperierabschnitt 8 den jeweiligen Vorrichtungsabschnitt PR1 bis PRn teilweise oder vollständig. Insbesondere korrespondiert eine Form des Temperierabschnitts 8 mit einer Form des jeweiligen Vorrichtungsabschnitts PR1 bis PRn. Zum Beispiel umfasst der Temperierabschnitt 8 als Hüllmaterial zumindest ein wärmeleitendes Material.
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Weiterhin umfasst der Temperierabschnitt 8 einen Innenraum 8.2, in welchem zumindest ein Temperiermedium TM zur Wärmeübertragung zuführbar ist. Dabei temperiert, insbesondere kühlt, das Temperiermedium TM einen Hochtemperaturbereich eines vorgelagerten Vorrichtungsabschnitts PR1 und temperiert, insbesondere wärmt, einen Niedertemperaturbereich eines dem vorgelagerten Vorrichtungsabschnitt PR1 nachgelagerten Vorrichtungsabschnitts PR2, PRn. Beispielsweise kann in dem Innenraum 8.2 das Temperiermedium TM in Form eines Gasgemisches und/oder von Luft, wie zum Beispiel Umgebungsluft, zugeführt werden.
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Zur Zuführung des Temperiermediums TM umfasst der Temperierabschnitt 8 ein in den weiteren Figuren dargestelltes Zuführelement 8.3. Das Zuführelement 8.3 ist beispielsweise ein Leitungselement, insbesondere ein rohrförmig ausgebildetes Leitungselement zur Beaufschlagung des Innenraumes 8.2 mit dem Temperiermedium TM.
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Das Temperiermedium TM bewirkt eine Abkühlung entlang der Wandung 2.1, 5.2 der Brennkammer 2 und des Reaktionsraumes 5. Beispielsweise erhitzt sich die Wandung 2.1 der Brennkammer 2 aufgrund der innerhalb der Brennkammer 2 gezündeten Verbrennungsgase VG und Brennstoffe BS, insbesondere aufgrund der daraus resultierenden Flamme. Der dabei erzeugte pulsierende Heißgasstrom HGS strömt von der Brennkammer 2 strömungsausgangsseitig in den Reaktionsraum 5, wodurch beispielsweise die Wandung 5.2 des Reaktionsraumes 5 stark erhitzt wird. Zur Verminderung der an der jeweiligen Wandung 2.1, 5.2 entstehenden Hochtemperatur werden die Hochtemperaturbereiche mittels des Temperierabschnitts 8 und dem Temperiermedium TM gekühlt. Hierzu wird insbesondere an den Wandungen 2.1, 5.2 eine Wärme entzogen. Dadurch kann beispielsweise eine Standzeit der Brennkammer 2 und/oder des als Resonanzrohr ausgebildeten Reaktionsraumes 5 verbessert werden.
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Zur Abführung des Temperiermediums TM umfasst der Temperierabschnitt 8 ein in den weiteren Figuren dargestelltes Abführelement 8.4. Das Abführelement 8.4 ist beispielsweise ein Leitungselement, insbesondere in Form eines Rohres. Dabei ist das Abführelement 8.4 beispielsweise mit dem strömungseingangsseitigen Ende der Brennkammer 2 strömungstechnisch gekoppelt. Insbesondere ist das Abführelement 8.4 im Bereich des Aufgabeortes AO2 der Brennkammer 2 angeordnet, wobei die Abführung des Temperiermediums TM aus dem Innenraum 8.2 gleichzeitig eine Zuführung des Temperiermediums TM in die Brennkammer 2 bedeutet. Das der Brennkammer 2 zugeführte Temperiermedium TM bewirkt beispielsweise eine Vorwärmung des Verbrennungsgases VG innerhalb der Brennkammer 2.
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Alternativ ist das Abführelement 8.4 mit dem Reaktionsraumabschnitt 5 strömungstechnisch verbunden. Dabei wird der Reaktionsraumabschnitt 5 mit dem aus dem Innenraum 8.2 abgeführten Temperiermedium TM zur Verwirbelung des Heißgasstroms HGS, welcher eine verbesserte Durchmischung des Rohstoffmaterials RM ermöglicht, und zur Wärmeübertragung beaufschlagt.
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In einem möglichen Ausführungsbeispiel sind der Temperierabschnitt 8 und zumindest die jeweiligen Vorrichtungsabschnitte PR1 bis PRn als ein doppelwandiges oder mehrwandiges Bauteil ausgebildet. D. h., dass die Temperiervorrichtung TV2 ein Teil der Brennkammer 2 und/oder ein Teil des Reaktionsraumabschnitts 5 oder umgekehrt bildet. Dabei bilden die jeweilige Wandung 2.1, 5.2 und die nach innen gerichtete Wandung 8.1 des Temperierabschnitts 8 eine in 2 dargestellte Innenwandung 8.1.1 des mehrwandigen Bauteils. Entlang der Innenwandung 8.1.1 strömt das Temperiermedium TM zur Temperierung des jeweiligen Vorrichtungsabschnitts PR1 bis PRn und zur Wärmeübertragung zwischen den jeweiligen Vorrichtungsabschnitten PR1 bis PRn.
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2 zeigt ein Ausführungsbeispiel des Temperierabschnitts 8 der Temperiervorrichtung TV2.
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Im dargestellten Ausführungsbeispiel sind der Temperierabschnitt 8 und zumindest die jeweiligen Vorrichtungsabschnitte PR3, PR4 als ein mehrwandiges, insbesondere doppelwandiges, Bauteil ausgebildet. D. h., dass die Temperiervorrichtung TV2 ein Teil des Reaktionsraumabschnitts 5 bildet. Beispielsweise ist das doppelwandige Bauteil ein Doppelwandrohr. Dabei sind die Wandung 5.2 und die nach innen gerichtete Wandung 8.1 des Temperierabschnitts 8 zu einer Innenwandung 8.1.1 des doppelwandigen Bauteils zusammengeführt. Entlang der Innenwandung 8.1.1 strömt das Temperiermedium TM zur Temperierung, insbesondere Abkühlung, des vorgelagerten Vorrichtungsabschnitts PR3 und zur Wärmeübertragung zwischen den jeweiligen Vorrichtungsabschnitten PR3, PR4.
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Das Temperiermedium TM wird mittels des Zuführelementes 8.3 dem Temperierabschnitt 8 zugeführt. Dabei ist zwischen einer Außenwandung 8.1.2 und der Innenwandung 8.1.1 ein Innenraum 8.2' ausgebildet, in welchem das Temperiermedium TM in Richtung des nachgelagerten Vorrichtungsabschnitts PR4 strömt.
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Insbesondere umfasst der vorgelagerte Vorrichtungsabschnitt PR3 einen Hochtemperaturbereich, welcher beispielsweise aufgrund des Reaktionsraumabschnitts 5 mit dem Heißgasstrom HGS entsteht. Eine Wärmemenge Q wird an das Temperiermedium TM über die wärmeleitende Innenwandung 8.1.1 übertragen. Das Temperiermedium TM strömt zur Wärmeübertragung in Richtung des nachgelagerten Vorrichtungsabschnitts PR4 und wird durch das Abführelement 8.4, welches im dargestellten Ausführungsbeispiel als eine Durchgangsöffnung ausgebildet ist, abgeführt und dem Reaktionsraumabschnitt 5 zugeführt. Hierdurch wird eine Verwirbelung des im Reaktionsraumabschnitt 5 strömenden Heißgasstroms HGS erzeugt. Anschließend strömt der Heißgasstrom HGS mit dem Temperiermedium TM, wie zum Beispiel Luft, in Richtung der nicht näher gezeigten, dem Reaktionsraumabschnitt 5 nachgelagerten Abscheidevorrichtung 7.
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3 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel des Temperierabschnitts 8 der Temperiervorrichtung TV2.
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Zum Beispiel sind der Temperierabschnitt 8 und die jeweiligen Vorrichtungsabschnitte PR5, PR6 als ein mehrwandiges, insbesondere dreiwandiges, Bauteil ausgebildet. D. h., dass die Temperiervorrichtung TV2 einen Teil der Brennkammer 2 und des Reaktionsraumes 5 bildet.
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In einer Weiterbildung ist der Temperierabschnitt 8 als separates Bauteil an der Brennkammer 2 und an dem Reaktionsraumabschnitt 5 angeordnet, insbesondere im Bereich der zu temperierenden Vorrichtungsabschnitte PR5, PR6. Dabei kann der Temperierabschnitt 8 die Vorrichtungsabschnitte PR5, PR6 teilweise oder vollständig umgeben. Insbesondere korrespondiert die Form des Temperierabschnitts 8 mit der Form der Brennkammer 2 und der des Reaktionsraumabschnitts 5.
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Im dargestellten Ausführungsbeispiel umfasst der Temperierabschnitt 8 einen Innenraum 8.2', welcher zwischen der Wandung 2.1, 5.2 der Brennkammer 2 und des Reaktionsraumabschnitts 5 und der Innenwandung 8.1.1 ausgebildet ist. Durch den Innenraum 8.2' strömt das zugeführte Temperiermedium TM in Richtung des nachgelagerten Vorrichtungsabschnitts PR6, wobei das Temperiermedium TM mittels des Zuführelementes 8.3, welches am vorgelagerten Vorrichtungsabschnitt PR5 angeordnet ist, zugeführt wurde. Eine Wärmemenge Q wird an das Temperiermedium TM übertragen. Im Bereich des nachgelagerten Vorrichtungsabschnitts PR6 wird das Temperiermedium TM in Richtung der Brennkammer 2 abgeführt. Hierfür umfasst der Temperierabschnitt 8 einen weiteren Innenraum 8.2", welcher im dargestellten Ausführungsbeispiel über dem Innenraum 8.2' angeordnet ist. Anschließend wird das mit der Wärmemenge Q beaufschlagte Temperiermedium TM, beispielsweise mittels des Abführelementes 8.4, zum strömungseingangsseitigen Ende der Brennkammer 2 abgeführt und der Brennkammer 2 zugeführt. Dadurch kann insbesondere das Verbrennungsgas VG vorgewärmt werden.
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4A und 4B zeigen jeweils ein Ausführungsbeispiel des Temperierabschnitts 8 der Temperiervorrichtung TV2.
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In den dargestellten Ausführungsbeispielen strömt das Temperiermedium TM in Gegenrichtung des Heißgasstroms HGS. In 4A bildet die Brennkammer 2 zwei zu temperierende Vorrichtungsabschnitte PR7, PR8. In 4B bildet der Reaktionsraumabschnitt 5 den vorgelagerten Vorrichtungsabschnitt PR9 und die Brennkammer 2 den nachgelagerten Vorrichtungsabschnitt PR10.
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Das Temperiermedium TM wird im Hochtemperaturbereich des jeweiligen vorgelagerten Vorrichtungsabschnitts PR7, PR9 mittels des Zuführelementes 8.3 zugeführt. Das Temperiermedium TM strömt in Gegenrichtung des Heißgasstroms HGS innerhalb des Innenraumes 8.2 in Richtung des nachgelagerten Vorrichtungsabschnitts PR8, PR10. Anschließend wird das Temperiermedium TM mittels des jeweiligen Abführelementes 8.4 zum strömungseingangsseitigen Ende, zum Beispiel zum Brenner 1, abgeführt und der Brennkammer 2 zugeführt.
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5 zeigt ein mögliches weiteres Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung PR, insbesondere eines thermischen Reaktor zur Herstellung von feinteiligen Partikeln P, insbesondere von nanoskaligen oder nanokristallinen Partikeln P. Beispielsweise weisen die aus mindestens einem Rohstoffmaterial RM hergestellten Partikel P im Endprodukt eine mittlere Partikel- oder Korngröße von kleiner 10 nm bis wenige Millimeter, auf.
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Ein Aufbau und eine Funktionsweise der Vorrichtung PR entsprechen dem Aufbau und der Funktionsweise des in 1 dargestellten und in der zugehörigen Beschreibung beschriebenen Ausführungsbeispiels der Vorrichtung PR mit dem Unterschied, dass die Vorrichtung PR anstatt der Temperiervorrichtung TV2 eine Temperiervorrichtung TV1 umfasst. In nicht näher dargestellten Ausführungsbeispielen ist auch eine Ausbildung der Vorrichtung PR mit beiden Temperiervorrichtungen TV1, TV2 möglich.
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Die Temperiervorrichtung TV1 ist zu einer Temperierung des durch den Reaktionsraum 5 strömenden Heißgasstroms HGS ausgebildet, so dass stets ein hoher Wirkungsgrad der Vorrichtung PR erzielt werden kann. Weiterhin kann die Vorrichtung PR somit an unterschiedliche Anwendungen angepasst werden und es können unterschiedliche Betriebsarten derselben ermöglicht werden.
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Im dargestellten Ausführungsbeispiel umfasst die Vorrichtung PR eine im Bereich des Reaktionsraumabschnitts 5 angeordnete Temperiervorrichtung TV1, wobei in nicht näher dargestellten Ausführungsbeispielen auch mehr Temperiervorrichtungen TV1 im Bereich des Reaktionsraumabschnitts 5 vorgesehen sein können. Eine Position der Temperiervorrichtung TV1 kann dabei variieren und somit auch in Strömungsrichtung vor oder nach dem Reaktionsraumabschnitt 5 angebracht werden.
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Die Temperiervorrichtung TV1 umfasst ein Gehäuse 9, welches einen gegenüber dem Reaktionsraumabschnitt 5 im Wesentlichen größeren Querschnitt aufweist. Konkret kann durch die Wahl des Durchmessers des Gehäuses 9 die Pulsation des Heißgasstroms HGS beeinflusst werden.
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Des Weiteren umfasst die Temperiervorrichtung TV1 eine Eintrittsöffnung 9.1 und eine Austrittsöffnung 9.2 für den pulsierenden Heißgasstrom HGS. Ein Temperierabschnitt 10 ist im Gehäuse 9 angeordnet und ist mit dem Reaktionsraumabschnitt 5 jeweils im Bereich der Eintrittsöffnung 9.1 und der Austrittsöffnung 9.2 verbunden. Insbesondere ist die Temperiervorrichtung TV1 stoff-, kraft- und/oder formschlüssig mit einer Komponente der Vorrichtung PR, insbesondere mit dem Reaktionsraumabschnitt 5, verbunden.
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In einem möglichen Ausführungsbeispiel sind der Temperierabschnitt 10 und der Reaktionsraumabschnitt 5 als ein Bauteil ausgebildet. D. h., dass ein Abschnitt 5.1 des Reaktionsraumabschnitts 5 von dem Gehäuse 9 teilweise oder vollständig umgeben ist und der Abschnitt 5.1 einen Teil der Temperiervorrichtung TV1 bildet. Insbesondere ist das Gehäuse 9 den Temperierabschnitt 10 und/oder den Reaktionsraumabschnitt 5 umlaufend ausgebildet.
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Weiterhin ist jede der beschriebenen Ausführungsformen des Temperierabschnitts 10 auf den Abschnitt 5.1 des Reaktionsraumabschnitts 5 anwendbar. Beispielsweise wird das Gehäuse 9 im Bereich der Eintrittsöffnung 9.1 und im Bereich der Austrittsöffnung 9.2 mit dem Reaktionsraumabschnitt 5 stoff-, kraft- und/oder formschlüssig verbunden. Zum Beispiel ist das Gehäuse 9 mittels einer Schraub-, Schweiß-, Kleb-, Niet- und/oder Rastverbindung an einer Wandung 5.2 des Reaktionsraumabschnitts 5 fixierbar. Ist die Temperiervorrichtung TV1 mit dem Gehäuse 9 und mit einem separaten Temperierabschnitt 10 als ein separates Bauteil ausgebildet, kann der Reaktionsraumabschnitt 5 beispielsweise an dem vorgegebenen Abschnitt 5.1 in zwei Teile getrennt bzw. zerlegt werden. Die Temperiervorrichtung TV1 wird anschließend als separates Bauteil zwischen den getrennten Reaktionsraumteilen angeordnet und mit dem Reaktionsraumabschnitt 5 verbunden.
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In einer Weiterbildung ist sowohl das Gehäuse 9 als auch der Temperierabschnitt 10 im Wesentlichen zylindrisch, insbesondere rohrförmig, ausgebildet. Dabei korrespondieren eine Form des Gehäuses 9 und/oder eine Form des Temperierabschnitts 10 mit einer Form des Reaktionsraumabschnitts 5.
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Weiterhin umfasst der Temperierabschnitt 10 beispielsweise eine Anzahl oder Mehrzahl von Elementen 10.1 bis 10.n zur Einleitung der Temperierung des Heißgasstroms HGS. Eine Anzahl oder Mehrzahl, Anordnung, Form und Größe der im Temperierabschnitt 10 ausgebildeten Elemente 10.1 bis 10.n können je nach Behandlungsprozess und gewünschter Behandlungstemperatur variieren.
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Der Heißgasstrom HGS strömt durch die Eintrittsöffnung 9.1 und wird innerhalb des Temperierabschnitts 10 abgekühlt, so dass ein abgekühlter Heißgasstrom HGS aus der Austrittsöffnung 9.2 in Richtung der Abscheidevorrichtung 7 strömt.
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Zum Beispiel sind die Elemente 10.1 im Temperierabschnitt 10 ausgebildete Durchgangsöffnungen. Insbesondere ist der Temperierabschnitt 10 perforiert ausgebildet. Beispielsweise sind die Elemente 10.1 kreisförmig, oval oder länglich ausgebildet. Die Durchgangsöffnungen sind zur Unterstützung einer Verwirbelung des Heißgasstroms HGS mit dem Temperiermedium TM innerhalb des Temperierabschnitts 10 vorgesehen, wenn der Heißgasstrom HGS durch die Eintrittsöffnung 9.1 strömt. Dabei bewirkt die Verwirbelung eine Verringerung der spezifischen Wärmeenergie des Heißgasstroms HGS.
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In einem weiteren Ausführungsbeispiel sind die Elemente 10.2 bis 10.n als Leitungselemente ausgebildet. Die Leitungselemente ragen in den Gehäuseinnenraum 9.3 und sind zur Leitung eines in den Gehäuseinnenraum 9.3 geführten Temperiermediums TM in den Temperierabschnitt 10 und somit in den Reaktionsraumabschnitt 5 vorgesehen. Hierbei sind die Leitungselemente rohrförmig ausgebildet und beispielsweise an einem dem Temperierabschnitt 10 zugewandten Ende mit dem Temperierabschnitt 10 stoff-, kraft- und/oder formschlüssig verbunden. Beispielsweise sind die Leitungselemente mittels einer Schweiß-, Kleb-, Rast- und/oder Schraubverbindung an dem Temperierabschnitt 10 befestigt.
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Des Weiteren ist eine Beaufschlagung mit dem Temperiermedium TM innerhalb des Gehäuses 9, insbesondere in dem zwischen dem Gehäuse 9 und dem Temperierabschnitt 10 gebildeten Gehäuseinnenraum 9.3, möglich. Dabei kann der Temperierabschnitt 10 als ein Kühlsegment ausgebildet sein.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung ist der Temperierabschnitt 10 derart ausgebildet, dass ein Querschnitt des Temperierabschnitts 10 im Wesentlichen größer oder kleiner ist als Querschnitt des Reaktionsraumabschnitts 5 oder, dass der Querschnitt des Temperierabschnitts 10 und der des Reaktionsraumabschnitts 5 gleich groß sind. In Abhängigkeit ausgebildeter Querschnitte des jeweiligen Temperierabschnitts 10 und/oder des Reaktionsraumabschnitts 5 ist beispielsweise eine Beeinflussung einer Strömung innerhalb des Reaktionsraumabschnitts 5 und des Temperierabschnitts 10 und somit auch innerhalb der Vorrichtung PR vorhandener Druckverhältnisse möglich.
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In einer weiteren möglichen Ausgestaltung ist das Gehäuse 9 ohne innenliegenden perforierten Rohrabschnitt ausgeführt. Zur Zufuhr des Temperiermediums TM ist ein Anschluss 9.4 direkt am Gehäuse 9 vorgesehen. In dieser Ausführung ist der Durchmesser des Gehäuses 9 größer als der Durchmesser eines sich in Strömungsrichtung davor befindlichen Anlagensegmentes, insbesondere des Reaktionsraumabschnitts 5. Somit ist ein aufgeweitetes Anlagensegment mit einer Zufuhr eines Temperiermediums TM, wie beispielsweise Luft, Wasser oder Stickstoff, vorgesehen.
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Das Temperiermedium TM ist beispielsweise ein gasförmiges Temperiermedium TM. Dabei kann das Temperiermedium TM Luft, wie zum Beispiel Umgebungsluft und/oder ein anderes Gas oder Gasgemisch sein.
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Zur Beaufschlagung des Gehäuseinnenraums 9.3 mit dem Temperiermedium TM umfasst das Gehäuse 9 eine Öffnung 9.4. Das Temperiermedium TM strömt durch die Öffnung 9.4 und vermischt sich beispielsweise mit dem Heißgasstrom HGS. Dadurch wird der Heißgasstrom HGS abgekühlt und mit dem Temperiermedium TM in Richtung des Reaktionsraumabschnitts 5 durch die Austrittsöffnung 9.2 der Temperiervorrichtung TV1 abgeführt.
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2 zeigt ein Ausführungsbeispiel der an dem Reaktionsraumabschnitt 5 angeordneten Temperiervorrichtung TV1.
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Die Temperiervorrichtung TV1 umfasst im dargestellten Ausführungsbeispiel sechs Elemente 10.2 bis 10.n, wobei auch mehr oder weniger Elemente 10.2 bis 10.n vorgesehen sein können. Die als Leitungselemente ausgebildeten Elemente 10.2 bis 10.n sind voneinander im Wesentlichen beabstandet und radial an dem Temperierabschnitt 10 und im Gehäuseinnenraum 10.3 verteilt angeordnet. Insbesondere ist durch die Anordnung der Leitungselemente eine weitestgehend gleichmäßige Temperierung des Heißgasstroms HGS möglich.
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Der Gehäuseinnenraum 9.3 wird durch ein Zuführungselement 11 mit beispielsweise einem vorgegebenen Druck mit dem Temperiermedium TM beaufschlagt. Das Temperiermedium TM wird durch die Leitungselemente in den Temperierabschnitt 10 geführt. Hierfür sind die Leitungselemente rohrförmig ausgebildet. Eine Abmessung, insbesondere eine von dem Temperierabschnitt 10 abragende Länge, eine Anzahl und Anordnung können variieren.
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Das Temperiermedium TM kühlt innerhalb des Temperierabschnitts 10 den Heißgasstrom HGS ab und strömt gemeinsam und vermischt mit dem Heißgasstrom HGS in Richtung des Reaktionsraumabschnitts 5.
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3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der an dem Reaktionsraumabschnitt 5 angeordneten Temperiervorrichtung TV1.
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Der Temperierabschnitt 10 der Temperiervorrichtung TV1 weist eine Mehrzahl der als Durchgangsöffnungen ausgebildeten Elemente 10.1 auf. Zum Beispiel sind die Durchgangsöffnungen an dem Abschnitt 5.1 des Reaktionsraumabschnitts 5 ausgebildet. Dabei ist das Gehäuse 9 der Temperiervorrichtung TV 1 beispielsweise aus einem zu einem Gehäuse 9 geformten Blech ausgebildet, wobei das Gehäuse 9 horizontal entlang des Reaktionsraumabschnitts 5 angeordnet ist. Hierbei ist der Abschnitt 5.1 vollständig von dem Gehäuse 9 umschlossen. Des Weiteren können die Durchgangsöffnungen mittels Perforation in dem Abschnitt 5.1 ausgebildet werden.
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Mittels des perforierten Temperierabschnitts 10 und/oder des Abschnitts 5.1 wird eine Verwirbelung des pulsierenden Heißgasstroms HGS innerhalb des Temperierabschnitts 10 unterstützt, wenn der Heißgasstrom HGS durch den Temperierabschnitt 10 und/oder durch den Abschnitt 5.1 strömt. Hierbei ist davon auszugehen, dass kein festes oder flüssiges Temperiermedium TM im Gehäuse 9 angeordnet ist. Dadurch wird insbesondere eine bessere Durchmischung der Rohstoffe bzw. Rohstoffmischungen der Rohstoffmaterialaufgabe ermöglicht. Zudem wird die spezifische Wärmeenergie des Heißgasstroms HGS gesenkt. Weiterhin kann durch die Perforierung des Temperierabschnitts 10 die Pulsation des Heißgasstroms HGS beeinflusst werden.
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In weiteren, nicht näher dargestellten Ausführungen umgibt der Gehäuseinnenraum 9.3 den Reaktionsraumabschnitt 5 nur teilweise von einer Oberseite desselben ausgehend bis maximal zu einer Hälfte der Höhe des Reaktionsraumabschnitts 5. Bei dieser Ausführung weist der Reaktionsraumabschnitt 5 ausschließlich in dem Bereich, welcher von dem Gehäuseinnenraum 9.3 umgeben ist, die als Durchgangsöffnungen ausgebildeten Elemente 10.1 auf. Hierdurch kann vermieden werden, dass sich am Boden des Gehäuseinnenraums 9.3 Partikel P sammeln, die mit fortschreitender Betriebsdauer den Gehäuseinnenraum 9.3 befüllen und somit die Unterstützung der Verwirbelung des Heißgasstroms HGS innerhalb des Temperierabschnitts 10 mindern oder vermeiden. Auch können so Rückvermischungen zwischen mittels der Vorrichtung PR hergestellten verschiedenen Produkten oder Rückvermischungen zwischen Produkten an unterschiedlichen Versuchspunkten innerhalb der Vorrichtung PR vermieden werden und ein Reinigungsaufwand der Vorrichtung PR wird minimiert.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Brenner
- 2
- Brennkammer
- 2.1
- Wandung
- 3
- Zuführung
- 5
- Reaktionsraumabschnitt
- 5.1
- Abschnitt
- 5.2
- Wandung
- 7
- Abscheidevorrichtung
- 8
- Temperierabschnitt
- 8.1
- Wandung
- 8.1.1
- Innenwandung
- 8.1.2
- Außenwandung
- 8.2 bis 8.2"
- Innenraum
- 8.3
- Zuführelement
- 8.4
- Abführelement
- 9
- Gehäuse
- 9.1
- Eintrittsöffnung
- 9.2
- Austrittsöffnung
- 9.3
- Gehäuseinnenraum
- 9.4
- Öffnung
- 10
- Temperierabschnitt
- 10.1 bis 10.n
- Element
- 11
- Zuführungselement
- A
- Ausgangsleitung
- AO1 bis AOn
- Aufgabeort
- BS
- Brennstoff
- E
- Eingangsleitung
- HGS
- Heißgasstrom
- P
- Partikel
- PR
- Vorrichtung
- PR1 bis PRn
- Vorrichtungsabschnitt
- Q
- Wärmemenge
- R
- Strömungsrichtung
- RM
- Rohstoffmaterial
- TM
- Temperiermedium
- TV1
- Temperiervorrichtung
- TV2
- Temperiervorrichtung
- VG
- Verbrennungsgas
- X
- Längsrichtung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 02/072471 [0005]
- DE 102004044266 A1 [0005]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- DIN SPEC 1121 [0013]
- DIN ISO/TS 27687 [0013]
