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Die Erfindung betrifft ein Heizsystem zum Zuführen thermischer Energie zu einem strömungsfähigen Stoff.
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Die thermische Energie wird durch Umwandlung aus einer anderen Energieform, nämlich elektrischer Energie erzeugt. Die Wärmeübertragung auf den strömenden Stoff erfolgt im Wege der Konvektion. Bei der Konvektion bzw. dem Strömungstransport wird die thermische Energie durch den strömungsfähigen Stoff transportiert. Der konvektive Transport thermischer Energie wird daher auch als Wärmemitführung bezeichnet. Die Strömung des Stoffs kann erzwungen oder als freie Konvektion durch thermodynamische Ungleichgewichte entstehen.
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Eine Heizung wird als Konvektionsheizung bezeichnet, wenn der überwiegende Teil ihrer Wärmeabgabe durch Konvektion erfolgt. Eine Konvektionsheizung gibt jedoch zugleich stets auch Wärmestrahlung ab.
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Ausgehend von diesem Stand der Technik soll ein Heizsystem, insbesondere eine Mikroheizung mit geringen Leistungen bis maximal 50 Watt und Temperaturen bis 500 Grad Celsius und Heizflächen zwischen 1 mm2 und 1 m2 geschaffen werden, die ein schnelles Aufheizen eines strömungsfähigen Stoffs ermöglicht.
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Diese Aufgabe wird durch ein Heizsystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Merkmalen der Unteransprüche.
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Die Lösung basiert auf dem Gedanken, dass der strömungsfähige Stoff in dem Reaktor ausschließlich mit der Absorberoberfläche in direkten Kontakt gelangt, nicht jedoch mit der elektrisch betriebenen, außerhalb des Reaktors angeordneten Strahlungsquelle zur Erzeugung der elektromagnetischen Strahlung, die auf die Absorberoberfläche auftrifft.
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In dem erfindungsgemäßen Heizsystem wird elektrische Energie in der elektrisch betriebenen Strahlungsquelle in elektromagnetische Strahlung gewandelt. Die auf die Absorberoberfläche auftreffende elektromagnetische Strahlung wird in thermische Energie umgewandelt. Die thermische Energie wird im Wege der Konvektion von dem Absorber auf den strömenden Stoff in dem Reaktor übertragen.
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Der strömungsfähige Stoff kann flüssig oder gasförmig sein und umfasst insbesondere auch flüssige oder gasförmige Stoffgemische. Typische strömungsfähige Stoffe, auf die die thermische Energie übertragen wird, sind Wasser und Luft. Insbesondere bei chemisch aktiven Stoffen lässt sich das erfindungsgemäße Heizsystem vorteilhaft einsetzen, weil der Stoff ausschließlich mit der Absorberoberfläche, nicht jedoch mit der elektrisch betriebenen Strahlungsquelle in Kontakt gelangt.
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Mittels der übertragenen thermischen Energie wird der Stoff erwärmt, verdampft oder zur Reaktion gebracht.
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Die Absorberoberfläche, die ausschließlich mit dem Stoff in Kontakt gelangt, besteht vorzugsweise aus einem Material mit hoher Beständigkeit gegen chemische Einflüsse und hoher Verschleißbeständigkeit, um einen dauerhaften Betrieb des Heizsystems zu gewährleisten. Als Materialien für die Absorber kommen insbesondere Materialien der technischen Keramik oder aber auch Silizium zum Einsatz.
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Um eine hohe Effizienz des Heizsystems zu gewährleisten, werden die von der elektrisch betriebenen Strahlungsquelle erzeugte elektromagnetische Strahlung und der Absorber derart aufeinander abgestimmt, das der Absorptionsgrad des Absorbers mindestens 50%, im Idealfall mindestens 90% beträgt. Der Absorptionsgrad besagt, welcher Anteil der Leistung der auftreffenden elektromagnetischen Strahlung von der Absorberoberfläche absorbiert, d.h. aufgenommen wird. Eine hohe absorbierte Energie vermehrt die thermische Energie des Absorbers und beschleunigt die Aufheizung des durch den Reaktor strömenden Stoffs. Der Absorptionsgrad hängt von der Einstrahlrichtung und der Frequenz der auf den Absorber auftreffenden elektromagnetischen Strahlung sowie vom Material des Absorbers ab.
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Die elektrisch betriebene Strahlungsquelle zur Erzeugung der elektromagnetischen Strahlung kann beispielsweise mindestens eine LED oder einen Laser aufweisen. Die Strahlungsquelle kann zusätzlich eine Optik aufweisen, die mit Hilfe von Linsen und/oder Reflektoren die Strahlung auf die Absorberoberfläche ausrichtet. Vorzugsweise ist die elektrisch betriebene Strahlungsquelle derart eingerichtet, dass elektromagnetische Strahlung in einem Wellenlängenbereich zwischen 10 nm bis 1 mm abgestrahlt wird. Der vorgenannte Wellenlängenbereich deckt das Infrarotspektrum, das sichtbare Spektrum sowie das UV-Spektrum ab. Vorzugsweise emittiert die elektrisch betriebene Strahlungsquelle Licht im sichtbaren Spektrum im Wellenlängenbereich zwischen 380 nm (Violett) bis 780 nm (Rot) .
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Eine vorteilhafte Möglichkeit den Stoff mit der Absorberoberfläche in Kontakt zu bringen besteht darin, dass der Reaktor eine an jeden Strömungsweg angrenzende Reaktorwand aufweist und der Absorber ein Bestandteil dieser Reaktorwand ist. Der Absorber besitzt gegenüber der Reaktorwand sowie der Umgebung einen höheren thermischen Widerstand und zugleich eine geringe Wärmekapazität. Dadurch erhitzt er sich infolge der auftreffenden elektromagnetischen Strahlung innerhalb kurzer Zeit, vorzugsweise auf Temperaturen deutlich oberhalb von 100 Grad Celsius.
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Sofern zumindest ein im Strahlengang der elektrisch betriebenen Strahlungsquelle liegender Teil der Reaktorwand für die elektromagnetische Strahlung durchlässig ist, kann der Absorber in einer alternativen Ausgestaltung der Erfindung an einer Innenseite der Reaktorwand oder im Abstand zu der Reaktorwand innerhalb des Reaktors angeordnet sein. Die Anordnung im Abstand zu der Reaktorwand innerhalb des Reaktors hat den Vorteil, dass die gesamte Absorberoberfläche mit dem strömungsfähigen Stoff innerhalb des Reaktors in Kontakt gelangt.
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Eine vorteilhafte Möglichkeit zur Herstellung einer Baueinheit aus Absorber und Reaktor besteht darin, dass der Absorber auf die Innenseite der Reaktorwand in Form einer Beschichtung aufgebracht ist. Die Beschichtung kann beispielsweise bei der Herstellung des Reaktors auf eine Innenseite der für die elektromagnetische Strahlung durchlässigen Reaktorwand aufgedampft werden. Selbstverständlich kommen auch andere Beschichtungsverfahren, wie beispielsweise CVD-Verfahren zum Aufbringen der Absorberbeschichtung in Betracht.
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Um eine direkte Einstrahlung der elektromagnetischen Strahlung auf den strömenden Stoff weitgehend oder vollständig zu vermeiden, ist die Reaktorwand vorzugsweise lediglich teilweise durchlässig für die elektromagnetische Strahlung. Die Reaktorwand kann in dem strahlungsdurchlässigen Bereich ein Einkoppelfenster für die elektromagnetische Strahlung aufweisen.
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Um Reflektionsverluste zu minimieren und dadurch die Einstrahleffizienz und damit die Bestrahlungsstärke auf dem Absorber zu erhöhen, ist in vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung der für die elektromagnetische Strahlung durchlässige Teil der Reaktorwand auf der der elektrisch betriebenen Strahlungsquelle zugewandten Seite mit einer Antireflex Beschichtung versehen.
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Der Absorber ist vorzugsweise flächig ausgebildet, insbesondere weist er die Form einer Platte auf. Die im Verhältnis zur Dicke große Oberfläche reduziert die Wärmekapazität und begünstigt damit eine schnelle Erwärmung des Absorbers. Die Kontur des flächigen Absorbers kann an die Gegebenheiten des Reaktorraumes angepasst werden. Der Absorber kann jedoch auch andere, nicht flächige Formen aufweisen, soweit sich diese in den Innenraum des Reaktors integrieren lassen.
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Die Wärmeübertragung an den strömungsfähigen Stoff kann dadurch erhöht werden, dass der Absorber aus einem offenporigen Material besteht, welches von dem strömungsfähigen Stoff durchströmbar ist. In Betracht kommen beispielsweise poröse Keramiken in Form eines Schaumes oder in Wabenstruktur. Die offenporige Struktur vergrößert die Oberfläche des Absorbers, die mit dem strömungsfähigen Soff in Kontakt gelangt.
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In einer Ausgestaltung der Erfindung weist der Reaktor mehrere Einlässe und mehrere Auslässe für den strömungsfähigen Stoff auf. Zwischen jedem Einlass und jedem Auslass erstreckt sich beispielsweise ein Kanal. Der Kanalquerschnitt kann derart klein gewählt werden, dass aufgrund des Kapillareffektes der strömungsfähige Stoff in die Kanäle nachströmt.
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Die mehreren Kanäle bilden zusammen zumindest einen Teil des Strömungswegs zwischen dem mindestens einen Einlass und dem mindestens einen Auslass des Reaktors. Wenn mehrere Kanäle zumindest einen Teil des Strömungswegs zwischen dem mindestens einen Einlass und dem mindestens einen Auslass des Reaktors bilden, kann das offenporige Material des Absorbers in die mehreren Kanäle eingebettet werden.
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Um die Übertragung thermischer Energie von dem Absorber auf den strömungsfähigen Stoff regeln zu können, ist in einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass das Heizsystem einen Temperatursensor zur Regelung der elektrisch betriebenen Strahlungsquelle aufweist. Der Temperatursensor kann in den Absorber integriert sein oder im Bereich der elektrisch betriebenen Strahlungsquelle angeordnet sein, um die Wärmestrahlung des Absorbers zu detektieren. Als Temperatursensoren kommen beispielsweise Heißleiter (NTC- Widerstände) oder nach dem thermoelektrischen Prinzip arbeitende Temperatursensoren, insbesondere aus mehreren Thermoelementen bestehende Thermosäulen in Betracht.
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Um eine Abkühlung des strömenden Stoffs bzw. Kondensation des verdampften Stoffs in Strömungsrichtung hinter dem Absorber zu vermeiden, ist in vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung der Abstand zwischen jedem Auslass und dem Absorber deutlich geringer als der Abstand zwischen jedem Einlass und dem Absorber. Vorzugsweise ist jeder Auslass in unmittelbarer Nähe zum Absorber angeordnet. Des Weiteren stimmt der Abstand zwischen jedem Einlass und dem Absorber und jedem Auslass und dem Absorber vorzugsweise überein, um einen gleichmäßigen Wärmeeintrag in den Stoff zu gewährleisten.
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Insbesondere wenn ein flüssiger Stoff verdampft werden soll, kann jeder Auslass dadurch unmittelbar an einer Absorberplatte angeordnet werden, in dem der Auslass nach Art eines Kamins in senkrechter Richtung unmittelbar oberhalb einer horizontal angeordneten Absorberoberfläche angeordnet ist.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand mehrerer Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen
- 1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Heizsystems mit einem Strömungsweg für den strömungsfähigen Stoff,
- 2 ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Heizsystems mit einem Strömungsweg für den strömungsfähigen Stoff mit abweichender Anordnung des Absorbers,
- 3 ein drittes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Heizsystems mit einem Strömungsweg und abweichender Anordnung des Absorbers,
- 4 ein erfindungsgemäßes Heizsystem mit einem Strömungsweg für den strömungsfähigen Stoff und einer Regelung der Heizleistung,
- 5 ein erfindungsgemäßes Heizsystem mit einem mehrere Kanäle aufweisenden Strömungsweg für den strömungsfähigen Stoff.
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1 zeigt ein Heizsystem mit einem Reaktor (1) mit einem Reaktorinnenraum (6), einem Einlass (2) und einem Auslass (3). Über dem Einlass (2) wird ein strömungsfähiger Stoff (4) dem Reaktorinnenraum (6) zugeführt und über den Auslass (3) aus dem Reaktorinnenraum (6) abgeführt. Eine Reaktorwand (5) begrenzt den Reaktorinnenraum (6). Im einfachsten Fall ist der Reaktor (1) als Rohr mit einem kreisförmigen oder rechteckigen Querschnitt ausgestaltet. Das Heizsystem verfügt weiter über einen Absorber (7) mit einer Absorberoberfläche (8). In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Absorber (7) ein Bestandteil der Reaktorwand (5). Der dem Reaktorinnenraum (6) zugewandte Teil der Absorberoberfläche (8) kommt mit dem strömungsfähigen Stoff (4) auf dem Strömungsweg (9) zwischen Ein- und Auslass (2, 3) unmittelbar in Kontakt.
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Außerhalb des Reaktors (1) ist eine elektrisch betriebene Strahlungsquelle (10) zur Erzeugung einer elektromagnetischen Strahlung (11) angeordnet, wobei die Strahlungsquelle (10) unterhalb des Absorbers (7) derart angeordnet ist, dass die elektromagnetische Strahlung (11) auf die nach außen weisende Absorberoberfläche (8) des Absorbers (7) auftrifft. Der Absorber (7) weist die Form einer Platte auf, wobei die Dicke der Platte der Dicke der Reaktorwand entspricht. Der Absorber (7) besteht aus Silizium und weist aufgrund seiner Geometrie und des Materials eine geringe Wärmekapazität Cth auf. Der thermische Widerstand des Absorbers (7) gegenüber der Reaktorwand und der Umgebung ist hoch.
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Die einfallende elektromagnetische Strahlung (11) erhitzt daher den Absorber (7) in kurzer Zeit auf Temperaturen deutlich oberhalb von 100 Grad Celsius. Der Absorber (7) überträgt mittels der zum Reaktorinnenraum (6) weisenden Absorberoberfläche (8) die thermische Energie konvektiv auf den strömenden Stoff (4). Die dargestellte Strahlungsquelle (10) strahlt elektromagnetische Strahlung im sichtbaren Spektrum ab und ist als Lichtquelle ausgeführt. Der Stoff (4) ist beispielsweise eine Flüssigkeit, die während der Strömung zwischen Ein- und Auslass (2,3) entlang des Strömungswegs (9) erhitzt wird und über den Auslass (3) abgeführt wird.
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2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel eines Heizsystems mit einem Strömungsweg (9) zwischen Ein- und Auslass (2, 3). Soweit das Heizsystem übereinstimmende Komponenten aufweist, sind diese mit übereinstimmenden Bezugszeichen wie bei dem Ausführungsbeispiel nach 1 bezeichnet.
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Der Reaktor (1) des Heizsystems nach 2 weist eine Reaktorwand (5) auf, die teilweise durchlässig für die elektromagnetische Strahlung (12) ist. Der strahlungsdurchlässige Teil der Reaktorwand wird durch ein lichtdurchlässiges Einkoppelfenster (12) gebildet, das in die Reaktorwand (5) eingelassen ist. Das Einkoppelfenster (12) liegt im Strahlengang (13) der elektromagnetischen Strahlung (11) der Strahlungsquelle (10), die in dem Ausführungsbeispiel nach 2 zusätzlich eine Optik (14) aufweist, die die elektromagnetische Strahlung bündelt. Auf der der Strahlungsquelle (10) zugewandten Seite ist das Einkoppelfenster (12) mit einer Antireflexbeschichtung (15) versehen, die die Reflektionsverluste mindert und damit die Einstrahleffizienz auf den Absorber (7) erhöht. Abweichend zum Ausführungsbeispiel nach 1 ist der Absorber kein Bestandteil der Reaktorwand (5), sondern im Abstand zu der Reaktorwand (5) in dem Reaktorinnenraum (6) angeordnet. Hierzu sind der Übersichtlichkeit halber in 2 nicht dargestellte Halterungen im Reaktorinnenraum (6) vorgesehen. Der Absorber (7) weist ebenfalls die Form einer Platte auf, die eine übereinstimmende Größe wie die Platte des Heizsystems nach 1 aufweist. Bei gleicher Wärmekapazität weist der derart angeordnete Absorber (8) eine größere Oberfläche auf, von der aus die thermische Energie auf den Stoffstrom übertragen wird.
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3 zeigt eine weitere Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Heizsystems mit einem Strömungsweg (9) für den strömungsfähigen Stoff (4). Soweit das Heizsystem mit dem Heizsystemen nach 2 übereinstimmt, werden übereinstimmende Bezugszeichen verwendet. Unterschiede ergeben sich hinsichtlich der Anordnung des Absorbers (7) in dem Reaktorinnenraum (6). Der Absorber (7) ist an einer Innenseite der Reaktorwand (5) in Form einer Beschichtung aufgebracht. Die Reaktorwand (5) wird in dem Teil der Beschichtung von dem Einkoppelfenster (12) für die elektromagnetische Strahlung (11) gebildet. Die Strahlungsquelle (10) mit Optik (14) stimmt mit derjenigen des Ausführungsbeispiels nach 2 überein.
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4 zeigt ein viertes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Heizsystems mit einem Strömungsweg (9) zwischen Ein- und Auslass (2, 3). Der Reaktor (1) ist entsprechend dem Reaktor nach 1 aufgebaut, sodass insoweit auf die Beschreibung der 1 verwiesen wird. Unterschiede ergeben sich hinsichtlich der Strahlungsquelle (10), die hier als Laser-Lichtquelle (10, 16) ausgestaltet ist, deren Strahlengang (13) auf die nach außen weisende Absorberoberfläche (8) des Absorbers (7) auftrifft. Das Heizsystem verfügt zusätzlich über einen Temperatursensor (17), der in einen Regelkreis zur Steuerung der Laserleistung des Lasers (16) eingebunden ist. Der Temperatursensor (17) ist als Thermosäule ausgestaltet. Er ist benachbart zu der Laser-Lichtquelle platziert, um die von dem Absorber (8) ausgehende Wärmestrahlung (19) zu detektieren. Die Wellenlänge im Bereich des sichtbaren Spektrums wird mit einem Filter (18) unterdrückt. Der Regelkreis erlaubt es beispielsweise die Heizleistung in dem Heizsystem auf einem konstanten Niveau zu halten.
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5 zeigt ein fünftes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Heizsystems, das mehrere Kanäle (20) für den strömungsfähigen Stoff aufweist. Der strömungsfähige Stoff (4) ist eine Flüssigkeit, die in dem Heizsystem verdampft wird. Der Reaktor (1) weist insgesamt vier Einlässe (2) auf. Ausgehend von den Einlässen (2) erstrecken sich die Kanäle (20) in Richtung eines in die Reaktorwand (5) eingelassenen Absorbers (7) aus beispielsweise keramischem Material. Die Kanäle (20) verlaufen in Längsrichtung der als Platte ausgebildeten unteren Reaktorwand (5). Unmittelbar oberhalb des Absorbers (7) befinden sich in einer ebenfalls als Platte ausgebildeten oberen Reaktorwand mehrere rechtwinklig zu den Kanälen (20) verlaufende Durchgänge (21), die in der Oberfläche der oberen Reaktorwand (5) münden. Die Mündungen der Durchgänge (21) sind die Auslässe (3) des Heizsystems. Die Kanäle (20) weisen beispielsweise einen Durchmesser von 100µm und die Durchgänge (21) einen Durchmesser von 40µm auf. Die Kanäle (20) und die Durchgänge (21) bilden zusammen den Strömungsweg (9).
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Die untere Reaktorwand (5) ist unterhalb des Absorbers (7) für die elektromagnetische Strahlung durchlässig. Die elektromagnetische Strahlung wird in dem Ausführungsbeispiel von einem LED-Array (22) gebildet. An dem LED-Array (22) sind Kühlkörper (23) angeordnet.
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Das Heizsystem nach 5 ist derart eingerichtet, dass der über die Einlässe (2) zugeführte flüssige Stoff (4) durch die Übertragung der thermischen Energie mittels des Absorbers (7) verdampft und über die unmittelbar oberhalb des Absorbers (7) befindlichen Durchgänge (21) der dampfförmige Stoff (4) an den Auslässen (3) austritt.
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5 ist zu entnehmen, dass das Mikro-Heizsystem beispielsweise eine Länge von 10 bis 20 mm und eine Dicke von 1 bis 2,6 mm einschließlich des LED-Arrays aufweist. Das Ausführungsbeispiel verdeutlicht, dass das erfindungsgemäße Heizsystem insbesondere zur Herstellung von Mikro-Heizsystemen geeignet ist. Diese Mikro-Heizsysteme weisen Heizleistungen bis maximal 50 Watt, Temperaturen bis 500 Grad Celsius und Heizflächen ab 1 mm2 auf. Die Aufheizzeit ist aufgrund des erfindungsgemäßen Wärmeübertragungsmechanismus außerordentlich kurz. Durch die erfindungsgemäße Entkopplung von Strahlungsquelle (10) und Absorber (7) können auch reaktive Stoffe ohne Beschädigung des Heizsystems erwärmt oder verdampft werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1.
- Reaktor
- 2.
- Einlass
- 3.
- Auslass
- 4.
- Stoff
- 5.
- Reaktorwand
- 6.
- Reaktorinnenraum
- 7.
- Absorber
- 8.
- Absorberoberfläche
- 9.
- Strömungsweg
- 10.
- Strahlungsquelle
- 11.
- Elektromagnetische Strahlung
- 12.
- Einkoppelfenster
- 13.
- Strahlengang
- 14.
- Optik
- 15.
- Antireflexbeschichtung
- 16.
- Laser-Lichtquelle
- 17.
- Temperatursensor
- 18.
- Filter
- 19.
- Wärmestrahlung
- 20.
- Kanäle
- 21.
- Durchgang
- 22.
- LED-Array
- 23.
- Kühlkörper
