DE102021108754A1

DE102021108754A1 - Wärmetauschanordnung sowie verfahren zum betreiben einer wärmetauschanordnung und verwendung einer wärmetauschanordnung

Info

Publication number: DE102021108754A1
Application number: DE102021108754.6A
Authority: DE
Inventors: Markus Reichart
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2021-04-01
Filing date: 2021-04-08
Publication date: 2022-10-06

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Wärmetauschanordnung (200) mit einem Kanal (400) mit einer Höhe in Richtung einer Hochachse (z) in Wirkungsrichtung der Schwerkraft (g), in welchem zumindest mehrere erste Ablageelemente (430, 440) angeordnet sind. Der Kanal (400) weist einen oberen Partikeleinlass (206) und einen in Schwerkraftrichtung gesehen unteren Partikelauslass (208) auf, die zum Einführen und Abführen von Partikeln (220) in den, bzw. aus dem Kanal (400) vorgesehen sind. Der Kanal (400) weist ferner einen Gaseinlass (202) und einen Gasauslass (204) für einen Gasstrom (210) auf, wobei erste Ablageelemente (430, 440) quer zur Hochachse (z) angeordnet sind und Ablageflächen (432, 442) aufweisen, die im bestimmungsgemäßen Gebrauch zum wenigstens zeitweisen Ablegen und/oder zur Reflexion zumindest eines Teils der Partikel (220) vorgesehen sind.Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Wärmetauschanordnung (200).

Description

Die Erfindung betrifft eine Wärmetauschanordnung, ein korrespondierendes Verfahren zum Betreiben einer Wärmetauschanordnung und eine Verwendung einer solchen Wärmetauschanordnung.
Stand der Technik
Das Prinzip eines Riesel-Reaktors stammt aus der chemischen Verfahrenstechnik für Anwendungen im Bereich der: Schwefelproduktion, Rauchgasreinigung, Methanol-/Ammoniaksynthese oder CO₂-Abscheidung bei Dampfreformierung.
Bekannte Riesel-Reaktoren umfassen einen vertikalen Kanal, in welchem sich feste Strukturen und Einbauten befinden. Schwerkraftgetrieben rieseln Sandpartikel oder ähnliches granulares Material über die Strukturen und Einbauten, um die mittlere Geschwindigkeit der Partikel relativ zu den fixierten Einbauten zu reduzieren und somit die Verweilzeit im Reaktor zu erhöhen, wodurch die Interaktionszeit mit einem strömenden Gas erhöht wird, welches dadurch in direktem Kontakt mit den Partikeln gebracht werden kann.
Hierbei sind Einbauten bekannt, welche als regelmäßig angeordnete Stangenelemente ausgeführt sind, wodurch die Partikel beim Durchströmen der Einbauten im Kanal verteilt werden. Die Stangenelemente weisen einen runden Querschnitt oder einen rautenförmigen Querschnitt auf, wobei wenigstens eine Ecke in Richtung der herabfallenden Partikel angeordnet ist. Zudem sind rampenartige Einbauten bekannt, welche die Partikel führen, so dass die Partikel auf ihnen nach unten rutschen.
Aus der US 3,801,469 A ist ein Verfahren zum chemischen Umsetzen eines ersten und eines zweiten teilchenförmigen Feststoffs mit demselben Fluid bekannt. In einem Verfahrensschritt werden die ersten Feststoffteilchen freigegeben. Diese fallen als Kaskadenstrom zwischen einer Vielzahl von aufeinanderfolgend und gegenüberliegend angeordneten Prallplatten nach unten. Die Prallplatten sind so dimensioniert, beabstandet, positioniert und in ausreichender Anzahl vorhanden, dass mindestens eine vorher festgelegte Teilchenverweilzeit während des Durchgangs zwischen den Prallplatten erreicht wird. In einem weiteren Verfahrensschritt werden die zweiten Feststoffteilchen freigegeben und fallen in einem separaten Kanal als Kaskadenstrom zwischen einer weiteren Vielzahl von aufeinanderfolgend und gegenüberliegend angeordneten weiteren Prallplatten nach unten. Die weiteren Prallplatten sind ebenfalls so dimensioniert, beabstandet, positioniert und in ausreichender Anzahl vorhanden, dass mindestens eine vorbestimmte Verweilzeit der zweiten Teilchen während des Durchgangs zwischen den weiteren Prallplatten erreicht wird. Das Fluid wird in beiden Kaskadenströmen aufwärts in einer Gegenströmung durch die Prallplatten geleitet. Der aufwärts gerichtete Fluidstrom wird mit dem abwärts gerichteten Partikelstrom während seines Durchgangs von einer Prallplatte zur anderen vermischt. Hierbei wird das Fluid während seiner im Allgemeinen aufwärts gerichteten Gegenströmung zwischen den beiden Kaskadenströmen hin und her geleitet, wodurch das Fluid nacheinander mit den beiden Partikelkaskadenströmen umgesetzt wird. Hierbei werden die beiden Partikelströme nicht vermischt. Der erste Partikelfeststoff enthält eine wesentliche Menge an Kohle, der zweite Partikelfeststoff enthält eine wesentliche Menge an Calciumoxid und das Fluid ist ein Gas, das wesentliche Mengen an Wasserstoff enthält. Die Prallplatten sind als schiefe Ebenen ausgebildet.
Offenbarung der Erfindung
Eine Aufgabe der Erfindung ist es, eine Wärmetauschanordnung zu schaffen, welche eine Partikelverweildauer in einem Kanal erhöht und die Verteilung der Partikel im Kanal verbessert.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Betreiben einer Wärmetauschanordnung zu schaffen, welches einen verbesserten Wärmeaustausch zwischen festen Partikeln und einem Gasstrom erzeugt.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, eine Verwendung einer solchen Wärmetauschanordnung zu schaffen, bei welcher ein verbesserter Wärmeaustausch zwischen festen Partikeln und einem Gasstrom stattfindet.
Die Aufgaben werden durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Günstige Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Ansprüchen, der Beschreibung und der Zeichnung.
Die in den Patentansprüchen einzeln aufgeführten Merkmale sind in technologisch sinnvoller Weise miteinander kombinierbar und können durch erläuternde Sachverhalte aus der Beschreibung und durch Details aus den Figuren ergänzt werden, wobei weitere Ausführungsvarianten der Erfindung aufgezeigt werden.
Die Erfindung geht nach einem Aspekt der Erfindung aus von einer Wärmetauschanordnung mit einem Kanal mit einer Höhe in Richtung einer Hochachse in Wirkungsrichtung der Schwerkraft, in welchem zumindest mehrere erste Ablageelemente angeordnet sind. Der Kanal weist einen oberen Partikeleinlass und einen in Schwerkraftrichtung gesehen unteren Partikelauslass auf, die zum Einführen und Abführen von festen Partikeln in den, bzw. aus dem Kanal vorgesehen sind. Der Kanal weist einen Gaseinlass und einen Gasauslass für einen Gasstrom auf.
Es wird vorgeschlagen, dass erste Ablageelemente im freien Querschnitt des Kanals quer zur Hochachse angeordnet sind und Ablageflächen aufweisen, die im bestimmungsgemäßen Gebrauch zum wenigstens zeitweisen Ablegen und/oder zur Reflexion zumindest eines Teils der Partikel vorgesehen sind.
In vorteilhafter Weise wird durch die Ablageflächen der ersten Ablageelemente, auf welchen ein Teil der Partikel im Betriebszustand zeitweise verweilen, die mittlere Geschwindigkeit der Partikel in Richtung der Hochachse reduziert und dadurch die Verweilzeit der Partikel im Kanal erhöht. Dadurch kann im Betriebszustand die Interaktionszeit mit dem Gasstrom im Kanal erhöht und ein Wärmeaustausch zwischen den Partikeln und dem Gasstrom verbessert werden.
Zudem wird in vorteilhafter Weise durch die Ablageflächen der ersten Ablageelemente, an welchen ein Teil der Partikel im Betriebszustand reflektiert werden, die Verteilung der Partikel im Kanal verbessert. Durch die verbesserte insbesondere durch die gleichmäßigere Verteilung kann eine Partikelentmischung zumindest erschwert oder vollständig vermieden werden. Durch die verbesserte Verteilung der Partikel kann die Interaktionswahrscheinlichkeit mit dem Gasstrom erhöht werden und dadurch ein Wärmeaustausch zwischen den Partikeln und dem Gasstrom verbessert werden. Zudem kann durch das Reflektieren der Partikel an den ersten Ablageelementen und an den Ablageflächen ebenfalls die Verweilzeit der Partikel im Kanal erhöht werden.
Unter den Partikeln werden im Folgenden feste rieselfähige Elemente verstanden, welche der Schwerkraft folgend nach unten fallen. Die Partikel können beispielsweise einen Querschnitt von ca. 1 mm aufweisen. Zudem können die Partikel hohen Temperaturen, beispielsweise über 900° C insbesondere zwischen 900° C und 1100° C ausgesetzt werden, ohne dass die Partikel sintern.
Die Strömungsrichtung des Gasstroms kann gegen die Fallrichtung der Partikel gerichtet sein. Dadurch kann die Interaktionswahrscheinlichkeit zwischen dem Gasstrom und den Partikeln verbessert werden. Hierfür ist der Gaseinlass unten am Kanal und der Gasauslass oben am Kanal angeordnet.
Der Kanal umfasst im Folgenden eine geschlossene Wandung, welche einen Innenraum umschließt, in welchem die ersten Ablageelemente angeordnet sind. Der Kanal weist eine Höhe in Richtung einer Hochachse in Wirkungsrichtung der Schwerkraft auf. Der Querschnitt kann rund, oval oder eckig sein.
Die ersten Ablageelemente überspannen im Wesentlichen einen Querschnitt des Kanals. Hierbei ist die Länge der ersten Ablageelemente abhängig von deren Anordnung im Kanal und vom Querschnitt des Kanals. Weitere Variablen der ersten Ablageelemente sind die Breite und die Stärke.
Die Ablageflächen sind an den ersten Ablageelementen angeordnet. Die Ablageflächen stabilisieren die ruhenden Partikel. Dadurch kann die kinetische Energie der auftreffenden Partikel besser absorbiert werden, was zu einer höheren Reduzierung der gemittelten Partikelgeschwindigkeit in Richtung der Hochachse führt und damit zu einer höheren dynamischen Partikelrückhaltung. Die Ablageflächen können bündig mit den Kanten des korrespondierenden ersten Ablageelements abschließen. Die Breite der Ablageelemente, insbesondere die Breite der Ablagefläche kann hierbei so gewählt werden, dass Platz für mehrere Partikel auf der Ablagefläche vorhanden ist. Zudem ist die Breite so gewählt, das eine Verschattung unterhalb der ersten Ablageelemente, das heißt ein Bereich, unter den ersten Ablageelementen, in dem sich wenig bis keine Partikel aufhalten, klein ist.
Messungen ergeben, dass im Betriebszustand die Partikelrückhaltung in einem Kanal mit Ablageelementen, welche Ablageflächen aufweisen, bei gleicher Anordnung gegenüber Ablageelementen mit runden oder schräg zur Fallrichtung verlaufenden Oberflächen, welche keine Ablageflächen ausbilden, deutlich verbessert ist. Hierbei kann die durchschnittliche Partikelfallgeschwindigkeit im Kanal in vorteilhafter Weise halbiert werden. Zudem ist die Verteilung der Partikelgeschwindigkeiten im Kanal mit Ablageelementen, welche Ablageflächen aufweisen, gegenüber Ablageelementen mit runden oder schräg gegen die Fallrichtung verlaufenden Oberflächen gleichmäßiger.
Nach einer günstigen Ausgestaltung können die ersten Ablageelemente in wenigstens einer Ebene angeordnet sein, wobei die wenigstens eine Ebene mehrere parallel nebeneinander angeordnete erste Ablageelemente umfasst, insbesondere wobei die ersten Ablageelemente in der wenigstens einen Ebene mit einem regelmäßigen Abstand zueinander angeordnet sind.
Durch die Abstände zwischen den ersten Ablageelementen werden Durchtrittspalte geschaffen. Diese Durchtrittspalte weisen bei regelmäßigen Abständen gleiche Breiten auf. Eine Ebene mit ersten Ablageelementen trennt einen unter den ersten Ablageelementen angeordneten freien Bereich von einem über den ersten Ablageelementen angeordneten freien Bereich.
Die Partikel und der Gasstrom können sich in den freien Bereichen und je nach Wahl der Abstände in den Durchtrittspalten verteilen. Die Partikel können vom oberen freien Bereich durch die Durchtrittspalte zwischen den ersten Ablageelementen in den unteren freien Bereich fallen. Der Gasstrom strömt vom unteren freien Bereich durch die Durchtrittspalte zwischen den ersten Ablageelementen in den oberen freien Bereich. Hierbei kann unter der oberen Ebene eine weitere untere Ebene angeordnet sein, so dass der unter der oberen Ebene angeordnete freie Bereich auch der über der unteren Ebene angeordnete freie Bereich ist.
Durch die parallele Anordnung ist ein einfacher, den Querschnitt des Kanals zumindest teilweise abdeckender Aufbau möglich, welcher die Partikel zuverlässig abbremsen kann. Durch Stöße und verschiedene Streuwinkel an den ersten Ablageelementen, unter anderem an den korrespondierenden Ablageflächen kann eine Partikelwolke im Kanal erzeugt werden. Die Abmessungen der Abstände und dadurch die Breite der Durchtrittspalte können vorgeben, wie viele Partikel von dem oberen freien Bereich durch die Ebene in den unteren freien Bereich gelangen und wie viele Partikel in den oberen freien Bereich zurückreflektiert werden, oder auf den Ablageflächen abgelegt werden. Hierbei können die Abmessungen der Abstände und dadurch die Breite der Durchtrittspalte in Abhängigkeit von der Partikelzahl und/oder des Partikelquerschnitts und/oder der Temperatur und/oder der Partikel und/oder den Abmessungen des Kanals und/oder den Abmessungen der freien Bereiche zwischen den Ebenen ausgewählt werden.
Nach einer günstigen Ausgestaltung können die ersten Ablageelemente in wenigstens zwei entlang der Hochachse aufeinander folgenden Ebenen angeordnet sein, insbesondere wobei die ersten Ablageelemente in aufeinander folgenden Ebenen versetzt zueinander angeordnet sind. Durch regelmäßige Abstände ist eine regelmäßige Anordnung von Durchtrittspalten möglich. Zudem können die ersten Ablageelemente der unteren Ebene die Durchtrittspalte der oberen Ebene zumindest teilweise überspannen, wodurch die Wahrscheinlichkeit erhöht werden kann, dass die Partikel durch die Durchtrittspalte der oberen Ebene auf erste Ablageelemente, bzw. auf Ablageflächen der unteren Ebene fallen und dort reflektiert oder abgelegt werden.
Dadurch kann die Wahrscheinlichkeit erhöht sein, dass Partikel bei der Durchquerung des Kanals möglichst häufig von den ersten Ablageelementen gebremst werden. Zudem kann das Erzeugen der Partikelwolke durch Stöße und verschiedene Streuwinkel an den ersten Ablageelementen, unter anderem an deren Ablageflächen, durch diese Anordnung erleichtert werden. Hierbei ist ein Schema aus zwei Ebenen mit zueinander versetzt angeordneten ersten Ablageelementen vorstellbar, welches über die Ausdehnung des Kanals wiederholt werden kann. Alternativ kann das Schema auch mehr als zwei Ebenen umfassen.
Nach einer günstigen Ausgestaltung können im Kanal mehrere parallel nebeneinander angeordnete zweite Ablageelemente in wenigstens einer Ebene angeordnet sein. Insbesondere können die zweiten Ablageelemente in der wenigstens einen Ebene mit einem regelmäßigen Abstand zueinander angeordnet sein. Die zweiten Ablageelemente können zu den ersten Ablageelementen um einen Winkel um die Hochachse verdreht sein, insbesondere um einen Winkel von 90° verdreht sein.
Durch die parallele Anordnung ist ein einfacher den Querschnitt des Kanals zumindest teilweise abdeckender Aufbau möglich, welcher die Partikel zuverlässig abbremst. Durch Stöße und verschiedene Streuwinkel an den zweiten Ablageelementen und an den ersten Ablageelementen, unter anderem an den korrespondierenden Ablageflächen kann die Partikelwolke im Kanal erzeugt werden. Durch die zweiten Ablageelemente, welche um die Hochachse zu den ersten Ablageelementen verdreht sind, kann eine Homogenisierung der Partikelwolke verbessert werden. In den Ebenen mit zweiten Ablageelementen können sich auch andere Parameter, beispielsweise die Breite, die Tiefe der zweiten Ablageelemente oder die Abstände zwischen den Ablageelementen von den Parametern der Ebenen mit ersten Ablageelementen unterscheiden.
Durch die Abstände zwischen den zweiten Ablageelementen werden Durchtrittspalte geschaffen. Wie bei Ebenen mit ersten Ablageelementen trennen auch die Ebenen mit zweiten Ablageelementen freie obere Bereiche von freien unteren Bereichen.
Die Abmessungen der Abstände und dadurch die Breite der Durchtrittspalte können vorgeben, wie viele Partikel von dem oberen freien Bereich durch die Ebene in den unteren freien Bereich gelangen und wie viele Partikel in den oberen freien Bereich zurückreflektiert werden, oder auf den Ablageflächen abgelegt werden. Hierbei können die Abmessungen der Abstände und dadurch die Breite der Durchtrittspalte der wenigstens einen Ebene mit zweiten Ablageelementen ebenfalls in Abhängigkeit von der Partikelzahl und/oder vom Partikelquerschnitt und/oder von der Temperatur der Partikel und/oder von den Abmessungen des Kanals und/oder von den Abmessungen der angrenzenden freien Bereiche sowie in Abhängigkeit von den Parametern der Ebenen mit ersten Ablageelementen ausgewählt werden.
Nach einer günstigen Ausgestaltung können die zweiten Ablageelemente in wenigstens zwei entlang der Hochachse aufeinander folgenden Ebenen angeordnet sein, insbesondere wobei die zweiten Ablageelemente in aufeinander folgenden Ebenen versetzt zueinander angeordnet sind. Durch regelmäßige Abstände ist eine regelmäßige Anordnung von Durchtrittspalten möglich. Zudem können die zweiten Ablageelemente der unteren Ebene die Durchtrittspalte der oberen Ebene zumindest teilweise überspannen, wodurch die Wahrscheinlichkeit erhöht werden kann, dass die Partikel durch die Durchtrittspalte der oberen Ebene auf zweite Ablageelemente, bzw. auf Ablageflächen der unteren Ebene fallen und dort reflektiert oder abgelegt werden. Dadurch kann die Wahrscheinlichkeit erhöht sein, dass Partikel bei der Durchquerung des Kanals möglichst häufig von den zweiten Ablageelementen gebremst werden. Zudem kann das Erzeugen der Partikelwolke durch Stöße und verschiedene Streuwinkel an den ersten Ablageelementen und den zweiten Ablageelementen, unter anderem an deren Ablageflächen, durch diese Anordnung erleichtert werden. Hierbei ist ein Schema aus vier Ebenen mit zwei Ebenen mit zueinander versetzt angeordneten ersten Ablageelementen und zwei Ebenen mit zueinander versetzt angeordneten zweiten Ablageelementen vorstellbar. Das Schema kann über die Ausdehnung des Kanals wiederholt werden. Alternativ kann das Schema auch nur zwei oder drei oder mehr als vier Ebenen umfassen.
Nach einer günstigen Ausgestaltung können die ersten und zweiten Ablageelemente entlang der Hochachse alternierend aufeinander folgend angeordnet sein. Hierbei können die Ebenen in Schemas so angeordnet werden, dass beispielsweise zwei Ebenen mit ersten Ablageelementen gefolgt von zwei Ebenen mit zweiten Ablageelementen angeordnet sind. Alternativ oder optional kann auf eine Ebene mit ersten Ablageelementen eine Ebene mit zweiten Ablageelementen folgen. Zudem können bei mehreren Ebenen mit ersten Ablageelementen und/oder zweiten Ablageelementen die ersten Ablageelemente der unteren Ebene versetzt zu den ersten Ablageelementen der oberen Ebene angeordnet sein. Des Weiteren können die zweiten Ablageelemente der unteren Ebene versetzt zu den zweiten Ablageelementen der oberen Ebene angeordnet sein. Alternierende Anordnungen können zu einer verbesserten Homogenisierung der Partikelwolke führen.
Nach einer günstigen Ausgestaltung können sich die Ablageelemente im Wesentlichen über den Querschnitt des Kanals erstrecken. Hierbei können die Ablageelemente mit wenigstens einer Stirnseite an einer Wand des Kanals anstoßen oder mit der Wand befestigt sein. Da sich die Partikel durch den Querschnitt des Kanals bewegen, wird durch diese Anordnung der Ablageelemente eine Wahrscheinlichkeit erhöht, dass sich die Partikel an den korrespondierenden Ablageflächen ablegen oder dass die Partikel von den Ablageelementen reflektiert werden.
Nach einer günstigen Ausgestaltung können die Ablageflächen der Ablageelemente wenigstens bereichsweise als planare Oberfläche ausgebildet sein, wobei die Oberfläche quer, insbesondere senkrecht, zur Hochachse des Kanals ausgerichtet ist. Dadurch ist die Oberfläche auch senkrecht zur Fallrichtung der Partikel ausgerichtet. Die Oberfläche kann durchgängig an einer Oberseite des Ablageelements angeordnet sein. Dadurch können die Ablageflächen von der Länge und der Breite der korrespondierenden Ablageelemente ausgebildet werden. Die Breite ist hierbei abhängig von dem Partikelquerschnitt und ist mindestens so groß wie der Partikelquerschnitt. Insbesondere kann die Breite so gewählt sein, dass entlang der Breite der Ablagefläche vier bis zehn Partikel abgelagert sein können. Eine durchgängige Oberfläche ermöglicht eine einfache und günstige Umsetzung der Ablageflächen und der Ablageelemente.
Beispielsweise können die Ablageelemente einfache Stangen mit einem Vierkantprofil sein. Diese bieten auf der Oberseite bei entsprechender Breite durch ihre planare Oberfläche den fallenden Partikeln Ablagerungsmöglichkeiten und Aufprallmöglichkeiten. Neben dem Vierkantprofil sind auch andere Profile vorstellbar, solange den Partikeln eine Ablagefläche zur Verfügung gestellt wird. Alternativ können die Ablageflächen nicht durchgängig am korrespondierenden Ablageelement angeordnet sein.
Nach einer günstigen Ausgestaltung können die Ablageflächen der Ablageelemente wenigstens bereichsweise, bezogen auf eine Fallrichtung der Partikel, bei bestimmungsgemäßem Gebrauch konkav ausgebildet sein, insbesondere trichterförmig oder muldenartig ausgebildet sein. Durch die konkaven Ablageflächen kann die Verweilzeit der Partikel im Kanal weiter erhöht werden. Zudem ist eine Kombination aus planaren Oberflächen und konkaven Ablageflächen vorstellbar. Die Vertiefungen und Mulden könnten hierbei in eine durchgängige, senkrecht zur Hochachse ausgerichtete Oberfläche des Ablageelements eingebracht sein. Die Anzahl die Abmessungen und die Form der konkaven Ablageflächen, kann abhängig sein von den Abmessungen des korrespondierenden Ablageelements und/oder von der Anzahl der Partikel und/oder von dem Querschnitt der Partikel und/oder von der Temperatur der Partikel und/oder von den Abmessungen des Kanals.
Nach einer günstigen Ausgestaltung können aufeinander folgende Ebenen mit ersten Ablageelementen mindestens einen Abstand voneinander aufweisen, der einem Abstand zwischen ersten Ablageelementen innerhalb einer Ebene entspricht.
Nach einer günstigen Ausgestaltung können aufeinander folgende Ebenen von ersten Ablageelementen und zweiten Ablageelementen mindestens einen Abstand voneinander aufweisen, der einem Abstand zwischen ersten oder zweiten Ablageelementen innerhalb einer Ebene entspricht. Zudem kann der Abstand zwischen ersten Ablageelementen innerhalb der korrespondierenden Ebene einem Abstand zwischen zweiten Ablageelementen innerhalb der korrespondierenden Ebene entsprechen.
Nach einer günstigen Ausgestaltung kann die Anzahl der Ablageelemente und/oder die Anzahl der Ebenen abhängig sein von einer Länge und/oder einer Breite der Ablageelemente und/oder von den Abständen zwischen den Ablageelementen und/oder von den Abständen zwischen den Ebenen und/oder von der Größe der Partikel und/oder von der Anzahl er Partikel und/oder von der Partikeltemperatur und/oder von den Abmessungen des Kanals und/oder vom Volumen des Kanals. Durch die Berücksichtigung der Parameter können die Anzahl der Ebenen und die Anzahl der Ablageelemente so optimiert sein, dass die Verweilzeit der Partikel und die Verteilung der Partikel im Kanal so eingestellt sind, dass der Wärmeaustausch mit dem Gasstrom optimiert wird.
Nach einer günstigen Ausgestaltung können die festen Partikel als annähernd runde Keramikpartikel oder als annähernd runde Bauxitpartikel ausgeführt sein. Bauxit und Keramik können in vorteilhafter Weise hohen Temperaturen ausgesetzt werden ohne zu sintern. Dadurch kann verhindert werden, dass die Partikel zusammenbacken, wodurch ein Verstopfen oder ein Verblocken des Kanals im Betriebszustand bei hohen Temperaturen erschwert oder vollständig vermieden werden kann. Dadurch kann die Wärmetauschanordnung auch zum Wärmeaustauch bei hohen Temperaturen, beispielsweise von Temperaturen über 900° C, insbesondere zwischen 900°C und 1100° C verwendet werden. Zudem kann durch die Vermeidung des Verblockens oder des Verstopfens des Kanals die Betriebsdauer der Wärmetauschanordnung verlängert werden. Durch die runde Form der Partikel können die Partikel leicht reflektiert werden.
Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Betreiben einer Wärmetauschanordnung beschrieben. Partikel gelangen durch einen oberen Partikeleinlass in einen Kanal der Wärmetauschanordnung. Die Partikel bewegen sich in Schwerkraftrichtung in Richtung eines unteren Partikelauslass durch den Kanal. Die Partikel werden während ihres Falls durch den Kanal zumindest teilweise an Ablageflächen von wenigstens ersten Ablageelementen, welche quer zum Kanal angeordnet sind, reflektiert oder zumindest teilweise zeitweise an den Ablageflächen abgelagert. Die Partikel bilden zwischen den ersten Ablageelementen eine im gesamten Kanal verteilte Partikelwolke, welche mit einem in den Kanal eingelassenen Gasstrom Wärme austauscht. Die Strömungsrichtung des Gasstroms kann entgegen der Fallrichtung der Partikel verlaufen.
Die Partikelwolke wird vom Gasstrom durchströmt, wobei der Gasstrom beim Durchströmen in Kontakt mit den festen Partikeln der Partikelwolke gebracht wird und durch den Kontakt zwischen den festen Partikeln und dem Gasstrom ein Wärmeübertrag stattfindet. Da die Partikel von den Ablageelementen reflektiert werden, können die Partikel im Innenraum des Kanals verteilt werden, wodurch eine Interaktion mit dem Gasstrom im Kanal erhöht und ein Wärmeaustausch zwischen den Partikeln und dem Gasstrom verbessert werden kann.
Nach einer günstigen Ausgestaltung kann eine Fallgeschwindigkeit und/oder eine Verteilung der Partikel abhängig von wenigstens einer der folgenden Größen eingestellt werden:

(i) Strömungsgeschwindigkeit des Gasstroms (210);
(ii) Partikeltemperatur;
(iii) Partikelgröße;
(iv) Partikelgewicht;
(v) Abständen (b) zwischen den Ebenen (410, 413, 414, 415, 416);
(vi) Abständen (a) zwischen den Ablageelementen (430, 440, 450 460);
(vii) Abmessungen und/oder der Form der Ablageelemente (430, 440, 450, 460);
(viii) Abmessungen und/oder der Form der Ablageflächen (432, 442, 452, 462);
(ix) Abmessungen des Kanals.

Insbesondere kann eine Anordnung der Ablageelemente und/oder Ablageflächen so gewählt werden, dass die Partikel verglichen mit runden, dreieckigen oder rautenförmigen Ablageelementen vergleichbarer Abmessungen auf wenigstens 2/3, insbesondere die Hälfte, ihrer Fallgeschwindigkeit abgebremst werden. Bei den dreieckigen oder rautenförmigen Ablageelementen, mit denen die Wirkung verglichen wird, sind deren Spitzen gegen die Wirkungsrichtung der Schwerkraft gerichtet.
Dadurch kann die Verweildauer der Partikel im Kanal in vorteilhafter Weise deutlich erhöht werden, wodurch auch die Interaktionszeit mit dem Gasstrom im Kanal erhöht und ein Wärmeaustausch zwischen den Partikeln und dem Gasstrom verbessert werden kann.
Wird als Bezugsgröße die Endgeschwindigkeit von Partikeln mit einem Durchmesser von beispielsweise 1 mm angenommen, welche typischerweise im Bereich von ca. 10 m/s liegt, so würde sich die Fallgeschwindigkeit um den Faktor 50 reduzieren, wenn davon ausgegangen wird, dass für flache Strukturen die Fallgeschwindigkeit in dem Kanal mit Ablageelementen bei ca. 0.2 m/s liegt. Typische Partikelgrößen liegen hier im Bereich von 1 mm ± 0.7 mm. Für andere Partikelgrößen können sich andere Werte ergeben. Je kleiner die Partikel werden, umso größer kann der Einfluss der Luftreibung werden, wodurch die Präsenz der Ablageelemente weniger dominierend wird.
Nach einer günstigen Ausgestaltung kann die Wärme von den festen Partikeln auf den Gasstrom übertragen werden. Da die Partikel hohen Temperaturen ausgesetzt werden können, können diese zum Zwischenspeichern und zum Transport der Wärme genutzt werden. Hierbei können unter anderem Temperaturen zwischen 900° C bis 1100° C zum Einsatz kommen. Das Gas kann beispielsweise Umgebungsluft sein, welche über einen Gaseinlass in den Kanal gelangt und über einen Gasauslass aus dem Kanal austritt. Das Gas kann von einem Gebläse oder dergleichen und/oder durch die zugeführte Wärme angetrieben werden.
Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung wird eine Verwendung einer Wärmetauschanordnung zur Wärmeauskopplung aus einer Wärmequelle, insbesondere aus einer Solarthermieanlage beschrieben. Hierbei können Sonnenkollektoren die Partikel in einem Solarturm erwärmen. Die aufgewärmten Partikel können bei Bedarf zwischengespeichert werden und/oder direkt durch ein Fördersystem zur Wärmetauschanordnung transportiert werden, wobei die Partikel im Kanal der Wärmetauschanordnung in Kontakt mit einem Gasstrom gebracht werden, auf welchen die Wärme der Partikel zumindest zum Teil übertragen wird. Der erwärmte Gasstrom wird aus dem Kanal ausgeleitet. Das erwärmte Gas kann anschließend gespeichert oder zur weiteren Benutzung in einer anderen Anordnung verwendet werden. Hierbei können die hohen Partikeltemperaturen zuverlässig auf ein Arbeitsmedium, wie Luft, übertragen werden.
Figurenliste
Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Zeichnungsbeschreibung. In den Figuren sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Die Figuren, die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen.
Es zeigen beispielhaft:

1 eine schematische Darstellung einer Solarthermieanlage mit einer Wärmetauschanordnung nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
2 eine schematische Darstellung der Wärmetauschanordnung aus 1 nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
3 einen Querschnitt durch eine Wärmetauschanordnung nach einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
4 einen Längsschnitt durch eine Wärmetauschanordnung nach 3 mit einer beispielhaft eingezeichneten Partikelwolke;
5 einen Querschnitt durch eine Wärmetauschanordnung nach einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
6 einen Längsschnitt durch eine Wärmetauschanordnung nach 5 mit einer beispielhaft eingezeichneten Partikelwolke; und
7 einen Längsschnitt durch eine Wärmetauschanordnung nach einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung mit einer beispielhaft eingezeichneten Partikelwolke.

Ausführungsformen der Erfindung
In den Figuren sind gleichartige oder gleichwirkende Komponenten mit gleichen Bezugszeichen beziffert. Die Figuren zeigen lediglich Beispiele und sind nicht beschränkend zu verstehen.
Bevor die Erfindung im Detail beschrieben wird, ist darauf hinzuweisen, dass sie nicht auf die jeweiligen Bauteile der Vorrichtung sowie die jeweiligen Verfahrensschritte beschränkt ist, da diese Bauteile und Verfahren variieren können. Die hier verwendeten Begriffe sind lediglich dafür bestimmt, besondere Ausführungsformen zu beschreiben und werden nicht einschränkend verwendet. Wenn zudem in der Beschreibung oder in den Ansprüchen die Einzahl oder unbestimmte Artikel verwendet werden, bezieht sich dies auch auf die Mehrzahl dieser Elemente, solange nicht der Gesamtzusammenhang eindeutig etwas Anderes deutlich macht.
Im Folgenden verwendete Richtungsterminologie mit Begriffen wie „links“, „rechts“, „oben“, „unten“, „davor“ „dahinter“, „danach“ und dergleichen dient lediglich dem besseren Verständnis der Figuren und soll in keinem Fall eine Beschränkung der Allgemeinheit darstellen. Die dargestellten Komponenten und Elemente, deren Auslegung und Verwendung können im Sinne der Überlegungen eines Fachmanns variieren und an die jeweiligen Anwendungen angepasst werden.
Die 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Solarthermieanlage 100 mit einer Wärmetauschanordnung 200 nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die Solarthermieanlage 100 leitet Wärme der Sonne 110 über ein Solarfeld 120 in einen Solartturm 130. Im Solarturm 130 sind Partikel 220 angeordnet, welche durch die in den Solarturm 130 eingeleitete Wärme stark erwärmt werden. Hierbei können die Partikel 220 Temperaturen von über 900°C erreichen. Die erwärmten Partikel 220 werden über ein geeignetes Fördersystem 140 zu einem Heißspeicher 150 geleitet. Von dort gelangen die Partikel 220 durch das Fördersystem 140 zur Wärmetauschanordnung 200, in welcher die Wärme der Partikel 220 auf ein Arbeitsmedium übertragen wird. Das Arbeitsmedium kann ein Gas, insbesondere Luft oder ein anderes geeignetes Fluid sein. Die abgekühlten Partikel 220 gelangen durch das Fördersystem 140 in einen Kaltspeicher 160 und von dort zurück in den Solarturm 130.
In einem alternativen nicht dargestellten Ausführungsbeispiel können Komponenten der Solarthermieanlage 100, beispielsweise Heißspeicher 150 und/oder der Kaltspeicher 160 und/oder der Wärmetauschanordnung 200, selbstverständlich im Solarturm 130 angeordnet sein. Zudem ist eine andere Anordnung von mehreren Komponenten in einem gemeinsamen Gehäuse oder Gebäude vorstellbar. Beispielsweise können der Heißspeicher und 150 und die Wärmetauschanordnung zusammen angeordnet werden.
Selbstverständlich gibt es neben Solarthermieanlagen 100 auch andere Anlagen, in welchen erzeugte oder umgeleitete Wärme einer Wärmequelle auf Partikel 220 oder ein anderes Speichermedium übertragen werden können. Hierbei kann ebenfalls die Wärme von den Partikeln 220, bzw. dem Speichermedium auf ein Arbeitsmedium übertragen werden. Die Wärmetauschanordnung 200 kann auch bei solchen Anlagen Anwendung finden. Zudem kann die Wärmetauschanordnung 200 auch dann verwendet werden, wenn die Partikel 220, bzw. das Speichermedium unter 900° C erwärmt sind.
2 zeigt eine schematische Darstellung der Wärmetauschanordnung 200. Die Wärmetauschanordnung 200 umfasst einen Kanal 400 mit einer Höhe in Richtung einer Hochachse z in Wirkungsrichtung der Schwerkraft g. Der Kanal 400 umfasst einen oberen Partikeleinlass 206 und einen in Schwerkraftrichtung gesehen unteren Partikelauslass 208, die zum Einführen und Abführen von festen Partikeln 220 in den, bzw. aus dem Kanal 400 vorgesehen sind. Zudem umfasst der Kanal 400 einen unteren Gaseinlass 202 und einen oberen Gasauslass 204 für einen Gasstrom 210. Im dargestellten Ausführungsbeispiel der Wärmetauschanordnung 200 sind die Partikel 220 erwärmt und übertragen im Kanal 400 der Wärmetauschanordnung 200 Wärme auf den Gasstrom 210. In einem alternativen Ausführungsbeispiel könnte auch der Gasstrom 210 erwärmt sein und Wärme auf die Partikel 220 übertragen. Durch die Anordnung des Partikeleinlass 206 und des Partikelauslass 208 treten die Partikel 220, 222 im Betriebszustand der Wärmetauschanordnung 200 oben in den Kanal 400 ein, fallen durch die Schwerkraft g angetrieben nach unten und werden durch den Partikelauslass 208 aus dem Kanal 400 ausgeführt. Die aus dem Kanal 400 austretenden Partikel 224 können erneut mit Wärme beladen werden und dem Kanal 400 über den Partikeleinlass 206 erneut zugeführt werden. Durch die Anordnung des Gaseinlass 202 und des Gasauslass 204 tritt der Gasstrom 210, 212 im Betriebszustand der Wärmetauschanordnung 200 unten am Kanal 400 durch den Gaseinlass 202 in den Kanal 400 ein, strömt entgegen der Partikelfallrichtung im Kanal 400 nach oben und tritt durch den Gasauslass 204 aus dem Kanal 400 aus. Die Strömungsrichtung des Gasstroms 210 im Kanal 400 kann durch Erwärmung des Gasstroms 210 oder durch ein geeignetes Gebläse erzeugt werden. Der aus dem Kanal 400 austretende erwärmte Gasstrom 214 kann zu weiteren Anordnungen geleitet werden. Im Kanal 400 treffen die Partikel 220 auf den Gasstrom 210 und übertragen beispielsweise durch Konvektion und/oder Stöße Wärme auf den Gasstrom 210. In einem alternativen, nicht dargestellten Ausführungsbeispiel können der Gaseinlass 202 und der Gasauslass 204 vertauscht angeordnet sein.
Der Kanal 400 kann einen runden, einen ovalen oder einen eckigen Querschnitt aufweisen. Der in den 3 bis 7 dargestellte Kanal 400 weist einen quadratischen Querschnitt auf.
Es sind Rieselreaktoren bekannt, welche in dieser Art aufgebaut sind. Um eine solche Anordnung als Wärmetauschanordnung 200 nutzen zu können, ist eine Verweilzeit der Partikel 220 im Kanal 400 im Gegensatz zu bekannten Verweilzeiten in Rieselreaktoren zu erhöhen. Zudem sollten die Partikel im Kanal 400 möglichst gleichmäßig verteilt sein. Durch eine erhöhte Verweilzeit und eine möglichst gleichmäßige Verteilung der Partikel 200 im Kanal 400 kann die Interaktionszeit zwischen dem Gasstrom 210 und den Partikeln 220 verlängert werden. Durch die Verteilung der Partikel 220 im Kanal 400 kann eine Interaktion zwischen dem Gasstrom 210 und den Partikeln 220 verbessert werden. Um diese Ziele zu erreichen weist der Kanal 400 im Innenraum 470 Einbauten auf, welche sich von in üblichen Rieselreaktoren verbauten Einbauten unterscheiden.
In 3 und 4 ist ein erstes Ausführungsbeispiel der Wärmetauschanordnung 200 dargestellt. Hierbei zeigt 3 einen Querschnitt durch die Wärmetauschanordnung 200 und 4 zeigt einen Längsschnitt durch die Wärmetauschanordnung 200.
Wie aus den 3 und 4 ersichtlich ist, sind im Innenraum 470 des Kanals 400 der Wärmetauschanordnung 200 mehrere erste Ablageelemente 430, 440 angeordnet. Die ersten Ablageelemente 430, 440 sind quer zur Hochachse z angeordnet und weisen Ablageflächen 432, 442 auf. Die Ablageflächen 432, 442 sind im bestimmungsgemäßen Gebrauch zum wenigstens zeitweisen Ablegen und/oder zur Reflexion zumindest eines Teils der Partikel 220 vorgesehen. Hierbei werden reflektierte Partikel 220 im Bereich oberhalb der Ablageelemente 430, 440 verteilt. Durch das Reflektieren und Ablegen der Partikel 220 wird die durchschnittliche Geschwindigkeit der Partikel 220 in Richtung der Schwerkraft g reduziert. Dadurch wird die Verweilzeit der Partikel 220 im Kanal 400 erhöht. Die ersten Ablageelemente 430, 440 sind im dargestellten Ausführungsbeispiel in vier Ebenen 410, 413, 414 angeordnet. In einem alternativen, nicht dargestellten Ausführungsbeispiel ist auch eine Anordnung der Ablageelemente 430, 440 in weniger als vier Ebenen 410 oder in mehr als vier Ebenen 410 vorstellbar. Die Anzahl der Ebenen 410 kann unter anderem von der Höhe des Kanals 400 und/oder von den Abmessungen des Freiraums zwischen den Ebenen 410 abhängen. Es können bei der Anzahl der Ebenen 410 auch andere geeignete Parameter berücksichtigt werden. Die Ebenen 410, 413, 414 umfassen mehrere parallel nebeneinander angeordnete erste Ablageelemente 430, 440. Im dargestellten Ausführungsbeispiel sind die ersten Ablageelemente 430, 440 innerhalb einer Ebene 410, 413, 414 mit einem regelmäßigen Abstand a zueinander angeordnet. Durch den Abstand a zwischen den Ablageelementen 430, 440, werden Durchtrittspalte ausgebildet, durch welche die Partikel 220 die korrespondierende Ebene 410 durchqueren können. Die Abstände a zwischen den Ablageelementen 430, 440 sind im dargestellten Ausführungsbeispiel größer als die Breite w der Ablageelemente 430, 440. Im Kanal 400 bildet sich eine Partikelwolke 300 aus, wobei die Partikel 220 sich in den Bereichen über den Ebenen 410, in den Bereichen unter den Ebenen 410 und in den Durchtrittspalten verteilen. Der Gasstrom 210 kann sich ebenfalls in diesen Bereichen verteilen.
In einem alternativen, nicht dargestellten Ausführungsbeispiel können die Abstände a zwischen den Ablageelementen 430, 440 variieren. Beispielsweise können Abstände a innerhalb einer Ebene 410 variieren. Oder in einer oberen Ebene 413 weisen die Ablageelemente 430, 440 einen ersten Abstand a zueinander auf und in einer unteren Ebene 414 weisen die Ablageelemente 430, 440 einen zweiten Abstand a zu einander auf, welcher verschieden zum ersten Abstand a ist. Durch die Abstände a kann Einfluss auf die Verteilung der Partikel 220 genommen werden.
Wie aus den 3 und 4 weiter ersichtlich ist, sind die ersten Ablageelemente 430, 440 in wenigstens zwei entlang der Hochachse z aufeinander folgenden Ebenen 410, 413, 414 angeordnet. Hierbei sind die ersten Ablageelemente 430, 440 in aufeinander folgenden Ebenen 413, 414 versetzt zueinander angeordnet.
Wie aus 4 ersichtlich ist, folgt die Anordnung der Ablageelemente 430, 440 und der Ebenen 410, 413,414 einem sich wiederholenden Schema. Hierbei weist eine obere Ebene 413 vier erste Ablageelemente 430 und fünf Durchtrittspalte auf. Hierbei sind zwei Durchtrittspalte zwischen einer Wand 480 des Kanals 400 und einem ersten Ablageelement 430 ausgebildet und drei Durchtrittspalte zwischen den ersten Ablageelementen 430 ausgebildet. Eine auf die obere Ebene 413 folgende untere Ebene 414 weist drei erste Ablageelemente 440 und vier Durchtrittspalte auf. Hierbei sind zwei Durchtrittspalte zwischen einer Wand 480 des Kanals 400 und einem ersten Ablageelement 440 ausgebildet und zwei Durchtrittspalte sind zwischen den ersten Ablageelementen 440 ausgebildet. Die Durchtrittspalte zwischen Wand 480 und ersten Ablageelement 440 sind in der unteren Ebene 414 breiter als in der oberen Ebene 413.
In einem alternativen nicht dargestellten Ausführungsbeispiel kann in den Durchtrittspalten zwischen Wand 480 und ersten Ablageelement 440 der unteren Ebene 414 ein weiteres Ablageelement 440 beispielsweise ein Ablageelement 440 mit geringerem Querschnitt angeordnet sein, um den großen Durchtrittspalt in zwei kleinere Durchtrittspalte aufzuteilen.
Die ersten Ablageelemente 440 der unteren Ebene sind mittig gegenüber des darüber angeordneten Durchtrittspalts angeordnet. Dadurch wird die Wahrscheinlichkeit erhöht, dass durch den Durchtrittspalt fallende Partikel am darunterliegenden Ablageelement 440 reflektiert oder abgelegt werden. Dieses Schema wird im dargestellten Ausführungsbeispiel wiederholt. Der Abstand b zwischen den Ebenen 410 ist im dargestellten Ausführungsbeispiel für alle Ebenen 410 gleich. In einem alternativen, nicht dargestellten Ausführungsbeispiel kann der Abstand b zwischen der oberen Ebene 413 und der unteren Ebene 414 ein anderer sein als der Abstand zwischen der unteren Ebene 414 und der oberen Ebene 413 des folgenden Schemas. Zudem entspricht der Abstand b zwischen aufeinander folgenden Ebenen 410, 413, 414 mit ersten Ablageelementen 430, 440 im dargestellten Ausführungsbeispiel dem Abstand a zwischen ersten Ablageelementen 430, 440 innerhalb einer Ebene 410, 413, 414.
In einem alternativen, nicht dargestellten Ausführungsbeispiel kann das Schema häufiger wiederholt werden. Zudem ist auch ein Schema mit lediglich einer Ebene 410, 413 oder mit mehr als zwei Ebenen 410, 413, 414 vorstellbar.
In 5 und 6 ist ein zweites Ausführungsbeispiel der Wärmetauschanordnung 200 dargestellt. Hierbei zeigt 5 einen Querschnitt durch die Wärmetauschanordnung 200 und 6 zeigt einen Längsschnitt durch die Wärmetauschanordnung 200. In 7 ist ein drittes Ausführungsbeispiel der Wärmetauschanordnung 200 dargestellt. 7 zeigt einen Längsschnitt durch die Wärmetauschanordnung 200.
Wie aus den 5, 6 und 7 ersichtlich ist, sind im Innenraum 470 des Kanals 400 der Wärmetauschanordnung 200 mehrere parallel nebeneinander angeordnete erste Ablageelemente 430, 440 angeordnet. Die ersten Ablageelemente 430, 440 sind quer zur Hochachse z angeordnet und weisen Ablageflächen 432, 442 auf. In den dargestellten Ausführungsbeispielen sind die ersten Ablageelemente 430, 440 in der wenigstens einen Ebene 410, 413, 414 mit einem regelmäßigen Abstand a zueinander angeordnet. Zudem sind im Innenraum 470 mehrere parallel nebeneinander angeordnete zweite Ablageelemente 450, 460 in wenigstens einer Ebene 410, 415, 416 angeordnet. In den dargestellten Ausführungsbeispielen sind die zweiten Ablageelemente 450, 460 in der wenigstens einen Ebene 410, 415, 416 mit einem regelmäßigen Abstand a zueinander angeordnet. Dieser Abstand a entspricht dem Abstand a zwischen den ersten Ablageelementen 430, 440 innerhalb einer Ebene 410, 413, 414. Die zweiten Ablageelemente 450, 460 sind zu den ersten Ablageelementen 430, 440 um einen Winkel um die Hochachse z verdreht. In dem dargestellten zweiten Ausführungsbeispiel und dritten Ausführungsbeispiel sind die zweiten Ablageelemente 450, 460 um einen Winkel von 90° verdreht zu den ersten Ablageelementen 430, 440 im Kanal 400 angeordnet. Es sind aber auch andere Winkel vorstellbar.
In einem alternativen nicht dargestellten Ausführungsbeispiel können weitere Ablageelemente ebenfalls parallel in einer Ebene 410 angeordnet sein. Diese Ablageelemente können zu den ersten Ablageelementen 430, 440 und zu den zweiten Ablageelemente 450, 460 um einen Winkel um die Hochachse z verdreht sein. Zusätzlich können sich die zweiten Ablageelemente 450, 460 und die weiteren Ablageelemente auch in einer Abmessung der Länge und/oder der Breite w und/oder der Tiefe von den ersten Ablageelementen 430, 440 unterschieden.
Wie aus den 5, 6 und 7 ersichtlich ist, weisen die ersten Ablageelemente 430, 440 Ablageflächen 432, 442 auf. Die zweiten Ablageelemente 450, 460 weisen ebenfalls Ablageflächen 452, 462 auf. Die Ablageflächen 432, 442, 452, 462 der ersten Ablageelemente 430, 440 und der zweiten Ablageelemente 450, 460 sind im bestimmungsgemäßen Gebrauch zum wenigstens zeitweisen Ablegen und/oder zur Reflexion zumindest eines Teils der Partikel 220 vorgesehen. Hierbei werden reflektierte Partikel 220 im Bereich oberhalb der Ablageelemente 430, 440, 450, 460 verteilt. Durch das Reflektieren und Ablegen der Partikel 220 wird die durchschnittliche Geschwindigkeit der Partikel 220 in Richtung der Schwerkraft g reduziert. Dadurch wird die Verweilzeit der Partikel 220 im Kanal 400 erhöht. Die ersten Ablageelemente 430, 440 und die zweiten Ablageelemente 450, 460 sind in den dargestellten Ausführungsbeispielen in fünf Ebenen 410, 413, 414, 415, 416 angeordnet. In einem alternativen, nicht dargestellten Ausführungsbeispiel ist auch eine Anordnung der Ablageelemente 430, 440, 450, 460 in weniger als fünf Ebenen 410 oder in mehr als fünf Ebenen 410 vorstellbar. Die Anzahl der Ebenen 410 kann unter anderem von der Höhe des Kanals 400 und/oder von den Abmessungen des Freiraums zwischen den Ebenen 410 abhängen. Es können bei der Anzahl der Ebenen 410 auch andere geeignete Parameter berücksichtigt werden. Durch die Abstände a zwischen den Ablageelementen 430, 440, 450, 460 werden Durchtrittspalte ausgebildet, durch welche die Partikel 220 die korrespondierende Ebene 410 durchqueren können. Die Abstände a zwischen den ersten Ablageelementen 430, 440 und den zweiten Ablageelementen 450, 460 sind im dargestellten Ausführungsbeispiel größer als die Breite w der Ablageelemente 430, 440, 450, 460. Im Kanal 400 bildet sich eine Partikelwolke 300 aus, wobei die Partikel 220 sich in den Bereichen über den Ebenen 410, in den Bereichen unter den Ebenen 410 und in den Durchtrittspalten verteilen. Der Gasstrom 210 kann sich ebenfalls in diesen Bereichen verteilen.
Unter einer oberen Ebene 413, 415 wird im Folgenden eine Ebene 410 mit ersten Ablageelementen 430 oder mit zweiten Ablageelementen 450 verstanden, welche innerhalb des Schemas über einer Ebene 414, 416 mit gleich ausgerichteten Ablageelementen 440, 460 angeordnet ist. Dadurch umfasst das Schema in den dargestellten Ausführungsbeispielen zwei obere Ebenen 413, 415, wobei eine obere Ebene 413 erste Ablageelemente 430 und eine weitere obere Ebene 415 zweite Ablageelemente 450 umfasst. Zudem umfasst das Schema zwei untere Ebenen 414, 416, wobei eine untere Ebene 414 erste Ablageelemente 440 und eine weitere untere Ebene 416 zweite Ablageelemente 460.
In einem alternativen, nicht dargestellten Ausführungsbeispiel können die Abstände a zwischen den Ablageelementen 430, 440 variieren. Beispielsweise können Abstände a innerhalb einer Ebene 410 variieren oder in einer oberen Ebene 413, 415 weisen die Ablageelemente 430, 450, einen ersten Abstand a zueinander auf und in einer unteren Ebene 414, 416 weisen die Ablageelemente 440, 460 einen zweiten Abstand a zueinander auf, welcher verschieden zum ersten Abstand a ist. Optional können die zweiten Ablageelemente 450, 460 einen anderen Abstand a zu einander aufweisen als die ersten Ablageelemente 430, 440. Durch die Abstände a kann Einfluss auf die Verteilung der Partikel 220 genommen werden.
Wie aus den 5, 6 und 7 weiter ersichtlich ist, sind die ersten Ablageelemente 430, 440 in wenigstens zwei entlang der Hochachse z untereinander angeordneten Ebenen 410, 413, 414 angeordnet. Hierbei sind die ersten Ablageelemente 430, 440 in untereinander angeordneten Ebenen 413, 414 versetzt zueinander angeordnet.
Wie aus den 5, 6 und 7 weiter ersichtlich ist, sind die zweiten Ablageelemente 450, 460 in wenigstens zwei entlang der Hochachse z untereinander angeordneten Ebenen 410, 415, 416 angeordnet. Hierbei sind die zweiten Ablageelemente 450, 460 in untereinander angeordneten Ebenen 410, 415, 416 versetzt zueinander angeordnet.
Wie aus 6 und 7 weiter ersichtlich ist, sind die ersten und zweiten Ablageelemente 430, 440, 450, 460 entlang der Hochachse z alternierend aufeinander folgend angeordnet.
Wie aus 6 und 7 ersichtlich ist folgt die Anordnung der Ablageelemente 430, 440, 450, 460 und der Ebenen 410, 413, 414, 415, 146 einem sich wiederholenden Schema, wobei das Schema nicht vollständig wiederholt wird. Hierbei weist eine obere Ebene 413 mit ersten Ablageelementen 430 zwei erste Ablageelemente 430 und drei Durchtrittspalte auf. Hierbei sind zwei Durchtrittspalte zwischen einer Wand 480 des Kanals 400 und einem ersten Ablageelement 430 ausgebildet und ein Durchtrittspalt ist zwischen den ersten Ablageelementen 430 ausgebildet. Eine unter der oberen Ebene 413 angeordnete untere Ebene 414 mit ersten Ablageelementen 430, 440 weist drei erste Ablageelemente 440 und vier Durchtrittspalte auf. Hierbei sind zwei Durchtrittspalte zwischen einer Wand 480 des Kanals 400 und einem ersten Ablageelement 440 ausgebildet und zwei Durchtrittspalte sind zwischen den ersten Ablageelementen 440 ausgebildet. Die Durchtrittspalte zwischen Wand 480 und ersten Ablageelement 440 sind in der unteren Ebene 414 schmaler als in der oberen Ebene 413. In einem alternativen nicht dargestellten Ausführungsbeispiel kann in den Durchtrittspalten zwischen Wand 480 und ersten Ablageelement 440 der oberen Ebene 414 ein weiteres Ablageelement 440 beispielsweise ein Ablageelement 440 mit geringerem Querschnitt angeordnet sein, um den großen Durchtrittspalt in zwei kleinere Durchtrittspalte aufzuteilen. Die ersten Ablageelemente 440 der unteren Ebene 414 sind mittig unter dem darüber liegenden Durchtrittspalt angeordnet.
Die zweiten Ablageelemente 450, 460 sind in den dargestellten Ausführungsbeispielen in zwei untereinander angeordneten Ebenen 415, 416 angeordnet.
Wie aus 5 ersichtlich ist, entspricht die Anordnung der zweiten Ablageelemente 450, 460 im dargestellten zweiten Ausführungsbeispiel der Anordnung der ersten Ablageelemente 430, 440. Das heißt, eine obere Ebene 415 mit zweiten Ablageelementen 450 umfasst zwei zweite Ablageelemente 450 und drei Durchtrittspalte. Hierbei sind zwei Durchtrittspalte zwischen einer Wand 480 des Kanals 400 und einem zweiten Ablageelement 450 ausgebildet und ein Durchtrittspalt ist zwischen den zweiten Ablageelementen 430 ausgebildet. Eine auf die obere Ebene 415 folgende untere Ebene 416 mit zweiten Ablageelementen 460 weist drei zweite Ablageelemente 460 und vier Durchtrittspalte auf. Hierbei sind zwei Durchtrittspalte zwischen einer Wand 480 des Kanals 400 und einem zweiten Ablageelement 460 ausgebildet und zwei Durchtrittspalte sind zwischen den zweiten Ablageelementen 460 ausgebildet. Die Durchtrittspalte zwischen Wand 480 und zweitem Ablageelement 460 sind in der unteren Ebene 416 schmaler als die Durchtrittspalte zwischen Wand 480 und zweitem Ablageelement 450 in der oberen Ebene 415. In einem alternativen nicht dargestellten Ausführungsbeispiel kann in den Durchtrittspalten zwischen Wand 480 und zweiten Ablageelement 450 der oberen Ebene 415 ein weiteres Ablageelement 450 beispielsweise ein Ablageelement 450 mit geringerem Querschnitt angeordnet sein, um den großen Durchtrittspalt in zwei kleinere Durchtrittspalte aufzuteilen. Die zweiten Ablageelemente 460 der unteren Ebene 416 sind mittig unter dem darüber liegenden Durchtrittspalt angeordnet.
Das zweite Ausführungsbeispiel und das dritte Ausführungsbeispiel unterscheiden sich in der Ausgestaltung des Schemas.
Wie aus 6 weiter ersichtlich ist, ist das Schema im dargestellten zweiten Ausführungsbeispiel aus vier Ebenen 410 aufgebaut. Hierbei ist eine obere Ebene 413 mit ersten Ablageelementen 430 über einer unteren Ebene 414 mit ersten Ablageelementen 440 angeordnet. Unter der unteren Ebene 414 mit ersten Ablageelementen 440 folgt eine obere Ebene 415 mit zweiten Ablageelementen 450. Darauf folgt eine untere Ebene 416 mit zweiten Ablageelementen 460. Dadurch folgt auf eine obere Ebene 413, 415 eine untere Ebene 414, 416 mit den gleich ausgerichteten Ablageelementen 430, 440, 450, 460.
Wie aus 7 weiter ersichtlich ist, ist das Schema im dargestellten dritten Ausführungsbeispiel aus vier Ebenen 410 aufgebaut. Hierbei ist eine obere Ebene 413 mit ersten Ablageelementen 430 über einer oberen Ebene 415 mit zweiten Ablageelementen 450 angeordnet. Unter der oberen Ebene 415 mit zweiten Ablageelementen 450 folgt eine untere Ebene 414 mit ersten Ablageelementen 440. Darauf folgt eine untere Ebene 416 mit zweiten Ablageelementen 460. Dadurch sind die ersten Ablageelemente 430, 440 in Richtung der Hochachse z immer im Wechsel mit zweiten Ablageelementen 450, 460 angeordnet.
In einem alternativen, nicht dargestellten Ausführungsbeispiel sind auch andere geeignete Abfolgen möglich. Beispielsweise können die obere Ebene 415 mit zweiten Ablageelementen 450 und die untere Ebene 416 mit zweiten Ablageelementen 460 zwischen einer oberen Ebene 413 mit ersten Ablageelementen 430 und einer unteren Ebene 414 mit ersten Ablageelementen 440 angeordnet sein.
Wie aus 6 ersichtlich ist, wird im dargestellten zweiten Ausführungsbeispiel durch die versetzte Anordnung der Ablageelemente 440, 460 der Ebenen 414, 416 zu den Ablageelementen 430, 450 der vorhergehenden Ebenen 413, 415 die Wahrscheinlichkeit erhöht, dass durch die Durchtrittspalte fallende Partikel 220, 228 an darunterliegenden Ablageelementen 440, 460 reflektiert oder abgelegt werden.
In dem in 7 dargestellten dritten Ausführungsbeispiel ist die Wahrscheinlichkeit erhöht, dass durch die Durchtrittspalte fallende Partikel 220, 228 an darunterliegenden übernächsten Ablageelementen 440, 460 reflektiert oder abgelegt werden.
Wie aus den 6 und 7 weiter ersichtlich ist, werden die Schemas in den dargestellten Ausführungsbeispielen nicht vollständig wiederholt, lediglich die obere Ebene 413 mit ersten Ablageelementen 430 ist dargestellt. Der Abstand b zwischen den Ebenen 410 ist in den dargestellten Ausführungsbeispielen für alle Ebenen 410 gleich. In einem alternativen, nicht dargestellten Ausführungsbeispiel kann der Abstand b zwischen der oberen Ebene 413, 415 und der unteren Ebene 414, 416 ein anderer sein als der Abstand zwischen der unteren Ebene 416 und der oberen Ebene 413. Zudem können die Ebenen 413, 414 mit ersten Ablageelementen 430, 440 einen anderen Abstand b zu benachbarten Ebenen 410 aufweisen als Ebenen 415, 416 mit zweiten Ablageelementen 450, 460. Im dargestellten Ausführungsbeispiel weisen aufeinander folgende Ebenen 410, 413, 414, 415, 416 von ersten Ablageelementen 430, 440 und zweiten Ablageelementen 450, 460 einen Abstand b voneinander auf, der einem Abstand a zwischen ersten Ablageelementen 430, 440 oder zweiten Ablageelementen 450, 460 innerhalb einer Ebene 410, 413, 414, 415, 416 entspricht.
In einem alternativen, nicht dargestellten Ausführungsbeispiel kann das Schema häufiger wiederholt werden. Zudem ist auch ein Schema mit lediglich zwei Ebenen 410 oder mit mehr als zwei Ebenen 410 vorstellbar.
Wie aus den 3 bis 7 weiter ersichtlich ist, sind die Abmessungen der Ablageelemente 430, 440, 450, 460 identisch. Sie weisen die gleiche, von der Länge des Kanals 400 abhängige Länge, dieselbe Breite w und dieselben Abstände a, b zueinander auf. Bei einem Kanal 400 mit rechteckigem Querschnitt wäre die Länge der Ablageelemente 430, 440, 450, 460 je nach Ausrichtung abhängig von der Länge oder von der Breite des Kanals 400.
Wie aus den 3 und 5 weiter ersichtlich ist, erstrecken sich die Ablageelemente 430, 440, 450, 460 im Wesentlichen über den Querschnitt des Kanals 400. Hierbei stoßen die Ablageelemente 430, 440, 450, 460 mit den Stirnseiten an einer Wand 480 des Kanals 400 an. Zudem können die Ablageelemente 430, 440, 450, 460 mit den Stirnseiten an der Wand 480 befestigt sein. In einem alternativen, nicht dargestellten Ausführungsbeispiel können die Ablageelemente 430, 440, 450, 460 auch auf andere geeignete Art im Kanal 400 befestigt sein.
Wie aus den 3 bis 7 weiter ersichtlich ist, sind die Ablageflächen 432, 442, 452, 462 der Ablageelemente 430, 440, 450, 460 in den dargestellten Ausführungsbeispielen als durchgängige planare Oberflächen 436, 446, 456, 466 ausgebildet, wobei die Oberfläche 436, 446, 456, 466 quer, insbesondere senkrecht, zur Hochachse z des Kanals 400 ausgerichtet ist. Hierbei sind die Ablageelemente 430, 440, 450, 460 als Stangen mit einem Vierkantprofil ausgebildet, wobei die Oberseite der Stangen die planare Oberfläche 436, 446, 456, 466 ausbildet. Die Breite und die Länge der Ablageelemente 430, 440, 450, 460 geben dadurch die Fläche der Ablageflächen 432, 442, 452, 462 vor. Die Breite w der Ablageelemente 430, 440, 450, 460 ist hierbei so gewählt, dass entlang der Breite der Ablageflächen 432, 442, 452, 462 wenigstens ein Partikel 220 abgelagert werden kann. In den dargestellten Ausführungsbeispielen können zwischen einem und vier Partikel 220, 226 entlang der Breite w an den Ablageflächen 432, 442, 452, 462 abgelagert werden. Die Breite w kann aber auch so gewählt werden, dass mehr als vier Partikel 220, 226 entlang der Breite w abgelagert werden können. Hierbei ist die Breite w so schmal wie möglich zu wählen, um eine Verschattung unterhalb der Ablageelemente 430, 440, 450, 460 zu erschweren. Fallende Partikel 220, 228 und reflektierte Partikel 220 verteilen sich im Idealfall gleichmäßig im Innenraum 470 des Kanals 400 und bilden eine Partikelwolke 300 aus. Bei der Wahl der Breite w der Ablageelemente 430, 440, 450, 460 ist ein Gleichgewicht zwischen ausreichender Ablagekapazität, ausreichender Reflexionsfläche und Freigeben von möglichst viel Raum zu finden. Dies kann in Abhängigkeit der Partikelanzahl und/oder der Partikelgröße und/oder des Partikelgewichts und/oder der Abmessungen des Kanals und/oder der Anzahl der Ablageelemente 430, 440, 450, 460 und/oder der Abstände a, b zwischen den Ablageelemente 430, 440, 450, 460 erfolgen.
In einem alternativen, nicht dargestellten Ausführungsbeispiel können die Ablageflächen 432, 442, 452, 462 nicht durchgängig am korrespondierenden Ablageelement 430, 440, 450, 460 angeordnet sein. Hierbei kann das Ablageelement 430, 440, 450, 460 zwischen den Ablageflächen 432, 442, 452, 462 eine andere Form ausweisen.
In einem weiteren alternativen, nicht dargestellten Ausführungsbeispiel können die Ablageflächen 432, 442, 452, 462 der Ablageelemente 430, 440, 450, 460 wenigstens bereichsweise, bezogen auf eine Fallrichtung der Partikel 220 bei bestimmungsgemäßem Gebrauch konkav ausgebildet sein, insbesondere trichterförmig oder muldenartig ausgebildet sein. Hierbei können die Ablageelemente 430, 440, 450, 460 beispielsweise als Stangen mit Vierkantprofil ausgeführt sein, in deren Oberseite Aussparungen eingebracht sind, welche die konvexen Ablageflächen 432, 442, 452, 462 ausbilden. Zudem ist eine Anordnung mit konvexen und planaren Ablageflächen 432, 442, 452, 462 an den Ablageelementen 430, 440, 450, 460 vorstellbar. Des Weiteren können die Ablageelemente 430, 440, 450, 460 eine andere geeignete Form aufweisen.
Die Anzahl der Ablageelemente 430, 440, 450, 460 und/oder die Anzahl der Ebenen 410, 413, 414, 415, 416 ist abhängig von einer Länge und/oder einer Breite w der Ablageelemente 430, 440, 450, 460, und/oder von den Abständen a zwischen den Ablageelementen 430, 440, 450, 460 innerhalb einer Ebene 410, 413, 414, 415, 416 und/oder von den Abständen b zwischen den Ebenen 410, 413, 414, 415, 416 und/oder von der Größe der Partikel 220, und/oder von der Anzahl er Partikel 220 und/oder von der Partikeltemperatur, und/oder von den Abmessungen des Kanals 400 und/oder vom Volumen des Kanals 400.
Die Partikel 220 in den dargestellten Ausführungsbeispielen sind als annähernd runde Keramikpartikel oder als annähernd runde Bauxitpartikel ausgeführt. Hierbei sind die Partikel 220 temperaturbeständig. Die Partikel 220 weisen in den dargestellten Ausführungsbeispielen in etwa einen Durchmesser von 1 mm auf. Es sind auch andere geeignete Formen, Größen und Querschnitte der Partikel 220 vorstellbar.
Ein nicht dargestelltes Verfahren zum Betreiben einer Wärmetauschanordnung 200 umfasst einen Verfahrensschritt, in welchem Partikel 220 durch einen oberen Partikeleinlass 206 in einen Kanal 400 der Wärmetauschanordnung 200 gelangen. Die Partikel 220 bewegen sich in Schwerkraftrichtung in Richtung eines unteren Partikelauslass 208 durch den Kanal 400. Während ihres Falls durch den Kanal 400 wird ein Teil der Partikel 220 an Ablageflächen 432, 442, 452, 462 von wenigstens ersten Ablageelementen 430, 440, welche quer zum Kanal 400 angeordnet sind, reflektiert, ein Teil der Partikel 220 wird zeitweise an den Ablageflächen 432, 442, 452, 462 abgelagert. Die Partikel 220 bilden zwischen den ersten Ablageelementen 430, 440 eine im gesamten Kanal 400 verteilte Partikelwolke 300. 430, 440. Die Partikelwolke 300 tauscht mit einem in den Kanal 400 eingelassenen Gasstrom 210 Wärme aus.
Eine Anordnung der Ablageelemente 430, 440, 450, 460 und/oder Ablageflächen 432, 442, 452, 462 kann vorteilhaft so gewählt werden, dass die Partikel verglichen mit runden, dreieckigen oder rautenförmigen Ablageelementen vergleichbarer Abmessungen wenigstens 2/3, insbesondere die Hälfte, ihrer Fallgeschwindigkeit abgebremst werden.
Die Fallgeschwindigkeit und/oder die Verteilung der Partikel 220 kann abhängig von der Strömungsgeschwindigkeit des Gasstroms 210 und/oder von der Partikeltemperatur und/oder von der Partikelgröße und/oder von dem Partikelgewicht und/oder von den Abständen b zwischen den Ebenen 410, 413, 414, 415, 416 und/oder von den Abständen a zwischen den Ablageelementen 430, 440, 450, 460 und/oder von den Abmessungen der Ablageelemente 430, 440, 450, 460 und/oder von den Abmessungen des Kanals 400 günstig eingestellt werden.
Eine nicht dargestellte Verwendung einer Wärmetauschanordnung 200 zur Wärmeauskopplung aus einer Wärmequelle 110, insbesondere aus einem Solarthermieanlage 100 ist möglich.
Bezugszeichenliste

100: Solarthermieanlage
110: Wärmequelle (Sonne)
120: Solarfeld/ Sonnenkollektor
130: Solarturm
140: Födersystem
150: Heißspeicher
160: Kaltspeicher
200: Wärmetauschanordnung
202: Gaseinlass
204: Gasauslass
206: Partikeleinlass
208: Partikelauslass
210: Gasstrom
212: eintretender Gasstrom
214: austretender Gasstrom
220: Partikel
222: Eintretende Partikel
224: Austretende Partikel
226: verweilende Partikel
228: fallender Partikel
300: Partikelwolke
400: Kanal
410: Ebene
413: obere Ebene erste Ablageelemente
414: untere Ebene erste Ablageelemente
415: obere Ebene zweite Ablageelemente
416: untere Ebne zweite Ablageelemente
430: erste Ablageelemente Längsausrichtung obere Ebene
440: erste Ablageelemente Längsausrichtung untere Ebene
450: zweite Ablageelemente Querausgerichtet obere Ebene
460: zweite Ablageelemente Querausgerichtet untere Ebene
432, 442, 452, 462: Ablagefläche
436, 446, 456, 466: Oberfläche
434, 444, 454, 464: Unterseite
470: Innenraum
480: Gehäusewand
g: Gewichtskraft
a: Abstand zwischen zwei benachbarten Packungselementen in einer Ebene
b: Abstand zwischen benachbarter Ebenen
w: Breite der Auflagefläche
z: Hochachse

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 3801469 A [0005]

Claims

Wärmetauschanordnung (200) mit einem Kanal (400), mit einer Höhe in Richtung einer Hochachse (z) in Wirkungsrichtung der Schwerkraft (g), in welchem zumindest mehrere erste Ablageelemente (430, 440) angeordnet sind, wobei der Kanal (400) einen oberen Partikeleinlass (206) und einen in Schwerkraftrichtung gesehen unteren Partikelauslass (208) aufweist, die zum Einführen und Abführen von Partikeln (220) in den, bzw. aus dem Kanal (400) vorgesehen sind, wobei der Kanal (400) einen Gaseinlass (202) und einen Gasauslass (204) für einen Gasstrom (210) aufweist, wobei im freien Querschnitt des Kanals (400) erste Ablageelemente (430, 440) quer zur Hochachse (z) angeordnet sind und Ablageflächen (432, 442) aufweisen, die im bestimmungsgemäßen Gebrauch zum wenigstens zeitweisen Ablegen und/oder zur Reflexion zumindest eines Teils der Partikel (220) vorgesehen sind.
Wärmetauschanordnung nach Anspruch 1, wobei die ersten Ablageelemente (430, 440) in wenigstens einer Ebene (410, 413, 414) angeordnet sind, wobei die wenigstens eine Ebene (410, 413, 414) mehrere parallel nebeneinander angeordnete erste Ablageelemente (430, 440) umfasst, insbesondere wobei die ersten Ablageelemente (430, 440) in der wenigstens einen Ebene (410, 413, 414) mit einem regelmäßigen Abstand (a) zueinander angeordnet sind.
Wärmetauschanordnung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die ersten Ablageelemente (430, 440) in wenigstens zwei entlang der Hochachse (z) aufeinander folgenden Ebenen (410, 413, 414) angeordnet sind, insbesondere wobei die ersten Ablageelemente (430, 440) in aufeinander folgenden Ebenen (410, 413, 414) versetzt zueinander angeordnet sind.
Wärmetauschanordnung nach Anspruch 2 oder 3, wobei im Kanal (400) mehrere parallel nebeneinander angeordnete zweite Ablageelemente (450, 460) in wenigstens einer Ebene (410, 415, 416) angeordnet sind, insbesondere wobei die zweiten Ablageelemente (450, 460) in der wenigstens einen Ebene (410, 415, 416) mit einem regelmäßigen Abstand (a) zueinander angeordnet sind, wobei die zweiten Ablageelemente (450, 460) zu den ersten Ablageelementen (430, 440) um einen Winkel um die Hochachse (z) verdreht sind, insbesondere um einen Winkel von 90° verdreht sind.
Wärmetauschanordnung nach Anspruch 4, wobei die zweiten Ablageelemente (450, 460) in wenigstens zwei entlang der Hochachse (z) aufeinander folgenden Ebenen (410, 415, 416) angeordnet sind, insbesondere wobei die zweiten Ablageelemente (450, 460) in aufeinander folgenden Ebenen (410, 415, 416) versetzt zueinander angeordnet sind.
Wärmetauschanordnung nach Anspruch 4 oder 5, wobei die ersten Ablageelemente (430, 440) und zweiten Ablageelemente (450, 460) entlang der Hochachse (z) alternierend aufeinander folgend angeordnet sind.
Wärmetauschanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei sich die Ablageelemente (430, 440, 450, 460) im Wesentlichen über den Querschnitt des Kanals (400) erstrecken.
Wärmetauschanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Ablageflächen (432, 442, 452, 462) der Ablageelemente (430, 440, 450, 460) wenigstens bereichsweise als planare Oberfläche (436, 446, 456, 466) ausgebildet sind, wobei die Oberfläche (436, 446, 456, 466) quer, insbesondere senkrecht, zur Hochachse (z) des Kanals (400) ausgerichtet ist.
Wärmetauschanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Ablageflächen (432, 442, 452, 462) der Ablageelemente (430, 440, 450, 460) wenigstens bereichsweise bezogen auf eine Fallrichtung der Partikel (220) bei bestimmungsgemäßem Gebrauch konkav ausgebildet sind, insbesondere trichterförmig oder muldenartig ausgebildet ist.
Wärmetauschanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei aufeinander folgende Ebenen (410, 413, 414) von ersten Ablageelementen (430, 440) mindestens einen Abstand (b) voneinander aufweisen, der einem Abstand (a) zwischen ersten Ablageelementen (430, 440) innerhalb einer Ebene (410, 413, 414) entspricht.
Wärmetauschanordnung nach einem der Ansprüche 4 bis 10, wobei aufeinander folgende Ebenen (410, 413, 414, 415, 416) von ersten Ablageelementen (430, 440) und zweiten Ablageelementen (450, 460) mindestens einen Abstand (b) voneinander aufweisen, der einem Abstand (a) zwischen ersten Ablageelementen (430, 440) oder zweiten Ablageelementen (450, 460) innerhalb einer Ebene (410, 413, 414, 415, 416) entspricht.
Wärmetauschanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Anzahl der Ablageelemente (430, 440, 450, 460) und/oder die Anzahl der Ebenen (410, 413, 414, 415, 416) abhängig ist von einer Länge und/oder einer Breite (w) der Ablageelemente (430, 440, 450, 460) und/oder von den Abständen (a) zwischen den Ablageelementen (430, 440, 450, 460) und/oder von den Abständen (b) zwischen den Ebenen (410, 413, 414, 415, 416) und/oder von der Größe der Partikel (220), und/oder von der Anzahl er Partikel (220) und/oder von der Partikeltemperatur, und/oder von den Abmessungen des Kanals (400) und/oder vom Volumen des Kanals (400).
Wärmetauschanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Partikel (220) als annähernd runde Keramikpartikel oder als annähernd runde Bauxitpartikel ausgeführt sind.
Verfahren zum Betreiben einer Wärmetauschanordnung (200) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei Partikel (220) durch einen oberen Partikeleinlass (206) in einen Kanal (400) der Wärmetauschanordnung (200) gelangen, sich in Schwerkraftrichtung in Richtung eines unteren Partikelauslass (208) durch den Kanal (400) bewegen, wobei ein Teil der Partikel (220) während ihres Falls durch den Kanal (400) an Ablageflächen (432, 442, 452, 462) von wenigstens ersten Ablageelementen (430, 440), welche quer zum Kanal (400) angeordnet sind, reflektiert werden, oder ein Teil der Partikel (220) zeitweise an den Ablageflächen (432, 442, 452, 462) abgelagert werden, wobei die Partikel (220) zwischen den ersten Ablageelementen (430, 440) eine im gesamten Kanal (400) verteilte Partikelwolke (300) bilden, welche mit einem in den Kanal (400) eingelassenen Gasstrom (210) Wärme austauscht.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei eine Fallgeschwindigkeit und/oder eine Verteilung der Partikel (220) abhängig von wenigstens einer der folgenden Größen eingestellt wird (i) Strömungsgeschwindigkeit des Gasstroms (210); (ii) Partikeltemperatur; (iii) Partikelgröße; (iv) Partikelgewicht; (v) Abständen (b) zwischen den Ebenen (410, 413, 414, 415, 416); (vi) Abständen (a) zwischen den Ablageelementen (430, 440, 450 460); (vii) Abmessungen und/oder der Form der Ablageelemente (430, 440, 450, 460); (viii) Abmessungen und/oder der Form der Ablageflächen (432, 442, 452, 462); (ix) Abmessungen des Kanals (400).
Verfahren nach Anspruch 15, wobei Wärme von den Partikeln (220) auf den Gasstrom (210) übertragen wird.
Verwendung einer Wärmetauschanordnung (200) nach einem der Ansprüche 1 bis 13 zur Wärmeauskopplung aus einer Wärmequelle (110), insbesondere aus einer Solarthermieanlage (100).