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Die Erfindung betrifft einen Partikel-Wärmeübertrager, insbesondere einen Partikel-Fluid-Wärmeübertrager, enthaltend einen Arbeitsraum, der sich von einem Eintrittsquerschnitt zu einem Austrittsquerschnitt erstreckt, wobei eine Hauptströmungsrichtung von dem Eintrittsquerschnitt zu dem Austrittsquerschnitt definiert ist, und einen Rohrabschnitt in dem Arbeitsraum, wobei eine Wand des Rohrabschnitts einen Rohrinnenraum von einem außerhalb des Rohrabschnitts liegenden Teil des Arbeitsraums fluidisch trennt.
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Außerdem betrifft die Erfindung eine Leitelemente-Lage zur Verwendung in einem derartigen Partikel-Wärmeübertrager, ein Herstellungsverfahren für eine derartige Leitelemente-Lage und schließlich ein Herstellungsverfahren für einen Partikel-Wärmeübertrager enthaltend ein derartiges Herstellungsverfahren für eine Leitelemente-Lage.
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Bei einem Partikel-Wärmeübertrager werden fließfähige Partikel, beispielsweise Keramikpartikel, als ein Wärmeträgermedium verwendet. Diese sind typischerweise hitzebeständig und haben eine vergleichsweise hohe spezifische Wärmekapazität, sodass sie sich als Speichermedium insbesondere für Hochtemperaturanwendungen empfehlen. Zur Wärmeauskopplung werden beispielsweise schwerkraftbetriebene Wanderbett-Wärmeübertrager, insbesondere Rohrbündel-Wärmeübertrager in Horizontalbauweise oder Vertikalbauweise verwendet.
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Ein beispielhafter Wärmeübertrager in Vertikalbauweise kann die folgenden drei Räume haben, nämlich einen Einströmungsraum, einen Arbeitsraum und einen Ausströmungsraum. Durch den Einströmungsraum kann im Betrieb eine Partikelschüttung dem Arbeitsraum zugeführt werden. In dem Einströmungsraum wird zumindest eine Rohrleitung in eine Partikelströmung eingeführt. Andere Sichtweise bzw. Bauweise kann sein, dass eine Partikelströmung um zumindest eine Rohrleitung herumgeführt wird. In dem Arbeitsraum verlaufen die Partikelströmung in ihrer Gesamtheit und die zumindest eine Rohrleitung zumindest näherungsweise parallel zueinander. Insbesondere der Teil einer Rohrleitung in dem Arbeitsraum ist ein Rohrabschnitt. In dem Ausströmungsraum werden die zumindest eine Rohrleitung und die Partikelströmung voneinander getrennt, bspw. indem die Rohrleitung aus der Strömung herausgeführt wird. Durch den Ausströmungsraum wird im Betrieb die Partikelschüttung aus dem Arbeitsraum abgeführt. Ein Querschnitt des Arbeitsraums an einem Übergang vom Einströmungsraum in den Arbeitsraum wird vorzugsweise als Eintrittsquerschnitt und ein Querschnitt des Arbeitsraums an einem Übergang von dem Arbeitsraum zu dem Ausströmungsraum wird vorzugsweise als Austrittsquerschnitt bezeichnet.
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Die Horizontalbauweise unterschiedet sich von der oben beschriebenen Vertikalbauweise bspw. darin, dass die Rohrleitungen quer, d.h. von einer Seite zu einer anderen Seite durch den Arbeitsraum und daher üblicherweise nicht durch den Einströmungsraum und den Ausströmungsraum verlaufen.
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Insbesondere Partikel-Wärmeübertrager in Vertikalbauweise, aber auch in Horizontalbauweise leiden an Ineffizienz im Vergleich zu Flüssigkeits-basierten Wärmeübertragungssystemen. Gründe hierfür ist eine typisch niedrige Wärmeleitfähigkeit bei gleichzeitig geringer Durchmischung einer Partikelschüttung im Arbeitsraum eines Wärmeübertragers
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen effizienten Partikel-Wärmeübertrager, insbesondere in einer Rohrbündel-Bauweise, bereitzustellen.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch einen erfindungsgemäßen Partikel-Wärmetauscher. Dieser hat einen Arbeitsraum, einen Rohrabschnitt in dem Arbeitsraum und ein Leitelement. Der Arbeitsraum erstreckt sich von einem Eintrittsquerschnitt zu einem Austrittsquerschnitt. Eine Wand des Rohrabschnitts trennt fluidisch einen Rohrinnenraum von einem Teil des Arbeitsraums, der außerhalb des Rohrabschnitts liegt. Ein Leitelement enthält zumindest einen Leitabschnitt in dem Arbeitsraum. Der Leitabschnitt ist an dem Rohrabschnitt angeordnet. Außerdem ist der Leitabschnitt schräg zu der Hauptströmungsrichtung ausgerichtet.
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Indem der Leitabschnitt an dem Rohrabschnitt angeordnet und schräg ausgerichtet ist, bewirkt das Leitelement bzw. der Leitabschnitt des Leitelements im Betrieb ein Durchmischen einer an dem Rohrabschnitt vorbeigeführten Partikelschüttung. Dadurch kommen vor und nach dem Leitelement bzw. Leitabschnitt in der Regel vorwiegend unterschiedliche Partikel derselben Schüttung mit dem Rohrabschnitt in Kontakt. Im Ergebnis kann über eine turbulente Strömung ein höherer Wärmeübertrag zwischen der Partikelschüttung und dem Rohrabschnitt bzw. einem in dem Rohrabschnitt geführten Fluid erreicht werden. Dies steigert eine Effizient eines Partikel-Wärmeübertragers. Mit anderen Worten: die Erfindung verbessert einen partikelseitigen Wärmeübergangskoeffizienten.
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Vorzugsweise definieren der Eintrittsquerschnitt und der Austrittsquerschnitt eine Hauptströmungsrichtung. Die Hauptströmungsrichtung kann als eine Richtung bzw. ein Vektor von einem Punkt in dem Eintrittsquerschnitt mit einem Verhältnis zu Rändern des Eintrittsquerschnitts zu einem Punkt in dem Austrittsquerschnitt in demselben Verhältnis aber zu den Rändern des Austrittsquerschnitts beschrieben werden. Die Hauptströmungsrichtung läuft vorzugsweise parallel zu Seiten des Arbeitsraums.
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Der Rohrabschnitt ist kann insbesondere Teil einer Rohrleitung sein, welcher in dem Arbeitsraum angeordnet ist. Er ist daher von Partikeln wärmeübertragend umströmbar, welche den Arbeitsraum im bestimmungsgemäßen Betrieb durchströmen.
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Eine fluidische Trennung ist bspw. eine Partikel-dichte und Fluid-dichte Trennung. Sie verhindert bei einem Wärmeübertrager insbesondere ein Vermischen eines ersten Mediums, insbesondere Partikeln, mit einem zweiten Medium, insbesondere einem Fluid.
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Ein Leitelement ist insbesondere ein zum Leiten eines Teils einer Partikelströmung konfiguriertes Bauteil, entsprechendes gilt für einen Leitabschnitt. Das Leitelement kann mehr als einen Abschnitt, beispielsweise einen abrasionsbeständigen Anströmungsabschnitt, einen Strömungskraft-widerstandsfähigen Tragabschnitt, einen weiteren Leitabschnitt und/oder einen mehrere Leitabschnitte verbindenden Verbindungsabschnitt haben. Das Leitelement kann insbesondere ein zum Durchmischen einer Partikelströmung konfiguriertes Mischelement sein. Das Leitelement steht vorzugsweise von der Wand des Rohrabschnitts ab, um eine Turbulenzwirkung zu verbessern.
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Ein Leitelement kann auf viele Arten hergestellt sein, einschließlich eines 3D-Drucks, eines Sinterverfahrens, eines Umformverfahrens, insbesondere Blech-Umformverfahrens, und/oder eines spanabhebenden Verfahrens. Sind der Rohrabschnitt und das jeweilige Leitelement getrennt hergestellt, kann jeweils ein optimales Material gewählt werden, so dass insgesamt niedrigere Systemkosten entstehen.
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Unter einer schrägen Ausrichtung kann ein weder senkrechter bzw. rechtwinkliger noch paralleler Winkel verstanden werden. „Schräg“ kann beispielsweise ein Winkel von je einschließlich 2° bis 88°, effizienter 10° bis 80°, noch effizienter 25° bis 65° zu der Hauptströmungsrichtung bedeuten. Erste Berechnungen deuten darauf hin, dass eine Ausrichtung unter einem Winkel von 45° bis 30° zu der Hauptströmungsrichtung im Betrieb besonders effizient ist.
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Mit anderen Worten: Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, an einer Rohraußenwand eines Rohrabschnitts ein Leitelement, insbesondere ein Durchmischungselement, anzubringen in einer ein Durchmischen eines Partikelstroms fördernden Weise. Im Ergebnis kann eine den Partikel-Wärmeübertrager durchströmende Partikelschüttung statisch durchmischt werden.
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In einer kostengünstigen Variante kann ein Rohrabschnitt mit einem runden Außendurchmesser vorgesehen sein. Beispielsweise kann ein zylinderförmiger Rohrabschnitt verwendet werden.
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Um ein Anbringen des Leitabschnitts an dem Rohrabschnitt zu erleichtern, kann die Wand außen eine Nut enthalten, welche eine Steigung entsprechend einem schrägen Verlauf des Leitabschnitts hat. Insbesondere bei einem ebenen bzw. planen Leitabschnitt kann dazu eine sich in Umfangsrichtung ändernde Steigung der Nut vorgesehen sein.
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Vorteilhaft ist auch eine Schulter mit einem der Steigung des Leitabschnitts entsprechenden Verlauf. Besonders vorteilhaft ist die Schulter in Kombination mit einem den Rohrabschnitt ganz oder in Umfangsrichtung zumindest 180° umgreifenden Leitabschnitt bzw. Leitelement.
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Auch sind ein Vorsprung oder mehrere Vorsprünge an dem Rohrabschnitt, dessen bzw, deren Anordnung der Steigung des Leitabschnitts entspricht vorteilhaft einsetzbar. Die Steigung des Leitabschnitts ist definierbar als das Maß mit welchem der Leitabschnitt zu der Hauptströmungsrichtung schräg ausgerichtet ist.
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Die Wärmeübertragungseffizienz kann nochmals gesteigert werden, indem das Leitelement die Wand des Rohrabschnitts wärmeleitfähig kontaktiert. Im Betrieb kann Wärmeenergie von Partikeln auf das Leitelement und mittels dieses wärmeleitfähigen Kontakts auch von dem Leitelement auf die Wand übertragen werden. Mit anderen Worten: ein wärmeleitfähig kontaktiertes und schräg zu der Hauptströmungsrichtung ausgerichtetes Leitelement vereint synergetisch einen Effizienzgewinn mittels Durchmischens mit einem Effizienzgewinn mittels Vergrößerns einer Wärmetransportoberfläche.
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Es kann, beispielswiese zum Reduzieren von Ausdehnungs-induzierten Spannungen, vorgesehen sein, dass das Leitelement die Wand an mehreren getrennten Stellen kontaktiert.
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Ein durchgehender Kontakt zwischen dem Leitabschnitt und der Wand des Rohrabschnitts ist besonders effizient beim Wärmeübertragen.
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Um das Anordnen des Leitelements an dem Rohrabschnitt zu verbessern, kann das Leitelement eine zum Aufnehmen eines bzw. des Rohrabschnitts konfigurierte Aufnahme enthalten. Die Aufnahme kann durch das Leitelement umschlossen sein, wie ein den Leitabschnitt in einer Fläche durchdringendes Loch, um eine besonders stabile Aufnahme zu erreichen. Die Aufnahme kann auch eine Ausnehmung in einem Rand des Leitelements sein, um eine Montage zu vereinfachen. Die Aufnahme kann zum Einpassen eines Rohrabschnitts vorbereitet sein, sodass ein besonders enger Kontakt mit dem jeweiligen Rohrabschnitt erreicht werden kann.
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Enthält der Wärmeübertrager mehrere zueinander gleichsinnig angeordnete Rohrabschnitte, so kann über eine insgesamt größere Wandfläche mehr Wärme übertragen und der Wärmeübertrager effizienter betrieben werden. Parallele Rohrabschnitte sind gleichsinnig angeordnet. Dasselbe gilt für wendelförmige Rohrabschnitte mit parallelen Wendelachsen. Abschnittsweise parallele Rohrabschnitte, wie beispielsweise S-förmig geschlungene Rohrabschnitte, sind ebenfalls gleichsinnig angeordnet.
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Falls an mehreren Rohrabschnitten jeweils zumindest ein schräg zu der Hauptströmungsrichtung ausgerichtetes Leitelement angeordnet wird, steigert sich nochmals die Effizienz des Wärmeübertragers.
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An einem Rohrabschnitt oder an mehreren Rohrabschnitten jeweils mehrere bzw. zumindest zwei Leitabschnitte anzuordnen, bewirkt, dass im Betrieb nochmals ein weiterer Anteil der Schüttung mit dem Rohrabschnitt bzw. dem Leitelement zum Wärmeübertragen geeignet in Kontakt gelangt und die Effizienz steigert.
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Ausgewogene Massenkräfte am jeweiligen Rohrabschnitt können durch eine symmetrische Anordnung zumindest zweier Leitelemente bzw. Leitabschnitte um diesen Rohrabschnitt herum erreicht werden. Dies gilt umso mehr für baugleiche Leitelemente.
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Eine besonders gute Durchmischung und damit einhergehend eine besonders hohe Effizienz im Betrieb des Partikel-Wärmeübertragers erreicht man, indem eine zu der Hauptströmungsrichtung senkrechte Projektionsfläche des Arbeitsraums in Hauptströmungsrichtung gesehen durch Leitabschnitte oder durch Leitabschnitte und andere Konstruktionselemente zumindest zu 75% ausgefüllt ist. Als Konstruktionselemente in diesem Sinne gelten eine Tragstruktur, Rohrabschnitte und dergleichen. Mit höherem Ausfüllgrad steigt die Effizienz, sodass ein Ausfüllgrad zu zumindest 85% oder sogar zu zumindest 90% bevorzugt wird.
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Kostengünstig ist, ein gemeinsames Leitelement an zumindest zwei beabstandeten Rohrabschnitten anzuordnen.
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Ein kombiniertes Leitelement enthält einstückig mehrere Leitabschnitte und zumindest einen jeweils zumindest zwei Leitabschnitte verbindenden Verbindungsabschnitt. Das kombinierte Leitelement ist besonders günstig zu fertigen und montieren. Besonders montage-freundlich ist ein kombiniertes Leitelemente mit vielen, wie beispielsweise zumindest zehn Leitabschnitten, die jeweils paarweise durch einen Verbindungsabschnitt verbunden werden. Die Leitabschnitte sind zur effizienten Wärmeübertragung in dem Partikel-Wärmeübertrager an jeweils einem Rohrabschnitt angeordnet und schräg zu der Hauptströmungsrichtung ausgerichtet.
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Solch ein kombiniertes Leitelement ist leicht herstellbar, falls es durch eine Lücke und/oder eine Aufnahme für einen Rohrabschnitt in zwei jeweilige Leitabschnitte unterteilt ist. In Frage kommt hierfür insbesondere eine Blechbearbeitung, wie ein Stanzen und/oder Schneiden.
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Eine in sich besonders steife Struktur wird erhalten, falls ein Partikel-Wärmeübertrager mehrere Rohrabschnitte und mehrere miteinander verbundene Leitelemente enthält. Dabei enthalten die mehreren Leitelemente vorzugsweise jeweils zumindest einen an zumindest einem der Rohrabschnitte angeordneten und schräg zu der Hauptströmungsrichtung ausgerichteten Leitabschnitt zur Effizienzsteigerung. Die Rohrelemente sind vorzugsweise zueinander gleichsinnig, insbesondere parallel, angeordnet.
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Für die Verbindung zumindest zweier Leitelemente miteinander kommen viele Varianten in Frage; die folgenden Varianten sind besonders vorteilhaft. Ein Formschluss ist leicht herzustellen. Ein Kraftschluss ist besonders wärmeleitfähig. Ein Stoffschluss, beispielsweise mittels eines Heißlots, einer Schweißung oder eines Sinterverfahrens, ist besonders stabil.
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Die verbundenen Leitelemente können urformend verbunden sein, beispielsweise mittels eine 3D-Drucks, eines Sinterverfahrens und/oder eines Gussverfahrens. Die verbundenen Leitelemente können mittels Umformens aus einem gemeinsamen Rohling, beispielsweise einem Blech-Rohling, hergestellt sein. Eine Kombination der genannten Schlüsse und Verfahren kann vorteilhaft sein.
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Gemäß einer bevorzugten Option sind zwei Leitelemente miteinander verbunden, wobei der Rand eines der beiden Leitelemente eine Ausnehmung hat, in welche das andere der beiden Leitelemente eingeführt ist, vorzugsweise zusätzlich kraftschlüssig eingepasst ist. Gemäß einer anderen bevorzugten Option sind zwei Leitelemente miteinander verbunden, wobei die Ränder beider Leitelemente jeweils eine Ausnehmung haben und die beiden Leitelemente gegenseitig in die Ausnehmungen eingeführt und optional eingepasst sind. Mittels der Ausnehmung bzw. Ausnehmungen wird eine präzise Positionierung der Leitelemente erreicht. Beispiele für diese Ausnehmung umfassen eine spitze Kerbe, eine längliche Nut und/oder rundliche Mulde. Optional können zwei Leitelemente miteinander verbunden werden, indem ein Rand eines der beiden Leitelemente eine Auskragung hat, an welche das andere der Leitelemente angelegt ist. Die Auskragung kann beispielsweise als eine Nase und/oder ein Anschlag gestaltet sein. Diese Option ist besonders montagefreundlich. Falls beide Leitelemente jeweils eine randseitige Auskragung haben, an welche das andere der beiden Leitelemente angelegt ist, wird eine stabilere Verbindung geschaffen. Optionen im Sinn dieser Beschreibung sind grundsätzlich miteinander kombinierbar. Zur Verstärkung kann eine Verbindung bspw. mittels eines Stoffschlusses verstärkt werden.
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Zum Zwecke der einfacheren Montage können mehrere Leitelemente in einer Richtung, insbesondere quer zu der Hauptströmungsrichtung, zu einer Leitelemente-Reihe verbunden sein. Beispielsweise sind die Leitelemente in einer Richtung aneinandergereiht, wie alternierend aneinander gereiht. Auf diese Weise kann eine Stangen-artige Struktur erhalten werden, welche unaufwendig handhabbar ist.
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Mehrere Leitelemente können in einer Ebene in beiden Richtungen, insbesondere quer zu der Hauptströmungsrichtung, zu einer formstabilen und Partikel-durchlässigen Lage verbunden sein. Diese Lage ermöglicht bei einer Montage ein Ausrichten der Rohrabschnitte mit hoher Präzision. Außerdem kann während der Montage oder gar im Betrieb ein Verrutschen einzelner Leitelemente unterbunden werden. Insgesamt wird eine gleichmäßige Struktur in dem Arbeitsraum erhalten. Die Verbindung „in einer Ebene in beiden Richtungen“ enthält die folgenden bevorzugten Ausführungen: eine Zeilen-und-Spalten-weise Anordnung, eine willkürliche Anordnung, eine zeilenweise versetzte Anordnung, eine Kreis-konzentrische Anordnung, eine Ellipsen-konzentrische Anordnung oder eine Kombination daraus. Die Ebene, in deren beiden Richtungen mehrere Leitelement aneinandergereiht verbunden sein können, ist vorzugsweise eine flache Ebene, sie kann aber auch eine gebogene und/oder gekrümmte, beispielsweise konkave und/oder konvexe, Ebene sein. Ein Beispiel dieser Ausführungsform enthält mehrere zueinander und zu der Hauptströmungsrichtung parallel angeordnete Rohrabschnitte und mehrere Leitelemente, welche Leitelemente in einer zu der Hauptströmungsrichtung queren Ebene schräg zu der Hauptströmungsrichtung an jeweils einem der Rohrabschnitte angeordnet sind. Vorzugsweise ist jedes der mehreren Leitelemente des vorgenannten Beispiels an jeweils zwei der Rohrabschnitte angeordnet.
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Der erfindungsgemäße Wärmeübertrager ist umso effizienter betreibbar, je gleichmäßiger eine Wärme aus der Partikelschüttung im Betrieb abgeführt wird. Dazu kann vorgesehen werden, dass die mehreren Leitelemente in mehreren Ebenen verbunden sind, insbesondere dass die mehreren Leitelemente in mehreren Ebenen in jeweils beiden Richtungen, insbesondere quer zu der Hauptströmungsrichtung, aneinandergereiht jeweils eine formstabile und Partikel-durchlässige Lage ausbildend verbunden sind. Es werden hierbei also mehrere Lagen ausgebildet. Unter „formstabil“ kann eine selbsttragende Lage verstanden sein. Weiters kann eine formstabile Lage eine Lage sein, welche dazu vorbereitet ist, bei einem Einpassen eines Rohrabschnitts auftretende Kräfte selbsttragend und/oder ohne eine plastische Verformung abzuleiten.
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Sind in dem Partikel-Wärmeübertrager mehrere Lagen ausgebildet, so kann aus statischen Gründen vorteilhaft sein, wenn zumindest eine der Lagen in zumindest einer Richtung Kraft übertragbar an einer anderen der Lagen abgestützt ist. Die zumindest eine Richtung, in welcher Kraft übertragbar abgestützt wird, ist vorzugsweise zum Druckkraft-Übertragen die Hauptströmungsrichtung oder zum Zugkraft-Übertragen eine zu der Hauptströmungsrichtung entgegengesetzte Richtung.
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Es sind viele Arten der Abstützung denkbar. Gemäß einer Option liegt eine Lage abstützend und Partikel-durchlässig an einer anderen Lage an. Gemäß einer weiteren Option liegt eine Lage mittels zumindest eines Abstandhalters an einer anderen Lage an. Gemäß einer weiteren Option sind zumindest zwei Lagen mittels zumindest eines langen und/oder verlängerten, mit den zumindest zwei Lagen jeweils verbundenen Leitelements aneinander abgestützt. Gemäß noch einer weiteren Option sind zumindest zwei Lagen aus mehreren Leitelementen in einer räumlichen Anordnung wechselseitig aneinander abgestützt. Diese Optionen sind insbesondere miteinander kombinierbar.
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Die eingangs gestellte Aufgabe wird auch durch eine Leitelemente-Lage gelöst, welche zur Verwendung in einem Partikel-Wärmeübertrager geeignet ist und mehrere Leitelemente enthält. Dabei enthalten die mehreren Leitelemente jeweils einen zur Anordnung an einem Rohrabschnitt vorbereitete Leitabschnitt. Die Leitelemente sind in einer Ebene in beiden Richtungen aneinandergereiht verbunden und bilden so die formstabile und Partikel-durchlässige Lage aus.
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Vorzugsweise enthält jedes Leitelement der erfindungsgemäßen Lage eine zum Aufnehmen eines Rohrabschnitts konfigurierte Aufnahme. Mittels der Aufnahme kann das jeweilige Leitelemente an einem jeweiligen Rohrabschnitt angeordnet werden. Gemäß einer bevorzugten Option enthalten die mehreren Leitelemente jeweils einen Leitabschnitt, welcher von der Aufnahme durchdrungen ist, die zur Anordnung an einem Rohrabschnitt vorbereitet ist.
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Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der Leitelemente-Lage ergeben sich durch vorteilhafte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Partikel-Wärmeübertragers, sodass diesbezüglich auf die voranstehenden Erläuterungen verwiesen wird.
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Die eingangsgestellte Aufgabe wird auch durch ein Herstellungsverfahren für eine Leitelemente-Lage zur Verwendung in einem Partikel-Wärmeübertrager gelöst. Das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren enthält Bereitstellen eines Rohlings aus einem plastisch umformbaren Material und Ausbilden zumindest zweier Leitabschnitte.
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Bei dem Bereitstellen wird ein Rohling aus einem plastisch um formbaren Material bereitgestellt, wobei der Rohling durch zumindest eine Lücke und/oder Aufnahme in zumindest zwei Flächenabschnitte unterteilt ist. Dabei sind die zwei Flächenabschnitte durch einen Verbindungsabschnitt, wie einen Steg, verbunden, welche Verbindungsabschnitt an die Lücke und/oder an die Aufnahme angrenzt und mit den zwei jeweiligen Flächenabschnitten einteilig ist.
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Bei dem Ausbilden werden aus den entsprechenden Flächenabschnitte durch Umformen des Rohlings zumindest zwei Leitabschnitte ausgebildet. Mit anderen Worten, aus jeweils einem Flächenabschnitt wird ein jeweiliger Leitabschnitt ausgebildet. Die Leitabschnitte werden durch Umformen des Rohlings ausgebildet, sodass jeweils zwei über einen jeweiligen Verbindungsabschnitt verbundene Leitabschnitte zueinander schräg oder senkrecht verlaufen.
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Weitere vorteilhafte Ausführungsformen des Herstellungsverfahrens ergeben sich durch vorteilhafte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Partikel-Wärmeübertrager und/oder der erfindungsgemäßen Leitelemente-Lage, sodass diesbezüglich auf die voranstehenden Erläuterungen verwiesen wird.
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Die eingangsgestellte Aufgabe wird auch durch ein weiteres Herstellungsverfahren für eine Leitelemente-Lage zur Verwendung in einem Partikel-Wärmeübertrager gelöst. Das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren enthält: Bereitstellen zumindest zweier Leitelemente und Verbinden der zumindest zwei Leitelemente.
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Die bereitgestellten zumindest zwei Leitelemente enthalten jeweils einen zur Anordnung an einem Rohrabschnitt vorbereiteten Leitabschnitt. Die bereitgestellten zumindest zwei Leitelemente werden in einer Ebene in beiden Richtungen derart aneinander gereiht, dass die Lage formstabil und Partikel-durchlässig ausgebildet wird.
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Weitere vorteilhafte Ausführungsformen des Herstellungsverfahrens ergeben sich durch vorteilhafte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Partikel-Wärmeübertragers, der erfindungsgemäßen Leitelemente-Lage und/oder des anderen erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens, sodass diesbezüglich auf die voranstehenden Erläuterungen verwiesen wird.
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Die eingangs gestellte Aufgabe wird auch durch ein Herstellungsverfahren für einen Partikel-Wärmeübertrager gelöst. Das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren enthält: Bereitstellen einer Leitelemente-Lage und Anordnen mehrerer Rohrabschnitte.
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Die bereitgestellte Leitelemente-Lage ist durch eines der voran genannten Herstellungsverfahren für eine Leitelemente-Lage herstellbar. Die mehreren Rohrabschnitte werden insbesondere derart angeordnet, dass an einem jeweiligen Leitelement jeweils zumindest ein Rohrabschnitt angeordnet ist.
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Weitere vorteilhafte Ausführungsformen des Herstellungsverfahrens für einen Partikel-Wärmeübertrager ergeben sich durch Vorderlauf der Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Partikel-Wärmeübertragers, der erfindungsgemäßen Leitelemente-Lage und/oder eines der erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren für eine Leitelemente-Lage, sodass diesbezüglich auf die voranstehenden Erläuterungen verwiesen wird.
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Die nachfolgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen dient im Zusammenhang mit der Zeichnung der näheren Erläuterung der Erfindung. Es zeigen:
- 1: schematisch in einer perspektivischen Ansicht einen Partikel-Wärmeübertrager gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung;
- 2: schematisch in einer Seitenansicht einen Rohrabschnitt des Partikel-Wärmeübertragers gemäß der ersten Ausführungsform;
- 3: schematisch in einer perspektivischen Ansicht eine Leitelemente-Reihe bei einem Zwischenschritt bei einer Herstellung des Partikel-Wärmeübertragers gemäß der ersten Ausführungsform;
- 4: schematisch in einer perspektivischen Ansicht eine Leitelemente-Lage bei einem Zwischenschritt bei einer Herstellung des Partikel-Wärmeübertragers gemäß der ersten Ausführungsform;
- 5: schematisch in einer perspektivischen Ansicht eine Leitelemente-Lage bei einem Zwischenschritt bei einer Herstellung des Partikel-Wärmeübertragers gemäß der ersten Ausführungsform;
- 6: schematisch in einer perspektivischen Ansicht zwei Leitelemente-Lagen bei einem Zwischenschritt bei einer Herstellung des Partikel-Wärmeübertragers gemäß der ersten Ausführungsform;
- 7: schematisch in einer perspektivischen Ansicht mehrere Leitelemente-Lagen eines Zwischenschritts bei einer Herstellung des Partikel-Wärmeübertragers gemäß der ersten Ausführungsform;
- 8: schematisch in einer Draufsicht eine Leitelemente-Lage bei einem Zwischenschritt bei einer Herstellung des Partikel-Wärmeübertragers gemäß der ersten Ausführungsform;
- 9: schematisch in einer Draufsicht mehrere Leitelemente-Lagen bei einem Zwischenschritt bei einer Herstellung des Partikel-Wärmeübertragers gemäß der ersten Ausführungsform; und
- 10: schematisch in einer perspektivischen Ansicht mehrere Leitelemente-Lagen bei einem Zwischenschritt bei einer Herstellung eines Partikel-Wärmeübertragers gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung.
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Gleiche oder funktional entsprechende bzw. äquivalente Elemente sind in den Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt schematisch einen erfindungsgemäßen Partikel-Wärmeübertrager 100 gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung.
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Der Partikel-Wärmeübertrager 100 ist vorzugsweise in Rohrbündel-Bauweise mit vertikalen Rohren ausgeführt.
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Der Partikel-Wärmeübertrager 100 hat beispielsweise einen Einströmungsraum 102, einen Arbeitsraum 104 und einen Ausströmungsraum 106. Der Einströmungsraum 102 geht über einen Eintrittsquerschnitt 108 in den Arbeitsraum 104 über. Der Arbeitsraum 104 geht über einen Austrittsquerschnitt 110 in den Ausströmungsraum 106 über. Der Partikel-Wärmeübertrager 100 ist dazu geeignet, dass im Betrieb eine Partikelströmung vorzugsweise durch den Eintrittsquerschnitt 108 in den Arbeitsraum 104 eintritt und durch den Austrittsquerschnitt 110 aus dem Arbeitsraum 104 austritt. In dem Arbeitsraum 104 strömt die Partikelströmung im Wesentlichen entlang einer Hauptströmungsrichtung 112.
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Der Partikel-Wärmeübertrager 100 ist beispielsweise als ein Gegenstrom-Wärmeübertrager konzipiert. Ein Rohrleitungsbündel 114 ist durch den Ausströmungsraum 106, den Arbeitsraum 104 und den Einströmungsraum 102 hindurch geführt. In der 1 ist dies anhand einer Rohrleitung 116 verdeutlicht.
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In dieser Beschreibung wird ein durch den Eintrittsquerschnitt 108 und den Austrittsquerschnitt 110 begrenzter Abschnitt jeder Rohrleitung 116 des Rohrleitungsbündels 114 als ein Rohrabschnitt 118 bezeichnet.
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Bezüglich des Rohrleitungsbündels 114 sei angemerkt, dass der Partikel-Wärmeübertrager 100 auch nur einen einzigen Rohrabschnitt 118 aufweisen kann.
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Bei der ersten Ausführungsform hat jeder Rohrabschnitt 118 eine Wand 120, welche einen Rohrinnenraum 122 von einem außerhalb des Rohrabschnitts 118 liegenden Teil des Arbeitsraums 104 fluidisch trennt. Im Betrieb wird in dem Rohrinnenraum 122 vorzugsweise ein Fluid, insbesondere eine unter Hochdruck stehende Flüssigkeit, gefördert.
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2 zeigt schematisch in einer Seitenansicht einen Rohrabschnitt 118 des Partikel-Wärmeübertragers 100. An dem Rohrabschnitt 118 sind in der gewählten Darstellung beispielsweise vier Leitelemente 124 angeordnet. Jedes Leitelement 124 hat einen Leitabschnitt 126. Der jeweilige Leitabschnitt 126 ist schräg zu der Hauptströmungsrichtung 112 ausgerichtet. Im Fall der ersten Ausführungsform liegt zwischen der Hauptströmungsrichtung 112 und dem jeweiligen Leitabschnitt 126 ein beispielhafter Winkel von ungefähr 45° vor.
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In der 2 ist eine Spur 128 eingezeichnet. Die Spur 128 zeigt einen beispielhaften Weg eines Partikels 132 in einer Partikelschüttung, welche von dem Eintrittsquerschnitt 108 zu dem Austrittsquerschnitt 110 strömt.
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Die 2 enthält auch Darstellungen einer partikeldiskreten Simulation. Im dargestellten konkreten Fall wurden die Partikel 132 mathematisch als Sphären dargestellt, die bestimmte physikalische Eigenschaften besitzen. Eine in der 2 gestrichelt dargestellte Einheitszelle als Ausschnitt des Arbeitsraums 104 war zu Beginn der Simulation vollständig mit Partikeln 132 gefüllt. Ein weiterer Verlauf eines jeden Partikels ergab sich während der Simulation aus einem Lösen jeweilige Bewegungsgleichungen unter Einwirkung einer Schwerkraft und jeweiliger Wechselwirkungen zu jeweils benachbarten Partikeln. Auf diese Weise ließ sich eine Strömung der angenommenen Schüttung numerisch zuverlässig darstellen. Ein Startzustand 130 der Simulation zeigt eine geordnete Verteilung einzelner Partikel 132. Demgegenüber zeigt ein Endzustand 132 der Simulation eine deutlich ungeordnete bzw. aufgebrochene, wenn auch nicht rein chaotische, Verteilung einzelner Partikel 134. Mit anderen Worten, der Startzustand und der Endzustand zeigen jeweils einen selektiven Ausschnitt des Simulationsergebnisses. Auf dem Wege dieser Simulation einer Partikelströmung in dem Partikel-Wärmeübertrager wurde also der Nachweis erbracht, dass in dem erfindungsgemäßen Partikel-Wärmeübertrager 100 im Betrieb ein großer Anteil der Partikel 132 mit der Wand 120 in wärmeübertragbaren Kontakt kommen können.
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Bei der ersten Ausführungsform haben die Leitelemente 124 jeweils einen einzigen Leitabschnitt 126, der als ein flacher Körper ausgeführt ist. Varianten der ersten Ausführungsform können statt des flachen Körpers oder zusätzlich zu einem flachen Körper einen gebogenen Körper, einen Körper mit einer variablen Dicke, wie einen keilförmigen Körper und dergleichen haben. Eine bevorzugte Variante der ersten Ausführungsform hat einen Körper, dessen Dicke einer Exposition in einer, insbesondere baulich gegebenen, Partikelströmung entspricht.
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Bei der ersten Ausführungsform ist der Leitabschnitt 126 in einer Draufsicht von rechteckiger Grundgestalt mit Rändern 136.
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Aus einem der Ränder ist beispielhaft eine halb-ellipsoide Aufnahme 138 ausgenommen. Die Aufnahme 138 dient einer Anlage des Leitabschnitts 126 an die Wand 120 des Rohrabschnitts 118. Die ellipsoide Form der Aufnahme 138 folgt dabei aus dem Schnitt einer schrägen Ebene, entsprechend dem Leitabschnitt 126, mit einem Zylinder, entsprechend der Wand 120.
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Die jeweilige Aufnahme 138 ist vorzugsweise wie bei der ersten Ausführungsform als eine gerichtete Durchdringung des Leitabschnitts 126 gebildet. Ein Rand-Abschnitt 136a ist der Teil des Rands 136, welcher den Leitabschnitt 126 zur Aufnahme 138 hin begrenzt. Bei der ersten Ausführungsform hat der Rand-Abschnitt 136a die Form eines wendelförmig steigenden Teils eines Zylinders. Eine gedachte Zylinderachse des Rand-Abschnitts 136a ist derart schräg zu dem Leitabschnitt 126 ausgerichtet, dass sich in Einbaulage ein flächiger Kontakt des schräg zu der Hauptströmungsrichtung 112 in den Partikel-Wärmeübertrager 100 eingebauten Leitelements 124 zu der Wand 120 des Rohrabschnitts 118 ergibt. Im Ergebnis verbessert die den Leitabschnitt 126 gerichtet durchdringende Aufnahme 138 eine Wärmeübertragungseffizienz.
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Bei der ersten Ausführungsform ist der jeweilige Leitabschnitt 126 mit der Aufnahme 138 an der Wand 120 angeordnet. Dabei kontaktiert das Leitelement 124 vorzugsweise den Rohrabschnitt 118, sodass ein wärmeleitfähiger Kontakt gebildet ist. Alle Partikel 132, welche im Betrieb einem der Leitelemente 124 nahekommen, können somit Wärmeenergie über das jeweilige Leitelement 124 und den jeweiligen Rohrabschnitt 118 an ein in dem Rohrabschnitt 118 strömendes Fluid abgeben. Somit steigt die Effizienz des Partikel-Wärmeübertragers 100.
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Zum Ausgleich von Massekräften sind vorzugsweise wie bei der ersten Ausführungsform die Leitelemente 124 zumindest paarweise symmetrisch in Gruppen 140 angeordnet. Also sind an einer Koordinate in einer Längsrichtung des jeweiligen Rohrabschnitts 118 jeweils zwei oder mehr Leitelemente 124 angebracht, welche entlang der Längsrichtung des jeweiligen Rohrabschnitts 118 betrachtet in entgegengesetzte Richtung schräg ausgerichtet sind.
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Wie in der 1 gezeigt wird, enthält der Partikel-Wärmeübertrager 100 vorzugsweise ein Rohrleitungsbündel 114 enthaltend mehrere Rohrabschnitte 118. Die Rohrabschnitte 118 können gleichsinnig, nämlich bei der ersten Ausführungsform parallel angeordnet sein. An den mehreren Rohrabschnitten 118 sind bei diesem Beispiel jeweils sogar mehrere Leitelemente 124 angeordnet, welche entlang der Längsrichtung der Rohrabschnitte 118 in die Gruppen 140 verteilt sind.
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Die entlang der Längsrichtung des jeweiligen Rohrabschnitts 118 verteilten Gruppen 140 von Leitelementen 124 sind zueinander in Umfangsrichtung des Rohrabschnitts 118 versetzt. Dies bewirkt im Betrieb eine stärkere Durchmischung der Partikel 132. Bei der ersten Ausführungsform beispielsweise sind die Leitelemente 124 paarweise entlang der Längsrichtung des jeweiligen Rohrabschnitts 118 um 90° gedreht bzw. versetzt. Mit anderen Worten, eine bevorzugte Gesamtanordnung der Leitelemente 124 entlang eines Rohrabschnitts 118 ist periodisch.
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Die 3 zeigt eine Leitelemente-Reihe 142, die mehrere Leitelemente 124 enthält. Die Leitelemente 124 enthalten beispielsweise dafür jeweils eine Nase 144. Die Nase 144 spring jeweils an einem von der Aufnahme 138 abgewandten Rand 136 des Leitabschnitts 126 vor und befindet sich mit dem Leitabschnitt 126 in einer Fläche. Somit kann jedes Leitelement 124 kostengünstig als Blechstanzteil hergestellt sein.
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Jeweils zwei Leitelemente 124 können an ihren Nasen 144 fest miteinander verbunden sein, vorzugsweise verschweißt sein.
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Ebenfalls an dem von der Aufnahme 138 abgewandten Rand 136 kann das jeweilige Leitelement 124 auf Stoß an einen Rand 136 noch eines weiteren Leitelements 124 anliegen und optional dort verbunden sein.
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Im bevorzugten Ergebnis ist daher - mit Ausnahme der endseitigen Leitelemente 124 - jedes der Leitelemente 124 der Leitelemente-Reihe 142 mit zwei anderen Leitelementen 124 fest verbunden.
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Dabei können die jeweiligen Aufnahmen 138 jeweils nach außen weisen. Die resultierende Leitelemente-Reihe 142 kann also eine einfach handhabbare Baugruppe sein, welche beispielsweise ein Weiterverbinden mit einer anderen Leitelemente-Reihe 142 oder ein Einfädeln zwischen Rohrabschnitte 118 des Rohrleitungsbündels 116 merklich erleichtert.
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Die 4 zeigt mehrere nebeneinander angeordnete Leitelemente-Reihen 142. Diese sind dazu platziert, dass die jeweiligen Aufnahmen 138 benachbarter Leitelemente 124 zum gemeinsamen Aufnehmen eines Rohrabschnitts 118 angeordnet und vorbereitet sind. Dazu sind die benachbarten Aufnahmen 138 unterschiedlicher Leitelemente 124 beispielsweise konzentrisch angeordnet. Die 4 zeigt also einen Bauschritt.
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Die 5 zeigt als einen nächsten Bauschritt eine komplette Leitelemente-Lage 146, die aus mehreren Leitelemente-Reihen 142 gebildet wird.
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In noch einem nächsten Bauschritt, der in der 6 gezeigt wird, werden über den Leitelemente-Reihen 142 der ersten Leitelemente-Lage 146 weitere Leitelemente-Reihen 142 in einer Kreuzanordnung platziert. Dabei fluchten die Aufnahmen 138 vorzugsweise derart, dass ein jeweiliger Rohrabschnitt 118 durch mehrere Leitelemente-Lagen 146 hindurch einpassbar ist. Es werden somit zwei Leitelemente-Lagen 146 gebildet, welche voneinander beabstandet sind.
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Indem die zu den 3 bis 6 beschriebenen Bauschritte mehrmals wiederholt werden, erhält man einen Stapel 148 von Leitelemente-Lagen 146. Dieser Stapel 148 ist in der 7 gezeigt. Die Leitelemente-Lagen 146 werden mittels nicht gezeigter Montagehilfsmittel zusammengehalten und voneinander beabstandet.
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Im Falle der ersten Ausführungsform werden in einem nächsten Schritt einzeln nacheinander die Rohrabschnitte 118 in den Stapel 148 eingeschoben. Dies kann durch eine kombinierte Bewegung des jeweiligen Rohrabschnitts 118, beispielswiese eine Kombination aus Vorschub und Rotation, erleichtert werden.
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Sind die Rohrabschnitte 118 eingeschoben, ergibt sich ein in der 1 gezeigtes Paket aus Rohrabschnitten 118 und in Leitelemente-Lagen 146 aus Leitelemente-Reihen 142 angeordneten Leitelementen 124. Die Leitabschnitte 126 der Leitelemente 124 sind jeweils an einem der Rohrabschnitte 118 angeordnet und schräg zu der Hauptströmungsrichtung 112 ausgerichtet. Der resultierende Partikel-Wärmeübertrager 100 ist daher zum besonders effizienten Wärmeübertragen von einer zwischen den Rohrabschnitten 118 strömenden Partikelschüttung auf ein in den Rohrabschnitten 118 strömendes Fluid geeignet.
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Um die Leitelemente-Reihen 142 jeweils an ihrem Ort zu halten, gibt es viele Möglichkeiten. Bei der ersten Ausführungsform kommen zum Beispiel in der 8 gezeigte modifizierte Leitelemente-Reihen 150 zur Anwendung, welche einerseits mehrere Leitelemente 124 und andererseits eine Halteschiene 152 enthalten. Dabei ist jedes der Leitelemente 124 der modifizierten Leitelemente-Reihe 150 an der Halteschiene 152 befestigt. Die Halteschiene 152 ist zur Anlage an einer Wand des Arbeitsraums 104 vorbereitet.
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Die 9 zeigt mehrere modifizierte Leitelemente-Reihen 150 am Rand unterschiedlicher quer zueinander angeordneter Leitelemente-Lagen 146.
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Vorzugsweise sind nicht dargestellte Stellglieder, insbesondere Schrauben, vorgesehen, welche sich an der jeweiligen Wand des Arbeitsraums 104 abstützen und so eine Druckkraft auf die jeweilige Halteschiene 152 aufbringen. Dies bewirkt Druckkräfte, welche die Rohrabschnitte 118 in die Aufnahmen 138 pressen. Hierdurch wird ein jeweiliger Kontakt zwischen den Aufnahmen 138 der Leitelemente 124 und den Wänden 120 der Rohrabschnitte 118 verbessert, sodass im Wege verbesserter Wärmeleitfähigkeit zwischen den Leitelementen 124 und den Rohrabschnitten 118 letztlich die Effizienz des Partikel-Wärmeübertragers 100 insgesamt verbessert wird.
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Die 10 zeigt einen Teil eines Partikel-Wärmeübertragers 100 einer zweiten Ausführungsform der Erfindung. Bei der zweiten Ausführungsform sind die Leitelemente-Lagen 146 nicht voneinander beabstandet, sondern sie liegen aneinander an. Der Stapel 148 enthält daher je Volumen des Arbeitsraums 104 eine deutlich höhere Anzahl Leitelemente 124. Die verstärkt einerseits ein Durchmischen einer den Arbeitsraum 104 durchströmenden Partikelschüttung und erhöht andererseits eine Oberfläche, welche zum Wärmeabführen aus der Partikelschüttung geeignet ist. Im Übrigen wird auf die erste Ausführungsform verwiesen.
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Bei der ersten Ausführungsform sind mehrere Leitelemente 124 zu Leitelemente-Reihen 142 verbunden. Mehrere Leitelemente-Reihen 142 sind nebeneinander angeordnet, um jeweils eine Leitelemente-Lage 146 zu bilden. Die Leitelemente-Reihen 142 jeder Leitelemente-Lage 146 werden bei der ersten Ausführungsform aber nicht miteinander verbunden. Bei einer dritten Ausführungsform sind alle Leitelemente 124 der Leitelemente-Lagen 146 fest miteinander verbunden. Im Übrigen wird auf die voranstehenden Ausführungsformen verwiesen.
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Bei einer vierten Ausführungsform der Erfindung sind die Leitelemente-Lagen 146 voneinander in der Hauptströmungsrichtung 112 beabstandet, wie es beispielsweise auch anhand der 7 für die erste Ausführungsform gezeigt wird. Bei der vierten Ausführungsform kommen Abstandhalter zum Einsatz, welche angeordnet und gestaltet sind, Druckkräfte zwischen den Leitelemente-Lagen 146 in Richtung der Hauptströmungsrichtung 112 und/oder entgegengesetzt dazu zu übertragen.
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Vorzugsweise wird die in Hauptströmungsrichtung 112 letzte bzw. unterste Leitelemente-Lage 146 bspw. über die Wände des Arbeitsraums 104 und/oder über Abstandhalter zu einem Boden des Partikel-Wärmetauschers 100 hin abgestützt. Diese Konstruktion kann besonderes hohe Massekräfte und Strömungskräfte einer im Betrieb den Arbeitsraum 104 durchströmenden Partikelschüttung abführen. Dies ermöglicht einen Arbeitsraum 104 mit deutlich größerem Querschnitt und im Ergebnis einen nochmals effizienteren Partikel-Wärmetauscher 100.
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Bezugszeichenliste
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- 100
- Partikel-Wärmeübertrager
- 102
- Einströmungsraum
- 104
- Arbeitsraum
- 106
- Ausströmungsraum
- 108
- Eintrittsquerschnitt
- 110
- Austrittsquerschnitt
- 112
- Hauptströmungsrichtung
- 114
- Rohrleitungsbündel
- 116
- Rohrleitung
- 118
- Rohrabschnitt
- 120
- Wand
- 122
- Rohrinnenraum
- 124
- Leitelement
- 126
- Leitabschnitt
- 128
- Spur
- 130
- Startzustand
- 132
- Partikel
- 134
- Endzustand
- 136
- Rand
- 136a
- Rand-Abschnitt
- 138
- Aufnahme
- 140
- Gruppe
- 142
- Leitelemente-Reihe
- 144
- Nase
- 146
- Leitelemente-Lage
- 148
- Stapel
- 150
- modifizierten Leitelemente-Reihe
- 152
- Haltereihe
