WO2016134974A1 - Formkörper zum temperieren eines fluids und mit solchen formkörpern aufgebauter wärmetauscher - Google Patents

Formkörper zum temperieren eines fluids und mit solchen formkörpern aufgebauter wärmetauscher Download PDF

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Definitions

  • the present invention relates to a shaped body for tempering a fluid and a heat exchanger having at least one heat bed, which has at least one such shaped body.
  • the present invention further relates to a thermoreactor, in particular for the regenerative thermal oxidation of combustible substances in an exhaust air or exhaust gas stream having at least one such heat exchanger as a regenerator.
  • Thermoreactors in particular those in plants for regenerative thermal
  • Oxidation (RTO) of combustible substances in a waste air or exhaust gas stream typically have a combustion chamber acted upon by a gas stream to be thermally reacted and at least two regenerators, for example below the combustion chamber.
  • one of the regenerators is preferably acted upon in a specific operating state of the thermoreactor with a (first) gas flow, which is supplied to the combustion chamber, while the other regenerator is acted upon by a (second) gas flow emerging from the combustion chamber.
  • the first gas stream receives from the flow-through regenerator a certain amount of heat energy, while the second gas stream in turn emits heat energy to the associated regenerator.
  • heat generators with, for example, ceramic shaped bodies are alternatively or additionally used in regenerators. These are characterized by a predictable and homogeneous pressure difference at a certain flow through the respective heat bed, since in the channels of the blocks usually a laminar flow of the passed through the regenerator fluid (gas or liquid) is formed.
  • the thermal efficiency and service life of the regenerators are important parameters for the efficient use of such regenerators. However, the thermal efficiency and the life are thereby by the formation of deposits within the regenerators with subsequent blockwise clogging of individual flow channels or entire shaped stones in the heat beds influenced (so-called "blocking"), this
  • Blocking occurs in particular by precipitation of solids from the fluid passed through, with certain solids settle on the channel walls and accumulate there. For example, in the purification of siloxane-containing flashings, the failure of Si oxides on the channel walls occurs.
  • the blocking of the regenerators has the consequence that the heat beds of affected RTO plants have to be freed from the deposits at regular intervals or the affected moldings of the heat beds must be replaced.
  • the RTO system must be shut down and cooled down before the shaped bodies of the heated beds can be cleaned or replaced. It usually takes 2 to 3 working days for the RTO system to become operational again.
  • a shaped body for tempering a fluid comprises a block of a thermally conductive material which is defined by a base surface and a height perpendicular to the base surface.
  • the block has in cross-section parallel to its base a plurality of cells, these cells each having a cross-sectional shape parallel to the base of the block in the form of a regular polygon.
  • Also formed in the block are a plurality of channels that are substantially parallel to each other and to the height direction of the block, each of these channels being provided in a cell such that there is an interior wall between the channels in adjacent cells.
  • the cross-sectional shape of the cells in the form of regular polygons has the advantage that the cells can be arranged side by side with a small distance from each other, for example to build a thermal bed of a regenerator.
  • the channels in the cells can be safely separated from one another in this cross-sectional shape of the cells.
  • the block of the shaped body is formed of a thermally conductive material.
  • the thermally conductive material preferably has a thermal conductivity of at least about 1.5 W / mK, preferably at least about 2.0 W / mK or more.
  • the thermally conductive material preferably has a low coefficient of thermal expansion of at most about 1 -10 -4 K -1, preferably of at most about 1 x 10 5 K ", 8 ⁇ I CH 3 K ⁇ 1 or less (each at 800 ° C)
  • the heat-conductive material preferably has a high specific heat capacity of at least about 500 J / kgK, more preferably at least about 800 J / kgK or more
  • a preferred thermally conductive material has a softening temperature of at least about 1000X, more preferably at least about 1200 ° C, more preferably at least about 1400 ° C.
  • the thermally conductive material for the molded article is preferably selected from ceramics, brick, clay, metals, precious metals, silica, carbides, graphite or the like high-temperature-stable materials. Particularly preferred are ceramics with a proportion of more than 50% of silica and / or alumina.
  • a base area of the block is to be understood as meaning, in particular, a surface of the block running perpendicular to the height direction of the block, but also a flat projection surface, perpendicular to the height direction of the block, of a surface of the block. In this case, this surface of the block itself at least partially or partially cut, stepped and / or curved trained or executed.
  • the cross-sectional shape of the cells parallel to the base of the block is preferably in the form of a triangle, square, pentagon, hexagon or octagon, the hexagonal cross-sectional shape being particularly preferred.
  • the block according to the invention comprises a plurality of cells having a cross-sectional shape in the form of a regular polygon.
  • the cells are preferably unit cells, i. essentially identically designed and dimensioned cells.
  • the block - in particular depending on the base surface shape of the block and cross-sectional shape of these cells - but also have other cells with different cross-sectional shapes. Such cells with other cross-sectional shapes may preferably be present in the edge region of the block.
  • the cells of the block have at least two unit cells of different configuration and / or dimensioning.
  • the different cells are each arranged in a "supercell" in a cell pattern, wherein the block may preferably be formed from a plurality of such supercells.
  • a cell pattern should be understood to mean in particular a repeating arrangement of cells in a supercell or a block.
  • the channels are preferably positioned substantially centrally in the individual cells.
  • the block of the shaped body is preferably formed in one piece. Accordingly, the cells of the block are not formed by separate components, but within the
  • the cells may also be formed by individual cell bodies joined to the block.
  • the channels each have a cross-sectional shape parallel to the base of the block in the form of a circle.
  • the circular cross-section of the channels is particularly efficient in terms of heat transfer between the fluid passed through the channels and the molded body, so that this embodiment can also improve the thermal efficiency of an overall system (for example a suitably equipped thermal reactor).
  • the channels each have a cross-sectional shape parallel to the base of the block in the form of a regular polygon.
  • the cross-sectional shape of the channels is preferably in the shape of a triangle, square, pentagon, hexagon or octagon, with the hexagonal cross-sectional shape being particularly preferred.
  • the channels each have a cross-sectional shape parallel to the base surface of the block in the form of a polygon corresponding to the regular polygon of the cells, so that a wall thickness of the inner walls between adjacent channels is substantially constant.
  • a hydraulic diameter of a channel is at least about 2.30 mm and / or at most about 5.00 mm.
  • the hydraulic diameter of the channels is preferably selected from the values 2.34 mm, 2.61 mm, 2.81 mm, 2.90 mm, 4.85 mm and 4.87 mm.
  • the hydraulic diameter is substantially equal to the circle diameter of the cross-sectional shape.
  • the hydraulic diameter substantially corresponds to the diameter of a circle inside the cross-sectional shape (in-circle diameter).
  • a minimum wall thickness of an inner wall between adjacent channels is at least about 0.20 mm and / or at most about 1.00 mm.
  • the wall thickness is configured in a value range between 0.25 mm and 0.89 mm.
  • Particularly preferred individual values for a substantially uniform wall thickness of all channels are 0.23 mm, 0.25 mm, 0.48 mm, 0.56 mm and 0.81 mm. It has been found that in such a (preferably uniform) determination of the wall thickness of all channels in an inventive molding an optimum can be achieved between as low as possible Mass of the block on the one hand and the greatest possible heat capacity on the other. This is especially true when using a material with a thermal
  • Conductivity between about 1, 5 W / mK and 8.0 W / mK and a (mean) flow velocity of a gaseous fluid flow passing through the channels between 1 m / s and 6.5 m / s.
  • a quotient of a hydraulic diameter of a channel to a minimum wall thickness of the inner wall between adjacent channels is at most about 6.0, preferably at most about 5.5. Specifically, said ratio is between 4.1 and 5.9 using a material having a thermal conductivity between about 1.5 W / mK and
  • the viscosity of the gaseous fluid flow can be between 20 pPa s and 40 pPa s. It was found that in such (preferably uniform) determination of the
  • Ratio between hydraulic diameter of the channels and wall thickness of the channels in a molded body according to the invention an optimum can be achieved between the lowest possible mass of the block on the one hand and the greatest possible heat capacity on the other.
  • a hydraulic flow cross-sectional area of a channel is at least about 50% and / or at most about 65% with respect to a cross-sectional area of the cell.
  • Such an interpretation also contributes to an optimization of the ratio between the smallest possible mass of the block and the largest possible heat absorption capacity. Specifically, said value is between 51% and 63% using a material having a thermal conductivity between about 1.5 W / mK and 8.0 W / mK and a (mean) flow velocity of one gaseous fluid flow passing through the channels between 1 m / s and 6.5 m / s.
  • the viscosity of the gaseous fluid flow can be between 15 pPas and 40 pPas.
  • an open cross-sectional area of a channel is at least about 50% and / or at most about 75% with respect to a cross-sectional area of the cell.
  • a Nußelt number of a laminar flow channel is selected to be at least about 3.5, preferably at least about 4.0, depending on the fluid flowing through the channel in the particular application / or at most about 4.5.
  • the Nusselt number is defined as a dimensionless quantity as a product of the hydraulic diameter with the quotient of the heat transfer coefficient to the coefficient of thermal conductivity. Such a design choice is particularly preferred with simultaneous execution of the block of a ceramic material with a proportion of more than 50% aluminum and / or silicon oxides.
  • Such a design choice is particularly preferred with simultaneous execution of the block of a material for producing a block according to the invention, which has a thermal conductivity between about 1, 5 W / mK and 8 W / mK.
  • a correspondingly shaped molding is passed by a gaseous fluid flow with a (mean) flow velocity between 1 m / s and 6.5 m / s.
  • the viscosity of the gaseous fluid flow can be between 15 pPas and 40 pPas.
  • the walls delimiting the channels are provided with a protective layer, for example in the form of a protective layer of nanoparticles.
  • a protective layer for example in the form of a protective layer of nanoparticles.
  • particles of silicon oxide, titanium dioxide, aluminum oxide, iron oxide, zinc oxide, silicon carbide, iron carbide, tungsten carbide, titanium nitride, boron nitride and boron carbide are proposed, the largest dimension of which is in each case smaller than 100 nm.
  • Such a “nano-protective layer” is produced
  • a nano-scale rough surface on the inner walls of the channels so that form microscopic vortexes on the channel surface.
  • a deposition of (from the fluid flowing through the shaped body through or for other reasons carried in the fluid) solid particles is prevented or slowed down. In this way, a "blocking" of the channels can be effectively prevented.
  • the protective layer for example in the form of a protective layer of nanoparticles.
  • Protective layer has a surface roughness Ra of less than 25 pm, in particular less than 10 pm, more preferably of less than 2.5 pm,
  • the protective layer may be formed as a hydrophobic layer. In other applications, however, it may also be advantageous to make the protective layer hydrophilic.
  • a structure length of the cross-sectional shape of a channel is limited to about 3.5 mm, preferably to about 3.0 mm.
  • the structure length of the cross-sectional shape of a channel is understood to be an edge length of the relevant n-edge in the case of an n-cornered channel. It has been found that a tendency to form deposits of solids precipitated from gaseous fluid flow at temperatures between 400 ° C and 1100 ° C
  • critical structure length increases sharply. Specifically, for a channel of hexagonal cross-sectional shape, the critical structure length with respect to a deposition of silicon oxides is about 2.82 mm when the channel is filled with a siloxane-containing exhaust gas
  • the viscosity of the exhaust gas can be between 15 sPa-s and 40 Pa-s.
  • the cross-sectional shape of the channels has at least one concave (i.e., inwardly curved) portion.
  • the cross-sectional shape of the channels alternately has a plurality of concave portions and a plurality of convex portions. This special structure of the cross-sectional area of the channels can preferably prevent or slow down the deposition of solid particles (precipitated from the fluid flowing through the shaped body or otherwise entrained in the fluid) and thus blockage of the channels.
  • a heat exchanger has at least one heat-bed, which has at least one shaped body of the invention described above.
  • a heat exchanger according to the invention has at least one heat bed, which has at least one shaped body for tempering a fluid, wherein the shaped body has a block of a thermally conductive material which is defined by a base surface and a height perpendicular to the base surface, wherein the block in cross-section parallel to its base a plurality of cells, the cells each having a cross-sectional shape parallel to the base of the block in the form of a regular polygon, wherein in the block a plurality of channels is formed, which are substantially parallel to each other and the height direction of the Blocks, and wherein each of the channels is provided in a cell such that between the channels in adjacent cells, an inner wall is present.
  • the heat bed has a plurality of shaped bodies, which are arranged parallel to the base surface of the molded bodies next to one another and preferably without spacing from one another. In this way, it is possible to divide a fluid flow to be passed through to an arbitrarily expandable number of shaped bodies and thus to set the volume flow per shaped body and the corresponding flow rate.
  • the preferred flow velocity is between 1 m / s and 6.5 m / s.
  • the heat exchanger has at least two heat beds, which are arranged one above the other in the height direction of the molded bodies.
  • the channels of the superimposed moldings are preferably substantially coaxially or parallel to each other, preferably have the same cross-sectional shapes and / or preferably have the same
  • the heat absorption capacity of the heat exchanger can be adjusted. It has been found that with a number of 5 to 9 layers of similar heat beds an overall height of the heat exchanger from 1, 2 m to 3.5 m and a corresponding total length of through-flow channels can be achieved.
  • Such a design choice is particularly preferred with simultaneous execution of a plurality of heat exchanger blocks of a ceramic material with a proportion of more than 50% aluminum and / or silicon oxides.
  • Such a design choice is particularly preferred with simultaneous execution of the heat exchanger blocks of a material for the production a block according to the invention, which has a thermal conductivity between about 1, 5 W / mK and 8 W / mK.
  • a correspondingly shaped heat exchanger is passed by a gaseous fluid flow with a (mean) flow velocity between 1 m / s and 6.5 m / s.
  • the viscosity of the gaseous fluid flow can be between 15 pPa s and 40 pPa s.
  • Heat beds in the height direction of the moldings at least about 20 cm, preferably at least about 25 cm, and / or at most about 50 cm, preferably at most about 40 cm.
  • a height of the heat exchanger in the height direction of the shaped body is at least about 100 cm, preferably at least about 150 cm, and / or at most about 300 cm, preferably at most about 200 cm.
  • thermoreactor comprises a combustion chamber and a regenerator, the regenerator being configured as a heat exchanger of the invention described above.
  • the thermoreactor according to the invention is in particular in plants for the regenerative thermal oxidation of combustible
  • a thermal reactor in particular for the regenerative thermal oxidation of combustible substances in a waste air or exhaust gas flow, a combustion chamber and a regenerator, wherein the regenerator has at least one heat bed with at least one shaped body for tempering a fluid, wherein the Shaped body has a block of a thermally conductive material, which extends through a base surface and a plane perpendicular to the base
  • the block in cross-section parallel to its base has a plurality of cells, wherein the cells each have a cross-sectional shape parallel to the base surface of the block in the form of a regular polygon, wherein in the block a plurality of channels is formed in the block Essentially parallel to each other and to the height direction of the block, and wherein each of the channels is provided in a cell such that an inner wall is present between the channels in adjacent cells.
  • thermoreactor has a combustion chamber and a regenerator, wherein the regenerator contains one or more shaped bodies according to the invention, which are in particular composed to a heat bed and flowed through by a particular substantially gaseous fluid flow, wherein the fluid flow of one or more having the following features:
  • Fig. 1 is an illustration of a thermal reactor according to a first embodiment
  • FIG. 2 is an illustration of a thermoreactor according to a second embodiment
  • 2A is an illustration of a thermal reactor according to a variant of the second
  • FIG. 2B shows an illustration of a thermoreactor according to a further variant of the second embodiment
  • Fig. 3 is a plan view of a thermal bed for a thermal reactor of Fig. 1 or 2; 4 is an enlarged partial plan view of a molded article of a thermal bed of FIG. 3 according to a first embodiment;
  • FIG. 5 is an enlarged partial plan view of a shaped body of a heat bed of
  • FIG. 3 according to a second embodiment
  • FIG. 6 is an enlarged partial plan view of a shaped body of a heat bed of
  • FIG. 7 is an enlarged plan view of a cell of a molded article of a heat bed of FIG. 3 according to a fourth embodiment
  • FIG. 8 is a sectional view of a multi-layer regenerator of thermal beds for a thermal reactor of FIG. 1 or 2.
  • FIG. 8 is a sectional view of a multi-layer regenerator of thermal beds for a thermal reactor of FIG. 1 or 2.
  • thermoreactor 10 which can be used, for example, in a system for regenerative thermal oxidation (RTO) of a combustible material, in particular exhaust-gas or exhaust-gas stream containing volatile organic components (VOC), according to a first exemplary embodiment.
  • RTO regenerative thermal oxidation
  • VOC volatile organic components
  • thermoreactor 10 has a combustion chamber 12 and two regenerators 14 arranged below the combustion chamber 12.
  • the thermoreactor 10 has two regenerators 14, to each of which an antechamber 16 is assigned. In other embodiments, however, three, four or more may be used
  • Regenerators 14 may be provided. Into the combustion chamber 12 protrudes a burner (not shown), are introduced via the liquid or gaseous fuel and optionally also combustion air into the combustion chamber 12. The burner is used to generate a flame in the combustion chamber, which in turn allows ignition and combustion of the pollutants contained in the raw gas to be purified. The temperature in the
  • Combustion chamber 12 may be up to about 1 .250 ° C during operation - depending on the energy content of the combustible substances contained in the raw gas, among other things.
  • the atria 16 of the regenerators 14 are each connected to a raw gas supply 18 and a clean gas discharge 20.
  • the raw gas introduced via the raw gas feed 18 into an antechamber 16 is heated in the respective regenerator 14 before it is conducted into the combustion chamber 12.
  • After a thermal conversion of the raw gas in the combustion chamber 12 is formed hot clean gas, which is cooled in the other regenerator 14 before it is discharged through the other pre-chamber 16 and the clean gas discharge 20 in an exhaust system.
  • the cooled clean gas stream may be fed to further heat exchange and / or purification stages before the clean gas is discharged into the environment or for further use.
  • thermoreactor 10 In the embodiment of Fig. 1, the thermoreactor 10 and its
  • Regenerators 14 flows alternately in opposite flow directions by switching the control valves 22a, 22b in the raw gas supply 18 and the clean gas discharge 29 at certain predetermined time intervals.
  • control valves 22a, 22b for more detailed operation of such a thermoreactor, reference is made at this point by way of example to EP 1 312 861 B1.
  • thermoreactor 10 shows a thermoreactor 10 according to a second exemplary embodiment, which can also be used, for example, in a system for the regenerative thermal oxidation (RTO) of a waste gas or exhaust gas stream containing combustible substances.
  • RTO regenerative thermal oxidation
  • thermoreactor 10 of FIG. 2 differs from the thermoreactor 10 of FIG. 1 by another type of flow control.
  • the raw gas supply 18 and the clean gas discharge 20 are each connected to a common rotary valve 23, which in turn is connected to the antechambers 16 of both regenerators 14.
  • the thermoreactor 10 and its regenerators 14 are also flowed through in opposite directions alternately in certain predeterminable time intervals in this case.
  • FIG. 2A shows a variant of the embodiment of FIG. 2 according to the invention.
  • the thermoreactor 10 has a common regenerator construction 14, which is fluidically separated into two regions, so that the same functioning as in the embodiment of FIG ,
  • FIG. 2B shows a further variant according to the invention of the embodiment of FIG. 2.
  • the thermoreactor 10 ' is rotatably configured with its regenerators 14 and connected to the raw gas feed 18 and the clean gas discharge 20 via a common distribution valve 23'. Such a configuration is foreseeable especially for small thermoreactors 10 '.
  • FIGS. 2A and 2B can also be combined with the embodiment of FIG.
  • thermoreactor 10 'are for the clean gas flow preferably an average flow rate between 0.6 m / s and 2.5 m / s and a burner side temperature between 700 ° C and 900 ° C and an outlet temperature between 40 ° and 150 ° C set.
  • the viscosity of the pure gas flow can be between 15 pPa s and 35 Pa-s.
  • the clean gas flow preferably has an average flow velocity between 1 m / s and 6.5 m / s and a burner-side temperature between 800 ° C. and 1 .100 ° C. and an outlet-side temperature between 60 ° ° and 250 ° C set.
  • the viscosity of the clean gas flow can be between 20 pPa s and 40 pPa s. The values mentioned can acquire particular significance in connection with the geometry of certain shaped bodies described below.
  • the regenerators 14 of the thermoreactor 10 each have a plurality of heat beds 24 arranged one above the other.
  • the molded body 26 according to the first embodiment shown in Fig. 4 comprises a block 27 made of a ceramic material.
  • a hard ceramic with a proportion of more than 50% aluminum and / or silicon oxides can be used.
  • Softening temperature of at least about 1, 000 ° C used for the block 27 is at least about 1, 000 ° C used for the block 27.
  • the block 27 has, for example, a substantially rectangular or square base parallel to the XY plane. As illustrated in Fig. 4, the block 27 is parallel to this base area X-Y divided into a plurality of unit cells 28, which have a square cross-sectional shape in this embodiment. The unit cells 28 directly adjoin one another.
  • a channel 30, 32 is formed in each of the unit cells 28 .
  • the channels 30, 32 extend substantially parallel to each other and substantially parallel to a height direction Z (perpendicular to the plane of Fig. 4) of the block 27. Die
  • Channels preferably have a square cross-sectional shape (channels 30) or a circular cross-sectional shape (channels 32) and are each disposed substantially centrally in the cells 28.
  • an inner wall 34 is present in each case between the channels 30, 32 of adjacent cells 28.
  • the block 27 is enclosed by an outer wall 36.
  • the channels 30, 32 each define a hydraulic diameter Dh, which corresponds to one side of the square in the square channels 30 and corresponds to a diameter of the circle in the circular channels 32, and a hydraulic flow cross-sectional area Ah.
  • the hydraulic flow sectional area Ah coincides with the open flow area Ao
  • the hydraulic flow area Ah is smaller than the open flow area Ao of the channels.
  • the inner walls 34 between the channels 30, 32 of adjacent cells 28 have a minimum wall thickness t.
  • the wall thickness t 'of the outer wall 36 is dimensioned larger than the minimum wall thickness t of the inner wall.
  • Fig. 5 shows a shaped body 26 according to a second embodiment.
  • the molded body 26 of the second embodiment differs from that of the first embodiment in the cross-sectional shapes of the unit cells 28 and the channels 30.
  • the unit cells 28 have a hexagonal cross-sectional shape.
  • the channels 30 have a hexagonal cross-sectional shape.
  • cells 28 'and channels 30' with other cross-sectional shapes can also be present in the edge area of the shaped body 26.
  • Fig. 6 shows a shaped body 26 according to a third embodiment.
  • the molded body 26 of FIG. 6 differs from that of the second embodiment in the cross-sectional shape of the channels 32.
  • the unit cells 28 have a hexagonal cross-sectional shape.
  • the channels 32 have a circular cross-sectional shape.
  • cells 28 'and channels 32' with different cross-sectional shapes can optionally also be present here.
  • Q1 and Q2 are molded bodies 26 according to the first embodiment of FIG. 4 having square channels 30, H1 and H2 are molded bodies 26 according to the second embodiment of FIG. 5, and Y1 and Y2 and Y3 are molded bodies 26 according to the third embodiment of FIG. 6, each in different variants (in particular with regard to the dimensioning of the channels).
  • FIG. 7 shows a cell 28 of a shaped body 26 according to a fourth exemplary embodiment.
  • the molded body 26 of Fig. 7 differs from that of the second and third embodiments by the cross-sectional shape of the channels.
  • the channel 38 of the cell 28 of the molded body 26 of this embodiment has a star-like cross-sectional shape.
  • the star-like cross-sectional shape is characterized in that alternately a plurality of convex (ie, outwardly curved) portions 38a and a plurality of concave (ie, inwardly curved) portions 38b are provided.
  • These convex and concave portions 28a, 38b are achievable starting from a circular basic shape 38 'by sinusoidal and / or cosinusoidal oscillations.
  • Curvature signs (i.e., convex, concave, or rectilinear) of the curve are preferably less than about 2.85 mm.
  • Curvature signs (i.e., convex, concave, or rectilinear) of the curve are preferably less than about 2.85 mm.
  • numerous other variants are conceivable, in particular with star-like or flower-like cross-sectional shapes.
  • Fig. 8 the construction of a multi-layer regenerator 14a-g of thermal beds 24 will now be described.
  • the regenerator 14 is arranged in a reactor housing 40 of the thermoreactor 10 below the combustion chamber 12.
  • the lower base of the regenerator 14 forms a grid 42 (e.g., metal or precious metal) on which optionally an expanded metal or expanded metal 44 is located.
  • each thermal bed 24 is composed of a plurality of moldings 26.
  • the heat sinks 24 or shaped bodies 26 of the layers af each have a height h of, for example, about 30 cm, while the thermal bed 24 or the shaped bodies 26 of the optional uppermost layer have a height h of, for example, only about 15 cm, so that for gives the regenerator 14 a total height H of about 195 cm in this embodiment.
  • Between the heat sinks 24 and the reactor housing 40 is optionally also a so-called caliper body 46 of heat-storing
  • the thermal bed 24 of the lowermost layer a is formed of, for example, 23x29 moldings 26 of the above type H2
  • the heat sinks 24 are the
  • the heat-set 24 of sheet f is formed, for example, from 21 ⁇ 27 moldings 26 of the above type Y2
  • the heat-bed 24 is the topmost layer g, for example 21x27 molded articles 26 of FIG formed above type H2.
  • the molded bodies 26 of the heat beds of the outer layers a and g are of the above type H2 or Y2, for example, and are the heat beds of the inner layers bf of the above type Y2 in the star-shaped modification of the fourth embodiment of FIG.
  • regenerators 14 include, by way of example, the following numbers of shaped bodies 26 in the X and Y directions and at layers of heat beds 24:

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Abstract

Ein Formkörper zum Temperieren eines Fluids, der zum Beispiel zum Bilden eines Wärmebetts (24) eines Regenerators (14) eingesetzt werden kann, weist einen Block (27) aus einem wärmeleitenden Material auf, der durch eine Grundfläche (X-Y) und eine senkrecht zur Grundfläche verlaufende Höhe definiert ist, wobei der Block (27) im Querschnitt parallel zu seiner Grundfläche (X-Y) eine Vielzahl von Zellen (28) aufweist und diese Zellen (28) jeweils eine Querschnittsform parallel zur Grundfläche (X-Y) des Blocks in Form eines regelmäßigen Vielecks haben. In dem Block (27) ist ferner eine Vielzahl von Kanälen (30, 32, 38) ausgebildet, die im Wesentlichen parallel zueinander und zur Höhenrichtung (Z) des Blocks verlaufen, wobei jeder der Kanäle (30, 32, 38) in einer Zelle (28) derart vorgesehen ist, dass zwischen den Kanälen (30, 32, 38) in benachbarten Zellen (28) eine Innenwand (34) vorhanden ist.

Description

Formkörper zum Temperieren eines Fluids
und mit solchen Formkörpern aufgebauter Wärmetauscher TECHNISCHES GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Formkörper zum Temperieren eines Fluids und einen Wärmetauscher mit wenigstens einem Wärmebett, das wenigstens einen solchen Formkörper aufweist. Die vorliegende Erfindung betrifft ferner einen Thermoreaktor, insbesondere zur regenerativen thermischen Oxidation von brennbaren Stoffen in einem Abluft- oder Abgasstrom, der wenigstens einen solchen Wärmetauscher als Regenerator aufweist.
TECHNISCHER HINTERGRUND
Thermoreaktoren, insbesondere solche in Anlagen zur regenerativen thermischen
Oxidation (RTO) von brennbaren Stoffen in einem Abluft- oder Abgasstrom, weisen typischerweise eine mit einem thermisch umzusetzenden Gasstrom beaufschlagte Brennkammer und wenigstens zwei Regeneratoren zum Beispiel unterhalb der Brennkammer auf. Bevorzugt wird dabei einer der Regeneratoren in einem bestimmten Betriebszustand des Thermoreaktors mit einem (ersten) Gasstrom beaufschlagt, welcher der Brenn- kammer zugeführt wird, während der andere Regenerator mit einem (zweiten) Gasstrom beaufschlagt wird, der aus der Brennkammer austritt. Üblicherweise erhält der erste Gasstrom aus dem durchströmten Regenerator eine gewisse Menge an Wärmeenergie, während der zweite Gasstrom seinerseits Wärmeenergie an den zugeordneten Regenerator abgibt. Zur Zwischenspeicherung von Wärmeenergie werden in Regeneratoren neben wärmespeichernden Schüttungen (z.B. Kugeln, Sattelkörper, etc.) alternativ oder zusätzlich Wärmebetten mit zum Beispiel keramischen Formkörpern eingesetzt. Diese zeichnen sich durch eine vorhersagbare und homogene Druckdifferenz bei einer gewissen Durchströmung des jeweiligen Wärmebetts aus, da sich in den Kanälen der Formsteine in der Regel eine laminare Strömung des durch den Regenerator hindurch geleiteten Fluids (Gas oder Flüssigkeit) ausbildet.
Die thermische Effizienz und die Standzeit der Regeneratoren sind wichtige Parameter für die effiziente Nutzung solcher Regeneratoren. Die thermische Effizienz und die Standzeit werden dabei jedoch durch die Bildung von Ablagerungen innerhalb der Regeneratoren mit nachfolgendem abschnittweisen Verstopfen einzelner Strömungskanäle oder ganzer Formsteine in den Wärmebetten beeinflusst (so genanntes "Verblocken"), Dieses
"Verblocken" entsteht insbesondere durch Ausfällen von Feststoffen aus dem durchgeleiteten Fluid, wobei sich gewisse Feststoffe an den Kanalwänden absetzen und dort ansammeln. So kommt es beispielsweise bei der Reinigung von siloxanhaltigen Ablüften zum Ausfall von Si-Oxiden an den Kanalwänden.
Die Verblockung der Regeneratoren hat zur Folge, dass die Wärmebetten von betroffenen RTO-Anlagen in regelmäßigen Abständen von den Ablagerungen befreit bzw. die betroffenen Formkörper der Wärmebetten ausgetauscht werden müssen. Für diese
Wartungsarbeiten muss die RTO-Anlage abgeschaltet und heruntergekühlt werden, bevor die Formkörper der Wärmebetten gereinigt bzw. ausgetauscht werden können. Bis die RTO-Anlage wieder betriebsbereit ist, vergehen typischerweise 2 bis 3 Arbeitstage.
Während dieser Zeit kann der an die RTO-Anlage angeschlossene Produktionsbereich in der Regel nicht in vollem Umfang arbeiten, sodass die Standzeit, d.h. die Zeit bis zu einem Verblocken der Wärmebetten, eines Regenerators einer RTO-Anlage ein entscheidender Faktor für die Effizienz und Wirtschaftlichkeit der Anlage sein kann.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, einen verbesserten Wärmetauscher zu schaffen, der die oben beschriebenen Nachteile im Stand der Technik vermeidet oder zumindest vermindert.
Es soll insbesondere ein Wärmetauscher mit einer guten thermischen Effizienz und einer guten Widerstandsfähigkeit gegen ein Verblocken seiner Strömungskanäle geschaffen werden.
Eine andere Aufgabe der Erfindung ist es, einen Formkörper zum Temperieren einer Fluidströmung bereitzustellen, der ein günstiges Verhältnis erreicht zwischen einer möglichst geringen Masse des Formkörpers einerseits und einem größtmöglichen dynamischen Wärmeaufnahmevermögen andererseits. Diese Aufgabe wird gelöst durch die Lehre der unabhängigen Ansprüche. Besonders bevorzugte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben. Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung weist ein Formkörper zum Temperieren eines Fluids einen Block aus einem wärmeleitenden Material, der durch eine Grundfläche und eine senkrecht zur Grundfläche verlaufende Höhe definiert ist, auf. Der Block weist im Querschnitt parallel zu seiner Grundfläche eine Vielzahl von Zellen auf, wobei diese Zellen jeweils eine Querschnittsform parallel zur Grundfläche des Blocks in Form eines regelmäßigen Vielecks haben. In dem Block ist ferner eine Vielzahl von Kanälen ausgebildet, die im Wesentlichen parallel zueinander und zur Höhenrichtung des Blocks verlaufen, wobei jeder dieser Kanäle in einer Zelle derart vorgesehen ist, dass zwischen den Kanälen in benachbarten Zellen eine Innenwand vorhanden ist. Die Querschnittsform der Zellen in Form regelmäßiger Vielecke hat den Vorteil, dass die Zellen mit geringem Abstand zueinander nebeneinander angeordnet werden können, um zum Beispiel ein Wärmebett eines Regenerators aufzubauen. Außerdem können die Kanäle in den Zellen bei dieser Querschnittsform der Zellen sicher voneinander getrennt werden.
Der Block des Formkörpers ist aus einem wärmeleitenden Material gebildet. Das wärmeleitende Material hat vorzugsweise eine thermische Leitfähigkeit von wenigstens etwa 1 ,5 W/mK, bevorzugt von wenigstens etwa 2,0 W/mK oder mehr. Außerdem hat das wärmeleitende Material vorzugsweise einen niedrigen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von höchstens etwa 1 -10-4 K~1, bevorzugt von höchstens etwa 1 ·10 5 K" , 8· I CH3 K~1 oder weniger (jeweils bei 800°C). Ferner hat das wärmeleitende Material vorzugsweise eine hohe spezifische Wärmekapazität von wenigstens etwa 500 J/kgK, bevorzugt von wenigstens etwa 800 J/kgK oder mehr. Darüber hinaus hat ein bevorzugtes wärmeleitendes Material eine Erweichungstemperatur von wenigstens etwa 1 .000X, bevor- zugter von wenigstens etwa 1.200°C, noch bevorzugter von wenigstens etwa 1.400°C.
Das wärmeleitende Material für den Formkörper ist vorzugsweise ausgewählt aus Keramiken, Ziegel, Ton, Metallen, Edelmetallen, Kieselerde, Karbiden, Graphit oder dergleichen hochtemperaturstabilen Materialien. Besonders bevorzugt werden Keramiken mit einem Anteil von mehr als 50% an Siliziumoxid und/oder Aluminiumoxid. Unter einer Grundfläche des Blocks soll im Sinne der Erfindung insbesondere eine senkrecht zur Höhenrichtung des Blocks verlaufende Oberfläche des Blocks verstanden werden, aber auch eine ebene, zur Höhenrichtung des Blocks senkrechte Projektions- fläche einer Oberfläche des Blocks. Dabei kann diese Oberfläche des Blocks selbst zumindest abschnitt- oder ausschnittweise eben, gestuft und/oder gewölbt ausgebildet oder ausgeführt sein.
Die Querschnittsform der Zellen parallel zur Grundfläche des Blocks hat vorzugsweise die Form eines Dreiecks, Quadrats, Pentagons, Hexagons oder Oktagons, wobei die hexa- gonale Querschnittsform besonders bevorzugt ist.
Der Block weist gemäß der Erfindung eine Vielzahl von Zellen mit einer Querschnittsform in der Form eines regelmäßigen Vielecks auf. Die Zellen sind bevorzugt Einheitszellen, d.h. im Wesentlichen identisch ausgestaltete und dimensionierte Zellen. Darüber hinaus kann der Block - insbesondere je nach Grundflächenform des Blocks und Querschnittsform dieser Zellen - aber auch weitere Zellen mit anderen Querschnittsformen aufweisen. Solche Zellen mit anderen Querschnittsformen können bevorzugt im Randbereich des Blocks vorhanden sein. Es kann jedoch auch vorteilhaft sein, wenn die Zellen des Blocks mindestens zwei Einheitszellen unterschiedlicher Ausgestaltung und/oder Dimensionierung aufweisen. Vorzugsweise sind die unterschiedlichen Zellen dabei jeweils in einer "Superzelle" in einem Zellmuster angeordnet, wobei der Block bevorzugt aus einer Mehrzahl solcher Superzellen gebildet werden kann. Unter einem Zellmuster soll dabei insbesondere eine sich wiederholende Anordnung von Zellen in einer Superzelle oder einem Block verstanden werden.
Die Kanäle sind vorzugsweise im Wesentlichen mittig in den einzelnen Zellen positioniert.
Der Block des Formkörpers ist vorzugsweise einstückig ausgebildet. Entsprechend sind die Zellen des Blocks nicht durch separate Bauteile gebildet, sondern innerhalb des
Blocks als fiktive geometrische Formen definiert. In anderen Ausführungsformen der Erfindung können die Zellen auch durch einzelne Zellenkörper ausgebildet sein, die zu dem Block zusammengefügt sind. In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung haben die Kanäle jeweils eine Querschnittsform parallel zur Grundfläche des Blocks in Form eines Kreises. Der kreisförmige Querschnitt der Kanäle ist im Hinblick auf die Wärmeübertragung zwischen dem durch die Kanäle hindurch geleiteten Fluid und dem Formkörper besonders effizient, sodass durch diese Ausgestaltung auch die thermische Effizienz eines Gesamtsystems (zum Beispiel eines entsprechend ausgerüsteten Thermoreaktors) verbessert werden kann.
In einer anderen bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung haben die Kanäle jeweils eine Querschnittsform parallel zur Grundfläche des Blocks in Form eines regelmäßigen Vielecks. Die Querschnittsform der Kanäle hat vorzugsweise die Form eines Dreiecks, Quadrats, Pentagons, Hexagons oder Oktagons, wobei die hexagonale Querschnittsform besonders bevorzugt ist. Vorzugsweise haben die Kanäle dabei jeweils eine Querschnittsform parallel zur Grundfläche des Blocks in Form eines dem regelmäßigen Vieleck der Zellen entsprechenden Vielecks, sodass eine Wandstärke der Innenwände zwischen benachbarten Kanälen im Wesentlichen konstant ist.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung beträgt ein hydraulischer Durchmesser eines Kanals wenigstens etwa 2,30 mm und/oder höchstens etwa 5,00 mm. Bevorzugt ist der hydraulische Durchmesser der Kanäle ausgewählt aus den Werten 2,34 mm, 2,61 mm, 2,81 mm, 2,90 mm, 4,85 mm und 4,87 mm. Im Fall von Kanälen mit einer kreisförmigen Querschnittsform entspricht der hydraulische Durchmesser im Wesentlichen dem Kreisdurchmesser der Querschnittsform. Im Fall von anderen Kanalgeometrien entspricht der hydraulische Durchmesser im Wesentlichen dem Durchmesser eines innen an die Querschnittsform anliegenden Kreises (Inkreis-Durchmesser).
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung beträgt eine minimale Wandstärke einer Innenwand zwischen benachbarten Kanälen wenigstens etwa 0,20 mm und/oder höchstens etwa 1 ,00 mm. Bevorzugt ist die Wandstärke ausgestaltet in einem Wertebereich zwischen 0,25 mm und 0,89 mm. Besonders bevorzugte Einzelwerte für eine im Wesentlichen einheitliche Wandstärke aller Kanäle sind 0,23 mm, 0,25 mm, 0,48 mm, 0,56 mm und 0,81 mm. Es wurde herausgefunden, dass bei einer solchen (vorzugsweise einheitlichen) Festlegung der Wandstärke aller Kanäle bei einem erfindungsgemäßen Formkörper ein Optimum erreicht werden kann zwischen möglichst geringer Masse des Blocks einerseits und größtmöglichem Wärmeaufnahmevermögen andererseits. Dies gilt besonders bei Verwendung eines Materials mit einer thermischen
Leitfähigkeit zwischen etwa 1 ,5 W/mK und 8,0 W/mK und einer (mittleren) Strömungsgeschwindigkeit einer die Kanäle passierenden gasförmigen Fluidströmung zwischen 1 m/s und 6,5 m/s.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung beträgt ein Quotient aus einem hydraulischen Durchmesser eines Kanals zu einer minimalen Wandstärke der Innenwand zwischen benachbarten Kanälen höchstens etwa 6,0, bevorzugt höchstens etwa 5,5. Im Speziellen liegt der genannte Quotient zwischen 4,1 und 5,9 bei Verwendung eines Materials mit einer thermischen Leitfähigkeit zwischen etwa 1 ,5 W/mK und
8,0 W/mK und einer (mittleren) Strömungsgeschwindigkeit einer die Kanäle passierenden gasförmigen Fluidströmung zwischen 1 m/s und 6,5 m/s. Die Viskosität der gasförmigen Fluidströmung kann dabei zwischen 20 pPa-s und 40 pPa s liegen. Es wurde heraus- gefunden, dass bei einer solchen (vorzugsweise einheitlichen) Festlegung des
Verhältnisses zwischen hydraulischem Durchmesser der Kanäle und Wandstärke der Kanäle bei einem erfindungsgemäßen Formkörper ein Optimum erreicht werden kann zwischen möglichst geringer Masse des Blocks einerseits und größtmöglichem Wärmeaufnahmevermögen andererseits.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung beträgt eine hydraulische Strömungsquerschnittsfläche eines Kanals wenigstens etwa 50% und/oder höchstens etwa 65% in Bezug auf eine Querschnittsfläche der Zelle. Auch eine solche Auslegung trägt zu einer Optimierung des Verhältnisses zwischen möglichst kleiner Masse des Blocks und möglichst großem Wärmeaufnahmevermögen bei. Im Speziellen liegt der genannte Wert zwischen 51 % und 63% bei Verwendung eines Materials mit einer thermischen Leitfähigkeit zwischen etwa 1 ,5 W/mK und 8,0 W/mK und einer (mittleren) Strömungsgeschwindigkeit einer die Kanäle passierenden gasförmigen Fluidströmung zwischen 1 m/s und 6,5 m/s. Die Viskosität der gasförmigen Fluidströmung kann dabei zwischen 15 pPa-s und 40 pPa^s liegen.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung beträgt eine offene Querschnittsfläche eines Kanals wenigstens etwa 50% und/oder höchstens etwa 75% in Bezug auf eine Querschnittsfläche der Zelle. In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist eine Nußelt-Zahl eines Kanals für eine laminare Strömung in Abhängigkeit von dem im jeweiligen Anwendungsfall durch den Kanal hindurch strömenden Fluid so gewählt, dass sie wenigstens etwa 3,5, bevorzugt wenigstens etwa 4,0, und/oder höchstens etwa 4,5 beträgt. Die Nußelt-Zahl ist dabei als dimensionslose Größe definiert als ein Produkt des hydraulischen Durchmessers mit dem Quotienten aus dem Wärmeübergangskoeffizienten zum Wärmeleitfähigkeitskoeffizienten. Eine derartige Gestaltungswahl wird besonders bevorzugt bei gleichzeitiger Ausführung des Blocks aus einem keramischen Material mit einem Anteil von mehr als 50% Aluminium- und/oder Silizium-Oxiden. Eine derartige Gestaltungswahl wird besonders bevorzugt bei gleichzeitiger Ausführung des Blocks aus einem Material zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Blocks, welches eine thermische Leitfähigkeit zwischen etwa 1 ,5 W/mK und 8 W/mK aufweist. Optional kann vorgesehen sein, dass ein entsprechend gestalteter Formkörper von einer gasförmigen Fluidströmung mit einer (mittleren) Strömungsgeschwindigkeit zwischen 1 m/s und 6,5 m/s passiert wird. Die Viskosität der gasförmigen Fluidströmung kann dabei zwischen 15 pPa s und 40 pPa-s liegen.
In einer noch weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung sind die die Kanäle begrenzenden Wände mit einer Schutzschicht zum Beispiel in Form einer Schutzschicht aus Nanopartikeln versehen. Zur Realisierung einer erfindungsgemäßen Schutzschicht werden insbesondere Partikel aus Siliziumoxid, Titandioxid, Aluminiumoxid, Eisenoxid, Zinkoxid, Siliziumcarbid, Eisencarbid, Wolframcarbid, Titannitrid, Bornitrid sowie Borcarbid vorgeschlagen, deren größte Ausdehnung jeweils kleiner sei als 100 nm. Eine derartige "Nano-Schutzschicht" erzeugt erfindungsgemäß eine im Nano-Maßstab raue Oberfläche an den Innenwandungen der Kanäle, so dass sich mikroskopisch kleine Wirbel an der Kanaloberfläche bilden. Ein Ablagern von (aus dem durch den Formkörper hindurch strömenden Fluid ausgefällten oder aus anderen Gründen im Fluid mitgeführten) Fest- stoffpartikeln wird so verhindert bzw. verlangsamt. Auf diese Weise kann einem "Ver- blocken" der Kanäle wirksam vorgebeugt werden. In bevorzugten Ausbildungen weist die
Schutzschicht eine Oberflächenrauheit Ra von weniger als 25 pm, insbesondere weniger als 10 pm, besonders bevorzugt von weniger als 2,5 pm auf, Bevorzugt kann die Schutzschicht als eine hydrophobe Schicht ausgebildet sein. In anderen Anwendungen kann es jedoch auch vorteilhaft sein, die Schutzschicht hydrophil auszubilden. In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist eine Strukturlänge der Querschnittsform eines Kanals auf etwa 3,5 mm, bevorzugt auf etwa 3,0 mm begrenzt. Als Strukturlänge der Querschnittsform eines Kanals wird bei einem n-eckigen Kanal eine Kantenlänge des relevanten n-Ecks verstanden. Es wurde herausgefunden, dass eine Neigung zur Bildung von Ablagerungen von bei Temperaturen zwischen 400°C und 1.100°C aus einer gasförmigen Fluidströmung ausgefällten Feststoffen ab einer
"kritischen Strukturlänge" stark zunimmt. Konkret beträgt für einen Kanal mit hexagonaler Querschnittsform die kritische Strukturlänge in Bezug auf eine Ablagerung von Silizium- oxiden etwa 2,82 mm, wenn der Kanal mit einem siloxanhaltigen Abgas bei einer
Geschwindigkeit zwischen 1 m/s und 6,5 m/s durchströmt wird. Die Viskosität des Abgases kann dabei zwischen 15 sPa-s und 40 Pa-s liegen. Durch eine Begrenzung der Strukturlänge des Kanalquerschnitts kann allgemein ein Ablagern von (aus der Fluidströmung bei höheren Temperaturen ausgefällten oder aus anderen Gründen in der Fluidströmung mitgeführten) Feststoffen an einer Kanalwand reduziert werden. Für gasförmige Fluide mit einem Stickstoffanteil von mehr als 60 Vol.-% wird daher eine
Begrenzung der Strukturlänge der Querschnittsform eines n-eckigen Kanals auf 3,5 mm vorgeschlagen. In einer noch weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weist die Querschnittsform der Kanäle wenigstens einen konkaven (d.h. nach innen gewölbten) Abschnitt auf. Vorzugsweise weist die Querschnittsform der Kanäle alternierend mehrere konkave Abschnitte und mehrere konvexe Abschnitte auf. Diese spezielle Struktur der Querschnittsfläche der Kanäle kann vorzugsweise ein Ablagern von (aus dem durch den Formkörper hindurch strömenden Fluid ausgefällten oder aus anderen Gründen im Fluid mitgeführten) Feststoffpartikeln und damit ein Verblocken der Kanäle verhindern bzw. verlangsamen.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung weist ein Wärmetauscher wenigstens ein Wärmebett auf, das wenigstens einen oben beschriebenen Formkörper der Erfindung aufweist. In einer Ausgestaltung weist ein erfindungsgemäßer Wärmetauscher wenigstens ein Wärmebett auf, das wenigstens einen Formkörper zum Temperieren eines Fluids aufweist, wobei der Formkörper einen Block aus einem wärmeleitenden Material aufweist, der durch eine Grundfläche und eine senkrecht zur Grundfläche verlaufende Höhe definiert ist, wobei der Block im Querschnitt parallel zu seiner Grundfläche eine Vielzahl von Zellen aufweist, wobei die Zellen jeweils eine Querschnittsform parallel zur Grundfläche des Blocks in Form eines regelmäßigen Vielecks haben, wobei in dem Block eine Vielzahl von Kanälen ausgebildet ist, die im Wesentlichen parallel zueinander und zur Höhenrichtung des Blocks verlaufen, und wobei jeder der Kanäle in einer Zelle derart vorgesehen ist, dass zwischen den Kanälen in benachbarten Zellen eine Innenwand vorhanden ist.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weist das Wärmebett mehrere Formkörper auf, die parallel zur Grundfläche der Formkörper nebeneinander und bevorzugt ohne Abstand zueinander angeordnet sind. Auf diese Weise lassen sich ein hindurch zu leitender Fluidstrom auf eine beliebig erweiterbare Anzahl von Formkörpern aufteilen und so der Volumenstrom pro Formkörper und die entsprechende Strömungsgeschwindigkeit einstellen. Als bevorzugte Strömungsgeschwindigkeit hat sich ein Wert zwischen 1 m/s und 6,5 m/s ergeben.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weist der Wärmetauscher wenigstens zwei Wärmebetten auf, die in der Höhenrichtung der Formkörper übereinander angeordnet sind. Die Kanäle der übereinander angeordneten Formkörper sind vorzugsweise im Wesentlichen koaxial oder parallel zueinander ausgerichtet, haben vorzugsweise gleiche Querschnittsformen und/oder haben vorzugsweise gleiche
Abmessungen. Durch ein Übereinanderschichten von Wärmebetten kann die Wärmeaufnahmekapazität des Wärmetauschers eingestellt werden. Dabei hat sich herausgestellt, dass bei einer Anzahl von 5 bis 9 Schichten gleichartiger Wärmebetten eine Gesamthöhe des Wärmetauschers von 1 ,2 m bis 3,5 m und eine entsprechende gesamte Länge an durchströmbaren Kanälen erreichbar ist. Eine derartige Gestaltungswahl wird besonders bevorzugt bei gleichzeitiger Ausführung einer Vielzahl von Wärmetauscher- Blöcken aus einem keramischen Material mit einem Anteil von mehr als 50% Aluminium- und/oder Silizium-Oxiden. Eine derartige Gestaltungswahl wird besonders bevorzugt bei gleichzeitiger Ausführung der Wärmetauscher-Blöcke aus einem Material zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Blocks, welches eine thermische Leitfähigkeit zwischen etwa 1 ,5 W/mK und 8 W/mK aufweist. Optional kann vorgesehen sein, dass ein entsprechend gestalteter Wärmetauscher von einer gasförmigen Fluidströmung mit einer (mittleren) Strömungsgeschwindigkeit zwischen 1 m/s und 6,5 m/s passiert wird. Die Viskosität der gasförmigen Fluidströmung kann dabei zwischen 15 pPa-s und 40 pPa-s liegen.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung beträgt eine Höhe des
Wärmebetts in der Höhenrichtung der Formkörper wenigstens etwa 20 cm, bevorzugt wenigstens etwa 25 cm, und/oder höchstens etwa 50 cm, bevorzugt höchstens etwa 40 cm.
In einer noch weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung beträgt eine Höhe des Wärmetauschers in der Höhenrichtung der Formkörper wenigstens etwa 100 cm, bevorzugt wenigstens etwa 150 cm, und/oder höchstens etwa 300 cm, bevorzugt höchstens etwa 200 cm.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung weist ein Thermoreaktor eine Brennkammer und einen Regenerator auf, wobei der Regenerator als ein oben beschriebener Wärmetauscher der Erfindung ausgestaltet ist. Der erfindungsgemäße Thermoreaktor ist insbesondere in Anlagen zur regenerativen thermischen Oxidation von brennbaren
Stoffen in einem Abluft- oder Abgasstrom in vorteilhafter Weise einsetzbar. Die Kanäle der Formkörper sind vorzugsweise zur Brennkammer hin offen, sodass das Fluid durch die Regeneratoren in die Brennkammer bzw. aus der Brennkammer strömen kann. In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weist ein Thermoreaktor, insbesondere zur regenerativen thermischen Oxidation von brennbaren Stoffen in einem Abluft- oder Abgasstrom, eine Brennkammer und einen Regenerator auf, wobei der Regenerator wenigstens ein Wärmebett mit wenigstens einem Formkörper zum Temperieren eines Fluids aufweist, wobei der Formkörper einen Block aus einem wärmeleitenden Material aufweist, der durch eine Grundfläche und eine senkrecht zur Grundfläche verlaufende
Höhe definiert ist, wobei der Block im Querschnitt parallel zu seiner Grundfläche eine Vielzahl von Zellen aufweist, wobei die Zellen jeweils eine Querschnittsform parallel zur Grundfläche des Blocks in Form eines regelmäßigen Vielecks haben, wobei in dem Block eine Vielzahl von Kanälen ausgebildet ist, die im Wesentlichen parallel zueinander und zur Höhenrichtung des Blocks verlaufen, und wobei jeder der Kanäle in einer Zelle derart vorgesehen ist, dass zwischen den Kanälen in benachbarten Zellen eine Innenwand vorhanden ist. Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung weist ein Thermoreaktor eine Brennkammer und einen Regenerator auf, wobei der Regenerator einen oder mehrere erfindungsgemäße Formkörper enthält, die insbesondere zu einem Wärmebett zusammengesetzt sind und von einer insbesondere im Wesentlichen gasförmigen Fluidströmung durchströmt werden, wobei die Fluidströmung eines oder mehrere der folgenden Merkmale aufweist:
mittlere Strömungsgeschwindigkeit zwischen 1 m/s und 6,5 m/s,
Viskosität zwischen 15 Pa-s und 40 MPa-s
- Temperatur zwischen 400°C und 1 100°C
- Stickstoffanteil größer als 60 Vol.-%.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Obige sowie weitere relevante Merkmale der erfindungsgemäßen Lösungen ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung verschiedener konkreter Ausführungsbeispiele, für welche die oben genannten Ausführungen umgekehrt ebenfalls anzuwenden sind, anhand der beiliegenden Zeichnung. Darin zeigen, größtenteils schematisch:
Fig. 1 eine Darstellung eines Thermoreaktors gemäß einer ersten Ausführungsform;
Fig. 2 eine Darstellung eines Thermoreaktors gemäß einer zweiten Ausführungsform;
Fig. 2A eine Darstellung eines Thermoreaktors gemäß einer Variante der zweiten
Ausführungsform;
Fig. 2B eine Darstellung eines Thermoreaktors gemäß einer weiteren Variante der zweiten Ausführungsform;
Fig. 3 eine Draufsicht eines Wärmebetts für einen Thermoreaktor von Fig. 1 oder 2; Fig 4 eine vergrößerte Teildraufsicht eines Formkörpers eines Wärmebetts von Fig. 3 gemäß einer ersten Ausführungsform;
Fig 5 eine vergrößerte Teildraufsicht eines Formkörpers eines Wärmebetts von
Fig. 3 gemäß einer zweiten Ausführungsform;
Fig 6 eine vergrößerte Teildraufsicht eines Formkörpers eines Wärmebetts von
Fig. 3 gemäß einer dritten Ausführungsform; Fig. 7 eine vergrößerte Draufsicht einer Zelle eines Formkörpers eines Wärmebetts von Fig. 3 gemäß einer vierten Ausführungsform; und
Fig. 8 eine Schnittansicht eines Regenerators mit mehreren Lagen von Wärmebetten für einen Thermoreaktor von Fig. 1 oder 2.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Fig. 1 zeigt einen Thermoreaktor 10, der zum Beispiel in einer Anlage zur regenerativen thermischen Oxidation (RTO) eines brennbare Stoffe, insbesondere flüchtige organische Bestandteile (VOC) enthaltenden Abluft- oder Abgasstroms eingesetzt werden kann, gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel.
Der Thermoreaktor 10 weist eine Brennkammer 12 und zwei unterhalb der Brennkammer 12 angeordnete Regeneratoren 14 auf. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel weist der Thermoreaktor 10 zwei Regeneratoren 14 auf, denen jeweils eine Vorkammer 16 zugeordnet ist. In anderen Ausführungsformen können aber auch drei, vier oder mehr
Regeneratoren 14 vorgesehen sein. In die Brennkammer 12 ragt ein Brenner (nicht dargestellt), über den flüssiger oder gasförmiger Brennstoff und optional auch Verbrennungsluft in die Brennkammer 12 eingeleitet werden. Der Brenner dient zur Erzeugung einer Flamme in der Brennkammer, über die wiederum ein Zünden und Verbrennen der in dem zu reinigenden Rohgas enthaltenen Schadstoffe ermöglicht wird. Die Temperatur in der
Brennkammer 12 kann im Betrieb - u.a. abhängig vom Energieinhalt der im Rohgas enthaltenen brennbaren Stoffe - bis zu etwa 1 .250°C betragen. Die Vorkammern 16 der Regeneratoren 14 sind jeweils mit einer Rohgaszuführung 18 und mit einer Reingasabführung 20 verbunden. Das über die Rohgaszuführung 18 in eine Vorkammer 16 eingeleitete Rohgas wird im jeweiligen Regenerator 14 erwärmt, bevor es in die Brennkammer 12 geleitet wird. Nach einer thermischen Umsetzung des Rohgases in der Brennkammer 12 entsteht heißes Reingas, welches im anderen Regenerator 14 abgekühlt wird, bevor es über die andere Vorkammer 16 und die Reingasabführung 20 in ein Abluftsystem abgeleitet wird. In einem modifizierten Ausführungsbeispiel kann der gekühlte Reingasstrom weiteren Wäremaustausch- und/oder Reinigungsstufen zugeführt werden, bevor das Reingas in die Umgebung oder zur weiteren Verwendung entlassen wird.
In dem Ausführungsbeispiel von Fig. 1 werden der Thermoreaktor 10 und seine
Regeneratoren 14 durch ein Umschalten der Regelventile 22a, 22b in der Rohgaszuführung 18 und der Reingasabführung 29 in gewissen vorgebbaren Zeitintervallen wechselweise in entgegengesetzten Strömungsrichtungen durchströmt. Zur genaueren Funktionsweise eines solchen Thermoreaktors wird an dieser Stelle beispielhaft auf die EP 1 312 861 B1 verwiesen.
Fig. 2 zeigt einen Thermoreaktor 10 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel, der ebenfalls zum Beispiel in einer Anlage zur regenerativen thermischen Oxidation (RTO) eines brennbare Stoffe enthaltenden Abluft- oder Abgasstroms eingesetzt werden kann.
Der Thermoreaktor 10 von Fig. 2 unterscheidet sich von dem Thermoreaktor 10 von Fig. 1 durch eine andere Art der Strömungsregelung. Wie in Fig. 2 dargestellt, sind die Rohgas- Zuführung 18 und die Reingasabführung 20 jeweils mit einem gemeinsamen Rotationsventil 23 verbunden, welches seinerseits mit den Vorkammern 16 beider Regeneratoren 14 verbunden ist. Durch eine Rotation des Rotationsventils 23 werden der Thermoreaktor 10 und seine Regeneratoren 14 auch in diesem Fall in gewissen vorgebbaren Zeitintervallen wechselweise in entgegengesetzten Strömungsrichtungen durchströmt.
Fig. 2A zeigt eine erfindungsgemäße Variante des Ausführungsbeispiels von Fig. 2. In diesem Ausführungsbeispiel weist der Thermoreaktor 10 eine gemeinsame Regeneratorkonstruktion 14 auf, die strömungstechnisch in zwei Bereiche getrennt ist, so dass sich die gleiche Funktionsweise wie bei dem Ausführungsbeispiel von Fig. 2 ergibt. Fig. 2B zeigt eine weitere erfindungsgemäße Variante des Ausführungsbeispiels von Fig. 2. In diesem Ausführungsbeispiel ist der Thermoreaktor 10' mit seinen Regeneratoren 14 drehbar ausgestaltet und über ein gemeinsames Verteilerventil 23' mit der Rohgas- Zuführung 18 und der Reingasabführung 20 verbunden. Eine derartige Konfiguration ist insbesondere bei kleinen Thermoreaktoren 10' vorsehbar.
In weiteren Varianten der Erfindung können die Ausführungsformen von Fig. 2A und 2B auch mit dem Ausführungsbeispiel von Fig. 1 kombiniert werden.
Für Ausführungsformen mit einem rotierenden Thermoreaktor 10' werden für die Reingasströmung vorzugsweise eine mittlere Strömungsgeschwindigkeit zwischen 0,6 m/s und 2,5 m/s sowie eine brennerseitige Temperatur zwischen 700°C und 900°C sowie eine auslassseitige Temperatur zwischen 40° und 150°C eingestellt. Die Viskosität der Rein- gasströmung kann dabei zwischen 15 pPa s und 35 Pa-s liegen.
Für Ausführungsformen mit einem feststehenden bzw. unbeweglichen Thermoreaktor 10 werden für die Reingasströmung vorzugsweise eine mittlere Strömungsgeschwindigkeit zwischen 1 m/s und 6,5 m/s sowie eine brennerseitige Temperatur zwischen 800°C und 1 .100°C sowie eine auslassseitige Temperatur zwischen 60° und 250°C eingestellt. Die Viskosität der Reingasströmung kann dabei zwischen 20 pPa-s und 40 pPa s liegen. Die genannten Werte können besondere Bedeutung erlangen im Zusammenhang mit der nachfolgend beschriebenen Geometrie gewisser Formkörper. Wie in Fig. 1 und 2 angedeutet, weisen die Regeneratoren 14 des Thermoreaktors 10 jeweils mehrere übereinander angeordnete Wärmebetten 24 auf. Diese Wärmebetten 24 sind jeweils aus einer Vielzahl von Formkörpern 26 zusammengesetzt, welche senkrecht zur Stapelrichtung der Wärmebetten (= Höhenrichtung Z der Wärmebetten und der Formkörper) im Wesentlichen ohne Abstand zueinander nebeneinander angeordnet sind, wie in Fig. 3 dargestellt. Vorzugsweise sind die Formkörper 26 eines Wärmebetts 24 im
Wesentlichen identisch zueinander ausgestaltet und dimensioniert. Der bevorzugte Aufbau der Formkörper 26 für die Wärmebetten 24 wird nachfolgend anhand mehrerer Ausführungsbeispiele Bezug nehmend auf Fig. 4 bis 7 in mehr Einzelheiten erläutert. Der Formkörper 26 gemäß dem in Fig. 4 dargestellten ersten Ausführungsbeispiel weist einen Block 27 aus einem keramischen Material auf. Vorzugsweise kann eine Hartkeramik mit einem Anteil von mehr als 50% Aluminium- und/oder Silizium-Oxiden verwendet werden. Bevorzugt werden außerdem Keramikwerkstoffe mit einer Wärmeleitfähigkeit zwischen etwa 1 ,5 W/mK und 8 W/mK (bevorzugt z.B. etwa 2,1 W/mK), einem niedrigen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von höchstens etwa 1 -10'5 K_1 (bevorzugt z.B. etwa 6,5-10"6 K~ ) bei 800°C, einer hohen spezifischen Wärmekapazität von wenigstens etwa 800 J/kgK (bevorzugt z.B. etwa 910 J/kgK) und einer hohen
Erweichungstemperatur von wenigstens etwa 1 .000°C für den Block 27 verwendet.
Wahlweise können auch andere hochtemperaturstabile Materialien für den Block 27 verwendet werden.
Der Block 27 hat zum Beispiel eine im Wesentlichen rechteckige oder quadratische Grundfläche parallel zur X- Y-Ebene. Wie in Fig. 4 veranschaulicht, ist der Block 27 parallel zu dieser Grundfläche X-Y in eine Vielzahl von Einheitszellen 28 unterteilt, die in diesem Ausführungsbeispiel eine quadratische Querschnittsform haben. Die Einheitszellen 28 grenzen direkt aneinander.
In jeder der Einheitszellen 28 ist ein Kanal 30, 32 ausgebildet. Die Kanäle 30, 32 erstrecken sich im Wesentlichen parallel zueinander und im Wesentlichen parallel zu einer Höhenrichtung Z (senkrecht zur Zeichenebene von Fig. 4) des Blocks 27. Die
Kanäle haben vorzugsweise eine quadratische Querschnittsform (Kanäle 30) oder eine kreisförmige Querschnittsform (Kanäle 32) und sind jeweils im Wesentlichen mittig in den Zellen 28 angeordnet. Wie in Fig. 4 erkennbar, ist zwischen den Kanälen 30, 32 benachbarter Zellen 28 jeweils eine Innenwand 34 vorhanden. Außerdem ist der Block 27 von einer Außenwand 36 umschlossen. Die Kanäle 30, 32 definieren jeweils einen hydraulischen Durchmesser Dh, der bei den quadratischen Kanälen 30 einer Seitenlänge des Quadrats entspricht und bei den kreisförmigen Kanälen 32 einem Durchmesser des Kreises entspricht, und eine hydraulische Strömungsquerschnittsfläche Ah. Im Fall der kreisförmigen Kanäle 32 stimmt die hydraulische Strömungsquerschnittsfläche Ah mit der offenen Strömungsquerschnittsfläche Ao überein, im Fall der quadratischen Kanäle 30 ist die hydraulische Strömungsquerschnittsfläche Ah kleiner als die offene Strömungsquerschnittsfläche Ao der Kanäle.
Die Innenwände 34 zwischen den Kanälen 30, 32 benachbarter Zellen 28 haben eine minimale Wandstärke t. Die Wandstärke t' der Außenwand 36 ist größer bemessen als die minimale Wandstärke t der Innenwand.
Fig. 5 zeigt einen Formkörper 26 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel. Der Formkörper 26 des zweiten Ausführungsbeispiels unterscheidet sich von dem des ersten Ausführungsbeispiels durch die Querschnittsformen der Einheitszellen 28 und der Kanäle 30.
Im zweiten Ausführungsbeispiel von Fig. 5 haben die Einheitszellen 28 eine hexagonale Querschnittsform. Ebenso haben die Kanäle 30 eine hexagonale Querschnittsform. Im Randbereich des Formkörpers 26 können wahlweise auch Zellen 28' und Kanäle 30' mit anderen Querschnittsformen vorhanden sein.
Fig. 6 zeigt einen Formkörper 26 gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel. Der Formkörper 26 von Fig. 6 unterscheidet sich von dem des zweiten Ausführungsbeispiels durch die Querschnittsform der Kanäle 32.
Im dritten Ausführungsbeispiel von Fig. 6 haben die Einheitszellen 28 eine hexagonale Querschnittsform. Die Kanäle 32 haben hingegen eine kreisförmige Querschnittsform. Im Randbereich des Formkörpers 26 können auch hier wahlweise Zellen 28' und Kanäle 32' mit abweichenden Querschnittsformen vorhanden sein.
Die nachfolgende Übersicht vergleicht einige Parameter der Formkörper 26 gemäß den verschiedenen Ausführungsbeispielen miteinander. Dh in mm t in mm DH I X Ah Ao
Q1 3,02 0,71 4,25 50,3% 64,0%
Q2 2,41 0,56 4,30 49,5% 63,0%
H1 4,85 0,89 5,45 60,8% 67,0%
H2 2,90 0,56 5,18 62,0% 68,3%
Y1 4,87 0,81 6,01 63,3% 63,35
Y2 2,81 0,48 5,85 62,6% 62,6%
Υ3 2,34 0,56 4,18 56,0% 56,0%
Q1 und Q2 sind Formkörper 26 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel von Fig. 4 mit quadratischen Kanälen 30, H1 und H2 sind Formkörper 26 gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel von Fig. 5, und Y1 und Y2 und Y3 sind Formkörper 26 gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel von Fig. 6, jeweils in unterschiedlichen Varianten (insbesondere hinsichtlich der Dimensionierung der Kanäle).
Aufgrund theoretischer Modellrechnungen und praktischer Versuche hat sich herausgestellt, dass eine kreisförmige Querschnittsform (Y1 , Y2, Y3) für die thermische Effizienz des Formkörpers von Vorteil ist, und andererseits dünnen Innenwände und große hydraulische Durchmesser (Q2, H2, Y2, Y3) gegen ein Verblocken der Kanäle von Vorteil sind. Außerdem sind die Querschnittsflächen der Zellen 28 in Form regelmäßiger Vielecke (z.B. Quadrat, Hexagon) vorteilhaft für die kompakte und im Wesentlichen abstandslose Anordnung der Zellen 28.
Die dimensionslose Nußelt-Zahl Nu für eine laminare Strömung, die definiert als das Produkt des hydraulischen Durchmessers Dh mit dem Quotienten aus dem Wärmeübergangskoeffizienten k1 zum Wärmeleitfähigkeitskoeffizienten k2, d.h. Nu = Dh-k1/k2, beträgt für die Formkörper Q1 und Q2 mit Kanälen mit quadratischer Querschnittsform zum Beispiel etwa Nu = 3,61 , für die Formkörper H1 und H2 mit Kanälen mit hexagonaler Querschnittsform zum Beispiel etwa Nu = 4,00, und für die Formkörper Y1 , Y2 und Y3 mit Kanälen mit kreisförmiger Querschnittsform zum Beispiel etwa Nu = 4,36.
Fig. 7 zeigt eine Zelle 28 eines Formkörpers 26 gemäß einem vierten Ausführungs- beispiel. Der Formkörper 26 von Fig. 7 unterscheidet sich von dem der zweiten und dritten Ausführungsbeispiele durch die Querschnittsform der Kanäle. Der Kanal 38 der Zelle 28 des Formkörpers 26 dieses Ausführungsbeispiels hat eine sternartige Querschnittsform. Die sternartige Querschnittsform zeichnet sich dadurch aus, dass abwechselnd mehrere konvexe (d.h. nach außen gewölbte) Abschnitte 38a und mehrere konkave (d.h. nach innen gewölbte) Abschnitte 38b vorgesehen sind. Diese konvexen und konkaven Abschnitte 28a, 38b sind ausgehend von einer kreisförmigen Grundform 38' durch sinus- und/ oder kosinusförmige Schwingungen erzielbar. Die Anzahl N der Schwingungen beträgt vorzugsweise N=6 (wie im Beispiel von Fig. 7), kann aber zum Beispiel auch N=8 oder N=12 betragen. Die Abschnitte mit gleichbleibendem
Krümmungsvorzeichen (d.h. konvex, konkav oder geradlinig) des Kurvenzugs sind dabei vorzugsweise kleiner als etwa 2,85 mm. Neben der in Fig. 7 gezeigten Querschnittsform des Kanals 38 sind zahlreiche weitere Varianten denkbar, insbesondere mit sternartigen oder blütenartigen Querschnittsformen. Bezug nehmend auf Fig. 8 wird nun der Aufbau eines Regenerators 14 mit mehreren Lagen a-g von Wärmebetten 24 näher beschrieben.
Der Regenerator 14 ist einem Reaktorgehäuse 40 des Thermoreaktors 10 unterhalb der Brennkammer 12 angeordnet. Die untere Basis des Regenerators 14 bildet ein Gitterrost 42 (z.B. aus Metall oder Edelmetall), auf dem optional ein Streckmetall oder Streckgitter 44 liegt.
Auf dem Gitterrost 42 und dem Streckmetall 44 sind die mehreren Lagen a-g von Wärmebetten 24 angeordnet. Jedes Wärmebett 24 ist aus einer Vielzahl von Formkörpern 26 zusammengesetzt. Die Wärmebetten 24 bzw. Formkörper 26 der Lagen a-f haben jeweils eine Höhe h von zum Beispiel etwa 30 cm, während das Wärmebett 24 bzw. die Formkörper 26 der optionalen obersten Lage eine Höhe h von zum Beispiel nur etwa 15 cm haben, sodass sich für den Regenerator 14 insgesamt eine Höhe H von etwa 195 cm in diesem Ausführungsbeispiel ergibt. Zwischen den Wärmebetten 24 und dem Reaktor- gehäuse 40 ist optional zudem ein sogenannter Sattelkörper 46 aus wärmespeicherndem
Schüttgut vorgesehen.
In diesem Ausführungsbeispiel ist das Wärmebett 24 der untersten Lage a zum Beispiel aus 23x29 Formkörpern 26 des obigen Typs H2 gebildet, sind die Wärmebetten 24 der Lagen b-e zum Beispiel aus 23x29 Formkörpern 26 des obigen Typs Y2 gebildet, ist das Wärmebett 24 der Lage f zum Beispiel aus 21 x27 Formkörpern 26 des obigen Typs Y2 gebildet, und ist das Wärmebett 24 der obersten Lage g zum Beispiel aus 21x27 Formkörpern 26 des obigen Typs H2 gebildet. In einem anderen Ausführungsbeispiel sind die Formkörper 26 der Wärmebetten der äußeren Lagen a und g zum Beispiel vom obigen Typ H2 oder Y2 und sind die Wärmebetten der inneren Lagen b-f zum Beispiel vom obigen Typ Y2 in der sternförmigen Modifikation gemäß dem vierten Ausführungsbeispiel von Fig. 7, Selbstverständlich sind auch noch zahlreiche andere Ausführungsformen für die Lagen a-g der Wärmebetten 24, einschließlich anderer Anzahlen an Wärmebetten und anderer Anzahlen an Formkörpern je Wärmebett möglich. Typische Varianten von Regeneratoren 14 enthalten beispielhaft die folgenden Anzahlen an Formkörpern 26 in X- bzw. Y- Richtung und an Lagen von Wärmebetten 24:
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BEZUGSZIFFERNLISTE
10 Thermoreaktor
10' Thermoreaktor
12 Brennkammer
14 Regenerator 16 Vorkammer
18 Rohgaszuführung
20 Reingasabführung
22a Regelventil
22b Regelventil
23 Rotationsventil
23' Verteilerventil
24 Wärmebett
26 Formkörper
27 Block
28 Zelle, Einheitszelle
28' abgewandelte Zelle, Randzelle
30 Kanal (polygonale Querschnittsform)
32 Kanal (kreisförmige Querschnittsform) 34 Innenwand
36 Außenwand
38 Kanal (sternförmige Querschnittsform)
38' kreisförmige Grundform von 38
38a konvexer Abschnitt
38b konkaver Abschnitt
40 Reaktorgehäuse
42 Gitterrost
44 Streckmetall
46 Sattelkörper
Ah hydraulische Strömungsquerschnittsfläche
Ao offene Strömungsquerschnittsfläche
Dh hydraulischer Durchmesser
h Höhe von 24 bzw. 26
H Höhe von 14
t minimale Wandstärke der Innenwand t' Wandstärke der Außenwand
X-Y Grundfläche
Z Höhenrichtung

Claims

ANSPRÜCHE
1 . Formkörper zum Temperieren eines Fluids, aufweisend:
einen Block (27) aus einem wärmeleitenden Material, der durch eine Grundfläche (X-Y) und eine senkrecht zur Grundfläche verlaufende Höhe definiert ist, wobei der Block (27) im Querschnitt parallel zu seiner Grundfläche (X-Y) eine Vielzahl von Zellen (28) aufweist,
die Zellen (28) jeweils eine Querschnittsform parallel zur Grundfläche (X-Y) des Blocks in Form eines regelmäßigen Vielecks haben,
in dem Block (27) eine Vielzahl von Kanälen (30, 32, 38) ausgebildet ist, die im Wesentlichen parallel zueinander und zur Höhenrichtung (Z) des Blocks verlaufen, und
jeder der Kanäle (30, 32, 38) in einer Zelle (28) derart vorgesehen ist, dass zwischen den Kanälen (30, 32) in benachbarten Zellen (28) eine Innenwand (34) vorhanden ist.
2. Formkörper nach Anspruch 1 , bei welchem
die Kanäle (32) jeweils eine Querschnittsform parallel zur Grundfläche (X-Y) des Blocks (27) in Form eines Kreises haben,
3. Formkörper nach Anspruch 1 , bei welchem
die Kanäle (30) jeweils eine Querschnittsform parallel zur Grundfläche (X-Y) des Blocks (27) in Form eines regelmäßigen Vielecks haben.
4. Formkörper nach Anspruch 3, bei welchem
die Kanäle (30) jeweils eine Querschnittsform parallel zur Grundfläche (X-Y) des Blocks (27) in Form eines dem regelmäßigen Vieleck der Zellen (28) entsprechenden Vielecks haben, sodass eine Wandstärke der Innenwände (34) zwischen benachbarten Kanälen (30) im Wesentlichen konstant ist.
5. Formkörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem
ein hydraulischer Durchmesser (Dh) eines Kanals (30, 32, 38) wenigstens etwa 2,30 mm oder höchstens etwa 5,00 mm beträgt, und bevorzugt ausgewählt ist aus den Werten 2,34 mm, 2,61 mm, 2,81 mm, 2,90 mm, 4,85 mm und 4,87 mm.
Formkörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem eine minimale Wandstärke (t) der Innenwand (34) zwischen benachbarten Kanälen (30, 32, 38) wenigstens etwa 0,20 mm oder höchstens etwa 1 ,00 mm beträgt, und bevorzugt ausgewählt ist in einem Wertebereich zwischen 0,25 mm und 0,89 mm.
Formkörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem
ein Quotient (Dh/t) aus einem hydraulischen Durchmesser (Dh) eines Kanals (30, 32, 38) zu einer minimalen Wandstärke (t) der Innenwand (34) zwischen benachbarten Kanälen (30, 32) höchstens etwa 6,0, bevorzugt höchstens etwa 5,5 beträgt.
Formkörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem
eine hydraulische Strömungsquerschnittsfläche (Ah) eines Kanals (30, 32, 38) wenigstens etwa 50% oder höchstens etwa 65% in Bezug auf eine Querschnittsfläche der Zelle (28) beträgt.
Formkörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem
eine offene Querschnittsfläche (Ao) eines Kanals (30, 32, 38) wenigstens etwa 50% oder höchstens etwa 75% in Bezug auf eine Querschnittsfläche der Zelle (28) beträgt.
Formkörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem
eine Nußelt-Zahl (Nu) eines Kanals (30, 32, 38) wenigstens etwa 3,5, bevorzugt wenigstens etwa 4,0, oder höchstens etwa 4,5 beträgt.
Formkörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem
die die Kanäle (30, 32, 38) begrenzenden Wände (34, 36) mit einer Schutzschicht versehen sind.
12. Formkörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem
eine Strukturlänge der Querschnittsform des Kanals (30, 32, 38) auf etwa 3,5 bevorzugt auf etwa 3,0 mm begrenzt ist.
13. Formkörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem die Querschnittsform der Kanäle (38) wenigstens einen konkaven Abschnitt (38b) aufweist.
14. Wärmetauscher (14), aufweisend wenigstens ein Wärmebett (24), das wenigstens einen Formkörper (26) nach einem der Ansprüche 1 bis 13 aufweist.
15. Wärmetauscher nach Anspruch 14, bei welchem
das Wärmebett (24) mehrere Formkörper (26) aufweist, die parallel zur Grundfläche
(X-Y) der Formkörper nebeneinander, bevorzugt ohne Abstand zueinander, angeordnet sind.
16. Wärmetauscher nach Anspruch 14 oder 15, welcher
wenigstens zwei Wärmebetten (24) aufweist, die in der Höhenrichtung (Z) der
Formkörper (26) übereinander angeordnet sind.
17. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 14 bis 16, bei welchem
eine Höhe (h) des Wärmebetts (24) in der Höhenrichtung (Z) der Formkörper (26) wenigstens etwa 20 cm, bevorzugt wenigstens etwa 25 cm, oder höchstens etwa
50 cm, bevorzugt höchstens etwa 40 cm beträgt.
18. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 14 bis 17, bei welchem
eine Höhe (H) des Wärmetauschers (14) in der Höhenrichtung (Z) der Formkörper (26) wenigstens etwa 100 cm, bevorzugt wenigstens etwa 150 cm, oder höchstens etwa 300 cm, bevorzugt höchstens etwa 200 cm beträgt.
19. Thermoreaktor (10), insbesondere zur regenerativen thermischen Oxidation von brennbaren Stoffen in einem Abluft- oder Abgasstrom, aufweisend eine Brenn- kammer (12) und einen Regenerator (14), wobei der Regenerator (14) als ein
Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 14 bis 18 ausgestaltet ist.
20. Thermoreaktor (10), insbesondere zur regenerativen thermischen Oxidation von brennbaren Stoffen in einem Abluft- oder Abgasstrom, aufweisend eine Brennkammer (12) und einen Regenerator (14), wobei der Regenerator (14) einen oder mehrere Formkörper (26) nach einem der Ansprüche 1 bis 13 enthält, die ins- besondere zu einem Wärmebett (24) zusammengesetzt sind und von einer insbesondere im Wesentlichen gasförmigen Fluidströmung durchströmt werden, wobei die Fluidströmung eines oder mehrere der folgenden Merkmale aufweist:
mittlere Strömungsgeschwindigkeit zwischen 1 m/s und 6,5 m/s,
Viskosität zwischen 15 pPa-s und 40 pPa-s,
- Temperatur zwischen 400°C und 1 .100°C,
Stickstoffanteil größer als 60 Vol.-%.
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