AT521611B1 - Wirbelschichtreaktor mit Pufferspeichern - Google Patents

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Andreas Hämmerle Martin
Wünsch David
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Abstract

Wirbelschichtanlage (1) und Verfahren aufweisend: - einen Wirbelschichtkanal (5), - einen ersten Speicherbehälter (2) für eine Feststoffschüttung (4), - einen zweiten Speicherbehälter (3) für die Feststoffschüttung (4), wobei der zweite Speicherbehälter (3) über den Wirbelschichtkanal (5) mit dem ersten Speicherbehälter (2) verbunden ist, - eine Fluidisierungseinrichtung, insbesondere ein vom ersten Speicherbehälter (2) über den Wirbelschichtkanal (5) bis zu dem zweiten Speicherbehälter (3) erstreckter Düsenboden (6), zum Einleiten eines Fluidisierungsgases in den Wirbelschichtkanal (5), in den ersten Speicherbehälter (2) und in den zweiten Speicherbehälter (3), - ein erstes Ventil (10) zum Einstellen eines ersten Druckes (p1) des Fluidisierungsgases in dem ersten Speicherbehälter (2), - ein zweites Ventil (11) zum Einstellen eines zweiten Druckes (p2) des Fluidisierungsgases in dem zweiten Speicherbehälter (3), so dass durch Einstellen einer Druckdifferenz zwischen dem ersten Druck (p1) in dem ersten Speicherbehälter (2) und dem zweiten Druck (p2) in dem zweiten Speicherbehälter (3) die Feststoffschüttung (4) im fluidisierten Zustand von dem ersten Speicherbehälter (2) über den Wirbelschichtkanal (5) zu dem zweiten Speicherbehälter (3) förderbar ist.

Description

[0001] Die Erfindung betrifft eine Wirbelschichtanlage aufweisend:
- einen Wirbelschichtkanal,
- einen ersten Speicherbehälter für eine Feststoffschüttung,
- einen zweiten Speicherbehälter für die Feststoffschüttung, wobei der zweite Speicherbehälter über den Wirbelschichtkanal mit dem ersten Speicherbehälter verbunden ist.
[0002] Die Erfindung betrifft weiters ein Verfahren zum Fördern einer Feststoffschüttung von einem ersten Speicherbehälter über einen Wirbelschichtkanal zu einem zweiten Speicherbehälter.
[0003] Im Stand der Technik werden Wirbelschichten seit langem für die Behandlung und Handhabung von Feststoffschüttungen verwendet. Als Wirbelschicht wird eine Schüttung von Feststoffpartikeln bezeichnet, welche durch eine aufwärtsgerichtete Strömung eines Fluidisierungsgases in einen fluidisierten Zustand versetzt wird. Bei solchen Wirbelschichtmodulen ist ein Düsenboden vorgesehen, durch den das Fluidisierungsgas aus einer darunterliegenden Windbox in den Reaktorraum eingeleitet wird, um dort durch Aufwirbelung der Feststoffschüttung die Wirbelschicht zu erzeugen (vgl. die AT 515 810 A1).
[0004] Beispielsweise können hiermit Wirbelschichtwärmetauscher realisiert werden, bei denen Wärmetauscherelemente in die Wirbelschicht eingetaucht werden, um den fluidisierten Feststoff durch Wärmeaustausch mit dem Arbeitsmedium innerhalb der Wärmetauscherelemente aufzuheizen oder abzukühlen.
[0005] Aus der AT 515 683 A1 ist es zudem bekannt, eine horizontal strömende stationäre Wirbelschicht aus Schüttgut vorzusehen, bei welcher oberhalb der Wirbelschicht eine den aufsteigenden Fluidisierungsgasstrom begrenzende Deckplatte vorgesehen ist. In der Deckplatte ist zumindest eine Düse angeordnet, mit welcher ein Rückstau des Fluidisierungsgasstroms erzeugt werden kann.
[0006] Dadurch kann oberhalb der Wirbelschicht ein Luftkissen ausgebildet werden, welches den Pegelstand der Wirbelschicht in diesem Bereich herabdrückt. Auf diese Weise können allzu große Pegelstandsunterschiede verringert werden.
[0007] Die WO 2018/085872 A1 beschreibt ein Verfahren und einen Wärmespeicher zur Speicherung von Wärmeenergie, wobei eine Schüttung mit Mikrokapseln mit einem Phasenwechselmaterial in einem ersten Speicherbehälter angeordnet, von dem ersten Speicherbehälter in ein Wirbelschichtmodul transportiert und in dem Wirbelschichtmodul fluidisiert wird. Dabei findet ein Wärmeaustausch zwischen der Schüttung im fluidisierten Zustand und einer ersten Fluidströmung innerhalb eines ersten Wärmetauscherelementes statt. Anschließend wird die Schüttung von dem Wirbelschichtmodul in den zweiten Speicherbehälter transportiert.
[0008] Die US 2016/272864 A1 zeigt ein Verfahren zur Herstellung von Pellets aus Phasenwechselmaterial. Das Verfahren beinhaltet das Bereitstellen einer Schmelzzusammensetzung und dessen Formen und Weiterverarbeiten zu PCM-Pellets.
[0009] Die US 2017/159503 A1 offenbart ein System und ein Verfahren zum Wärmeaustausch zwischen einem Fluid und Wärmespeicherteilchen.
[0010] Das Austauschsystem umfasst eine Austauschzone, in der das Fluid und die Wärmespeicherpartikel in einem Wirbelbett als Gegenstrom und Querstrom strömen.
[0011] Nachteilig am Stand der Technik ist die Förderung des Schüttgutes von den Speicherbehältern in den Wirbelschichtkanal. Zu diesem Zweck wurde bisher einerseits eine pneumatische Förderung vorgesehen, welche jedoch nachteiligerweise sehr hohe Gasgeschwindigkeiten und damit einen hohen Hilfsenergiebedarf mit sich bringt. Über die Transport-(Ab)-luft entstehen beim Transport heißer Partikel hohe thermische Verluste. Nachteilig ist zudem, dass die erfor1/23
AT 521 611 B1 2020-03-15 österreichisches patentamt derliche Feststoff-Gas-Trennung, beispielsweise mit Hilfe eines Zyklons, aufwändig ist und vielfach nicht vollständig gelingt. Andererseits kamen mechanische Partikelförderer zum Einsatz. Diese haben einerseits hohe Investitionskosten und erhöhen andrerseits das Ausfallsrisiko der Anlagen.
[0012] Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, zumindest einzelne Nachteile des Standes der Technik zu lindern bzw. zu eliminieren. Die Erfindung setzt sich daher insbesondere zum Ziel, eine Wirbelschichtanlage und ein Verfahren der eingangs angeführten Art zu schaffen, mit welcher die Förderung des Schüttgutes in den Wirbelschichtkanal verbessert wird.
[0013] Diese Aufgabe wird durch eine Wirbelschichtanlage mit den Merkmalen von Anspruch 1 und ein Verfahren mit den Merkmalen von Anspruch 19 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
[0014] Die erfindungsgemäße Wirbelschichtanlage ist gekennzeichnet durch
- eine Fluidisierungseinrichtung, insbesondere ein vom ersten Speicherbehälter über den Wirbelschichtkanal bis zu dem zweiten Speicherbehälter erstreckter Düsenboden, zum Einleiten eines Fluidisierungsgases in den Wirbelschichtkanal, in den ersten Speicherbehälter und in den zweiten Speicherbehälter,
- ein erstes Ventil zum Einstellen eines ersten Druckes des Fluidisierungsgases in dem ersten Speicherbehälter,
- ein zweites Ventil zum Einstellen eines zweiten Druckes des Fluidisierungsgases in dem zweiten Speicherbehälter, so dass durch Einstellen einer Druckdifferenz zwischen dem ersten Druck in dem ersten Speicherbehälter und dem zweiten Druck in dem zweiten Speicherbehälter die Feststoffschüttung im fluidisierten Zustand von dem ersten Speicherbehälter über den Wirbelschichtkanal zu dem zweiten Speicherbehälter förderbar ist.
[0015] Vorteilhafterweise kann daher eine vorzugsweise zumindest abschnittsweise im Wesentlichen horizontale Strömung des Schüttgutes im fluidisierten Zustand von dem ersten Speicherbehälter entlang des Wirbelschichtkanals in den zweiten Speicherbehälter (oder in entgegengesetzte Richtung) erzeugt werden. Mit Hilfe des ersten Ventils kann der erste Druck des Fluidisierungsgases in dem ersten Fluidisierungsgasraum auf einen vom Atmosphärendruck verschiedenen Wert eingestellt werden. Entsprechend kann mit Hilfe des zweiten Ventils der zweite Druck des Fluidisierungsgases in dem zweiten Fluidisierungsgasraum auf einen vom Atmosphärendruck verschiedenen Wert eingestellt werden. Durch Einstellen eines passenden Druckgradienten zwischen dem ersten und zweiten Fluidisierungsgasraumes mittels des ersten und zweiten Ventiles kann das Schüttgut im fluidisierten Zustand von dem ersten Speicherbehälter über den Wirbelschichtkanal zu dem zweiten Speicherbehälter gefördert werden. Als erstes und/oder zweites Ventil kommen insbesondere im Stand der Technik an sich bekannte Druckregelventile zum Einsatz. Vorteilhafterweise kann daher der Partikelaustausch zwischen dem ersten Speicherbehälter und dem zweiten Speicherbehälter ohne eigene pneumatische oder mechanische Partikelförderer bewerkstelligt werden. Dadurch kann eine besonders energieeffiziente Wirbelschichtanlage geschaffen werden, welche sich durch geringen Verschleiß und niedrigen Wartungsaufwand auszeichnet. In einer bevorzugten Anwendung dient die Wirbelschichtanlage als Wirbelschichtwärmetauscher (bzw. Wirbelschichtregenerator). Vorteilhaft ist hierbei, dass die Kapazität des Wirbelschichtregenerators erhöht bzw. dessen Leistung und Kapazität entkoppelt werden kann. Die Leistung wird durch die Wärmetauscherfläche bestimmt, während die Kapazität durch die Größe der Speicherbehälter bestimmt ist. Für eine gegebene Leistung kann daher die Speicher-Kapazität bzw. die Zyklus-Dauer flexibel angepasst werden. Aber auch bei anderen Anwendungen der Wirbelschichtanlage, beispielsweise zur Behandlung von partikelförmigen Feststoffen, bietet die erfindungsgemäße Ausführung wesentliche Vorteile. Insbesondere kann ein im Wesentlichen kontinuierlicher Prozess anstelle eines Chargen- bzw. Batchprozesses erzielt werden.
[0016] Der erste Speicherbehälter weist bevorzugt eine erste Decke auf, an der das erste Ventil angeschlossen ist. Der zweite Speicherbehälter weist bevorzugt eine zweite Decke auf, an der
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AT 521 611 B1 2020-03-15 österreichisches patentamt das zweite Ventil angeschlossen ist.
[0017] Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist der erste Speicherbehälter einen ersten Trichterabschnitt auf, der über eine erste Durchtrittsöffnung an der Unterseite des ersten Trichterabschnitts mit dem Wirbelschichtkanal verbunden ist und/oder der zweite Speicherbehälter weist einen zweiten Trichterabschnitt auf, der über eine zweite Durchtrittsöffnung an der Unterseite des zweiten Trichterabschnitts mit dem Wirbelschichtkanal verbunden ist. Besonders bevorzugt ist der erste Trichterabschnitt an einem unteren Ende des ersten Speicherbehälters angeordnet und/oder der zweite Trichterabschnitt an einem unteren Ende des zweiten Speicherbehälters angeordnet. Vorteilhafterweise kann dadurch der erste und/oder zweite Speicherbehälter vollständig oder zumindest zu einem Großteil entleert werden, da aufgrund der Trichterform nach dem Entleeren keine oder nur eine geringe Menge an Feststoffschüttung am unteren Ende des ersten und/oder zweiten Speicherbehälters zurück bleibt.
[0018] Vorteilhafterweise ergibt sich durch die erste und/oder zweite Durchtrittsöffnung an der Unterseite eine günstige Strömung des Fluidisierungsgases vom ersten Speicherbehälter über den Wirbelschichtkanal zum zweiten Speicherbehälter. Um die Strömung des Fluidisierungsgases weiter zu verbessern, ist der Querschnitt der ersten und/oder zweiten Durchtrittsöffnung bevorzugt kreisförmig. Vorzugsweise ist die erste und/oder die zweite Durchtrittsöffnung im Verwendungszustand der Wirbelschichtanlage horizontal angeordnet.
[0019] Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist der erste Speicherbehälter einen ersten Zylinderabschnitt oberhalb des ersten Trichterabschnitts und/oder der zweite Speicherbehälter einen zweiten Zylinderabschnitt oberhalb des zweiten Trichterabschnitts auf. Vorteilhafterweise ist der Querschnitt des ersten und/oder des zweiten Trichterabschnitts kreisförmig, wodurch eine Oberkante des ersten Trichterabschnitts an einer Unterkante des ersten Zylinderabschnitts angrenzt und/oder eine Oberkante des zweiten Trichterabschnitts an einer Unterkante des zweiten Zylinderabschnitts angrenzt. Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist die Mittelachse des ersten Zylinderabschnitts mit der Mittelachse des ersten Trichterabschnitts und der Mittelachse der ersten kreisförmigen Durchtrittsöffnung deckungsgleich, wodurch der erste Zylinderabschnitt, der erste Trichterabschnitt und die erste Durchtrittsöffnung axialsymmetrisch angeordnet sind. Die Mittelachse des zweiten Zylinderabschnitts kann entsprechend mit der Mittelachse des zweiten Trichterabschnitts und der Mittelachse der zweiten kreisförmigen Durchtrittsöffnung deckungsgleich sein. Somit ergibt sich eine rotationssymmetrische Form des ersten und/oder des zweiten Speicherbehälters, die eine einfache Herstellung und ein hohes Verhältnis von Volumen zu Oberfläche des ersten und/oder zweiten Speicherbehälters ermöglicht.
[0020] Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist im Inneren des ersten Speicherbehälters ein erstes Ausgleichsrohr aufgenommen, wobei das erste Ausgleichsrohr nach unten, vorzugsweise zudem nach oben, offen ist. Alternativ oder zusätzlich ist im Inneren des zweiten Speicherbehälters ein zweites Ausgleichsrohr aufgenommen, wobei das zweite Ausgleichsrohr nach unten, vorzugsweise zudem nach oben, offen ist. Vorteilhafterweise ist die Fluidisierungseinrichtung, insbesondere in Form des Düsenbodens, dazu ausgebildet, die Feststoffschüttung in dem ersten Speicherbehälter in dem vom ersten Ausgleichsrohr umschlossenen Innenbereich in einen stärker fluidisierten Zustand als in dem außerhalb des ersten Ausgleichsrohres liegenden Außenbereich zu bringen. Analog ist die Fluidisierungseinrichtung, insbesondere in Form des Düsenbodens, bevorzugt dazu ausgebildet, die Feststoffschüttung in dem zweiten Speicherbehälter in dem vom zweiten Ausgleichsrohr umschlossenen Innenbereich in einen stärker fluidisierten Zustand als in dem außerhalb des zweiten Ausgleichsrohres liegenden Außenbereich zu bringen. Dadurch kann der erste bzw. zweite Speicherbehälter effizient entleert und es können Massenstromschwankungen des fluidisierten Schüttgutes stark reduziert werden.
[0021] Vorzugsweise ist das erste und/oder das zweite Ausgleichsrohr im Wesentlichen vertikal angeordnet, wobei bevorzugt das erste und/oder das zweite Ausgleichsrohr einen kreisförmigen Querschnitt aufweist. Insbesondere sind die Mittelachsen des ersten Ausgleichsrohres, des
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AT 521 611 B1 2020-03-15 österreichisches patentamt ersten Zylinderabschnitts und der ersten Durchtrittsöffnung deckungsgleich. Entsprechend können die Mittelachsen des zweiten Ausgleichsrohres, des zweiten Zylinderabschnitts und der zweiten Durchtrittsöffnung deckungsgleich sein.
[0022] Vorteilhafterweise wird bei dieser Ausführungsform das Schüttgut im Innenbereich des ersten bzw. zweiten Ausgleichsrohres auf günstige Weise fluidisiert. Bevorzugt weist das erste bzw. zweite Ausgleichsrohr einen kleineren Durchmesser als der erste bzw. zweite Zylinderabschnitt auf. Das Verhältnis zwischen den Innendurchmessern des ersten bzw. zweiten Ausgleichsrohrs und des ersten bzw. zweiten Zylinderabschnitts beträgt vorzugsweise zwischen 1:5 und 1:500, insbesondere zwischen 1:20 und 1:200. Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform erstreckt sich das erste Ausgleichsrohr nach unten vom ersten Zylinderabschnitt in den ersten Trichterabschnitt und/oder das zweite Ausgleichsrohr nach unten vom zweiten Zylinderabschnitt in den zweiten Trichterabschnitt. Dadurch kann das Schüttgut im Innenbereich des ersten bzw. zweiten Ausgleichsrohres mithilfe des Düsenbodens fluidisiert und aus dem ersten bzw. zweiten Speicherbehälter in den Wirbelschichtkanal transportiert werden, ohne dass Schüttgut unkontrolliert in großen Mengen aus dem Außenbereich des ersten bzw. zweiten Ausgleichsrohres in den ersten bzw. zweiten Trichterbereich und weiter in die erste bzw. zweite Durchtrittsöffnung gelangt. Vorzugsweise erstreckt sich das erste bzw. zweite Ausgleichsrohr über zumindest 25 % der Höhe des ersten bzw. zweiten Zylinderabschnitts, vorzugsweise im Wesentlichen über die gesamte Höhe des ersten bzw. zweiten Zylinderabschnitts, um bei großen Schüttguthöhen im ersten bzw. zweiten Speicherbehälter eine kontrollierte Fluidisierung des Schüttguts im ersten Bereich des ersten bzw. zweiten Ausgleichsrohres zu ermöglichen.
[0023] Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist das erste Ausgleichsrohr am Mantel zumindest eine erste Ausgleichsöffnung zum Durchtritt des Feststoffs von dem Außenbereich außerhalb des ersten Ausgleichsrohrs in den Innenbereich innerhalb des ersten Ausgleichsrohrs auf. Alternativ oder zusätzlich weist das zweite Ausgleichsrohr am Mantel bevorzugt zumindest eine zweite Ausgleichsöffnung zum Durchtritt des Feststoffs von dem Außenbereich außerhalb des zweiten Ausgleichsrohrs in den Innenbereich innerhalb des zweiten Ausgleichsrohrs auf. Vorteilhafterweise kann über die erste bzw. zweite Ausgleichsöffnung Schüttgut kontrolliert aus dem Außenbereich in den Innenbereich des ersten bzw. zweiten Ausgleichsrohres rutschen, um fluidisiert und aus dem ersten bzw. zweiten Speicherbehälter ausgetragen zu werden. Umgekehrt kann beim Füllen des ersten bzw. zweiten Speicherbehälters mit fluidisiertem Schüttgut das Schüttgut vom Innenbereich des ersten bzw. zweiten Ausgleichsrohres durch die erste bzw. zweite Ausgleichsöffnung in den zweiten Bereich des ersten bzw. zweiten Ausgleichsrohres durchtreten.
[0024] Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform sind die erste Ausgleichsöffnung des ersten Ausgleichsrohrs im ersten Speicherbehälter und die zweite Ausgleichsöffnung des zweiten Ausgleichsrohrs im zweiten Speicherbehälter einander zugewandt.
[0025] Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist als erste und/oder zweite Ausgleichsöffnung ein Schlitz, bevorzugt ein vertikaler Schlitz, vorgesehen.
[0026] Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform erstreckt sich die erste Ausgleichsöffnung über mehr als die halbe Länge, vorzugsweise über im Wesentlichen die gesamte Länge, des ersten Ausgleichsrohres. Alternativ oder zusätzlich erstreckt sich die zweite Ausgleichsöffnung über mehr als die halbe Länge, vorzugsweise über im Wesentlichen die gesamte Länge, des zweiten Ausgleichsrohres.
[0027] Gemäß einer alternativen Ausführungsform sind eine Mehrzahl von in vertikaler Richtung beabstandeten ersten Ausgleichsöffnungen, vorzugsweise Schlitze, insbesondere horizontale Schlitze, und/oder eine Mehrzahl von in vertikaler Richtung beabstandeten zweiten Ausgleichsöffnungen, vorzugsweise Schlitze, insbesondere horizontale Schlitze, vorgesehen. Bevorzugt erstrecken sich ein oder mehrere horizontale Schlitze nur über einen Teil des Umfangs, vorzugsweise über im Wesentlichen ein Drittel des Umfanges.
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AT 521 611 B1 2020-03-15 österreichisches patentamt [0028] Es ist günstig, wenn die Querschnittsfläche der ersten Durchtrittsöffnung im Wesentlichen gleich groß wie die Querschnittsfläche des ersten Ausgleichsrohres ist und/oder wenn die
Querschnittsfläche des zweiten Durchtrittsöffnung des zweiten Speicherbehälters im Wesentlichen gleich groß wie die Querschnittsfläche des zweiten Ausgleichsrohres ist, um die Fluidisierung im Innenbereich des ersten bzw. zweiten Ausgleichsrohres zu optimieren.
[0029] Zur Ausbildung einer vorzugsweise im Wesentlichen horizontalen Strömung der Feststoffschüttung im fluidisierten Zustand von dem ersten Speicherbehälter über den Wirbelschichtkanal zu dem zweiten Speicherbehälter (oder umgekehrt) ist es günstig, wenn mindestens ein drittes Ventil zum Einstellen eines dritten Druckes in dem Wirbelschichtkanal vorgesehen ist. Im Betriebszustand wird in dem Wirbelschichtkanal oberhalb der Feststoffschüttung im fluidisierten Zustand ein dritter Fluidisierungsgasraum ausgebildet. Mit Hilfe des dritten Ventils kann der dritte Druck des Fluidisierungsgases in dem dritten Fluidisierungsgasraum auf einen vom Atmosphärendruck verschiedenen Wert eingestellt werden.
[0030] Dadurch kann ein Druckgradient entlang der Strecke vom ersten Speicherbehälter über den Wirbelschichtkanal zu dem zweiten Speicherbehälter besonders präzise ausgebildet werden. Selbstverständlich können mehrere Ventile zum Einstellen mehrerer stufenweise steigender bzw. sinkender Drücke entlang des Wirbelschichtbehälters vorgesehen sein.
[0031] Der Wirbelschichtkanal weist bevorzugt eine dritte Decke auf, an die das dritte Ventil angeschlossen ist.
[0032] Die Strömung der Feststoffschüttung zwischen dem ersten Speicherbehälter und dem zweiten Speicherbehälter kann noch präziser eingestellt werden, wenn der Wirbelschichtkanal zumindest einen ersten Längsabschnitt und einen davon durch ein Unterlaufwehr getrennten zweiten Längsabschnitt aufweist, wobei ein viertes Ventil zum Einstellen eines vierten Druckes in dem Wirbelschichtkanal vorgesehen ist, wobei dem ersten Längsabschnitt das dritte Ventil und dem zweiten Längsabschnitt das vierte Ventil zugeordnet ist. Das Unterlaufwehr wird von der Feststoffschüttung im fluidisierten Zustand unterströmt. Als Unterlaufwehr kann beispielsweise eine Widerstandsplatte, insbesondere ein Widerstandsblech, vorgesehen sein. Bei dieser Ausführungsvariante können Niveauunterschiede der Feststoffschüttung beim Transport durch den Wirbelschichtkanal reduziert werden.
[0033] Gemäß einer bevorzugten Ausführung ist ein erstes Aufnahmevolumen des ersten Speicherbehälters und/oder ein zweites Aufnahmevolumen des zweiten Speicherbehälters um ein Mehrfaches, insbesondere um ein Vielfaches, größer als ein drittes Aufnahmevolumen des Wirbelschichtkanals, der sich in Strömungsrichtung gesehen zwischen dem ersten Speicherbehälter und dem zweiten Speicherbehälter befindet. Vorteilhafterweise kann daher das Schüttgut im fluidisierten Zustand von dem vergleichsweise großvolumigen ersten Speicherbehälter in den Wirbelschichtkanal gefördert und von dort in den zweiten Speicherbehälter weitergeleitet werden.
[0034] Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführung ist ein weiterer Wirbelschichtkanal getrennt von dem Wirbelschichtkanal auf der einen Seite mit dem ersten Speicherbehälter und auf der anderen Seite mit dem zweiten Speicherbehälter verbunden. Bei dieser Ausführung sind der erste und der zweite Speicherbehälter über zwei Wirbelschichtkanäle miteinander verbunden, welche vorzugsweise vollständig voneinander getrennt sind. Vorteilhaft ist diese Ausführung beispielsweise dann, wenn der Wirbelschichtkanal und der weitere Wirbelschichtkanal für unterschiedliche Anwendungen ausgelegt werden sollen, bei denen jeweils derselbe erste und zweite Speicherbehälter zum Einsatz kommen soll.
[0035] Bei einer bevorzugten Anwendung der Wirbelschichtanlage ist ein in den Wirbelschichtkanal ragender Wärmetauscher und/oder ein Heizelement, insbesondere eine Heizelektrode, vorgesehen. Durch die Anordnung des Wärmetauschers kann die zuvor beschriebene Wirbelschichtanlage als Wirbelschichtwärmetauscher verwendet werden. Weiters kann das Heizelement zur Aufheizung der Feststoffschüttung vorgesehen sein, um insbesondere eine Zwischenspeicherung elektrischer Energie zu ermöglichen. In einerweiteren bevorzugten Ausführung ist
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AT 521 611 B1 2020-03-15 österreichisches patentamt der Wärmetauscher mit einem Stirling-Motor verbunden, so dass die Feststoffschüttung als
Wärmequelle für den Stirling-Motor verwendet werden kann.
[0036] Ein Stirling-Motor weist einen im Stand der Technik hinlänglich bekannten Aufbau auf, bei dem ein Arbeitsmedium einen geschlossenen Kreisprozess durchläuft. Im Stirling-Motor wird das hermetisch abgeschlossene Arbeitsmedium (meistens ein Gas wie Helium) durch von außen zugeführte Energie in einem abgeschlossenem Raum (erster Zylinder) erhitzt und in einem anderen abgeschlossenem Raum (zweiter Zylinder) gekühlt. Die Energiewärmezufuhr für die Energieumwandlung von innerer oder thermischer Energie in mechanische Energie (d.h. Wellenarbeit) funktioniert indirekt über einen Heißgas-Wärmetauscher, welcher bei dieser Ausführungsvariante in den Wirbelschichtkanal eingetaucht ist. Im Unterschied dazu wird beispielsweise bei einem Otto- oder Dieselmotor der Brennstoff zusammen mit dem Sauerstoffträger direkt in den Hubraum eingebracht, der Brennstoff oxidiert und das Abgas wieder herausgeführt. Anders als die genannten Verbrennungskraftmaschinen ist der Stirling-Motor eine Wärmekraftmaschine. Der indirekte Wärmetausch bringt den Vorteil, dass das Wärmeträgermedium oder die Wärmequelle nicht direkt mit mechanisch sensiblen (beweglichen) Komponenten in Kontakt kommt, was das Korrosionsrisiko stark verringert.
[0037] Bei dieser Ausführung kann in der Feststoffschüttung gespeicherte Wärmeenergie über den Wärmetauscher in mechanische Energie des Stirling-Motors umgewandelt werden, welcher mit einem Generator verbunden sein kann. Diese Ausführung eignet sich besonders für ein „Power to Heat to Power-Konzept, bei dem zunächst Wärme unter Einsatz von Strom erzeugt und die gespeicherte Wärme bei Bedarf in Strom umgewandelt wird. Dadurch wird eine vorteilhafte Möglichkeit geschaffen, Strom aus erneuerbaren Energien in Zeiten von Überschüssen in der Feststoffschüttung zu speichern und bei Bedarf in das Stromnetz einzuspeisen.
[0038] In einer bevorzugten Ausführung ist ein Heizelement, insbesondere eine Heizelektrode, in dem Wirbelschichtkanal vorgesehen, mit welcher die Feststoffschüttung bei deren Transport durch den Wirbelschichtkanal aufgeheizt werden kann.
[0039] In einer weiteren bevorzugten Ausführung ist eine Zufuhreinrichtung zur Zufuhr von Heißgas in den Wirbelschichtkanal oberhalb des Düsenbodens vorgesehen. Durch die Zufuhr des Heißgases können die Partikel der Feststoffschüttung aufgeheizt werden. Bei dieser Ausführung ist das Heißgas als Wärmequelle für den Wärmetauscher des Stirling-Motors ausgebildet, wobei die Wirbelschicht in dem Wirbelschichtkanal den Wärmeübergang von dem Heißgas auf das Arbeitsmedium des Wärmetauschers ermöglicht. Die fluidisierte Feststoffschüttung wirkt hierbei als dynamische Rippe zur Optimierung des Wärmeaustauschs. Durch die Zufuhr des Heißgases oberhalb des Düsenbodens kann der Düsenboden geschont werden. Bei dieser Ausführung wird lediglich das saubere, eventuell vorgewärmte Fluidisierungsgas über den Düsenboden eingebracht, um die Feststoffschüttung in den fluidisierten Zustand zu versetzen. Demgegenüber wird das Heißgas direkt, d.h. unter Umgehung des Düsenbodens, in die Feststoffschüttung eingebracht, so dass das Heißgas gegebenenfalls (leicht) korrosiv bzw. (leicht) verunreinigt sein kann.
[0040] Um den Wärmetauscher für den Stirling-Motor vor schädlichen Einflüssen des Heißgases zu schützen, ist der Wärmetauscher in einer bevorzugten Ausführungsform in einem ersten Bereich und die Zufuhreinrichtung für das Heißgas in einem zweiten Bereich des Wirbelschichtkanals angeordnet, wobei ein insbesondere plattenförmiges Führungselement den ersten Bereich von dem zweiten Bereich abgrenzt. Vorteilhafterweise kann so zuverlässig erreicht werden, dass das Heißgas nicht bzw. nur in geringen Anteilen direkt auf den empfindlichen Wärmetauscher für den Stirling-Motor trifft. Das plattenförmige Führungselement ist so in dem Wirbelschichtkanal angeordnet, dass eine Durchgangsöffnung zwischen dem ersten Bereich mit dem Wärmetauscher und dem zweiten Bereich mit der Zufuhreinrichtung freigegeben ist. Durch die Einbringung des Heißgases wird in dem zweiten Bereich ein höherer Fluidisierungsgrad als in dem ersten Bereich vorgesehen. Dadurch wird eine Zirkulationsströmung zwischen dem zweiten Bereich und dem ersten Bereich ausgebildet. Somit kann ein effektiver Wärmeübergang von dem Heißgas über die Partikel der Wirbelschicht auf den Wärmetauscher für den Stirling-Motor
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[0041] Um die gewünschte Schutzwirkung für den Wärmetauscher zu erzielen, ist das Führungselementvorzugsweise im Wesentlichen senkrecht zu dem Düsenboden angeordnet.
[0042] Die Durchgangsöffnung zwischen dem zweiten Bereich mit der Zufuhreinrichtung für das Heißgas und dem ersten Bereich mit dem Wärmetauscher für den Stirling-Motor ist bevorzugt zwischen einer Unterkante des Führungselements und dem Düsenboden und/oder oberhalb einer Oberkante des Führungselements ausgebildet.
[0043] Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform besteht die Feststoffschüttung aus mikroverkapselten Latentspeicher-Partikeln.
[0044] Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Fördern einer Feststoffschüttung von einem ersten Speicherbehälter über einen Wirbelschichtkanal zu einem zweiten Speicherbehälter werden zumindest die folgenden Schritte durchgeführt:
- Anordnen der Feststoffschüttung in dem ersten Speicherbehälter, in dem Wirbelschichtkanal und in dem zweiten Speicherbehälter,
- Fluidisieren der Feststoffschüttung in dem Wirbelschichtkanal,
- Fluidisieren zumindest eines Teils der Feststoffschüttung des ersten Speicherbehälters,
- Fluidisieren zumindest eines Teils der Feststoffschüttung des zweiten Speicherbehälters,
- Ausbilden einer Druckdifferenz zwischen dem ersten Speicherbehälter und dem zweiten Speicherbehälter, so dass die Feststoffschüttung im fluidisierten Zustand von dem ersten Speicherbehälter über den Wirbelschichtkanal zu dem zweiten Speicherbehälter gefördert wird.
[0045] Zur Fluidisierung der Feststoffschüttung ist bevorzugt ein Düsenboden vorgesehen, welcher sich über zumindest einen Teil der horizontalen Erstreckung des ersten Speicherbehälters, des Wirbelschichtkanals und des zweiten Speicherbehälters erstreckt.
[0046] Für die Zwecke dieser Offenbarung beziehen sich die Orts- und Richtungsangaben, wie „oben, „unten, „vertikal, „horizontal etc., auf den Betriebszustand der Wirbelschichtanlage.
[0047] Die Erfindung wird nachstehend anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen, auf die sie jedoch nicht beschränkt sein soll, weiter erläutert. Im Einzelnen zeigt:
[0048] Fig. 1 eine schematische Ansicht einer erfindungsgemäßen Wirbelschichtanlage mit einem ersten und einem zweiten Speicherbehälter für eine Feststoffschüttung und einem dazwischen angeordneten Wirbelschichtkanal, wobei die Feststoffschüttung im fluidisierten Zustand von dem ersten Speicherbehälter über den Wirbelschichtkanal zu dem zweiten Speicherbehälter gefördert wird;
[0049] Fig. 2 [0050] Fig. 3 [0051] Fig. 4 die Wirbelschichtanlage gemäß Fig. 1 in Draufsicht; eine weitere erfindungsgemäße Wirbelschichtanlage in Draufsicht; eine Ausführungsvariante des ersten Speicherbehälters mit einem ersten Ausgleichsrohr, welches mehrere Querschlitze aufweist;
[0052] Fig. 5 eine weitere Ausführungsvariante des ersten Speicherbehälters, bei welchem das erste Ausgleichsrohr einen im Wesentlichen über die gesamte Länge erstreckten Längsschlitz aufweist;
[0053] Fig. 6a bis 6d schematisch einen zeitlichen Verlauf einer Schüttgutverteilung in der Wirbelschichtanlage gemäß Fig. 1;
[0054] Fig. 7 [0055] Fig. 8 eine weitere Ausführungsform der Wirbelschichtanlage; die Wirbelschichtanlage gemäß Fig. 7 in Draufsicht;
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AT 521 611 B1 2020-03-15 österreichisches patentamt [0056] Fig. 9 [0057] Fig. 10 [0058] Fig. 11 die Wirbelschichtanlage gemäß Fig. 7, 8 im Querschnitt; eine weitere Ausführungsform der Wirbelschichtanlage; und eine weitere Ausführungsform der Wirbelschichtanlage.
[0059] Fig. 1 zeigt eine Wirbelschichtanlage 1 mit einem ersten Speicherbehälter 2 und einem zweiten Speicherbehälter 3, in denen jeweils partikelförmige Feststoffe einer Feststoffschüttung 4 aufgenommen sind. Als Feststoffe können beispielsweise Sandpartikel vorgesehen sein. Der zweite Speicherbehälter 3 ist über einen Wirbelschichtkanal 5 mit dem ersten Speicherbehälter 2 verbunden. In dem Wirbelschichtkanal 5 sind ebenfalls Feststoffe der Feststoffschüttung 4 angeordnet. Die Wirbelschichtanlage 1 weist an der Unterseite eine Fluidisierungseinrichtung mit einem Düsenboden 6 zum Einleiten eines Fluidisierungsgases auf. Der Düsenboden 6 erstreckt sich in horizontaler Richtung von unterhalb des ersten Speicherbehälters 2 über die Länge des Wirbelschichtkanals 5 bis zu dem zweiten Speicherbehälter 3.
[0060] Der Düsenboden 6 kann in herkömmlicher Art und Weise ausgebildet sein. Demnach kann der Düsenboden, wie in der AT 515 810 A1 beschrieben, eine Windbox und einen darüber angeordneten doppelbödigen Düsenboden aufweisen, der eine mit einer Vielzahl von Düsen versehene Grundplatte und eine darüberliegende Verteilerplatte umfasst, die dazwischen einen Gasraum definieren. Der doppelbödige Düsenboden kann ein kontinuierlicher Düsenboden mit einer porösen oder perforierten Verteilerplatte sein. Der Gasraum des Düsenbodens kann mittels einer Vielzahl von Wänden zwischen der Grundplatte und der Verteilerplatte in eine Vielzahl von Abteilen unterteilt sein.
[0061] Der erste Speicherbehälter 2 weist eine horizontale, kreisförmige erste Durchtrittsöffnung 43 auf. Entsprechend weist der zweite Speicherbehälter 3 eine horizontale, kreisförmige zweite Durchtrittsöffnung 44 auf. Der erste Speicherbehälter 2 weist einen ersten Trichterabschnitt 45 auf, der an einem unteren Ende des ersten Speicherbehälters 2 über der ersten Durchtrittsöffnung 43 angeordnet ist. Der zweite Speicherbehälter 3 weist einen zweiten Trichterabschnitt 46 auf, der an einem unteren Ende des zweiten Speicherbehälters 3 über der zweiten Durchtrittsöffnung 44 angeordnet ist. Oberhalb des ersten 45 bzw. zweiten 46 Trichterabschnitts weisen der erste 2 bzw. zweite 3 Speicherbehälter einen ersten 47 bzw. zweiten 48 Zylinderabschnitt auf, wobei der erste 45 bzw. zweite 46 Trichterabschnitt an einer Unterkante des ersten 47 bzw. zweiten 48 Zylinderabschnitts angrenzt. Im Inneren des ersten Speicherbehälters 2 ist ein erstes Ausgleichsrohr 41 aufgenommen, wobei das erste Ausgleichsrohr 41 nach unten und nach oben offen ist. Zudem ist im Inneren des zweiten Speicherbehälters 3 ein zweites Ausgleichsrohr 49 aufgenommen, wobei das zweite Ausgleichsrohr 49 nach unten und nach oben offen ist. Das erste Ausgleichsrohr 41 weist am Mantel zumindest eine Ausgleichsöffnung 42 auf. In der Ausführungsvariante gemäß Fig. 1 sind eine Mehrzahl von in vertikaler Richtung beabstandeten ersten Ausgleichsöffnungen 42 vorgesehen, welche in der Ausführungsform gemäß Fig. 1 als horizontale Schlitze ausgebildet sind. Analog weist das zweite Ausgleichsrohr 49 am Mantel eine Mehrzahl von in vertikaler Richtung beabstandeten zweiter Ausgleichsöffnungen 50 auf, die in der Ausführungsform gemäß Fig. 1 als horizontale Schlitze ausgebildet sind, die sich über im Wesentlichen ein Drittel des Umfanges des zweiten Ausgleichsrohres 49 erstrecken. Das Verhältnis zwischen den Durchmessern des ersten 41 bzw. zweiten 49 Ausgleichsrohrs und des ersten 47 bzw. zweiten 48 Zylinderabschnitts beträgt in der gezeigten Ausführung im Wesentlichen 1:5. Das erste 41 bzw. zweite 49 Ausgleichsrohr erstreckt sich nach unten vom ersten 47 bzw. zweiten 48 Zylinderabschnitt in den ersten 45 bzw. zweiten 46 Trichterabschnitt und über die gesamte Höhe des ersten 47 bzw. zweiten 48 Zylinderabschnitts, um bei großen Schüttguthöhen im ersten 2 bzw. zweiten 3 Speicherbehälter eine kontrollierte Fluidisierung des Schüttguts im Innenbereich des ersten 41 bzw. zweiten 49 Ausgleichsrohres zu ermöglichen. Die Mittelachsen des ersten Zylinderabschnitts 47, des ersten Trichterabschnitts 45, des ersten Ausgleichsrohres 41 und die Mittelachse der ersten kreisförmigen Durchtrittsöffnung 43 sind deckungsgleich, wodurch der erste Zylinderabschnitt 47, der erste Trichterabschnitt 45, das erste Ausgleichsrohr 41 und die erste Durchtrittsöffnung 43 axialsymmetrisch angeordnet sind. Analog sind die Mittelachsen des zweiten Zylinderabschnitts
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48, des zweiten Trichterabschnitts 46, des zweiten Ausgleichsrohres 49 und die Mittelachse der zweiten kreisförmigen Durchtrittsöffnung 44 deckungsgleich.
[0062] Der erste Speicherbehälter 2 weist eine erste Decke 7, der zweite Speicherbehälter 3 eine zweite Decke 8 und der Wirbelschichtkanal 5 eine dritte Decke 9 auf. An der ersten Decke 7 des ersten Speicherbehälters 2 ist ein erstes Ventil 10 zum Einstellen eines ersten Gasdruckes p1 in einem ersten Fluidisierungsgasraum 2a in dem ersten Speicherbehälter 2 vorgesehen. An der zweiten Decke 8 des zweiten Speicherbehälters 3 ist ein zweites Ventil 11 zum Einstellen eines zweiten Gasdruckes p2 in einem zweiten Fluidisierungsgasraum 3a in dem zweiten Speicherbehälter 3 vorgesehen. Der Wirbelschichtkanal 5 weist in der gezeigten Ausführung einen ersten Längsabschnitt 12 und einen zweiten Längsabschnitt 13 auf, welche durch ein Unterlaufwehr 14 voneinander getrennt sind. An der dritten Decke 9 ist ein drittes Ventil 15 zum Einstellen eines dritten Gasdruckes p3 in einem dritten Fluidisierungsgasraum 12a in dem ersten Längsabschnitt 12 des Wirbelschichtkanals 5 und ein viertes Ventil 16 zum Einstellen eines vierten Gasdruckes p4 in einem vierten Fluidisierungsgasraum 13a in dem zweiten Längsabschnitt 13 des Wirbelschichtkanals 5 vorgesehen. Das erste Ventil 10, das zweite Ventil 11, das dritte Ventil 15 und das vierte Ventil 16 können als herkömmliche Druckregelventile ausgebildet sein. Der Düsenboden 6 ist mit einer Fluidisierungsgaszufuhr 17 verbunden, welche in Fig. 1 lediglich symbolisch dargestellt ist. Das Fluidisierungsgas wird mittels der Fluidisierungsgaszufuhr 17 über den Düsenboden 6 in den ersten Speicherbehälter 2, in den Wirbelschichtkanal 5 und in den zweiten Speicherbehälter 3 eingebracht und verlässt den ersten Speicherbehälter 2 über das erste Ventil 10, den zweiten Speicherbehälter 3 über das zweite Ventil 11, den ersten Längsabschnitt 12 des Wirbelschichtkanals 5 über das dritte Ventil 15 und den zweiten Längsabschnitt 13 des Wirbelschichtkanals 5 über das vierte Ventil 16. In Fig. 1 ist schematisch eine Ableitung 18 eingezeichnet, über welche das Fluidisierungsgas abgeleitet wird.
[0063] Durch Einstellen eines Druckgradienten zwischen dem ersten Speicherbehälter 2 und dem zweiten Speicherbehälter 3 wird die Feststoffschüttung 4 im fluidisierten Zustand von dem ersten Speicherbehälter 2 entlang des Wirbelschichtkanals 5 in horizontaler Richtung (vgl. Pfeil 19) zu dem zweiten Speicherbehälter 3 gefördert. Der erste Druck p1 in dem ersten Speicherbehälter 2 ist hierbei höher als der dritte Druck p3 in dem ersten Längsabschnitt 12 des Wirbelschichtkanals 5, welcher höher als der vierte Druck p4 in dem zweiten Längsabschnitt 12 des Wirbelschichtkanals 5 ist, der wiederum höher als der zweite Druck p2 in dem zweiten Speicherbehälter 3 ist. Selbstverständlich kann ein solcher Druckgradient auch in entgegengesetzte Richtung (d.h. mit p1 < p3 < p4 < p2) aufgebaut werden, um die Transportrichtung umzukehren.
[0064] Innerhalb des ersten Ausgleichsrohres 41 befindet sich ein Innenbereich 51, in dem Schüttgut mithilfe eines ersten 6a Düsenbodenabschnitts des Düsenbodens 6 fluidisiert wird. Das Schüttgut, das sich außerhalb des ersten Ausgleichrohres 41 in einem Außenbereich 52 befindet, wird aufgrund der Abgrenzung mithilfe des ersten Ausgleichsrohres 41 weniger stark fluidisiert. Wird fluidisiertes Schüttgut aus dem Innenbereich 51 abtransportiert, wandert Schüttgut vom Außenbereich 52 über die ersten Ausgleichsöffnungen 42 in den Innenbereich 51 des ersten Ausgleichsrohres 41, um dort stärker fluidisiert und aus dem ersten Speicherbehälter 2 abtransportiert zu werden. Innerhalb des zweiten Ausgleichsrohres 49 befindet sich ein Innenbereich 53, in dem Schüttgut mithilfe eines dritten 6c Düsenbodenabschnitts des Düsenbodens 6 fluidisiert wird. Das Schüttgut, das sich außerhalb des zweiten Ausgleichrohres 49 in einem Außenbereich 54 befindet, wird aufgrund der Abgrenzung mithilfe des zweiten Ausgleichsrohres 49 weniger stark fluidisiert. Wird fluidisiertes Schüttgut aus dem Innenbereich 53 abtransportiert, wandert Schüttgut vom Außenbereich 54 über die ersten Ausgleichsöffnungen 50 in den Innenbereich 53 des zweiten Ausgleichsrohres 49, um dort stärker fluidisiert und aus dem zweiten Speicherbehälter 3 abtransportiert zu werden. Umgekehrt wird beim Befüllen des ersten Speicherbehälters 2 mit Schüttgut das Schüttgut über die erste Durchtrittsöffnung 43 in den Innenbereich 51 des ersten Ausgleichsrohres 41 im fluidisierten Zustand transportiert und gelangt über die ersten Ausgleichsöffnungen 42 in den Außenbereich 52 des ersten Ausgleichsrohres 41. Analog wird beim Befüllen des zweiten Speicherbehälters 3 das Schüttgut über die zweite
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Durchtrittsöffnung 44 in den Innenbereich 53 des zweiten Ausgleichsrohres 49 im fluidisierten
Zustand transportiert und gelangt über die zweiten Ausgleichsöffnungen 50 in den Außenbereich 54 des zweiten Ausgleichsrohres 49.
[0065] Zwischen dem ersten Speicherbehälter 2 und dem Wirbelschichtkanal 5 bzw. zwischen dem Wirbelschichtkanal 5 und dem zweiten Speicherbehälter 3 sind keine mechanischen oder pneumatischen Partikelförderer vorgesehen. In der gezeigten Anordnung sind zudem Lufteindüsungen 6g, 6h benachbart der ersten 43 bzw. zweiten 44 Durchtrittsöffnung zur Verbesserung des Fließverhaltens in dem ersten Speicherbehälter 2 bzw. im zweiten Speicherbehälter 3 vorgesehen. Der Wirbelschichtkanal 5 ist auf der einen Seite durch eine erste Trennwand 26 begrenzt, wobei der Feststoff unter der ersten Trennwand 26 in den Wirbelschichtkanal einströmen kann. Auf der anderen Seite ist der Wirbelschichtkanal durch eine zweite Trennwand 28 begrenzt, wobei der Feststoff unter der zweiten Trennwand 28 in den Wirbelschichtkanal einströmen kann.
[0066] Wie aus Fig. 1, 2 ersichtlich, ist ein erstes Aufnahmevolumen des ersten Speicherbehälters 2 und ein zweites Aufnahmevolumen des zweiten Speicherbehälters 3 jeweils um ein Mehrfaches, insbesondere um ein Vielfaches, größer als ein drittes Aufnahmevolumen des Wirbelschichtkanals 5 zwischen dem ersten Speicherbehälter 2 und dem zweiten Speicherbehälter 3. In der gezeigten Ausführung weist der Innenraum des Wirbelschichtkanals 5 sowohl eine geringere Höhe (vgl. Fig. 1) als auch eine geringere Breite (vgl. Fig. 2) als der erste Speicherbehälter 2 und als der zweite Speicherbehälter 3 auf. Bevorzugt sind der erste Speicherbehälter 2 und der zweite Speicherbehälter 3 ident ausgebildet.
[0067] Die Wirbelschichtanlage 1 weist einen (schematisch dargestellten) Wärmetauscher 32 auf, welcher in die Feststoffschüttung 4 im Wirbelschichtkanal 5 eingetaucht ist.
[0068] In der Ausführungsform der Fig. 3 ist ein weiterer Wirbelschichtkanal 31 zwischen dem ersten Speicherbehälter 2 und dem zweiten Speicherbehälter 3 vorgesehen. In der gezeigten Ausführungsform sind der Wirbelschichtkanal 5 und der weitere Wirbelschichtkanal 31 im Bereich zwischen dem ersten Speicherbehälter 2 und dem zweiten Speicherbehälter 3 voneinander getrennt.
[0069] Fig. 4 zeigt den ersten Speicherbehälter 2 der Wirbelschichtanlage 1 in der Ausführungsform gemäß Fig. 1, in dem das erste Ausgleichsrohr 41 axialsymmetrisch bezüglich der ersten Durchtrittsöffnung 43 angeordnet ist. Das erste Ausgleichsrohr 41 ist nach unten und nach oben geöffnet und weist am Mantel fünf in vertikaler Richtung beabstandete erste Ausgleichsöffnungen 42 auf, die in der Ausführungsform gemäß Fig. 4 als horizontale Schlitze ausgebildet sind. Die horizontalen Schlitze erstrecken sich über weniger als ein Viertel des Umfangs des ersten Ausgleichsrohres 41. Der zweite Speicherbehälter 3 kann entsprechend ausgebildet sein.
[0070] Fig. 5 zeigt den ersten Speicherbehälter 2 in einer weiteren Ausführungsform. Das Ausgleichsrohr 41 weist bei dieser besonders bevorzugten Ausführungsform am Mantel eine einzige erste Ausgleichsöffnung 42 auf, die als vertikaler Schlitz ausgebildet ist, der sich im Wesentlichen über die gesamte Höhe des Ausgleichsrohrs 41 erstreckt.
[0071] Fig. 6a bis 6d zeigen einen zeitlichen Verlauf einer Schüttgutverteilung in der Wirbelschichtanlage 1 gemäß Fig. 1. Wie der in Fig. 6a dargestellte Speicherstand des Schüttguts im ersten 2 und im zweiten 3 Speicherbehälter zeigt, ist der erste Speicherbehälter 2 fast zur Gänze mit Schüttgut der Feststoffschüttung 4 gefüllt, wohingegen der zweite Speicherbehälter 3 zu einem Großteil leer ist. Wird das Schüttgut im Wirbelschichtkanal 5 und in Teilen des ersten 2 und des zweiten 3 Schüttgutbehälters fluidisiert sowie im ersten Speicherbehälter 2 ein höherer Druck als im Wirbelschichtkanal 5 und im zweiten Speicherbehälter 3 erzeugt, wird fluidisiertes Schüttgut vorwiegend durch den Innenbereich 51 des ersten Ausgleichsrohres 41 aus dem ersten Speicherbehälter 2 abtransportiert und gelangt über den Wirbelschichtkanal 5 zunächst vorwiegend in den Innenbereich 53 des zweiten Ausgleichsrohres 49 des zweiten Speicherbehälters 3. Wie in Fig. 6b gezeigt, beginnt Schüttgut im Außenbereich 52 außerhalb des ersten
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Ausgleichsrohres 41 im Bereich der ersten Ausgleichsöffnungen 42 (vgl. Fig. 1) in den Innenbereich 51 zu rutschen, um stärker fluidisiert und aus dem ersten Speicherbehälter 2 ausgetragen zu werden. Im zweiten Speicherbehälter 3 gelangt fluidisiertes Schüttgut im Bereich der zweiten Ausgleichsöffnungen 50 (vgl. Fig. 1) vom Innenbereich 53 im Inneren des zweiten Ausgleichsrohres 49 in den Außenbereich 54 außerhalb des zweiten Ausgleichsrohres 49. Wie in Fig. 6c gezeigt, wandert aufgrund eines ansteigenden Höhenunterschieds des Schüttguts zwischen dem Innenbereich 51 und dem Außenbereich 52 innerhalb und außerhalb des ersten Ausgleichsrohres 41 Schüttgut vom Außenbereich 52 in den Innenbereich 51, in dem das Schüttgut fluidisiert und aus dem ersten Speicherbehälter 2 ausgetragen wird. Umgekehrt führt der höhere Schüttgutstand im Innenbereich 53 im Inneren des zweiten Ausgleichsrohres 49 im Vergleich zum Außenbereich 54 außerhalb des zweiten Ausgleichsrohres 49 dazu, dass das Schüttgut vom Innenbereich 53 in den Außenbereich 54 des zweiten Ausgleichsrohres 49 wandert. Dadurch wird, wie in Fig. 6d gezeigt, der erste Speicherbehälter 2 entleert und der zweite Speicherbehälter 3 mit Schüttgut gefüllt.
[0072] In der Ausführungsform der Fig. 7 bis 9 ist der Wärmetauscher 32 mit einem (schematisch dargestellten) Stirling-Motor 33 verbunden. In der gezeigten Ausführung sind zwei Wärmetauscher 32 vorgesehen, welche jeweils mit einem Stirling-Motor 33 verbunden sind. Darüber hinaus ist eine Zufuhreinrichtung 34 zur Zufuhr von Heißgas in den Wirbelschichtkanal 5 oberhalb des Düsenbodens 6 vorgesehen. Die Wärmetauscher 32 sind in zwei ersten Bereichen 35 des Wirbelschichtkanals 5 angeordnet, welche sich in Strömungsrichtung 19 gesehen jeweils seitlich eines zweiten Bereichs 36 des Wirbelschichtkanals 5 erstrecken, in dem die Zufuhreinrichtung 34 für das Heißgas angeordnet ist. Die ersten Bereiche 35 werden jeweils durch ein plattenförmiges Führungselement 37 von dem zweiten Bereich 36 abgegrenzt. Die Führungselemente 37 sind in der gezeigten Ausführung im Wesentlichen senkrecht zu dem Düsenboden 6 (bzw. zur Strömungsrichtung 19) angeordnet. Aufgrund der Einbringung des Heißgases über die Zufuhreinrichtung 34 werden die Partikel im zweiten Bereich 36 stärker fluidisiert, so dass sich eine Zirkulationsströmung (vgl. Pfeile 38) ober- und unterseitig um die plattenförmigen Führungselemente 37 herum ausbildet. Dadurch gelangen die Partikel von dem zweiten Bereich 36 in die ersten Bereiche 35, um dort Wärme an die Wärmetauscher 32 für die StirlingMotoren 33 abzugeben. Durch Heizelemente 39, die bevorzugt als Heizelektroden ausgeführt sind, kann die gemäß Pfeil 40 von Behälter 3 in den Behälter 2 gelenkte Partikel-Strömung aufgeheizt und somit der Wärmespeicher aufgeladen werden.
[0073] Die Ausführungsform der Fig. 10 entspricht im Wesentlichen jener der Fig. 1, wobei der erste 2 und der zweite 3 Speicherbehälter jedoch im Längsschnitt im Wesentlichen rechteckig ausgeführt sind. Der Wirbelschichtkanal 5 geht auf der einen Seite unmittelbar in den ersten Speicherbehälter 2 und auf der anderen Seite unmittelbar in den zweiten Speicherbehälter 3 über. In der gezeigten Ausführungsform gemäß Fig. 10 erstreckt sich der Düsenboden 6 jeweils über die gesamte Länge des ersten Speicherbehälters 2, des Wirbelschichtkanals 5 und des zweiten Speicherbehälters 3. Der Düsenboden 6 ist in einem ersten Betriebszustand dazu ausgebildet, die Feststoffschüttung 4 in dem ersten Speicherbehälter 2 in einem dem Wirbelschichtkanal 5 zugewandten ersten Bereich 20 in den fluidisierten Zustand zu bringen, aber in einem von dem Wirbelschichtkanal 5 abgewandten zweiten Bereich 21 im nicht-fluidisierten Zustand zu halten. Entsprechend wird die Feststoffschüttung 4 in dem zweiten Speicherbehälter in einem dem Wirbelschichtkanal 5 zugewandten ersten Bereich 22 in den fluidisierten Zustand gebracht, aber in einem von dem Wirbelschichtkanal 5 abgewandten zweiten Bereich 23 im nichtfluidisierten Zustand gehalten. Hingegen kann der Düsenboden 6 in einem zweiten Betriebszustand so angesteuert werden, dass im Wesentlichen die gesamte Feststoffschüttung in dem ersten Speicherbehälter 2 (oder entsprechend in dem zweiten Speicherbehälter 3) in den fluidisierten Zustand versetzt wird (nicht gezeigt).
[0074] Um das Umschalten zwischen dem ersten und dem zweiten Betriebsmodus zu ermöglichen, weist der Düsenboden 6 in der gezeigten Ausführungsform gemäß Fig. 10 den ersten Düsenbodenabschnitt 6a unterhalb des ersten Bereichs 20 des ersten Speicherbehälters 2 und den zweiten Düsenbodenabschnitt 6b unterhalb des zweiten Bereichs 21 des ersten Speicher /23
AT 521 611 B1 2020-03-15 österreichisches patentamt behälters 2 auf. Die Fluidisierungsgaszufuhr 17 weist ein regelbares Absperrventil 24 zum Zuoder Abschalten des zweiten Düsenbodenabschnitts 6b auf. Darüber hinaus weist der Düsenboden 6 den dritten Düsenbodenabschnitt 6c unterhalb des ersten Bereichs 22 des zweiten Speicherbehälters 3 und den vierten Düsenbodenabschnitt 6d unterhalb des zweiten Bereichs 23 des zweiten Speicherbehälters 3 auf. Um den vierten Düsenbodenabschnitt 6d bedarfsweise mit Fluidisierungsluft versorgen zu können, weist die Fluidisierungsgaszufuhr 17 ein weiteres regelbares Absperrventil 25 zum Zu- oder Abschalten des vierten Düsenbodenabschnitts 6d auf. Schließlich weist der Düsenboden 6 einen fünften Düsenbodenabschnitt 6e unterhalb des ersten Längsabschnittes 12 des Wirbelschichtkanals 5 und einen sechsten Düsenbodenabschnitt 6f unterhalb des zweiten Längsabschnittes 13 des Wirbelschichtkanals 5 auf.
[0075] Die Ausführungsform der Fig. 11 entspricht im Wesentlichen jener der Fig. 10, wobei der Düsenboden 6 jedoch die Düsenbodenabschnitte 6b, 6d unterhalb der zweiten Bereiche 21, 23 nicht aufweist. Demnach können bei dieser Ausführungsform lediglich die ersten Bereiche 20, des ersten 2 bzw. zweiten 3 Speicherbehälters fluidisiert werden. Die zweiten Bereiche 21, des ersten 2 bzw. zweiten 3 Speicherbehälters fallen bei dieser Ausführungsform von außen zum Wirbelschichtkanal 5 hin ab, wobei die ersten Bereiche 20, 22 des ersten 2 bzw. zweiten 3 Speicherbehälters gegenüber den zweiten Bereichen 21, 23 nach unten vorstehen.
[0076] Mit der Wirbelschichtanlage 1 kann folgendes Verfahren zum Fördern einer Feststoffschüttung 4 von einem ersten Speicherbehälter 2 über einen Wirbelschichtkanal 5 zu einem zweiten Speicherbehälter 3 durchgeführt werden:
- Anordnen der Feststoffschüttung 4 in dem ersten Speicherbehälter 2, in dem Wirbelschichtkanal 5 und in dem zweiten Speicherbehälter 3,
- Fluidisieren der Feststoffschüttung 4 in dem Wirbelschichtkanal 5,
- Fluidisieren zumindest eines Teils der Feststoffschüttung 4 des ersten Speicherbehälters 2,
- Fluidisieren zumindest eines Teils der Feststoffschüttung 4 des zweiten Speicherbehälters 3,
- Ausbilden einer Druckdifferenz zwischen dem ersten Speicherbehälter 2 und dem zweiten Speicherbehälter 3, so dass die Feststoffschüttung 4 im fluidisierten Zustand von dem ersten Speicherbehälter 2 über den Wirbelschichtkanal 5 zu dem zweiten Speicherbehälter 3 gefördert wird.

Claims (19)

1. Wirbelschichtanlage (1) aufweisend:
- einen Wirbelschichtkanal (5),
- einen ersten Speicherbehälter (2) für eine Feststoffschüttung (4),
- einen zweiten Speicherbehälter (3) für die Feststoffschüttung (4), wobei der zweite Speicherbehälter (3) über den Wirbelschichtkanal (5) mit dem ersten Speicherbehälter (2) verbunden ist, gekennzeichnet durch
- eine Fluidisierungseinrichtung, insbesondere ein vom ersten Speicherbehälter (2) über den Wirbelschichtkanal (5) bis zu dem zweiten Speicherbehälter (3) erstreckter Düsenboden (6), zum Einleiten eines Fluidisierungsgases in den Wirbelschichtkanal (5), in den ersten Speicherbehälter (2) und in den zweiten Speicherbehälter (3),
- ein erstes Ventil (10) zum Einstellen eines ersten Druckes (p1) des Fluidisierungsgases in dem ersten Speicherbehälter (2),
- ein zweites Ventil (11) zum Einstellen eines zweiten Druckes (p2) des Fluidisierungsgases in dem zweiten Speicherbehälter (3), so dass durch Einstellen einer Druckdifferenz zwischen dem ersten Druck (p1) in dem ersten Speicherbehälter (2) und dem zweiten Druck (p2) in dem zweiten Speicherbehälter (3) die Feststoffschüttung (4) im fluidisierten Zustand von dem ersten Speicherbehälter (2) über den Wirbelschichtkanal (5) zu dem zweiten Speicherbehälter (3) förderbar ist.
2. Wirbelschichtanlage (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Speicherbehälter (2) einen ersten Trichterabschnitt (45) aufweist, der über eine erste Durchtrittsöffnung (43) an der Unterseite des ersten Trichterabschnitts (45) mit dem Wirbelschichtkanal (5) verbunden ist und/oder dass der zweite Speicherbehälter (3) einen zweiten Trichterabschnitt (46) aufweist, der über eine zweite Durchtrittsöffnung (44) an der Unterseite des zweiten Trichterabschnitts (46) mit dem Wirbelschichtkanal (5) verbunden ist.
3. Wirbelschichtanlage (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass im Inneren des ersten Speicherbehälters (2) ein erstes Ausgleichsrohr (41) aufgenommen ist, wobei das erste Ausgleichsrohr (41) nach unten, vorzugsweise zudem nach oben, offen ist und/oder dass im Inneren des zweiten Speicherbehälters (3) ein zweites Ausgleichsrohr (49) aufgenommen ist, wobei das zweite Ausgleichsrohr (49) nach unten, vorzugsweise zudem nach oben, offen ist.
4. Wirbelschichtanlage (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Ausgleichsrohr (41) am Mantel zumindest eine erste Ausgleichsöffnung (42) zum Durchtritt des Feststoffs von einem Außenbereich (52) außerhalb des ersten Ausgleichsrohrs (41) in einen Innenbereich (51) innerhalb des ersten Ausgleichsrohrs (41) und/oder dass das zweite Ausgleichsrohr (49) am Mantel zumindest eine zweite Ausgleichsöffnung (50) zum Durchtritt des Feststoffs von einem Außenbereich (54) außerhalb des zweiten Ausgleichsrohrs (49) in einen Innenbereich (53) innerhalb des zweiten Ausgleichsrohrs (49) aufweist.
5. Wirbelschichtanlage (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass als erste (42) und/oder zweite (50) Ausgleichsöffnung ein Schlitz, bevorzugt ein vertikaler Schlitz, vorgesehen ist.
6. Wirbelschichtanlage (1) nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass sich die erste Ausgleichsöffnung (42) über mehr als die halbe Länge, vorzugsweise über im Wesentlichen die gesamte Länge, des ersten Ausgleichsrohres (41) und/oder dass sich die zweite Ausgleichsöffnung (50) über mehr als die halbe Länge, vorzugsweise über im Wesentlichen die gesamte Länge, des zweiten Ausgleichsrohres (49) erstreckt.
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7. Wirbelschichtanlage (1) nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mehrzahl von in vertikaler Richtung beabstandeten ersten Ausgleichsöffnungen, vorzugsweise Schlitze, insbesondere horizontale Schlitze, vorgesehen sind und/oder dass eine Mehrzahl von in vertikaler Richtung beabstandeten zweiten Ausgleichsöffnungen, vorzugsweise Schlitze, insbesondere horizontale Schlitze, vorgesehen sind.
8. Wirbelschichtanlage (1) nach Anspruch 2 und einem der Ansprüche 3 bis 7 mit Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Querschnittsfläche der ersten Durchtrittsöffnung (43) des ersten Speicherbehälters (2) im Wesentlichen gleich groß wie die Querschnittsfläche des ersten Ausgleichsrohres (41) ist und/oder dass die Querschnittsfläche des zweiten Durchtrittsöffnung (44) des zweiten Speicherbehälters (3) im Wesentlichen gleich groß wie die Querschnittsfläche des zweiten Ausgleichsrohres (49) ist.
9. Wirbelschichtanlage (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, gekennzeichnet durch ein drittes Ventil (15) zum Einstellen eines dritten Druckes (p3) des Fluidisierungsgases in dem Wirbelschichtkanal (5).
10. Wirbelschichtanlage (1) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Wirbelschichtkanal (5) zumindest einen ersten Längsabschnitt (12) und einen davon durch ein Unterlaufwehr (14) getrennten zweiten Längsabschnitt (13) aufweist, wobei ein viertes Ventil (16) zum Einstellen eines vierten Druckes (p4) in dem Wirbelschichtkanal (5) vorgesehen ist, wobei dem ersten Längsabschnitt (12) das dritte Ventil (15) und dem zweiten Längsabschnitt (13) das vierte Ventil (16) zugeordnet ist.
11. Wirbelschichtanlage (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass ein erstes Aufnahmevolumen des ersten Speicherbehälters (2) und/oder ein zweites Aufnahmevolumen des zweiten Speicherbehälters (3) um ein Mehrfaches, insbesondere um ein Vielfaches, größer als ein drittes Aufnahmevolumen des Wirbelschichtkanals (5) ist.
12. Wirbelschichtanlage (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, gekennzeichnet durch einen weiteren Wirbelschichtkanal (31), welcher getrennt von dem Wirbelschichtkanal (5) auf der einen Seite mit dem ersten Speicherbehälter (2) und auf der anderen Seite mit dem zweiten Speicherbehälter (3) verbunden ist.
13. Wirbelschichtanlage (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, gekennzeichnet durch einen in den Wirbelschichtkanal (5) ragenden Wärmetauscher (32) und/oder ein Heizelement (39), insbesondere eine Heizelektrode.
14. Wirbelschichtanlage (1) nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher (32) mit einem Stirling-Motor (33) verbunden ist.
15. Wirbelschichtanlage (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass eine Zufuhreinrichtung (34) zur Zufuhr von Heißgas in den Wirbelschichtkanal (5) oberhalb des Düsenbodens (6) vorgesehen ist.
16. Wirbelschichtanlage (1) nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher (32) in einem ersten Bereich (35) und die Zufuhreinrichtung (34) für das Heißgas in einem zweiten Bereich (36) des Wirbelschichtkanals (5) angeordnet ist, wobei ein insbesondere plattenförmiges Führungselement (37) den ersten Bereich (35) von dem zweiten Bereich (36) abgrenzt.
17. Wirbelschichtanlage (1) nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Führungselement (37) im Wesentlichen senkrecht zu dem Düsenboden (6) angeordnet ist.
18. Wirbelschichtanlage (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Feststoffschüttung (4) aus mikroverkapselten Latentspeicher-Partikeln besteht.
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19. Verfahren zum Fördern einer Feststoffschüttung (4) von einem ersten Speicherbehälter (2) über einen Wirbelschichtkanal (5) zu einem zweiten Speicherbehälter (3), mit den Schritten:
- Anordnen der Feststoffschüttung (4) in dem ersten Speicherbehälter (2), in dem Wirbelschichtkanal (5) und in dem zweiten Speicherbehälter (3),
- Fluidisieren der Feststoffschüttung (4) in dem Wirbelschichtkanal (5),
- Fluidisieren zumindest eines Teils der Feststoffschüttung (4) des ersten Speicherbehälters (2),
- Fluidisieren zumindest eines Teils der Feststoffschüttung (4) des zweiten Speicherbehälters (3),
- Ausbilden einer Druckdifferenz zwischen dem ersten Speicherbehälter (2) und dem zweiten Speicherbehälter (3), so dass die Feststoffschüttung (4) im fluidisierten Zustand von dem ersten Speicherbehälter (2) über den Wirbelschichtkanal (5) zu dem zweiten Speicherbehälter (3) gefördert wird.
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