EP4198389A1 - Vorrichtung und verfahren zur wärmeerzeugung/speicherung und gaserhitzung mittels keramikelementen - Google Patents

Vorrichtung und verfahren zur wärmeerzeugung/speicherung und gaserhitzung mittels keramikelementen Download PDF

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EP4198389A1
EP4198389A1 EP21215525.3A EP21215525A EP4198389A1 EP 4198389 A1 EP4198389 A1 EP 4198389A1 EP 21215525 A EP21215525 A EP 21215525A EP 4198389 A1 EP4198389 A1 EP 4198389A1
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EP
European Patent Office
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elements
gas
heat
absorber
interior
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Withdrawn
Application number
EP21215525.3A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Philipp HETZ
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Individual
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Priority to PCT/EP2022/086386 priority patent/WO2023111284A1/de
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F22—STEAM GENERATION
    • F22B—METHODS OF STEAM GENERATION; STEAM BOILERS
    • F22B1/00—Methods of steam generation characterised by form of heating method
    • F22B1/02—Methods of steam generation characterised by form of heating method by exploitation of the heat content of hot heat carriers
    • F22B1/08—Methods of steam generation characterised by form of heating method by exploitation of the heat content of hot heat carriers the heat carrier being steam
    • F22B1/10—Methods of steam generation characterised by form of heating method by exploitation of the heat content of hot heat carriers the heat carrier being steam released from heat accumulators
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F22—STEAM GENERATION
    • F22B—METHODS OF STEAM GENERATION; STEAM BOILERS
    • F22B1/00—Methods of steam generation characterised by form of heating method
    • F22B1/28—Methods of steam generation characterised by form of heating method in boilers heated electrically
    • F22B1/281—Methods of steam generation characterised by form of heating method in boilers heated electrically other than by electrical resistances or electrodes

Definitions

  • the present invention relates to a device and a method for generating and storing heat, in particular high-temperature heat, and releasing this heat into a gas.
  • High-temperature heat for industrial processes, such as cement production, is now mainly provided by CO 2 -emitting combustion processes. Processes in which this heat is generated by means of electricity, such as the use of graphite electrodes in steelworks, are also used to generate high-temperature heat. Graphite electrodes are consumed by oxidation and represent a significant cost factor in steel production.
  • the invention therefore provides a device for generating and storing heat and releasing it to a gas, which is characterized in that it has one or more absorber elements which comprise or are formed from ceramic material and which are arranged in the interior of a housing that they can be flowed through by a gas, a microwave generator unit that generates microwaves for heating the absorber elements and includes one or more gas inlet openings and one or more gas outlet openings.
  • the device according to the invention and the method according to the invention offer the great advantage that the point in time at which heat is generated by heating the absorber elements is decoupled from the point in time at which this heat has to be made available in an industrial chemical process, for example.
  • This enables, for example, the generation and storage of high-temperature heat in the absorber elements using inexpensive and environmentally friendly electricity from wind turbines, photovoltaic systems or other regenerative sources used to generate the microwave radiation.
  • electricity can be used and its energy content can be stored as thermal energy, which is available in the power grid in times of excess electricity.
  • the heat stored in the absorber elements of the device according to the invention can later be released, for example, to industrial processes with a high heat requirement, particularly at high temperatures (e.g. in a foundry, a steel works, a cement factory or a chemical plant).
  • the stored heat can also be used to generate electricity and also for combined heat and power with a heat engine (e.g. a steam turbine with steam extraction for process heat).
  • the invention can also be used to heat other media (e.g. air, scrap steel, cement raw meal).
  • the device and the method according to the invention can also be used as a supplement in a solar thermal power plant, in which the memory is heated by the mirror field. In winter months with a lot of wind but little sun, an additional electric heater is an advantage.
  • “Microwaves” is usually understood to mean the range of the electromagnetic spectrum with frequencies from 100 MHz to 1000 GHz, preferably 300 MHz to 500 GHz, more preferably 1 GHz to 300 GHz. "Microwaves” within the meaning of the present invention include microwave radiation and electromagnetic fields with wavelengths in the microwave range.
  • the microwave generator unit is arranged outside the housing and the microwave radiation generated therein is guided into the interior by means of microwave passage elements.
  • the microwave generator unit can, for example, comprise or be formed by one or more magnetron(s).
  • the microwave passage elements preferably include microwave conductors or are designed entirely as such.
  • the device also preferably has one or more optionally movable deflection unit(s) for deflecting the microwave radiation guided into the interior.
  • the deflection unit(s) can be used to direct the microwave radiation in a targeted manner to specific areas of the interior or to specific absorber elements thus, a homogenization of the heating or the temperature of the absorber elements present in the interior can be achieved and/or hotspots can be avoided or at least reduced by interference.
  • the microwave generator unit is designed as a cavity resonator, with the cover and base of the cavity resonator being formed by plate capacitors which are located on opposite sides of the interior.
  • the cover and base designed as plate capacitors can preferably be moved relative to the absorber element or elements, so that the microwaves generated by the cavity resonator formed by the plate capacitors can reach different areas of the interior equipped with absorber elements.
  • the device according to the invention comprises one or more absorber elements.
  • the absorber material used in the present invention for the absorber element or elements preferably has a value for ⁇ ">0.01, more preferably ⁇ ">0.05, and even more preferably ⁇ ">0.1.
  • the specified values for ⁇ " are preferably achieved in a temperature range from 700 to 900°C.
  • the absorber material used for the absorber element or elements preferably has a thermal capacity of 500-2000 J/kgK.
  • the ceramic material used for the absorber element or elements cannot be oxidized and is or preferably comprises an oxide ceramic.
  • the ceramic material includes or consists of Al 2 O 3 , MgO, ZrO 2 , silicates or mixtures/mixed oxides thereof.
  • the absorber material used for the absorber elements can preferably be reversibly heated or cooled to temperatures of up to 2400 °C without a chemical change in the material, e.g. B. oxidation occurs.
  • the absorber element or elements comprise or consist of at least two different, eg ceramic, materials in one of the described embodiments.
  • the absorber element or elements can consist of Al 2 O 3 and MgO, for example.
  • This embodiment offers the advantage that different ceramic materials have different loss factors depending on the temperature, so that the absorption of microwave radiation and the conversion thereof into heat can be optimized for different temperature ranges.
  • the absorber element(s) comprise or are preferably either elements arranged in a stationary manner in the interior or loose elements.
  • Absorber elements arranged in a stationary manner in the interior can, for example, have the shape of a rod and can be arranged in the interior spaced uniformly from one another.
  • the absorber element(s) can also be formed by an extruded profile, e.g. in honeycomb form.
  • the absorber elements can also be a loose bed of particulate elements of regular (e.g. round) or irregular shape and size.
  • the average mean particle diameter for example given as the weight average of the size of the particles determined by the greatest extension of the particles in one dimension, can be, for example, from 1 mm to 10 cm.
  • the device according to the invention also preferably includes insulation between the interior and the housing surrounding it in order to minimize losses of the high-temperature heat generated/stored in the absorber elements as much as possible.
  • This insulation may, for example, comprise or be formed from a porous, low-absorption material such as quartz ceramic.
  • This gas can be, for example, the same gas as is used for heating by the absorber elements, and it can also be the same temperature as this have before the heat exchange, so for example room or ambient temperature.
  • the heated gas is used to heat an external storage device.
  • an external storage device can be, for example, a fixed bed storage device such as a hot blast stove. Therefore, in one embodiment, the device according to the invention comprises an external heat accumulator.
  • the present invention further relates to a method for generating and storing heat, optional storage of this heat, and delivery of the same to a gas, which is characterized in that one or more absorber elements, which comprise ceramic material or are formed therefrom and in the interior of a Housing are arranged, are heated by microwaves and a gas is passed to the one or more heated absorber elements so that it is heated by heat exchange with the one or more absorber elements.
  • a device according to the invention in one of the described embodiments is preferably used in the method according to the invention.
  • the gas may be an oxygen-containing gas such as air.
  • the gas can also include or be a process gas, for example an oxygen-containing process gas, of an industrial chemical process.
  • the absorber element or elements are preferably heated to a temperature of from 900.degree. C. to 2400.degree. C., more preferably from 1300.degree. C. to 2400.degree.
  • the temperature of the gas before the heat exchange with the absorber element or elements is preferably 0°C to 1500°C, more preferably 10°C to 200°C.
  • the gas prior to heat exchange, the gas may be at room temperature or ambient temperature, e.g., 0°C to 40°C.
  • the temperature of the gas which is colder before the heat exchange with the absorber element or elements, is preferably 900° C. to 2400° C., more preferably 1200° C. to 1900° C., after the heat exchange with the absorber element or elements.
  • the pressure of the gas before the heat exchange with the absorber element or elements is preferably approximately ambient pressure, e.g. 1 to 2 bar.
  • the flow rate of the gas through the inner space is preferably 5 to 30 m/s.
  • the electricity for generating the microwave radiation was preferably obtained through regenerative energy generation.
  • a cold gas can be used for external cooling of an insulating layer present between the interior space and the housing.
  • This gas can, for example, be the same gas as is used for heating by the absorber element or elements, and it can also have the same temperature as this before the heat exchange, ie for example room or ambient temperature. Low temperature ambient gas used to cool the insulation.
  • the heated gas is used to heat an external heat store, such as a hot blast stove.
  • the gas to be heated can be conducted through the interior of the device at the same time as the absorber elements are exposed to microwaves, but this can also only take place after the absorber elements have been heated to a desired temperature, or the high-temperature heat is first stored by means of the absorber elements , and the gas to be heated is passed through the device for heating only (long) after the absorber elements have been heated.
  • In 1 shows a first embodiment of the device (1) and the method according to the invention, in which the microwave generator unit (not shown in the figure), for example a magnetron, is arranged outside the housing (4), which consists for example of metal.
  • the microwaves generated by the microwave generator unit are coupled via waveguides (8) into the interior (3), in which the absorber elements (2) are also located.
  • These can be found in the in 1 shown embodiment consist of Al 2 O 3 , MgO or a mixture of Al 2 O 3 and MgO and are rod-shaped. They are means Brackets (not shown) are connected to the housing such that they are arranged with their long axis parallel to one another and equally spaced from one another.
  • microwave deflection element (9) in the interior (3), which can deflect (deflect) the microwave radiation penetrating from the microwave conductors (8) into the interior (3). In this way, microwave radiation can be directed to specific absorber elements (2) or partial areas of the interior (3).
  • the microwave radiation generated by the microwave generator unit is coupled into the interior (3) and absorbed by the absorber elements (2), so that their temperature rises.
  • the absorber elements (2) can be heated to temperatures in the range of 900-2000°C.
  • a gas such as air is guided through a gas inlet opening (6, 6') of the device (1) to and through the interior (3), where it is mixed with the absorber elements (2 ) comes into direct contact so that heat exchange takes place.
  • the heated gas is then fed back out of the interior (3) or the device (1) through a gas outlet opening (7).
  • porous insulation (11) of the interior (3) for example made of porous quartz ceramic, between the interior (3) and the housing (4) in order to keep the heat dissipation to the outside as low as possible.
  • a gas duct through which gas such as air at a low temperature, for example room or ambient temperature, is passed outside the insulation (11) in order to cool it and the insulation to improve with it.
  • gas such as air at a low temperature, for example room or ambient temperature
  • the gas that is guided past the insulation (11) on the outside is then brought together with the heated gas and leaves the device through the gas outlet opening (7).
  • Cold gas is also used for external cooling of the insulating layer (11) between the interior (3) and the housing, which enters via gas inlet openings (12, 12'), is guided past the insulating layer (11) and back to the gas outlet opening (7). exit.
  • a cavity resonator is used to heat the absorber elements (2), the bottom and top of which are formed by plates (13, 13') on opposite sides of the interior, which are charged with high-frequency alternating current.
  • the cavity resonator formed in this way can be displaced along the longitudinal axis of the interior space, as a result of which microwaves can be coupled into different areas of the interior space (3).
  • absorber elements (2) located in the region of the generated microwave field can be heated.
  • the gas to be heated is fed through a gas inlet opening (6) into the interior (3), past the absorber elements (2), causing it to heat up, and exits again through a gas outlet opening (7).

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung und Speicherung von Wärme und Abgabe derselben an ein Gas, dadurch gekennzeichnet, dass sie ein oder mehrere Absorberelemente (2), die keramisches Material umfassen oder daraus gebildet sind und die im Innenraum (3) eines Gehäuses (4) so angeordnet sind, dass sie von einem Gas durchströmt werden können, eine Mikrowellengeneratoreinheit (5), die Mikrowellen zur Erhitzung der Absorberelemente (2) erzeugt und eine oder mehrere Gaseintrittsöffnungen (6) sowie eine oder mehrere Gasaustrittsöffnungen (7) umfasst, sowie ein Verfahren, das diese Vorrichtung nutzt.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Erzeugung und Speicherung von Wärme, insbesondere von Wärme mit hoher Temperatur, und Abgabe dieser Wärme an ein Gas.
  • Hochtemperaturwärme für industrielle Prozesse, wie zum Beispiel der Zementherstellung, wird heute überwiegend durch CO2-emittierende Verbrennungsprozesse bereit gestellt. Ebenfalls Anwendung zur Erzeugung von Hochtemperaturwärme finden Prozesse, bei denen diese Wärme mittels elektrischem Strom erzeugt wird, wie zum Beispiel bei der Verwendung von Graphitelektroden in Stahlwerken. Graphitelektroden werden durch Oxidation verbraucht und stellen bei der Stahlherstellung einen wesentlichen Kostenfaktor dar.
  • Ein Problem vieler dieser bekannten Prozesse zur Hochtemperaturwärmeerzeugung ist, dass die Wärme nicht (zwischen-)gespeichert werden kann, so dass, wo solche Wärme benötigt wird, sie unmittelbar durch Verbrennung von beispielsweise fossilen Brennstoffen oder mittels einer dauerhaft verfügbaren Stromquelle erzeugt werden muss.
  • Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine kostengünstige und langlebige Hochtemperaturwärmequelle zur Verfügung zu stellen, die die erwähnten Nachteile des Stands der Technik nicht aufweist.
  • Die Erfindung stellt daher eine Vorrichtung zur Erzeugung und Speicherung von Wärme und Abgabe derselben an ein Gas zur Verfügung, die dadurch gekennzeichnet ist, dass sie ein oder mehrere Absorberelemente, die keramisches Material umfassen oder daraus gebildet sind und die im Innenraum eines Gehäuses so angeordnet sind, dass sie von einem Gas durchströmt werden können, eine Mikrowellengeneratoreinheit, die Mikrowellen zur Erhitzung der Absorberelemente erzeugt und eine oder mehrere Gaseintrittsöffnungen sowie eine oder mehrere Gasaustrittsöffnungen umfasst.
  • Die erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren bieten den großen Vorteil, dass der Zeitpunkt der Wärmeerzeugung durch die Aufheizung der Absorberelemente von dem Zeitpunkt, an dem diese Wärme in einem beispielsweise industriellen chemischen Verfahren zur Verfügung gestellt werden muss, entkoppelt ist. Dies ermöglicht beispielsweise die Erzeugung und Speicherung von Hochtemperaturwärme in den Absorberelementen mittels zur Erzeugung der Mikrowellenstrahlung verwendeten kostengünstigen und umweltfreundlichen Strom aus Windkraftanlagen, Photovoltaikanlagen oder anderen regenerativen Quellen.
  • Somit kann beispielsweise Strom genutzt und dessen Energieinhalt als Wärmeenergie gespeichert werden, der in Zeiten von Stromüberschuss im Stromnetz vorhanden ist.
  • Die in den Absorberelementen der erfindungsgemäßen Vorrichtung gespeicherte Wärme kann später z.B. an industrielle Prozesse mit einem hohen Wärmebedarf insbesondere bei hohen Temperaturen (z.B. in einer Gießerei, einem Stahlwerk, einer Zementfabrik oder einer Chemieanlage) abgegeben werden. Ebenso kann die gespeicherte Wärme zur Stromerzeugung und auch Kraft-Wärmekopplung mit einer Wärmekraftmaschine (z.B. einer Dampfturbine mit Dampfauskopplung für Prozesswärme) genutzt werden. Die Erfindung kann ebenso zur Erhitzung von anderen Medien (z.B. Luft, Stahlschrott, Zementrohmehl) dienen.
  • Die erfindungsgemäße Vorrichtung bzw. das Verfahren kann auch als Ergänzung in einen solarthermischen Kraftwerk eingesetzt werden, in dem der Speicher durch das Spiegelfeld aufgeheizt wird. In Wintermonaten mit viel Wind aber wenig Sonne ist z.B. eine elektrische Zusatzheizung von Vorteil.
  • Unter "Mikrowellen" wird gewöhnlich der Bereich des elektromagnetischen Spektrums mit Frequenzen von 100 MHz bis 1000 GHz, vorzugsweise 300 MHz bis 500 GHz, weiter bevorzugt 1 GHz bis 300 GHz verstanden. "Mikrowellen" im Sinne der vorliegenden Erfindung umfassen Mikrowellenstrahlung und elektromagnetische Felder mit Wellenlängen im Mikrowellenbereich.
  • In einer Ausführungsform der Erfindung ist die Mikrowellengeneratoreinheit außerhalb des Gehäuses angeordnet und die darin erzeugte Mikrowellenstrahlung wird mittels Mikrowellendurchtrittselementen in den Innenraum geführt.
  • Die Mikrowellengeneratoreinheit kann beispielsweise ein oder mehrere Magnetron(e) umfassen oder von diesen gebildet werden.
  • Vorzugsweise umfassen die Mikrowellendurchtrittselemente Mikrowellenleiter oder sind vollständig als solche ausgebildet.
  • Die Vorrichtung weist weiterhin vorzugsweise eine oder mehrere gegebenenfalls bewegliche Ablenkeinheit(en) zur Lenkung der in den Innenraum geführten Mikrowellenstrahlung auf.
  • Durch die Ablenkeinheit(en) kann die Mikrowellenstrahlung gezielt auf bestimmte Bereiche des Innenraums bzw. auf bestimmte Absorberelemente gerichtet werden und somit kann eine Homogenisierung der Erwärmung bzw. der Temperatur der im Innenraum vorhandenen Absorberelemente erreicht und/oder Hotspots durch Interferenz vermieden oder zumindest verringert werden.
  • In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist die Mikrowellengeneratoreinheit als Hohlraumresonator ausgebildet ist, wobei Deckel und Boden des Hohlraumresonators von Plattenkondensatoren gebildet werden, die sich an gegenüberliegenden Seiten des Innenraums befinden.
  • Vorzugsweise können die als Plattenkondensatoren ausgebildeten Deckel und Boden relativ zu dem oder den Absorberelementen bewegt werden, so dass die durch den durch die Plattenkondensatoren gebildeten Hohlraumresonator erzeugten Mikrowellen verschiedene Bereiche des mit Absorberelementen bestückten Innenraums erreichen kann.
  • Dies kann beispielsweise durch eine Bewegung des gebildeten Hohlraumresonators erfolgen, oder es können Absorberelemente an einem gebildeten, räumlich fixierten Hohlraumresonator vorbeigeführt werden.
  • Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst ein oder mehrere Absorberelemente.
  • Die Absorption von Mikrowellen in einem Material und die Umwandlung von deren Energie in Wärme ist durch den Verlustfaktor δ gemäß folgender Beziehung gekennzeichnet: tan δ = ε " / ε ′
    Figure imgb0001
  • Das in der vorliegenden Erfindung für das oder die Absorberelemente eingesetzte Absorbermaterial weist vorzugsweise einen Wert für ε" > 0,01, weiter bevorzugt ε" > 0,05, und noch weiter bevorzugt ε" > 0,1 auf.
  • Da der Wert für ε" temperaturabhängig ist, werden die angegebenen Werte für ε" bevorzugt in einem Temperaturbereich von 700 bis 900 °C erreicht.
  • Das für das oder die Absorberelemente verwendete Absorbermaterial hat vorzugsweise eine Wärmekapazität von 500-2000 J/kgK.
  • Das für das oder die Absorberelemente eingesetzte keramische Material ist nichtoxidierbar, und ist oder umfasst vorzugsweise eine Oxidkeramik.
  • Beispielsweise umfasst oder besteht das Keramikmaterial aus Al2O3, MgO, ZrO2, Silikaten oder Mischungen/Mischoxiden davon.
  • Das für die Absorberelemente verwendete Absorbermaterial kann vorzugsweise auf Temperaturen bis zu 2400 °C reversibel aufgeheizt bzw. abgekühlt werden, ohne dass eine chemische Veränderung des Materials wie z. B. Oxidation auftritt.
  • Weiter vorzugsweise umfassen oder bestehen das oder die Absorberelemente zumindest aus zwei verschiedenen, z.B. keramischen, Materialien in einer der beschriebenen Ausführungsformen. In dieser Ausführungsform können das oder die Absorberelemente beispielweise aus Al2O3 und MgO bestehen.
  • Diese Ausführungsform bietet den Vorteil, dass verschiedene Keramikmaterialien verschiedene Verlustfaktoren in Abhängigkeit der Temperatur aufweisen, so dass die Absorption von Mikrowellenstrahlung und die Umwandlung derselben in Wärme für verschiedene Temperaturbereiche optimiert werden kann.
  • Das oder die Absorberelemente umfassen oder sind vorzugsweise entweder ortsfest im Innenraum angeordnete Elemente oder lose geschüttete Elemente.
  • Ortsfest im Innenraum angeordnete Absorberelemente können beispielweise Stabform aufweisen und voneinander gleichmäßig beabstandet im Innenraum angeordnet sein. Das/die Absorberelemente kann/können auch durch ein extrudiertes Profil, z.B. in Wabenform, gebildet werden.
  • Die Absorberelemente können auch eine lose Schüttung von teilchenförmigen Elementen mit regelmäßiger (beispielsweise runder) oder unregelmäßiger Form und Größe sein.
  • Der durchschnittliche mittlere Partikeldurchmesser, beispielsweise wiedergegeben als Gewichtsmittel der durch die größte Extension der Partikel in einer Dimension bestimmten Größe der Partikel, kann dabei beispielsweise von 1 mm bis 10 cm betragen.
  • Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst weiterhin bevorzugt eine Isolierung zwischen dem Innenraum und dem sie umgebenden Gehäuse, um Verluste der in den Absorberelementen erzeugten/gespeicherten Hochtemperaturwärme möglichst zu minimieren. Diese Isolierung kann beispielsweise ein poröses Material mit geringer Absorption, wie z.B. Quarzkeramik, umfassen oder davon gebildet werden.
  • Im Bereich zwischen der Isolierung und dem Gehäuse der Vorrichtung kann ein Kanal zur Durchführung von kaltem Gas zur Kühlung der Isolierungsschicht vorhanden sein. Dieses Gas kann beispielsweise dasselbe Gas sein, wie es auch zur Erwärmung durch die Absorberelemente verwendet wird, und es kann auch dieselbe Temperatur wie dieses vor dem Wärmeaustausch aufweisen, also beispielsweise Raum- oder Umgebungstemperatur.
  • In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird das erhitzte Gas zur Erwärmung eines externen Speichers verwendet wird. Dies kann beispielsweise ein Festbettspeicher wie z.B. ein Winderhitzer sein. Daher umfasst die erfindungsgemäße Vorrichtung in einer Ausführungsform einen externen Wärmespeicher.
  • Die vorliegende Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Erzeugung und Speicherung von Wärme, optionalen Speicherung dieser Wärme, und Abgabe derselben an ein Gas, das dadurch gekennzeichnet ist, dass ein oder mehrere Absorberelemente, die keramisches Material umfassen oder daraus gebildet sind und die im Innenraum eines Gehäuses angeordnet sind, mittels Mikrowellen erhitzt werden und ein Gas an dem oder den erhitzten Absorberelementen so vorbeigeführt wird, dass es sich durch Wärmetausch mit dem oder den Absorberelementen erwärmt.
  • Vorzugsweise wird in dem erfindungsgemäßen Verfahren eine erfindungsgemäße Vorrichtung in einer der beschriebenen Ausführungsformen benutzt.
  • Das Gas kann ein Sauerstoff-enthaltendes Gas, wie beispielsweise Luft sein. Das Gas kann auch ein Prozessgas, beispielsweise ein Sauerstoff-enthaltendes Prozessgas, eines industriellen chemischen Prozesses umfassen oder sein.
  • Vorzugsweise werden im erfindungsgemäßen Verfahren das oder die Absorberelemente auf eine Temperatur von 900°C bis 2400 °C, weiter bevorzugt von 1300 °C bis 2400 °C aufgeheizt.
  • Die Temperatur des Gases vor dem Wärmeaustausch mit dem oder den Absorberelementen beträgt vorzugsweise 0 °C bis 1500 °C, weiter bevorzugt 10 °C bis 200 °C. Beispielsweise kann das Gas vor dem Wärmeaustausch Raumtemperatur bzw. Umgebungstemperatur aufweisen, z.B. 0 °C bis 40 °C.
  • Die Temperatur des vor dem Wärmeaustausch mit dem oder den Absorberelementen kälteren Gases beträgt nach dem Wärmeaustausch mit dem oder den Absorberelementen vorzugsweise 900 °C bis 2400 °C, weiter bevorzugt 1200 °C bis 1900 °C.
  • Der Druck des Gases vor dem Wärmeaustausch mit dem oder den Absorberelementen beträgt vorzugsweise annähernd Umgebungsdruck, z.B. 1 bis 2 bar.
  • Die Strömungsgeschwindigkeit des Gases durch den Innenraum beträgt vorzugsweise 5 bis 30 m/s.
  • Vorzugsweise wurde der Strom zur Erzeugung der Mikrowellenstrahlung durch regenerative Energieerzeugung gewonnen.
  • In einer Ausführungsform des Verfahrens kann ein kaltes Gas zur äußeren Kühlung einer zwischen dem Innenraum und dem Gehäuse vorhandenen Isolierungsschicht genutzt werden. Dieses Gas kann beispielsweise dasselbe Gas sein, wie es auch zur Erwärmung durch das oder die Absorberelemente verwendet wird, und es kann auch dieselbe Temperatur wie dieses vor dem Wärmeaustausch aufweisen, also beispielsweise Raum- oder Umgebungstemperatur. Umgebungsgas mit niederer Temperatur zur Kühlung der Isolierung eingesetzt.
  • In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird das erhitzte Gas zur Erwärmung eines externen Wärmespeichers, wie z.B. eines Winderhitzers, verwendet.
  • In der vorliegenden Erfindung kann das zu erhitzende Gas zeitgleich mit der Beaufschlagung der Absorberelemente mit Mikrowellen durch den Innenraum der Vorrichtung geführt werden, es kann dies aber auch erst nach Aufheizung der Absorberelemente auf eine gewünschte Temperatur erfolgen, oder die Hochtemperaturwärme wird zunächst mittels der Absorberelemente gespeichert, und das zu erhitzende Gas wird erst (lange) nach dem Aufheizen der Absorberelemente zum Erhitzen durch die Vorrichtung geführt.
  • Die vorliegende Erfindung wird mittels der folgenden Beispiele weiter illustriert, unter Bezugnahme auf die Figuren, welche zeigen:
    • Fig. 1: eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung und des Verfahrens unter Nutzung eines außerhalb der gezeigten Vorrichtung angeordneten Mikrowellengenerators zur Mikrowellenerzeugung,
    • Fig. 2: eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung und des Verfahrens unter Nutzung eines beweglichen Plattenkondensators zur Mikrowellenerzeugung.
  • In Fig. 1 ist eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung (1) und des erfindungsgemäßen Verfahrens gezeigt, bei der die Mikrowellengeneratoreinheit (nicht in der Figur gezeigt), beispielsweise ein Magnetron, außerhalb des Gehäuses (4), das beispielsweise aus Metall besteht, angeordnet ist. Die von der Mikrowellengeneratoreinheit erzeugten Mikrowellen werden über Wellenleiter (8) in den Innenraum (3) eingekoppelt, in dem sich auch die Absorberelemente (2) befinden. Diese können in der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform aus Al2O3, MgO oder einer Mischung von Al2O3 und MgO bestehen und sind stabförmig ausgebildet. Sie sind mittels Halterungen (nicht gezeigt) so mit dem Gehäuse verbunden, dass sie mit ihrer langen Achse parallel zueinander sowie gleich beanstandet voneinander angeordnet sind.
  • Es ist weiterhin ein bewegliches Mikrowellenablenkelement (9) im Innenraum (3) vorhanden, das die aus den Mikrowellenleitern (8) in den Innenraum (3) vordringende Mikrowellenstrahlung (ab)lenken kann. Somit kann Mikrowellenstrahlung gezielt auf bestimmte Absorberelemente (2) beziehungsweise Teilbereiche des Innenraums (3) gelenkt werden.
  • Zum Aufheizen der Absorberelemente (2) wird die von der Mikrowellengeneratoreinheit erzeugte Mikrowellenstrahlung in den Innenraum (3) eingekoppelt und von den Absorberelementen (2) absorbiert, so dass deren Temperatur ansteigt. Beispielsweise kann können die Absorberelemente (2) auf Temperaturen im Bereich von 900-2000 °C aufgeheizt werden.
  • Zur Abgabe der in den Absorberelementen (2) erzeugten bzw. gespeicherten Wärme wird ein Gas wie beispielsweise Luft durch eine Gaseinlassöffnung (6, 6') der Vorrichtung (1) zum und durch den Innenraum (3) geführt wo es mit den Absorberelementen (2) direkt in Berührung kommt, so dass ein Wärmetausch stattfindet. Das erwärmte Gas wird dann durch eine Gasaustrittsöffnung (7) wieder aus dem Innenraum (3) bzw. der Vorrichtung (1) herausgeführt.
  • Weiterhin ist in der in der Fig. 1 dargestellten Ausführungsform auch eine poröse Isolierung (11) des Innenraums (3), beispielsweise aus poröser Quarzkeramik, zwischen dem Innenraum (3) und dem Gehäuse (4) vorhanden, um die Wärmeabgabe nach außen möglichst gering zu halten.
  • Zwischen der porösen Isolierung (11) und dem Gehäuse (4) ist ein Gasdurchführungskanal vorhanden, durch welchen Gas wie beispielsweise Luft mit geringer Temperatur, beispielsweise Raum- oder Umgebungstemperatur, außen an der Isolierung (11) vorbeigeführt wird um diese zu kühlen und die Isolierung damit zu verbessern. Das an der Isolierung (11) außen vorbeigeführte Gas wird dann mit dem erhitzten Gas zusammen geführt und verlässt die Vorrichtung durch die Gasaustrittsöffnung (7).
  • Weiterhin wird kaltes Gas zur äußeren Kühlung der zwischen dem Innenraum (3) und dem Gehäuse vorhandenen Isolierungsschicht (11) genutzt, das über Gaseintrittsöffnungen (12, 12') eintritt, an der Isolationsschicht (11) vorbeigeführt wird und zur Gasaustrittsöffnung (7) wieder austritt.
  • In der in Fig. 2 gezeigten zweiten Ausführungsform der Vorrichtung und des Verfahrens der vorliegenden Erfindung wird zur Erzeugung der in den Innenraum (3) zur Erwärmung der Absorberelemente (2) eingekoppelten Mikrowellen ein Hohlraumresonator verwendet, dessen Boden und Deckel von an gegenüberliegenden Seiten des Innenraums vorhandenen Platten (13, 13') gebildet wird, die mit Hochfrequenzwechselstrom beaufschlagt werden.
  • Der so gebildete Hohlraumresonator ist entlang der Längsachse des Innenraums verschiebbar, wodurch Mikrowellen in unterschiedlichen Bereichen des Innenraums (3) eingekoppelt werden können. Somit können jeweils im Bereich des erzeugten Mikrowellenfeldes befindliche Absorberelemente (2) aufgeheizt werden.
  • Zu erhitzenden Gas wird durch eine Gaseintrittsöffnung (6) in den Innenraum (3) geführt, an den Absorberelementen (2) vorbeigeführt, wodurch es sich erwärmt, und tritt durch eine Gasaustrittsöffnung (7) wieder aus.

Claims (15)

  1. Vorrichtung zur Erzeugung und Speicherung von Wärme und Abgabe derselben an ein Gas, dadurch gekennzeichnet, dass sie ein oder mehrere Absorberelemente (2), die keramisches Material umfassen oder daraus gebildet sind und die im Innenraum (3) eines Gehäuses (4) so angeordnet sind, dass sie von einem Gas durchströmt werden können, eine Mikrowellengeneratoreinheit (5), die Mikrowellen zur Erhitzung der Absorberelemente (2) erzeugt und eine oder mehrere Gaseintrittsöffnungen (6) sowie eine oder mehrere Gasaustrittsöffnungen (7) umfasst.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Mikrowellengeneratoreinheit (5) außerhalb des Gehäuses (4) angeordnet ist und die darin erzeugte Mikrowellenstrahlung mittels Mikrowellendurchtrittselementen (8) in den Innenraum (3) geführt wird.
  3. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Vorrichtung eine oder mehrere gegebenenfalls bewegliche Ablenkeinheiten (9) zur Lenkung der in den Innenraum geführten Mikrowellenstrahlung umfasst.
  4. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Mikrowellengeneratoreinheit (5) als Hohlraumresonator ausgebildet ist, wobei Deckel und Boden des Hohlraumresonators von Plattenkondensatoren (13, 13') gebildet werden, die sich an gegenüberliegenden Seiten des Innenraums (3) befinden.
  5. Vorrichtung nach Anspruch 6, wobei die Plattenkondensatoren (13, 13') relativ zu dem oder den Absorberelementen (2) bewegt werden können.
  6. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das keramische Material eine Oxidkeramik umfasst.
  7. Vorrichtung nach Anspruch 6, wobei das oder die Absorberelemente (2) zumindest zwei verschiedene keramische Materialien umfassen.
  8. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das oder die Absorberelemente (2) ortsfest im Innenraum (3) angeordnete Elemente oder lose geschüttete Elemente umfasst.
  9. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, die einen externen Wärmespeicher umfasst.
  10. Verfahren zur Erzeugung von Wärme, optionalen Speicherung dieser Wärme, und Abgabe derselben an ein Gas, dadurch gekennzeichnet, dass ein oder mehrere Absorberelemente (2), die keramisches Material umfassen oder daraus gebildet sind und die im Innenraum (3) eines Gehäuses (4) angeordnet sind, mittels Mikrowellen erhitzt werden und ein Gas an dem oder den erhitzten Absorberelementen (2) so vorbeigeführt wird, dass es sich durch Wärmetausch mit dem oder den Absorberelementen (2) erwärmt.
  11. Verfahren nach Anspruch 10, in dem eine Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9 verwendet wird.
  12. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 oder 11, wobei das oder die Absorberelemente (2) auf eine Temperatur von 900 bis 2400 °C aufgeheizt werden.
  13. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, wobei die Temperatur des Gases nach dem Wärmeaustausch mit dem oder den Absorberelementen (2) 900 °C bis 2400 °C beträgt.
  14. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 13, wobei der Strom zur Erzeugung der Mikrowellen ganz oder teilweise durch regenerative Energieerzeugung gewonnen wurde.
  15. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 14, wobei das erhitzte Gas zur Erwärmung eines externen Wärmespeichers verwendet wird.
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Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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DE2448732A1 (de) * 1974-10-12 1976-06-16 Rinn Manfred Josef Geraet zur herstellung von dampf durch elektrizitaet
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