WO2023111284A1 - Device and method for heat generation/storage and gas heating by means of ceramic elements - Google Patents

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WO2023111284A1
WO2023111284A1 PCT/EP2022/086386 EP2022086386W WO2023111284A1 WO 2023111284 A1 WO2023111284 A1 WO 2023111284A1 EP 2022086386 W EP2022086386 W EP 2022086386W WO 2023111284 A1 WO2023111284 A1 WO 2023111284A1
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gas
heat
radio
absorber
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PCT/EP2022/086386
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Philipp HETZ
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Hetz Philipp
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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 CO2-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 a gas can flow through them, a radio/microwave generator unit that generates radio/microwaves to heat the absorber elements and includes one or more gas inlet openings and one or more gas outlet openings, the absorber element or elements of the device being set up in such a way, that they can be heated to a temperature of at least 200 °C, preferably at least 300 °C.
  • the absorber elements of the device according to the invention are arranged so that they can be flowed through in the interior of the device, ie the gas flows on the way from the gas inlet openings to the gas outlet openings at the Absorber elements past or flows around them, so that a heat exchange between the absorber elements and the gas can take place.
  • 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 radio/microwaves.
  • electricity can be used and its energy content can be stored as thermal energy, which is available in the power grid when there is a surplus of 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.
  • the device according to the invention differs from previously known devices and methods for generating steam/for humidifying gas flows using microwaves in that the absorber elements in the device according to the invention are designed in such a way that they can be heated to much higher temperatures of at least 200°C .
  • the device according to the invention and the method according to the invention differ from the previously known devices/methods mentioned in that the heat generated by the radio/microwaves can be stored or is stored.
  • radio/microwave usually refers to the range of the electromagnetic spectrum with frequencies from 10 kHz to 1000 kHz for the purposes of the present invention GHz understood.
  • the radio/microwaves in the present invention have frequencies of 30 kHz to 500 GHz, more preferably 100 kHz to 300 GHz.
  • microwaves can have frequencies of 100 MHz to 1000 GHz, preferably 300 MHz to 500 GHz, more preferably 1 GHz to 300 GHz.
  • Radio/microwave within the meaning of the present invention includes radio/microwave radiation and electromagnetic fields with wavelengths in the radio/microwave range.
  • radio/microwave generator unit means a unit for generating electromagnetic waves and/or fields in the radio/microwave frequency range.
  • the radio/microwave generator unit is arranged outside the housing and the radio/microwave radiation generated therein is guided into the interior by means of radio/microwave passage elements.
  • the microwave generator unit can, for example, comprise or be formed by one or more magnetron(s).
  • the radio/microwave generator unit arranged outside of the housing can preferably be moved relative to the absorber element(s) (2).
  • the position of the radio/microwave radiation can thus be changed relative to the absorber elements, which, for example, enables the same to be heated more homogeneously and efficiently.
  • the radio/microwave pass-through elements preferably comprise radio/microwave waveguides or are designed entirely as such.
  • the device also preferably has one or more optionally movable deflection unit(s) for directing the radio/microwave radiation guided into the interior.
  • the deflection unit(s) can be used to direct the radio/microwave radiation specifically to certain areas of the interior or to certain absorber elements, and thus the heating or temperature of the absorber elements present in the interior can be homogenized and/or hotspots can be avoided or at least avoided by interference be reduced.
  • the radio/microwave generator unit is designed as a cavity resonator, with the cover and base of the Cavity resonators are formed by plate capacitors 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 radio/microwave fields generated by the cavity resonator formed by the plate capacitors can reach different areas of the interior equipped with absorber elements. In this way, the position of the radio/microwaves can be changed relative to the absorber elements, which, for example, enables them to be heated more homogeneously and efficiently.
  • the device according to the invention comprises one or more absorber elements. These can be porous or non-porous (tight).
  • the absorber material used in the present invention for the absorber element or elements preferably has a value for s">0.01, more preferably s">0.05, and even more preferably s">0.1.
  • the specified values for s" 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 Al2O3, MgO, ZrO2, 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. More preferably, the absorber element or elements comprise or consist of at least two different, eg ceramic, materials in one of the described embodiments. In this embodiment, the absorber element or elements can consist of Al2O3 and MgO, for example.
  • This embodiment offers the advantage that different ceramic materials have different loss factors as a function of temperature, so that the absorption of radio/microwaves and their conversion 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 that is also used for heating by the absorber elements, and it can also have the same temperature as this before the heat exchange, ie for example room or ambient temperature.
  • the heated gas is used to heat an external storage device.
  • this can be a Fixed bed storage 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 and storing this heat, and releasing the same to a gas, which is characterized in that one or more absorber elements which comprise ceramic material or are formed therefrom and which are located in the interior of a housing are arranged to be heated by means of radio/microwaves and a gas is guided past the heated absorber element or elements in such a way that it is heated by heat exchange with the absorber element or 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 radio/microwaves used in the method according to the invention preferably have frequencies in the range from 10 kHz to 1000 GHz, preferably in the range from 30 kHz to 500 GHz, more preferably 100 kHz to 300 GHz.
  • microwaves can have frequencies of 100 MHz to 1000 GHz, preferably 300 MHz to 500 GHz, more preferably 1 GHz to 300 GHz.
  • the absorber element or elements for storing the heat are preferably at a temperature of at least 200° C., preferably at least 300° C., more preferably at least 500° C., more preferably from 900 to 2400° C., and even more preferably heated from 1300 °C to 2400 °C.
  • the temperature of the gas before the heat exchange with the absorber element or elements is preferably 0°C to 1500°C, more preferably 5°C to 200°C, and even more preferably 10 to 100°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 colder before the heat exchange with the or the absorber elements gas is to release the heat after the heat exchange with the or the absorber elements preferably at least 200°C, more preferably at least 300°C, more preferably at least 500°C, more preferably 900°C to 2400°C, and even more preferably 1200°C to 1900°C.
  • 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 method according to the invention preferably no material is introduced into the gas, such as water, which is guided past the absorber elements.
  • the gas such as water
  • the chemical composition of the gas flowing into the device and the gas flowing out of the device is the same before and after.
  • the heat exchange between the absorber elements and the gas guided past the absorber elements preferably takes place directly.
  • the electricity for generating the radio/microwaves was preferably obtained from regenerative energy production.
  • 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 radio/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 absorber elements, and the gas to be heated is only (long) after heating the absorber elements for heating through the device.
  • the generation of heat and/or the storage of this heat in the method according to the invention takes place at least temporarily offset in time from the delivery of the same to a gas and/or the heat generated and/or stored differs from the heat given off to the gas, preferably at least temporarily in amount.
  • FIG. 2 shows a second embodiment of the device according to the invention and the method using a movable plate capacitor for radio/microwave generation.
  • FIG. 1 shows a first embodiment of the device (1) according to the invention and the method according to the invention, in which the radio/microwave generator unit (not shown in the figure), for example a magnetron, is outside the housing (4), which is made of metal, for example , is arranged.
  • the radio/microwaves generated by the radio/microwave generator unit are coupled via waveguides (8) into the interior (3), in which the absorber elements (2) are also located.
  • these can consist of Al2O3, MgO or a mixture of Al2O3 and MgO and are rod-shaped. They are connected to the housing by means of brackets (not shown) so that they are arranged with their long axis parallel to one another and equally spaced from one another.
  • radio/microwave deflection element (9) in the interior (3) which can deflect (deflect) the radio/microwave radiation penetrating from the radio/microwave conductors (8) into the interior (3).
  • radio/microwave radiation can be directed to specific absorber elements (2) or partial areas of the interior (3).
  • the radio/microwave radiation generated by the radio/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 through a gas inlet opening (6, 6 ') of the device (1) to and through the interior (3) out where it with the Absorber elements (2) comes into direct contact, so that a heat exchange takes place.
  • the heated gas is then fed out again from the interior (3) or the device (1) through a gas outlet opening (7).
  • FIG. 1 there is also a 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 minimize the heat dissipation to the outside to keep.
  • a porous insulation (11) of the interior (3) for example made of porous quartz ceramic
  • 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 outside of the insulation (11) is then brought together with the heated gas and leaves the device through the gas outlet opening (7).
  • cold gas is used for external cooling of the insulation layer (11) between the interior (3) and the housing, which enters via gas inlet openings (12, 12'), is guided past the insulation layer (11) and to the gas outlet opening (7) again exit.
  • a cavity resonator is used to generate the radio/microwaves coupled into the interior (3) for heating the absorber elements (2), the bottom and top of which are on opposite sides of the interior existing plates (13, 13 ') is formed, which are supplied 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 radio/microwaves can be coupled into different areas of the interior space (3).
  • absorber elements (2) located in the area of the generated radio/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).

Abstract

The present invention relates to a device for generating and storing heat and giving off the same to a gas, characterized in that it comprises one or more absorber elements (2), which comprise or are formed from ceramic material and which are arranged in the interior space (3) of a housing (4) in such a way that they can be flowed through by a gas, to a radio/microwave-generator unit (5), which generates radio/microwaves for heating the absorber elements (2) and comprises one or more gas-inlet openings (6) and one or more gas-outlet openings (7), and also to a method that uses this device.

Description

Vorrichtung und Verfahren zur Wärmeerzeugung/speicherung und Gaserhitzung mittels Keramikelementen Apparatus and method for heat generation/storage and gas heating using ceramic elements
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. 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.
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. High-temperature heat for industrial processes, such as cement production, is now mainly provided by CO2-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.
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. A problem with many of these known processes for high-temperature heat generation is that the heat cannot be (temporarily) stored, so that where such heat is required, it must be generated directly by burning e.g. fossil fuels or by means of a permanently available power source.
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. It is therefore an object of the present invention to provide an inexpensive and durable high-temperature heat source which does not have the disadvantages of the prior art mentioned.
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 Radio/Mikrowellen- generatoreinheit, die Radio/Mikrowellen zur Erhitzung der Absorberelemente erzeugt und eine oder mehrere Gaseintrittsöffnungen sowie eine oder mehrere Gasaustrittsöffnungen umfasst, wobei die das oder die Absorberelemente der Vorrichtung so eingerichtet sind, dass sie auf eine Temperatur von mindestens 200 °C, vorzugsweise mindestens 300 °C aufgeheizt werden können. 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 a gas can flow through them, a radio/microwave generator unit that generates radio/microwaves to heat the absorber elements and includes one or more gas inlet openings and one or more gas outlet openings, the absorber element or elements of the device being set up in such a way, that they can be heated to a temperature of at least 200 °C, preferably at least 300 °C.
Die Absorberelemente der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind so angeordnet, dass sie im Innenraum der Vorrichtung durchströmt werden können, d.h. das Gas strömt auf dem Weg von den Gaseintrittsöffnungen zu den Gasaustrittsöffnungen an den Absorberelementen vorbei bzw. umströmt diese, so dass ein Wärmeaustausch der Absorberelemente und dem Gas erfolgen kann. The absorber elements of the device according to the invention are arranged so that they can be flowed through in the interior of the device, ie the gas flows on the way from the gas inlet openings to the gas outlet openings at the Absorber elements past or flows around them, so that a heat exchange between the absorber elements and the gas can take place.
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 Radio/Mikrowellen verwendeten kostengünstigen und umweltfreundlichen Strom aus Windkraftanlagen, Photovoltaikanlagen oder anderen regenerativen Quellen. 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 radio/microwaves.
Somit kann beispielsweise Strom genutzt und dessen Energieinhalt als Wärmeenergie gespeichert werden, der in Zeiten von Strom Überschuss im Stromnetz vorhanden ist.Thus, for example, electricity can be used and its energy content can be stored as thermal energy, which is available in the power grid when there is a surplus of electricity.
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. 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).
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. 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.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung unterscheidet sich von vorbekannten Vorrichtungen und Verfahren zur Erzeugung von Wasserdampf/zur Befeuchtung von Gasströmen unter Verwendung von Mikrowellen dadurch, dass die Absorberelemente in der erfindungsgemäßen Vorrichtung so beschaffen sind, dass sie auf viel höhere Temperaturen von mindestens 200 °C aufgeheizt werden können. The device according to the invention differs from previously known devices and methods for generating steam/for humidifying gas flows using microwaves in that the absorber elements in the device according to the invention are designed in such a way that they can be heated to much higher temperatures of at least 200°C .
Weiterhin unterscheidet sich die erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren von den erwähnten vorbekannten VorrichtungenA/erfahren dadurch, dass die durch die Radio/Mikrowellen erzeugte Wärme gespeichert werden kann bzw. gespeichert wird. Furthermore, the device according to the invention and the method according to the invention differ from the previously known devices/methods mentioned in that the heat generated by the radio/microwaves can be stored or is stored.
Unter “Radio/Mikrowellen“ wird gewöhnlich und im Sinne der vorliegenden Erfindung der Bereich des elektromagnetischen Spektrums mit Frequenzen von 10 kHz bis 1000 GHz verstanden. Vorzugsweise weisen die Radio/Mikrowellen in der vorliegenden Erfindung Frequenzen von 30 kHz bis 500 GHz, weiter bevorzugt 100 kHz bis 300 GHz auf. So können beispielsweise Mikrowellen Frequenzen von 100 MHz bis 1000 GHz, vorzugsweise 300 MHz bis 500 GHz, weiter bevorzugt 1 GHz bis 300 GHz aufweisen.The term “radio/microwave” usually refers to the range of the electromagnetic spectrum with frequencies from 10 kHz to 1000 kHz for the purposes of the present invention GHz understood. Preferably, the radio/microwaves in the present invention have frequencies of 30 kHz to 500 GHz, more preferably 100 kHz to 300 GHz. For example, microwaves can have frequencies of 100 MHz to 1000 GHz, preferably 300 MHz to 500 GHz, more preferably 1 GHz to 300 GHz.
„Radio/Mikrowellen“ im Sinne der vorliegenden Erfindung umfassen Radio/Mikrowellenstrahlung und elektromagnetische Felder mit Wellenlängen im Radio/Mikrowellenbereich. “Radio/microwave” within the meaning of the present invention includes radio/microwave radiation and electromagnetic fields with wavelengths in the radio/microwave range.
Dementsprechend ist unter der „Radio/Mikrowellengeneratoreinheit“ eine Einheit zur Erzeugung von elektromagnetischen Wellen und/oder Feldern im Radio/Mikrowellen- Frequenzbereich zu verstehen. Accordingly, “radio/microwave generator unit” means a unit for generating electromagnetic waves and/or fields in the radio/microwave frequency range.
In einer Ausführungsform der Erfindung ist die Radio/Mikrowellengeneratoreinheit außerhalb des Gehäuses angeordnet und die darin erzeugte Radio/Mikrowellenstrahlung wird mittels Radio/Mikrowellendurchtrittselementen in den Innenraum geführt. In one embodiment of the invention, the radio/microwave generator unit is arranged outside the housing and the radio/microwave radiation generated therein is guided into the interior by means of radio/microwave passage elements.
Die Mikrowellengeneratoreinheit kann beispielsweise ein oder mehrere Magnetron(e) umfassen oder von diesen gebildet werden. The microwave generator unit can, for example, comprise or be formed by one or more magnetron(s).
Vorzugsweise kann die außerhalb des Gehäuses angeordnete Radio/Mikro- wellengeneratoreinheit relativ zu dem/den Absorberelementen (2) bewegt werden. Damit kann die Position der Radio/Mikrowellenstrahlung relativ zu den Absorberelementen verändert werden, was beispielsweise eine homogenere und effizientere Aufheizung derselben ermöglicht. The radio/microwave generator unit arranged outside of the housing can preferably be moved relative to the absorber element(s) (2). The position of the radio/microwave radiation can thus be changed relative to the absorber elements, which, for example, enables the same to be heated more homogeneously and efficiently.
Vorzugsweise umfassen die Radio/Mikrowellendurchtrittselemente Radio/Mikro- wellenleiter oder sind vollständig als solche ausgebildet. The radio/microwave pass-through elements preferably comprise radio/microwave waveguides or are designed entirely as such.
Die Vorrichtung weist weiterhin vorzugsweise eine oder mehrere gegebenenfalls bewegliche Ablenkeinheit(en) zur Lenkung der in den Innenraum geführten Radio/Mikrowellenstrahlung auf. The device also preferably has one or more optionally movable deflection unit(s) for directing the radio/microwave radiation guided into the interior.
Durch die Ablenkeinheit(en) kann die Radio/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. The deflection unit(s) can be used to direct the radio/microwave radiation specifically to certain areas of the interior or to certain absorber elements, and thus the heating or temperature of the absorber elements present in the interior can be homogenized and/or hotspots can be avoided or at least avoided by interference be reduced.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist die Radio/Mikrowellen- generatoreinheit als Hohlraumresonator ausgebildet ist, wobei Deckel und Boden des Hohlraumresonators von Plattenkondensatoren gebildet werden, die sich an gegenüberliegenden Seiten des Innenraums befinden. In a further embodiment of the invention, the radio/microwave generator unit is designed as a cavity resonator, with the cover and base of the Cavity resonators are formed by plate capacitors located on opposite sides of the interior.
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 Radio/Mikrowellenfelder verschiedene Bereiche des mit Absorberelementen bestückten Innenraums erreichen kann. Damit kann die Position der Radio/Mikrowellen relativ zu den Absorberelementen verändert werden, was beispielsweise eine homogenere und effizientere Aufheizung derselben ermöglicht.The cover and base designed as plate capacitors can preferably be moved relative to the absorber element or elements, so that the radio/microwave fields generated by the cavity resonator formed by the plate capacitors can reach different areas of the interior equipped with absorber elements. In this way, the position of the radio/microwaves can be changed relative to the absorber elements, which, for example, enables them to be heated more homogeneously and efficiently.
Dies kann beispielsweise durch eine Bewegung des gebildeten Hohlraumresonators erfolgen, oder es können Absorberelemente an einem gebildeten, räumlich fixierten Hohlraumresonator vorbeigeführt werden. This can be done, for example, by moving the formed cavity resonator, or absorber elements can be guided past a formed, spatially fixed cavity resonator.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst ein oder mehrere Absorberelemente. Diese können porös oder nicht-porös (dicht) ausgeführt sein. The device according to the invention comprises one or more absorber elements. These can be porous or non-porous (tight).
Die Absorption von Radio/Mikrowellen in einem Material und die Umwandlung von deren Energie in Wärme ist durch den Verlustfaktor 6 gemäß folgender Beziehung gekennzeichnet: tanö = s“/s' The absorption of radio/microwaves in a material and the conversion of their energy into heat is characterized by the dissipation factor 6 according to the following relationship: tanδ = s"/s'
Das in der vorliegenden Erfindung für das oder die Absorberelemente eingesetzte Absorbermaterial weist vorzugsweise einen Wert für s“ > 0,01 , weiter bevorzugt s“ > 0,05, und noch weiter bevorzugt s“ > 0,1 auf. The absorber material used in the present invention for the absorber element or elements preferably has a value for s">0.01, more preferably s">0.05, and even more preferably s">0.1.
Da der Wert für s“ temperaturabhängig ist, werden die angegebenen Werte für s“ bevorzugt in einem Temperaturbereich von 700 bis 900 °C erreicht. Since the value for s" depends on the temperature, the specified values for s" are preferably achieved in a temperature range from 700 to 900 °C.
Das für das oder die Absorberelemente verwendete Absorbermaterial hat vorzugsweise eine Wärmekapazität von 500-2000 J/kgK. The absorber material used for the absorber element or elements preferably has a thermal capacity of 500-2000 J/kgK.
Das für das oder die Absorberelemente eingesetzte keramische Material ist nichtoxidierbar, und ist oder umfasst vorzugsweise eine Oxidkeramik. The ceramic material used for the absorber element or elements cannot be oxidized and is or preferably comprises an oxide ceramic.
Beispielsweise umfasst oder besteht das Keramikmaterial aus AI2O3, MgO, ZrÜ2, Silikaten oder Mischungen/Mischoxiden davon. For example, the ceramic material includes or consists of Al2O3, MgO, ZrO2, silicates or mixtures/mixed oxides thereof.
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 AI2O3 und MgO bestehen. 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. More preferably, the absorber element or elements comprise or consist of at least two different, eg ceramic, materials in one of the described embodiments. In this embodiment, the absorber element or elements can consist of Al2O3 and MgO, for example.
Diese Ausführungsform bietet den Vorteil, dass verschiedene Keramikmatenalien verschiedene Verlustfaktoren in Abhängigkeit der Temperatur aufweisen, so dass die Absorption von Radio/Mikrowellen und die Umwandlung derselben in Wärme für verschiedene Temperaturbereiche optimiert werden kann. This embodiment offers the advantage that different ceramic materials have different loss factors as a function of temperature, so that the absorption of radio/microwaves and their conversion into heat can be optimized for different temperature ranges.
Das oder die Absorberelemente umfassen oder sind vorzugsweise entweder ortsfest im Innenraum angeordnete Elemente oder lose geschüttete Elemente. The absorber element(s) comprise or are preferably either elements arranged in a stationary manner in the interior or loose elements.
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. 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.
Die Absorberelemente können auch eine lose Schüttung von teilchenförmigen Elementen mit regelmäßiger (beispielsweise runder) oder unregelmäßiger Form und Größe sein. The absorber elements can also be a loose bed of particulate elements of regular (e.g. round) or irregular shape and size.
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. 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.
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. 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.
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 the area between the insulation and the housing of the device there can be a duct for the passage of cold gas for cooling the insulation layer. This gas can be, for example, the same gas that is also used for heating by the absorber elements, and it can also have the same temperature as this before the heat exchange, ie for example room or ambient temperature.
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. In one embodiment of the present invention, the heated gas is used to heat an external storage device. For example, this can be a Fixed bed storage such as a hot blast stove. Therefore, in one embodiment, the device according to the invention comprises an external heat accumulator.
In der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind üblicher- und vorteilhafterweise keine Vorrichtungen zur Zuführung von Wasser zu den Absorberelementen (2) vorhanden.In the device according to the invention, there are usually and advantageously no devices for supplying water to the absorber elements (2).
Die vorliegende Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Erzeugung und Speicherung von Wärme und 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 Radio/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. The present invention further relates to a method for generating and storing heat and storing this heat, and releasing the same to a gas, which is characterized in that one or more absorber elements which comprise ceramic material or are formed therefrom and which are located in the interior of a housing are arranged to be heated by means of radio/microwaves and a gas is guided past the heated absorber element or elements in such a way that it is heated by heat exchange with the absorber element or elements.
Vorzugsweise wird in dem erfindungsgemäßen Verfahren eine erfindungsgemäße Vorrichtung in einer der beschriebenen Ausführungsformen benutzt. A device according to the invention in one of the described embodiments is preferably used in the method according to the invention.
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. 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.
Vorzugsweise weisen die im erfindungsgemäßen Verfahren verwendeten Radio/Mikrowellen Frequenzen im Bereich von 10 kHz bis 1000 GHz auf, vorzugsweise im Bereich von 30 kHz bis 500 GHz, weiter bevorzugt 100 kHz bis 300 GHz auf. So können beispielsweise Mikrowellen Frequenzen von 100 MHz bis 1000 GHz, vorzugsweise 300 MHz bis 500 GHz, weiter bevorzugt 1 GHz bis 300 GHz aufweisen. The radio/microwaves used in the method according to the invention preferably have frequencies in the range from 10 kHz to 1000 GHz, preferably in the range from 30 kHz to 500 GHz, more preferably 100 kHz to 300 GHz. For example, microwaves can have frequencies of 100 MHz to 1000 GHz, preferably 300 MHz to 500 GHz, more preferably 1 GHz to 300 GHz.
Vorzugsweise werden im erfindungsgemäßen Verfahren das oder die Absorberelemente zur Speicherung der Wärme auf eine Temperatur von mindestens 200 °C, vorzugsweise von mindestens 300 °C, weiter bevorzugt von mindestens 500 °C, weiter bevorzugt von 900 bis 2400 °C, und noch weiter bevorzugt von 1300 °C bis 2400 °C aufgeheizt. In the method according to the invention, the absorber element or elements for storing the heat are preferably at a temperature of at least 200° C., preferably at least 300° C., more preferably at least 500° C., more preferably from 900 to 2400° C., and even more preferably heated from 1300 °C to 2400 °C.
Die Temperatur des Gases vor dem Wärmeaustausch mit dem oder den Absorberelementen beträgt vorzugsweise 0 °C bis 1500 °C, weiter bevorzugt 5 °C bis 200 °C, und noch weiter bevorzugt 10 bis 100°C. Beispielsweise kann das Gas vor dem Wärmeaustausch Raumtemperatur bzw. Umgebungstemperatur aufweisen, z.B. 0 °C bis 40 °C. The temperature of the gas before the heat exchange with the absorber element or elements is preferably 0°C to 1500°C, more preferably 5°C to 200°C, and even more preferably 10 to 100°C. For example, prior to heat exchange, the gas may be at room temperature or ambient temperature, e.g., 0°C to 40°C.
Die Temperatur des vor dem Wärmeaustausch mit dem oder den Absorberelementen kälteren Gases beträgt zur Abgabe der Wärme nach dem Wärmeaustausch mit dem oder den Absorberelementen vorzugsweise mindestens 200 °C, weiter bevorzugt mindestens 300 °C, weiter bevorzugt mindestens 500°C, weiter bevorzugt 900 °C bis 2400 °C, und noch weiter bevorzugt 1200 °C bis 1900 °C. The temperature of the colder before the heat exchange with the or the absorber elements gas is to release the heat after the heat exchange with the or the absorber elements preferably at least 200°C, more preferably at least 300°C, more preferably at least 500°C, more preferably 900°C to 2400°C, and even more preferably 1200°C to 1900°C.
Der Druck des Gases vor dem Wärmeaustausch mit dem oder den Absorberelementen beträgt vorzugsweise annähernd Umgebungsdruck, z.B. 1 bis 2 bar. 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.
Die Strömungsgeschwindigkeit des Gases durch den Innenraum beträgt vorzugsweise 5 bis 30 m/s. The flow rate of the gas through the inner space is preferably 5 to 30 m/s.
Vorzugsweise erfolgt im erfindungsgemäßen Verfahren kein Stoffeintrag in das an den Absorberelementen vorbeigeführte Gas, wie beispielsweise Wasser. Somit ist die chemische Zusammensetzung des in die Vorrichtung einströmenden Gases und des aus der Vorrichtung strömenden Gases vorher wie nachher dieselbe. In the method according to the invention, preferably no material is introduced into the gas, such as water, which is guided past the absorber elements. Thus, the chemical composition of the gas flowing into the device and the gas flowing out of the device is the same before and after.
Der Wärmetausch zwischen den Absorberelementen und dem an den Absorberelemente vorbeigeführten Gas erfolgt vorzugsweise direkt. The heat exchange between the absorber elements and the gas guided past the absorber elements preferably takes place directly.
Vorzugsweise wurde der Strom zur Erzeugung der Radio/Mikrowellen durch regenerative Energieerzeugung gewonnen. The electricity for generating the radio/microwaves was preferably obtained from regenerative energy production.
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 one embodiment of the method, 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.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird das erhitzte Gas zur Erwärmung eines externen Wärmespeichers, wie z.B. eines Winderhitzers, verwendet. In a further embodiment of the invention, the heated gas is used to heat an external heat store, such as a hot blast stove.
In der vorliegenden Erfindung kann das zu erhitzende Gas zeitgleich mit der Beaufschlagung der Absorberelemente mit Radio/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. In the present invention, 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 radio/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 absorber elements, and the gas to be heated is only (long) after heating the absorber elements for heating through the device.
Somit erfolgt die Erzeugung von Wärme und/oder die Speicherung dieser Wärme im erfindungsgemäßen Verfahren zumindest zeitweise zeitlich versetzt von der Abgabe derselben an ein Gas und/oder unterscheidet sich die erzeugte und/oder gespeicherte Wärme sich von der an das Gas abgegebenen Wärme vorzugsweise zumindest zeitweise im Betrag. Thus, the generation of heat and/or the storage of this heat in the method according to the invention takes place at least temporarily offset in time from the delivery of the same to a gas and/or the heat generated and/or stored differs from the heat given off to the gas, preferably at least temporarily in amount.
Die vorliegende Erfindung wird mittels der folgenden Beispiele weiter illustriert, unter Bezugnahme auf die Figuren, welche zeigen: The present invention is further illustrated by the following examples, with reference to the figures, which show:
Fig. 1 : eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung und des Verfahrens unter Nutzung eines außerhalb der gezeigten Vorrichtung angeordneten Radio/Mikrowellengenerators zur Radio/Mikrowellenerzeugung, 1: a first embodiment of the device according to the invention and the method using a radio/microwave generator arranged outside the device shown for radio/microwave generation,
Fig. 2: eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung und des Verfahrens unter Nutzung eines beweglichen Plattenkondensators zur Radio/Mikrowellenerzeugung. 2 shows a second embodiment of the device according to the invention and the method using a movable plate capacitor for radio/microwave generation.
In Fig. 1 ist eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung (1 ) und des erfindungsgemäßen Verfahrens gezeigt, bei der die Radio/Mikrowellengeneratoreinheit (nicht in der Figur gezeigt), beispielsweise ein Magnetron, außerhalb des Gehäuses (4), das beispielsweise aus Metall besteht, angeordnet ist. Die von der Radio/Mikrowellengeneratoreinheit erzeugten Radio/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 AI2O3, MgO oder einer Mischung von AI2O3 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. 1 shows a first embodiment of the device (1) according to the invention and the method according to the invention, in which the radio/microwave generator unit (not shown in the figure), for example a magnetron, is outside the housing (4), which is made of metal, for example , is arranged. The radio/microwaves generated by the radio/microwave generator unit are coupled via waveguides (8) into the interior (3), in which the absorber elements (2) are also located. In the embodiment shown in FIG. 1, these can consist of Al2O3, MgO or a mixture of Al2O3 and MgO and are rod-shaped. They are connected to the housing by means of brackets (not shown) so that they are arranged with their long axis parallel to one another and equally spaced from one another.
Es ist weiterhin ein bewegliches Radio/Mikrowellenablenkelement (9) im Innenraum (3) vorhanden, das die aus den Radio/Mikrowellenleitern (8) in den Innenraum (3) vordringende Radio/Mikrowellenstrahlung (ab)lenken kann. Somit kann Radio/Mikrowellenstrahlung gezielt auf bestimmte Absorberelemente (2) beziehungsweise Teilbereiche des Innenraums (3) gelenkt werden. There is also a movable radio/microwave deflection element (9) in the interior (3) which can deflect (deflect) the radio/microwave radiation penetrating from the radio/microwave conductors (8) into the interior (3). In this way, radio/microwave radiation can be directed to specific absorber elements (2) or partial areas of the interior (3).
Zum Aufheizen der Absorberelemente (2) wird die von der Radio/Mikrowellengeneratoreinheit erzeugte Radio/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. To heat up the absorber elements (2), the radio/microwave radiation generated by the radio/microwave generator unit is coupled into the interior (3) and absorbed by the absorber elements (2), so that their temperature rises. For example, the absorber elements (2) can be heated to temperatures in the range of 900-2000°C.
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. To release the in the absorber elements (2) generated or stored heat, a gas such as air through a gas inlet opening (6, 6 ') of the device (1) to and through the interior (3) out where it with the Absorber elements (2) comes into direct contact, so that a heat exchange takes place. The heated gas is then fed out again from the interior (3) or the device (1) through a gas outlet opening (7).
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. Furthermore, in the embodiment shown in FIG. 1 there is also a 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 minimize the heat dissipation to the outside to keep.
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).Between the porous insulation (11) and the housing (4) there is 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. The gas that is guided past the outside of the insulation (11) is then brought together with the heated gas and leaves the device through the gas outlet opening (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. Furthermore, cold gas is used for external cooling of the insulation layer (11) between the interior (3) and the housing, which enters via gas inlet openings (12, 12'), is guided past the insulation layer (11) and to the gas outlet opening (7) again exit.
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 Radio/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. In the second embodiment of the device and method of the present invention shown in FIG. 2, a cavity resonator is used to generate the radio/microwaves coupled into the interior (3) for heating the absorber elements (2), the bottom and top of which are on opposite sides of the interior existing plates (13, 13 ') is formed, which are supplied with high-frequency alternating current.
Der so gebildete Hohlraumresonator ist entlang der Längsachse des Innenraums verschiebbar, wodurch Radio/Mikrowellen in unterschiedlichen Bereichen des Innenraums (3) eingekoppelt werden können. Somit können jeweils im Bereich des erzeugten Radio/Mikrowellenfeldes befindliche Absorberelemente (2) aufgeheizt werden. The cavity resonator formed in this way can be displaced along the longitudinal axis of the interior space, as a result of which radio/microwaves can be coupled into different areas of the interior space (3). In this way, absorber elements (2) located in the area of the generated radio/microwave field can be heated.
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. 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).

Claims

Patentansprüche 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 Radio/Mikro- wellengeneratoreinheit (5), die Radio/Mikrowellen zur Erhitzung der Absorberelemente (2) erzeugt und eine oder mehrere Gaseintrittsöffnungen (6) sowie eine oder mehrere Gasaustrittsöffnungen (7) umfasst, wobei die das oder die Absorberelemente (2) der Vorrichtung so eingerichtet sind, dass sie auf eine Temperatur von mindestens 200 °C, vorzugsweise mindestens 300 °C aufgeheizt werden können. Vorrichtung nach Anspruch 1 , wobei die Radio/Mikrowellengeneratoreinheit (5) außerhalb des Gehäuses (4) angeordnet ist und die darin erzeugte Radio/Mikrowellenstrahlung mittels Radio/Mikrowellendurchtrittselementen (8) in den Innenraum (3) geführt wird. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die außerhalb des Gehäuses (4) angeordnete Radio/Mikrowellengeneratoreinheit (5) relativ zu dem/den Absorberelementen (2) bewegt werden kann. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Vorrichtung eine oder mehrere gegebenenfalls bewegliche Ablenkeinheiten (9) zur Lenkung der in den Innenraum geführten Radio/Mikrowellenstrahlung umfasst. Vorrichtung nach Anspruch 1 , wobei die Radio/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. Vorrichtung nach Anspruch 5, wobei die Plattenkondensatoren (13, 13‘) relativ zu dem oder den Absorberelementen (2) bewegt werden können. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das keramische Material eine Oxidkeramik umfasst. Vorrichtung nach Anspruch 7, wobei das oder die Absorberelemente (2) zumindest zwei verschiedene keramische Materialien umfassen. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das oder die Absorberelemente (2) ortsfest im Innenraum (3) angeordnete Elemente oder lose geschüttete Elemente umfasst. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, die einen externen Wärmespeicher umfasst. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei in der Vorrichtung keine Vorrichtungen zur Zuführung von Wasser zu den Absorberelementen (2) vorhanden sind. Verfahren zur Erzeugung von Wärme und 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 Radio/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. Verfahren nach Anspruch 12, in dem eine Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9 verwendet wird. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, wobei die Radio/Mikrowellen Frequenzen im Bereich von 10 kHz bis 1000 GHz aufweisen, vorzugsweise im Bereich von 30 kHz bis 500 GHz. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, wobei zur Speicherung der Wärme das oder die Absorberelemente (2) auf eine Temperatur von mindestens 200 °C, vorzugsweise von mindestens 300 °C, weiter bevorzugt von 900 bis 2400 °C aufgeheizt werden. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 15, wobei zur Abgabe der Wärme die Temperatur des Gases nach dem Wärmeaustausch mit dem oder den Absorberelementen (2) mindestens 200 °C, vorzugsweise mindestens 300 °C, weiter bevorzugt 900 °C bis 2400 °C beträgt. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 16, wobei kein Stoffeintrag in das an den Absorberelementen vorbeigeführten Gas erfolgt. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 17, wobei der Wärmetausch zwischen den Absorberelementen (2) und dem an den Absorberelemente (2) vorbeigeführten Gas direkt erfolgt. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 18, wobei die Erzeugung von Wärme und/oder die Speicherung dieser Wärme, zumindest zeitweise zeitlich versetzt von der Abgabe derselben an ein Gas erfolgt und/oder wobei die erzeugte und/oder gespeicherte Wärme sich von der an das Gas abgegebenen Wärme zumindest zeitweise im Betrag unterscheidet. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 19, wobei der Strom zur Erzeugung der Radio/Mikrowellen ganz oder teilweise durch regenerative Energieerzeugung gewonnen wurde. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 20, wobei das erhitzte Gas zur Erwärmung eines externen Wärmespeichers verwendet wird. Device for generating and storing heat and releasing it to a gas, characterized in that it comprises one or more absorber elements (2) which comprise or are formed from ceramic material and which are arranged in the interior (3) of a housing (4). are that a gas can flow through them, a radio/microwave generator unit (5) which generates radio/microwaves for heating the absorber elements (2) and includes one or more gas inlet openings (6) and one or more gas outlet openings (7). , wherein the one or more absorber elements (2) of the device are set up in such a way that they can be heated to a temperature of at least 200 °C, preferably at least 300 °C. Device according to claim 1, wherein the radio/microwave generator unit (5) is arranged outside the housing (4) and the radio/microwave radiation generated therein is guided into the interior (3) by means of radio/microwave passage elements (8). Device according to claim 1 or 2, wherein the radio/microwave generator unit (5) arranged outside the housing (4) can be moved relative to the absorber element(s) (2). Device according to one of the preceding claims, wherein the device comprises one or more optionally movable deflection units (9) for directing the radio/microwave radiation guided into the interior. Device according to Claim 1, in which the radio/microwave generator unit (5) is designed as a cavity resonator, the cover and base of the cavity resonator being formed by plate capacitors (13, 13') which are located on opposite sides of the interior (3). Device according to Claim 5, in which the plate capacitors (13, 13') can be moved relative to the absorber element or elements (2). Apparatus according to any one of the preceding claims, wherein the ceramic material comprises an oxide ceramic. Device according to Claim 7, in which the absorber element or elements (2) comprise at least two different ceramic materials. Device according to one of the preceding claims, in which the absorber element or elements (2) comprises elements arranged in a stationary manner in the interior space (3) or loosely poured elements. Device according to one of the preceding claims, which comprises an external heat accumulator. Device according to one of the preceding claims, wherein there are no devices for supplying water to the absorber elements (2) in the device. Method for generating heat and storing this heat and releasing it to a gas, characterized in that one or more absorber elements (2) which comprise or are formed from ceramic material and which are arranged in the interior (3) of a housing (4). are heated by means of radio/microwaves and a gas is guided past the heated absorber element or elements (2) in such a way that it is heated by heat exchange with the absorber element or elements (2). A method according to claim 12, in which an apparatus according to any one of claims 1 to 9 is used. Method according to claim 12 or 13, wherein the radio/microwave have frequencies in the range from 10 kHz to 1000 GHz, preferably in the range from 30 kHz to 500 GHz. Method according to one of Claims 12 to 14, the absorber element or elements (2) being heated to a temperature of at least 200°C, preferably at least 300°C, more preferably from 900 to 2400°C, to store the heat. The method according to any one of claims 12 to 15, wherein the temperature of the gas after the heat exchange with the absorber element or elements (2) is at least 200 °C, preferably at least 300 °C, more preferably 900 °C to 2400 °C to release the heat . Method according to one of Claims 12 to 16, in which no substance is introduced into the gas which is guided past the absorber elements. Method according to one of Claims 12 to 17, in which the heat exchange between the absorber elements (2) and the gas conducted past the absorber elements (2) takes place directly. The method according to any one of claims 12 to 18, wherein the generation of heat and / or the storage of this heat, at least temporarily offset in time from the release of the same to a gas and / or wherein the generated and / or stored heat from the to the Gas emitted heat at least temporarily differs in amount. Method according to one of Claims 12 to 19, in which the electricity for generating the radio/microwaves was obtained in whole or in part by regenerative energy generation. A method according to any one of claims 12 to 20, wherein the heated gas is used to heat an external heat store.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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DE2448732A1 (en) * 1974-10-12 1976-06-16 Rinn Manfred Josef Electric steam generator with boiler - which contains microwave electrodes and porous ceramic body with central water inlet and steam outlet
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