und mit solchen Formkörpern aufgebauter Wärmetauscher TECHNISCHES GEBIET DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Formkörper zum Temperieren eines Fluids und einen Wärmetauscher mit wenigstens einem Wärmebett, das wenigstens einen solchen Formkörper aufweist. Die vorliegende Erfindung betrifft ferner einen Thermoreaktor, insbesondere zur regenerativen thermischen Oxidation von brennbaren Stoffen in einem Abluft- oder Abgasstrom, der wenigstens einen solchen Wärmetauscher als Regenerator aufweist.

TECHNISCHER HINTERGRUND

Thermoreaktoren, insbesondere solche in Anlagen zur regenerativen thermischen

Oxidation (RTO) von brennbaren Stoffen in einem Abluft- oder Abgasstrom, weisen typischerweise eine mit einem thermisch umzusetzenden Gasstrom beaufschlagte Brennkammer und wenigstens zwei Regeneratoren zum Beispiel unterhalb der Brennkammer auf. Bevorzugt wird dabei einer der Regeneratoren in einem bestimmten Betriebszustand des Thermoreaktors mit einem (ersten) Gasstrom beaufschlagt, welcher der Brenn- kammer zugeführt wird, während der andere Regenerator mit einem (zweiten) Gasstrom beaufschlagt wird, der aus der Brennkammer austritt. Üblicherweise erhält der erste Gasstrom aus dem durchströmten Regenerator eine gewisse Menge an Wärmeenergie, während der zweite Gasstrom seinerseits Wärmeenergie an den zugeordneten Regenerator abgibt. Zur Zwischenspeicherung von Wärmeenergie werden in Regeneratoren neben wärmespeichernden Schüttungen (z.B. Kugeln, Sattelkörper, etc.) alternativ oder zusätzlich Wärmebetten mit zum Beispiel keramischen Formkörpern eingesetzt. Diese zeichnen sich durch eine vorhersagbare und homogene Druckdifferenz bei einer gewissen Durchströmung des jeweiligen Wärmebetts aus, da sich in den Kanälen der Formsteine in der Regel eine laminare Strömung des durch den Regenerator hindurch geleiteten Fluids (Gas oder Flüssigkeit) ausbildet.

Die thermische Effizienz und die Standzeit der Regeneratoren sind wichtige Parameter für die effiziente Nutzung solcher Regeneratoren. Die thermische Effizienz und die Standzeit werden dabei jedoch durch die Bildung von Ablagerungen innerhalb der Regeneratoren mit nachfolgendem abschnittweisen Verstopfen einzelner Strömungskanäle oder ganzer Formsteine in den Wärmebetten beeinflusst (so genanntes "Verblocken"), Dieses

"Verblocken" entsteht insbesondere durch Ausfällen von Feststoffen aus dem durchgeleiteten Fluid, wobei sich gewisse Feststoffe an den Kanalwänden absetzen und dort ansammeln. So kommt es beispielsweise bei der Reinigung von siloxanhaltigen Ablüften zum Ausfall von Si-Oxiden an den Kanalwänden.

Die Verblockung der Regeneratoren hat zur Folge, dass die Wärmebetten von betroffenen RTO-Anlagen in regelmäßigen Abständen von den Ablagerungen befreit bzw. die betroffenen Formkörper der Wärmebetten ausgetauscht werden müssen. Für diese

Wartungsarbeiten muss die RTO-Anlage abgeschaltet und heruntergekühlt werden, bevor die Formkörper der Wärmebetten gereinigt bzw. ausgetauscht werden können. Bis die RTO-Anlage wieder betriebsbereit ist, vergehen typischerweise 2 bis 3 Arbeitstage.

Während dieser Zeit kann der an die RTO-Anlage angeschlossene Produktionsbereich in der Regel nicht in vollem Umfang arbeiten, sodass die Standzeit, d.h. die Zeit bis zu einem Verblocken der Wärmebetten, eines Regenerators einer RTO-Anlage ein entscheidender Faktor für die Effizienz und Wirtschaftlichkeit der Anlage sein kann.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Es ist eine Aufgabe der Erfindung, einen verbesserten Wärmetauscher zu schaffen, der die oben beschriebenen Nachteile im Stand der Technik vermeidet oder zumindest vermindert.

Es soll insbesondere ein Wärmetauscher mit einer guten thermischen Effizienz und einer guten Widerstandsfähigkeit gegen ein Verblocken seiner Strömungskanäle geschaffen werden.

Eine andere Aufgabe der Erfindung ist es, einen Formkörper zum Temperieren einer Fluidströmung bereitzustellen, der ein günstiges Verhältnis erreicht zwischen einer möglichst geringen Masse des Formkörpers einerseits und einem größtmöglichen dynamischen Wärmeaufnahmevermögen andererseits. Diese Aufgabe wird gelöst durch die Lehre der unabhängigen Ansprüche. Besonders bevorzugte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben. Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung weist ein Formkörper zum Temperieren eines Fluids einen Block aus einem wärmeleitenden Material, der durch eine Grundfläche und eine senkrecht zur Grundfläche verlaufende Höhe definiert ist, auf. Der Block weist im Querschnitt parallel zu seiner Grundfläche eine Vielzahl von Zellen auf, wobei diese Zellen jeweils eine Querschnittsform parallel zur Grundfläche des Blocks in Form eines regelmäßigen Vielecks haben. In dem Block ist ferner eine Vielzahl von Kanälen ausgebildet, die im Wesentlichen parallel zueinander und zur Höhenrichtung des Blocks verlaufen, wobei jeder dieser Kanäle in einer Zelle derart vorgesehen ist, dass zwischen den Kanälen in benachbarten Zellen eine Innenwand vorhanden ist. Die Querschnittsform der Zellen in Form regelmäßiger Vielecke hat den Vorteil, dass die Zellen mit geringem Abstand zueinander nebeneinander angeordnet werden können, um zum Beispiel ein Wärmebett eines Regenerators aufzubauen. Außerdem können die Kanäle in den Zellen bei dieser Querschnittsform der Zellen sicher voneinander getrennt werden.

Der Block des Formkörpers ist aus einem wärmeleitenden Material gebildet. Das wärmeleitende Material hat vorzugsweise eine thermische Leitfähigkeit von wenigstens etwa 1 ,5 W/mK, bevorzugt von wenigstens etwa 2,0 W/mK oder mehr. Außerdem hat das wärmeleitende Material vorzugsweise einen niedrigen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von höchstens etwa 1 -10 ^-4 K ^~1 , bevorzugt von höchstens etwa 1 ·10 ⁵ K ^" , 8· I CH ³ K ^~1 oder weniger (jeweils bei 800°C). Ferner hat das wärmeleitende Material vorzugsweise eine hohe spezifische Wärmekapazität von wenigstens etwa 500 J/kgK, bevorzugt von wenigstens etwa 800 J/kgK oder mehr. Darüber hinaus hat ein bevorzugtes wärmeleitendes Material eine Erweichungstemperatur von wenigstens etwa 1 .000X, bevor- zugter von wenigstens etwa 1.200°C, noch bevorzugter von wenigstens etwa 1.400°C.

Das wärmeleitende Material für den Formkörper ist vorzugsweise ausgewählt aus Keramiken, Ziegel, Ton, Metallen, Edelmetallen, Kieselerde, Karbiden, Graphit oder dergleichen hochtemperaturstabilen Materialien. Besonders bevorzugt werden Keramiken mit einem Anteil von mehr als 50% an Siliziumoxid und/oder Aluminiumoxid. Unter einer Grundfläche des Blocks soll im Sinne der Erfindung insbesondere eine senkrecht zur Höhenrichtung des Blocks verlaufende Oberfläche des Blocks verstanden werden, aber auch eine ebene, zur Höhenrichtung des Blocks senkrechte Projektions- fläche einer Oberfläche des Blocks. Dabei kann diese Oberfläche des Blocks selbst zumindest abschnitt- oder ausschnittweise eben, gestuft und/oder gewölbt ausgebildet oder ausgeführt sein.

Die Querschnittsform der Zellen parallel zur Grundfläche des Blocks hat vorzugsweise die Form eines Dreiecks, Quadrats, Pentagons, Hexagons oder Oktagons, wobei die hexa- gonale Querschnittsform besonders bevorzugt ist.

Der Block weist gemäß der Erfindung eine Vielzahl von Zellen mit einer Querschnittsform in der Form eines regelmäßigen Vielecks auf. Die Zellen sind bevorzugt Einheitszellen, d.h. im Wesentlichen identisch ausgestaltete und dimensionierte Zellen. Darüber hinaus kann der Block - insbesondere je nach Grundflächenform des Blocks und Querschnittsform dieser Zellen - aber auch weitere Zellen mit anderen Querschnittsformen aufweisen. Solche Zellen mit anderen Querschnittsformen können bevorzugt im Randbereich des Blocks vorhanden sein. Es kann jedoch auch vorteilhaft sein, wenn die Zellen des Blocks mindestens zwei Einheitszellen unterschiedlicher Ausgestaltung und/oder Dimensionierung aufweisen. Vorzugsweise sind die unterschiedlichen Zellen dabei jeweils in einer "Superzelle" in einem Zellmuster angeordnet, wobei der Block bevorzugt aus einer Mehrzahl solcher Superzellen gebildet werden kann. Unter einem Zellmuster soll dabei insbesondere eine sich wiederholende Anordnung von Zellen in einer Superzelle oder einem Block verstanden werden.

Die Kanäle sind vorzugsweise im Wesentlichen mittig in den einzelnen Zellen positioniert.

Der Block des Formkörpers ist vorzugsweise einstückig ausgebildet. Entsprechend sind die Zellen des Blocks nicht durch separate Bauteile gebildet, sondern innerhalb des

Blocks als fiktive geometrische Formen definiert. In anderen Ausführungsformen der Erfindung können die Zellen auch durch einzelne Zellenkörper ausgebildet sein, die zu dem Block zusammengefügt sind. In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung haben die Kanäle jeweils eine Querschnittsform parallel zur Grundfläche des Blocks in Form eines Kreises. Der kreisförmige Querschnitt der Kanäle ist im Hinblick auf die Wärmeübertragung zwischen dem durch die Kanäle hindurch geleiteten Fluid und dem Formkörper besonders effizient, sodass durch diese Ausgestaltung auch die thermische Effizienz eines Gesamtsystems (zum Beispiel eines entsprechend ausgerüsteten Thermoreaktors) verbessert werden kann.

In einer anderen bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung haben die Kanäle jeweils eine Querschnittsform parallel zur Grundfläche des Blocks in Form eines regelmäßigen Vielecks. Die Querschnittsform der Kanäle hat vorzugsweise die Form eines Dreiecks, Quadrats, Pentagons, Hexagons oder Oktagons, wobei die hexagonale Querschnittsform besonders bevorzugt ist. Vorzugsweise haben die Kanäle dabei jeweils eine Querschnittsform parallel zur Grundfläche des Blocks in Form eines dem regelmäßigen Vieleck der Zellen entsprechenden Vielecks, sodass eine Wandstärke der Innenwände zwischen benachbarten Kanälen im Wesentlichen konstant ist.

In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung beträgt ein hydraulischer Durchmesser eines Kanals wenigstens etwa 2,30 mm und/oder höchstens etwa 5,00 mm. Bevorzugt ist der hydraulische Durchmesser der Kanäle ausgewählt aus den Werten 2,34 mm, 2,61 mm, 2,81 mm, 2,90 mm, 4,85 mm und 4,87 mm. Im Fall von Kanälen mit einer kreisförmigen Querschnittsform entspricht der hydraulische Durchmesser im Wesentlichen dem Kreisdurchmesser der Querschnittsform. Im Fall von anderen Kanalgeometrien entspricht der hydraulische Durchmesser im Wesentlichen dem Durchmesser eines innen an die Querschnittsform anliegenden Kreises (Inkreis-Durchmesser).

In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung beträgt eine minimale Wandstärke einer Innenwand zwischen benachbarten Kanälen wenigstens etwa 0,20 mm und/oder höchstens etwa 1 ,00 mm. Bevorzugt ist die Wandstärke ausgestaltet in einem Wertebereich zwischen 0,25 mm und 0,89 mm. Besonders bevorzugte Einzelwerte für eine im Wesentlichen einheitliche Wandstärke aller Kanäle sind 0,23 mm, 0,25 mm, 0,48 mm, 0,56 mm und 0,81 mm. Es wurde herausgefunden, dass bei einer solchen (vorzugsweise einheitlichen) Festlegung der Wandstärke aller Kanäle bei einem erfindungsgemäßen Formkörper ein Optimum erreicht werden kann zwischen möglichst geringer Masse des Blocks einerseits und größtmöglichem Wärmeaufnahmevermögen andererseits. Dies gilt besonders bei Verwendung eines Materials mit einer thermischen

Leitfähigkeit zwischen etwa 1 ,5 W/mK und 8,0 W/mK und einer (mittleren) Strömungsgeschwindigkeit einer die Kanäle passierenden gasförmigen Fluidströmung zwischen 1 m/s und 6,5 m/s.

In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung beträgt ein Quotient aus einem hydraulischen Durchmesser eines Kanals zu einer minimalen Wandstärke der Innenwand zwischen benachbarten Kanälen höchstens etwa 6,0, bevorzugt höchstens etwa 5,5. Im Speziellen liegt der genannte Quotient zwischen 4,1 und 5,9 bei Verwendung eines Materials mit einer thermischen Leitfähigkeit zwischen etwa 1 ,5 W/mK und

8,0 W/mK und einer (mittleren) Strömungsgeschwindigkeit einer die Kanäle passierenden gasförmigen Fluidströmung zwischen 1 m/s und 6,5 m/s. Die Viskosität der gasförmigen Fluidströmung kann dabei zwischen 20 pPa-s und 40 pPa s liegen. Es wurde heraus- gefunden, dass bei einer solchen (vorzugsweise einheitlichen) Festlegung des

Verhältnisses zwischen hydraulischem Durchmesser der Kanäle und Wandstärke der Kanäle bei einem erfindungsgemäßen Formkörper ein Optimum erreicht werden kann zwischen möglichst geringer Masse des Blocks einerseits und größtmöglichem Wärmeaufnahmevermögen andererseits.

In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung beträgt eine hydraulische Strömungsquerschnittsfläche eines Kanals wenigstens etwa 50% und/oder höchstens etwa 65% in Bezug auf eine Querschnittsfläche der Zelle. Auch eine solche Auslegung trägt zu einer Optimierung des Verhältnisses zwischen möglichst kleiner Masse des Blocks und möglichst großem Wärmeaufnahmevermögen bei. Im Speziellen liegt der genannte Wert zwischen 51 % und 63% bei Verwendung eines Materials mit einer thermischen Leitfähigkeit zwischen etwa 1 ,5 W/mK und 8,0 W/mK und einer (mittleren) Strömungsgeschwindigkeit einer die Kanäle passierenden gasförmigen Fluidströmung zwischen 1 m/s und 6,5 m/s. Die Viskosität der gasförmigen Fluidströmung kann dabei zwischen 15 pPa-s und 40 pPa^s liegen.

In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung beträgt eine offene Querschnittsfläche eines Kanals wenigstens etwa 50% und/oder höchstens etwa 75% in Bezug auf eine Querschnittsfläche der Zelle. In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist eine Nußelt-Zahl eines Kanals für eine laminare Strömung in Abhängigkeit von dem im jeweiligen Anwendungsfall durch den Kanal hindurch strömenden Fluid so gewählt, dass sie wenigstens etwa 3,5, bevorzugt wenigstens etwa 4,0, und/oder höchstens etwa 4,5 beträgt. Die Nußelt-Zahl ist dabei als dimensionslose Größe definiert als ein Produkt des hydraulischen Durchmessers mit dem Quotienten aus dem Wärmeübergangskoeffizienten zum Wärmeleitfähigkeitskoeffizienten. Eine derartige Gestaltungswahl wird besonders bevorzugt bei gleichzeitiger Ausführung des Blocks aus einem keramischen Material mit einem Anteil von mehr als 50% Aluminium- und/oder Silizium-Oxiden. Eine derartige Gestaltungswahl wird besonders bevorzugt bei gleichzeitiger Ausführung des Blocks aus einem Material zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Blocks, welches eine thermische Leitfähigkeit zwischen etwa 1 ,5 W/mK und 8 W/mK aufweist. Optional kann vorgesehen sein, dass ein entsprechend gestalteter Formkörper von einer gasförmigen Fluidströmung mit einer (mittleren) Strömungsgeschwindigkeit zwischen 1 m/s und 6,5 m/s passiert wird. Die Viskosität der gasförmigen Fluidströmung kann dabei zwischen 15 pPa s und 40 pPa-s liegen.

In einer noch weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung sind die die Kanäle begrenzenden Wände mit einer Schutzschicht zum Beispiel in Form einer Schutzschicht aus Nanopartikeln versehen. Zur Realisierung einer erfindungsgemäßen Schutzschicht werden insbesondere Partikel aus Siliziumoxid, Titandioxid, Aluminiumoxid, Eisenoxid, Zinkoxid, Siliziumcarbid, Eisencarbid, Wolframcarbid, Titannitrid, Bornitrid sowie Borcarbid vorgeschlagen, deren größte Ausdehnung jeweils kleiner sei als 100 nm. Eine derartige "Nano-Schutzschicht" erzeugt erfindungsgemäß eine im Nano-Maßstab raue Oberfläche an den Innenwandungen der Kanäle, so dass sich mikroskopisch kleine Wirbel an der Kanaloberfläche bilden. Ein Ablagern von (aus dem durch den Formkörper hindurch strömenden Fluid ausgefällten oder aus anderen Gründen im Fluid mitgeführten) Fest- stoffpartikeln wird so verhindert bzw. verlangsamt. Auf diese Weise kann einem "Ver- blocken" der Kanäle wirksam vorgebeugt werden. In bevorzugten Ausbildungen weist die

Schutzschicht eine Oberflächenrauheit Ra von weniger als 25 pm, insbesondere weniger als 10 pm, besonders bevorzugt von weniger als 2,5 pm auf, Bevorzugt kann die Schutzschicht als eine hydrophobe Schicht ausgebildet sein. In anderen Anwendungen kann es jedoch auch vorteilhaft sein, die Schutzschicht hydrophil auszubilden. In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist eine Strukturlänge der Querschnittsform eines Kanals auf etwa 3,5 mm, bevorzugt auf etwa 3,0 mm begrenzt. Als Strukturlänge der Querschnittsform eines Kanals wird bei einem n-eckigen Kanal eine Kantenlänge des relevanten n-Ecks verstanden. Es wurde herausgefunden, dass eine Neigung zur Bildung von Ablagerungen von bei Temperaturen zwischen 400°C und 1.100°C aus einer gasförmigen Fluidströmung ausgefällten Feststoffen ab einer

"kritischen Strukturlänge" stark zunimmt. Konkret beträgt für einen Kanal mit hexagonaler Querschnittsform die kritische Strukturlänge in Bezug auf eine Ablagerung von Silizium- oxiden etwa 2,82 mm, wenn der Kanal mit einem siloxanhaltigen Abgas bei einer

Geschwindigkeit zwischen 1 m/s und 6,5 m/s durchströmt wird. Die Viskosität des Abgases kann dabei zwischen 15 sPa-s und 40 Pa-s liegen. Durch eine Begrenzung der Strukturlänge des Kanalquerschnitts kann allgemein ein Ablagern von (aus der Fluidströmung bei höheren Temperaturen ausgefällten oder aus anderen Gründen in der Fluidströmung mitgeführten) Feststoffen an einer Kanalwand reduziert werden. Für gasförmige Fluide mit einem Stickstoffanteil von mehr als 60 Vol.-% wird daher eine

Begrenzung der Strukturlänge der Querschnittsform eines n-eckigen Kanals auf 3,5 mm vorgeschlagen. In einer noch weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weist die Querschnittsform der Kanäle wenigstens einen konkaven (d.h. nach innen gewölbten) Abschnitt auf. Vorzugsweise weist die Querschnittsform der Kanäle alternierend mehrere konkave Abschnitte und mehrere konvexe Abschnitte auf. Diese spezielle Struktur der Querschnittsfläche der Kanäle kann vorzugsweise ein Ablagern von (aus dem durch den Formkörper hindurch strömenden Fluid ausgefällten oder aus anderen Gründen im Fluid mitgeführten) Feststoffpartikeln und damit ein Verblocken der Kanäle verhindern bzw. verlangsamen.

Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung weist ein Wärmetauscher wenigstens ein Wärmebett auf, das wenigstens einen oben beschriebenen Formkörper der Erfindung aufweist. In einer Ausgestaltung weist ein erfindungsgemäßer Wärmetauscher wenigstens ein Wärmebett auf, das wenigstens einen Formkörper zum Temperieren eines Fluids aufweist, wobei der Formkörper einen Block aus einem wärmeleitenden Material aufweist, der durch eine Grundfläche und eine senkrecht zur Grundfläche verlaufende Höhe definiert ist, wobei der Block im Querschnitt parallel zu seiner Grundfläche eine Vielzahl von Zellen aufweist, wobei die Zellen jeweils eine Querschnittsform parallel zur Grundfläche des Blocks in Form eines regelmäßigen Vielecks haben, wobei in dem Block eine Vielzahl von Kanälen ausgebildet ist, die im Wesentlichen parallel zueinander und zur Höhenrichtung des Blocks verlaufen, und wobei jeder der Kanäle in einer Zelle derart vorgesehen ist, dass zwischen den Kanälen in benachbarten Zellen eine Innenwand vorhanden ist.

In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weist das Wärmebett mehrere Formkörper auf, die parallel zur Grundfläche der Formkörper nebeneinander und bevorzugt ohne Abstand zueinander angeordnet sind. Auf diese Weise lassen sich ein hindurch zu leitender Fluidstrom auf eine beliebig erweiterbare Anzahl von Formkörpern aufteilen und so der Volumenstrom pro Formkörper und die entsprechende Strömungsgeschwindigkeit einstellen. Als bevorzugte Strömungsgeschwindigkeit hat sich ein Wert zwischen 1 m/s und 6,5 m/s ergeben.

In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weist der Wärmetauscher wenigstens zwei Wärmebetten auf, die in der Höhenrichtung der Formkörper übereinander angeordnet sind. Die Kanäle der übereinander angeordneten Formkörper sind vorzugsweise im Wesentlichen koaxial oder parallel zueinander ausgerichtet, haben vorzugsweise gleiche Querschnittsformen und/oder haben vorzugsweise gleiche

Abmessungen. Durch ein Übereinanderschichten von Wärmebetten kann die Wärmeaufnahmekapazität des Wärmetauschers eingestellt werden. Dabei hat sich herausgestellt, dass bei einer Anzahl von 5 bis 9 Schichten gleichartiger Wärmebetten eine Gesamthöhe des Wärmetauschers von 1 ,2 m bis 3,5 m und eine entsprechende gesamte Länge an durchströmbaren Kanälen erreichbar ist. Eine derartige Gestaltungswahl wird besonders bevorzugt bei gleichzeitiger Ausführung einer Vielzahl von Wärmetauscher- Blöcken aus einem keramischen Material mit einem Anteil von mehr als 50% Aluminium- und/oder Silizium-Oxiden. Eine derartige Gestaltungswahl wird besonders bevorzugt bei gleichzeitiger Ausführung der Wärmetauscher-Blöcke aus einem Material zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Blocks, welches eine thermische Leitfähigkeit zwischen etwa 1 ,5 W/mK und 8 W/mK aufweist. Optional kann vorgesehen sein, dass ein entsprechend gestalteter Wärmetauscher von einer gasförmigen Fluidströmung mit einer (mittleren) Strömungsgeschwindigkeit zwischen 1 m/s und 6,5 m/s passiert wird. Die Viskosität der gasförmigen Fluidströmung kann dabei zwischen 15 pPa-s und 40 pPa-s liegen.

In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung beträgt eine Höhe des

Wärmebetts in der Höhenrichtung der Formkörper wenigstens etwa 20 cm, bevorzugt wenigstens etwa 25 cm, und/oder höchstens etwa 50 cm, bevorzugt höchstens etwa 40 cm.

In einer noch weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung beträgt eine Höhe des Wärmetauschers in der Höhenrichtung der Formkörper wenigstens etwa 100 cm, bevorzugt wenigstens etwa 150 cm, und/oder höchstens etwa 300 cm, bevorzugt höchstens etwa 200 cm.

Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung weist ein Thermoreaktor eine Brennkammer und einen Regenerator auf, wobei der Regenerator als ein oben beschriebener Wärmetauscher der Erfindung ausgestaltet ist. Der erfindungsgemäße Thermoreaktor ist insbesondere in Anlagen zur regenerativen thermischen Oxidation von brennbaren

Stoffen in einem Abluft- oder Abgasstrom in vorteilhafter Weise einsetzbar. Die Kanäle der Formkörper sind vorzugsweise zur Brennkammer hin offen, sodass das Fluid durch die Regeneratoren in die Brennkammer bzw. aus der Brennkammer strömen kann. In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weist ein Thermoreaktor, insbesondere zur regenerativen thermischen Oxidation von brennbaren Stoffen in einem Abluft- oder Abgasstrom, eine Brennkammer und einen Regenerator auf, wobei der Regenerator wenigstens ein Wärmebett mit wenigstens einem Formkörper zum Temperieren eines Fluids aufweist, wobei der Formkörper einen Block aus einem wärmeleitenden Material aufweist, der durch eine Grundfläche und eine senkrecht zur Grundfläche verlaufende

Höhe definiert ist, wobei der Block im Querschnitt parallel zu seiner Grundfläche eine Vielzahl von Zellen aufweist, wobei die Zellen jeweils eine Querschnittsform parallel zur Grundfläche des Blocks in Form eines regelmäßigen Vielecks haben, wobei in dem Block eine Vielzahl von Kanälen ausgebildet ist, die im Wesentlichen parallel zueinander und zur Höhenrichtung des Blocks verlaufen, und wobei jeder der Kanäle in einer Zelle derart vorgesehen ist, dass zwischen den Kanälen in benachbarten Zellen eine Innenwand vorhanden ist. Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung weist ein Thermoreaktor eine Brennkammer und einen Regenerator auf, wobei der Regenerator einen oder mehrere erfindungsgemäße Formkörper enthält, die insbesondere zu einem Wärmebett zusammengesetzt sind und von einer insbesondere im Wesentlichen gasförmigen Fluidströmung durchströmt werden, wobei die Fluidströmung eines oder mehrere der folgenden Merkmale aufweist:

mittlere Strömungsgeschwindigkeit zwischen 1 m/s und 6,5 m/s,

Viskosität zwischen 15 Pa-s und 40 MPa-s

- Temperatur zwischen 400°C und 1 100°C

- Stickstoffanteil größer als 60 Vol.-%.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Obige sowie weitere relevante Merkmale der erfindungsgemäßen Lösungen ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung verschiedener konkreter Ausführungsbeispiele, für welche die oben genannten Ausführungen umgekehrt ebenfalls anzuwenden sind, anhand der beiliegenden Zeichnung. Darin zeigen, größtenteils schematisch:

Fig. 1 eine Darstellung eines Thermoreaktors gemäß einer ersten Ausführungsform;

Fig. 2 eine Darstellung eines Thermoreaktors gemäß einer zweiten Ausführungsform;

Fig. 2A eine Darstellung eines Thermoreaktors gemäß einer Variante der zweiten

Ausführungsform;

Fig. 2B eine Darstellung eines Thermoreaktors gemäß einer weiteren Variante der zweiten Ausführungsform;

Fig. 3 eine Draufsicht eines Wärmebetts für einen Thermoreaktor von Fig. 1 oder 2; Fig 4 eine vergrößerte Teildraufsicht eines Formkörpers eines Wärmebetts von Fig. 3 gemäß einer ersten Ausführungsform;

Fig 5 eine vergrößerte Teildraufsicht eines Formkörpers eines Wärmebetts von

Fig. 3 gemäß einer zweiten Ausführungsform;

Fig 6 eine vergrößerte Teildraufsicht eines Formkörpers eines Wärmebetts von

Fig. 3 gemäß einer dritten Ausführungsform; Fig. 7 eine vergrößerte Draufsicht einer Zelle eines Formkörpers eines Wärmebetts von Fig. 3 gemäß einer vierten Ausführungsform; und

Fig. 8 eine Schnittansicht eines Regenerators mit mehreren Lagen von Wärmebetten für einen Thermoreaktor von Fig. 1 oder 2.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN

Fig. 1 zeigt einen Thermoreaktor 10, der zum Beispiel in einer Anlage zur regenerativen thermischen Oxidation (RTO) eines brennbare Stoffe, insbesondere flüchtige organische Bestandteile (VOC) enthaltenden Abluft- oder Abgasstroms eingesetzt werden kann, gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel.

Der Thermoreaktor 10 weist eine Brennkammer 12 und zwei unterhalb der Brennkammer 12 angeordnete Regeneratoren 14 auf. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel weist der Thermoreaktor 10 zwei Regeneratoren 14 auf, denen jeweils eine Vorkammer 16 zugeordnet ist. In anderen Ausführungsformen können aber auch drei, vier oder mehr

Regeneratoren 14 vorgesehen sein. In die Brennkammer 12 ragt ein Brenner (nicht dargestellt), über den flüssiger oder gasförmiger Brennstoff und optional auch Verbrennungsluft in die Brennkammer 12 eingeleitet werden. Der Brenner dient zur Erzeugung einer Flamme in der Brennkammer, über die wiederum ein Zünden und Verbrennen der in dem zu reinigenden Rohgas enthaltenen Schadstoffe ermöglicht wird. Die Temperatur in der

Brennkammer 12 kann im Betrieb - u.a. abhängig vom Energieinhalt der im Rohgas enthaltenen brennbaren Stoffe - bis zu etwa 1 .250°C betragen. Die Vorkammern 16 der Regeneratoren 14 sind jeweils mit einer Rohgaszuführung 18 und mit einer Reingasabführung 20 verbunden. Das über die Rohgaszuführung 18 in eine Vorkammer 16 eingeleitete Rohgas wird im jeweiligen Regenerator 14 erwärmt, bevor es in die Brennkammer 12 geleitet wird. Nach einer thermischen Umsetzung des Rohgases in der Brennkammer 12 entsteht heißes Reingas, welches im anderen Regenerator 14 abgekühlt wird, bevor es über die andere Vorkammer 16 und die Reingasabführung 20 in ein Abluftsystem abgeleitet wird. In einem modifizierten Ausführungsbeispiel kann der gekühlte Reingasstrom weiteren Wäremaustausch- und/oder Reinigungsstufen zugeführt werden, bevor das Reingas in die Umgebung oder zur weiteren Verwendung entlassen wird.

In dem Ausführungsbeispiel von Fig. 1 werden der Thermoreaktor 10 und seine

Regeneratoren 14 durch ein Umschalten der Regelventile 22a, 22b in der Rohgaszuführung 18 und der Reingasabführung 29 in gewissen vorgebbaren Zeitintervallen wechselweise in entgegengesetzten Strömungsrichtungen durchströmt. Zur genaueren Funktionsweise eines solchen Thermoreaktors wird an dieser Stelle beispielhaft auf die EP 1 312 861 B1 verwiesen.

Fig. 2 zeigt einen Thermoreaktor 10 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel, der ebenfalls zum Beispiel in einer Anlage zur regenerativen thermischen Oxidation (RTO) eines brennbare Stoffe enthaltenden Abluft- oder Abgasstroms eingesetzt werden kann.

Der Thermoreaktor 10 von Fig. 2 unterscheidet sich von dem Thermoreaktor 10 von Fig. 1 durch eine andere Art der Strömungsregelung. Wie in Fig. 2 dargestellt, sind die Rohgas- Zuführung 18 und die Reingasabführung 20 jeweils mit einem gemeinsamen Rotationsventil 23 verbunden, welches seinerseits mit den Vorkammern 16 beider Regeneratoren 14 verbunden ist. Durch eine Rotation des Rotationsventils 23 werden der Thermoreaktor 10 und seine Regeneratoren 14 auch in diesem Fall in gewissen vorgebbaren Zeitintervallen wechselweise in entgegengesetzten Strömungsrichtungen durchströmt.

Fig. 2A zeigt eine erfindungsgemäße Variante des Ausführungsbeispiels von Fig. 2. In diesem Ausführungsbeispiel weist der Thermoreaktor 10 eine gemeinsame Regeneratorkonstruktion 14 auf, die strömungstechnisch in zwei Bereiche getrennt ist, so dass sich die gleiche Funktionsweise wie bei dem Ausführungsbeispiel von Fig. 2 ergibt. Fig. 2B zeigt eine weitere erfindungsgemäße Variante des Ausführungsbeispiels von Fig. 2. In diesem Ausführungsbeispiel ist der Thermoreaktor 10' mit seinen Regeneratoren 14 drehbar ausgestaltet und über ein gemeinsames Verteilerventil 23' mit der Rohgas- Zuführung 18 und der Reingasabführung 20 verbunden. Eine derartige Konfiguration ist insbesondere bei kleinen Thermoreaktoren 10' vorsehbar.

In weiteren Varianten der Erfindung können die Ausführungsformen von Fig. 2A und 2B auch mit dem Ausführungsbeispiel von Fig. 1 kombiniert werden.

Für Ausführungsformen mit einem rotierenden Thermoreaktor 10' werden für die Reingasströmung vorzugsweise eine mittlere Strömungsgeschwindigkeit zwischen 0,6 m/s und 2,5 m/s sowie eine brennerseitige Temperatur zwischen 700°C und 900°C sowie eine auslassseitige Temperatur zwischen 40° und 150°C eingestellt. Die Viskosität der Rein- gasströmung kann dabei zwischen 15 pPa s und 35 Pa-s liegen.

Für Ausführungsformen mit einem feststehenden bzw. unbeweglichen Thermoreaktor 10 werden für die Reingasströmung vorzugsweise eine mittlere Strömungsgeschwindigkeit zwischen 1 m/s und 6,5 m/s sowie eine brennerseitige Temperatur zwischen 800°C und 1 .100°C sowie eine auslassseitige Temperatur zwischen 60° und 250°C eingestellt. Die Viskosität der Reingasströmung kann dabei zwischen 20 pPa-s und 40 pPa s liegen. Die genannten Werte können besondere Bedeutung erlangen im Zusammenhang mit der nachfolgend beschriebenen Geometrie gewisser Formkörper. Wie in Fig. 1 und 2 angedeutet, weisen die Regeneratoren 14 des Thermoreaktors 10 jeweils mehrere übereinander angeordnete Wärmebetten 24 auf. Diese Wärmebetten 24 sind jeweils aus einer Vielzahl von Formkörpern 26 zusammengesetzt, welche senkrecht zur Stapelrichtung der Wärmebetten (= Höhenrichtung Z der Wärmebetten und der Formkörper) im Wesentlichen ohne Abstand zueinander nebeneinander angeordnet sind, wie in Fig. 3 dargestellt. Vorzugsweise sind die Formkörper 26 eines Wärmebetts 24 im

Wesentlichen identisch zueinander ausgestaltet und dimensioniert. Der bevorzugte Aufbau der Formkörper 26 für die Wärmebetten 24 wird nachfolgend anhand mehrerer Ausführungsbeispiele Bezug nehmend auf Fig. 4 bis 7 in mehr Einzelheiten erläutert. Der Formkörper 26 gemäß dem in Fig. 4 dargestellten ersten Ausführungsbeispiel weist einen Block 27 aus einem keramischen Material auf. Vorzugsweise kann eine Hartkeramik mit einem Anteil von mehr als 50% Aluminium- und/oder Silizium-Oxiden verwendet werden. Bevorzugt werden außerdem Keramikwerkstoffe mit einer Wärmeleitfähigkeit zwischen etwa 1 ,5 W/mK und 8 W/mK (bevorzugt z.B. etwa 2,1 W/mK), einem niedrigen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von höchstens etwa 1 -10 ^'5 K ^_1 (bevorzugt z.B. etwa 6,5-10 ^"6 K ^~ ) bei 800°C, einer hohen spezifischen Wärmekapazität von wenigstens etwa 800 J/kgK (bevorzugt z.B. etwa 910 J/kgK) und einer hohen

Erweichungstemperatur von wenigstens etwa 1 .000°C für den Block 27 verwendet.

Wahlweise können auch andere hochtemperaturstabile Materialien für den Block 27 verwendet werden.

Der Block 27 hat zum Beispiel eine im Wesentlichen rechteckige oder quadratische Grundfläche parallel zur X- Y-Ebene. Wie in Fig. 4 veranschaulicht, ist der Block 27 parallel zu dieser Grundfläche X-Y in eine Vielzahl von Einheitszellen 28 unterteilt, die in diesem Ausführungsbeispiel eine quadratische Querschnittsform haben. Die Einheitszellen 28 grenzen direkt aneinander.

In jeder der Einheitszellen 28 ist ein Kanal 30, 32 ausgebildet. Die Kanäle 30, 32 erstrecken sich im Wesentlichen parallel zueinander und im Wesentlichen parallel zu einer Höhenrichtung Z (senkrecht zur Zeichenebene von Fig. 4) des Blocks 27. Die

Kanäle haben vorzugsweise eine quadratische Querschnittsform (Kanäle 30) oder eine kreisförmige Querschnittsform (Kanäle 32) und sind jeweils im Wesentlichen mittig in den Zellen 28 angeordnet. Wie in Fig. 4 erkennbar, ist zwischen den Kanälen 30, 32 benachbarter Zellen 28 jeweils eine Innenwand 34 vorhanden. Außerdem ist der Block 27 von einer Außenwand 36 umschlossen. Die Kanäle 30, 32 definieren jeweils einen hydraulischen Durchmesser Dh, der bei den quadratischen Kanälen 30 einer Seitenlänge des Quadrats entspricht und bei den kreisförmigen Kanälen 32 einem Durchmesser des Kreises entspricht, und eine hydraulische Strömungsquerschnittsfläche Ah. Im Fall der kreisförmigen Kanäle 32 stimmt die hydraulische Strömungsquerschnittsfläche Ah mit der offenen Strömungsquerschnittsfläche Ao überein, im Fall der quadratischen Kanäle 30 ist die hydraulische Strömungsquerschnittsfläche Ah kleiner als die offene Strömungsquerschnittsfläche Ao der Kanäle.

Die Innenwände 34 zwischen den Kanälen 30, 32 benachbarter Zellen 28 haben eine minimale Wandstärke t. Die Wandstärke t' der Außenwand 36 ist größer bemessen als die minimale Wandstärke t der Innenwand.

Fig. 5 zeigt einen Formkörper 26 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel. Der Formkörper 26 des zweiten Ausführungsbeispiels unterscheidet sich von dem des ersten Ausführungsbeispiels durch die Querschnittsformen der Einheitszellen 28 und der Kanäle 30.

Im zweiten Ausführungsbeispiel von Fig. 5 haben die Einheitszellen 28 eine hexagonale Querschnittsform. Ebenso haben die Kanäle 30 eine hexagonale Querschnittsform. Im Randbereich des Formkörpers 26 können wahlweise auch Zellen 28' und Kanäle 30' mit anderen Querschnittsformen vorhanden sein.

Fig. 6 zeigt einen Formkörper 26 gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel. Der Formkörper 26 von Fig. 6 unterscheidet sich von dem des zweiten Ausführungsbeispiels durch die Querschnittsform der Kanäle 32.

Im dritten Ausführungsbeispiel von Fig. 6 haben die Einheitszellen 28 eine hexagonale Querschnittsform. Die Kanäle 32 haben hingegen eine kreisförmige Querschnittsform. Im Randbereich des Formkörpers 26 können auch hier wahlweise Zellen 28' und Kanäle 32' mit abweichenden Querschnittsformen vorhanden sein.

Die nachfolgende Übersicht vergleicht einige Parameter der Formkörper 26 gemäß den verschiedenen Ausführungsbeispielen miteinander. Dh in mm t in mm DH I X Ah Ao

Q1 3,02 0,71 4,25 50,3% 64,0%

Q2 2,41 0,56 4,30 49,5% 63,0%

H1 4,85 0,89 5,45 60,8% 67,0%

H2 2,90 0,56 5,18 62,0% 68,3%

Y1 4,87 0,81 6,01 63,3% 63,35

Y2 2,81 0,48 5,85 62,6% 62,6%

Υ3 2,34 0,56 4,18 56,0% 56,0%

Q1 und Q2 sind Formkörper 26 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel von Fig. 4 mit quadratischen Kanälen 30, H1 und H2 sind Formkörper 26 gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel von Fig. 5, und Y1 und Y2 und Y3 sind Formkörper 26 gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel von Fig. 6, jeweils in unterschiedlichen Varianten (insbesondere hinsichtlich der Dimensionierung der Kanäle).

Aufgrund theoretischer Modellrechnungen und praktischer Versuche hat sich herausgestellt, dass eine kreisförmige Querschnittsform (Y1 , Y2, Y3) für die thermische Effizienz des Formkörpers von Vorteil ist, und andererseits dünnen Innenwände und große hydraulische Durchmesser (Q2, H2, Y2, Y3) gegen ein Verblocken der Kanäle von Vorteil sind. Außerdem sind die Querschnittsflächen der Zellen 28 in Form regelmäßiger Vielecke (z.B. Quadrat, Hexagon) vorteilhaft für die kompakte und im Wesentlichen abstandslose Anordnung der Zellen 28.

Die dimensionslose Nußelt-Zahl Nu für eine laminare Strömung, die definiert als das Produkt des hydraulischen Durchmessers Dh mit dem Quotienten aus dem Wärmeübergangskoeffizienten k1 zum Wärmeleitfähigkeitskoeffizienten k2, d.h. Nu = Dh-k1/k2, beträgt für die Formkörper Q1 und Q2 mit Kanälen mit quadratischer Querschnittsform zum Beispiel etwa Nu = 3,61 , für die Formkörper H1 und H2 mit Kanälen mit hexagonaler Querschnittsform zum Beispiel etwa Nu = 4,00, und für die Formkörper Y1 , Y2 und Y3 mit Kanälen mit kreisförmiger Querschnittsform zum Beispiel etwa Nu = 4,36.

Fig. 7 zeigt eine Zelle 28 eines Formkörpers 26 gemäß einem vierten Ausführungs- beispiel. Der Formkörper 26 von Fig. 7 unterscheidet sich von dem der zweiten und dritten Ausführungsbeispiele durch die Querschnittsform der Kanäle. Der Kanal 38 der Zelle 28 des Formkörpers 26 dieses Ausführungsbeispiels hat eine sternartige Querschnittsform. Die sternartige Querschnittsform zeichnet sich dadurch aus, dass abwechselnd mehrere konvexe (d.h. nach außen gewölbte) Abschnitte 38a und mehrere konkave (d.h. nach innen gewölbte) Abschnitte 38b vorgesehen sind. Diese konvexen und konkaven Abschnitte 28a, 38b sind ausgehend von einer kreisförmigen Grundform 38' durch sinus- und/ oder kosinusförmige Schwingungen erzielbar. Die Anzahl N der Schwingungen beträgt vorzugsweise N=6 (wie im Beispiel von Fig. 7), kann aber zum Beispiel auch N=8 oder N=12 betragen. Die Abschnitte mit gleichbleibendem

Krümmungsvorzeichen (d.h. konvex, konkav oder geradlinig) des Kurvenzugs sind dabei vorzugsweise kleiner als etwa 2,85 mm. Neben der in Fig. 7 gezeigten Querschnittsform des Kanals 38 sind zahlreiche weitere Varianten denkbar, insbesondere mit sternartigen oder blütenartigen Querschnittsformen. Bezug nehmend auf Fig. 8 wird nun der Aufbau eines Regenerators 14 mit mehreren Lagen a-g von Wärmebetten 24 näher beschrieben.

Der Regenerator 14 ist einem Reaktorgehäuse 40 des Thermoreaktors 10 unterhalb der Brennkammer 12 angeordnet. Die untere Basis des Regenerators 14 bildet ein Gitterrost 42 (z.B. aus Metall oder Edelmetall), auf dem optional ein Streckmetall oder Streckgitter 44 liegt.

Auf dem Gitterrost 42 und dem Streckmetall 44 sind die mehreren Lagen a-g von Wärmebetten 24 angeordnet. Jedes Wärmebett 24 ist aus einer Vielzahl von Formkörpern 26 zusammengesetzt. Die Wärmebetten 24 bzw. Formkörper 26 der Lagen a-f haben jeweils eine Höhe h von zum Beispiel etwa 30 cm, während das Wärmebett 24 bzw. die Formkörper 26 der optionalen obersten Lage eine Höhe h von zum Beispiel nur etwa 15 cm haben, sodass sich für den Regenerator 14 insgesamt eine Höhe H von etwa 195 cm in diesem Ausführungsbeispiel ergibt. Zwischen den Wärmebetten 24 und dem Reaktor- gehäuse 40 ist optional zudem ein sogenannter Sattelkörper 46 aus wärmespeicherndem

Schüttgut vorgesehen.

In diesem Ausführungsbeispiel ist das Wärmebett 24 der untersten Lage a zum Beispiel aus 23x29 Formkörpern 26 des obigen Typs H2 gebildet, sind die Wärmebetten 24 der Lagen b-e zum Beispiel aus 23x29 Formkörpern 26 des obigen Typs Y2 gebildet, ist das Wärmebett 24 der Lage f zum Beispiel aus 21 x27 Formkörpern 26 des obigen Typs Y2 gebildet, und ist das Wärmebett 24 der obersten Lage g zum Beispiel aus 21x27 Formkörpern 26 des obigen Typs H2 gebildet. In einem anderen Ausführungsbeispiel sind die Formkörper 26 der Wärmebetten der äußeren Lagen a und g zum Beispiel vom obigen Typ H2 oder Y2 und sind die Wärmebetten der inneren Lagen b-f zum Beispiel vom obigen Typ Y2 in der sternförmigen Modifikation gemäß dem vierten Ausführungsbeispiel von Fig. 7, Selbstverständlich sind auch noch zahlreiche andere Ausführungsformen für die Lagen a-g der Wärmebetten 24, einschließlich anderer Anzahlen an Wärmebetten und anderer Anzahlen an Formkörpern je Wärmebett möglich. Typische Varianten von Regeneratoren 14 enthalten beispielhaft die folgenden Anzahlen an Formkörpern 26 in X- bzw. Y- Richtung und an Lagen von Wärmebetten 24:

BEZUGSZIFFERNLISTE

10 Thermoreaktor

10' Thermoreaktor

12 Brennkammer

14 Regenerator 16 Vorkammer

18 Rohgaszuführung

20 Reingasabführung

22a Regelventil

22b Regelventil

23 Rotationsventil

23' Verteilerventil

24 Wärmebett

26 Formkörper

27 Block

28 Zelle, Einheitszelle

28' abgewandelte Zelle, Randzelle

30 Kanal (polygonale Querschnittsform)

32 Kanal (kreisförmige Querschnittsform) 34 Innenwand

36 Außenwand

38 Kanal (sternförmige Querschnittsform)

38' kreisförmige Grundform von 38

38a konvexer Abschnitt

38b konkaver Abschnitt

40 Reaktorgehäuse

42 Gitterrost

44 Streckmetall

46 Sattelkörper

Ah hydraulische Strömungsquerschnittsfläche

Ao offene Strömungsquerschnittsfläche

Dh hydraulischer Durchmesser

h Höhe von 24 bzw. 26

H Höhe von 14

t minimale Wandstärke der Innenwand t' Wandstärke der Außenwand

X-Y Grundfläche

Z Höhenrichtung