CH638299A5

CH638299A5 - Device for heating a fluid

Info

Publication number: CH638299A5
Application number: CH470878A
Authority: CH
Inventors: Gustav A Dipl Ing Emmerling; Hardy P Dr Ing Weiss
Original assignee: Sentras Ag
Priority date: 1977-05-04
Filing date: 1978-05-01
Publication date: 1983-09-15
Also published as: GB1603878A; JPS5413056A; FR2389858B1; DE2719958A1; AT361950B; FR2389858A1; SE7805096L; ATA307478A

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erwärmung von Fluiden durch Wärmeübertragung mittels Strahlung auf umströmte oder angeströmte Flächen auf das Fluid. The invention relates to a device for heating fluids by transferring heat to the fluid by means of radiation onto surfaces around which flow or flow occurs.

Es sind viele Vorrichtungen der vorgenannten Art, beispielsweise Wärmetauscher für Autokühler, Ölkühler und Flüssigkeitserhitzer bekannt, bei denen zur Verbesserung des Wärmeübergangs auf ein Fluid die umströmten Flächen möglichst gross gemacht werden, beispielsweise Rippen oder Vorsprünge vorgesehen werden. Es ist auch bereits bekannt (DE-OS 1962488) die wärmeübertragende Oberfläche durch Verwendung metallisierten Schaums weiter zu vergrössern. Nachteilig ist bei den bekannten Vorrichtungen in allen Fällen aber, dass die Wärme durch Wärmeleitung zu den umströmten Oberflächen transportiert werden muss. Wenn dies nicht oder nicht voll gelingt, bringt die Vergrösserung der Oberfläche keine Verbesserung des Wärmeübergangs mehr, sondern erhöht nur den Durchströmungswiderstand. Many devices of the aforementioned type are known, for example heat exchangers for car coolers, oil coolers and liquid heaters, in which the flow areas are made as large as possible in order to improve the heat transfer to a fluid, for example ribs or projections are provided. It is also already known (DE-OS 1962488) to further enlarge the heat transfer surface by using metallized foam. A disadvantage of the known devices in all cases, however, is that the heat must be transported to the surfaces around which the heat flows. If this does not work or does not work fully, increasing the surface area will no longer improve the heat transfer, but will only increase the flow resistance.

Der Erfindung liegt demgemäss die Aufgabe zugrunde, die Übertragung von Wärme auf Fluide zu verbessern, insbesondere einen höheren Wirkungsgrad zu erzielen, ohne den Aufwand zu erhöhen. The object of the invention is accordingly to improve the transfer of heat to fluids, in particular to achieve a higher efficiency, without increasing the outlay.

Die erfindungsgemässe Vorrichtung ist im kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 definiert. The device according to the invention is defined in the characterizing part of patent claim 1.

Es ist dann nicht mehr erforderlich, dass die Wärme durch Wärmeleitung an die umströmten Flächen transportiert wird, sondern das skelettartige Material bzw. die feinen Teilchen nehmen mit ihrer Oberfläche selbst die Wärmeenergie in Form, der Strahlungsenergie auf und können sie dann an der gleichen Stelle wieder an das Fluid durch konvektiven Wärmeübergang abgeben. Es entfällt ein zusätzlicher Wärmeübertragungswiderstand und die Einschränkung, dass Wärmeenergie durch das Material hindurch zu den umströmten Flächen transportiert werden muss. It is then no longer necessary for the heat to be transported to the surfaces by heat conduction, but for the surface of the skeletal material or the fine particles themselves to absorb the heat energy in the form of the radiation energy and then be able to use it again at the same point give up to the fluid by convective heat transfer. There is no additional heat transfer resistance and the restriction that thermal energy has to be transported through the material to the flow areas.

Für Sonnenkollektoren, mit denen die Strahlungswärme der Sonne zur Wärmegewinnung, insbesondere für Heizzwecke benutzt wird, ist es bekannt, ein skelettartiges Material zu verwenden, das von einem Wärmeträger, insbesondere Wasser, umströmt wird. Es ist bisher jedoch nicht versucht worden, dieses Prinzip der Übertragung von Strahlungswärme auf ein Fluid für Wärmeübertragungsvorrichtungen, beispielsweise Durchlauferhitzer oder Reaktionskolonnen für die chemische Industrie anzuwenden. Dort müssen Gase oder Flüssigkeiten leicht regelbar und ohne örtliche Überhitzung aufgeheizt oder auf bestimmte und genaue steuerbare Reaktionstemperaturen gebracht werden. For solar collectors with which the radiant heat of the sun is used for heat generation, in particular for heating purposes, it is known to use a skeleton-like material, around which a heat transfer medium, in particular water, flows. However, no attempt has so far been made to apply this principle of transferring radiant heat to a fluid for heat transfer devices, for example instantaneous water heaters or reaction columns for the chemical industry. There, gases or liquids must be easily regulated and heated without local overheating or brought to specific and precisely controllable reaction temperatures.

Zur möglichst guten Ausnutzung der Strahlungsenergie müssen das skelettartige Material bzw. die feinen Teilchen, nachfolgend wegen ihrer Funktion auch Absorber genannt, eine möglichst hohe Absorptionszahl für die Strahlung besitzen. In bekannter Weise ist zu diesem Zweck die Absorberfläche schon mit besonderen Anstrichen versehen worden. Die erzielbaren Verbesserungen sind jedoch begrenzt und ausserdem führen Alterungserscheinungen und Verschmutzungen bald wieder zu schlechteren Werten. Wenn dagegen der Absorber erfindungs-gemäss aus dem skelettartigen Material bzw. den feinen Teilchen besteht, so kann in an sich bekannter Weise durch Mehrfachreflexionen innerhalb des Materials bzw. zwischen den Teilchen eine praktisch vollständige Absorption erreicht werden. Ähnlich wie bei einem sogenannten schwarzen Kasten, in den ein Strahl durch eine kleine Öffnung eintritt und nach mehreren Reflexionen an den Wänden schliesslich vollständig absorbiert wird, muss die Absorptionszahl für die Materialoberfläche nicht besonders gross sein, weil der jeweils reflektierte Energieanteil des in der räumlichen Struktur bzw. zwischen den Teilchen eingefangenen Strahls bei den nachfolgenden Reflexionen absorbiert wird. Oberflächenveränderungen wirken sich dabei praktisch nicht aus. In order to make the best possible use of the radiation energy, the skeletal material or the fine particles, hereinafter also called absorbers because of their function, must have the highest possible absorption number for the radiation. In a known manner, the absorber surface has already been provided with special coatings for this purpose. The improvements that can be achieved are limited, however, and signs of aging and pollution will soon lead to worse values. If, on the other hand, the absorber according to the invention consists of the skeletal material or the fine particles, a practically complete absorption can be achieved in a manner known per se by multiple reflections within the material or between the particles. Similar to a so-called black box, into which a beam enters through a small opening and is finally completely absorbed after several reflections on the walls, the absorption number for the material surface does not have to be particularly large because the energy component reflected in each case in the spatial structure or absorbed between the particles in the subsequent reflections. Surface changes have practically no effect.

Schliesslich kann trotz grosser Gesamtoberfläche des skelettartigen Materials oder der feinen Teilchen und damit grosser Wärmeübergangsfläche die Masse des Absorbers sehr klein gehalten werden, so dass die Wärmekapazität und damit die Finally, despite the large total surface of the skeletal material or the fine particles and thus the large heat transfer surface, the mass of the absorber can be kept very small, so that the heat capacity and thus the

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thermische Trägheit ebenfalls sehr klein sein kann. Im Fall eines Wärmeträgers mit ebenfalls kleiner thermischer Trägheit, also insbesondere gasförmigen Wärmeträgern, folgt dann die Temperatur des Systems schnell der einfallenden Strahlungsenergie. thermal inertia can also be very small. In the case of a heat carrier with a likewise low thermal inertia, that is to say in particular gaseous heat carriers, the temperature of the system then quickly follows the incident radiation energy.

Das skelettartige Material mit offener räumlicher Struktur kann auf unterschiedliche Weise verwirklicht werden. Für viele Anwendungsfälle in einem mittleren Temperaturbereich besteht das skelettartige Material in Weiterbildung der Erfindung aus retikuliertem Schaumstoff. Darunter wird ein beispielsweise aus Polyurethan, Polyvinylchlorid, Polyäthylen und ähnlichen Kunststoffen bestehender, erhärteter Materialschaum verstanden , bei dem die Wände der Bläschen durch eine Nachbehandlung oder auch während des Aufschäumens herausgesprengt sind und nur noch ein Materialgerüst übrig geblieben ist. Die wirksame Oberfläche eines solchen Materials ist ausserordentlich gross, beispielsweise pro Millimeter Materialdicke das drei- bis fünffache der projizierten Fläche, so dass ein Wärmeübergang mit nur geringen Temperaturdifferenzen möglich ist. Die Struktur des Materials sorgt ausserdem für eine intensive Durchmischung des Wärmeträgers unter Vermeidung von Temperaturdifferenzen. Die Raumerfüllung von retikuliertem Schaumstoff ist nur sehr klein. Beispielsweise werden nur drei Prozent des Gesamtvolumens vom Material selbst eingenommen. Daher ist die spezifische Wärme und damit die Wärmeträgheit des retikulierten Materials, bezogen auf das Gesamtvolumen, ebenfalls klein. The skeletal material with an open spatial structure can be realized in different ways. For many applications in a medium temperature range, the skeletal material in a further development of the invention consists of reticulated foam. This is understood to mean a hardened material foam consisting, for example, of polyurethane, polyvinyl chloride, polyethylene and similar plastics, in which the walls of the bubbles have been blown out by post-treatment or during foaming and only a material structure is left. The effective surface of such a material is extraordinarily large, for example three to five times the projected area per millimeter of material thickness, so that heat transfer with only small temperature differences is possible. The structure of the material also ensures intensive mixing of the heat transfer medium while avoiding temperature differences. The space filling of reticulated foam is only very small. For example, only three percent of the total volume is taken up by the material itself. The specific heat and therefore the thermal inertia of the reticulated material, based on the total volume, is therefore also small.

Die Porengrösse des retikulierten Materials kann je nach dem Anwendungszweck gewählt werden. Übliche Werte für die mittlere Porengrösse liegen zwischen 30 Poren pro cm und 2 Poren pro cm. Mit Rücksicht auf den Durchströmungswiderstand für den Wärmeträger werden zweckmässig die Poren verhältnismässig gross gewählt, beispielsweise für die Durchströmung mit Luft zwischen 2 und 8 Poren pro cm. Die optimale Porengrösse für den jeweiligen Anwendungsfall hängt ausserdem vom Brechungsindex des Wärmeträgers sowie von der Schichtdicke ab. Bei Durchströmung mit Luft wird die Porengrösse bei vorgegebener Schichtdicke so gewählt, dass eine Durchsicht gerade nicht mehr möglich ist. Dann wird die gesamte einfallende Strahlung erfasst und nach Mehrfachreflexionen im Absorbermaterial praktisch vollständig aufgenommen und auf den Wärmeträger übertragen. The pore size of the reticulated material can be selected depending on the application. Usual values for the average pore size are between 30 pores per cm and 2 pores per cm. With regard to the flow resistance for the heat transfer medium, the pores are expediently chosen to be relatively large, for example for the flow with air between 2 and 8 pores per cm. The optimal pore size for the respective application also depends on the refractive index of the heat transfer medium and the layer thickness. When air flows through it, the pore size is selected for a given layer thickness so that it is no longer possible to look through it. The entire incident radiation is then recorded and, after multiple reflections in the absorber material, is almost completely absorbed and transferred to the heat transfer medium.

Anstelle von retikuliertem Schaumstoff kann das skelettartige Material in Weiterbildung der Erfindung aber auch ein Faserkörper sein oder ein räumliches Netz in Form eines Gewirrs, Gewirkes, Gewebes oder Knäuels von Fäden, Streifen oder Drähten. Die Fasern, Fäden oder Streifen können aus organischen oder anorganischen Stoffen bestehen. Für höhere Temperaturen kommt insbesondere auch Metall in Frage. Instead of reticulated foam, the skeletal material in a further development of the invention can also be a fiber body or a spatial network in the form of a tangle, knitted fabric, fabric or ball of threads, strips or wires. The fibers, threads or strips can consist of organic or inorganic substances. Metal is particularly suitable for higher temperatures.

Schliesslich schlägt eine Weiterbildung der Erfindung vor, dass das skelettartige Material aus einer räumlichen Anordnung von wenigstens gruppenweise und/oder wenigstens streckenweise parallel im Abstand angeordneten Fäden, Streifen oder Drähten besteht. Beispiele für ein solches Material sind Wendeln, Siebe, gitterartig gestaffelte Drähte oder auch girlandenartige Gebilde, bei denen die Fäden, Streifen oder Drähte radial von der Girlandenachse abstehen. Finally, a development of the invention suggests that the skeletal material consists of a spatial arrangement of at least groups and / or at least sections of parallel, spaced threads, strips or wires. Examples of such a material are helices, sieves, wires staggered like a grid or garland-like structures in which the threads, strips or wires protrude radially from the axis of the garland.

In allen Fällen solcher skelettartigen Materialien ist die Schichtdicke des Absorbers im Hinblick auf den Abstand und die Abmessungen der Elemente des Materials so zu wählen, dass eine direkte Durchstrahlung nicht erfolgen kann, andererseits aber die gesamte einfallende Strahlungsenergie durch Mehrfachreflexionen eingefangen wird. In all cases of such skeletal materials, the layer thickness of the absorber must be chosen with regard to the distance and the dimensions of the elements of the material so that direct radiation cannot take place, but on the other hand the entire incident radiation energy is captured by multiple reflections.

Es ist nicht erforderlich, dass die mittlere Porengrösse bzw. der mittlere Abstand zwischen den Elementen des skelettartigen Materials konstant ist, vielmehr lässt sich in Weierbildung der Erfindung eine Verbesserung für das Einfangen der Strahlungsenergie dadurch erzielen, dass die Zwischenräume des skelettartigen Materials in Einfallsrichtung der Strahlung sich ändern. Beispielsweise können bei Verwendung von retikuliertem It is not necessary for the mean pore size or the mean distance between the elements of the skeletal material to be constant; on the contrary, in Weierbildung the invention, an improvement in the trapping of the radiation energy can be achieved by the spaces between the skeletal material in the direction of incidence of the radiation change. For example, when using reticulated

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Schaumstoff Schichten mit abnehmender Porengrösse verwendet werden. Foam layers with decreasing pore size can be used.

Bei Verwendung feiner Teilchen in Form fester Partikel oder in Form von Flüssigkeitströpfchen gilt wie bei dem skelettartigen Material, dass die wirksame Oberfläche ausserordentlich gross ist, so dass ein Wärmeübergang mit nur geringen Temperaturdifferenzen möglich ist. Auch die Raumerfüllung, also denjenigen Teil des Volumens, den die feinen Teilchen im Fluid einnehmen, und damit die spezifische Wärme sowie die Wärmeträgheit können klein gehalten werden. Die Teilchen können entweder stationär in einem System sein oder vor dem Eintritt in die Kammer bzw. deren Bestrahlungsbereich dem Fluid beigemischt und danach wieder ausgeschieden werden. Die Grösse und Form der Teilchen kann im Hinblick auf den jeweiligen Anwendungsfall und die jeweiligen Verhältnisse gewählt werden. Eine Lösung der Teilchen im Fluid soll jedoch im allgemeinen nicht stattfinden. Die Form der Teilchen hängt von ihrer Herstellbarkeit ab. Es können kleine Kugeln, Kriställchen und andere Formen benutzt werden. Ausserdem hängt die Auswahl der Teilchen auch hinsichtlich des verwendeten Materials von einer ggf. angestrebten chemischen Reaktion ab. Für die Grössenwahl ist zu beachten, dass der Durchmesser der Teilchen grösser sein muss als die Wellenlänge der zu absorbierenden Strahlung. When using fine particles in the form of solid particles or in the form of liquid droplets, as with the skeletal material, the effective surface area is extraordinarily large, so that heat transfer with only small temperature differences is possible. The space filling, that is, the part of the volume that the fine particles occupy in the fluid, and thus the specific heat as well as the thermal inertia, can be kept small. The particles can either be stationary in a system or admixed with the fluid before entering the chamber or its radiation area and then excreted again. The size and shape of the particles can be selected in view of the particular application and the respective conditions. In general, however, the particles should not be dissolved in the fluid. The shape of the particles depends on their manufacturability. Small spheres, crystals and other shapes can be used. In addition, the selection of the particles also depends on a chemical reaction that may be desired with regard to the material used. When choosing the size, it should be noted that the diameter of the particles must be larger than the wavelength of the radiation to be absorbed.

Damit lässt sich auch eine gewisse Selektivität gegenüber der Wellenlänge der zu absorbierenden Strahlung erreichen. Im einzelnen wird dazu auf die allgemein bekannte Theorie von Mie verwiesen. Wenn die Teilchen verhältnismässig gross sind und dann praktisch das gesamte Strahlungsspektrum absorbieren, so kann durch eine chemische Behandlung der Teilchen eine Selektivität hinsichtlich der Wellenlänge erreicht werden. Eine solche Behandlung hat denselben Zweck wie eine Bedampfung von Oberflächen mit Viertelwellenlängenschichten. A certain selectivity with respect to the wavelength of the radiation to be absorbed can also be achieved in this way. In particular, reference is made to the well-known theory of Mie. If the particles are relatively large and then absorb practically the entire radiation spectrum, chemical treatment of the particles can achieve selectivity with regard to the wavelength. Such a treatment has the same purpose as the vapor deposition of surfaces with quarter-wave layers.

Als Beispiel für feine Teilchen in einem Fluid, also einem Gasoder einem Flüssigkeitsstrom, werden folgende Materialien genannt: Metallstäube, anorganische und organische Pulver, Flok-ken und Kügelchen aus Kunststoff, feine Fasern aus anorganischem und organischem Material. Russpartikel von 800 Angström Radius beispielsweise absorbieren von einer Strahlungsquelle der Temperatur 2000 K in einer Schicht von 1 cm Dicke ca. 99 % der ausgesandten Energie bei 1012 Teilchen pro cm3 respektive ca. 40 % bei 101(l Teilchen pro cm3. Bei Teilchen von 50 Angström Radius lauten die entsprechenden Konzentrationen etwa 1016 respektive 1014 Teilchen pro cm3. The following materials are mentioned as examples of fine particles in a fluid, i.e. a gas or a liquid flow: metal dusts, inorganic and organic powders, flakes and balls made of plastic, fine fibers made of inorganic and organic material. Soot particles of 800 angstroms radius, for example, absorb approximately 99% of the energy emitted at 1012 particles per cm3 or approximately 40% at 101 (l particles per cm3) from a radiation source with a temperature of 2000 K in a layer of 1 cm thickness Angstrom radius, the corresponding concentrations are about 1016 and 1014 particles per cm3.

Als pulverförmige Materialien treten Zusammensetzungen z. B. aus V205, AI2O3, Si, 03, K20, Ni, Pt auf, die gleichzeitig katalytische Wirkung aufweisen. Zur ausschliesslichen Aufheizung kann Pulver aus oxidiertem rostfreiem Stahl eingesetzt werden. Compositions such as powdery materials occur. B. from V205, Al2O3, Si, 03, K20, Ni, Pt, which also have a catalytic effect. Powder made of oxidized stainless steel can be used for the sole heating.

Um die Strahlung möglichst gut auszunutzen, werden bei Anordnung der Strahlungsquelle ausserhalb der Kammer die strahlungsdurchlässigen Wände der Kammer nach einer weiteren Empfehlung der Erfindung für den Frequenzbereich der verwendeten Strahlung entspiegelt, beispielsweise durch ein an sich bekanntes Aufdampfen von Viertelwellenlängsschichten, deren Brechungsindex zweckmässig gewählt ist. Zur Verbesserung der Wärmeisolation der Kammer können andererseits deren Wände für den Frequenzbereich der Eigenstrahlung des Absorbers verspiegelt sein. In order to utilize the radiation as well as possible, if the radiation source is arranged outside the chamber, the radiation-permeable walls of the chamber are anti-reflective for the frequency range of the radiation used, for example by a known vapor deposition of quarter-wave longitudinal layers, the refractive index of which is expediently chosen. To improve the thermal insulation of the chamber, on the other hand, its walls can be mirrored for the frequency range of the natural radiation of the absorber.

Ebenso wie die feinen Teilchen kann auch das skelettartige Material durch eine Oberflächenbehandlung entspiegelt werden, wobei diese Behandlung auf die oberste Schicht (die für den spiegelnden Eindruck beim Betrachten des Absorbers verantwortlich ist) beschränkt werden kann. Nur hier könnte sonst durch eine einmalige Reflexion der einfallenden Strahlung zurück in den Raum ein Verlust entstehen. In den tieferen Schichten werden dagegen die Strahlen unabhängig von der Vergütung wie in einem schwarzen Kasten eingefangen. Just like the fine particles, the skeletal material can be anti-reflective by a surface treatment, which treatment can be limited to the top layer (which is responsible for the reflective impression when looking at the absorber). Only here could a loss be caused by a single reflection of the incident radiation back into the room. In the deeper layers, however, the rays are captured like a black box, regardless of the remuneration.

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Insbesondere bei Verwendung in einem Reaktionsgefäss sieht eine Weiterbildung der Erfindung vor, dass das skelettartige Material bzw. die feinen Teilchen mit einem Katalysator belegt sind oder aus einem solchen bestehen. Als skelettartiges Material kann hierfür beispielsweise ein Gewirk aus Platindrähtchen benutzt werden. Der Katalysator kann auch in Form eines Pulvers oder in Form eines Überzuges auf dem skelettartigen Material haften. Auf diese Weise lassen sich chemische Umsetzungen erzielen, beispielsweise eine thermische Spaltung von N02 in NO unter der Einwirkung der Strahlung. Die Grössenver-teilung und Zusammensetzung der feinen Partikel oder Tröpfchen kann derart gewählt sein, dass ein Teil oder eine Sorte lediglich zur Aufheizung des Fluids und der Rest hauptsächlich zur Erreichung eines bestimmten chemischen Reaktionszieles dient. Bei Verwendung von skelettartigem Material kann auf entsprechende Weise zum gleichen Zweck die Porengrösse variiert werden oder unterschiedliches Material in unterschiedlichen Bereichen der Reaktionskammer angeordnet werden. In particular when used in a reaction vessel, a development of the invention provides that the skeletal material or the fine particles are coated with a catalyst or consist of such a catalyst. For this purpose, a knitted fabric made of platinum wire can be used as the skeletal material. The catalyst can also adhere to the skeletal material in the form of a powder or in the form of a coating. In this way, chemical reactions can be achieved, for example thermal splitting of NO2 into NO under the influence of the radiation. The size distribution and composition of the fine particles or droplets can be selected in such a way that a part or a type is only used to heat the fluid and the rest is mainly used to achieve a specific chemical reaction target. If skeletal material is used, the pore size can be varied in a corresponding manner for the same purpose or different material can be arranged in different areas of the reaction chamber.

Nach einer zusätzlichen Weiterbildung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Kammer Teil eines rekuperativen Wärmetauschers ist, derart, dass das ausströmende Fluid einen Teil seines Wärmeinhalts auf das einströmende Fluid überträgt. Die aufzuwendende Energie lässt sich damit vermindern. Als Beispiel sei auf die Verbrennung von Lösungsmitteln in einem Abluftstrom hingewiesen, wobei die Konzentration der Lösungsmitteldämpfe stark schwankt. Wenn dann in Perioden mit sehr niedriger Konzentration die Reaktionswärme zur Aufrechterhaltung der Verbrennung nicht ausreicht, kann in einer Bestrahlungszone nach der vorliegenden Erfindung die fehlende Energie zur Aufrechterhaltung der Reaktionstemperatur schnell zugefügt werden. Der Wärmetauscher verbessert die Energiebilanz, indem der ankommende Abluftstrom durch die Reaktionswärme aufgeheizt wird. According to an additional development of the invention, it can be provided that the chamber is part of a recuperative heat exchanger such that the outflowing fluid transfers part of its heat content to the inflowing fluid. The energy to be used can thus be reduced. One example is the combustion of solvents in an exhaust air stream, the concentration of the solvent vapors fluctuating greatly. Then, if the heat of reaction is not sufficient to maintain the combustion in periods of very low concentration, the missing energy for maintaining the reaction temperature can be added quickly in an irradiation zone according to the present invention. The heat exchanger improves the energy balance by heating the incoming exhaust air flow through the heat of reaction.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und in Verbindung mit den Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen: The invention is described in more detail below on the basis of exemplary embodiments and in conjunction with the drawings. Show it:

Fig. 1 und 2 einen Durchlauferhitzer als Ausführungsbeispiel der Erfindung in zwei Ansichten; Figures 1 and 2, a water heater as an embodiment of the invention in two views.

Fig. 3 und 4 zwei Ausführungsbeispiele für Reaktionsgefässe nach der Erfindung, die in der Verfahrenstechnik benutzt werden können; 3 and 4 show two exemplary embodiments of reaction vessels according to the invention which can be used in process engineering;

Fig. 5 und 6 zwei Schnittansichten A-A und B-B einer rohrförmigen Einrichtung nach der Erfindung; Figures 5 and 6 are two sectional views A-A and B-B of a tubular device according to the invention;

Fig. 7 eine Prinzipdarstellung eines Trockenreaktors; 7 shows a schematic diagram of a dry reactor;

Fig. 8 und 9 zwei Ansichten für eine Reaktionskammer nach der Erfindung, die in einen rekuperativen Wärmetauscher integriert ist. 8 and 9 are two views for a reaction chamber according to the invention, which is integrated in a recuperative heat exchanger.

Der Durchlauferhitzer gemäss Fig. 1 und 2 weist eine Durchflusskammer für den aufzuheizenden Wärmeträger auf, der durch Pfeile symbolisiert ist. Der Innenraum der Kammer ist mit einem Absorbermaterial 1 ausgefüllt, das einen skelettartigen Aufbau mit offener räumlicher Struktur besitzt. Im Ausführungsbeispiel handelt es sich um retikulierten Schaumstoff. Im Inneren des Materials 1 sind Infrarotstrahler 4 angeordnet, die eine elektrisch beheizte Wendel 5 aufweisen und je nach Wendeltemperatur evakuiert oder mit Halogen gefüllt sein können. Elektrische Anschlüsse 6 führen zu einer nicht dargestellten Stromquelle. Die Behälterwände 2 besitzen eine für alle Wellenlängen wirkende Verspiegelung, so dass keine Verluste durch Abstrahlung nach aussen auftreten können. The instantaneous water heater according to FIGS. 1 and 2 has a flow chamber for the heat carrier to be heated, which is symbolized by arrows. The interior of the chamber is filled with an absorber material 1, which has a skeletal structure with an open spatial structure. In the exemplary embodiment, it is reticulated foam. In the interior of the material 1, infrared radiators 4 are arranged, which have an electrically heated coil 5 and, depending on the coil temperature, can be evacuated or filled with halogen. Electrical connections 6 lead to a power source, not shown. The container walls 2 have a reflecting effect for all wavelengths, so that no losses due to radiation to the outside can occur.

Die Temperatur des den Durchlauferhitzer durchströmenden Wärmeträgers lässt sich ausserordentlich schnell und genau durch eine Regelung der Infrarotstrahler 4 einstellen. Der Durchlauferhitzer eignet sich daher gut als Regelstufe. The temperature of the heat carrier flowing through the instantaneous heater can be set extremely quickly and precisely by regulating the infrared radiators 4. The instantaneous water heater is therefore a good control stage.

Fig. 3 und 4 zeigen zwei Ausführungsbeispiele von Reaktions-gefässen für verfahrenstechnische Anwendungen der Erfindung. Ein Behälter in Form von zwei parallel angeordneten Rohren, die auf beiden Seiten in ein gemeinsames, den Ein- bzw. Auslass bildendes Übergangsstück 8 münden, enthält ein Absorbermaterial 1. Ein Anschlussstück 9 sorgt für die Halterung des Materials 1. Zwischen den beiden Rohren 23 ist eine (Fig. 3) bzw. sind drei (Fig. 4) Strahlungsquellen 5 angeordnet, die das durchströmende Medium unter Vermittlung des Absorbermaterials 1 aufheizen. Durchführungen 7 enthalten die elektrischen Anschlüsse 6 für die Strahlungsquelle 5. 3 and 4 show two exemplary embodiments of reaction vessels for process engineering applications of the invention. A container in the form of two tubes arranged in parallel, which open out on both sides into a common transition piece 8 which forms the inlet and outlet, contains an absorber material 1. A connecting piece 9 provides for holding the material 1. Between the two tubes 23 is one (FIG. 3) or three (FIG. 4) radiation sources 5 are arranged, which heat the medium flowing through by means of the absorber material 1. Bushings 7 contain the electrical connections 6 for the radiation source 5.

Bei beiden Ausführungsformen nach Fig. 3 und 4 kann auch eine axiale Anordnung getroffen sein, derart, dass das Absorber-material 1 in Form eines Hohlzylinders in einem entsprechend geformten Gefäss angeordnet ist, das dann im Inneren die Strahlungsquelle enthält. In both embodiments according to FIGS. 3 and 4, an axial arrangement can also be made such that the absorber material 1 is arranged in the form of a hollow cylinder in a correspondingly shaped vessel which then contains the radiation source inside.

Die den Infrarotstrahlern zugewandten Behälterwände 24 sind wiederum für die Infrarotstrahlung entspiegelt, während die Aussenwände 25 für alle Wellenlängen verspiegelt sind, um Verluste zu vermeiden. The container walls 24 facing the infrared radiators are in turn anti-reflective for the infrared radiation, while the outer walls 25 are mirrored for all wavelengths in order to avoid losses.

Fig. 5 und 6 zeigen in zwei Schnittdarstellungen A-A und B-B ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung für verfahrenstechnische Anwendungen. In einem Rohr 26 ist als Absorber ein skelettartiges Material 1 angeordnet. Mehrere Infrarotstrahler 4 konzentrieren mittels Reflektoren 10 ihre Strahlung auf das Material 1 im Rohr 26. Dadurch lässt sich eine hohe Energiedichte im Material 1 und damit eine schnelle, leicht regelbare und wirksame Erwärmung des durch das Rohr 26 strömenden Mediums erreichen. 5 and 6 show in two sectional views A-A and B-B a further embodiment of the invention for process engineering applications. A skeletal material 1 is arranged in a tube 26 as the absorber. A plurality of infrared emitters 4 concentrate their radiation onto the material 1 in the tube 26 by means of reflectors 10. As a result, a high energy density in the material 1 and thus rapid, easily controllable and effective heating of the medium flowing through the tube 26 can be achieved.

Der Trockenreaktor gemäss Fig. 7 dient beispielsweise zur Zerstäubungstrocknung eines temperaturempfindlichen Gutes. Der aufgeheizte, trockene Gasstrom 30 tritt am Einlass 31 ein. In einer Mischstrecke in Form eines Rohres 32 wird über eine nur schematisch dargestellte Düse 33 ein Wärmeübertragungs- und Absorptionspulver zugeführt. Das zu trocknende Gut kommt nass über ein Rohr 29 an und wird in eine sich an das Rohr 32 anschliessende Trockenkammer 34 eingespritzt. In der Kammer 34 befinden sich an den Wänden mehrere langgestreckte Wärmestrahlungsquellen 35, beispielsweise in Form von Infrarotstrahlung. Vor dem Auslass 36 ist eine Trenneinrichtung 37 angeordnet, die dem Gasstrom das Trockengut und das Wärmeübertragungs* und Absorptionspulver entnimmt und getrennt an einem Auslass 38 für das Trockengut und einem Auslass 39 für das Pulver zur Verfügung stellt. Das Wärmeübertragungs- und Absorptionspulver wird über eine schematisch dargestellte Leitung 40, die ggf. entsprechende Fördermittel enthält, zur Düse 33 zurückgeführt. The dry reactor according to FIG. 7 is used, for example, to spray-dry a temperature-sensitive material. The heated, dry gas stream 30 enters the inlet 31. In a mixing section in the form of a tube 32, a heat transfer and absorption powder is supplied via a nozzle 33, which is only shown schematically. The material to be dried arrives wet via a pipe 29 and is injected into a drying chamber 34 adjoining the pipe 32. In the chamber 34 there are several elongated heat radiation sources 35 on the walls, for example in the form of infrared radiation. A separating device 37 is arranged in front of the outlet 36, which removes the dry material and the heat transfer * and absorption powder from the gas flow and makes them available separately at an outlet 38 for the dry material and an outlet 39 for the powder. The heat transfer and absorption powder is returned to the nozzle 33 via a schematically illustrated line 40, which may contain appropriate conveying means.

Mit einem Trockenreaktor gemäss Fig. 7 kann im Gegensatz zu bekannten Reaktoren für eine Zerstäubungstrocknung der trocknende Gasstrom in der eigentlichen Trockenstrecke 51 zwischen den Strahlern 35 genau regelbar Wärme zugeführt werden, und zwar auch dann, wenn das Trockengut selbst keine Wärmestrahlen absorbiert. Durch Regelung der Strahler 35 kann eine gleichmässige Temperatur über die gesamte Trockenstrecke gewährleistet werden. Die Trenneinrichtung 37 ist konventioneller Art. 7, in contrast to known reactors for spray drying, the drying gas stream in the actual drying section 51 between the emitters 35 can be supplied with precisely controllable heat, even if the dry material itself does not absorb any heat rays. By regulating the radiators 35, a uniform temperature can be ensured over the entire drying section. The separator 37 is conventional.

Fig. 8 zeigt schematisch eine Aufsicht auf eine Bestrahlungsund Reaktionskammer 41, die in einen Wärmetauscher 42 integriert ist. Der Aufbau des Wärmetauschers 42 ist in Fig. 9 genauer dargestellt, die eine Ansicht in Richtung des Pfeiles 43 in Fig. 8 wiedergibt, wobei jedoch zur Vereinfachung der Darstellung der Einlassstutzen 44 und der Auslassstutzen 45 weggelassen sind. FIG. 8 schematically shows a top view of an irradiation and reaction chamber 41 which is integrated in a heat exchanger 42. The structure of the heat exchanger 42 is shown in more detail in FIG. 9, which shows a view in the direction of the arrow 43 in FIG. 8, but the inlet connector 44 and the outlet connector 45 have been omitted to simplify the illustration.

Der Wärmetauscher 42 besteht aus einer Anzahl von mit Abstand aufeinander geschichteten dünnen Blechen46, die auf beiden Seiten des Wärmetauschers 42 in eine Spitze 47 auslaufen. Entsprechend der Darstellung in Fig. 9 sind auf der linken Seite der Verbindungslinie zwischen den Spitzen 47 die Spalte zwischen dem (von oben gezählt) ersten und zweiten, dritten und vierten, fünften und sechsten usw. Blech 46 verschlossen. Das ist durch eine Strichelung angedeutet. Auf der rechten Seite der Verbindungslinie zwischen den Spitzen 47 sind die Spalte zwi- The heat exchanger 42 consists of a number of thin sheets 46 which are stacked at a distance from one another and which run out on both sides of the heat exchanger 42 into a tip 47. As shown in FIG. 9, on the left side of the connecting line between the tips 47, the gaps between the (and counting from above) the first and second, third and fourth, fifth and sixth, etc. sheets 46 are closed. This is indicated by a dash. On the right side of the connecting line between the tips 47, the gaps between

4 4th

5 5

10 10th

15 15

20 20th

25 25th

30 30th

35 35

40 40

45 45

50 50

55 55

60 60

65 65

5 638 299 5 638 299

sehen dem zweiten und dritten, vierten und fünften, sechsten und se der Spalte zwischen den Blechen 46, die Anzahl der Bleche siebten usw. Blech 46 in gleicher Weise verschlossen. Auf der und ihre Abmessungen können an die jeweiligen Verhältnisse anderen Seite des Wärmetauschers sind die Spalte zwischen den leicht angepasst werden. see the second and third, fourth and fifth, sixth and se the column between the sheets 46, the number of sheets seventh, etc. sheet 46 closed in the same way. On the and its dimensions, the gaps between the other side of the heat exchanger can be easily adjusted between the conditions.

Blechen 46 auf entsprechende Weise abwechselnd verschlossen, Sheets 46 alternately closed in a corresponding manner,

derart, dass ein Gas- oder Flüssigkeitsstrom, der in den Stutzen 5 In der Bestrahlungs- und Reaktionskammer sind Strahlungs- such that a gas or liquid stream that is in the nozzle 5 in the radiation and reaction chamber are radiation

44 eintritt, durch die Spalte zwischen dem ersten und zweiten, quellen 50 beispielsweise in Form von Infrarotstrahlern angeord- 44 occurs, through the gaps between the first and second sources 50, for example in the form of infrared radiators.

dritten und vierten usw. Blech 46 fliessen kann und dann auf der net. Die Kammer 41 ist darüber hinaus mit einem skelettartigen anderen Seite des Wärmetauschers 42 in die Bestrahlungs- und Material ausgefüllt, das zum einen die Strahlungsenergie der third and fourth etc. sheet 46 can flow and then on the net. The chamber 41 is also filled with a skeleton-like other side of the heat exchanger 42 in the radiation and material, which on the one hand is the radiation energy of the

Reaktionskammer 41 eintritt, und zwar auf der dem Stutzen 44 Quellen 50 aufnimmt und dann die einströmenden Gase oder diagonal gegenüberliegenden Seite. Dieser Weg des eintreten- io Flüssigkeiten aufheizt, und zum anderen katalytisch für die den Stromes ist durch Pfeile 48 in Fig. 8 angedeutet. Entspre- jeweils gewünschte Reaktion sorgt, beispielsweise Aufspaltung chend zeigen Pfeile 49 den Verlauf des austretenden Stromes, der von einströmenden N02 in NO. Die entstehende Reaktionswär- Reaction chamber 41 enters, on which the nozzle 44 receives sources 50 and then the inflowing gases or diagonally opposite side. This path of entering liquids heats up, and on the other hand catalytically for the flow is indicated by arrows 48 in FIG. 8. Corresponding desired reaction provides, for example splitting accordingly arrows 49 show the course of the emerging stream, that of incoming NO 2 into NO. The resulting heat of reaction

in den Spalten zwischen den zweiten und dritten, vierten und me wird in Wärmetauscher 42 an das einströmende Gas abgege- in the gaps between the second and third, fourth and me in heat exchanger 42 is given off to the inflowing gas

fünften usw. Blech 46 verläuft, also von dem eintretenden Strom ben, so dass zum einen das ausströmende Gas bereits abgekühlt getrennt ist. Die Bleche 46 ermöglichen jedoch einen guten 15 ist und zum anderen die Energiebilanz wesentlich verbessert fifth, etc., sheet 46 runs, ie ben from the incoming stream, so that, on the one hand, the outflowing gas is already separated after cooling. The sheets 46, however, allow a good 15 and on the other hand the energy balance is significantly improved

Wärmeübergang zwischen den beiden Fluid-Strömen. Die Gros- wird. Heat transfer between the two fluid flows. The big one.

M M

3 Seiten Zeichnungen 3 pages of drawings

Claims

638 299

PATENT CLAIMS

1. Device for heating a fluid by heat transfer from surfaces around which the fluid flows or flows onto the fluid, characterized in that it has a chamber (2, 23, 26, 34) for the fluid, in which an open, through a skeletal material (1) or in the fluid suspended, spatially distributed, fine particles formed spatial structure is arranged, and that inside or outside the chamber (2) an artificial radiation source (4,5,50) is provided, the radiation of which heats up the spatial structure.

2. Device according to claim 1, characterized in

that the skeletal material (1) consists of reticulated foam.

3. Device according to claim 1, characterized in that

that the skeletal material (1) is a fiber body.

4. The device according to claim 1, characterized in

■ that the skeletal material (1) is a spatial network in the form of a knitted fabric, knitted fabric, woven fabric or tangle of threads, strips or wires.

5. The device according to claim 1, characterized in

that the skeleton-like material (1) consists of a spatial arrangement of threads, strips or wires arranged at least in groups and / or at least in sections in parallel at a distance.

6. Device according to one of claims 1 to 5, characterized in that the gaps change in the direction of incidence of the radiation.

7. The device according to claim 1, characterized in that

that the fine particles are distributed in the chamber (34) by swirling.

8. The device according to claim 1, characterized in that

that the fine particles are kept floating in the chamber.

9. The device according to claim 1, characterized in

that the size and quantity of the particles are subject to a law and are adapted to the dimensions of the chamber.

10. The device according to claim 1, characterized in that the chamber is designed as a flow chamber (34) for the fluid and has an inlet opening which has a feed device (33) for the particles.

11. The device according to claim 10, characterized in that the flow chamber (34) has an outlet opening for the fluid, which is provided with a separating device (37) for the recovery of the particles.

12. The device according to claim 1, characterized in that the walls of the chamber (2,23,26) are anti-reflective for a preselected frequency range of the radiation.

13. The apparatus according to claim 1, characterized in that the walls of the chamber (2,23,26,34) for the frequency range of the natural radiation of the skeletal material (1) or the fine particles are mirrored.

14. The apparatus according to claim 1, characterized in that the skeletal material (1) or the fine particles are covered with a catalyst or consist of such.

15. The apparatus according to claim 1, characterized in that the skeletal material (1) or the fine particles are surface-treated.

16. The apparatus according to claim 1, characterized in that the chamber (34) is part of a recuperative heat exchanger (42), such that the outflowing fluid transfers part of its heat content to the inflowing fluid.