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T1 - Energetische und sicherheitstechnische Untersuchungen der induktiven Erwärmung von Festbettreaktoren mit kohlenstoffhaltigen und ferromagnetischen Suszeptormaterialien

AU - Sams, Rudolf Ferdinand

N1 - nicht gesperrt

PY - 2019

Y1 - 2019

N2 - Die induktive Erwärmung von chemischen Reaktoren ermöglicht thermochemischen Prozessen durch die viel höhere Leistungsdichte als mit konventionellen Erwärmungsverfahren sowie der Möglichkeit von reduzierenden und/oder oxidierenden gasförmigen Reaktionsbedingungen, innovative Einsatzmöglichkeiten. Die stufenlos einstellbare, induktive Erwärmung erfolgt berührungsfrei und ohne Einsatz eines Brennstoffes. Dies ermöglicht bei Wertstoffrückgewinnungsverfahren im Bereich der Nieder- und Hochtemperaturpyrolyse viele Vorteile. Hierbei ist neben der optimalen Konstruktion des Reaktors und Induktors, die elektrische Betriebsweise und die Wahl des induktiv zu erwärmenden Materials von ausschlaggebender Bedeutung. Diese Arbeit zeigt, dass für reduzierende Reaktionsbedingungen mit Graphit als Suszeptor optimale Erwärmungsgeschwindigkeiten realisierbar sind. Graphit ermöglicht eine homogene Erwärmung im gesamten Reaktorbett. Bei Graphitteilen mit großen geometrischen Abmessungen im Verhältnis zum Induktordurchmesser visualisieren Wärmebildaufnahmen einen geringen Temperaturgradienten. Mit ferromagnetischen Stoffen konnte bewiesen werden, dass die optimale geometrische Anordnung einen großen Einfluss auf die Effizienz der Erwärmung besitzt. Die Erhöhung der Temperatur bei ferromagnetischen Stoffen ist ebenso oberhalb der Curie-Temperatur möglich, jedoch sind im Hochtemperaturbereich aufgrund der Oxidationsvorgänge des Suszpetors entsprechende Materialverluste und thermische Spannungen im Material zu berücksichtigen. Die großen magnetischen Felder der induktiven Erwärmung sind ein sicherheitstechnisches Risiko, da diese Felder technisch nicht vollständig abschirmbar sind. Daher ist der Sicherheitsabstand die einzige sinnvolle Sicherheitsmaßnahme. Die Messungen der Felder hat erstmals ergeben, dass die Abschwächung der elektromagnetischen Felder größer als die Reduktion entsprechend dem quadratischen Abstandsgesetz ist. Für die Versuchsanlage an der HTL Dornbirn mit 15 kW elektrischer Anschlussleistung beträgt der Sicherheitsabstand vier Meter. Die ausgezeichneten Resultate der induktiven Erwärmung bei Wirkungsgradbetrachtungen und die neuen Erkenntnisse, dass dieses Erwärmungsverfahren von leitenden Materialien besonders gute Resultate im Bereich des Erwärmungsvorganges, d. h. in der Hochlaufphase besitzt, bestätigt den Einsatz der induktiven Erwärmung im Bereich von temporär schwankenden Leistungsüberproduktionsphasen des elektrischen Versorgungsnetzes, verursacht durch die steigende Anwendung erneuerbarer Energie zur Stromproduktion.

AB - Die induktive Erwärmung von chemischen Reaktoren ermöglicht thermochemischen Prozessen durch die viel höhere Leistungsdichte als mit konventionellen Erwärmungsverfahren sowie der Möglichkeit von reduzierenden und/oder oxidierenden gasförmigen Reaktionsbedingungen, innovative Einsatzmöglichkeiten. Die stufenlos einstellbare, induktive Erwärmung erfolgt berührungsfrei und ohne Einsatz eines Brennstoffes. Dies ermöglicht bei Wertstoffrückgewinnungsverfahren im Bereich der Nieder- und Hochtemperaturpyrolyse viele Vorteile. Hierbei ist neben der optimalen Konstruktion des Reaktors und Induktors, die elektrische Betriebsweise und die Wahl des induktiv zu erwärmenden Materials von ausschlaggebender Bedeutung. Diese Arbeit zeigt, dass für reduzierende Reaktionsbedingungen mit Graphit als Suszeptor optimale Erwärmungsgeschwindigkeiten realisierbar sind. Graphit ermöglicht eine homogene Erwärmung im gesamten Reaktorbett. Bei Graphitteilen mit großen geometrischen Abmessungen im Verhältnis zum Induktordurchmesser visualisieren Wärmebildaufnahmen einen geringen Temperaturgradienten. Mit ferromagnetischen Stoffen konnte bewiesen werden, dass die optimale geometrische Anordnung einen großen Einfluss auf die Effizienz der Erwärmung besitzt. Die Erhöhung der Temperatur bei ferromagnetischen Stoffen ist ebenso oberhalb der Curie-Temperatur möglich, jedoch sind im Hochtemperaturbereich aufgrund der Oxidationsvorgänge des Suszpetors entsprechende Materialverluste und thermische Spannungen im Material zu berücksichtigen. Die großen magnetischen Felder der induktiven Erwärmung sind ein sicherheitstechnisches Risiko, da diese Felder technisch nicht vollständig abschirmbar sind. Daher ist der Sicherheitsabstand die einzige sinnvolle Sicherheitsmaßnahme. Die Messungen der Felder hat erstmals ergeben, dass die Abschwächung der elektromagnetischen Felder größer als die Reduktion entsprechend dem quadratischen Abstandsgesetz ist. Für die Versuchsanlage an der HTL Dornbirn mit 15 kW elektrischer Anschlussleistung beträgt der Sicherheitsabstand vier Meter. Die ausgezeichneten Resultate der induktiven Erwärmung bei Wirkungsgradbetrachtungen und die neuen Erkenntnisse, dass dieses Erwärmungsverfahren von leitenden Materialien besonders gute Resultate im Bereich des Erwärmungsvorganges, d. h. in der Hochlaufphase besitzt, bestätigt den Einsatz der induktiven Erwärmung im Bereich von temporär schwankenden Leistungsüberproduktionsphasen des elektrischen Versorgungsnetzes, verursacht durch die steigende Anwendung erneuerbarer Energie zur Stromproduktion.

KW - Induktive Erwärmung

KW - chemische Reaktoren

KW - thermochemische Prozesse

KW - Wertstoffrückgewinnung

KW - Nieder- und Hochtemperaturpyrolyse

KW - Suszeptor

KW - Graphit

KW - ferromagnetische Stoffe

KW - Festbettreaktor

KW - erneuerbare Energie

KW - elektromagnetische Felder

KW - Inductive heating

KW - bed reactor

KW - ferromagnetic susceptor material

KW - chemical reactor

KW - thermochemical process

KW - low and high temperature pyrolysis

KW - graphite

KW - electromagnetic field

KW - renewable energy

M3 - Dissertation

ER -