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

Publikationen: Thesis / Studienabschlussarbeiten und HabilitationsschriftenDissertation

Bibtex - Download

@phdthesis{1b042a4c63a34f49baa16e026c4751e2,
title = "Energetische und sicherheitstechnische Untersuchungen der induktiven Erw{\"a}rmung von Festbettreaktoren mit kohlenstoffhaltigen und ferromagnetischen Suszeptormaterialien",
abstract = "Die induktive Erw{\"a}rmung von chemischen Reaktoren erm{\"o}glicht thermochemischen Prozessen durch die viel h{\"o}here Leistungsdichte als mit konventionellen Erw{\"a}rmungsverfahren sowie der M{\"o}glichkeit von reduzierenden und/oder oxidierenden gasf{\"o}rmigen Reaktionsbedingungen, innovative Einsatzm{\"o}glichkeiten. Die stufenlos einstellbare, induktive Erw{\"a}rmung erfolgt ber{\"u}hrungsfrei und ohne Einsatz eines Brennstoffes. Dies erm{\"o}glicht bei Wertstoffr{\"u}ckgewinnungsverfahren 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 erw{\"a}rmenden Materials von ausschlaggebender Bedeutung. Diese Arbeit zeigt, dass f{\"u}r reduzierende Reaktionsbedingungen mit Graphit als Suszeptor optimale Erw{\"a}rmungsgeschwindigkeiten realisierbar sind. Graphit erm{\"o}glicht eine homogene Erw{\"a}rmung im gesamten Reaktorbett. Bei Graphitteilen mit gro{\ss}en geometrischen Abmessungen im Verh{\"a}ltnis zum Induktordurchmesser visualisieren W{\"a}rmebildaufnahmen einen geringen Temperaturgradienten. Mit ferromagnetischen Stoffen konnte bewiesen werden, dass die optimale geometrische Anordnung einen gro{\ss}en Einfluss auf die Effizienz der Erw{\"a}rmung besitzt. Die Erh{\"o}hung der Temperatur bei ferromagnetischen Stoffen ist ebenso oberhalb der Curie-Temperatur m{\"o}glich, jedoch sind im Hochtemperaturbereich aufgrund der Oxidationsvorg{\"a}nge des Suszpetors entsprechende Materialverluste und thermische Spannungen im Material zu ber{\"u}cksichtigen. Die gro{\ss}en magnetischen Felder der induktiven Erw{\"a}rmung sind ein sicherheitstechnisches Risiko, da diese Felder technisch nicht vollst{\"a}ndig abschirmbar sind. Daher ist der Sicherheitsabstand die einzige sinnvolle Sicherheitsma{\ss}nahme. Die Messungen der Felder hat erstmals ergeben, dass die Abschw{\"a}chung der elektromagnetischen Felder gr{\"o}{\ss}er als die Reduktion entsprechend dem quadratischen Abstandsgesetz ist. F{\"u}r die Versuchsanlage an der HTL Dornbirn mit 15 kW elektrischer Anschlussleistung betr{\"a}gt der Sicherheitsabstand vier Meter. Die ausgezeichneten Resultate der induktiven Erw{\"a}rmung bei Wirkungsgradbetrachtungen und die neuen Erkenntnisse, dass dieses Erw{\"a}rmungsverfahren von leitenden Materialien besonders gute Resultate im Bereich des Erw{\"a}rmungsvorganges, d. h. in der Hochlaufphase besitzt, best{\"a}tigt den Einsatz der induktiven Erw{\"a}rmung im Bereich von tempor{\"a}r schwankenden Leistungs{\"u}berproduktionsphasen des elektrischen Versorgungsnetzes, verursacht durch die steigende Anwendung erneuerbarer Energie zur Stromproduktion.",
keywords = "Induktive Erw{\"a}rmung, chemische Reaktoren, thermochemische Prozesse, Wertstoffr{\"u}ckgewinnung, Nieder- und Hochtemperaturpyrolyse, Suszeptor, Graphit, ferromagnetische Stoffe, Festbettreaktor, erneuerbare Energie, elektromagnetische Felder, Inductive heating, bed reactor, ferromagnetic susceptor material, chemical reactor, thermochemical process, low and high temperature pyrolysis, graphite, electromagnetic field, renewable energy",
author = "Sams, {Rudolf Ferdinand}",
note = "gesperrt bis null",
year = "2019",
language = "Deutsch",
school = "Montanuniversit{\"a}t Leoben (000)",

}

RIS (suitable for import to EndNote) - Download

TY - THES

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

AU - Sams, Rudolf Ferdinand

N1 - gesperrt bis null

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 -