EP4255613A1 - Rotationskatalysator, verfahren zu seinem betreiben, einrichtung und verfahren zur umwandlung chemischer energie in elektrische energie und verwendung eines rotationskatalysators - Google Patents

Rotationskatalysator, verfahren zu seinem betreiben, einrichtung und verfahren zur umwandlung chemischer energie in elektrische energie und verwendung eines rotationskatalysators

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Publication number
EP4255613A1
EP4255613A1 EP20820881.9A EP20820881A EP4255613A1 EP 4255613 A1 EP4255613 A1 EP 4255613A1 EP 20820881 A EP20820881 A EP 20820881A EP 4255613 A1 EP4255613 A1 EP 4255613A1
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EP
European Patent Office
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rotary
catalytic converter
fluid
energy
disk
Prior art date
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Pending
Application number
EP20820881.9A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Udo Hellwig
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Original Assignee
Individual
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    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
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    • B01D53/00—Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols
    • B01D53/34—Chemical or biological purification of waste gases
    • B01D53/92—Chemical or biological purification of waste gases of engine exhaust gases
    • B01D53/94—Chemical or biological purification of waste gases of engine exhaust gases by catalytic processes
    • B01D53/9404—Removing only nitrogen compounds
    • B01D53/9409—Nitrogen oxides
    • B01D53/9431—Processes characterised by a specific device
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    • B01D53/94—Chemical or biological purification of waste gases of engine exhaust gases by catalytic processes
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D1/00—Non-positive-displacement machines or engines, e.g. steam turbines
    • F01D1/34—Non-positive-displacement machines or engines, e.g. steam turbines characterised by non-bladed rotor, e.g. with drilled holes
    • F01D1/36—Non-positive-displacement machines or engines, e.g. steam turbines characterised by non-bladed rotor, e.g. with drilled holes using fluid friction
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02C—GAS-TURBINE PLANTS; AIR INTAKES FOR JET-PROPULSION PLANTS; CONTROLLING FUEL SUPPLY IN AIR-BREATHING JET-PROPULSION PLANTS
    • F02C7/00—Features, components parts, details or accessories, not provided for in, or of interest apart form groups F02C1/00 - F02C6/00; Air intakes for jet-propulsion plants
    • F02C7/12—Cooling of plants
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K7/00—Arrangements for handling mechanical energy structurally associated with dynamo-electric machines, e.g. structural association with mechanical driving motors or auxiliary dynamo-electric machines
    • H02K7/18—Structural association of electric generators with mechanical driving motors, e.g. with turbines
    • H02K7/1807—Rotary generators
    • H02K7/1823—Rotary generators structurally associated with turbines or similar engines
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B01D2251/206—Ammonium compounds
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B01D2258/01—Engine exhaust gases
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2260/00—Function
    • F05D2260/20—Heat transfer, e.g. cooling
    • F05D2260/207—Heat transfer, e.g. cooling using a phase changing mass, e.g. heat absorbing by melting or boiling
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2260/00—Function
    • F05D2260/20—Heat transfer, e.g. cooling
    • F05D2260/208—Heat transfer, e.g. cooling using heat pipes

Definitions

  • the present invention relates to a rotary catalyst, a method for operating the rotary catalyst, a device and a method for converting chemical energy into electrical energy, and a use of the rotary catalyst according to the invention.
  • gas turbines which at least partially absorb the kinetic energy of the exhaust gas flow, are connected behind internal combustion engines. These gas turbines are usually coupled to generators to convert kinetic energy into electrical energy.
  • Gas turbines are performance-limited by the material of the rotor's load-bearing elements. This can be compensated for by internal cooling of these elements by passing the cooling medium and letting it flow with the working medium, or by a conservative cooling process in which the cooling medium is preserved.
  • the former is state of the art, with steam or air being used as cooling media.
  • the latter is also prior art, but with the restriction that the cooling medium, preferably water, is supplied to the blades via the rotor shaft and evaporates in the blades.
  • the ceramic can be bead beds, honeycomb bodies or the like. In all ceramic bodies, the actual reaction takes place in the pore space. The transport of the educts into this space and the transport away from this space takes place by diffusion. To ensure that the diffusive transport does not take too much time, the reactive ceramic mass is chosen to be sufficiently large.
  • the key parameter for the design of the layer is the so-called space-time, namely the ratio of the volume flow of the flue gas to the catalyst volume.
  • the reaction may "runaway", with the risk of local overheating and/or damage to the catalyst material.
  • the invention is therefore based on the object of providing a rotary catalytic converter, a method for operating the rotary catalytic converter, a device and a method for converting chemical energy into electrical energy and a use of the rotary catalytic converter according to the invention, with which flue gas treatment can be carried out in a simple and energy-efficient manner can be done.
  • a first aspect of the present invention is a rotary catalytic converter, comprising a rotary body for the inflow of a fluid and for the transfer of kinetic energy of the inflowing fluid to the rotary body, the rotary body having at least one surface area for implementing catalysis, in particular for implementing heterogeneous catalysis, at least a component of the inflowing fluid is set up.
  • the rotary catalytic converter according to the invention thus fulfills a dual function, namely on the one hand the absorption of kinetic energy of the inflowing fluid with the possibility of converting this energy at least partially into electrical energy when the rotary catalytic converter is coupled to a generator, and on the other hand the simultaneous catalytic reaction with the aim of Denitrification of components of the inflowing fluid.
  • the rotary catalytic converter enables this double function with a very small installation space requirement.
  • the rotary catalytic converter is highly efficient both for absorbing kinetic energy and for denitrification.
  • the rotary catalytic converter ensures that, despite the catalytic reaction being implemented, a large proportion of the kinetic energy of the inflowing fluid can still be used or converted into electrical energy.
  • the surface of the rotary body is formed at least partially by a catalytically active material which is able to bring about reduction reactions for the decomposition of nitrogen oxides in the inflowing fluid.
  • the specificity of the catalytically active material should be such that at least nitrogen monoxide is broken down quantitatively.
  • the rotary body can have at least one disk arranged on an axis of rotation for converting the enthalpy of a gas volume flow as the inflowing fluid into mechanical energy of the rotary body, which can be set in rotation with the gas volume flow when the flow is essentially tangential, so that mechanical energy is transferred to a disk coupled to the disk Driven element, in particular a shaft, is removable, and the rotary catalytic converter has at least one gas receiving space for receiving and discharging the gas volume flow flowing at least partially tangentially onto the disc.
  • the rotating system or the rotating body comprises a disk regime in which the individual disks are arranged orthogonally on a Shaft are applied, resulting in the rotor of a disk turbine based on the "Tesla" system.
  • the rotating body is a disc rotor turbine with at least one, preferably several discs arranged on an axis of rotation, which can be set in rotation with a gas volume flow when the flow is essentially tangential, so that mechanical energy is applied to a disc or discs connected to the disc or discs.
  • shaft coupled to the disks is detachable.
  • a tangential flow is understood to mean a flow towards the disk or disks in a radially outer area of the disk or disks in a direction of flow that is essentially perpendicular to a plane in which the axis of rotation runs.
  • the peripheral surface of the disk or disks is preferably flowed tangentially.
  • the disc is or the discs are arranged on an axis of rotation.
  • the tangential flow causes the disk or disks to rotate, in other words into a rotational movement about the axis of rotation.
  • the disk or disks is/are coupled to a shaft, by means of which the mechanical energy of the rotation can be taken off.
  • the disk or disks is/are arranged on the shaft in a rotationally fixed manner.
  • the disk has or the disks essentially have a round shape in at least one plane, in particular in only one plane, to which the axis of rotation of the disk or disks is perpendicular.
  • this round shape for example in such a way that the disk or disks has or have the shape of a shovel.
  • blade elements can also be used, such as are known from a radial turbine, for example.
  • the gas that flows against the disk or disks is also referred to as the working medium.
  • This can be, for example, a flue gas from an incineration plant or, alternatively, a working medium that is heated by means of a heat exchanger device.
  • the working medium is advantageously an inert gas, in particular xenon.
  • Noble gases are useful because they have a low specific heat capacity and are therefore able to reduce high temperature differences and corresponding pressures in one expansion step.
  • the rotary catalytic converter has a gas receiving space.
  • the gas which flows tangentially against the disk or disks, is introduced into the gas receiving space through an inlet device, received therein and through an outlet device deployed.
  • the gas receiving space is set up so that the gas can flow into and out of it, so it consequently has an inlet and an outlet, with the inlet preferably being in an area remote from the axis of rotation of the disk or disks and the outlet in is arranged in an area close to the axis.
  • the disk or disks, preferably all disks, of the rotary catalytic converter are arranged within the gas receiving space.
  • the distance between the discs should be dimensioned in such a way that the educts located in the middle of the gap reach the reactive surface of the discs before the end of the residence time of the exhaust gas in the gap volumes. In this way it is possible that almost all reactive components of the flue gas can leave the reaction space.
  • the mass transfer in a disk system chosen according to the Tesla principle is favored by a significant increase in the radial relative velocity.
  • a disk body forming the disk has at least one cavity in which a cooling medium, in particular a cooling liquid, was or can be accommodated for the purpose of cooling the disk body.
  • a disk is formed by a disk body.
  • a disk body of a disk, in particular of each disk, has at least one cavity. It cannot be ruled out that a pane has several cavities. In particular, the cavity extends from a radially inner region of the disk into a radially outer region of the disk.
  • the disk or disks in the disk body forming a respective disk have at least one cavity in which a cooling liquid is or can be received for the purpose of cooling the disk body.
  • the cooling medium is a cooling liquid, which means that the cooling medium is in the liquid phase at ambient conditions.
  • the cooling medium is water.
  • Organic or inorganic fluids and metals can be used as cooling media.
  • a respective disk can be set up to at least partially evaporate cooling medium contained in its cavity when heat is supplied to the disk in the cavity from the gas volume flow flowing against the disk.
  • the disk is designed to extract heat from the
  • Gas volume flow which flows against the pane or panes or flows around them, absorb and deliver to the cooling medium in the cavity of the disk or disks, so that the cooling medium evaporates at least partially inside the disk body or the disk body.
  • At least one of the disks is set up to evaporate coolant contained in its cavity when heat is supplied from the gas volume flow flowing around it in the cavity.
  • at least one of the discs is set up to heat coolant contained in its cavity in the cavity when heat is supplied from the gas volume flow flowing around it, essentially without evaporation.
  • the vapor of the cooling medium is fed back to the shaft, in particular the shaft of the rotor, and is preferably expanded to dissipate the force, condensed and fed back into the disk or disks.
  • the cooling medium is led out of the cavity for the purpose of condensation and returned to the cavity after condensation.
  • the cooling medium condensed in this way can also be used in another way, in that, according to another embodiment, it does not leave the force-absorbing elements of the rotor, ie the disk or disks, but rather is evaporated and condensed in situ.
  • This process is similar to that in so-called “heat pipes”.
  • the easiest way to do this is with rotating discs of a rotary catalytic converter designed as a disc turbine based on a Tesla turbine, the necessary condition being that the discs are hollow, in other words have a cavity, and contain a cooling medium. As the discs rotate, the cooling medium is pushed radially outwards to the outer edge of the disc, where it is vaporized by hot gas in the vicinity of the disc.
  • the vapor of the cooling medium has a significantly lower density than the liquid phase of the cooling medium, so that it can always be displaced by the liquid phase. This accommodates the fact that the heat flow densities at the radially outer edge of the disk are particularly high, but the liquid phase is able to absorb high heat flow densities without forming a vapor cushion.
  • the vapor is guided into the central region of the disk or disks, i.e. radially inwards, where it condenses, since the gas, which can be flue gas for example, is colder near the axis of rotation or the shaft.
  • the heat flows are advantageously set or adjustable via the boiling temperature, the amount of liquid and the gas temperatures in such a way that the heat flow that is absorbed is equal to the heat flow that is given off. Due to the heat dissipation in the outer pane area, the gas is unable or only to a very limited extent to work on the pane. This means that heat transfer predominantly takes place in this area the cooling medium takes place inside the disc body. In the central, i.e. radially inner disk area, the heat is given off again to the gas, which, however, is associated with an equivalent work performance. That is, the gas transfers force to the disk almost isothermally.
  • the disk or disks of the disk rotor turbine according to the invention is or are designed in such a way that it has or have an internal fluid circuit or cooling medium circuit in the cavity, so that evaporation occurs in the outer area and condensation occurs in the central, i.e. radially inner area Consequence of external heat supply and heat dissipation to a surrounding gas, preferably a hot flue gas, which is used as a working medium to generate mechanical energy.
  • the disk body typically, but not necessarily, consists essentially of a metal.
  • the strength of metals depends in principle on the temperature and progressively decreases with increasing working temperature, in particular with increasing temperature of the gas volume flow of the body of revolution. This means that by cooling the disks according to the invention, the rotary catalytic converter can be operated at a higher working temperature and the work consumption can be increased. With cooled disks, it is therefore possible to use light materials with low strength for the design of the disk body, without there being any risk of breakage. At the same time, this allows a significantly more compact design to be implemented.
  • the effect of the cooling is that a respective disk is exposed to a relatively low thermal load, so that a variety of materials can be used to form the respective disk body, including materials that have a low density and therefore a low weight.
  • disks made of materials with a very low density can be rotated at a very high speed due to the resulting low mass moment of inertia, so that the turbine can be operated at a high speed and consequently with high efficiency.
  • the rotary catalytic converter comprises a plurality of discs which are arranged on an axis of rotation, the disc bodies of mutually adjacent discs being mechanically connected to one another by means of connecting elements.
  • the disk bodies can, for example, comprise at least one recess or sleeve, which is designed for the mechanical connection of at least one adjacent disk.
  • the disk bodies are combined with one another by sleeves that enable external attachment.
  • spacer elements are arranged between two adjacent panes to ensure a defined distance.
  • the spacer elements are arranged mechanically, preferably in the radially outer area of the disks. A disk package is realized in this way.
  • the rotation body can have a plurality of disks arranged on a rotation axis, which can be set in rotation when the gas volume flow is approaching essentially tangentially, so that mechanical energy is transferred to an output element coupled to the disks , in particular a shaft, is removable, wherein a cooling medium, in particular a cooling liquid, is accommodated or can be accommodated in cavities in the discs for the purpose of cooling the disc body, and the cavities of the discs are fluidically connected to one another.
  • a cooling medium in particular a cooling liquid
  • heating or cooling medium can flow through the panes.
  • the rotary body has a plurality of discs arranged on an axis of rotation for converting the enthalpy of a gas volume flow as the inflowing fluid into mechanical energy of the rotary body, which can be set in rotation with the gas volume flow when the flow is essentially tangential, so that mechanical energy is a driven element coupled to the disks, in particular a shaft, wherein a cooling medium, in particular a cooling liquid, is or can be accommodated in cavities of the disks which are separated from one another in terms of flow in order to cool the disk body.
  • the discs are hollow bodies equipped with a fluid that remains in the cavity.
  • the cavity in each pane is dimensioned in such a way that evaporation takes place in the area where heat is supplied and condensation takes place in the area where heat is dissipated.
  • the heat is supplied in the radially outer pane area and the condensation in the area close to the shaft, i.e. radially inner area.
  • the preserved compensating fluid ensures that the wall temperatures in the pane are almost isothermal, since evaporation and condensation take place at almost the same, theoretically even the same temperature.
  • the rotary body can have a coating with noble metal or an alloy based thereon, at least in certain areas.
  • an iron oxide can also be used here.
  • Platinum, gold and silver are particularly suitable as noble metals, whereby the reactivity of the catalyst should be so high that the actual reaction time is negligible compared to the time for the transverse transport of the starting materials and products, in the sense of a mass transport inhibition.
  • the body of revolution is formed at least in sections from graphene.
  • the body of revolution can be made entirely of graphene.
  • the graphene can be at least partially present in mechanically and/or chemically interconnected fibers such that the fibers present in an ordered or disordered form form a disk.
  • Graphene is a carbon compound that has a two-dimensional structure.
  • the carbon atoms are arranged in a honeycomb pattern in the plane.
  • the chemical structure of graphene results in a tensile strength more than 100 times that of steel at a density of less than 0.2 kg/m 3 .
  • graphene has a thermal conductivity of more than 4000 W/(m K).
  • the body of revolution comprises a knitted fabric of graphene threads or fibers.
  • Fibers can also be formed in a disordered arrangement to form a fleece, felt or tangle, and in an ordered arrangement to form a woven, knitted, knitted fabric, netting or stitch-bonded fabric, from which the rotating body is at least partially formed. In this case, it is not impossible to combine several of the fiber arrangements mentioned and/or to construct the rotary body from layers of the same or different fiber arrangements.
  • the individual fibers should preferably have a diameter of less than 5 nm, particularly preferably less than 0.1 nm.
  • Carbon fibers, which are based on graphene as a starting material, are a deformation of the two-dimensional graphene in its basic form, which is bent or folded.
  • the advantage of small diameters is that a laminar flow occurs at the fibers or that there is essentially no detachment of the streamlines when the flow flows around the fibers. In other words, creeping flow conditions are set.
  • a typical Reynolds number characterizing the flow is, for example, less than 0.1, the Reynolds number being the product of the average velocity of the fluid, the fiber diameter and the reciprocal value of the kinematic viscosity of the gaseous fluid.
  • a Reynolds number of 0.1 is calculated under the following conditions, for example:
  • the fibers form a body in an ordered or unordered manner, in particular on the radial outside of the essentially rotationally symmetrical body of revolution.
  • the fibers are mechanically and/or chemically bonded to one another. It is not excluded that the connection of the fibers takes place with the mediation of additives, which either remain in the body formed by the fibers or are removed again.
  • Graphene can e.g. B. be used in the form of aerographs.
  • the low mass moment of inertia has an advantageous effect on flexible control of the speed during operation, since the rotary catalytic converter reacts more quickly to changes in the operating parameters than conventional turbines made of metal materials, for example. This is advantageous, for example, when starting up the rotary catalytic converter.
  • a further advantage of making the body of revolution completely from graphene is, in addition to the lowest possible weight of the body of revolution, a reduced number of connection points and connection elements and thus a reduced number of potential mechanical weak points.
  • the area of the body of revolution made of graphene is made in such a way that the graphene is distributed regularly and/or homogeneously over the circumference in the respective radius.
  • the base body in this embodiment is designed in such a way that, viewed radially from the inside outwards, first a hub is arranged as part of a carrier element and then a body made of the low-density material is arranged, with the carrier element and the hub forming a structural unit can be executed. It is advantageous if the carrier element, in other words the middle ring of the base body, encompasses at least 20%, but at most 50% of the total radius of the base body.
  • the carrier element is also designed to be rotationally symmetrical, in particular as a cylinder or hollow cylinder.
  • a further alternative configuration is a radially alternating arrangement of the low-density material with a further, different material, in particular a light metal such as aluminum or an aluminum alloy, in the form of a layered structure.
  • the carrier element is formed in an innermost area by a hub, and in its radially adjoining central area by a number of webs arranged axially next to one another, in particular in the form of disks, and with the webs in a radially outer area the low-density material is mechanical is firmly connected.
  • Rotating body in particular a hollow cylinder can be arranged with both the webs and the low-density material is mechanically firmly connected and serves to fix the webs in relation to the low-density material.
  • the central area of the rotary body is designed in such a way that webs are arranged in at least one, but preferably several planes perpendicular to the axis in an area between the hub and the low-density material. At least two radially extending webs are arranged in one plane. In principle, any number of webs is possible, with these advantageously being distributed at regular intervals over the circumference of the rotating body or the carrier element.
  • the arrangement of the webs in a second parallel plane to the respective first adjacent plane can be offset in the direction of rotation with respect to this plane.
  • Webs designed in the form of disks can be designed as flat solid cylinders which are arranged parallel to one another. It is possible for the disks to have recesses for further weight reduction, with the recesses advantageously being distributed regularly over the circumference of the respective radius. Said recesses can be round or oval holes, for example.
  • the number, dimensions and spacing of the respective bars or discs are dependent on the speed, the material properties of the bars or discs and the material properties of the rotating body.
  • the carrier element comprises a carrier body for mechanically fixing a body made of graphene.
  • the carrier body is set up on its radial outside to attach a body made of graphene to or on it.
  • the graphene is permanently connected to the carrier body, that is, represents a structural unit. It is conceivable, for example, that the graphene is permanently applied to the carrier body, e.g. B. by printing, and this support body is then mechanically connected to the central portion of the support member.
  • the carrier body On its radially inner side, the carrier body is connected to the webs and/or disks of the carrier element.
  • the rotary catalytic converter has at least one flow guide device in its radially inner region for axially discharging the inflowing fluid.
  • the fact that the flow guide devices are arranged in a radially inner area means that they lie on a radius n to the axis of rotation, where n/r g ⁇ 0.3.
  • the gaseous fluid which flows tangentially against the rotating body, is discharged inwards in a spiral shape on the axially aligned surface of the rotating body towards the center or towards the axis of rotation of the rotating body. During the spiral diversion, the fluid continues to give off energy and heat to the body of revolution.
  • the flow guide device in the inner area of the rotary catalytic converter serves to divert the flowing fluid from the rotary catalytic converter. This can be made possible, for example, via recesses on the rotary body, in particular on a hub, which allow the fluid to flow out in the center parallel to the axis.
  • a further possibility consists in providing at least one flow guide device wholly or partially on the shaft, provided that the rotary catalytic converter is connected to such a device, so that the fluid can be discharged via the shaft itself.
  • the flowing fluid leaves the rotary catalytic converter with less energy and less heat than when it entered it. It can be assumed that approximately 70% of the internal energy of the flowing fluid can be converted into mechanical energy by means of the rotary catalyst.
  • the rotary catalytic converter comprises a housing, the housing comprising at least one inflow region for realizing a tangential flow onto the rotating body.
  • the inflow area is adjoined by a flow line area, the cross section of which decreases with increasing distance along the flow lines of the fluid in the direction of flow from the inflow area.
  • the flow onto the rotary body by means of the inflow area initially takes place in a direction perpendicular to the orientation of the axis of rotation and is directed towards the outer edge of the rotary body.
  • a flow guide area is connected to the inflow area. This is designed in such a way that the flow of the fluid is guided along the rotating body.
  • the flow guide area has a shape adapted to the round shape of the rotating body.
  • the flow guide area preferably tapers continuously.
  • the flow is consequently compressed along its path along the rotating body of revolution. This will realized, for example, in that the inner wall of a housing surrounding the body of rotation is continuously approximated in sections spirally to the body of rotation.
  • the configuration leads to a more effective utilization of the energy of the flowing fluid.
  • Fluid flowing tangentially onto the rotating body is thus guided through the flow line area on the outside of the rotating body, whereby it is caused by the fluid pressure and the reduction in the space available between the rotating body and an inner wall of the housing with an increase in the distance from the inflow area to the radial outside of the body of rotation is displaced and flows axially to the side of the body of rotation at this in the radial direction inwards.
  • a rotary catalytic converter preferably has two radially opposite inflow areas.
  • each body of rotation should be subjected to fluid by means of one or more inflow areas of its own.
  • one embodiment of the rotary catalytic converter consists in that the material of at least one component of the housing radially surrounding the rotary body is at least partially a low-density material, in particular graphene.
  • the housing is preferably made entirely of graphene in the area surrounding the rotary body, as a result of which the housing and thus the rotary catalytic converter as a whole are given high strength with low weight.
  • a flowing gaseous fluid which has a proportion of oxidative components, in particular oxygen, of less than 5% by volume.
  • Inert gases or inert gas mixtures are particularly preferred to be used as the inflowing fluid for the operation of the rotary catalytic converter.
  • the outer diameter of the rotating body results from the flow conditions such that the speed of the flowing fluid in the radial direction in the radially inner area of the rotating body, in particular in the area of the flow guide device, is approximately equal to the peripheral speed in this radial area.
  • the ratio of the outer diameter of the rotating body to the diameter of the shaft is preferably 5 to 1.
  • the peripheral speed of the rotating body on its radial outside can be approximately determined from the square root of the quotient of material strength and material density.
  • the peripheral speed at the shaft is obtained by multiplying it by the ratio of the shaft diameter to the diameter of the rotating body.
  • a further alternative embodiment of the rotary body provides that the rotary body is made of zeolite at least in a partial area of its outer surface.
  • the zeolite fulfills the catalyst function here.
  • a body of revolution comprising zeolite can have a stainless steel coating.
  • a silica gel or another porous ceramic can also be used instead of zeolite.
  • the rotary body is formed at least in regions from a tangle, knitted fabric, woven fabric, knitted fabric, mesh or stitched fabric made of stainless steel threads.
  • These textile forms can also be made of steel, copper or alloys based on them.
  • a further aspect of the present invention is a method for operating the rotary catalyst according to the invention, in which the rotary body of the rotary catalyst is flown with a fluid and thereby kinetic energy of the inflowing fluid is transferred to the rotary body, with at least part of the time at the same time the rotary body having at least one surface area Catalysis, in particular heterogeneous catalysis, carries out at least one component of the inflowing fluid.
  • the rotary catalytic converter is designed as a disc rotor turbine for converting the enthalpy of a gas volume flow into mechanical energy
  • the method is such designed such that a gas volume flow is supplied essentially tangentially to the disk, flowing against it, so that the disk is caused to rotate due to friction.
  • the catalytic denitrification can be carried out in such a way that the unburned hydrocarbons (CH) and carbon monoxide (CO) serve as reducing agents, e.g.:
  • the reductively acting materials are available in a specific stoichiometric amount and the temperature is set with regard to the greatest conversion effect according to the Arrhenius function.
  • the inflowing fluid is a gas volume flow and heat of the gas volume flow is transferred to a cooling medium in a cavity of a disc body, so that the cooling medium at least partially evaporates.
  • the method for operating a rotary catalyst is used here to convert the enthalpy of a gas volume flow into mechanical energy.
  • a disk body forming the disk has at least one cavity in which a cooling medium, in particular a cooling liquid, is or can be accommodated for the purpose of cooling the disk body.
  • heat from the gas volume flow is transferred to the cooling medium in the cavity of the disc body, so that the temperature of the cooling medium is increased, with the cooling medium essentially remaining in the liquid phase.
  • a device for converting chemical energy into electrical energy comprising a combustion device for converting chemical energy into enthalpy of a fluid, and a rotary catalyst according to the invention, which is fluidically coupled to the combustion device, so that the combustion device provided fluid can be fed to the rotary catalytic converter with increased internal energy and the rotary catalytic converter can be driven with at least partial conversion of the internal energy of the fluid, and a generator which is coupled in a rotationally fixed manner to the rotary catalytic converter, so that mechanical energy made available by the rotary catalytic converter can be at least partially converted into electrical energy with the generator.
  • a further aspect of the present invention is a method for converting chemical energy into electrical energy, in which chemical energy is converted into enthalpy of a fluid by means of a combustion device and fluid with increased internal energy made available by the combustion device to a rotary catalyst according to the invention fluidically coupled to the combustion device is fed and this is driven with at least partial conversion of the internal energy of the fluid, wherein the rotary catalytic converter is used at the same time for the realization of a catalysis of at least one component of the inflowing fluid.
  • Mechanical energy made available by the rotary catalytic converter is supplied to a generator which is coupled in a rotationally fixed manner to the rotating body of the rotary catalytic converter, so that mechanical energy made available by the rotary catalytic converter is at least partially converted into electrical energy by the generator.
  • the particularly heterogeneous catalysis takes place in a rotating system that is able to transfer mechanical energy from the flue gas to a shaft.
  • the shaft is coupled to a generator to generate electrical energy (see Fig. 1).
  • the invention can be operated as a device for the decomposition of nitrogen oxides, which result from the combustion of combustible gas or liquid fuel in internal combustion engines.
  • the present invention also provides a use of the rotary catalyst according to the invention for transferring kinetic energy of the inflowing fluid to the rotating body and at least temporarily for realizing a catalysis of at least one component of the inflowing fluids.
  • the rotary catalyst is used here for the gasification of carbon in a circulatory system.
  • the rotary catalyst can also be used for liquid products and educts, such as for the production of methanol, the splitting of liquefied plastics and for the production of artificial or synthetic combustion fuels and useful gases.
  • Figure 1 an incinerator with rotary catalyst
  • Figure 2 a first embodiment of the rotary catalyst in a sectional view
  • FIG. 3 a shaft of the rotary catalytic converter shown in FIG. 2 in a sectional view
  • Figure 4 A partial section of the rotary catalyst shown in Figure 2 in a partial section
  • Figure 5 a second embodiment of the rotary catalyst in a sectional view
  • FIG. 6 a third embodiment of the rotary catalytic converter in a sectional view.
  • FIG. 1 shows a system which is used for the use of the rotary catalyst 6 according to the invention.
  • This system includes a device for supplying fuel 1 and air 2 to an internal combustion engine 4, which can in particular be part of a combined heat and power plant.
  • the internal combustion engine 4 can also be a piston engine, such as a drive engine of a motor vehicle.
  • Exhaust gas 3 is discharged from internal combustion engine 4 and fed to rotary catalytic converter 6 in order to use up the residual mechanical energy in exhaust gas 3 .
  • the pressure at the outlet from the internal combustion engine 4 is set in such a way that it is possible to raise the temperature to around 130° C. downstream of the rotary catalytic converter 6, with the inlet temperature being 500° C.
  • the pressure in front of the rotary catalytic converter 6 is around 2 bar and then around 1 bar.
  • the additional electrical power gain is around 5%.
  • the rotary catalytic converter 6 in turn is mechanically coupled to a generator 8 by means of an output element 7 so that kinetic energy from the rotary catalytic converter 6 can be converted into electrical energy by the generator 8 .
  • Exhaust gas 3 leaving the rotary catalytic converter 6 is discharged into the environment via a chimney 9 .
  • the rotary catalytic converter 6 is fluidically coupled to the internal combustion engine 4 in order to convert kinetic energy of the exhaust gas 3 into electrical energy. At the same time, the rotary catalytic converter 6 enables a catalytic reaction in components of the exhaust gas 3.
  • FIG. 2 shows an embodiment of the rotary catalytic converter 6 in which a rotary body 10 is formed from a plurality of discs 11 . These disks 11 are arranged parallel to one another on a common axis of rotation 24 . In the present embodiment, the axis of rotation 24 is realized by an output element 7 in the form of a shaft.
  • the disks 11 are coated or embodied on their outer sides at least in regions with a catalytically active material 12 .
  • this catalytically active material 12 can be a noble metal, such as platinum, gold or silver.
  • this coating can be made porous. The type of coating is chosen so that there is no significant thermal influence on the fluid 29 .
  • the discs 11 are connected to this output element 7 in a torque-proof manner.
  • the disks 11 are surrounded radially on the outside by a housing 20 which seals with the driven element 7, seals 47 only being visible in the embodiments according to FIGS.
  • the housing 20 forms the gas receiving space 21 in its interior.
  • Fluid 29 in the form of flue gas can be introduced into the gas receiving space 21 along an inflow direction 23 and expanded there to the desired pressure and temperature value through an inlet device 22, as shown by way of example in FIG.
  • the flue gas or fluid 29 also comes into contact with the catalytically active material 12, so that reduction reactions to break down nitrogen oxides in flue gas are carried out with the catalytically active material 12.
  • the double function of the rotary catalytic converter 6 can be seen, which uses the kinetic energy of the fluid 29 on the one hand, but also serves to remove nitrogen from the fluid 29 on the other.
  • the catalytic layer or the catalytically active material 12 is selected in such a way that the pollutant system can achieve a sufficient denitrification effect on its own, the addition of reducing additives is not necessary.
  • the reduction is supported only by short transport distances in the gap between the discs 11 and by temperature and pressure, according to the SNCR principle. If these conditions cannot be set, a reducing additive is added at the entrance to the rotary catalytic converter 6, according to the SCR principle, e.g. by means of urea.
  • the corresponding gross reaction equations are initially in words
  • Ammonia is used as the actual reducing agent, resulting in molecular nitrogen and water vapor:
  • the flue gas could also have a reducing and oxidizing effect when selecting a corresponding catalyst, if reducing material is available in a stoichiometrically oriented amount, as in the SNCR reaction, e.g
  • the driven element 7 comprises grooves 26 at several positions on its circumference, the axially extending channels in the shaft-shaped driven element 7 train.
  • the grooves 26 are fluidically connected to the gas receiving space 21 so that fluid 29 flowing in the gas receiving space 21 can enter the respective groove 26 in the radially inner area of the discs 11 and be discharged axially to a flue gas collector 27 can.
  • the fluid 29 can be fed to the chimney 9 according to FIG.
  • Figures 5 and 6 show two different embodiments of the rotary catalyst 6.
  • the disks 11 each have a cavity 30 .
  • a cooling medium is located in the cavity 30, and it depends on the respective embodiment whether the cooling medium, which can be water in particular, is present as a liquid or as a vapor.
  • the discs 11 are fluidically connected to one another via a plurality of connecting elements 40, which can be arranged in particular in uniformly distributed angular positions on the discs 11 or penetrating them.
  • a disc 41 shown on the far right in the embodiment according to FIG. 5 serves to increase the pressure by means of centrifugal force which acts on the cooling medium in the disc.
  • the cavity 30 of this disk 11 is fluidically coupled to an inner cavity 45 of the driven element 7, so that in this embodiment water 31 can flow as a cooling medium into this cavity 30 of the right-hand disk.
  • the water 31 flows via the connecting elements 40, which can also be referred to as distributors, along the illustrated flow path 34 into the other panes 11.
  • the steam 32 can be discharged via fluidic connections 46 between these cavities 30 filled with a steam-water mixture 33 and the inner cavity 45 of the driven element 7 .
  • the driven element 7 has a separating element 42 separating its inner cavity 45 . In this way, the reduction reaction can be set in a targeted manner at any point on the disk surface.
  • the advantage of this embodiment is that the disks 11 can be cooled almost isothermally, so that they can be exposed to a high flue gas temperature over a long service life.
  • the cavities 30 of the discs 11 are not fluidically coupled to one another.
  • water 31 is also present in the cavities 30 as a cooling medium in this embodiment.
  • the supply of heat by the fluid 29 or flue gas results in partial evaporation, so that there is a zone of evaporation 50 along the radial direction from radially outside to radially inside, followed by a neutral area 51 and then a zone of condensation 52 trains.
  • the denser condensate 60 is located radially on the outside in the cavities 30, and the water 31 or cooling medium in the form of steam 32 is radially on the inside Driven element 7, condensation occurs here. Due to the centrifugal forces acting on the condensate 60, the condensate 60 is transported radially outwards, as a result of which steam 32 located there is in turn pressed radially inwards.
  • the disks 11 used here are designed according to the principle of "heat pipes". These discs 11 cooled with cooling medium also have a comparatively long service life, even at very high temperatures, since the discs 11 can be kept at a desired temperature level by the cooling described. In this embodiment, too, the reduction reaction can be set accordingly in a targeted manner.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Rotationskatalysator, ein Verfahren zum Betreiben des Rotationskatalysators, eine Einrichtung und ein Verfahren zur Umwandlung chemischer Energie in elektrische Energie sowie eine Verwendung des erfindungsgemaBen Rotationskatalysators. Der Rotationskatalysator (6) umfasst einen Rotationskorper (10) zur Anstromung mit einem Fluid (29) und zur Obertragung kinetischer Energie des anstromenden Fluids (29) auf den Rotationskorper (10), wobei der Rotationskorper (10) mit zumindest einem Oberflachenbereich zur Realisierung einer Katalyse, insbesondere zur Realisierung einer heterogenen Katalyse, zumindest eines Bestandteils des anstromenden Fluids (29) eingerichtet ist.

Description

ROTATIONSKATALYSATOR, VERFAHREN ZU SEINEM BETREIBEN, EINRICHTUNG UND VERFAHREN ZUR UMWANDLUNG CHEMISCHER ENERGIE IN ELEKTRISCHE ENERGIE UND VERWENDUNG EINES ROTATIONSKATALYSATORS
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Rotationskatalysator, ein Verfahren zum Betreiben des Rotationskatalysators, eine Einrichtung und ein Verfahren zur Umwandlung chemischer Energie in elektrische Energie sowie eine Verwendung des erfindungsgemäßen Rotationskatalysators.
Der Schutz der Umwelt verlangt es, dass Motorabgase deutlich weniger sogenannte Stickoxide enthalten dürfen als es bislang erlaubt war. Bei Blockheizkraftwerken beträgt mit den üblichen elektrischen Leistungen im Bereich ab 100 kW der Grenzwert 60 ppm (parts per million), wobei damit Volumenanteile bezeichnet sind und die Volumenanteile auf 0°C bezogen sind. In Zukunft darf der Grenzwert 30 ppm zumindest in einigen Jurisdiktionen nicht überschritten werden. Einige Genehmigungsbehörden verlangen eine Unterschreitung von 50% im praktischen Betrieb, damit sichergestellt ist, dass der Grenzwert bei Laständerungen auf keinen Fall überschritten wird.
Es ist dabei Stand der Technik, dass hinter Verbrennungsmotoren Gasturbinen geschaltet werden, die kinetische Energie des Abgasstroms zumindest teilweise aufnehmen. Diese Gasturbinen sind üblicherweise mit Generatoren gekoppelt, zur Umwandlung der kinetischen Energie in elektrische Energie.
Gasturbinen sind leistungsbegrenzt durch das Material der kraftaufnehmenden Elemente des Läufers. Dies kann durch eine interne Kühlung dieser Elemente kompensiert werden, indem das Kühlmedium hindurchgeleitet und dem Strom des Arbeitsmediums überlassen wird oder durch einen konservativen Kühlprozess, bei dem das Kühlmedium erhalten bleibt.
Ersteres ist Stand der Technik, wobei als Kühlmedien Wasserdampf oder Luft verwendet werden. Zweiteres ist ebenfalls Stand der Technik, allerdings mit der Einschränkung, dass das Kühlmedium, vorzugsweise Wasser, über die Läuferwelle den Schaufeln zugeführt wird und in den Schaufeln verdampft.
Weiterhin ist es Stand der Technik, dass die Entstickung katalytisch an Keramik-Kontakten erfolgt, also durch eine heterogene Katalyse (SCR). Die Keramik-Kontakte sind in voluminösen zylindrischen Behältern in Form einer Festbettschüttung untergebracht. Der Stoffübergang in derartigen Schüttungen ist in der Regel schwerfällig, da innerhalb des Porenraumes der Keramik eine Transporthemmung auftritt.
Bei der Keramik kann es sich um Kugelschüttungen, Wabenkörper o. ä. handeln. In allen Keramik-Körpern findet die eigentliche Reaktion im Porenraum statt. Der Transport der Edukte in diesen Raum und der Abtransport aus diesem Raum findet durch Diffusion statt. Zur Sicherstellung, dass der diffusive Transport keine zu große Zeit in Anspruch nimmt, wird die reaktive Keramikmasse ausreichend groß gewählt. Der Schlüsselparameter zur Auslegung der Schicht ist die sogenannte Raumzeit, nämlich das Verhältnis aus Volumenstrom des Rauchgases zum Katalysatorvolumen.
Die gezwungenermaßen groß gewählten Katalysatorvolumina führen aber zu dem Nachteil, dass ein erheblicher Druckverlust zum Transport des Rauchgases aufgebracht werden muss. Dies bedeutet, dass die mechanische Energie, die in Bezug zum Katalysator stromaufwärts des Abgas-Stroms zur Verstromung in der Gasturbine zur Verfügung stand, nunmehr für den Transport durch die Katalysatorschüttung bzw. die Keramikwaben verbraucht wird.
Zudem erfolgt die Katalyse in der Regel nicht isotherm, was zur Folge hat, dass nur ein Teil der Schüttung mit ausreichender Reaktivität zur Verfügung steht.
Für den Fall, dass der Katalysator auch auf nicht oxidiertes Brennmaterial, wie zum Beispiel Kohlenmonoxid und Ruß, anspricht, kann es zu einem „Durchgehen“ der Reaktion kommen, mit der Gefahr der lokalen Überhitzungen und/ oder Schädigungen des Katalysatormaterials.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Rotationskatalysator, ein Verfahren zum Betreiben des Rotationskatalysators, eine Einrichtung und ein Verfahren zur Umwandlung chemischer Energie in elektrische Energie sowie eine Verwendung des erfindungsgemäßen Rotationskatalysators zur Verfügung zu stellen, mit denen in einfacher und energieeffizienter Weise eine Rauchgasbehandlung erfolgen kann.
Diese Aufgabe wird durch den Rotationskatalysator nach Anspruch 1, durch ein Verfahren zum Betreiben des Rotationskatalysators nach Anspruch 11, durch eine Einrichtung zur Umwandlung chemischer Energie in elektrische Energie nach Anspruch 13 und ein Verfahren zur Umwandlung chemischer Energie in elektrische Energie nach Anspruch 14 sowie eine Verwendung des erfindungsgemäßen Rotationskatalysators nach Anspruch 15 gelöst Ein erster Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Rotationskatalysator, umfassend einen Rotationskörper zur Anströmung mit einem Fluid und zur Übertragung kinetischer Energie des anströmenden Fluids auf den Rotationskörper, wobei der Rotationskörper mit zumindest einem Oberflächenbereich zur Realisierung einer Katalyse, insbesondere zur Realisierung einer heterogenen Katalyse, zumindest eines Bestandteils den anströmenden Fluids eingerichtet ist.
Der erfindungsgemäße Rotationskatalysator erfüllt somit eine doppelte Funktion, nämlich zum einen die Aufnahme kinetischer Energie des anströmenden Fluids mit der Möglichkeit, bei Kopplung des Rotationskatalysators mit einem Generator diese Energie zumindest teilweise in elektrische Energie umzuwandeln, und zum anderen die gleichzeitige katalytische Reaktion mit dem Ziel der Entstickung von Bestandteilen des anströmenden Fluids.
Der Rotationskatalysator ermöglicht diese Doppelfunktion mit einem sehr geringen Bauraumbedarf. Zudem weist der Rotationskatalysator sowohl für die Aufnahme kinetischer Energie sowie für die Entstickung einen hohen Wirkungsgrad auf.
Letztendlich ist durch den Rotationskatalysator gewährleistet, dass trotz Realisierung der katalytischen Reaktion weiterhin ein hoher Anteil der kinetischen Energie des anströmenden Fluids genutzt bzw. in elektrische Energie umgewandelt werden kann.
Insbesondere ist vorgesehen, dass die Oberfläche des Rotationskörpers zumindest teilweise durch ein katalytisch wirkendes Material ausgebildet ist, welches in der Lage ist, Reduktionsreaktionen zum Abbau von Stickoxiden des anströmenden Fluids herbeizuführen.
Die Spezifität des katalytisch wirkenden Materials sollte derart sein, dass mindestens Stickstoffmonoxid quantitativ abgebaut wird.
Dabei kann der Rotationskörper zur Umwandlung der Enthalpie eines Gasvolumenstroms als anströmenden Fluids in mechanische Energie des Rotationskörpers wenigstens eine auf einer Rotationsachse angeordnete Scheibe aufweisen, welche bei im Wesentlichen tangentialer Anströmung mit dem Gasvolumenstrom in Rotation versetzbar ist, sodass mechanische Energie an einem mit der Scheibe gekoppelten Abtriebselement, insbesondere einer Welle, abnehmbar ist, und der Rotationskatalysator wenigstens einen Gasaufnahmeraum zur Aufnahme und Ausbringung des zumindest teilweise tangential die Scheibe anströmenden Gasvolumenstroms aufweist.
Das rotierende System bzw. der Rotationskörper umfasst in einer vorteilhaften Ausführungsform ein Scheibenregime, bei dem die einzelnen Scheiben orthogonal auf einer Welle aufgebracht sind, so dass sich der Läufer einer Scheibenturbine nach dem System „Tesla“ ergibt.
Mit anderen Worten ist der Rotationskörper eine Scheibenläuferturbine mit wenigstens einer, vorzugsweise mehreren auf einer Rotationsachse angeordneten Scheibe bzw. Scheiben, die bei im Wesentlichen tangentialer Anströmung mit einem Gasvolumenstrom in Rotation versetzbar ist bzw. sind, sodass mechanische Energie an einer mit der Scheibe bzw. mit den Scheiben gekoppelten Welle abnehmbar ist.
Unter einer tangentialen Anströmung ist eine Anströmung der Scheibe bzw. Scheiben in einem radial äußeren Bereich der Scheibe bzw. der Scheiben in einer im Wesentlichen zu einer Ebenen, in der die Rotationsachse verläuft, senkrechten Anströmrichtung zu verstehen. Bevorzugt wird die Umfangsfläche der Scheibe bzw. der Scheiben tangential angeströmt.
Die Scheibe ist bzw. die Scheiben sind auf einer Rotationsachse angeordnet. Durch die tangentiale Anströmung wird die Scheibe bzw. werden die Scheiben in Rotation, mit anderen Worten in eine Rotationsbewegung um die Rotationsachse versetzt. Ferner ist die Scheibe bzw. sind die Scheiben mit einer Welle gekoppelt, mittels der die mechanische Energie der Rotation abnehmbar ist. In einer Ausführung ist die Scheibe bzw. sind die Scheiben an der Welle drehfest angeordnet.
Die Scheibe weist bzw. die Scheiben weisen im Wesentlichen in zumindest einer Ebene, insbesondere in lediglich einer Ebene, zu welcher die Rotationsachse der Scheibe bzw. Scheiben senkrecht steht, eine runde Form auf. Von dieser runden Form kann jedoch auch abgewichen werden, zum Beispiel in der Art, dass die Scheibe bzw. Scheiben eine Schaufelform aufweist bzw. aufweisen. Mit anderen Worten können anstelle von Scheiben auch Schaufelelemente verwendet werden, wie sie beispielsweise von einer Radialturbine bekannt sind.
Das Gas, welches die Scheibe bzw. die Scheiben anströmt, wird auch als Arbeitsmedium bezeichnet. Dabei kann es sich beispielsweise um ein Rauchgas einer Verbrennungsanlage handeln oder alternativ um ein Arbeitsmedium, welches mittels einer Wärmetauschereinrichtung erwärmt wird. Im letzten Fall ist das Arbeitsmedium vorteilhafterweise ein Edelgas, insbesondere Xenon. Edelgase sind sinnvoll, weil sie eine geringe spezifische Wärmekapazität haben und somit in der Lage sind, hohe Temperaturdifferenzen und entsprechende Drücke in einem Entspannungsschritt abzubauen.
Der Rotationskatalysator weist einen Gasaufnahmeraum auf. In den Gasaufnahmeraum wird das Gas, welches die Scheibe bzw. die Scheiben tangential anströmt durch eine Einlasseinrichtung eingebracht, in diesem aufgenommen und durch eine Auslasseinrichtung ausgebracht. Mit anderen Worten ist der Gasaufnahmeraum dazu eingerichtet, dass das Gas in diesen ein- und ausströmen kann, er also folglich einen Einlass und einen Auslass besitzt, wobei der Einlass vorzugsweise in einem von der Rotationsachse der Scheibe bzw. Scheiben entfernten Bereich und der Auslass in einem achsennahen Bereich angeordnet ist. Die Scheibe bzw. Scheiben, bevorzugt alle Scheiben, des Rotationskatalysators sind innerhalb des Gasaufnahmeraums angeordnet.
Der Abstand zwischen den Scheiben sollte so bemessen sein, dass die in der Spaltmitte befindlichen Edukte vor Ablauf der Aufenthaltszeit des Abgases in den Spaltvolumina an die reaktive Oberfläche der Scheiben gelangen. Auf diese Weise gelingt es, dass nahezu alle reaktiven Bestandteile des Rauchgases den Reaktionsraum verlassen können. Der Stoffübergang in einem nach dem Tesla-Prinzip gewählten Scheibensystem wird durch eine erhebliche Zunahme der radialen Relativgeschwindigkeit begünstigt.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass ein die Scheibe ausbildender Scheibenkörper zumindest einen Hohlraum aufweist, in dem zwecks Kühlung des Scheibenkörpers ein Kühlmedium, insbesondere eine Kühlflüssigkeit, aufgenommen wurde oder aufnehmbar ist.
Eine Scheibe ist durch einen Scheibenkörper ausgebildet. Ein Scheibenkörper einer Scheibe, insbesondere einer jeden Scheibe, weist dabei wenigstens einen Hohlraum auf. Es ist nicht ausgeschlossen, dass eine Scheibe mehrere Hohlräume aufweist. Insbesondere erstreckt sich der Hohlraum von einem radial inneren Bereich der Scheibe in einen radial äußeren Bereich der Scheibe.
Somit ist in dieser Ausführungsform des Rotationskatalysators vorgesehen, dass die Scheibe bzw. die Scheiben im eine jeweilige Scheibe ausbildenden Scheibenkörper zumindest einen Hohlraum aufweisen, in dem eine Kühlflüssigkeit aufgenommen oder aufnehmbar ist zwecks Kühlung des Scheibenkörpers.
Insbesondere ist das Kühlmedium eine Kühlflüssigkeit, was bedeutet, dass das Kühlmedium bei Umgebungsbedingungen in der flüssigen Phase vorliegt. Beispielsweise handelt es sich bei dem Kühlmedium um Wasser. Als Kühlmedien können organische oder anorganische Fluide und Metalle eingesetzt werden.
Dabei kann eine jeweilige Scheibe dazu eingerichtet sein, in ihrem Hohlraum aufgenommenes Kühlmedium bei Zuführung von Wärme von dem die Scheibe anströmenden Gasvolumenstrom an die Scheibe im Hohlraum wenigstens teilweise zu verdampfen.
Mit anderen Worten ist die Scheibe dazu eingerichtet, dass Wärme von dem
Gasvolumenstrom, welcher die Scheibe bzw. die Scheiben anströmt bzw. diese umströmt, aufzunehmen und an das Kühlmedium im Hohlraum der Scheibe bzw. der Scheiben abzugeben, sodass das Kühlmedium im Inneren des Scheibenkörpers bzw. der Scheibenkörper wenigstens teilweise verdampft.
Bei mehreren Scheiben ist zumindest eine der Scheiben dazu eingerichtet, in ihrem Hohlraum aufgenommenes Kühlmittel bei Zuführung von Wärme aus dem umströmenden Gasvolumenstrom in dem Hohlraum zu verdampfen. Grundsätzlich ist es ebenfalls möglich, dass zumindest eine der Scheiben dazu eingerichtet ist, in ihrem Hohlraum aufgenommenes Kühlmittel in dem Hohlraum bei Zuführung von Wärme aus dem umströmenden Gasvolumenstrom im Wesentlichen ohne Verdampfung zu erwärmen.
In einer Ausführungsform wird der Dampf des Kühlmediums auf die Welle, insbesondere die Welle des Läufers, zurückgeführt und vorzugsweise kraftableitend entspannt, kondensiert und in die Scheibe bzw. Scheiben zurückgeleitet. In diesem Fall wird das Kühlmedium zwecks Kondensation aus dem Hohlraum herausgeführt und nach der Kondensation wieder in den Hohlraum zurückgeführt.
Das so kondensierte Kühlmedium kann allerdings auch auf andere Weise eingesetzt werden, indem es gemäß einer anderen Ausführungsform die kraftaufnehmenden Elemente des Läufers, das heißt die Scheibe bzw. Scheiben gar nicht verlässt, sondern quasi in situ verdampft und kondensiert wird. Dieser Vorgang ist ähnlich wie dem in sogenannten „heat- pipes“. Am einfachsten lässt sich dies mit rotierenden Scheiben eines als Scheibenturbine ausgebildeten Rotationskatalysators in Anlehnung an eine Tesla-Turbine realisieren, wobei die notwendige Bedingung ist, dass die Scheiben hohl sind, mit anderen Worten einen Hohlraum aufweisen, und ein Kühlmedium enthalten. Da die Scheiben rotieren, wird das Kühlmedium nach radial außen an den Scheibenaußenrand gedrückt, wo es durch heißes Gas in der Umgebung der Scheibe verdampft. Der Dampf des Kühlmediums hat eine wesentlich geringere Dichte als die flüssige Phase des Kühlmediums, sodass er stets von der flüssigen Phase verdrängt werden kann. Dies kommt dem Umstand entgegen, dass die Wärmestromdichten am radial äußeren Rand der Scheibe besonders hoch sind, die flüssige Phase aber in der Lage ist, hohe Wärmestromdichten aufzunehmen, ohne Dampfpolster zu bilden.
Der Dampf wird aus Kontinuitätsgründen in den Zentralbereich der Scheibe bzw. der Scheiben, also nach radial innen, geleitet, wo er kondensiert, da das Gas, welches zum Beispiel ein Rauchgas sein kann, in der Nähe der Rotationsachse bzw. der Welle kälter ist. Die Wärmeströme sind über die Siedetemperatur, die Flüssigkeitsmenge und die Gastemperaturen vorteilhafterweise so eingestellt bzw. einstellbar, dass der aufnehmende gleich dem abgebenden Wärmestrom ist. Aufgrund der Wärmeabgabe im äußeren Scheibenbereich ist das Gas nicht oder nur sehr eingeschränkt in der Lage, Arbeit an der Scheibe zu leisten. Das heißt, in diesem Bereich findet vorwiegend Wärmeübertragung an das Kühlmedium im Inneren des Scheibenkörpers statt. Im zentralen, also radial inneren Scheibenbereich wird die Wärme wieder an das Gas abgegeben, was allerdings mit einer äquivalenten Arbeitsverrichtung verbunden ist. Das heißt, das Gas überträgt annähernd isotherm Kraft auf die Scheibe.
Die Scheibe bzw. Scheiben der erfindungsgemäßen Scheibenläuferturbine ist bzw. sind derart gestaltet, dass sie über einen internen Fluidkreislauf bzw. Kühlmediumkreislauf im Hohlraum verfügt bzw. verfügen, sodass es im äußeren Bereich zur Verdampfung und im zentralen, also radial inneren Bereich zur Kondensation kommt als Folge von externer Wärmezufuhr durch und Wärmeabfuhr an ein umgebendes Gas, vorzugsweise ein heißes Rauchgas, welches als Arbeitsmedium zur Gewinnung von mechanischer Energie verwendet wird.
Der Scheibenkörper besteht typischer- aber nicht notwendigerweise im Wesentlichen aus einem Metall. Die Festigkeit von Metallen ist prinzipiell von der Temperatur abhängig und nimmt mit zunehmender Arbeitstemperatur, insbesondere mit zunehmender Temperatur des Gasvolumenstroms, des Rotationskörpers progressiv ab. Das heißt, dass durch eine erfindungsgemäße Kühlung der Scheiben der Rotationskatalysator bei einer höheren Arbeitstemperatur betrieben werden kann und die Arbeitsaufnahme gesteigert werden kann. Mit gekühlten Scheiben ist es demnach möglich, leichte Materialien mit geringer Festigkeit für die Ausgestaltung des Scheibenkörpers vorzusehen, ohne dass Bruchgefahr bestünde. Zugleich lässt sich dadurch eine wesentlich kompaktere Bauweise realisieren.
Der Effekt der Kühlung ist, dass eine jeweilige Scheibe einer relativ geringen thermischen Belastung ausgesetzt ist, sodass eine Vielfalt von Materialien zur Ausbildung des jeweiligen Scheibenkörpers eingesetzt werden kann, unter anderem auch Materialien, die eine geringe Dichte und demzufolge ein geringes Gewicht aufweisen. Insbesondere Scheiben aus Materialien mit sehr geringer Dichte können aufgrund ihres dadurch bedingten geringen Massenträgheitsmoments mit einer sehr hohen Drehzahl gedreht werden, so dass die Turbine mit hoher Drehzahl und demzufolge mit hohen Wirkungsgrad betrieben werden kann.
In einer spezifischen Ausgestaltungsform umfasst der Rotationskatalysator mehrere Scheiben, welche auf einer Rotationsachse angeordnet sind, wobei die Scheibenkörper zueinander benachbarter Scheiben mittels Verbindungselementen mechanisch miteinander verbunden sind. Zu diesem Zweck können die Scheibenkörper zum Beispiel wenigstens eine Aussparung oder Hülse umfassen, welche zur mechanischen Anbindung wenigstens einer benachbarten Scheibe eingerichtet ist. Mit anderen Worten werden die Scheibenkörper durch Hülsen, die eine äußere Befestigung ermöglichen, miteinander kombiniert. Vorteilhafterweise sind zwischen zwei benachbarten Scheiben Distanzelemente zur Gewährleistung eines definierten Abstands angeordnet. Die Distanzelemente sind mechanisch, bevorzugt im radial äußeren Bereich der Scheiben angeordnet. Auf diese Weise ist ein Scheibenpaket realisiert.
Insbesondere kann der Rotationskörper zur Umwandlung der Enthalpie eines Gasvolumenstroms als anströmendes Fluid in mechanische Energie des Rotationskörpers mehrere auf einer Rotationsachse angeordnete Scheiben aufweisen, welche bei im Wesentlichen tangentialer Anströmung mit dem Gasvolumenstrom in Rotation versetzbar sind, sodass mechanische Energie an einem mit den Scheiben gekoppelten Abtriebselement, insbesondere einer Welle, abnehmbar ist, wobei in Hohlräumen der Scheiben zwecks Kühlung des Scheibenkörpers ein Kühlmedium, insbesondere eine Kühlflüssigkeit, aufgenommen oder aufnehmbar ist, und wobei die Hohlräume der Scheiben strömungstechnisch miteinander verbunden sind.
Derart können die Scheiben mit Heiz- oder Kühlmittel durchströmt werden.
In einer alternativen Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Rotationskörper zur Umwandlung der Enthalpie eines Gasvolumenstroms als anströmendes Fluid in mechanische Energie des Rotationskörpers mehrere auf einer Rotationsachse angeordnete Scheiben aufweist, welche bei im Wesentlichen tangentialer Anströmung mit dem Gasvolumenstrom in Rotation versetzbar sind, sodass mechanische Energie an einem mit den Scheiben gekoppelten Abtriebselement, insbesondere einer Welle, abnehmbar ist, wobei in strömungstechnisch voneinander separierten Hohlräumen der Scheiben zwecks Kühlung des Scheibenkörpers ein Kühlmedium, insbesondere eine Kühlflüssigkeit, aufgenommen oder aufnehmbar ist.
Das bedeutet, dass die Scheiben Hohlkörper sind, die mit einem im Hohlraum verbleibenden Fluid ausgestattet sind.
Der Hohlraum in der jeweiligen Scheibe ist so bemessen, dass im Bereich von Wärmezufuhr Verdampfung stattfindet und im Bereich von Wärmeabfuhr Kondensation. Die Wärmezufuhr erfolgt im radial äußeren Scheibenbereich und die Kondensation im wellennahen, also radial inneren Bereich. Das konservierte Ausgleichsfluid sorgt so dafür, dass die Wandtemperaturen in der Scheibe nahezu isotherm sind, da Verdampfung und Kondensation bei fast gleicher, theoretisch sogar gleicher Temperatur ablaufen. Entlang der radialen Richtung liegt zwischen dem Verdampfungs- und Kondensationsbereich eine thermisch neutrale Zone, in der fast keine Wärmeübertragung stattfindet, da sich die Rauchgastemperatur und die Wandtemperatur angeglichen haben. Zur Realisierung der katalytischen Wirkung kann der Rotationskörper eine zumindest bereichsweise Beschichtung mit Edelmetall oder einer darauf basierenden Legierung aufweisen. Des Weiteren kann auch ein Eisenoxid hier Anwendung finden.
Als Edelmetall kommen insbesondere Platin, Gold und Silber infrage, wobei die Reaktivität des Katalysators so hoch sein sollte, dass die eigentliche Reaktionszeit gegenüber der Zeit für den Quertransport der Edukte und Produkte vernachlässigbar klein ist, im Sinne einer Stofftransporthemmung.
In einer speziellen Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Rotationskörper zumindest abschnittsweise aus Graphen ausgebildet ist.
Insbesondere kann dabei der Rotationskörper vollständig aus Graphen ausgebildet sein.
Das Graphen kann zumindest teilweise in mechanisch und/oder chemisch miteinander verbundenen Fasern vorliegen, so dass die geordnet oder ungeordnet vorliegenden Fasern eine Scheibe ausbilden.
Graphen ist eine Kohlenstoffverbindung, welche eine zweidimensionale Struktur aufweist.
Die Kohlenstoffatome sind in der Ebene wabenförmig angeordnet. Die chemische Struktur des Graphen führt zu einer mehr als 100 mal höheren Zugfestigkeit als Stahl bei einer Dichte von weniger als 0,2 kg/m3. Zudem weist Graphen eine Wärmeleitfähigkeit von mehr als 4000 W/(m K) auf.
Hinsichtlich des Rotationskörpers lassen sich im Vergleich mit anderen Materialien durch die Verwendung von Graphen deutlich geringere Massenträgheitsmomente und Fliehkräfte realisieren.
Insbesondere ist vorgesehen, dass der Rotationskörper ein Gestrick von Graphen-Fäden bzw. Fasern umfasst.
Fasern können auch in ungeordneter Anordnung zu einem Flies, Filz oder einem Gewirr sowie in geordneter Anordnung zu einem Gewebe, Gewirk, Gestrick, Geflecht oder Nähgewirk geformt werden, aus welchen wiederum der Rotationskörper zumindest anteilig ausgebildet wird. Es ist dabei nicht ausgeschlossen, mehrere der genannten Anordnungen von Fasern zu kombinieren und/oder den Rotationskörper aus Schichten gleicher oder unterschiedlicher Faseranordnungen aufzubauen.
Die einzelnen Fasern sollten bevorzugt einen Durchmesser von weniger als 5 nm, besonders bevorzugt von weniger als 0,1 nm aufweisen. Bei Kohlenstofffasern, die auf Graphen als Ausgangstoff basieren, handelt es sich um eine Verformung des in seiner Grundform zweidimensionalen Graphens, welches gebogen oder gefaltet ist. Der Vorteil kleiner Durchmesser besteht darin, dass sich an den Fasern eine laminare Strömung einstellt beziehungsweise, dass es bei der Umströmung der Fasern im Wesentlichen nicht zu einer Ablösung der Stromlinien kommt. Mit anderen Worten stellen sich Bedingungen einer Schleichströmung ein. Eine typische, die Strömung charakterisierende Reynoldszahl liegt beispielsweise bei weniger als 0,1 , wobei sich die Reynoldszahl aus dem Produkt der Durchschnittsgeschwindigkeit des Fluids, dem Faserdurchmesser und dem reziproken Wert der kinematischen Viskosität des gasförmigen Fluids ergibt. Eine Reynoldszahl von 0,1 stellt sich rechnerisch beispielsweise unter den folgenden Bedingungen ein:
Dichte Graphenkörper 10 kg/m3
Festigkeit Graphenkörper 1000 MPa
Max. äußere Umfangsgeschwindigkeit 10000 m/s
Durchmesser Faser/Filament 1 nm
Kinematische Zähigkeit Fluid 0,0001 m2/s
Darüber hinaus bilden die Fasern in einer weiteren Ausführungsform geordnet oder ungeordnet einen Körper aus, insbesondere an der radialen Außenseite des im Wesentlichen rotationssymmetrischen Rotationskörpers.
Die Fasern sind mechanisch und/ oder chemisch miteinander verbunden. Dabei ist es nicht ausgeschlossen, dass die Verbindung der Fasern unter Vermittlung von Zusatzstoffen erfolgt, welche entweder im durch die Fasern ausgebildeten Körper verbleiben oder wieder entfernt werden.
Graphen kann z. B. in Form von Aerographen verwendet werden.
Diese Ausführung der Scheiben des Rotationskatalysators aus Graphen führt zu einem entsprechend geringen Gewicht des Rotationskörpers. Ein geringes Gewicht geht mit einem geringen Massenträgheitsmoment und geringen Fliehkräften bei der rotatorischen Bewegung des Rotationskörpers einher, wodurch sehr hohe Drehzahlen und Umfangsgeschwindigkeiten erreichbar sind. Entsprechend ist es möglich, einen erfindungsgemäßen Rotationskatalysators mit sehr geringen Abmaßen mit einer herkömmlichen mechanischen Leistung bzw. mit herkömmlichen Abmaßen und einer außergewöhnlich hohen mechanischen Leistung zu realisieren. Dabei ist die mechanische Belastung der Komponenten des Rotationskatalysators im Vergleich deutlich verringerbar, was sich positiv auf die Betriebskosten auswirkt. Darüber hinaus wirkt sich das geringe Massenträgheitsmoment vorteilhaft auf eine flexible Regelung der Drehzahl im Betrieb aus, da der Rotationskatalysator im Vergleich mit herkömmlichen Turbinen aus beispielsweise metallischen Werkstoffen schneller auf Änderungen der Betriebsparameter reagiert. Dies ist beispielsweise beim Anfahren des Rotationskatalysators vorteilhaft. Ein weiterer Vorteil einer vollständigen Ausführung des Rotationskörpers aus Graphen besteht neben dem geringstmöglichen Gewicht des Rotationskörpers in einer reduzierten Anzahl an Verbindungsstellen und Verbindungselementen und damit einer reduzierten Anzahl an potentiellen mechanischen Schwachstellen.
Dabei ist es vorteilhaft, wenn der aus Graphen ausgeführte Bereich des Rotationskörpers so ausgeführt ist, dass das Graphen über den Umfang im jeweiligen Radius regelmäßig und/oder homogen verteilt ist. Das bedeutet mit anderen Worten, dass der Dichteunterschied, und damit einhergehend der Masseunterschied, über den Umfang des Rotationskörpers im Wesentlichen nicht oder lediglich in regelmäßigen Abständen variiert.
In einer weiteren Ausführungsform der Scheibenläuferturbine ist der Grundkörper in einem radialen Außenbereich aus dem Material geringer Dichte, insbesondere Graphen, ausgebildet, welches auf der radialen Außenseite eines Trägerelements der Scheibenläuferturbine angeordnet ist, wobei die maximale radiale Erstreckung des Trägerelements rt zum Radius des gesamten Grundkörpers rg in einem Verhältnis von rt/rg = 0,2 bis 0,5 steht.
Mit anderen Worten ist der Grundkörper in dieser Ausführungsform derart gestaltet, dass radial von innen nach außen betrachtet zunächst eine Nabe als Bestandteil eines Trägerelements und an dieses anschließend ein Körper aus dem Material geringer Dichte angeordnet ist, wobei das Trägerelement und die Nabe als eine bauliche Einheit ausgeführt sein können. Dabei ist es vorteilhaft, wenn das Trägerelement, mit anderen Worten der mittlere Ring des Grundkörpers, wenigstens 20%, höchstens jedoch 50% des Gesamtradius des Grundkörpers umfasst.
Vorteilhafterweise ist das Trägerelement ebenfalls rotationssymmetrisch ausgebildet, insbesondere als Zylinder oder Hohlzylinder.
Eine weitere alternative Ausgestaltung ist eine radial alternierende Anordnung des Materials geringer Dichte mit einem weiteren, anderen Material, insbesondere einem Leichtmetall wie Aluminium oder einer Aluminiumlegierung, in Form eines Schichtaufbaus.
In einer weiteren Ausführungsform ist das Trägerelement in einem innersten Bereich durch eine Nabe ausgebildet, und in seinem daran radial anschließenden mittleren Bereich durch mehrere axial nebeneinander angeordnete, insbesondere in Scheibenform ausgebildete Stege realisiert und mit den Stegen in einem radial äußeren Bereich das Material geringer Dichte mechanisch fest verbunden ist.
Dabei kann zwischen den Stegen sowie dem Material geringer Dichte ein weiterer
Rotationskörper, insbesondere ein Hohlzylinder angeordnet sein, der sowohl mit den Stegen als auch dem Material geringer Dichte mechanisch fest verbunden ist und der Fixierung der Stege in Bezug zum Material geringer Dichte dient.
In einer speziellen Ausgestaltung des Rotationskörpers ist der mittlere Bereich des Rotationskörpers in der Art gestaltet, dass in wenigstens einer, bevorzugt jedoch mehreren zur Achse senkrechten Ebenen in einem Bereich zwischen Nabe und Material geringer Dichte Stege angeordnet sind. Dabei sind in einer Ebene wenigstens zwei sich in radialer Erstreckung gegenüberliegende Stege angeordnet. Grundsätzlich ist eine beliebige Anzahl von Stegen möglich, wobei diese vorteilhafterweise in regelmäßigen Abständen über den Umfang des Rotationskörpers bzw. des Trägerelements verteilt sind. Die Anordnung der Stege in einer zweiten, zur jeweiligen ersten benachbarten parallelen Ebene kann gegenüber dieser in Rotationsrichtung versetzt sein. Es ist nicht ausgeschlossen, dass die Anzahl der Stege je Ebene variiert, wobei es vorteilhaft ist, wenn die Anzahl der Stege zur mittleren aller parallelen Ebenen von den beiden äußersten Ebenen aus kontinuierlich zu- oder abnimmt. Der Vorteil dieser Ausgestaltung des radial mittleren Bereichs des Trägerelements besteht in einer Gewichtsreduzierung.
In Scheibenform ausgebildete Stege können als flache Vollzylinder ausgeführt sein, welche parallel zueinander angeordnet sind. Es ist dabei möglich, dass die Scheiben Aussparungen zur weiteren Gewichtsreduktion aufweisen, wobei die Aussparungen vorteilhafterweise regelmäßig über den Umfang des jeweiligen Radius verteilt sind. Besagte Aussparungen können beispielweise runde oder ovale Löcher sein.
Eine Kombination aus Scheiben und Stegen ist ebenfalls möglich.
Dabei sind Anzahl, Abmaße und Abstand der jeweiligen Stege bzw. Scheiben abhängig von der Drehzahl, den Materialeigenschaften der Stege bzw. Scheiben und den Materialeigenschaften des Rotationskörpers.
Das Trägerelement umfasst in seinem radial äußeren Bereich einen Trägerkörper zur mechanischen Fixierung eines Körpers aus Graphen. Das bedeutet, dass der Trägerkörper an seiner radialen Außenseite dazu eingerichtet ist, an oder auf ihm einen Körper aus Graphen zu befestigen. Dabei ist nicht ausgeschlossen, dass das Graphen mit dem Trägerkörper unlösbar verbunden ist, das heißt, eine bauliche Einheit darstellt. Es ist beispielsweise denkbar, dass das Graphen auf den Trägerkörper fest aufgebracht ist, z. B. durch aufdrucken, und dieser Trägerkörper dann mechanisch mit dem zentralen Bereich des Trägerelements verbunden ist. An seiner radial inneren Seite ist der Trägerkörper mit den Stegen und/oder Scheiben des Trägerelements verbunden. In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltungsform weist der Rotationskatalysator in seinen radial inneren Bereich zumindest eine Strömungsleiteinrichtung zur axialen Ableitung des anströmenden Fluids auf.
Dass die Strömungsleiteinrichtungen in einem radial inneren Bereich angeordnet sind bedeutet, dass sie auf einem Radius n zur Rotationsachse liegen, wobei n/rg < 0,3.
Das gasförmige Fluid, welches den Rotationskörper tangential anströmt, wird spiralförmig auf der axial ausgerichteten Oberfläche des Rotationskörpers nach innen ins Zentrum beziehungsweise zur Drehachse des Rotationskörpers hin abgeleitet. Während der spiralförmigen Ableitung gibt das Fluid weiterhin Energie und Wärme an den Rotationskörper ab. Die Strömungsleiteinrichtung im inneren Bereich des Rotationskatalysators dient dazu, das strömende Fluid aus dem Rotationskatalysator abzuleiten. Dies kann beispielsweise über Aussparungen am Rotationskörper, insbesondere an einer Nabe, ermöglicht werden, welche ein zur Achse paralleles Ausströmen des Fluids im Zentrum zulassen. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, zumindest eine Strömungsleiteinrichtung ganz oder teilweise an der Welle vorzusehen, sofern der Rotationskatalysator an eine solche angeschlossen ist, so dass eine Ableitung des Fluids über die Welle selbst möglich ist.
Das strömende Fluid verlässt den Rotationskatalysator energieärmer und mit geringerer Wärme, als es in ihn eingetreten ist. Es ist davon auszugehen, dass näherungsweise 70% der inneren Energie des strömenden Fluids in mechanische Energie mittels des Rotationskatalysators umgesetzt werden können.
In der Ausführungsform mit Graphen ist in einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass der Rotationskatalysator ein Gehäuse umfasst, wobei das Gehäuse wenigstens einen Einströmbereich zur Realisierung einer tangentialen Anströmung des Rotationskörpers umfasst. An den Einströmbereich schließt zur Realisierung einer tangentialen Anströmung ein Strömungsleitungsbereich an, dessen Querschnitt sich mit zunehmender Entfernung entlang der Strömungslinien des Fluids in Strömungsrichtung vom Einströmbereich verringert.
Mit anderen Worten erfolgt die Anströmung des Rotationskörpers mittels des Einströmbereichs zunächst in einer zur Ausrichtung der Drehachse senkrechten Richtung und ist auf den äußeren Rand des Rotationskörpers gerichtet. An den Einströmbereich schließt sich ein Strömungsleitbereich an. Dieser ist so gestaltet, dass die Strömung des Fluids am Rotationskörper entlanggeführt wird. Das bedeutet, dass der Strömungsleitbereich eine der runden Form des Rotationskörpers angepasste Form aufweist. Dabei verjüngt sich der Strömungsleitbereich vorzugsweise kontinuierlich. Die Strömung wird demzufolge entlang ihres Weges entlang des rotierenden Rotationskörpers verdichtet. Dies wird beispielweise dadurch realisiert, dass die Innenwandung eines den Rotationskörper umgebenden Gehäuses kontinuierlich abschnittsweise spiralförmig dem Rotationskörper angenähert ist. Die Ausgestaltung führt zu einer effektiveren Ausnutzung der Energie des strömenden Fluids. Tangential den Rotationskörper anströmendes Fluid wird so durch den Strömungsleitungsbereich an der Außenseite des Rotationskörpers geführt, wobei es bedingt durch den Fluid-Druck sowie durch die Verringerung des zur Verfügung stehenden Raums zwischen dem Rotationskörper und einer Gehäuseinnenwandung mit Vergrößerung des Abstandes vom Einströmbereich von der radialen Außenseite des Rotationskörpers verdrängt wird und axial seitlich des Rotationskörpers an diesem in radialer Richtung nach innen strömt.
Es ist möglich, mehrere Einströmbereiche mit anschließendem Strömungsleitbereich zur Beaufschlagung des Rotationskörpers mit strömendem Fluid vorzusehen, wobei diese bevorzugt so anzuordnen sind, dass sie gleichmäßig über den Umfang des Rotationskörpers verteilt sind. Bevorzugt verfügt ein Rotationskatalysator über zwei sich radial gegenüberliegende Einströmbereiche. Bei einer Ausführungsform mit mehreren Rotationskörpern sollte jeder Rotationskörper mittels eines oder mehrerer eigener Anströmbereiche mit Fluid beaufschlagt werden.
Des Weiteren besteht eine Ausführungsform des Rotationskatalysators darin, dass das Material zumindest eines, den Rotationskörper radial umgebenden Bestandteils des Gehäuses wenigstens teilweise ein Material geringer Dichte, insbesondere Graphen, ist.
Bevorzugt ist das Gehäuse im den Rotationskörper umgebenden Bereich vollständig aus Graphen gefertigt, wodurch dem Gehäuse und damit dem Rotationskatalysator insgesamt eine hohe Festigkeit bei geringem Gewicht verliehen wird.
Beim Betrieb eines erfindungsgemäßen Rotationskatalysators mit Graphen ist bevorzugt ein strömendes gasförmiges Fluid zu verwenden, welches einen Anteil von oxidativen Komponenten, insbesondere von Sauerstoff, von weniger als 5 Vol% aufweist. Besonders bevorzugt sind für den Betrieb des Rotationskatalysators Edelgase oder Edelgasgemische als anströmendes Fluid zu verwenden.
Insbesondere kann beim Betrieb des Rotationskatalysators mit Graphen ein Verhältnis des Durchmessers D des Rotationskörpers zum Verfahrensdruck p von D/p <2,5- 103, insbesondere von D/p <1 ,3- 103 bestehen, wobei der Druck p in bar und der Durchmesser D in Meter zu messen sind. Das bedeutet, dass bei einem für Turbinen herkömmlichen Druck p von zum Beispiel p = 300 bar ein Durchmesser des Rotationskörpers D = 0,4 m ausreichend ist, um einen hocheffizienten Betrieb zu ermöglichen, und dabei mit nur einer Turbinenstufe bzw. mit nur einem Rotationskörper im Wesentlichen die vorliegende innere Energie des anströmenden Fluids in mechanische Energie umzuwandeln.
Dabei ergibt sich der äußere Durchmesser des Rotationskörpers aus den Strömungsbedingungen derart, dass die Geschwindigkeit des strömenden Fluids in radialer Richtung im radial inneren Bereich des Rotationskörpers, insbesondere im Bereich der Strömungsleiteinrichtung, etwa gleich der Umfangsgeschwindigkeit an diesem radialen Bereich ist. Das Verhältnis von äußerem Durchmesser des Rotationskörpers zum Durchmesser der Welle ist bevorzugt 5 zu 1.
Die Umfangsgeschwindigkeit des Rotationskörpers an seiner radialen Außenseite kann näherungsweise aus der Wurzel des Quotienten aus Materialfestigkeit und Materialdichte bestimmt werden. Die Umfangsgeschwindigkeit an der Welle ergibt sich entsprechend durch Multiplikation mit dem Verhältnis des Wellendurchmessers zum Durchmesser des Rotationskörpers.
Eine weitere alternative Ausführungsform des Rotationskörpers sieht vor, dass der Rotationskörper zumindest in einem Teilbereich seiner äußeren Oberfläche aus Zeolith ausgebildet ist.
Der Zeolith erfüllt hier die Katalysatorfunktion. Insbesondere kann ein Zeolith umfassender Rotationskörper eine Edelstahlbeschichtung aufweisen.
In alternativer Ausführungsform kann statt Zeolith auch ein Silikagel oder eine andere poröse Keramik verwendet werden.
In alternativer Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Rotationskörper zumindest bereichsweise aus einem Gewirr, Gestrick, Gewebe, Gewirk, Geflecht oder Nähgewirk aus Edelstahlfäden ausgebildet ist.
Ebenfalls können diese Textil-Formen aus Stahl, Kupfer, oder darauf basierenden Legierungen ausgeführt sein.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Betreiben des erfindungsgemäßen Rotationskatalysators, bei dem der Rotationskörper des Rotationskatalysators mit einem Fluid angeströmt wird und dadurch kinetische Energie des anströmenden Fluids auf den Rotationskörper übertragen wird, wobei zumindest zeitabschnittsweise gleichzeitig der Rotationskörper mit zumindest einem Oberflächenbereich eine Katalyse, insbesondere eine heterogene Katalyse, zumindest eines Bestandteils den anströmenden Fluids durchführt.
Insofern der Rotationskatalysator als Scheibenläuferturbine zur Umwandlung der Enthalpie eines Gasvolumenstroms in mechanische Energie ausgeführt ist, ist das Verfahren derart ausgestaltet, dass ein Gasvolumenstrom im Wesentlichen tangential die Scheibe anströmend dieser zugeführt wird, sodass die Scheibe reibungsbedingt in Rotation versetzt wird.
Die katalytische Entstickung kann so geführt werden, dass die unverbrannten Kohlenwasserstoffe (CH) und Kohlenmonoxid (CO) als Reduktionsmittel dienen, z.B.:
(kat)
Dies wird durch die Möglichkeit, isotherm zu arbeiten erleichtert, da die erforderlichen Reaktionsbedingungen so gezielt eingestellt werden können. In vorteilhafter Ausführungsform des Verfahrens ist vorgesehen, dass die reduktiv wirkenden Materialien in einer bestimmten stöchiometrischen Menge zur Verfügung stehen und die Temperatur hinsichtlich größter Umsatzwirkung gemäß der Arrhenius-Funktion eingestellt wird.
In einer vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens zum Betreiben des Rotationskatalysators ist vorgesehen, dass das anströmende Fluid ein Gasvolumenstrom ist und Wärme des Gasvolumenstroms auf ein Kühlmedium in einem Hohlraum eines Scheibenkörpers übertragen wird, sodass das Kühlmedium zumindest teilweise verdampft.
Das Verfahren zum Betreiben eines Rotationskatalysators dient hier zur Umwandlung der Enthalpie eines Gasvolumenstroms in mechanische Energie.
In dieser Ausführungsform ist entsprechend vorgesehen, dass ein die Scheibe ausbildender Scheibenkörper zumindest einen Hohlraum aufweist, in dem zwecks Kühlung des Scheibenkörpers ein Kühlmedium, insbesondere eine Kühlflüssigkeit, aufgenommen oder aufnehmbar ist.
In einer alternativen Ausgestaltungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betrieb des Rotationskatalysators wird Wärme des Gasvolumenstroms auf das Kühlmedium im Hohlraum des Scheibenkörpers übertragen, sodass die Temperatur des Kühlmediums erhöht wird, wobei das Kühlmedium im Wesentlichen in flüssiger Phase vorliegend verbleibt.
Weiterhin wird erfindungsgemäß eine Einrichtung zur Umwandlung chemischer Energie in elektrische Energie zur Verfügung gestellt, umfassend eine Verbrennungseinrichtung zur Umwandlung chemischer Energie in Enthalpie eines Fluides, sowie einen erfindungsgemäßen Rotationskatalysator, welcher strömungstechnisch mit der Verbrennungseinrichtung gekoppelt ist, so dass von der Verbrennungseinrichtung zur Verfügung gestelltes Fluid mit erhöhter innerer Energie dem Rotationskatalysator zuleitbar ist und der Rotationskatalysator unter zumindest teilweiser Umsetzung der inneren Energie des Fluids antreibbar ist, sowie einen Generator, der rotationsfest mit dem Rotationskatalysator gekoppelt ist, so dass von dem Rotationskatalysator zur Verfügung gestellte mechanische Energie mit dem Generator zumindest anteilig in elektrische Energie umwandelbar ist.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Umwandlung chemischer Energie in elektrische Energie, bei dem mittels einer Verbrennungseinrichtung chemische Energie in Enthalpie eines Fluides umgewandelt wird und von der Verbrennungseinrichtung zur Verfügung gestelltes Fluid mit erhöhter innerer Energie einem mit der Verbrennungseinrichtung strömungstechnisch gekoppelten erfindungsgemäßen Rotationskatalysator zugeleitet wird und dieser unter zumindest teilweiser Umsetzung der inneren Energie des Fluids angetrieben wird, wobei der Rotationskatalysator gleichzeitig zur Realisierung einer Katalyse zumindest eines Bestandteils den anströmenden Fluids dient. Von dem Rotationskatalysator zur Verfügung gestellte mechanische Energie wird einem Generator zugeführt, der rotationsfest mit dem Rotationskörper des Rotationskatalysators gekoppelt ist, so dass von dem Rotationskatalysator zur Verfügung gestellte mechanische Energie mit dem Generator zumindest anteilig in elektrische Energie umgewandelt wird. Die insbesondere heterogene Katalyse findet in einem rotierenden System statt, das in der Lage ist, mechanische Energie aus dem Rauchgas auf eine Welle zu übertragen. Die Welle ist mit einem Generator zur Erzeugung elektrischer Energie gekoppelt (siehe Fig. 1).
Somit kann die Erfindung als eine Einrichtung zum Abbau von Stickoxiden betrieben werden, die bei der Verfeuerung von Brenngas oder flüssigem Brennstoff in Verbrennungsmotoren entstehen.
Letztendlich wird durch die vorliegende Erfindung auch eine Verwendung des erfindungsgemäßen Rotationskatalysators zur Übertragung kinetischer Energie des anströmenden Fluids auf den Rotationskörper sowie zumindest zeitabschnittsweise gleichzeitig zur Realisierung einer Katalyse zumindest eines Bestandteils den anströmenden Fluids zur Verfügung gestellt.
Dabei können unterschiedliche Edukte behandelt werden, die heterogen-katalytisch reagieren, wie zum Beispiel in einem Reforming-Prozess:
CO + 2 H2O -> CH4 + O2
2 C + O2 -> 2 CO
Entsprechend wird hier der Rotationskatalysator zur Vergasung von Kohlenstoff in einem Kreislauf-System eingesetzt. Des Weiteren lässt sich der Rotationskatalysator aber auch für flüssige Produkte und Edukte verwenden, wie zum Beispiel für die Methanol-Erzeugung, die Spaltung von verflüssigten Kunststoffen sowie für die Erzeugung von künstlichen bzw. synthetischen Verbrennungskraftstoffen sowie Nutzgasen.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der in den beiliegenden Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele erläutert.
Es zeigen:
Figur 1 : eine Verbrennungsanlage mit Rotationskatalysator,
Figur 2: eine erste Ausführungsform des Rotationskatalysators in Schnittdarstellung,
Figur 3: eine Welle des in Figur 2 dargestellten Rotationskatalysators in Schnittdarstellung,
Figur 4: einen Teilbereich des in Figur 2 dargestellten Rotationskatalysators in einem Teilschnitt,
Figur 5: eine zweite Ausführungsform des Rotationskatalysators in Schnittdarstellung, und
Figur 6: eine dritte Ausführungsform des Rotationskatalysators in Schnittdarstellung.
Figur 1 zeigt eine Anlage, die der Verwendung des erfindungsgemäßen Rotationskatalysators 6 dient.
Diese Anlage umfasst eine Einrichtung zur Zuführung von Brennstoff 1 sowie von Luft 2 zu einer Verbrennungskraftmaschine 4, die insbesondere Bestandteil eines Blockheizkraftwerkes sein kann. Alternativ kann die Verbrennungskraftmaschine 4 auch eine Kolbenmaschine sein, wie zum Beispiel ein Antriebsmotor eines Kraftfahrzeugs. Von der Verbrennungskraftmaschine 4 wird Abgas 3 abgeführt und dem Rotationskatalysator 6 zugeleitet, um die mechanische Restenergie des Abgases 3 aufzubrauchen. Der Druck am Austritt aus der Verbrennungskraftmaschine 4 ist so eingestellt, dass die Möglichkeit besteht, die Temperatur nach dem Rotationskatalysator 6 auf etwa 130°C anzuheben, wobei die Eintrittstemperatur bei 500°C beträgt. Der Druck vor dem Rotationskatalysator 6 liegt etwa bei 2 bar und danach bei ca. 1 bar. Der zusätzliche elektrische Leistungsgewinn liegt bei etwa 5 %.
Der Rotationskatalysator 6 wiederum ist mechanisch mittels eines Abtriebselements 7 mit einem Generator 8 gekoppelt, sodass Bewegungsenergie vom Rotationskatalysator 6 durch den Generator 8 in elektrische Energie umgewandelt werden kann. Den Rotationskatalysator 6 verlassendes Abgas 3 wird über einen Kamin 9 in die Umgebung abgeleitet.
Entsprechend ist vorgesehen, dass der Rotationskatalysator 6 strömungstechnisch mit der Verbrennungskraftmaschine 4 gekoppelt ist, um kinetische Energie des Abgases 3 in elektrische Energie umzuwandeln. Gleichzeitig ermöglicht der Rotationskatalysator 6 eine katalytische Reaktion in Bestandteilen des Abgases 3.
Figur 2 zeigt eine Ausführungsform des Rotationskatalysators 6, bei der ein Rotationskörper 10 aus mehreren Scheiben 11 ausgebildet ist. Diese Scheiben 11 sind auf einer gemeinsamen Rotationsachse 24 parallel zueinander angeordnet. Die Rotationsachse 24 wird in der vorliegenden Ausführungsform durch ein Abtriebselement 7 in Form einer Welle realisiert. In der vorliegenden Ausführungsform sind die Scheiben 11 an ihren Außenseiten zumindest bereichsweise mit einem katalytisch wirkenden Material 12 beschichtet bzw. ausgeführt. Insbesondere kann dieses katalytisch wirkende Material 12 ein Edelmetall sein, wie zum Beispiel Platin, Gold oder Silber. Gegebenenfalls kann diese Beschichtung porös ausgeführt sein. Die Art der Beschichtung ist so gewählt, dass es zu keiner wesentlichen thermischen Beeinflussung des Fluids 29 kommt.
Die Scheiben 11 sind drehfest mit diesem Abtriebselement 7 verbunden. Radial außen sind die Scheiben 11 von einem Gehäuse 20 umgeben, welches mit dem Abtriebselement 7 abdichtet, wobei lediglich zu den Ausführungsformen gemäß der Figuren 5 und 6 Dichtungen 47 erkennbar sind. Das Gehäuse 20 bildet in seinem Innenraum den Gasaufnahmeraum 21 aus.
Durch eine Einlasseinrichtung 22, wie sie beispielhaft in Figur 4 dargestellt ist, kann in den Gasaufnahmeraum 21 Fluid 29 in Form von Rauchgas entlang einer Einströmrichtung 23 eingeführt werden und dort auf den gewünschten Druck- und Temperaturwert entspannt werden.
Daraus ergibt sich eine tangentiale Anströmung der Scheiben 11, wie aus Figur 4 ersichtlich, sodass die Scheiben 11 in Rotation in der in Figur 4 dargestellten Drehrichtung 28 versetzt werden.
Dadurch gelangt das Rauchgas bzw. Fluid 29 auch in Kontakt mit dem katalytisch wirkenden Material 12, sodass mit dem katalytisch wirkenden Material 12 Reduktionsreaktionen zum Abbau von Stickoxiden in Rauchgas vorgenommen werden. Hieraus ist die Doppelfunktion des Rotationskatalysators 6 ersichtlich, der zum einen kinetische Energie des Fluides 29 nutzt, zum anderen aber auch der Entstickung des Fluides 29 dient.
Wenn die katalytische Schicht bzw. das katalytisch wirkende Material 12 so ausgewählt wird, dass das Schadstoffsystem aus sich selbst heraus zu einem ausreichenden Entstickungseffekt kommen kann, ist die Zugabe von reduzierenden Additiven nicht erforderlich.
Die Reduktion wird in diesem Fall nur durch kurze Transportwege im Spalt zwischen den Scheiben 11 sowie durch Temperatur und Druck unterstützt, gemäß dem Prinzip SNCR. Wenn sich diese Bedingungen nicht einstellen lassen, wird am Eintritt in den Rotationskatalysator 6 ein reduzierend wirkendes Additiv zugeführt, gemäß dem Prinzip SCR, z.B. mittels Harnstoffes. Die entsprechenden Bruttoreaktions-Gleichungen sind zunächst in Worten
Harnstoff + Wasserdampf aus dem Rauchgas Ammoniak und Kohlendioxid, und in Form einer Gleichung:
Das Ammoniak wird als eigentliches Reduktionsmittel eingesetzt, wobei molekularer Stickstoff und Wasserdampf entstehen:
4NH3 + 6NO -> 3N2 + 6H2O
Aus sich selbst heraus könnte das Rauchgas auch bei Auswahl eines entsprechenden Katalysators reduzierend und zugleich oxidierend wirken, wenn in stöchiometrisch orientierter Menge wie bei der SNCR-Reaktion Reduktionsmaterial zur Verfügung steht, z.B.
In Figur 2 wiederum ist die weitere Strömung des Fluides 29 dargestellt, nämlich von der radialen Außenseite der Scheiben 11 in Richtung auf das Abtriebselement 7. Das Abtriebselement 7 umfasst an mehreren Positionen auf seinem Umfang Nuten 26, die sich axial erstreckende Kanäle in dem wellenförmigen Abtriebselement 7 ausbilden. Die Nuten 26 sind strömungstechnisch mit dem Gasaufnahmeraum 21 verbunden, sodass im Gasaufnahmeraum 21 strömendes Fluid 29 im radial inneren Bereich der Scheiben 11 in die jeweilige Nut 26 eintreten kann und axial zu einem Rauchgassammler 27 abgeführt werden kann. Durch eine Auslasseinrichtung 25 am Rauchgassammler 27 kann das Fluid 29 gemäß Figur 1 dem Kamin 9 zugeleitet werden.
Die Figuren 5 und 6 zeigen zwei unterschiedliche Ausführungsformen des Rotationskatalysators 6.
Beiden Ausführungsformen ist gemeinsam, dass die Scheiben 11 jeweils einen Hohlraum 30 aufweisen.
In dem Hohlraum 30 befindet sich ein Kühlmedium, wobei es von der jeweiligen Ausführungsform abhängt, ob das Kühlmedium, welches insbesondere Wasser sein kann, als Flüssigkeit oder als Dampf vorliegt.
In der Ausführungsform gemäß Figur 5 sind die Scheiben 11 strömungstechnisch über mehrere Verbindungselemente 40, die insbesondere in gleichmäßig verteilten Winkelpositionen an den Scheiben 11 bzw. diese durchdringend angeordnet sein können, miteinander verbunden.
Eine in der Ausführungsform gemäß Figur 5 ganz rechts dargestellte Scheibe 41 dient zur Druckerhöhung durch Zentrifugalkraft, die auf das Kühlmedium in der Scheibe wirkt. Zu diesem Zweck ist der Hohlraum 30 dieser Scheibe 11 an einen inneren Hohlraum 45 des Abtriebselements 7 strömungstechnisch gekoppelt, sodass in dieser Ausführungsform Wasser 31 als Kühlmedium in diesen Hohlraum 30 der rechten Scheibe strömbar ist. Über die Verbindungselemente 40, die auch als Verteiler bezeichnet werden können, strömt das Wasser 31 entlang dem dargestellten Strömungspfad 34 in die weiteren Scheiben 11.
Aufgrund der hohen Temperatur des in den Gasaufnahmeraum 21 eintretenden Fluides 29 in Form von Rauchgas kommt es zu einer Erhitzung des Wassers 31 in den Scheiben 11. Dadurch entsteht in den Scheiben 11 in der Ausführungsform gemäß Figur 5 Dampf 32. Durch die Rotation des Rotationskörpers 10 bzw. dessen Scheiben 11 wird jedoch das dichtere Wasser 31 bzw. Kondensat in den radial äußeren Bereich 36 einer jeweiligen Scheibe 11 gedrückt, was zur Folge hat, dass sich der Dampf 32 an dem radial inneren Bereich 35 einer betreffenden Scheibe 11 sammelt.
Lediglich aus Gründen der besseren Erklärung ist in der rechten Scheibe 41 lediglich Wasser 31 dargestellt, wobei nicht ausgeschlossen sein soll, dass auch hier anteilig aufgrund der Wärmezufuhr Dampf 32 im Hohlraum 30 existieren kann.
Bei Verdampfung kann es zu einer erheblichen Abnahme der Leistung des Rotationskatalysators 6 kommen, wenn zu viel innere Energie an das Kühlmittel abgeführt wird. Umgekehrt könnte es bei Wärmezufuhr durch Kondensation zu einer erhöhten Leistungsabgabe kommen.
Über strömungstechnische Verbindungen 46 dieser mit einem Dampf-Wasser-Gemisch 33 gefüllten Hohlräume 30 mit dem inneren Hohlraum 45 des Abtriebselements 7 kann der Dampf 32 abgeführt werden. Zur Verhinderung einer Durchmischung des eintretenden Wassers 31 über eine Zuführung 44 sowie des austretenden Dampfes 32 über eine Dampfableitung 42 weist das Abtriebselement 7 einen seinen inneren Hohlraum 45 trennendes Trennelement 42 auf. Auf diese Weise kann die Reduktionsreaktion an jeder Stelle der Scheibenoberfläche gezielt eingestellt werden.
Der Vorteil dieser Ausführungsform liegt darin, dass die Scheiben 11 nahezu isotherm gekühlt werden können, sodass sie mit hoher Lebensdauer einer hohen Rauchgastemperatur ausgesetzt werden können.
In der Ausführungsform gemäß Figur 6 sind die Hohlräume 30 der Scheiben 11 nicht strömungstechnisch miteinander gekoppelt. Aber auch in dieser Ausführungsform ist in den Hohlräumen 30 Wasser 31 als Kühlmedium vorhanden. Auch hier ergibt sich durch die Wärmezufuhr durch das Fluid 29 bzw. Rauchgas eine teilweise Verdampfung, sodass sich entlang der radialen Richtung von radial außen nach radial innen eine Zone der Verdampfung 50, daran anschließend ein neutraler Bereich 51 , daran anschließend eine Zone der Kondensation 52 ausbildet. Dies bedeutet, dass sich auch in dieser Ausführungsform das dichtere Kondensat 60 radial außen in den Hohlräumen 30 befindet, und radial innen das Wasser 31 bzw. Kühlmedium in Form von Dampf 32. Aufgrund der vergleichsweise geringen Temperatur im radial inneren Bereich, also dicht an dem Abtriebselement 7, kommt es hier zur Kondensation. Aufgrund der auf das Kondensat 60 wirkenden Fliehkräfte wird das Kondensat 60 nach radial außen transportiert, wodurch dort befindlicher Dampf 32 wiederum nach radial innen gedrückt wird.
Die hier verwendeten Scheiben 11 sind entsprechend des Prinzips der „heat pipes“ ausgebildet. Auch diese mit Kühlmedium gekühlten Scheiben 11 weisen eine vergleichsweise hohe Lebensdauer, auch bei sehr hohen Temperaturen auf, da die Scheiben 11 durch die beschriebene Kühlung auf einem gewünschten Temperaturniveau gehalten werden können. Auch in dieser Ausführungsform kann entsprechend die Reduktionsreaktion gezielt eingestellt werden.
Wie schon in Bezug zur Ausführungsform gemäß Figur 1 beschrieben, umfasst auch hier das Abtriebselement 7 in Form einer Welle mehrere Nuten 26, über die das anströmende Fluid 29 axial durch eine Auslasseinrichtung 25 in Form eines Rauchgasaustritts 61 abgezogen werden kann. Bezugszeichenliste
1 Brennstoff
2 Luft
3 Abgas
4 Verbrennungskraftmaschine
6 Rotationskatalysator
7 Abtriebselement
8 Generator
9 Kamin
10 Rotationskörper
11 Scheibe
12 katalytisch wirkendes Material
20 Gehäuse
21 Gasaufnahmeraum
22 Einlasseinrichtung
23 Einströmrichtung
24 Rotationsachse
25 Auslasseinrichtung
26 Nut
27 Rauchgassammler
28 Drehrichtung
29 Fluid
30 Hohlraum
31 Wasser
32 Dampf
33 Dampf-Wasser-Gemisch Strömungspfad des Wassers
Radial innerer Bereich der Scheibe
Radial äußerer Bereich der Scheibe
Verbindungselement
Scheibe zur Druckerhöhung
Dampfableitung
Trennelement
Zuführung Kühlmittel innerer Hohlraum des Abtriebselements strömungstechnische Verbindung
Dichtung
Verdampfung neutraler Bereich
Kondensation
Kondensat
Rauchgasaustritt

Claims

25 Patentansprüche
1. Rotationskatalysator (6), umfassend einen Rotationskörper (10) zur Anströmung mit einem Fluid (29) und zur Übertragung kinetischer Energie des anströmenden Fluids (29) auf den Rotationskörper (10), wobei der Rotationskörper (6) mit zumindest einem Oberflächenbereich zur Realisierung einer Katalyse, insbesondere zur Realisierung einer heterogenen Katalyse, zumindest eines Bestandteils des anströmenden Fluids (29) eingerichtet ist.
2. Rotationskatalysator nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche des Rotationskörpers (10) zumindest teilweise durch ein katalytisch wirkendes Material (12) ausgebildet ist, welches in der Lage ist, Reduktionsreaktionen zum Abbau von Stickoxiden des anströmenden Fluids (29) herbeizuführen.
3. Rotationskatalysator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotationskörper (10) zur Umwandlung der Enthalpie eines Gasvolumenstroms als anströmendes Fluid (29) in mechanische Energie des Rotationskörpers (10) wenigstens eine auf einer Rotationsachse (24) angeordnete Scheibe (11) aufweist, welche bei im Wesentlichen tangentialer Anströmung mit dem Gasvolumenstrom in Rotation versetzbar ist, sodass mechanische Energie an einem mit der Scheibe (11) gekoppelten Abtriebselement (7), insbesondere einer Welle, abnehmbar ist, und der Rotationskatalysator (6) wenigstens einen Gasaufnahmeraum (21) zur Aufnahme und Ausbringung des zumindest teilweise tangential die Scheibe (11) anströmenden Gasvolumenstroms aufweist.
4. Rotationskatalysator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein die Scheibe (11) ausbildender Scheibenkörper zumindest einen Hohlraum (30) aufweist, in dem zwecks Kühlung des Scheibenkörpers ein Kühlmedium, insbesondere eine Kühlflüssigkeit, aufgenommen oder aufnehmbar ist.
5. Rotationskatalysator nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Scheibe (11) dazu eingerichtet ist, in ihrem Hohlraum (30) aufgenommenes Kühlmedium bei Zuführung von Wärme von dem die Scheibe (11) anströmenden Gasvolumenstrom an die Scheibe (11) im Hohlraum (30) wenigstens teilweise zu verdampfen.
6. Rotationskatalysator nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotationskörper (10) zur Umwandlung der Enthalpie eines Gasvolumenstroms als anströmendes Fluid (29) in mechanische Energie des Rotationskörpers (10) mehrere auf einer Rotationsachse (24) angeordnete Scheiben (11) aufweist, welche bei im Wesentlichen tangentialer Anströmung mit dem Gasvolumenstrom in Rotation versetzbar sind, sodass mechanische Energie an einem mit den Scheiben (11) gekoppelten Abtriebselement (7), insbesondere einer Welle, abnehmbar ist, wobei in Hohlräumen (30) der Scheiben (11) zwecks Kühlung des Scheibenkörpers ein Kühlmedium, insbesondere eine Kühlflüssigkeit, aufgenommen oder aufnehmbar ist, und wobei die Hohlräume (30) der Scheiben (11) strömungstechnisch miteinander verbunden sind.
7. Rotationskatalysator nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotationskörper (10) zur Umwandlung der Enthalpie eines Gasvolumenstroms als anströmendes Fluid in mechanische Energie des Rotationskörpers (10) mehrere auf einer Rotationsachse (24) angeordnete Scheiben (11) aufweist, welche bei im Wesentlichen tangentialer Anströmung mit dem Gasvolumenstrom in Rotation versetzbar sind, sodass mechanische Energie an einem mit den Scheiben gekoppelten Abtriebselement (7), insbesondere einer Welle, abnehmbar ist, wobei in strömungstechnisch voneinander separierten Hohlräumen (30) der Scheiben (11) zwecks Kühlung des Scheibenkörpers ein Kühlmedium, insbesondere eine Kühlflüssigkeit, aufgenommen oder aufnehmbar ist.
8. Rotationskatalysator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotationskörper (10) eine zumindest bereichsweise Beschichtung mit Edelmetall oder einer darauf basierenden Legierung aufweist.
9. Rotationskatalysator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotationskörper (10) zumindest abschnittsweise aus Graphen ausgebildet ist.
10. Rotationskatalysator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotationskörper (10) zumindest in einem Teilbereich seiner äußeren Oberfläche aus Zeolith ausgebildet ist. TI
11. Verfahren zum Betreiben eines Rotationskatalysators (6) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, bei dem der Rotationskörper (10) des Rotationskatalysators (6) mit einem Fluid (29) angeströmt wird und dadurch kinetische Energie des anströmenden Fluids (29) auf den Rotationskörper (10) übertragen wird, wobei zumindest zeitabschnittsweise gleichzeitig der Rotationskörper (10) mit zumindest einem Oberflächenbereich eine Katalyse, insbesondere eine heterogene Katalyse, zumindest eines Bestandteils den anströmenden Fluids (29) durchführt.
12. Verfahren zum Betreiben eines Rotationskatalysators nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das anströmende Fluid (29) ein Gasvolumenstrom ist und Wärme des Gasvolumenstroms auf ein Kühlmedium in einem Hohlraum (30) eines Scheibenkörpers übertragen wird, sodass das Kühlmedium zumindest teilweise verdampft.
13. Einrichtung zur Umwandlung chemischer Energie in mechanische Energie, umfassend eine Verbrennungseinrichtung zur Umwandlung chemischer Energie in Enthalpie eines Fluides, sowie einen Rotationskatalysator (6) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, welcher strömungstechnisch mit der Verbrennungseinrichtung gekoppelt ist, so dass von der Verbrennungseinrichtung zur Verfügung gestelltes Fluid (29) mit erhöhter innerer Energie dem Rotationskatalysator (6) zuleitbar ist und der Rotationskatalysator (6) unter zumindest teilweiser Umsetzung der inneren Energie des Fluids (29) antreibbar ist, sowie einen Generator (8), der rotationsfest mit dem Rotationskatalysator (6) gekoppelt ist, so dass von dem Rotationskatalysator (6) zur Verfügung gestellte mechanische Energie mit dem Generator (8) zumindest anteilig in elektrische Energie umwandelbar ist.
14. Verfahren zur Umwandlung chemischer Energie in elektrische Energie, bei dem mittels einer Verbrennungseinrichtung chemische Energie in Enthalpie eines Fluides (29) umgewandelt wird und von der Verbrennungseinrichtung zur Verfügung gestelltes Fluid (29) mit erhöhter innerer Energie einem mit der Verbrennungseinrichtung strömungstechnisch gekoppelten Rotationskatalysator (6) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10 zugeleitet wird und dieser unter zumindest teilweiser Umsetzung der inneren Energie des Fluids (29) angetrieben wird, wobei der Rotationskatalysator (6) gleichzeitig zur Realisierung einer Katalyse zumindest eines Bestandteils des anströmendes Fluids (29) dient, und von dem Rotationskatalysator (6) zur Verfügung gestellte mechanische Energie einem Generator (8) zugeführt wird, der rotationsfest mit dem Rotationskörper (10) des Rotationskatalysators (6) 28 gekoppelt ist, so dass von dem Rotationskatalysator (6) zur Verfügung gestellte mechanische Energie mit dem Generator (8) zumindest anteilig in elektrische Energie umgewandelt wird.
15. Verwendung eines Rotationskatalysators (6) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10 zur Übertragung kinetischer Energie des anströmenden Fluids (29) auf den Rotationskörper (10) sowie zumindest zeitabschnittsweise gleichzeitig zur Realisierung einer Katalyse zumindest eines Bestandteils des anströmenden Fluids (29).
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