WO2010000804A2 - Katalysator für ein luftfahrzeug - Google Patents

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    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • 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
    • B01D53/74—General processes for purification of waste gases; Apparatus or devices specially adapted therefor
    • B01D53/86—Catalytic processes
    • B01D53/8671—Removing components of defined structure not provided for in B01D53/8603 - B01D53/8668
    • B01D53/8675—Ozone

Definitions

  • the invention relates to an ozone catalyst for an aircraft, a method for its production and a cabin air supply device for an aircraft.
  • Ozone catalysts for the conversion of O 3 into O 2 are known from EP 0 388 094 A1 and contain as part of the catalyst layer, inter alia, Fe 2 O 3 , but usually in compounds with noble metals.
  • an ozone converter is known which operates at high temperatures and thus requires a lot of energy.
  • an arc lamp with an ozone catalyst is known, which is described as a bad-acting catalyst iron oxide.
  • Ozone catalysts for aircraft are used to supply the passenger compartment with the least possible ozone-free breathing air. These usually work at temperatures of several hundred degrees C and at elevated pressure of about 2-3 bar and usually include catalysis layers containing precious metals.
  • the air to be supplied to the catalyst is removed from the compressor area of an aircraft engine, so that both the required temperature and the pressure are available. However, this removed compressor air is no longer available to the engine process and thus worsens its efficiency or increases the fuel consumption of the aircraft.
  • ozone catalysts require periodic regeneration because the ozone conversion efficiency decreases significantly over time, increasing the maintenance cost of the aircraft.
  • conventional ozone catalysts for aircraft are structurally complex, which is due, among other things, to the complicated supply of fresh air from the engine compressor.
  • the object of the invention is to provide an ozone catalyst for an aircraft, which does not have to be operated with air of elevated temperature and which is characterized by reduced regeneration effort.
  • the ozone catalyst according to the invention is characterized in that it is very easy and inexpensive to manufacture, because the catalyst layer is very easy to produce by exposing an iron-containing substrate to corrosive conditions, whereby Fe 2 O 3 is formed.
  • the ozone catalyst according to the invention operates at very low temperatures and low humidity, as typically encountered in the cruising altitudes of modern passenger aircraft.
  • the ozone catalyst according to the invention can be charged with ambient air, which does not first have to have passed through an engine compressor.
  • the engine efficiency increases and it eliminates the considerable expense of an air diversion from the engine for the air supply of the aircraft interior, so the pilots and passengers.
  • Another significant advantage is that a reactivation of the ozone catalyst is automatically carried out when falling from the cruising altitude, because it increases the humidity and thus a new formation of Fe 2 O 3 takes place automatically.
  • the base layer of iron-containing material lying below the catalysing layer is used.
  • the maintenance costs for the reactivation of the ozone catalyst can be significantly reduced.
  • the ozone catalyst according to the invention consists essentially of iron and Fe 2 O 3 , the final disposal after wear occurs uncomplicated.
  • the ozone catalyst according to the invention is very good environmental compatibility due to the materials used and does not require any expensive or difficult to obtain components or substances.
  • the fabrics are also non-toxic to living things.
  • the ozone catalyst according to the invention preferably consists of a number of superimposed plates, which are provided on both sides with the base layer and the catalyst layer attached thereto, and the ozone-containing gas is hin micleitbar between the layers. This ensures a very simple structure and thus low construction costs and a simple exchange of used plates.
  • the base layer of the ozone catalyst is made of a material comprising at least 80% iron (Fe). It can be a material with almost 100% iron use or a typical carbon steel, in particular the composition S235JR + AR (St37).
  • these corrosive conditions are exposed, preferably the conditions specified in DIN EN ISO 9227 (ASTM B117) for a salt spray test.
  • Fig.l is a schematic sectional view of the essential part of an ozone catalyst
  • FIG. 2 shows a schematic side view of an ozone catalyst
  • Fig. 3 is a diagram showing the operation of the ozone catalyst
  • FIG. 4 shows a schematic representation of a conventional cabin air supply system
  • 5 shows a schematic representation of a cabin air supply system according to the invention
  • Fig. 1 shows a schematic sectional view of the essential part of an ozone catalyst 10, which consists essentially of a base layer 6 made of a ferrous material and an overlying catalyst layer 8 consisting essentially of Fe 2 O 3 .
  • the catalyst layer 8 is formed from the material of the base layer 6 in the regeneration of the ozone catalyst 10, that in the region 9 above the catalysing layer 8 Korridierende Bedindungen, preferably an increased humidity prevail, in which the iron-containing base layer 6 corrodes and thus the catalyst layer 8 is modeled.
  • FIG. 2 schematically shows a side view of an ozone catalyst 10, which consists of a number of plates 12 in a housing 14, wherein the plate thickness is not shown to scale.
  • the plates 12 are provided on both sides with the base layer 6 and the overlying catalyst layer 8, or the plate 12 is made entirely of the iron-containing material of the base layer and represents the base layer 6 itself.
  • the plate thickness is about 0.5 mm.
  • the ozone-containing air enters at 16 in the interstices 18 between the plates 12 and at 20 again from the ozone catalyst 10 from.
  • Fig. 3 is a diagram of the degree of ozone conversion in which the abscissa denotes time and the ordinate denotes the degree of ozone conversion.
  • RH relative humidity
  • a space velocity (space velocity SV) of 25,000 / h and an ozone concentration of 930 ppb in the feed stream results after a few minutes, a nearly 100 % conversion of ozone into O 2 . This value gradually decreases over time (after a few hours).
  • FIG. 4 shows a schematic representation of a conventional cabin air supply system 20a.
  • At least one gas turbine engine 22a of the aircraft with a compressor 24 has an air bleed 24a, by means of which a portion of compressed to about 2 - 3 bar compressed and thereby heated air and fed to a conventional noble metal ozone converter 26a, in which at about 200 0 C the O 3 is converted to O 2 .
  • the ozone-reduced air is supplied to an air conditioner 28a of the aircraft and passes from there to the cabin 30a.
  • FIG. 5 shows a schematic representation of a cabin air supply system 20b according to the invention. It can be seen first that no gas is diverted from the gas turbine engine 22b. In the cabin air supply system 20b, the air supply 24b takes place directly from the environment outside the aircraft, which is supplied via at least one compressor 25 to an air conditioner 28b. From this, the ozone-containing air is supplied to the ozone converter 26b according to the invention, after which the ozone-reduced air then enters the cabin 30b.
  • This has the advantage that the air supply is no longer bound to the engines but takes place independently by means of electric compressors, so that the engine efficiency is improved, because the "parasitic air flow" is avoided, so the previously required for the compression and heating of the cabin air energy is saved.
  • the air from the at least one electric compressor 25 has a temperature of about 70 - 90 0 C, in which the usual noble metal-based ozone converters do not work, however, based on a ferrous material according to the invention ozone converter already.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Ozon-Katalysator (10) für ein Luftfahrzeug, der eine Basisschicht (6) umfasst, die im wesentlichen aus einem eisenhaltigen Werkstoff besteht, auf der eine Katalysationsschicht (8) im wesentlichen bestehend aus Fe2O3 aufgebracht ist, sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung und eine Kabinenluftversorgungsvorrichtung für ein Luftfahrzeug.

Description

Katalysator für ein Luftfahrzeug
Die Erfindung betrifft einen Ozon-Katalysator für ein Luftfahrzeug, ein Verfahren zu dessen Herstellung sowie eine Kabinenluftversorgungsvorrichtung für ein Luftfahrzeug.
Ozon-Katalysatoren zur Umwandlung von O3 in O2 sind aus der EP 0 388 094 Al bekannt und enthalten als Bestandteil der Katalysationsschicht unter anderem auch Fe2O3, meist jedoch in Verbindungen mit Edelmetallen. Aus der JP 60197223 A ist ein Ozon-Umwandler bekannt, der bei hohen Temperaturen arbeitet und damit viel Energie erfordert. Aus der DE 1133154 A ist eine Lichtbogenlampe mit einem Ozon-Katalysator bekannt, wobei als schlecht wirkender Katalysator Eisenoxid beschrieben ist.
Ozon-Katalysatoren für Luftfahrzeuge dienen dazu, den Fluggastraum mit möglichst Ozon-armer Atemluft zu versorgen. Diese arbeiten üblicherweise bei Temperaturen von mehreren hundert Grad C und bei erhöhtem Druck von ca. 2 - 3 bar und umfassen meist Katalysationsschichten, die Edelmetalle enthalten. Dabei wird die dem Katalysator zuzuführende Luft aus dem Verdichterbereich eines Flugtriebwerks entnommen, so dass sowohl die erforderliche Temperatur als auch der Druck zur Verfügung stehen. Diese entnommene Verdichterluft steht jedoch dem Triebswerksprozess nicht mehr zur Verfügung und verschlechtert damit dessen Wirkungsgrad bzw. erhöht den Treibstoffverbrauch des Luftfahrzeugs.
Darüber hinaus benötigen Ozon-Katalysatoren eine regelmäßige Regeneration, da der Wirkungsgrad der Ozonumsetzung mit der Zeit erheblich abnimmt, was die Wartungskosten des Luftfahrzeuges erhöht.
Schließlich sind herkömmliche Ozon-Katalysatoren für Luftfahrzeuge baulich aufwändig, was unter anderem an der komplizierten Zuluftführung vom Triebwerksverdichter herrührt. Aufgabe der Erfindung ist es, einen Ozon-Katalysator für ein Luftfahrzeug bereitzustellen, der nicht mit Luft erhöhter Temperatur betrieben werden muss und der sich durch reduzierten Regenerationsaufwand auszeichnet.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Der erfindungsgemäße Ozon-Katalysator zeichnet sich dadurch aus, dass dieser sehr einfach und kostengünstig in der Herstellung ist, denn die Katalysationsschicht ist sehr einfach dadurch herzustellen, dass ein eisenhaltiges Substrat korrodierenden Bedingungen ausgesetzt wird, wodurch Fe2O3 entsteht. Darüber hinaus funktioniert der erfindungsgemäße Ozon- Katalysator bei sehr niedrigen Temperaturen und einer geringen Luftfeuchte, wie sie typischerweise in den Reiseflughöhen moderner Passagierflugzeuge anzutreffen sind.
Der erfindungsgemäße Ozon-Katalysator kann mit Umgebungsluft beschickt werden, die nicht erst einen Triebswerksverdichter durchlaufen haben muss. Dadurch steigt der Triebwerkswirkungsgrad und es entfällt der erhebliche Aufwand einer Luftabzweigung aus dem Triebwerk für die Luftversorgung des Flugzeuginnenraumes, also der Piloten und Passagiere.
Ein weiterer bedeutender Vorteil besteht darin, dass eine Reaktivierung des Ozon-Katalysators automatisch beim Absinken aus der Reiseflughöhe erfolgt, weil dabei die Luftfeuchtigkeit ansteigt und damit eine Neubildung von Fe2O3 automatisch erfolgt. Zur Regeneration, also zur Bereitstellung des Eisens wird die unter der Katalysationsschicht liegende Basisschicht aus eisenhaltigem Material verwendet. Dadurch läßt sich der Wartungsaufwand für die Reaktivierung des Ozon-Katalysators erheblich reduzieren. Da der erfindungsgemäße Ozon- Katalysator im wesentlichen aus Eisen und Fe2O3 besteht, gestaltet sich auch die endgültige Entsorgung nach Verschleißeintritt unkompliziert. Der erfindungsgemäße Ozon-Katalysator ist aufgrund der verwendeten Werkstoffe sehr gut umweltverträglich und benötigt keinerlei teure oder schwierig zu beschaffende Bestandteile oder Stoffe. Die Stoffe sind darüber hinaus ungiftig für Lebewesen .
Der erfindungsgemäße Ozon-Katalysator besteht vorzugsweise aus einer Anzahl von übereinander beabstandet angebrachten Platten, die beidseitig mit der Basisschicht und der darauf angebrachten Katalysationsschicht versehen sind, und das Ozon-haltige Gas zwischen den Schichten entlangleitbar ist. Dies gewährleistet einen sehr einfachen Aufbau und damit geringen Bauaufwand sowie einen einfachen Austausch verbrauchter Platten.
Vorzugsweise besteht die Basisschicht des Ozon-Katalysators aus einem Werkstoff, der mindestens 80% Eisen (Fe) umfasst. Es kann ein Werkstoff mit nahezu 100% Eisen Verwendung finden oder auch ein typischer Kohlenstoffstahl, insbesondere der Zusammensetzung S235JR+AR (St37) .
Zur Bildung der Basisschicht des erfindungsgemäßen Ozon-Katalysators wird diese korrodierenden Bedingungen ausgesetzt, vorzugsweise den in DIN EN ISO 9227 (ASTM B117) vorgegebenen Bedingungen für einen Salzsprühversuch.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels in den beigefügten Zeichnungen weiter erläutert. Dabei zeigt:
Fig.l: eine schematische Schnittansicht des wesentlichen Teils eines Ozon-Katalysators;
Fig.2: eine schematische Seitenansicht eines Ozon-Katalysators;
Fig.3: ein Diagramm, das die Wirkungsweise des Ozon-Katalysators zeigt;
Fig.4: eine schematische Darstellung eines herkömmlichen KabinenluftversorgungsSystems; Fig.5: eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen KabinenluftversorgungsSystems
In Fig. 1 zeigt eine schematische Schnittansicht des wesentlichen Teils eines Ozon-Katalysators 10, der im wesentlichen aus einer Basisschicht 6 aus einem eisenhaltigen Werkstoff und einer darüberliegenden Katalysationsschicht 8 im wesentlichen bestehend aus Fe2O3 besteht. Dabei wird die Katalysationsschicht 8 dadurch aus dem Material der Basisschicht 6 bei der Regeneration des Ozon-Katalysators 10 gebildet, dass im Bereich 9 oberhalb der Katalysationsschicht 8 korridierende Bedindungen, vorzugsweise eine erhöhte Luftfeuchtigkeit herrschen, bei denen die eisenhaltige Basisschicht 6 korrodiert und damit die Katalysationsschicht 8 nachgebildet wird.
In Fig. 2 ist schematisch eine Seitenansicht eines Ozon-Katalysators 10 dargestellt, der aus einer Anzahl Platten 12 in einem Gehäuse 14 besteht, wobei die Plattendicke nicht maßstabsgetreu dargestellt ist. Die Platten 12 sind beiderseits mit der Basisschicht 6 und der darüberliegenden Katalysationsschicht 8 versehen, bzw. die Platte 12 besteht ganz aus dem eisenhaltigen Material der Basisschicht und stellt die Basisschicht 6 selber dar. Die Plattendicke liegt bei etwa 0,5 mm. Die Ozon-haltige Luft tritt bei 16 in die Zwischenräume 18 zwischen den Platten 12 ein und bei 20 wieder aus dem Ozon-Katalysators 10 aus.
Fig. 3 ist ein Diagramm für den Ozon-Umsetzungsgrad, in der die Abszisse die Zeit und die Ordinate den Ozon-Umwandlungsgrad bezeichnet. Bei Bedingungen (Temperatur 20 0C, relativer Luftfeuchte (relative humidity RH) ) von 0%, einer Raumgeschwindigkeit (space velocity SV) von 25.000 /h und einer Ozon-Konzentration von 930 ppb im Zustrom ergibt sich bereits nach wenigen Minuten eine fast 100%ige Umwandlung des Ozons in O2. Dieser Wert lässt im Laufe der Zeit (nach einigen Stunden) zunehmend nach. Nachdem aber ein ununterbrochener Langstreckenflug in einem Verkehrsflugzeug üblicherweise in der gleichen Größenordnung liegt, erfolgt beim Sinkflug des Flugzeugs, wenn einerseits der Ozongehalt in der durchfloge- nen Atmosphäre zurückgeht und andererseits die Luftfeuchtigkeit zunimmt, eine automatische Regenerierung des Ozon-Katalysators durch die bei erhöhter Luftfeuchte existierenden leicht korrodierenden Bedingungen. Mit anderen Worten erfolgt bei allen Flugbewegungen in niedriger Höhe und Rollbewegungen auf Flughäfen eine regelmäßige Katalysator-Regenierierung.
Fig. 4 zeigt eine schematische Darstellung eines herkömmlichen Kabinenluftversorgungssystems 20a. Mindestens ein Gasturbinentriebwerk 22a des Luftfahrzeugs mit einem Verdichter 24 hat eine Luftabzapfung 24a, mittels der ein Teil der auf ca. 2 - 3 bar komprimierten und dabei erwärmten Luft abgezogen und einem herkömmlichen Edelmetall- Ozonkonverter 26a zugeführt wird, in dem bei ca. 2000C das O3 in O2 umgewandelt wird. Die ozonreduzierte Luft wird einer Klimaanlage 28a des Luftfahrzeugs zugeführt und gelangt von dort in die Kabine 30a.
Fig. 5 zeigt eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Kabinenluftversorgungssystems 20b. Zu erkennen ist zunächst, dass vom Gasturbinentriebwerk 22b keine Luft abgezweigt wird. Bei dem Kabinenluftversorgungssystem 20b erfolgt die Luftzufuhr 24b direkt aus der Umgebung außerhalb des Luftfahrzeugs, die über mindestens einen Kompressor 25 einer Klimaanlage 28b zugeführt wird. Aus dieser wird die ozonhaltige Luft dem erfindungsgemäßen Ozonkonverter 26b zugeführt, wonach die ozonreduzierte Luft dann in die Kabine 30b gelangt. Dies hat den Vorteil, dass die Luftversorgung nicht mehr an die Triebwerke gebunden ist sondern unabhängig mittels elektrischer Kompressoren erfolgt, so dass der Triebwerks- Wirkungsgrad verbessert ist, denn der „parasitäre Luftstrom" wird vermieden, also die für die Verdichtung und Erwärmung der Kabinenluft bisher erforderliche Energie wird eingespart. Die Luft aus dem mindestens einen elektrischen Kompressor 25 hat eine Temperatur von ca. 70 - 900C, bei dem die üblichen edelmetallbasierten Ozonkonverter nicht arbeiten, hingegen der auf einem eisenhaltigen Werkstoff basierende erfindungsgemäße Ozonkonverter schon.

Claims

Ansprüche
1. Ozon-Katalysator (10) für ein Luftfahrzeug, dadurch gekennzeichnet, dass dieser eine Basisschicht (6) umfasst, die im wesentlichen aus einem eisenhaltigen Werkstoff besteht, auf der eine Katalysationsschicht (8) im wesentlichen bestehend aus Fe2O3 aufgebracht ist.
2. Ozon-Katalysator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass dieser eine Anzahl von übereinander beabstandet angebrachten Platten (12) umfasst, die beidseitig mit der Basisschicht (6) und der darauf angebrachten Katalysationsschicht (8) versehen sind, und das Ozon-haltige Gas zwischen den beschichteten Platten (12) entlangleitbar ist .
3. Ozon-Katalysator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Basisschicht (6) als Platte (12) ausgebildet ist, deren beide Oberflächen als Katalysationsschichten (8) ausgebildet sind, wobei eine Anzahl von Platten (12) übereinander beabstandet vorgesehen sind und das Ozonhaltige Gas zwischen den beschichteten Platten (12) entlangleitbar ist.
4. Ozon-Katalysator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Basisschicht (6) aus einem Werkstoff besteht, der mindestens 80% Eisen (Fe) umfasst, vorzugsweise einem unlegierten Stahl.
5. Ozon-Katalysator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Basisschicht (6) aus Baustahl, unlegiertem Qualitätsstahl und unlegiertem Edelstahl, vorzugsweise aus einem Stahl der Zusammensetzung S235JR+AR (St37), besteht.
6. Kabinenluftversorgungsvorrichtung für ein Luftfahrzeug, umfassend
- mindestens einen Umgebungslufteinlass (24b) ; - mindestens einen Kompressor (25) zur Verdichtung der angesaugten Umgebungsluft;
mindestens einen stromab des Kompressors (25) angeordneten Ozon-Konverter (26b) mit einem Ozon- Katalysator (10) nach einem der vorherigen Ansprüche.
7. Kabinenluftversorgungsvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Kompressor (25) und Ozon-Konverter (26b) eine Klimaanlage (28b) des Luftfahrzeug angeordnet ist.
8. Verfahren zur Herstellung der Katalysationsschicht (8) des Ozon-Katalysators (10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Basisschicht (6) korrodierenden Bedingungen ausgesetzt wird.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die korrodierenden Bedingungen gemäß DIN EN ISO 9227
(ASTM B117) sind.
10. Verfahren zur Regeneration eines Ozon-Katalysators (10) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Basisschicht (6) korrodierenden Bedingungen ausgesetzt wird.
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