Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum dauerhaften Erreichen von hohen Gastemperaturen und Minimieren von Wärmeverlusten.

Viele industrielle Prozesse und Maschinen laufen häufig unter hohen Temperaturen ab. Eine der größten Probleme bei diesen Prozessen ist eine Überhitzung von mit heißen Gasen in Kontakt stehenden Wänden. Von großer Bedeutung ist auch die Wärmeisolierung der Gaskanäle, die Reduzierung von Wärmeverlusten sowie z.B. die Kühlung von Turbinenschaufeln. Eine Steigerung der Eintrittstemperaturen bei den Gas- und Dampfturbinen bewirkt auf einer Seite eine Erhöhung des Gasturbinenwirkungsgrades, erfordert auf anderer Seite aber auch einen höheren Kühlluftbedarf, der wiederum den Wirkungsgradgewinn reduziert. Das Kühlen von Gasturbinen ist eine technische Herausforderung, dies ist vor allem in der Luftfahrt besonders kritisch. In modernen Gasturbinen kommen aufwendige Kühlmethoden wie Prall- und Filmkühlung, Transpirationskühlung, Effusionskühlung usw. zum Einsatz, siehe beispielweise Patentschriften DE000069911600T2, EP000003179041 A1 , EP000001043480A2, EP000001149983A2, EP000003199759A1 ,

DE000060307070T2, EP000003290639B1 , EP000001914392A3, EP000001600608B1. Nachteil bei diesen Kühlkonzepten ist eine sehr hohe Komplexität und damit hohe Kosten sowie ein höheres Gesamtkonstruktionsgewicht.

Viele chemische Prozesse und Reaktionen benötigen hohe Temperaturen. Bei Methanpyrolyse z.B. ist eine erhebliche Verschiebung des thermodynamischen Gleichgewichts in Richtung der Reaktionsprodukte erst ab 800° C (1 atm) möglich. Bei 1200° C liegt der theoretische Wirkungsgrad der Methanumwandlung bei etwa 95% (doi:10.1088/1757-899X/228/1/012016), eine Annäherung zu einer 100%gen Methan-Zersetzung könnte in der Praxis nur bei über 2000° C erreicht werden. Bei hohen Temperaturen steigt aber Energiebedarf enorm, weswegen wiederum der gesamte Wirkungsgrad des chemischen Reaktors erheblich sinkt.

Ein Beispiel für einen Reaktor für chemische Reaktionen bei hohem Druck und hoher Temperatur kann man in EP000002361675A1 finden. Bei diesem Reaktor ist nachteilig ein komplizierter Aufbau mit Hauptreaktor und Nebenreaktor vorgesehen.

In DE000002905206A1 ist eine Anlage zur thermischen Wasserspaltung beschrieben, bei der das konzentrierte Sonnenlicht für die Erzeugung der Reaktionstemperatur über 1100° C verwendet wird und ein Hochtemperatur-Reaktionsgefäß durch elektromagnetische Felder gebildet wird. Nachteil dieser Anlage ist, dass ein solches Reaktionsgefäß praktisch kaum realisierbar ist.

Nächstliegend zur patentierenden Erfindung ist im DE102009052623A1 ein offenbartes Verfahren zum Rotationseinschluss von Plasma. Das Verfahren bezieht sich auf eine Aufrechterhaltung von heißem Plasma, betrifft aber nicht das Erreichen von hohen Temperaturen von nichtionisierten Gasen. Nachteilig bei diesem Verfahren ist ein sehr hoher Energiebedarf, weil das Plasma nur bei ständiger Energiezufuhr existieren kann.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren bereitzustellen, das eine Trennung von heißen Gasen von Konstruktionswänden gewährleistet und dadurch im Arbeitsbereich hohe Gastemperaturen erreichbar werden. Die Lösung der Aufgabe erfolgt mit einem Verfahren, welches dadurch gekennzeichnet ist, dass ein heißes Gas oder ein Gasgemisch in einer Kammer unter ständiger Drehung gehalten wird, wobei das rotierende Gas durch das Wirken von Zentrifugalkraft eine Trennung von kälterer und damit schwerer und heißerer und damit leichterer Gasschichten erfährt und dadurch eine Verdrängung des heißeren (leichteren) Gases in das Drehzentrum der Kammer und des kälteren (schwereren) Gases in Richtung Kammerwand erfolgt. Da Gase eine sehr geringe Wärmeleitfähigkeit besitzen, werden die Kammerwände durch eine wärmeisolierende kältere Gasschicht von den heißen Gasmassen im Zentrum effektiv getrennt und dadurch wird eine Überhitzung der Kammerwände vermieden. Die Wände der Kammer kommen nicht in einen direkten Kontakt mit heißem Gas, dabei werden vorteilhaft Reaktionsprodukte weniger durch Material von Wänden verunreinigt.

Die Erfindung wird schematisch in den Zeichnungen 1 bis 5 erläutert.

Fig. -1 stellt ein Ausführungsbeispiel 1 mit einem rotierenden Rohr (1 ) mit offenen Enden (2) dar, wobei ein Gas (3) an einem Ende des Rohrs eingeführt und auf an sich bekannte Weise aufgeheizt wird. Am anderen Ende strömt das Gas (3) (oder die Reaktionsprodukte) wieder heraus. Im Inneren des Rohres (1) wird das Gas erfindungsgemäß auf einer hohen Temperatur gehalten und die Rohrwände dank wärmeisolierender Gasschicht bei einer niedrigeren Temperatur bleiben.

In der Fig. 2 ist ein Beispiel 2 der Erfindung gezeigt, wo das Gas (3) in einem nichtrotierenden Rohr (4) durch ein Laufrad mit Schaufeln oder einen Ventilator (5) in Drehung gebracht wird. Das Gas wird wie im Beispiel 1 aufgeheizt und erfindungsgemäß von kälteren Wänden getrennt.

Fig. 3 stellt ein Beispiel 3 für einen geschlossenen Behälter (6) dar, wobei der Innenraum des Behälters (6) unter Normal-, Unter- oder Überdruck steht. Ein Gas (3) (oder gasförmige Reagenzien) wird im Behälter (6) nach dem Ausführungsbeispiel 1 oder 2, also im einen rotierenden Rohr (1) oder im nicht rotierenden Rohr (4), erfindungsgemäß für vorgesehene Arbeitsprozesse auf einer hohen Temperatur gehalten.

Die Zentrifugalkraft wirkt bei Drehbewegung nur in radialer Richtung, das heißt, in axialer Richtung funktioniert die Wärmeisolierung erfindungsgemäß nicht. Um diesen Nachteil zu minimieren, kann die Rohrlänge wesentlich größer als der Rohrdurchmesser (z.B. im Verhältnis 10 zu 1) gemacht werden. Dieser Nachteil kann gar nicht entstehen, wenn eine Kammer ringförmig, wie z.B. ein Torus oder zwei an beiden Enden verbundene Rohre, ist, sodass es keine freien Enden des heißen Gaswirbels gibt. Der Ausführungsbeispiel 4 (Fig. 4) zeigt mögliche Aufbauformen (4.1 , 4.2, 4.3).

Die Kammer kann waagerecht oder mit einer Neigung gerichtet werden, siehe Fig. 5. Wenn das Ausgangsende der Kammer nach unten gerichtet ist (5.1), wird eine Trennung von festen Reaktionsprodukten dank der Wirkung von Erdgravitation erleichtert. Bei einer Ausrichtung nach oben (5.2) können dagegen leichte gasförmige Produkte besser entweichen.

Das vorgeschlagene Verfahren wurde vom Erfinder in einer Reihe von Experimenten an einer Testanlage erprobt und erfolgreich bestätigt. Durch Verwendung von diesem Verfahren können Wärmeverluste und dadurch der Energiebedarf wesentlich reduziert werden. Es können höhere Wirkungsgrade erreicht werden. Man kann erfindungsgemäß leichtere und kostengünstigere Konstruktionsmaterialien als konventionelle (z.B. Aluminiumlegierungen anstatt hitzebeständiger Stähle) vorteilhaft verwenden. Durch Reduzierung von Wärmeverlusten können Produktions-, Wartungs- bzw. Betriebskosten wesentlich gesenkt werden.

Bezugszeichenliste

1 Rotierende Kammer

2 Kammerende

3 Gas

4 Nichtrotierende Kammer

4.1 Aufbauform 1

4.2 Aufbauform 2

4.3 Aufbauform 3

5 Laufrad mit Schaufeln bzw. Ventilator

5.1 Ausrichtung nach unten

5.2 Ausrichtung nach oben

6 Behälter