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/m ³ . 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/m ³

Festigkeit Graphenkörper 1000 MPa

Max. äußere Umfangsgeschwindigkeit 10000 m/s

Durchmesser Faser/Filament 1 nm

Kinematische Zähigkeit Fluid 0,0001 m ² /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 r _t zum Radius des gesamten Grundkörpers r _g in einem Verhältnis von r _t /r _g = 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/r _g < 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- 10 ³ , insbesondere von D/p <1 ,3- 10 ³ 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 H ₂ O -> CH ₄ + O ₂

2 C + O ₂ -> 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:

4NH ₃ + 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