用于利用离心力获得高气体温度的方法与流程

用于利用离心力获得高气体温度的方法
1.本发明涉及用于永久获得高气体温度并将热损失减至最小的方法。
2.许多工业过程和机器通常高温运行。这些过程的其中一个最大问题是接触热气的壁的过热。气体管道绝热、热损失减小以及例如涡轮机叶片冷却也至关重要。气体蒸汽涡轮机的入口温度升高一方面造成气体涡轮机效率提升，但另一方面也要求较高的冷却空气需求，其又降低效率收益。冷却气体涡轮机是一项在空化中尤其关键的技术挑战。复杂的冷却方法如冲击和膜冷却、发散冷却、隙透冷却等被用在现代的燃气涡轮机中，例如见专利说明书de000069911600t2、ep000003179041a1、ep000001043480a2、ep000001149983a2、ep000003199759a1、de000060307070t2、ep000003290639b1、ep000001914392a3、ep000001600608b1。冷却概念的缺点是极其复杂且因此成本高且总结构重量大。
3.许多化学过程和反应需要高温。例如在甲烷热解中，在热动力平衡中显著移位向反应产物只能在高于800摄氏度下实现(1大气压)。在1200摄氏度，甲烷转化的理论效率约为95％(doi:10.1088/1757-899x/228/1/012016)，在实践中只能在高于2000摄氏度下获得用于100％甲烷分解的做法。但在高温下能量需求显著增加，这又明显降低化学反应器的总效率。
4.用于高压高温化学反应的反应器的一个例子可以在ep000002361675a1中找到。此反应器的缺点是其具有包括主反应器和副反应器的复杂结构。
5.de000002905206a1描述一种用于热水裂解的系统，其中聚集日光被用来产生高于1100摄氏度的反应温度，且高温反应容器由电磁场形成。此系统的缺点是这种反应容器实际上可能难以实现。
6.de102009052623a1所披露的一种用于等离子体旋转约束的方法最接近获得专利的发明。该方法涉及一种热等离子体维持，但与获得未电离化气体的高温无关。此方法的缺点是它需要大量能量，因为等离子体只能在有恒定功能下存在。
7.本发明基于如下目的，提供一种方法，其保证热气体与结构壁分离，结果，可以在工作区域中获得高气体温度。该目的通过一种方法来实现，其特点是，热气体或气体混合物在空腔内被保持旋转，旋转气体因离心力作用而经历较冷且因此较重的气体层与较热且因此就较轻的气体层的分离，由此较热(较轻)气体朝向该空腔的旋转中心位移，而较冷(较重)气体朝向空腔壁位移。由于气体具有较低导热性，空腔壁通过绝热的较冷气体层被有效地与在中心的热气体质量分离，于是防止空腔壁过热。空腔壁没有直接接触热气体，由此有利地减轻反应产物被来自壁的材料污染。
8.在图1至图5中示意性示出本发明。
9.图1示出带有敞开的两端(2)的旋转管(1)的实施例1，其中，气体(3)在管的一端被注入并以本身已知的方式被加热。气体(3)(或反应产物)在另一端流出。在管(1)内，气体根据本发明被保持在高温下，管壁因为绝热气体层而保持在低温下。
10.图2示出本发明的一个例子2，在此，在非旋转管(4)内通过带叶片的推进器或风扇(5)使气体(3)旋转。气体就像在例1中那样被加热并且根据本发明与较冷的壁分离。
11.图3描绘一个用于闭合容器(6)的例子3，容器(6)内部处于常压、负压或正压。气体
(3)(或气态反应剂)根据实施例1或2在容器(6)内被保持在高温下，即在旋转管(1)或非旋转管(4)内，根据本发明用于既定工作过程。
12.在旋转运动期间内，离心力仅在径向上作用，这意味着根据本发明的绝热在轴向上不起效。为了将此缺点减至最小，管长度可以被设定为显著大于管径(例如按比例10:1)。如果空腔呈环形、如圆环或者两个在两端相连的管，则此缺点不会出现，故没有热气体涡旋的自由端。实施例4(图4)示出可能设计(4.1,4.2,4.3)。
13.空腔可以水平取向或倾斜取向，见图5。如果空腔的出口端指向下(5.1)，则在重力作用下促成固态反应产物的分离。另一方面，如果向上取向(5.2)，则轻的气态产物可更好地逸失。
14.所提出的方法由发明人在一系列在测试工厂的试验中被测试并得到成功确认。通过使用该方法，热损失和进而能耗可被显著降低。可获得较高效率。根据本发明，可有利地使用比传统材料更轻且更经济划算的结构材料(如铝合金而不是耐热钢)。维护和运行成本可通过降低热损失而被显著降低。
15.附图标记列表
16.1 旋转空腔
17.2 空腔端
18.3 气体
19.4 非旋转空腔
20.4.1实施例1
21.4.2实施例2
22.4.3实施例3
23.5 带叶片的推进器或风扇
24.5.1 向下取向
25.5.2 向上取向
26.6 容器


技术特征：
1.一种用于获得高气体温度的方法，其中，气体(3)或气体混合物在空腔(1)(4)内按照本身已知的方式被加热并在所述空腔(1)(4)内具有不同的温度，其特征是，在所述空腔(1)(4)内的热的所述气体(3)被保持在恒定旋转下，其中，旋转的所述气体(3)在离心力作用下经受较冷且因此较重的层与较热且因此较轻的气体层的分离并且由此经历较热(较轻)的气体朝向所述空腔(1)(4)的旋转中心位移，并且较冷(较重)的气体朝向空腔壁位移，结果是由在所述空腔壁的区域中的较冷的气体层造成的热损失因为气体的较低导热性被减至最小，并且由此获得在所述空腔的旋转中心处的高温，其中，在所述空腔(1)(4)的工作区域内不存在等离子体。2.根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述气体(3)的所述旋转通过所述空腔(1)的旋转和/或至少一个带叶片(5)的推进器和/或至少一个风扇(5)和/或气体流来获得。3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征是，旋转速度被设定为至少50转/分钟。4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征是，在所述空腔壁与所述旋转中心的区域内的所述气体(3)之间的温差被设定为100摄氏度至2500摄氏度。5.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征是，在所述空腔壁与所述旋转中心的区域内的所述气体(3)之间的温差被设定为超过2500摄氏度。6.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其特征是，所述空腔(1)(4)水平取向或以0
°
至90
°
(5.1)或者0
°
至-90
°
(5.2)的倾斜角度取向。7.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，其特征是，所述空腔(1)(4)内的所述气体(3)含有甲烷、乙烷、高级烃、硫化氢、水蒸汽、氨和/或其混合物。

技术总结
许多工业过程通常发生在高温下。其中一个最大问题是接触热气体的周围结构元件的过热。这增大材料热负荷并缩短结构使用寿命。高效冷却系统的结构极其复杂且耗时并且是一项技术挑战。本发明应对提供如下方法的课题，其保证热气体与结构壁分离而同时允许在工作区域中获得高气体温度。此课题利用如下方法来解决，其特点是，热气体在空腔内被保持在连续旋转中，其中旋转气体因离心力作用而形成绝热气体层，并且空腔壁的过热由此得到避免。使用本发明能显著减小热损失和进而能耗。可获得较高效率。根据本发明，可以有利地使用比传统材料更轻且更经济划算的结构材料(例如铝合金而不是耐热钢)。维护和运行成本可通过降低热损失而被显著降低。被显著降低。被显著降低。


技术研发人员：贝克
受保护的技术使用者：贝克
技术研发日：2021.10.15
技术公布日：2023/8/4