AT402847B - Wärmeerzeuger mit einem teilweise katalytisch beschichteten metallischen wabenkörperreaktor - Google Patents

Description

AT 402 847 B

Gegenstand der Erfindung ist ein katalytischer Wärmeerzeuger gemäß dem Oberbegriff des unabhängigen Anspruches.

Eine Kombination eines konventionellen Gasbrenners mit einem Oxidationswabenkatalysator ist aus der DE 39 05 775 A1 bekanntgeworden. Die Schadstoffreduktion wird dabei durch katalytische Nachverbrennung der Abgase eines Brenners herkömmlicher Bauart erreicht. Beispielsweise wird bei einer Gastherme zwischen Brenner und Wärmetauscher der Wabenkatalysator zusätzlich eingebaut. Nachteilig ist, daß in jedem Fall eine Grundverbrennung mit einem herkömmlichen Brenner für fossile Brennstoffe - verbunden mit starker Schadstoffemission - stattfinden muß. Da der Katalysator nur bis zu einer maximalen Temperatur von 900 'C, belastbar ist, muß der Brenner den Hauptanteil des Brenngas-Luft-Gemisches in der Flamme umsetzen, so daß eine relativ hohe Flammentemperatur resultiert und folglich eine erhebliche NOx-Emission in Kauf genommen werden muß. Diese NOx-Emission läßt sich durch katalytische Nachverbrennung nur teilweise reduzieren.

Weiterhin ist aus der EP 351 082 A2 ein katalytisches Verbrennungssystem bekanntgeworden, bei dem in der Gas-/Luftzuführung ein zweiteiliger Wabenkörperreaktor angeordnet sein kann. Stromaufseitig ist dabei eine nicht katalytisch beschichtete Zone vorgesehen. Vorzugsweise soll diese jedoch von der katalytisch beschichteten Zone distanziert sein, um eine starke Aufheizung der nicht katlytisch beschichteten Zone zu vermeiden.

Schließlich ist aus der DE 3 332 572 A1 ein katalytisches Verbrennungssystem bekanntgeworden, bei dem eine katalytisch nicht beschichtete Keramikplatte stromaufseitig und distanziert von einer katalytisch beschichteten Keramikplatte angeordnet ist. Den Keramikplatten vorgeschaltet ist dabei sogar noch ein Wärmetauscher, verbunden mit einem Metallgitter zum Zwecke der Flammensperre. Bei diesem System wird offenbar davon ausgegangen, daß das Gas-/Luftgemisch die Katalysetemperatur von mehr als 500 " C aufweist und in einem zweistufigen Umsetzungsprozeß vollständig katalytisch umgesetzt werden kann. Ein konventioneller Gasbrenner zur Vorwärmung ist nicht vorgesehen. Dies gilt auch für den weiterhin noch bekanntgewordenen Stand der Technik gemäß der DE 4 330 130 C1 und der EP 389 652 A1, aus denen auch katalytische Brenner bekanntgeworden sind. Abgesehen von der andersartigen Gas-/Luftgemischzu-führung im Sinne der Erfindung beziehen sich beide Brenneraufbauten auf eine vollständige katalytische Umsetzung.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen katalytischen Wärmeerzeuger anzugeben, bei dem die Vorteile der katalytischen Verbrennung, insbesondere die Schadstoff arm ut der Abgase, weitergehend ausgenutzt sind.

Die Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des unabhängigen Patentanspruches gelöst. Der beanspruchte Wärmeerzeuger zeichnet sich vor allem durch die Anordnung des Wabenkörperreaktors im Strömungsweg vor dem Gasbrenner aus. Der Gasbrenner ermöglicht die Aufheizung des Wabenkörperreaktors auf die Arbeitstemperatur von ca. 500 °C. Durch Wärmeleitung innerhalb des Wabenkörperreak-tors wird allmählich auch dessen nicht katalytisch beschichteter Vorwärmebereich aufgeheizt, so daß das nachströmende Gemisch den katalytisch beschichteten Bereich im vorgewärmten Zustand erreicht.

Besonders ergiebig ist die Wärmeausbeute, wenn der Wärmetauscher als Kondensationswärmetauscher wirkt und somit der Wärmeerzeuger gemäß dem abhängigen Patentanspruch nach dem Brennwertprinzip aufgebaut ist. Bei der Brennwertvariante ist eine Sturzbrenneranordnung zu bevorzugen, da das Kondensat auf einfache Weise durch einen im unteren Bereich des Gerätes angeordneten Kondensatablauf unschädlich gemacht werden kann, das heißt, ein Zurücktropfen von Kondensat auf die Verbrennungsoberfläche und damit auf die Oberfläche des Wabenkörperreaktors ist ausgeschlossen.

Durch die zusätzliche Anordnung eines Zwischenwärmetauschers und einer permeablen Haube gemäß dem abhängigen Anspruch ergibt sich eine noch weiter verringerte NOx-Emission. Außerdem wird die Überhitzungsgefahr des Katalysators verringert und dessen Lebensdauer erhöht. Der Zwischenwärmetau-scher gestattet eine definierte Wärmeauskopplung, so daß der günstigste Temperaturbereich für die katalytische Umsetzung innerhalb des Wabenkörperreaktors problemlos einstellbar ist.

Im kalten Zustand, insbesondere in der Inbetriebnahmephase, des Wabenkörperreaktors findet noch keine katalytische Umsetzung statt. Das Gemisch durchströmt zunächst ohne nennenswerte Beeinflussung die Waben des Reaktors und wird auf übliche Weise an der Verbrennungsoberfläche, die bevorzugt die Austrittsfläche des Wabenkörperreaktors ist, gezündet. Es bilden sich kurze, heiße Flammen, die den Reaktor schnell erwärmen. Nach dem Erreichen der Arbeitstemperatur werden mindestens 10 % und maximal 50 % des Gemisches katalytisch umgesetzt, wodurch die Flammenlänge anwächst. Dem Anwachsen der Flammenlänge steht eine höhere Flammengeschwindigkeit, bedingt durch höhere Temperatur, entgegen. Je nach Ausführungsform ist es gewollt, daß sich die Flammen bis über den Bereich der Kühlschlange des Zwischen Wärmetauschers hinaus verlängern und dabei erlöschen. Das nachströmende, bereits teilweise katalytisch umgesetzte Gemisch wird an der permeablen Haube erneut gezündet. Diese 2

AT 402 847 B permeable Haube kann beispielsweise als Drahtnetz, als Gitter oder auch als Streckmetallhaube ausgebildet sein. An der permeablen Haube findet eine Strahlungsverbrennung statt, die in Kombination mit der katalytischen Teilumsetzung eine besonders geringe Schadstoffemission erwarten läßt. Die Verlagerung der Verbrennungsoberfläche von dem Wabenkörperreaktor weg führt außerdem zu einer Beseitigung der Flammenrückschlaggefahr.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand zweier Ausführungsbeispiele näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform eines katalytischen Wärmeerzeugers,

Fig. 2 eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform eines katalytischen Wärmeerzeugers und

Fig. 3 einen Schnitt durch den Wabenkörperreaktor gemäß Fig. 1 oder Fig. 2.

Der Wärmeerzeuger gemäß Fig. 1 weist eine zylinderförmige Brennkammer 1 auf, die von einem vom Wärmetauschermedium, insbesondere Wasser, durchflossenen Doppelmantel 2 konzentrisch umgeben ist. In der Brennkammer 1 sind ein metallischer Wabenkörperreaktor 3 mit einer einen konventionellen Gasbrenner bildenden Verbrennungsoberfläche 4 und stromab dessen Abgase ein Wärmetauscher 5 angeordnet. Der Wärmetauscher 5 ist mit dem Doppelmantel 2 seriell oder parallel verbunden. Mit dem Doppelmantel 2 sind weiterhin ein Vorlauf 6 und ein Rücklauf 7 verbunden, zwischen denen in einem nicht dargestellten Umlauf mindestens ein Verbraucher, beispielsweise eine Umlaufheizung oder der Primärkreis eines Heizwasser-ZBrauchwasser-Wärmetauschers, geschaltet ist. Nahe der Verbrennungsoberfläche 4 sind eine Zündelektrode 8 und eine Überwachungselektrode 9 vorgesehen. Es ist ersichtlich, daß der Wabenkörperreaktor 3 nach Art eines Sturzbrenners angeordnet ist. An seiner Oberseite ist der Wabenkörperreaktor 3 mit einer Gas-Luft-Gemisch-Zuführung 10 verbunden. Um eine gleichmäßige Zufuhr des Gemisches in die einzelnen Kanäle 11 des Wabenkörperreaktors 3 zu gewährleisten, ist innerhalb der Gas-Luft-Gemisch-Zuführung 10 eine Verteilerplatte 12 angeordnet. Im kalten Zustand durchströmt das Gemisch die Kanäle 11 bis zu deren Mündungen, die die Verbrennungsoberfläche 4 bilden, ohne daß eine katalytische Teilumsetzung stattfindet. Das Gemisch wird mittels der Zündelektrode 8 in herkömmlicher Weise gezündet, wobei die Verbrennung im wesentlichen als Strahlungsverbrennung stattfindet, was durch die gezackten Pfeile verdeutlicht ist. Der Wärmetauscher 5 nimmt die Strahlungswärme auf und entzieht den Abgasen einen Großteil der Wärme, so daß eine Abkühlung bis unter den Kondensationspunkt erfolgt. Die bis unter 50 *C abgekühlten Abgase eines derart als Brennwertgerät ausgebildeten Wärmeerzeugers werden im unteren Bereich des Gerätes in einen Anschlußstutzen 13 für einen nicht dargestellten Kamin geleitet. Ebenfalls an einer tiefstgelegenen Stelle des für die Abgasführung innerhalb des Gerätes vorgesehenen Abgassammelraumes 14 ist ein Kondensatablauf 15 angeordnet.

Nach der Zündung stabilisiert sich die Verbrennung an der Verbrennungsoberfläche 4 des Wabenkörperreaktors 3. Durch Wärmeleitung, Wärmestrahlung und Konvektion wird Wärme aus der Oberfläche ausgekoppelt und in die Kanäle 11 des Wabenkörperreaktors 3 weitergeleitet. Nach und nach erwärmt sich der Wabenkörperreaktor 3. Der Wabenkörperreaktor 3 ist mit einem katalytisch beschichteten Bereich 16 und einem an die Gas-Luft-Gemisch-Zuführung 10 anschließenden, nicht katalytisch beschichteten Bereich 17 ausgestattet. Der nicht katalytisch beschichtete Bereich 17 dient einerseits der Wärmeableitung aus dem Katalysator und andererseits der Gemischvorwärmung, wodurch der Temperaturbereich ab 400 *C, bei dem im katalytisch beschichteten Bereich 16 die katalytische Umsetzung einsetzt, schneller erreicht wird. Das vorgewärmte Gemisch wird, abhängig von der Strömungsgeschwindigkeit und der Gemischzusammensetzung, teilweise umgesetzt, wobei der Grad der katalytischen Umsetzung beschränkt ist. An der Verbrennungsoberfläche 4 erfolgt in einer zweiten Stufe die Restverbrennung, bei der nur noch geringe Mengen an NO* entstehen. Der stationäre Betrieb liegt vor, wenn der Katalysator seine maximale Arbeitstemperatur erreicht hat.

Eine modifizierte Ausführungsform eines zweistufig arbeitenden Wärmeerzeugers veranschaulicht Fig. 2. Hier sind zusätzlich ein Zwischenwärmetauscher 18 und eine diesen stromabseitig überdeckende permeable Haube 19 vorgesehen. Der Zwischenwärmetauscher 18 besteht aus einem den Wabenkörperreaktor 3 seitlich umschließenden Wassermantel 20 und mindestens einer Kühlschlange 21. Der Wassermantel 20 ist mit einem Vorlaufanschluß 22 und einem Rücklaufanschluß 23 verbunden, wobei auch eine parallele oder serielle Anbindung an den Wärmetauscher 5 bestehen kann. Die Kühlschlange 21 ist in einem Abstand, der etwa der Flammenlänge bei kaltem Wabenkörperreaktor 3 entspricht, angeordnet. Der Wärmetauscher 5 ist bei diesem Ausführungsbeispiel als Plattenwärmetauscher ausgebildet. Möglich ist aber auch eine Lamellenwärmetauscherausbildung bei dieser Variante der Fig. 2 und eine Plattenwärmetauscherausbildung bei der Variante gemäß Fig. 1. 3

Claims (2)

1. AT 402 847 B Weiterhin dargestellt ist die mit einem Gebläse 24 versehene Luftzuführung 25 und die mit einem Magnetventil 26 versehene Gaszuführung 27. Beide Zuführungen 25 und 27 münden in einen Vormischraum 28, der zur Intensivierung der Mischung mit Strömungsleitblechen 29 versehen ist und in die Gas-Luft-Gemisch-Zuführung 10 übergeht. Im kalten Zustand, das heißt in der Zündphase, findet noch keine katalytische Umsetzung statt. Auf der Verbrennungsoberfläche 4 bilden sich kurze, heiße Flammen aus, die den Wabenkörperreaktor 3 schnell erwärmen. Nach Erreichen der Arbeitstemperatur werden ca. 10 bis 50 % des Gemisches katalytisch umgesetzt. Dadurch verlängern sich die Flammen bis über den Bereich der Kühlschlange 21 des Zwischenwärmetauschers 18 hinaus. Durch die Kühlung mittels der Kühlschlange 21 des Zwischenwärmetauschers 18 verlöschen die Flammen. Das nachströmende Gemisch wird an der permeablen Haube 19 gezündet. Die Verbrennung im stationären Zustand findet folglich an der permeablen Haube 19 und nicht an der Mündung der Kanäle 11 des Wabenkörperreaktors 3 statt. Einer Überhitzung des Katalysators, die eine Verkürzung der Lebensdauer zur Folge hätte, wird damit vorgebeugt. Außerdem ergibt sich eine effektivere Wärmeauskopplung. Darüber hinaus sinkt die NOx-Emission bei dieser zweiten Variante gegenüber der einfacheren Ausbildungsform gemäß Fig. 1 noch weiter ab, und die Gefahr eines Flammenrückschlagens besteht auch nicht mehr. Fig. 3 zeigt einen typischen Querschnittsaufbau des Wabenkörperreaktors 3. Der runde Querschnitt des Wabenkörperreaktors 3 ist durch S-förmige Zwischenwände 30 in kleinere S-förmige Räume 31 unterteilt, die wiederum durch geschlängelte Bleche 32 unterteilt sind, wodurch die Kanäle 11 gebildet werden. Über die Höhe des metallischen Wabenkörperreaktors 3 sind die Wände der Kanäle nur zum Teil katalytisch beschichtet. Die Erfindung beschränkt sich nicht auf die vorstehend angegebenen Ausführungsbeispiele. Vielmehr ist eine Anzahl von Varianten denkbar, welche auch bei grundsätzlich anders gearteter Ausführung von den Merkmalen der Erfindung Gebrauch machen. Patentansprüche 1. Wärmeerzeuger mit einem teilweise katalytisch beschichteten metallischen Wabenkörperreaktor (3) und mit einer Brennkammer (1), in der ein mit einer ventilatorunterstützten Gas-Luft-Gemisch-Zuführung (10) verbundener Gasbrenner angeordnet ist, dessen Abgase mindestens einen Wärmetauscher (5) beaufschlagen, dadurch gekennzeichnet, daß der Wabenkörperreaktor (3) in an sich bekannter Weise in der Gas-Luft-Gemisch-Zuführung (10) angeordnet ist, stromaufseitig einen nicht katalytisch beschichteten Vorwärmbereich (17) aufweist und stromabseitig mit einer Verbrennungsoberfläche (4) versehen ist, die den Gasbrenner bildet.
2. 2. Wärmeerzeuger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein den Wabenkörperreaktor (3) im wesentlichen umschließender Zwischenwärmetauscher (18) vorgesehen ist, der mindestens eine Kühlschlange (21) aufweist, deren Abstand von der Verbrennungsoberfläche (4) des Gasbrenners im wesentlichen der Flammenlänge bei kaltem Wabenkörperreaktor (3) entspricht und daß eine die Kühlschlange (21) im wesentlichen umschließende permeable Haube (19) vorgesehen ist, die bei erwärmtem Wabenkörperreaktor (3) die Verbrennungsoberfläche bildet. Hiezu 2 Blatt Zeichnungen 4