CN101336352A - 用于离网应用的可携带催化加热系统 - Google Patents

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汉斯·J·默勒
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Abstract

一种用于离网应用的可携带催化加热系统，其中，加热系统包括加热单元，该加热单元具有手柄(4)和在其延伸部中布置的加热管(5)，该加热管(5)包含用于气体的催化燃烧的催化燃烧器(20)以便提供红外辐射，其中，加热管(5)由对于红外辐射是可透过的并且对于在液体中的浸入是防流体的材料生产。

Description

用于离网应用的可携带催化加热系统
技术领域
本发明涉及一种用于离网用途的可携带催化加热系统。
背景技术
红外辐射是包括在0.76μm与100μm之间波长的电磁光谱的部分，其中只有高达10μm的辐射正在被工业应用。光谱可划分成三个“频带”：
●短波IR辐射：0.76-2μm
●中波IR辐射：2-4μm，及
●长波IR辐射：4-10μm
在红外区域外，到辐射光谱的一侧我们有可见光(较短波长)；到另一侧(较长波长)我们接近无线电波区域。
IR辐射的波长与弱光子(＜4.10-19J)相对应，该IR辐射与具有较高能量级的辐射：UV、X及γ射线相比，不怀疑通过分子结构的改进弱光子削弱材料。相应地，红外辐射具有纯粹的热效应。
催化加热器产生热量而没有火焰的产生。催化红外辐射在叫做氧化-还原反应的过程中产生。当烃在被加热催化剂存在时与氧结合时，放热反应释放红外能量，并且产生CO2和水蒸汽。
催化加热器在Clyde的、用于流过在加热器附近的管子的液体的加热的美国专利US 4,420,462中；和在Oglesby等的、主要用于钎焊的美国专利US 5,215,076中描述。
催化反应发生在温度范围370℃-425℃中。这些温度与大约3-7μm的IR波长相对应，该波长基本上与在3-7μm范围中的水的最大吸收光谱相一致。因此，IR加热非常适于在各式各样材料中的水的加热。因而，已知的是，催化加热器可用在卷发器中，例如在Berghammer的美国专利US 4,416,298中描述的那样。
催化加热器的作用可按如下方式描述。在气体-点燃催化红外加热面板中，气体穿过催化介质进给。IR元件主要包括具有均匀分布网格或纤维结构的催化材料，该均匀分布网格或纤维结构供给最大表面面积，并且允许催化剂以最佳效率反应。
在催化红外加热中，为了产生红外辐射在燃料、氧及热量之间施加催化反应。催化反应通过施加物质(催化剂)而产生，这在物质与热量之间产生热力学反应。或者更简单地说：由物质(催化剂)触发的化学反应中的变化和加速，而该物质本身保持不变。
燃烧过程通常(即，没有催化剂)在大约500℃下开始。当添加催化剂时，过程较快并且在较低温度下发生。在250℃下氧化可发生，条件是满足其它条件，虽然如此，它涉及没有火(点燃)和火焰的氧化。
当催化剂通过预加热已经达到150℃的温度时，作为例子，气体通过加热的催化材料。气体与热的催化剂相接触，并且与空气的氧气反应，借此在催化剂发射红外能量的同时，它的温度升高到在175℃与440℃之间。效率试验已经表明，在气体中高达72％的能量转化成红外热能量。由于反应温度远低于用于气体的点火温度(大约700℃)，所以反应是无焰的。催化反应可在气体已经到达面板之后几秒钟形成。
发明内容
本发明的目的是提供一种用来加热水和含水液体和含水物质的催化加热器，其中热量容易传递，并且满足个人逗留在自然界中/室外的个人的需要，并且需要用于他们的食品和饮料的可靠和高效离网加热系统。目标团体尤其是军事单位、特种单位、徒步旅行者、牛车旅行者及带有孩子的家庭。
这个目的通过一种用于离网用途的可携带催化加热系统实现，其中，加热系统包括加热单元，该加热单元具有手柄和在手柄延伸部中布置的加热管，该加热管包含用于气体的催化燃烧的催化燃烧器以便提供红外辐射，其中加热管用对于红外辐射是可透过的并且对于浸入液体中是防流体的材料生产。它以这样一种方式建造，从而它可应用在所有位置中。这意味着，手柄可以放置在必须加热的介质的下面和上方。
一般知道催化加热系统是可靠的、牢固的及具有高效率。相应地，可以生产比较小和轻的设备，使得其适于牛车旅行中或在军事行动中携带它。因此，也有益的是，由于牢固形式的构造和因为低制造成本而把它应用在第三世界国家中。它可以比如用于水的灭菌。
本发明使得有可能避免在罐装食品、制成饮料、含水液体或冷冻食品的离网加热的过程中使用烹调容器和锅。这种机会意味着人们得到更好的卫生和健康状态，因为将没有烹调容器和锅的污染发生，并且对于刷洗的需要与当今可得到的加热系统相比被大大地减少，因为加热单元是自消毒的。系统布局进一步允许加热系统可用作加热器和热水瓶。
加热元件包括催化IR燃烧器，该催化IR燃烧器通过红外辐射和热对流的结合把其热量放出给待加热的介质。
在实际中，催化IR燃烧器以辐射热量的形式放出高达其能量的大约70％，而剩余的大约30％将部分地放出给干气(off-gas)作为对流热量(20％)和部分作为可见和UV-光等(大约10％)，这就是为什么本发明具有巨大能量效率和非常低的损害发射值。
催化加热系统在催化元件中应用气体(天然气-丙烷、丁烷气体或其混合物)的燃烧，该催化元件可以包括陶瓷、金属或过滤材料的圆柱形或扁平催化元件。
与用于在自然界中应用的现场份额等的常规加热系统相比，主要差别是工作原理和效率，常规加热从外部提供并提供到材料中，并且有相当低的效率，由于到周围的巨大热量散发而典型地大约为18-20％。
通过与对流加热结合的催化红外加热，加热从材料内和外以及从外部提供并且提供到材料中。这涉及待加热介质的更有规律的加热。这种效果通过使加热元件对中地浸入和放置在待加热的介质中而被进一步利用。效率典型地超过70％。
催化反应发生在温度范围370℃-425℃中。这些温度与大约3-7μm的IR波长相对应，这意味着，这个IR辐射发射光谱大体上与在3-7μm范围中的水的最大吸收光谱相一致。相应地，催化IR加热特别适于加热具有比较高水分的材料，比较高水分是食品和饮料的特征。
由于这种加热系统是用来直接浸入在待加热的介质中，所以必须设置有在待加热的介质与催化加热元件之间的防水隔离。为了提高IR辐射的传输的效率，必须设置相对于IR辐射的传输和对流热量的传递都可优化的材料制成的分隔壁。该分隔壁可以包括铝、铜或石英玻璃或它们的组合。
催化红外加热被用于Class 1(类别1)、Division 2(分区)、GroupD(级D)的Factory Mutual(工厂互助会)；和用于Class 1(类别1)、Division 2(分区)、Group D(级D)危险位置的Canadian StandardsAssociation(加拿大标准协会)批准。
无焰催化加热元件适于在诸如化学或石油化学存储场所和地点之类的、具有易燃或爆炸气体或蒸气的危险区域中操作。无焰催化加热元件也可在具有高度易燃粉尘或金属粉尘的区域中和在其中气体动力车辆正在维护、存储或停放的建筑物区域中安全地操作。
在具体实施例中，在气体罐与催化燃烧器之间提供有用于燃料气体和进入空气的混合的文丘里系统。文丘里系统牢固和可靠，并且为了低成本可以大量制造，因考虑到在许多用户中的分发，这对于根据本发明的系统是巨大优点。
在另一个实施例中，反向-流动热交换器为了在排气与供给空气之间的热交换而设置在用于空气供给的管路与用于排放气体的管路之间。
应用在军事中，根据本发明的加热系统具有在使用中比常规加热方法更难以跟踪的优点。根据本发明的加热系统在使用中不出现任何形式的可见火焰。系统布局保证，包括IR燃烧器的加热单元由必须被加热的介质包围，同时排出气体经叉流动热交换器冷却到最大，这保证来自排出气体的热量部分转移到气体罐，当气体从液体转换到用于燃烧的气态和部分转化到对于催化燃烧的进入空气时，该气体罐使用热量。
相应地，在使用中只有很弱的热分布。概念布局进一步保证声级非常低并且不形成烟。
而且，在加热系统中的气体罐与用于排气的管路之间，可以提供有热交换器，可选地与以前提到的热交换器相同。由此，保证设备也可在非常冷的条件下应用。
由于具有比当今使用的借助于烹调容器和锅的离网加热系统好大于3倍的高效率，这种加热系统是能量高效的和环境友好的。能量消耗非常低，即加热到80摄氏度的每升水大约10-12克气体。例如，作为天然气、丙烷气体、丁烷气体、异丁烷气体或其混合物的推进剂正在被使用。根据所有预测，应该有可能再供给丁烷气体100年。加热单元在实际中也可以把氢用作为推进剂而没有显著变化。
因此，根据本发明的加热系统的应用与多个优点相关联。首先，催化燃烧基于比目前离网加热方法污染小得多的技术。此外，本发明的加热系统和其能量介质较轻，并且占用比目前离网系统小的空间。催化燃烧已经在其它用途中已知和使用了数百年以上，这就是为什么技术被彻底测试并且是安全的。
而且有可能提供具有内部压电点火系统的加热系统，以在所有天气条件下也在大雪风暴和热带风暴及大雨中开始催化燃烧，而没有关于温度或物理环境的准备或要求。单元不要求基本的或任何其它种类的准备，这就是为什么它可由一只手启动和操作。系统布局允许加热单元在使用中可由用户携带，这就是为什么有可能在运动、行走或军事作业期间开始和加热。
本发明涉及的加热系统因为应用标准的推进剂和可得到的原材料及半成品可直接结合在当今使用的运送渠道、供货渠道及分配渠道中，这就是为什么以标准单元中的推进剂的运送而不难建立完全运送系统和设备服务。因此根据本发明的加热系统可以包括如果需要布置在手柄中的可更换气体罐。
本发明涉及牢固的、能量高效的和完全测试的原理，它比基于借助于比如酒精片、多-燃料燃烧器、酒精锅炉或气体火焰的烹调容器/锅的外部加热的现有系统占用更小空间并且更轻。基本上没有对于系统的磨损，这就是为什么服务和维护被减小到绝对最小。
典型用户通过本发明尤其可实现如下优点：大约现场定量(ration)、紧急定量、水、牛奶及婴儿食品的更快捷和容易得多的加热。将没有关于在其中包装用作烹调容器的那些情况下的洗刷问题。将总是有可能得到热饮料和水的消毒，并且对于环境根本没有要求，因为加热系统在其中用户还可执行关于运输的服务的所有地方没有问题地起作用。加热系统此外也可用作热水瓶和手指加热器，并且一般用作防冻伤加热器。
在根据本发明的加热系统中的概念、系统布局及应用的燃烧技术都一起保证用户较大的安全性、舒适及用户友好。
根据本发明的可携带催化加热系统，其中手柄设有用于以相应适配器加热单元防流体连接到罐的适配器。
根据本发明的可携带催化加热系统，其中在加热管中的催化燃烧器的气体供应在催化燃烧器与加热管的内壁之间。这样，被供给的气体的温度被降低，并且以很高效率保证良好的催化燃烧。
附图说明
参照附图进一步描述本发明，在附图中
图1表示根据本发明的、使保护罐-a)除去和b)安装的加热单元，
图2是加热系统的详细描绘，
图3表示其中加热单元被直接配合到餐具的螺纹瓶颈上的实施例，
图4表明与听桶中介质的加热有关的用途，
图5表示浸入在设有对应适配器的听桶中的加热单元，
图6表示与气体罐/能量单元的更换有关的说明，
图7表示手动操作阀，该阀分别为a)可打开和b)关闭加热单元的空气进入和排出，
图8a和8b表示为与在用于婴儿的瓶、喂食瓶及玻璃有关的使用专门设计的可选择实施例，
图9表示为存储和运输包装在一起的可选择加热单元。
具体实施方式
图1表示根据本发明的加热系统1。加热系统1包括加热单元2和保护罐3。加热单元2具有用于连接加热单元2的手柄4和加热管5，该加热管5从在加热管5内包含的催化元件传送热辐射。当加热系统不使用时，加热管5可装进保护罐3中。罐3也可以用来存储流体或诸如粉末之类的其它材料，作为例子与借助于加热管5的加热相关或者为了在运输期间构成流体或其它材料的存储。罐3例如可以包括热的流体，并且起热水瓶的作用或用来加热手。罐3被隔离以便减少能量到周围的输出。
罐3在其上部末端6中敞开，并且在边缘设有与在手柄4的一个末端中的适配器8中的内螺纹(未表示)相对应的螺纹7。图1a表示彼此分离的加热单元2和罐3，而图1b表示在它们拧在一起的情形下的加热单元2和罐3。
应该注意，罐可以具有除在图1中表示的形状之外的其它形状，并且根据本发明的加热系统1可以设有用来加热流体或其它材料的多个其它罐。有益的是，把这样的其它罐在它们的敞开末端6中设有内或外螺纹7，从而它们可以与用来加热其中的材料的适配器8拧在一起。在罐3中流体或其它材料的加热方面，其取决于用户来考虑在加热期间可能发生的在封闭罐中的任何压力升高。为了防止由于加热在罐中过压的情况下对于材料和/或人员的危害，根据本发明的加热系统1可以有利地设有连接到罐3的内部的安全阀，以便在罐3中过压的情况下提供用于相对于大气使压力相等的通道。相应地，在加热过程期间流体-填充罐不必与适配器8拧在一起。加热系统1可以在手柄4附近进一步设有用于系统1的悬挂的枢转弓9，例如悬挂在制服上的皮带中。
加热管5在下部末端中封闭，以便防止流体在管中上涌。相应地，没有流体从罐3进入手柄4或进入管5。必须实现压力平衡的安全阀也可以布置在适配器8中。
在管5中安装有从在手柄4中的气体罐/能量单元供给有到所述过程的气体的催化燃烧器。在气体罐与管5中的催化燃烧器之间，设置有通过使用经按钮11的调节器可控制的阀。为了使催化过程开始，有必要加热催化剂。这可通过按压如图1b中所示的按钮10进行。按钮10点燃和打开气体，从而加热单元2可以用一只手操作。空气吸入和气体的排出经在手柄上部部分中的开口来形成，其中在图1a和1b中表示有空气吸入开口12，而在手柄的相对侧上的排出开口在这张图中未表示。这样的吸入开口12和排出开口可以设有用来调节分别通过开口的进入空气和排出气体的体积的调节阀13。
在图2中，表示在图1中表示的较一般加热系统1的具体实施例。在图2中的描绘表示手柄4，使加热管5插入在组装的罐3中。手柄4包括气体罐14，从该气体罐14，气体经例如由在图1a中表示的按钮11操作的调节器15进给到喷嘴16中。这样的喷嘴16优选地是文丘里系统17的部分，从而当气体进给到罐14外时，气体携带空气并因此携带与它一起的氧气。这种空气经连接到进口端口12上的管路18提供。气体和空气混合物通过在文丘里系统17与催化元件20之间的运输管19进给。运输管19与催化燃烧器20在相同的水平上，该催化燃烧器20可以设有与形成催化元件21的封闭段的特殊成形底部相互作用的孔或调节长度，以便保证在催化燃烧器20中的平稳流动和气体-空气分布。在其中燃料气体转化成一氧化碳和水蒸汽的催化过程之后，这些排出气体通过另一个管系统22输送到在手柄4的相对截面中的排出开口23。
催化燃烧器20依据打算的用途和效率可具有不同的几何形状。作为例子，它可以包括或由两个平面单元或一个或多个弯曲单元组成，比如圆柱形单元。例如，燃烧器可以由在燃烧器的周边中具有气体供给的多块板组成，以便保证气体的较低温度和催化燃烧器每单位面积的较大加热表面，这在所有其它条件都相同的情况下应该保证比用圆柱形加热表面更高的效率。
催化过程产生大量红外辐射，该红外辐射通过加热管5的材料而被传送，并且进入到罐3中，该罐3用隔离壁29向上封闭。在罐3中的介质正在暴露于专门加热在罐3中的水的红外辐射。为了保证红外辐射的有效利用，罐3在内侧上可以设有反射涂层，以便减小热量通过罐3的壁的散发。此外有可能的是，用一般隔热壁建造罐3，可选择地具有由热水瓶已知的多层构造。
关于隔热罐3和未被加热的手柄，与军事行动相关地难以跟踪根据本发明的这样的加热系统1的使用，因为以这种方式使热量散发最小。在应用期间意味着跟踪的潜在危险的一定种类的热量散发与通过排出开口23来自已知催化过程的被加热散发(气体、水蒸汽)相关联。为了降低排出气体的温度，提供有反向流动热交换器25，该反向流动热交换器25至少部分地包围气体罐14以便把热量从排出散发传递到在气体罐中的气体。况且，用于排出气体的管路22至少部分地由用于通过进口端口12进入空气的管路18包围。相应地，热量从散发气体传递到气体罐，并且传递到所述进入空气，这有助于最佳燃烧。在这方面，应该提到的是，在文丘里系统17中的喷嘴15之后的膨胀期间，来自气体罐14的气体引起气体的冷却，从而从废气吸收大量的热是可能的。
热量从排出气体到进入气体和气体罐14的散发有助于还在非常冷环境中保证根据本发明的加热系统1的便利功能。因此，根据本发明的加热系统1非常适于在热和冷地区中的使用，并且由于其牢固本质它非常适于用在军事领域中。
在罐3中的流体或另一种介质24的加热的情况下，当罐3安装在适配器8上时，由于加热在罐3中的可能产生过压导致对于加热系统1和对于它的用户的危险。为了降低对于设备和人员危害的危险，加热单元1在罐3的内部与罐外的大气之间设有安全阀25。安全阀为了压力的平衡打开在罐3的内部与周围大气之间的通路。过压阀在图中布置在适配器8中，但有可能把过压阀设置在设备中的其它适当地方。
为了更容易地操作，加热单元2可以进一步设有热传感器26，该热传感器26利用由介质24发出的红外辐射，可测量介质24的温度。
可替换地，这样的热传感器26可以包括在浸入介质中的同时测量介质温度的温度计。然而，这个实施例未表示在图2中。
因而，热传感器可以连接到在手柄(未示出)上的温度指示器上，或者连接到指示何时介质24已经达到一定预置温度的声学装置上。作为例子，有可能把这个温度设置在手柄上的一单元上或者温度可以被预置，从而它比如通过在手柄上的声或光指示而指示何时到达一定温度。因此，也可以考虑使用不同颜色的被安装的光指示器、或依据达到的温度而被接通的多个光指示器，以便向用户指示达到或超过的温度。
作为进一步的选择例，可以插入调节直接到催化燃烧器的气体流的热阀(thermo valve)。如果在催化燃烧器中的温度超过预置温度，则这个热阀将向下调节气体流，直到温度降低到在催化燃烧器中允许的级别以下。
气体罐/能量单元14布置在手柄4的上部部分中以便于它的更换，这也表明在图6中，或者便于向气体罐14加注气体。
在图3中表示其中加热单元2被直接装配到器皿箱3′的螺纹颈上的实施例，该器皿箱3′可以具有除表示的之外的其它形状和尺寸。器皿箱3′依据选择的隔绝程度可以直接应用于水、含水物质或饮料的加热，或者用作热水瓶或手加热器。有可能通过调节适配器8把加热单元直接安装在其它种类的器皿箱、水罐、饮料瓶、热水瓶等上。同样，适配器8可以制有用于对专门开发的流体罐的调节的内螺纹和外螺纹。
在图4中表示与听桶中的介质的加热有关的用途，加热管可以同时起勺和高效加热元件的作用。
在图5中，加热单元浸入在设有与适配器相对应的螺纹的听桶中，从而加热单元可以与适配器拧在一起，该适配器紧密地配合到包装的上边缘上。适配器可以设有用比如由美国FDA批准的软橡胶制成的裙部，从而它覆盖包装的整个壳体。由此，适配器也可以是隔热的并且有助于快速加热，因为在所有情况都相同的条件下将减小到周围的热损失。
在图6中表示与气体罐/能量单元的更换有关的说明。
在图7中表示手动操作阀27，该阀27可分别打开和关闭用于加热单元的空气进入12和排出。阀27在图7a中表示成处于打开位置，并且在图7b中处于关闭位置。
图8a表示为用于带有年轻小孩并且希望能够在包装中直接加热牛奶和婴儿食品的父母专门设计的可选择实施例。图8b表示的相同的加热系统，然而，具有打算连接到例如标准喂食瓶或标准婴儿食品包装上的可更换适配器。由此有可能的是，小孩的看护人把喂食瓶/婴儿食品放置在口袋中，同时该人比如自然地安慰饥饿小孩。
图9表示用于存储和运输而包装在一起的可选择加热单元。空气进入口12和气体排出口28设置在端面上，并且可以具有依据它们是打开还是关闭的颜色指示。红色标记作为例子向用户通信，即加热单元的空气进入口和排出口28被关闭，并且相应地防止有害外物的进入。

Claims (13)

1.一种用于离网应用的可携带催化加热系统，其中，该加热系统包括加热单元，该加热单元具有手柄(4)和在手柄延伸部中布置的加热管(5)，该加热管(5)包含用于气体的催化燃烧的催化燃烧器(20)以用于提供红外辐射，其中加热管(5)由对于红外辐射是可透过的并且对于浸入液体中是防流体的材料生产。
2.根据权利要求1所述的可携带催化加热系统，其中，催化燃烧器(20)构造成提供具有波长在3μm与7μm之间的红外辐射。
3.根据前述权利要求任一项所述的可携带催化加热系统，其中，用于燃料气体与空气的混合的文丘里系统(17)设置在气体罐(14)与催化燃烧器(20)之间。
4.根据前述权利要求任一项所述的可携带催化加热系统，其中，反向-流动热交换器(3)为了在排放气体与被供给的空气之间的热交换而设置在用于空气供给的管路或管系统(18)与用于排放气体的管路(22)之间。
5.根据权利要求4所述的可携带催化加热系统，其中，为了在排放气体与在气体罐(14)中的气体之间的热交换而在加热系统中的气体罐(14)与用于排放气体的管路或管系统(22)之间提供热交换器(3)。
6.根据前述权利要求任一项所述的可携带催化加热系统，其中，加热系统包括可更换气体罐(14)。
7.根据权利要求6所述的可携带催化加热系统，其中，气体罐(14)布置在手柄(4)中。
8.根据前述权利要求任一项所述的可携带催化加热系统，其中，用于在加热管(5)中的催化燃烧器(20)的气体供应设置在催化燃烧器与加热管(5)的内壁之间。
9.根据前述权利要求任一项所述的可携带催化加热系统，其中，手柄(4)设有适配器，用于加热单元以相应的一适配器防流体连接至罐(3)。
10.根据权利要求9所述的可携带催化加热系统，其中，加热系统包括用来在高于预定级别压力用于压力平衡的情况下而打开在罐(3)的内部与周围大气之间的通路的安全阀。
11.根据前述权利要求任一项所述的可携带催化加热系统，其中，加热单元包括用来测量被加热单元加热的介质的温度的加热传感器。
12.根据前述权利要求任一项所述的可携带催化加热系统，其包括定尺寸成接收加热管(5)的罐(3)，其中，手柄(4)和罐(3)具有用于相互防流体连接的相应的适配器。
13.根据权利要求12所述的可携带催化加热系统，其中，罐(3)具有包括隔热层的壁和底部以防止热损失。
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