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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Heizgerät gemäß dem
Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Es
sind Heizgeräte bekannt, in denen zur Erzeugung von Heizwärme
Brennstoff mit Brennluft in einer flammenden Verbrennung umgesetzt
werden. Hierfür weisen solche Heizgeräte in der
Regel eine Brennkammer auf, in der die Umsetzung in einer flammenden
Verbrennung erfolgt. Teilweise werden zusätzlich Katalysatoren
zur katalytischen Nachbehandlung der Verbrennungsgase eingesetzt.
Heizgeräte dieses Typs sind unter anderem als Stand- oder Zuheizer
in Kraftfahrzeugen oder als Heizgeräte für mobile
Anwendungen weit verbreitet.
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Daneben
sind Heizgeräte bekannt, die Heizwärme auf Basis
einer vollkatalytischen Oxidation erzeugen. In solch einer vollkatalytischen
Oxidation wird Brennstoff an einem geeigneten Katalysator mit Brennluft
flammlos (d. h. ohne Flammbildung) in einer exothermen Reaktion
umgesetzt. Die dabei frei werdende Wärme wird als Heizwärme
genutzt.
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In
der Druckschrift
DE
100 14 092 A1 ist eine katalytische Verbrennungsvorrichtung
beschrieben, die eine Brennstoff-Verdampfungszone zum Verdampfen
von flüssigem Brennstoff und einen katalytischen Verbrennungsabschnitt
aufweist. Dabei wird dem katalytischen Verbrennungsabschnitt ein
gasförmiges Brennstoff-Brennluft-Gemisch zugeführt,
das eine derart niedrige Konzentration an Brennluft aufweist, dass
in dem katalytischen Verbrennungsabschnitt nur eine unvollständige
Umsetzung des vorhandenen Brennstoffs mit Brennluft stattfindet. Stromabwärts
des katalytischen Verbrennungsabschnittes wird nochmals Brennluft
zugeführt und das Gemisch wird in einem Verbrennungszylinder
in einer flammenden Verbrennung umgesetzt.
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Heizgerät
bereitzustellen, das geringe Schadstoffemissionen aufweist und gleichzeitig
zuverlässig und stabil im Betrieb ist.
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Die
Aufgabe wird durch ein Heizgerät gemäß Anspruch
1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind
in den Unteransprüchen angegeben.
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Gemäß der
vorliegenden Erfindung wird ein Heizgerät bereitgestellt,
das eine beheizbare Brennstoff-Verdampfungszone, die abgesehen von
einer Brennstoff-Zuführung für flüssigen
Brennstoff und einem Brennstoff-Auslass für gasförmigen
Brennstoff durch eine geschlossene Kammer begrenzt wird, und einen
Katalysator, der in einer vorbestimmten Strömungsrichtung
von einem gasförmigen Brennstoff-Brennluft-Gemisch durchströmbar
ist und an dem das Brennstoff-Brennluft-Gemisch in einer vollkatalytischen
Oxidation unter Erzeugung von Heizwärme umsetzbar ist,
aufweist. Zur Erzeugung des Brennstoff-Brennluft-Gemisches mündet
eine Brennluft-Zuführung stromabwärts des Brennstoff-Auslasses
der Brennstoff-Verdampfungszone und stromaufwärts des Katalysators
in den Strömungsweg des gasförmigen Brennstoffs.
Ferner weist der Katalysator mindestens zwei, jeweils durch einen
Zwischenraum unterteilte Katalysatorabschnitte auf, die entlang
der vorbestimmten Strömungsrichtung nacheinander angeordnet
sind, wobei in dem Zwischenraum eine Strömung der Gase
quer zu der vorbestimmten Strömungsrichtung ermöglicht
wird.
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Gemäß der
vorliegenden Erfindung wird Heizwärme durch Umsetzung von
gasförmigem Brennstoff mit Brennluft an einem Katalysator
ohne Flammbildung (d. h. ohne Ausbildung einer sichtbaren Flamme;
der Katalysator „glüht” lediglich) erzeugt.
Dieser Vorgang wird auch als vollkatalytische Oxidation bezeichnet.
Die Umsetzungstemperatur ist dabei niedriger als bei einer flammenden
Verbrennung (wie sie zum Beispiel in einem Brenner stattfindet).
Die katalytische Umsetzung des Brennstoff-Brennluft-Gemisches startet
selbständig bei Erreichen einer ausreichend hohen Temperatur,
die auch als Katalysator-Light-Off-Temperatur bzw. Zündtemperatur
bezeichnet wird. Die Vorteile der Erzeugung von Heizwärme
durch eine flammlose, katalytische Umsetzung im Vergleich zu einer
flammenden Umsetzung in einer Brennkammer sind unter anderem eine
reduzierte Schadstoffemission sowie die Vermeidung von Verbrennungsgeräuschen.
Die Erzeugung von Heizwärme durch vollkatalytische Oxidation
kann dabei auch in einem weiten Lambdabereich erfolgen, so dass
die Anforderungen bezüglich der Einstellung einer exakten
Brennluft-Zuführung reduziert sind. Ferner ist ein solches
Heizgerät relativ unempfindlich gegenüber Luftblasen
im Brennstoffsystem. Die Einstellung und Regelung einer gewünschten
Heizleistung kann über einen weiten Heizleistungsbereich
durch eine entsprechende Einstellung der dem Katalysator zugeführten
Brennstoff- und Brennluftmenge erfolgen. Weiterhin ist der bauliche
Aufwand reduziert, da keine Maßnahmen zur Flammhaltung
und Flammüberwachung erforderlich sind.
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Gemäß der
vorliegenden Erfindung erfolgt die Verdampfung in einer geschlossenen
Kammer, wobei die Brennluft-Zuführung erst stromabwärts (bezüglich
der Strömungsrichtung des Brennstoffes) eines Brennstoff-Auslasses
(für gasförmigen Brennstoff) der Kammer mündet.
Unter einer „geschlossenen Kammer” wird in diesem
Zusammenhang ein nach außen abgeschlossener Raum verstanden,
in den abgesehen von der Brennstoff-Zuführung und dem Brennstoff-Auslass
keine Fluid-Strömungen hin- oder wegführen. Dadurch
findet die Verdampfung von Brennstoff unter (zumindest weitgehender)
Abwesenheit von Brennluft statt. In dem Bereich der Brennstoff-Verdampfungszone
sind allenfalls geringe Mengen an Brennluft vorhanden, die über
den Brennstoff-Auslass in die Kammer der Brennstoff-Verdampfungszone
eintreten. Dies hat den Vorteil, dass es bei der Verdampfung von
Brennstoff zu keiner Reaktion mit Brennluft kommen kann. Weiterhin
werden so die Verdampfungsbedingungen nicht durch Brennluft beeinflusst.
Im Gegensatz zu einer Verdampfung unter Anwesenheit von zugeführter
Brennluft bleibt die Verdampfung unbeeinflusst von den jeweiligen
Strömungsverhältnissen und der jeweiligen Temperatur
der zugeführten Brennluft.
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Durch
die Unterteilung des Katalysators in mindestens zwei Katalysatorabschnitte
wird eine möglichst vollständige Umsetzung des
zugeführten Brennstoffs im Rahmen einer vollkatalytischen
Oxidation ermöglicht. Insbesondere wird durch die Unterteilung
ermöglicht, dass sich die in dem (in Bezug auf die vorbestimmte
Strömungsrichtung des Brennstoff-Brennluft-Gemisches) ersten
Katalysatorabschnitt nicht umgesetzten Brennstoff-Bestandteile (z. B.
Kohlenwasserstoffe (HCs)) in dem Zwischenraum mit der noch verbleibenden
Brennluft vermischen können und anschließend beim
Passieren des mindestens einen zweiten Katalysatorabschnittes im Rahmen
einer vollkatalytischen Oxidation möglichst vollständig
in Wärme umgesetzt werden. Auf diese Weise wird die Emission
von Schadstoffen, wie beispielsweise von NOx,
CO, etc., weiter reduziert. Solche nicht umgesetzten Brennstoff-Bestandteile
nach dem ersten Katalysatorabschnitt kommen insbesondere deshalb
vor, da der erste Katalysatorabschnitt Inhomogenitäten,
insbesondere Bereiche mit einer zu geringen Beschichtung bzw. Beladung
mit katalytischem Material, aufweisen kann. Insbesondere dann, wenn
der Katalysator eine Vielzahl von Kanälen aufweist, die
sich entlang der vorbestimmten Strömungsrichtung erstrecken,
kann es vorkommen, dass einzelne Kanäle eine zu geringe
Beschichtung bzw. Beladung mit katalytischen Material aufweisen, so
dass in diesen Kanälen keine oder nur eine reduzierte Umsetzung
des Brennstoff-Brennluft-Gemisches stattfindet. Weiterhin kann sogar
der Fall auftreten, dass einzelne Kanäle vollständig
verschlossen sind. Durch die Unterteilung in mindestens zwei Katalysatorabschnitte
kann folglich eine möglichst vollständige Umsetzung
des Brennstoff-Brennluft-Gemisches im Rahmen einer vollkatalytischen Oxidation
erfolgen.
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Demgemäß ermöglicht
das erfindungsgemäße Heizgerät einen
zuverlässigen und stabilen Betrieb. Ferner zeichnet es
sich durch eine niedrige Schadstoffemission aus.
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Weiterhin
vorteilhaft ist, dass die Auslegung eines solchen Heizgerätes
für einen gewünschten Leistungsbereich einfach
durch entsprechende Eigenschaften des Katalysators, wie beispielsweise durch
dessen Porosität, dessen Beladung mit katalytischen Material,
die Größe des Katalysators (insbesondere dessen
bereitgestellte Oberfläche), etc., erfolgen kann.
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Ergänzend
wird angemerkt, dass die oberhalb in Bezug auf die Brennstoff-Verdampfungszone genannte
Brennstoff-Zuführung und/oder der Brennstoff-Auslass jeweils
auch durch mehrere Öffnungen und/oder Kanäle gebildet
werden kann/können, die in die Kammer der Brennstoff-Verdampfungszone
münden. Für die Funktionsweise bedeutend ist dabei, dass
die Kammer abgesehen von der Brennstoff-Zuführung und dem
Brennstoff-Auslass ein derart geschlossenes System bildet, dass
der Eintritt von Brennluft in die Kammer (zumindest weitgehend)
unterdrückt wird.
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Der
Zwischenraum kann im einfachsten Fall durch einen Freiraum gebildet
werden. Dies ist insbesondere im Hinblick auf die Erzielung eines
möglichst geringen Strömungswiderstandes vorteilhaft.
Zusätzlich kann zur Erzeugung von Verwirbelungen in dem Freiraum
(des Zwischenraumes) ein Gitter, ein Sieb oder ein anderweitiges,
mit einer Vielzahl von Öffnungen durchsetztes Element eingesetzt
werden, so dass hierdurch eine Durchmischung der jeweiligen Gase
unterstützt wird. Ergänzend wird angemerkt, dass
der Zwischenraum nicht zwingend durch einen Freiraum gebildet werden
muss, sondern gegebenenfalls auch durch eine Struktur, wie beispielsweise eine
lockere Faserstruktur (z. B. eine geeignete Wattte) ausgefüllt
sein kann, sofern dadurch eine Strömung der Gase quer zu
der vorbestimmten Strömungsrichtung ermöglicht
wird. Ferner können auch mehr als zwei Katalysatorabschnitte,
die jeweils entlang der vorbestimmten Strömungsrichtung
nacheinander angeordnet sind und jeweils durch einen Zwischenraum
voneinander unterteilt sind, vorgesehen sein.
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Auch
die Kammer der Brennstoff-Verdampfungszone ist nicht zwingend leer.
Vielmehr kann diese auch durch ein poröses Material ausgefüllt
sein, durch welches die Verweilzeit des Brennstoffs in der Brennstoff-Verdampfungszone
erhöht wird.
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Mit „vorbestimmter” Strömungsrichtung
wird in dem vorliegenden Zusammenhang auf die (Haupt)-Strömungsrichtung
der jeweiligen Gase durch den Katalysator Bezug genommen. In dem
Bereich stromaufwärts des Katalysators wird in der Regel
auf die (Haupt)-Strömungsrichtung des Brennstoffs und nach
Zuführung der Brennluft auf die (Haupt)-Strömungsrichtung
des Brennstoff-Brennluft-Gemisches Bezug genommen. Etwaig auftretende
lokale Verwirbelungen, etc. werden dabei nicht berücksichtigt.
In entsprechender Weise werden auch die Begriffe „stromaufwärts” und „stromabwärts” verwendet.
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Als
Brennstoffe sind allgemein flüssige Brennstoffe (d. h.
bei Zimmertemperatur flüssige Brennstoffe) geeignet. Ein
Beispiel für einen geeigneten Brennstoff ist Ethanol.
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Das
erfindungsgemäße Heizgerät ist insbesondere
für den Einsatz in mobilen Anwendungen geeignet. Ein für
solch einen Einsatz in mobilen Anwendungen ausgelegtes und dementsprechend
angepasstes Heizgerät wird auch als „mobiles Heizgerät” bezeichnet.
Ein mobiles Heizgerät ist dabei transportabel (ggf. in
einem Fahrzeug fest eingebaut oder lediglich für den Transport
darin untergebracht) und nicht ausschließlich für
einen dauerhaften, stationären Einsatz, wie es beispielsweise
bei der Beheizung eines Gebäudes der Fall ist, ausgelegt.
Dabei kann das mobile Heizgerät auch fest in einem Fahrzeug (Landfahrzeug,
Schiff, etc.), insbesondere in einem Landfahrzeug, installiert sein.
Insbesondere kann es zur Beheizung eines Fahrzeug-Innenraums, wie
beispielsweise eines Land-, Wasser- oder Luftfahrzeugs, sowie eines
teiloffenen Raumes, wie er beispielsweise auf Schiffen, insbesondere
Yachten, aufzufinden ist, ausgelegt sein (d. h. Ausbildung als Fahrzeug-Heizgerät).
Das mobile Heizgerät kann auch vorübergehend stationär
eingesetzt werden, wie beispielsweise in großen Zelten,
Container (zum Beispiel Baucontainern), etc.. Gemäß einer
vorteilhaften Weiterbildung ist das mobile Heizgerät als Stand-
oder Zuheizer für ein Landfahrzeug, wie beispielsweise
für einen Wohnwagen, ein Wohnmobil, einen Bus, einen Pkw,
etc., ausgelegt.
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Daneben
kann das erfindungsgemäße Heizgerät aber
auch für einen stationären Einsatz ausgebildet
und entsprechend angepasst sein. Solch ein stationärer
Einsatz kann insbesondere aufgrund der erzielbaren, niedrigen Schadstoffemission
attraktiv sein. Eine Möglichkeit wäre beispielsweise,
das erfindungsgemäße Heizgerät zur Beheizung
von Niedrigenergiehäusern einzusetzen.
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Gemäß einer
vorteilhaften Weiterbildung wird die Brennstoff-Verdampfungszone
zumindest teilweise von dem Katalysator umgeben. Auf diese Weise
wird eine Beheizung der Brennstoff-Verdampfungszone durch die in
dem Bereich des Katalysators freigesetzte Wärme ermöglicht.
Insbesondere kann die Anordnung derart gewählt werden,
dass nach einer Startphase des mobilen Heizgerätes die
von dem Katalysator an die Brennstoff-Verdampfungszone übertragene
Wärme für eine Verdampfung von Brennstoff ausreichend
ist. Ein zusätzliches Heizelement, das zur Beheizung der
Brennstoff-Verdampfungszone eingesetzt wird, kann folglich nach
einer Startphase abgeschaltet werden, so dass Energie gespart wird
(insbesondere wird der Verbrauch an elektrischer Energie reduziert).
Insbesondere wird die Brennstoff-Verdampfungszone zumindest bezüglich
der Ebene(n) senkrecht zu der vorbestimmten Strömungsrichtung
von dem Katalysator umgeben. Vorzugsweise ist die Brennstoff-Verdampfungszone radial
zentral in dem Katalysator angeordnet und wird dementsprechend in
einer Ebene senkrecht zu der vorbestimmten Strömungsrichtung
rundum von dem Katalysator umgeben.
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Gemäß einer
vorteilhaften Weiterbildung weist das Heizgerät ein, in
der Kammer der Brennstoff-Verdampfungszone angeordnetes, elektrisches Heizelement
auf. Auf diese Weise ist die Brennstoff-Verdampfungszone zumindest
während einer Startphase durch das elektrische Heizelement
beheizbar. Bei der oberhalb beschriebenen Anordnung der Brennstoff-Verdampfungszone
(vollständig oder zumindest teilweise) innerhalb des Katalysators
oder auch bei einer anderweitigen thermischen Ankopplung des elektrischen
Heizelementes an den Katalysator kann das elektrische Heizelement
auch parallel zur Beheizung des Katalysators (oder eines Teils desselben)
eingesetzt werden. Denn zumindest während einer Startphase
ist eine Beheizung des Katalysators erforderlich, um diesen auf
die erforderliche Zündtemperatur bzw. Light-Off-Temperatur,
bei der eine vollkatalytische Oxidation stattfinden kann, zu bringen.
Alternativ kann auch ein zusätzliches Heizelement zur Beheizung
des Katalysators vorgesehen sein.
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Vorzugsweise
weist das Heizgerät eine Steuerung auf, die derart eingerichtet
ist, dass sie das elektrische Heizelement zumindest während
einer Startphase des Heizgerätes zur Beheizung der Brennstoff-Verdampfungszone
(und gegebenenfalls des Katalysators) ansteuert. Weiterhin ist die
Steuerung vorzugsweise derart eingerichtet, dass sie den Heizbetrieb
wieder stoppt, wenn eine ausreichende Beheizung der Brennstoff-Verdampfungszone
durch die in dem Bereich des Katalysators freiwerdende Wärme
erfolgt. Das Stoppen des Heizbetriebs kann dabei beispielsweise
nach Ablauf einer vorbestimmten Zeitdauer, in Abhängigkeit
von einer erfassten Temperatur (z. B. im Bereich des Katalysators,
im Bereich der Brennstoff-Verdampfungszone, etc.), etc., erfolgen.
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Ferner
ist gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung vorgesehen,
dass die Brennstoff-Zuführung derart in der Kammer der
Brennstoff-Verdampfungszone mündet, dass der zugeführte,
flüssige Brennstoff direkt auf das elektrische Heizelement
geleitet wird. Dies hat vor allem während der Startphase
den Vorteil, dass der zugeführte Brennstoff unmittelbar verdampft
wird.
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Gemäß einer
vorteilhaften Weiterbildung weist das Heizgerät eine Mischkammer
auf, die stromaufwärts des Katalysators angeordnet ist
und in die der Brennstoff-Auslass der Brennstoff-Verdampfungszone
und die Brennluft-Zuführung münden. Durch solch
eine Mischkammer wird vor Erreichen des Katalysators eine gute Durchmischung
des Brennstoff-Brennluft-Gemisches erreicht. Dadurch wird eine gleichmäßige
Beaufschlagung des Katalysators mit dem Brennstoff-Brennluft-Gemisch
und damit eine effektive und gleichmäßige Umsetzung des
Brennstoff-Brennluft-Gemisches in dem Katalysator erzielt. Die Mischkammer
wird insbesondere durch einen Freiraum gebildet, in dem die jeweiligen Gase
frei strömen können. Gemäß einer
Weiterbildung kann eine Gewebestruktur, eine Faserstruktur oder
eine anderweitige, saugfähige Struktur (beispielsweise
ein Metallvlies) zwischen der Brennstoff-Verdampfungszone und der
Mischkammer vorgesehen sein, um den Eintritt von flüssigem
Brennstoff in die Mischkammer zu vermeiden.
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Gemäß einer
vorteilhaften Weiterbildung erstreckt sich ein Gemisch-Auslass der
Mischkammer für das Brennstoff-Brennluft-Gemisch über
einen Eintritts-Strömungsquerschnitt (bezüglich
der vorbestimmten Strömungsrichtung) des Katalysators.
Auf diese Weise wird eine gleichmäßige Beaufschlagung des
Katalysators über dessen gesamten Strömungsquerschnitt sichergestellt.
Dadurch wird eine möglichst vollständige Umsetzung
des Brennstoff-Brennluft-Gemisches unterstützt.
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Gemäß einer
vorteilhaften Weiterbildung erstreckt sich der Zwischenraum über
den Strömungsquerschnitt der jeweils angrenzenden Katalysatorabschnitte.
Insbesondere erstreckt sich der Zwischenraum über den gesamten
Austritts-Strömungsquerschnitt eines stromaufwärtig
(bezüglich der vorbestimmten Strömungsrichtung)
angeordneten Katalysatorabschnittes und über den gesamten
Eintritts-Strömungsquerschnitt des stromabwärtig
(bezüglich der vorbestimmten Strömungsrichtung)
angeordneten Katalysatorabschnittes. Auf diese Weise werden wiederum
ein gleichmäßiges Ausströmen der Gase
aus dem stromaufwärtigen Katalysatorabschnitt und ein gleichmäßiges
Einströmen der Gase in den stromabwärtigen Katalysatorabschnitt
sichergestellt, wodurch eine gleichmäßige und
möglichst vollständige Umsetzung des Brennstoff-Brennluft-Gemisches
unterstützt wird.
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Grundsätzlich
eignen sich als katalytische Materialien jegliche Materialien, die
zur Durchführung einer vollkatalytischen Oxidation geeignet
sind. Wie allgemein aus dem Bereich der Katalysatoren bekannt ist,
kann zur Ausbildung des Katalysators ein Trägermaterial
eingesetzt werden, das den strukturellen Aufbau des Katalysators
bereitstellt und das ganz oder teilweise mit einem geeigneten katalytischen
Material beschichtet bzw. beladen ist. Je nach katalytischem Material
ist alternativ möglich, dass auf ein Trägermaterial
verzichtet wird und der strukturelle Aufbau durch das katalytische
Material gebildet wird.
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Der
strukturelle Aufbau des Katalysators wird dabei derart gewählt,
dass eine möglichst effektive Umsetzung des Brennstoffs
mit der Brennluft erzielt wird. Dabei können insbesondere
Strukturen eingesetzt werden, die eine große Oberfläche
aufweisen und die sich allgemein im Einsatz von Katalysatoren als
vorteilhaft herausgestellt haben. Grundsätzlich eignen
sich hierzu durchströmbare, poröse Strukturen,
worunter durchströmbare Strukturen verstanden werden, die
mit einer Vielzahl von Hohlräumen durchsetzt sind. Solche
geeigneten Strukturen sind beispielsweise wabenförmige,
quaderförmige, schaumartige, faserartige, etc. Strukturen.
Im Hinblick auf einen möglichst geringen Strömungswiderstand
(entlang der vorbestimmten Strömungsrichtung) ist vorteilhaft,
wenn der Katalysator eine Vielzahl von Kanälen aufweist,
die sich entlang der vorbestimmten Strömungsrichtung erstrecken.
Solche Kanäle können beispielsweise einen rechteckigen oder
wabenförmigen Querschnitt aufweisen.
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Gemäß einer
vorteilhaften Weiterbildung sind die Kanäle von zwei benachbarten
Katalysatorabschnitten jeweils zueinander versetzt angeordnet. Dadurch
wird sichergesteilt, dass sich die Gase, die aus einem Kanal eines
Katalysatorabschnittes austreten, in dem nachfolgenden Katalysatorabschnitt
auf mehrere Kanäle aufteilen. Werden die Katalysatorabschnitte
beispielsweise durch Durchtrennen (entlang einer Ebene senkrecht
zu der Kanal-Erstreckungsrichtung) eines einheitlichen Katalysators bzw.
Katalysatorblocks gebildet, so kann ferner sichergestellt werden,
dass Gase nach Durchtritt durch einen Kanal, der nicht oder zu wenig
mit katalytischem Material beladen ist, in dem nachfolgenden Katalysatorabschnitt
nicht oder nur zu einem niedrigen Anteil erneut in diesen Kanal
eintreten. Dementsprechend werden durch die versetzte Anordnung eine
Durchmischung der Gase in dem Zwischenraum sowie eine effektive
Umsetzung der Gase an dem Katalysator gefördert. Eine versetzte
Anordnung ist auf einfache Weise unter anderem dadurch erzielbar, dass
ein einheitlicher Katalysator bzw. Katalysatorblock entlang einer
Ebene senkrecht (oder gegebenenfalls auch abgewinkelt) zu der Kanal-Erstreckungsrichtung
durchtrennt wird und die dabei erhaltenen Abschnitte beabstandet
voneinander und verdreht zueinander angeordnet werden.
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In
dem Bereich der Brennstoff-Verdampfungszone wird im Einsatz aufgrund
der Verdampfung des flüssigen Brennstoffs ein Druck aufgebaut. Durch
diesen Druckaufbau wird der gasförmige Brennstoff aus dem
Brennstoff-Auslass der Kammer ausgetrieben. Dabei ist, wie oberhalb
erläutert wird, wünschenswert, dass keine oder
nur geringe Mengen an Brennluft in die Brennstoff-Verdampfungszone
einströmen. Insbesondere sollen allenfalls nur solche Mengen
an Brennluft in die Brennstoff-Verdampfungszone einströmen,
dass dadurch nicht der Verdampfungsprozess in der Brennstoff-Verdampfungszone
(z. B. aufgrund der Strömung und/oder der unterschiedlichen
Temperatur der einströmenden Brennluft) nachteilig beeinflusst
wird. Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung
wird dies dadurch erreicht, dass der Brennstoff-Auslass der Brennstoff-Verdampfungszone
einen derart engen Strömungsquerschnitt aufweist, dass
im Einsatz ein Einströmen von Brennluft durch den Brennstoff-Auslass in
die Brennstoff-Verdampfungszone vollständig oder zumindest
weitgehend verhindert (d. h. unterdrückt) wird.
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Gemäß einer
vorteilhaften Weiterbildung ist stromaufwärts von dem Katalysator
und benachbart zu demselben eine Flammsperre angeordnet, die sich
in einer Ebene quer (insbesondere senkrecht) zu der vorbestimmten
Strömungsrichtung erstreckt und die durch eine durchströmbare
Struktur gebildet wird. Dadurch wird verhindert, dass sich stromaufwärts des
Katalysators, insbesondere in dem Bereich der Mischkammer, eine
flammende Verbrennung ausbildet. Wie allgemein in dem Fachgebiet
bekannt ist, wird durch eine Flammsperre eine Temperaturbarriere
gebildet. Ferner ist in dem Bereich der Flammsperre der Strömungsquerschnitt
reduziert, was zu einer Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit
in diesem Bereich führt. Dadurch wird ein Stromaufwandern
der Reaktion, was auch als Flammrückschlag bezeichnet wird,
verhindert. Vorzugsweise ist die Flammsperre in der Mischkammer
angeordnet. Ferner erstreckt sich die Flammsperre vorzugsweise über
den gesamten Eintritts-Strömungsquerschnitt des Katalysators.
Dabei erstreckt sich solch eine Flammsperre in der Regel senkrecht
oder zumindest abgewinkelt zu der jeweiligen (Haupt)-Strömungsrichtung
und weist eine Vielzahl von Öffnungen auf. Durch solch
eine Flammsperre werden aufgrund der Erzeugung von lokalen Verwirbelungen
auch eine gute Durchmischung der Gase und eine gleichmäßige
Beaufschlagung des Katalysators mit dem Brennstoff-Brennluft-Gemisch gefördert.
Vorzugsweise sind bei der Flammsperre die Öffnungen gleichmäßig
verteilt. Beispielsweise kann die Flammsperre als Gitter, als Sieb,
als gelochte Platte, etc. ausgebildet sein.
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Wie
oberhalb erläutert wurde, wird gemäß einer
Weiterbildung der Erfindung die Brennstoff-Verdampfungszone zumindest
teilweise von dem Katalysator umgeben, so dass (nach einer Startphase)
die Brennstoff-Verdampfungszone durch den Katalysator beheizbar
ist. Dies bedeutet, dass von dem Katalysator in den Bereichen, die
an die Brennstoff-Verdampfungszone angrenzen, Wärme abgeführt
wird. Wie oberhalb erläutert wird, werden diese Wärmeabführ-Bereiche
vorzugsweise durch einen Kernbereich (beispielsweise bei einer radial
zentralen Anordnung der Brennstoff-Verdampfungszone in dem Katalysator)
des Katalysators gebildet. Weiterhin kann gegebenenfalls auch Nutzwärme
(beispielsweise zur Beheizung eines Fahrzeug-Innenraumes oder allgemein
eines Innenraumes oder eines teiloffenen Raumes) nicht nur über
die Abgase sondern auch durch Wärmeleitung von dem Katalysator
(z. B. von einem äußeren Bereich des Katalysators)
abgeführt werden. Dadurch würden noch weitere
Wärmeabführ-Bereiche in dem Katalysator entstehen.
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Es
besteht dabei die Gefahr, dass aufgrund der Wärmeabführung
die Temperatur in diesen Wärmeabführ-Bereichen
des Katalysators so weit absinkt, dass in diesen Bereichen eine
katalytische Umsetzung des Brennstoff-Brennluft-Gemisches nicht mehr
möglich ist. Gemäß einer vorteilhaften
Weiterbildung wird dieser Gefahr dadurch entgegengewirkt, dass der
Katalysator in mindestens einem Wärmeabführ-Bereich,
in dem im Einsatz Wärme von dem Katalysator abgeführt
wird, insbesondere in einem Kernbereich, im Vergleich zu dem/den
verbleibenden Bereich(en) des Katalysators derart ausgebildet ist, dass
darin das Brennstoff-Brennluft-Gemisch mit einer erhöhten
Umsetzungsrate umsetzbar ist. Durch solch eine erhöhte
Umsetzungsrate kann gezielt in solchen Wärmeabführ-Bereichen
ausreichend Wärme bereitgestellt werden, so dass eine Abkühlung dieser
Wärmeabführ-Bereiche vermieden oder zumindest
reduziert wird. Dadurch kann die katalytische Umsetzung in diesen
Wärmeabführ-Bereichen aufrechterhalten werden.
Im Einsatz kann eine erhöhte Umsetzungsrate in diesen Wärmeabfuhr-Bereichen
noch weiter dadurch gefördert werden, dass in diesen Bereichen
eine entsprechend erhöhte Brennstoff-Konzentration des
zugeführten Brennstoff-Brennluft-Gemisches und/oder eine
erhöhte Strömungsgeschwindigkeit eingestellt wird.
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Ergänzend
wird darauf hingewiesen, dass solche Bereiche, in denen eine erhöhte
Umsetzungsrate erzielbar ist, in einem Katalysator auch in Abhängigkeit
von der Verteilung der Brennstoff-Konzentration über den
Strömungsquerschnitt und/oder in Abhängigkeit
von dem Geschwindigkeitsprofil der Strömung über
den Strömungsquerschnitt vorgesehen werden können,
sofern solch eine inhomogene Brennstoff-Konzentration und/oder solch
ein inhomogenes Geschwindigkeitsprofil vorliegt. Dadurch kann die
katalytische Umsetzung weiter optimiert werden.
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Wird
die Brennstoff-Verdampfungszone zumindest teilweise von dem Katalysator
umgeben und weist die Brennstoff-Verdampfungszone ein elektrisches
Heizelement auf, wie oberhalb in Bezug auf eine Weiterbildung der
Erfindung erläutert ist, so kann während einer
Startphase des Katalysators eine Beheizung des Katalysators auch über
das elektrische Heizelement der Brennstoff-Verdampfungszone erfolgen.
Dabei bildet sich während der Startphase ein Temperaturprofil
innerhalb des Katalysators derart aus, dass die katalytische Umsetzung
zunächst in den Bereichen des Katalysators startet, die an
die Brennstoff-Verdampfungszone (bzw. gegebenenfalls auch an ein
separates, zur Beheizung des Katalysators explizit vorgesehenes
Heizelement) angrenzen. Ist der Katalysator in diesem Bereich derart ausgebildet,
dass darin das Brennstoff-Brennluft-Gemisch mit einer erhöhten
Umsetzungsrate umsetzbar ist, so kann dementsprechend während
der Startphase des Heizgerätes in diesen Bereichen viel
Wärme freigesetzt werden, so dass sich die umliegenden
Bereiche schnell erwärmen. Dadurch wird auch in den umliegenden
Bereichen schnell eine katalytische Umsetzung gestartet und die
Startphase kann verkürzt werden. Bei der oberhalb angegebenen
Anordnung (Brennstoff-Verdampfungszone wird zumindest teilweise
von dem Katalysator umgeben) ist dementsprechend bevorzugt, wenn
der Katalysator zumindest in einem Kernbereich im Vergleich zu dem/den verbleibenden
Bereich(en) des Katalysators derart ausgebildet ist, dass darin
das Brennstoff-Brennluft-Gemisch mit einer erhöhten Umsetzungsrate
umsetzbar ist.
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Ferner
wird darauf hingewiesen, dass der Übergang zwischen einem
Bereich des Katalysators mit erhöhter Umsetzungsrate und
einem verbleibenden Bereich auch kontinuierlich erfolgen kann. Ferner
können auch mehr als nur eine Abstufung bezüglich
der Umsetzungsrate vorgesehen sein, so dass der Katalysator mehr
als nur zwei verschiedene, erzielbare Umsetzungsraten (in entsprechenden
Bereichen) aufweist.
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Eine
erhöhte Umsetzungsrate in einem Bereich des Katalysators
ist insbesondere dadurch erzielbar, dass der Katalysator in diesem
Bereich eine kleinere Porengröße und/oder eine
höhere Beladung mit katalytischem Material aufweist. Eine
kleinere Porengröße kann bei einem, durch eine
Vielzahl von Kanälen gebildeten Katalysator insbesondere
dadurch erzielt werden, dass der Kanaldurchmesser (bzw. der Strömungsquerschnitt)
der einzelnen Kanäle reduziert wird. Zusätzlich
oder alternativ zu den oberhalb genannten beiden Alternativen kann
der Katalysator in diesem Bereich auch ein katalytisches Material
mit einer höheren Umsetzungsrate aufweisen. Gemäß einer
vorteilhaften Weiterbildung ist vorgesehen, dass der Katalysator
in dem Wärmeabführ-Bereich gegenüber
dem Katalysator in dem/den verbleibenden Bereich(en) eine kleinere
Porengröße, eine höhere Beladung mit
katalytischem Material und/oder ein katalytisches Material mit einer
höheren Umsetzungsrate aufweist.
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Dementsprechend
kann/können der/die verbleibende(n) Bereich(e) eine größere
Porengröße, eine niedrigere Beladung mit katalytischen
Material und/oder ein katalytisches Material mit einer niedrigeren
Umsetzungsrate aufweisen. Durch die Vorsehung einer größeren
Porengröße, insbesondere eines größeren
Kanaldurchmessers der einzelnen Kanäle, werden die Zündungseigenschaften
positiv beeinflusst, insbesondere wird die Zündtemperatur (bzw.
Light-Off-Temperatur) gesenkt. Dadurch kann auch in dem/den verbleibenden
Bereich(en) ein schneller Start der katalytischen Umsetzung erzielt werden.
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Wie
oberhalb in Bezug auf eine Weiterbildung erläutert wird,
kann der Katalysator zumindest während einer Startphase
durch das elektrische Heizelement der Brennstoff-Verdampfungszone
beheizt werden. Zusätzlich oder alternativ kann ein separates
Heizelement zur Beheizung des Katalysators (zumindest während
einer Startphase) eingesetzt werden. Dabei ist wünschenswert,
dass in dem Katalysator in dem/den Bereich(en), der/die angrenzend
an solch ein Heizelement angeordnet ist/sind und dementsprechend
durch das Heizelement beheizbar ist/sind (im Folgenden: beheizbare
Bereiche), möglichst schnell eine katalytische Umsetzung
gestartet wird. Die bei der katalytischen Umsetzung freiwerdende
Wärme dient dann zur Beheizung der (im Vergleich zu dem
beheizbaren Bereich) verbleibenden Bereichen des Katalysators. Dementsprechend
ist gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung vorgesehen, dass
der Katalysator in mindestens einem, zumindest während
der Startphase beheizbaren Bereich, insbesondere ein Trägermaterial
des katalytischen Materials in dem beheizbaren Bereich, eine geringere
thermische Masse als der Katalysator in dem/den (gegenüber
dem beheizbaren Bereich) verbleibenden Bereich(en), insbesondere
als ein Trägermaterial des katalytischen Materials in dem/den
verbleibenden Bereich(en), aufweist. Auf diese Weise wird sichergestellt,
dass in dem beheizbaren Bereich schnell die für die katalytische
Umsetzung erforderliche Zündtemperatur (bzw. Light-Off-Temperatur)
erreicht wird. Umgekehrt wird dadurch, dass die (gegenüber
dem mindestens einen beheizbaren Bereich) verbleibenden Bereiche
des Katalysators eine höhere thermische Masse aufweisen,
sichergestellt, dass das System nicht instabil gegenüber
kurzzeitigen Störungen, wie beispielsweise kurzzeitigen
Temperaturschwankungen in der Umgebung des Katalysators, kurzzeitigen
Unterbrechungen der Brennstoff-Zufuhr, etc., ist. Insbesondere kann
in dem mindestens einen beheizbaren Bereich als Trägermaterial
ein Stoff mit einer niedrigeren spezifischen Wärmekapazität
als dem Stoff des Trägermaterials in dem mindestens einen
verbleibenden Bereich eingesetzt werden. Beispielsweise kann in
dem mindestens einen beheizbaren Bereich ein metallisches oder keramisches
Trägermaterial mit hoher Wärmeleitfähigkeit,
wie zum Beispiel Siliciumcarbid, eingesetzt werden, während
in dem mindestens einen verbleibenden Bereich ein keramisches Trägermaterial
mit niedriger Wärmeleitfähigkeit, wie zum Beispiel
Korderit, eingesetzt werden kann. Vorzugsweise bildet der beheizbare
Bereich einen Kernbereich des Katalysators.
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Gemäß einer
vorteilhaften Weiterbildung wird die von dem Heizgerät
bereitgestellte Heizwärme ausschließlich durch
eine flammlose, katalytische Umsetzung von Brennstoff mit Brennluft
an dem Katalysator erzeugt. Eine zusätzliche oder ergänzende Erzeugung
von Heizwärme durch eine flammende Verbrennung ist nicht
vorgesehen. Die gesamte Umsetzung des Brennstoff-Brennluft-Gemisches
erfolgt dabei bei niedrigeren Temperaturen als dies bei einer flammenden
Umsetzung der Fall ist. Dadurch sind niedrige Schadstoffemissionen
erzielbar. Ferner wird ein geräuscharmer, in weiten Heizleistungsbereichen regelbarer
Betrieb des Heizgerätes ermöglicht. Das Heizgerät
weist dementsprechend keinen Brenner und keine Brennkammer auf.
Ferner sind keine Maßnahmen zur Flammhaltung und/oder Flammstabilisierung
vorgesehen.
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Gemäß einer
vorteilhaften Weiterbildung ist die über die Brennstoff-Zuführung
zugeführte Menge an Brennstoff und/oder die über
die Brennluft-Zuführung zugeführte Menge an Brennluft
einstellbar. Auf diese Weise ist eine Einstellung einer gewünschten Heizleistung
möglich. Vorzugsweise erfolgt die Einstellung über
eine Steuereinheit des Heizgerätes. Die Einstellung kann
dabei in Abhängigkeit von einer, von einem Benutzer angeforderten
Heizleistung, einer von einem Benutzer gewünschten Temperatur und/oder
in Abhängigkeit von einer erfassten Temperatur (z. B. Innentemperatur,
Außentemperatur, etc.) eingestellt werden. Die Einstellung
selbst kann beispielsweise durch entsprechende Ventile in den jeweiligen
Zuführungen erfolgen.
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Gemäß einer
vorteilhaften Weiterbildung weist das Heizgerät eine Katalysator-Kammer,
in welcher zumindest der Katalysator und die Brennstoff-Verdampfungszone
(sowie gegebenenfalls die Mischkammer) angeordnet sind, auf. Dabei
wird die Katalysator-Kammer abgesehen von der Brennluft-Zuführung
und der Brennstoff-Zuführung (von flüssigem Brennstoff)
und gegebenenfalls weiteren, in die Katalysator-Kammer führenden
Leitungen sowie abgesehen von einem Abgas-Auslass für die
aus dem Katalysator austretenden Abgase durch eine geschlossene
Kammer gebildet. Auf diese Weise wird ein kompaktes System, innerhalb
dem die katalytische Umsetzung erfolgt, erhalten. Die bei der katalytischen
Umsetzung freiwerdende Wärme, die als Nutzwärme
zur Beheizung eines Innenraumes oder eines teiloffenen Raumes eingesetzt
wird, kann beispielsweise dadurch abgeführt werden, dass
die Abgase nach Austritt aus dem Abgas-Auslass über einen
Wärmetauscher geleitet werden.
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Weitere
Vorteile und Zweckmäßigkeiten der Erfindung ergeben
sich anhand der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen
unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren. Von den Figuren
zeigen:
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1:
eine schematische Querschnittsansicht eines Heizgerätes
gemäß einer ersten Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung; und
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2:
eine schematische Querschnittsansicht eines Heizgerätes
gemäß einer zweiten Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung.
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1 ist
eine schematische Darstellung eines mobilen Heizgerätes 2 in
Form eines Standheizers, der fest in einem (nicht dargestellten)
Landfahrzeug, wie beispielsweise einem Wohnmobil, eingebaut ist
und zur Beheizung eines Innenraumes desselben dient. In dem mobilen
Heizgerät 2 ist Heizwärme durch vollkatalytische
Oxidation von gasförmigem Brennstoff mit Brennluft an einem
Katalysator bereitstellbar. Insbesondere findet in dem mobilen Heizgerät 2 keine
flammende Umsetzung von Brennstoff mit Brennluft statt, wie dies
beispielsweise in mobilen Heizgeräten, die eine Brennkammer
aufweisen, der Fall ist.
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Das
mobile Heizgerät 2 weist eine beheizbare Brennstoff-Verdampfungszone 4 auf,
die in einer geschlossenen Kammer 6 ausgebildet ist. In
die geschlossene Kammer 6 führt eine Brennstoff-Zuführung 8, über
die dem Innenraum der Kammer 6 flüssiger Brennstoff
zuführbar ist. Ferner ist in der Kammer 6 ein
elektrisches Heizelement 10 angeordnet, durch welches die
Brennstoff-Verdampfungszone 4 beheizbar ist. Die Versorgungsleitungen
des elektrischen Heizelements 10, die ebenfalls in die
Kammer 6 führen, sind dabei aus Gründen
der Übersichtlichkeit nicht dargestellt. Die Kammer 6 weist
mehrere Auslass-Öffnungen 12 auf, die einen Brennstoff-Auslass
der Kammer 6 bilden.
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Der
Brennstoff-Auslass (bzw. die Auslass-Öffnungen 12)
der Kammer 6 mündet in einer Mischkammer 14,
die bei der dargestellten Ausführungsform angrenzend an
einem Abschnitt der Kammer 6 der Brennstoff-Verdampfungszone 4 angeordnet
ist. Bei der Verdampfung von Brennstoff in der Brennstoff-Verdampfungszone 4 baut
sich (aufgrund der weitgehend geschlossenen Anordnung innerhalb der
Kammer 6) ein Druck auf, durch den gasförmiger Brennstoff
aus der Kammer 6 der Brennstoff-Verdampfungszone 4 über
die Auslass-Öffnungen 12 in die Mischkammer 14 ausgetrieben
wird. In die Mischkammer 14 mündet ferner eine
Brennluft-Zuführung 16, die in dem dargestellten
Ausführungsbeispiel durch ein Rohr, über das der
Mischkammer 14 Brennluft zuführbar ist, gebildet
wird. In der Mischkammer 14 durchmischen sich die zugeführte
Brennluft und der zugeführte, gasförmige Brennstoff.
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Aus
Gründen der Übersichtlichkeit sind in 1 die
jeweiligen Fördereinheiten zur Förderung von Brennluft
(z. B. ein Gebläse) in die Mischkammer 14 und
zur Förderung von flüssigem Brennstoff (z. B. eine
Brennstoff-Pumpe) in die Brennstoff-Verdampfungszone 4 sowie
gegebenenfalls vorgesehene Einstell-Vorrichtungen (z. B. Ventile)
zur Einstellung der zugeführten Brennstoff- und/oder Brennluftmenge nicht
dargestellt.
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Das
erhaltene Brennstoff-Brennluft-Gemisch strömt anschließend
durch einen Katalysator 18, der stromabwärts (bezüglich
der Haupt-Strömungsrichtung des Brennstoff-Brennluft-Gemisches)
von der Mischkammer 14 angeordnet ist. Die Mischkammer 14 ist
dabei derart ausgebildet, dass der Katalysator 18 über
dessen gesamtem Eintritts-Strömungsquerschnitt von dem
Brennstoff-Brennluft-Gemisch aus der Mischkammer 14 beaufschlagt
wird. Der Katalysator 18 wird von dem Brennstoff-Brennluft-Gemisch im
Einsatz entlang einer vorbestimmten Strömungsrichtung,
die in 1 durch den Pfeil 20 dargestellt ist,
durchströmt. Dabei wird das Brennstoff-Brennluft-Gemisch
in einer vollkatalytischen Oxidation unter Erzeugung von Heizwärme
umgesetzt. Wie in 1 dargestellt ist, sind die
Brennstoff-Verdampfungszone 4, die Mischkammer 14 und
der Katalysator 18 innerhalb einer Katalysator-Kammer 22 angeordnet.
Dadurch wird ein kompaktes System gebildet, in dem im Einsatz die
katalytische Umsetzung stattfindet. In die Katalysator-Kammer 22 führen
unter anderem die Brennstoff-Zuführung 8, die
Brennluft-Zuführung 16 sowie die (nicht dargestellten
Versorgungs- und Steuerungsleitungen) des elektrischen Heizelements 10.
Ferner weist die Katalysator-Kammer 22 an ihrem stromabwärtigen
Ende einen Abgas-Auslass 24 für die aus dem Katalysator 18 austretenden
Abgase auf. Der Abgas-Auslass 24 erstreckt sich dabei über
den gesamten Austritts-Strömungsquerschnitt des Katalysators 18.
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Die
bei der vollkatalytischen Oxidation freiwerdende Wärme
wird zumindest teilweise als Heizwärme bzw. Nutzwärme
zur Beheizung des Fahrzeug-Innenraumes abgeführt. Aus Gründen
der Übersichtlichkeit ist in 1 die Art
der Wärmeabführung der Nutz- bzw. Heizwärme
nicht dargestellt. Die Nutz- bzw. Heizwärme kann auf verschiedene,
in dem Fachgebiet bekannte Weise abgeführt werden. Beispielsweise
kann die Wärmeabführung dadurch realisiert werden,
dass die aus dem Abgas-Auslass 24 austretenden Abgase über
einen (nicht dargestellten) Wärmetauscher geleitet werden.
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Innerhalb
der Mischkammer 14 befindet sich im Einsatz ein zündfähiges
Brennstoff-Brennluft-Gemisch. Um eine Zündung desselben
und damit die Ausbildung einer flammenden Verbrennung zu vermeiden,
ist in der Mischkammer 14 stromaufwärts von dem
Katalysator 18 und benachbart zu demselben eine Flammsperre 26 angeordnet.
Die Flammsperre 26 wird bei der dargestellten Ausführungsform durch
ein Gitter gebildet, das sich in einer Ebene senkrecht zu der vorbestimmten
Strömungsrichtung 20 erstreckt. Wie in 1 dargstellt
ist, erstreckt sich die Flammsperre 26 über den
gesamten Eintritts-Strömungsquerschnitt des Katalysators 18.
Bei Durchtritt der Gase durch die Flammsperre 26 werden
ferner lokale Verwirbelungen erzeugt, so dass durch die Flammsperre 26 in
dem Bereich stromaufwärts des Katalysators 18 auch
eine gute Durchmischung der Gase und eine gleichmäßige
Beaufschlagung des Katalysators 18 mit dem Brennstoff-Brennluft-Gemisch
unterstützt wird.
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Wie
anhand der 1 ersichtlich ist, weist der
Katalysator 18 zwei Katalysatorabschnitte 28, 30 auf.
Diese zwei Katalysatorabschnitte 28, 30 sind entlang
der vorbestimmten Strömungsrichtung 20 nacheinander
angeordnet, so dass im Einsatz zunächst der (bezüglich
der vorbestimmten Strömungsrichtung 20) als erstes
angeordnete Katalysatorabschnitt 28 und anschließend
der (bezüglich der vorbestimmten Strömungsrichtung 20)
als zweites angeordnete Katalysatorabschnitt 30 von den
jeweiligen Gasen durchströmt werden.
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Zwischen
den beiden Katalysatorabschnitten 28, 30 ist ein
Zwischenraum 32 ausgebildet. Dieser wird in dem dargestellten
Ausführungsbeispiel durch einen Freiraum gebildet. Zusätzlich
kann in dem Freiraum ein Gitter oder ein anderweitiges Element eingesetzt
sein, durch welches lokale Verwirbelungen erzeugt und damit eine
Durchmischung der Gase in dem Zwischenraum 32 unterstützt
werden. Ein solches Gitter 34 ist in 1 schematisch
als gestrichelte Linie dargestellt.
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In
dem vorliegenden Ausführungsbeispiel weist der Katalysator 18 eine
Vielzahl von Kanälen (mit beispielsweise wabenförmigem
Querschnitt) auf, die sich entlang der vorbestimmten Strömungsrichtung 20 erstrecken.
Die beiden Katalysatorabschnitte 28, 30 können
in einfacher Weise dadurch hergestellt werden, dass ein einheitlicher
Katalysatorblock entlang einer Ebene senkrecht zu der Kanal-Erstreckungsrichtung
in zwei Katalysatorabschnitte 28, 30 durchtrennt
wird. Die beiden Katalysatorabschnitte 28, 30 werden
dabei vorzugsweise (um eine Achse, die parallel zu der Kanal-Erstreckungsrichtung
bzw. zu der vorbestimmten Strömungsrichtung 20 verläuft) verdreht
zueinander angeordnet. Insbesondere werden die beiden Katalysatorabschnitte 28, 30 derart zueinander
verdreht, dass die Kanäle des ersten Katalysatorabschnittes 28 versetzt
zu den Kanälen des zweiten Katalysatorabschnittes 30 angeordnet
sind.
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Beim
Starten des Heizgerätes 2 ist zunächst eine
Beheizung der Brennstoff-Verdampfungszone 4 durch das elektrische
Heizelement 10 erforderlich. Auch der Katalysator 18 hat
noch nicht die erforderliche Zündtemperatur (Light-Off-Temperatur)
erreicht, so dass eine Beheizung desselben ebenfalls erforderlich
ist. Bei der dargestellten Ausführungsform ist aufgrund
der zentralen Anordnung (bezüglich einer radialen Richtung)
der Brennstoff-Verdampfungszone 4 innerhalb des ersten
Katalysatorabschnittes 28 parallel eine Beheizung des ersten
Katalysatorabschnittes 28 durch das elektrische Heizelement 10 möglich.
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Der
Brennstoff-Verdampfungszone 4 wird über die Brennstoff-Zuführung 8 flüssiger
Brennstoff zugeführt. Wie anhand von 1 ersichtlich
ist, mündet die Brennstoff-Zuführung 8 (insbesondere
ein Brennstoff-Rohr der Brennstoff-Zuführung 8)
derart in der Kammer 6 der Brennstoff-Verdampfungszone 4, dass
der flüssige Brennstoff direkt auf das elektrische Heizelement 10 auftrifft.
Dadurch wird der zugeführte flüssige Brennstoff
direkt verdampft.
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Durch
den bei der Verdampfung entstehenden Druckaufbau wird der gasförmige
Brennstoff über die Auslass-Öffnungen 12,
die den Brennstoff-Auslass bilden, in die Mischkammer 14 ausgetrieben.
Ferner wird über die Brennluft-Zuführung 16 Brennluft
in die Mischkammer 14 geleitet. Die Auslass-Öffnungen 12 sind
dabei derart klein gewählt, dass im Einsatz ein Einströmen
von Brennluft durch die Auslass-Öffnungen 12 in
die Kammer 6 der Brennstoff-Verdampfungszone 4 weitgehend
verhindert wird. Der gasförmige Brennstoff und die Brennluft
vermischen sich in der Mischkammer 14. Das Brennstoff-Brennluft-Gemisch
strömt anschließend entlang der vorbestimmten
Strömungsrichtung 20 durch den Katalysator 18.
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Anfangs
erreichen nur die Bereiche des Katalysators 18, die angrenzend
an das elektrische Heizelement 10 (bzw. hier angrenzend
an der Kammer 6 der Brennstoff-Verdampfungszone 4)
angeordnet sind, die für eine katalytische Umsetzung des
Brennstoff-Brennluft-Gemisches erforderliche Zündtemperatur.
Dieser (beheizbare) Bereich wird in dem dargestellten Ausführungsbeispiel
durch einen (radial zentral angeordneten) Kernbereich des ersten
Katalysatorabschnittes 28, der umliegend um die Kammer 6 der
Brennstoff-Verdampfungszone 4 angeordnet ist, gebildet.
Die von dem elektrischen Heizelement 10 bereitgestellte
Wärme breitet sich mit der Zeit in dem ersten Katalysatorabschnitt 28 radial
nach außen aus. Ferner werden die (gegenüber dem
Kernbereich) verbleibenden Bereich des ersten Katalysatorabschnittes
sowie der zweite Katalysatorabschnitt 30 durch Wärme,
die in dem Kernbereich bei der katalytischen Umsetzung freigesetzt
wird, beheizt. Dadurch vergrößern sich mit der
Zeit die Bereiche des Katalysators 18, in denen die Zündtemperatur
erreicht wird, bis schließlich in dem gesamten Katalysator 18 eine
katalytische Umsetzung des Brennstoff-Brennluft-Gemisches stattfindet.
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Nach
einer Startphase wird die Brennstoff-Verdampfungszone 4 ausreichend
durch die bei der katalytischen Umsetzung des Brennstoff-Brennluft-Gemisches
in dem Katalysator 18 freigesetzte Wärme beheizt.
In der in 1 dargestellten Anordnung wird
diese Wärme zur Beheizung der Brennstoff-Verdampfungszone 4 hauptsächlich
in dem umliegend um die Brennstoff-Verdampfungszone 4 angeordneten
Kernbereich des ersten Katalysatorabschnittes 28 bereitgestellt.
Eine Beheizung der Brennstoff-Verdampfungszone 4 durch
das elektrische Heizelement 10 ist folglich nach der Startphase nicht
mehr erforderlich, so dass dieses abgestellt werden kann.
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Im
Folgenden wird unter Bezugnahme auf 2 eine zweite
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erläutert.
Dabei wird vorwiegend auf die Unterschiede gegenüber der
ersten Ausführungsform eingegangen. Für gleiche
Teile werden wiederum die gleichen Bezugszeichen verwendet.
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Im
Unterschied zu der ersten Ausführungsform weist der Katalysator 18 einen
dritten Katalysatorabschnitt 36 auf, der stromabwärts
von dem zweiten Katalysatorabschnitt 30 angeordnet ist
und durch einen Zwischenraum 38 von diesem unterteilt ist.
Der Zwischenraum 38 wird wiederum durch einen Freiraum
gebildet, wobei in dem Zwischenraum 38 kein Gitter vorgesehen
ist. Die Anordnung des dritten Katalysatorabschnittes 36 relativ
zu dem zweiten Katalysatorabschnitt 30 und eine mögliche
Herstellung dieser Anordnung ist in entsprechender Weise möglich,
wie dies oberhalb in Bezug auf die Anordnung und Herstellung des
ersten und zweiten Katalysatorabschnittes 28 und 30 beschrieben
wird.
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Ferner
ist der erste Katalysatorabschnitt 28 in einen Kernbereich 40 und
einen umliegenden Bereich 42 unterteilt. Der Kernbereich 40 bildet
dabei einen radial zentral gelegenen Bereich des ersten Katalysatorabschnittes 28,
der die Brennstoff-Verdampfungszone 4 umgibt. Der umliegende
Bereich 42 umgibt wiederum den Kernbereich 40.
Vorzugsweise bilden die Kammer 6, der Kernbereich 40 und
der umliegende (bzw. verbleibende) Bereich 42 eine radial symmetrische
Anordnung in Bezug auf eine zentrale Achse 44 des Heizgerätes 2,
die sich parallel zu der vorbestimmten Strömungsrichtung 20 erstreckt.
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Wie
anhand der 1 und 2 ersichtlich ist,
ist vorzugsweise auch die Mischkammer 14 symmetrisch bezüglich
der zentralen Achse 44 des Heizgerätes 2 angeordnet.
Hierdurch werden eine gute Durchmischung und eine gleichmäßige
Beaufschlagung des Katalysators 18 unterstützt.
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Der
Katalysator 18 in dem Kernbereich 40 ist dabei
derart ausgebildet, dass in diesem Kernbereich 40 gegenüber
dem umliegenden Bereich 42 eine höhere Umsetzungsrate
erzielbar ist. Dies wird bei der vorliegenden Ausführungsform
dadurch erreicht, dass der Katalysator in dem Kernbereich 40 einen kleineren
Kanalquerschnitt (d. h. eine höhere Porösität)
sowie eine höhere Beladung mit katalytischem Material aufweist.
Dementsprechend kann während einer Startphase des Heizgerätes 2 in
dem Kernbereich 40 viel Wärmeleistung bereitgestellt
werden. Dadurch erfolgt auch eine schnelle Aufheizung des umliegenden
Bereiches 42. Ferner kann während des Normalbetriebs
des Heizgerätes durch die erhöhte Umsetzungsrate
ausreichend Wärmeleistung bereitgestellt werden, um den
Wärmeentzug durch die Brennstoff-Verdampfungszone 4 vollständig
oder zumindest weitgehend zu kompensieren und einen hohen Temperaturabfall
in dem Kernbereich 40 zu vermeiden. Folglich kann in dem
Kernbereich 40 während des Normalbetriebs eine
katalytische Umsetzung aufrechterhalten werden.
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Dadurch,
dass der Katalysator 18 in dem umliegenden Bereich 42 einen
größeren Kanaldurchmesser (eine geringere Porösität)
aufweist, zündet die katalytische Umsetzung in dem umliegenden
Bereich 42 auch relativ schnell, so dass bereits nach relativ
kurzer Zeit in dem gesamten ersten Katalysatorabschnitt 28 eine
katalytische Umsetzung des Brennstoff-Brennluft-Gemisches stattfindet.
Der zweite 30 und dritte 36 Katalysatorabschnitt
sind vorzugsweise entsprechend wie der umliegende Bereich 42 des
ersten Katalysatorabschnittes 28 ausgebildet. Auch diese
werden durch die in dem ersten Katalysatorabschnitt 28 (insbesondere
anfangs in dessen Kernbereich 40) freigesetzte Wärme
beheizt, so dass in diesen auch innerhalb relativ kurzer Zeit eine
katalytische Umsetzung des Brennstoff-Brennluft-Gemisches startet.
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Wie
aus den Erläuterungen oberhalb hervorgeht, bildet der Kernbereich 40 gleichzeitig
einen beheizbaren Bereich des Katalysators 18, der während der
Startphase durch das elektrische Heizelement 10 beheizt
wird. Dabei ist weiterhin vorgesehen, dass ein Trägermaterial
des katalytischen Materials in diesem beheizbaren Bereich eine geringere
thermische Masse als der Katalysator 18 in den verbleibenden Bereichen,
d. h. in dem umliegenden Bereich 42 und in dem zweiten 30 und
dritten 36 Katalysatorabschnitt aufweist. Insbesondere
wird das Trägermaterial des katalytischen Materials in
dem Kernbereich 40 durch ein Metall gebildet. Dadurch wird
eine schnelle Aufheizung des Kernbereiches 40 ermöglicht,
so dass während der Startphase in dem Kernbereich 40 innerhalb
kurzer Zeit die Zündtemperatur erreicht wird und damit
eine katalytische Umsetzung des Brennstoff-Brennluft-Gemisches startet.
Dadurch, dass die verbleibenden Bereiche des Katalysators 18 (umliegender
Bereich 42, zweiter 30 und dritter 36 Katalysatorabschnitt)
eine höhere thermische Masse aufweisen, wird sichergestellt,
dass das System nicht instabil gegenüber kurzzeitigen Störungen
ist. Insbesondere wird das Trägermaterial in dem umliegenden Bereich 42 sowie
in dem zweiten 30 und dritten 36 Katalysatorabschnitt
durch eine Keramik gebildet.
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Die
vorliegende Erfindung ist nicht auf die in den Figuren dargestellten
Ausführungsformen beschränkt. Insbesondere kann
sich die Brennstoff-Verdampfungszone auch durch mehr als nur einen
Katalysatorabschnitt erstrecken. Ferner können auch mehr
als nur ein Katalysatorabschnitt verschiedene Bereiche mit unterschiedlicher
Umsetzungsrate und/oder thermischer Masse aufweisen. Weiterhin ist die
dargestellte Anordnung nur beispielhaft. Wie dem Fachmann anhand
der allgemeinen Beschreibung deutlich wird, kann die vorliegende
Erfindung auch in anderen Anordnungen und/oder mit einer anderen Gestaltung
der jeweiligen Strömungswege realisiert werden. Ferner
ist nicht zwingend vorgesehen, dass die (vorbestimmte) Strömungsrichtung
und/oder der jeweilige Strömungsweg, auf die in der vorliegenden Anmeldung
Bezug genommen wird, jeweils geradlinig verlaufen. Vielmehr können
diese auch gekrümmt, kurvenförmig, etc. verlaufen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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