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Die
Erfindung bezieht sich auf ein Heizgerät gemäß dem Oberbegriff des Anspruches
1.
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Bei
solchen Heizgeräten
besteht stets das Problem, den Brenner so auszubilden, dass sich
ein optimaler Wärmeübergang
vom Brenner zum Wärmetauschmedium
ergibt.
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Konventionelle
Wasserheizer sind beispielsweise aus der
DE 31 21 220 A1 bekannt.
Brenngas und Luft werden oberhalb eines Gasbrenners verbrannt, durchströmen eine
Brennkammer und anschließend
einen Lammellenwärmeaustauscher,
in dem sie thermische Energie an einen Wasserkreislauf abgeben.
Die
US 4 519 770 zeigt
einen zylindrischen Brenner in einer zylindrischen, waagrechten Brennkammer.
Die
EP 92 838 B1 zeigt
eine Heizungsanlage mit einem Gasbrenner mit Gebläseunterstützung, bei
dem die Abgase zunächst
in einem ersten Wärmeaustauscher
ohne Kondensation und anschließend
in einem zweiten Wärmeaustauscher kondensierend
abgekühlt
werden.
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Die
DE 42 04 320 C1 zeigt
einen Warmwasserbereiter mit zweistufigem katalytischen Brenner, welcher
zunächst über einen
katalytischen Spaltbrenner und dann über einen katalytischen Monolithen
verfügt.
Zum Start des Brenners ist eine elektrische Heizschlange vorgesehen,
mittels derer der Katalysator derart vorgeheizt wird, dass die katalytische Reaktion
einsetzen kann. Ein Brennerstart mittels offener Flamme würde den
Wash-Coat (zumeist γ-Al
2O
3) irreversibel
schädigen,
da γ-Al
2O
3, welches eine
spezifische Oberfläche
von ca. 60 m
2/g verfügt, bei rund 900°C in α-Al
2O
3, welches eine
spezifische Oberfläche
von ca. 1 m
2/g verfügt, irreversibel umgewandelt
wird und somit für
die katalytische Reaktion kaum noch die benötigte Oberfläche zur
Verfügung stünde.
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Dieses
Problem wird gemäß
EP 578 131 A1 dadurch
gelöst,
dass heiße
Abgase eines vorgeschalteten, konventionellen Brenners durch den
Katalysator geleitet werden, bis der Katalysator seine Anspringtemperatur
erreicht. Auch hierbei ist darauf zu achten, dass die Abgase einer
konventionellen Flamme zumeist deutlich über oben genannter Umwandlungstemperatur
von Aluminiumoxid liegen und somit die Gefahr einer Schädigung besteht.
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Ziel
der Erfindung ist es, ein Heizgerät der eingangs erwähnten Art
vorzuschlagen, bei dem das Wärmetauschmedium
optimal erwärmt
wird.
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Erfindungsgemäß wird dies
bei einem Heizgerät
der eingangs erwähnten
Art durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 1 erreicht.
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Durch
die vorgeschlagenen Maßnahmen wird
erreicht, dass die Kühlrohre
allseitig der Strahlungswärme
der Brennrohre ausgesetzt sind, so dass das Wärmetauschmedium entsprechend
rasch erwärmt
werden kann. Die Brennrohre können
vom Abgaskanal her gezündet
werden, wobei Gegenstromflammen in den Brennrohren nach oben aufsteigen können und
dadurch die Brennrohre erwärmen.
Die Zündung
im Abgasraum erfolgt an einem Ort, an dem das Gemisch zuerst aus
den Reaktionsrohren austritt und der ausreichend weit vom Abgasaustritt
entfernt ist. Dabei braucht lediglich die Strömungsgeschwindigkeit des Gemisches
in der Zündphase
niedriger als die Flammengeschwindigkeit zu sein. Durch das Fehlen
der katalytischen Beschichtung in dem dem Abgasraum näheren Drittel
der Brennrohre wird erreicht, dass es durch die während der
Zündung
auftretenden Flammen zu keiner Beschädigung der Beschichtung kommt.
Dabei kann jedoch der Brenner auch noch nach einer allfälligen Zerstörung der
katalytischen Beschichtung als normaler Brenner mit Flammen betrieben
werden.
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Durch
die Gegenstromführung
von Flamme und Gas ist gewährleistet,
dass sich nicht zu hohe Verbrennungstemperaturen ergeben, die zu
einer Schädigung
des Materials führen
können,
da ein Brenngas-Abgas-Gemisch durch die Flammenfront hindurchtreten
muss. Damit ist eine Verdünnung
des Gemisches verbunden, wodurch sich ein Gleichgewicht zwischen
Abgas und Gemisch beziehungsweise Brenngas ergibt, wodurch sich
die während
des Zündvorganges
ausbildende Flamme stabilisiert. Dabei kann der Brenner im Abgasraum
gezündet
werden.
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Durch
die Merkmale des Anspruches 2 ergibt sich eine sehr einfache Auskopplung
der Wärme
der Brennrohre und damit ein schadstoffarmer Betrieb des Brenners.
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Dabei
ergibt sich durch die Merkmale des Anspruches 3 der Vorteil eines
einfachen Aufbaus des Heizgerätes.
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Durch
die Merkmale des Anspruches 4 ergibt sich eine Gegenstromführung von
Gemisch und Wärmetauschmedium,
wodurch sich ein besonders guter Wärmeübergang ergibt. Außerdem ermöglichen
die Lamellen einen sehr weitgehenden Entzug der Wärme der
Abgase. Dabei kann das Heizgerät
auch als Brennwertgerät
betrieben werden, bei dem es zur Kondensierung der Abgase kommt.
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Durch
die Merkmale des Anspruches 5 ist es möglich, das Heizgerät modulierend
zu betreiben, wobei je nach dem momentanen Wärmebedarf mehr oder weniger
Brennrohre mit dem Gemisch beaufschlagt werden können. Die Regelung erfolgt
dabei einfach durch entsprechende Erhöhungen oder Verminderungen
des Druckes des Gemisches im Gemischrohr und, falls notwendig, auch
in der Rücklaufleitung
des Wärmetauschmediums,
bei dem es sich um Wasser, aber auch zum Beispiel um ein Thermoöl handeln
kann, das in einem geschlossenen Kreislauf geführt wird und zum Beispiel Wärme über einen
weiteren Wärmetauscher
an ein anderes Medium abgibt.
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Durch
die Merkmale des Anspruches 6 wird eine Wärmeabstrahlung in die Umgebung
weitgehend vermieden.
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Für den Fall,
dass der Brenner über
einen separaten Zündraum
erwärmt
wird, ergibt sich durch den Anspruch 7 der Vorteil, dass während der
Zündung
des Brenners die Strömungsgeschwindigkeit des
Gemisches durch Drosselung der Bypassstrecke reduziert werden kann.
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Durch
die Merkmale des Anspruches 8 wird nicht nur ein entsprechend hohes
Maß an
Betriebssicherheit sichergestellt, sondern die Rückschlagnetze bewirken auch
eine Homogenisierung des Gemisches, das sich aus einem Brenngas
und Luft zusammensetzt. Damit ist auch sichergestellt, dass das
Gemisch gleichmäßig an der
Katalysatoroberfläche
vorbeiströmt.
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Weiter
wird durch die Merkmale des Anspruches 9 sichergestellt, dass sowohl
für die
Vormischung als auch zur Überwindung
des Strömungswiderstandes
des Gesamtbrenners ein ausreichend hohes Druckpotential zur Verfügung steht.
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Durch
die Merkmale des Anspruches 10 wird erreicht, dass das Wärmetauschmedium,
das die die Brennrohre umgebenden Kammern umschließt, durch
die erwärmten
Kammern rasch erwärmt
wird. Dabei sind die Wände
der Kammern aus einem gut wärmeleitenden
Material hergestellt.
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Durch
die Merkmale des Anspruches 11 ergibt sich der Vorteil, dass ein
hoher Anteil der freigesetzten Energie in Strahlungswärme umgesetzt
wird, wodurch sich ein sehr günstiger
Wärmeübergang über die
Wände der
Kammern, die durch die Strahlungswärme aufgeheizt werden, in das
Wärmetauschmedium
ergibt.
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Durch
die Merkmale des Anspruches 12 erfolgt eine sehr weitgehende Ausnutzung
der Wärme der
Abgase, wobei das Heizgerät
auch als Brennwertgerät
betrieben werden kann. Damit ist kein zusätzlicher konvektiver Wärmetauscher
mehr notwendig.
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In
diesem Zusammenhang ist es vorteilhaft, wenn der Abgasraum mit einem
Kondensatablauf versehen ist.
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Durch
die Merkmale des Anspruches 13 ergibt sich eine sehr gleichmäßige Beaufschlagung
der einzelnen Brennrohre.
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Durch
die Merkmale des Anspruches 14 ist es möglich, den Brenner beziehungsweise
das Gemisch in der Zündphase
in einem separaten Zündraum
zu zünden.
Dies ermöglicht
es, die Strömungsgeschwindigkeit
des Gemisches in der Zündphase
herabzusetzen.
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Dies
ist durch Schließen
des Ventils in der Bypassstrecke auf einfache Weise möglich. Die Brennrohre
können
auch vom Abgasraum her gezündet
werden, wobei Gegenstromflammen die Brennrohre nach oben aufsteigen
können
und dadurch die Brennrohre erwärmt
werden, wodurch die katalytische Umsetzung des Gemisches einsetzt.
Dabei ist es jedoch wesentlich, dass die Strömungsgeschwindigkeit des Gemisches
in der Zündphase
niedriger als die Flammengeschwindigkeit ist. Zusätzlich werden
die Brennrohre durch Wärmeleitung
von der Abgasseite her erhitzt.
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Durch
die Merkmale des Anspruches 16 ergibt sich ein sehr kompakter Aufbau
des Heizgerätes. Dabei
ist durch die vorgeschlagene Anordnung der Abgasleitung eine Ausnutzung
der Wärme
der Abgase möglich.
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Die
Erfindung wird nun anhand der Zeichnung näher erläutert.
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Dabei
zeigen:
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1 und 2 Längsschnittdarstellungen von
Varianten der Erfindung,
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3 eine
Querschnittsdarstellung entlang der Linie III-III in der 1,
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4 schematisch
den Aufbau eines separaten Zündraumes,
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5 bis 7 weitere
Ausführungsformen erfindungsgemäßer Heizgeräte.
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Gleiche
Bezugszeichen bedeuten in allen Fig. gleiche Einzelheiten.
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Bei
dem erfindungsgemäßen Heizgerät ist eine
Rücklaufleitung 1 und
eine Vorlaufleitung 2 für ein
Wärmetauschmedium,
zum Beispiel Wasser, vorgesehen, die registerartig über Kühlrohre 3 miteinander
verbunden sind, die aus einem gut wärmeleitenden und wärmeabsorbierenden
Material, wie zum Beispiel schwarz mattierten Kupferrohren oder ähnliche
Materialien mit einem hohen Emissionsfaktor der Oberfläche hergestellt
sind.
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Dabei
durchsetzen die Kühlrohre 3 Brennrohre 4,
die an ihrem der Vorlaufleitung 2 näheren Ende 18 mit
einem Gemischrohr 5 verbunden sind, das von einem Brenngas-Luft-Gemisch
durchströmt ist.
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Die
Mischung des Gases mit der über
einen Ventilator 25 angesaugten Luft erfolgt in einem Gemischrohr 5.
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Die
Brennrohre 4, bestehend aus Metall oder Keramik, sind an
ihrer Innenseite 20 mit einer katalytischen Beschichtung 6 versehen,
die sich vom gemischrohrseitigen, dem Ende 18 entsprechenden Ende
der Brennrohre 4 bis zu ca. 2/3 der Länge der Brennrohre 4 erstreckt.
An der Außenseite
der Brennrohre 4 und der des gesamten Brenners sind diese
beziehungsweise dieser mit einer Isolierung 7 aus einem
wärmedämmenden
Material versehen, um die Abstrahlungsverluste zu minimieren.
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Die
Brennrohre 4 münden
in einen Abgasraum 10, an dem eine Abgasleitung 11 angeschlossen
ist. Dabei ragt die Rücklaufleitung 1 in
den Abgasraum 10 hinein, wobei die Rücklaufleitung mit in den Abgasraum 10 ragenden
Lamellen 12 bestückt ist.
Der Abgasraum 10 selbst ist mit einem unten angeordneten
Kondensatablauf 13 versehen. Durch die Anordnung der Rücklaufleitung 1 im
Abgasraum 10 ergibt sich eine Gegenstromführung des
noch nicht verbrannten Gemisches beziehungsweise des Abgases und
des Wärmetauschmediums,
das die Kühlrohre 3 durchströmt.
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Da
eine modulierende Betriebsweise eines katalytischen Brenners nur
mit großem
Aufwand realisiert werden kann, besteht die Möglichkeit, je nach Wärmeanforderung
Brennrohre separat zuzuschalten, indem man in der Gemischzufuhrleitung
zwischen den einzelnen Brennrohren eine druckgesteuerte Membrane 8 anbringt.
Liegt eine hohe Wärmeanforderung
an, so wird über
das Gasventil 22 ein größerer Durchsatz
an Gas und Luft freigegeben, der in die zur Verfügung stehenden Brennrohre einströmt. Steigt
der Druck im Zuleitungsrohr über
einen kritischen Wert an, so öffnet
die Membrane 8, und ein weiteres Brennrohr wird mit zur
katalytischen Verbrennung des Gases genutzt.
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Im
Gemischrohr 5 sind durch Druck steuerbare Membranen 8,
steuerbare Ventile eingebaut, die, in Strömungsrichtung des Gemisches
gesehen, vor dem zweiten und den folgenden Brennrohren 4 angeordnet
sind.
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Dadurch
ist es möglich,
durch entsprechende Änderung
des Druckes im Gemischrohr 5 mehr oder weniger Brennrohre 4 mit
Gemisch zu beaufschlagen, wobei die Ventile gegen das abgeschlossene
Ende des Gemischrohres 5 zu bei einem immer höheren Druck öffnen.
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In
der Rücklaufleitung 1 können zusätzlich ebenfalls
vor dem, in Strömungsrichtung
gesehen, zweiten und den weiteren Kühlrohren 3 druckgesteuerte
Membranen 9 angeordnet sein. Diese werden gleichzeitig
mit den Membranen im Gemischraum geschaltet und geöffnet. Dabei öffnen die
Membranen bei einer Überschreitung
eines bestimmten Druckes, wobei der Öffnungsdruck der Membranen
gegen das geschlossene Ende der Rücklaufleitung 1 zu
ansteigt.
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In
Verbindung mit den Membranen 8 im Gemischrohr 5 kann
das Heizgerät
stetig modulierend betrieben werden.
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Dabei
werden die jeweils geöffneten
Reaktionsrohre konventionell, wie bereits oben beschrieben, vom
Abgassammelraum her gezündet.
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Wird
das Gerät
nicht vom Abgasraum 10 über
dort erforderliche Zündelektroden 21 aus
gezündet,
ist im Gemischrohr 5, in Strömungsrichtung des Gemisches
gesehen, vor dem ersten Brennrohr 4 ein Zündraum 14 angeordnet,
in dem eine Umlenkung des Gemischstromes erzwingende Einbauten 15 angeordnet
sind.
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In
der parallel zum Zündraum 14 verlaufenden
Bypassstrecke 16 der Gemischleitung 5 ist ein temperaturgesteuertes
Ventil 17 angeordnet.
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Während der
Zündphase
schaltet das Ventil 17 nur die Gaszufuhr zum Zündraum frei.
Das Gemisch strömt
in den Brenner 24 und wird durch die Zündelektroden 21 gezündet.
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Das
Abgas wird durch die Einbauten 15 umgelenkt und durchströmt über die
Zuführungsleitung 16 stromab
des Ventiles 17 den katalytischen Brenner. Erreicht der
Brenner mit der katalytischen Beschichtung die Arbeitstemperatur,
so wird das Ventil 17, ein Umschaltventil, umgeschaltet,
so dass nun das Gas-Luft-Gemisch direkt über die Zuführungsleitung 16 in
den katalytischen Brenner einströmt,
ohne zuvor im separaten Zündraum
verbrannt zu werden.
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Vor
der Gaszuführung
in die Brennrohre 4 sind nicht dargestellte Rückschlagnetze 19 angebracht,
deren Maschenweite kleiner als der Löschabstand sind. Diese Netze
dienen auch zur Homogenisierung des Gemisches und der Strömungsgeschwindigkeit
des Gemisches über
den gesamten Querschnitt des Brennrohres.
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Bei
der Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Heizgerätes nach
der 5 ist ein, in Draufsicht gesehen, länglicher
Kessel 31 vorgesehen, in dessen unterem Bereich ein Abgasraum 32 vorgesehen
ist. Dabei ragen vom Abgasraum 32 Kammern 33 nach
oben, die an ihren oberen Enden 54 abgeschlossen sind.
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Weiter
verläuft
eine Rückleitung 34 für ein aufzuheizendes
Medium, die mit Lamellen 35 versehen ist, im Abgasraum 32,
wobei die Rückleitung 34 mit
zwischen den Kammern 33 und den Wänden des Kessels 31 vorgesehenen
Räumen 36 verbunden
ist, die von dem Medium erfüllt
sind.
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Die
oberen Enden 54 der Kammern 33 sind von einem
Gemischrohr 37 durchsetzt, an dem die Brennrohre 38 angeschlossen
sind, die in den Kammern 33 zentral angeordnet und von
Wärmetauscherflächen umgeben
sind. Dabei sind die Brennrohre 38 mit einer katalytischen
Beschichtung 39 versehen, die sich vom Anschluss 55 an
dem Gemischrohr 37, das ein Gemisch aus Brenngas und Luft führt, aus
erstrecken. Das Gemisch wird an der Außenseite des katalytisch beschichteten
Zylinders gezündet.
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Weiter
sind die vom Wärmetauschmittel
erfüllten
Räume 36 mit
einer Vorlaufleitung 40 verbunden.
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Der
Abgasraum 32 ist mit einer Abgasleitung 41 verbunden
und weist einen Kondensatablauf 42 auf.
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An
den Brennrohren 38 wird das Gemisch katalytisch umgesetzt,
wodurch Wärme
erzeugt wird, die durch Strahlung die Wände 56 der Kammern 33 erwärmt, die
aus einem gut wärmeleitenden
Material, wie zum Beispiel Kupfer, hergestellt sind. Die Wände 56 der Kammern
sind vom Wärmetauschmedium, zum
Beispiel Wasser, umgeben und geben die Wärme an das Wärmetauschmedium
ab. Dabei ergibt sich eine gegenläufige Strömung des Gemisches und des
Wärmetauschmediums,
das vom Rücklauf 34 zum
Vorlauf 40 unter der Wirkung einer Pumpe strömt.
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Bei
der Ausführungsform
nach der 6 sind die Kammern 33 entlang
einer Kreislinie angeordnet, in deren Zentrum das Abgasrohr 41 angeordnet
ist, das mit Lamellen 43 versehen ist.
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Dies
hat den Vorteil, dass kein zusätzlicher Wärmetauscher
zur Nutzung der Restabgaswärme mehr
notwendig ist.
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Die
Brennrohre 38, die aus einem Drahtnetz, Streckmetall oder
einem porösen
keramischen Körper
mit regel- oder unregelmäßiger Struktur
bestehen, sind ebenfalls katalytisch beschichtet 39 und von
je einem Wärmetauscherrohr
umgeben. In dem Brennrohr 38 ist eine Gasverteilungsvorrichtung
vorgesehen, die aus einem Drahtnetz, Streckmetall oder einem porösen keramischen
Körper
mit regel- oder unregelmäßiger Struktur
gebildet ist. Die bei katalytischer Umsetzung freigesetzte Wärme wird
hauptsächlich
durch Strahlung an die umgebenden Wärmetauscher abgegeben.
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Die
Restwärme
des Abgases wird konvektiv einerseits über die Strömungswege bis zum Abgassammelraum
und andererseits über
die am Abgasrohr befindlichen Lamellen abgeführt.
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Der
Kessel 31 ist bei der Ausführungsform nach der 6 mit
einem Deckel 45 versehen, durch den die Gemischrohre 37 und
das Abgasrohr 41 dicht hindurchgeführt sind.
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Bei
der Ausführungsform
nach der 7 sind die Brennrohre über einen
Verteiler 46 mit Gemisch beaufschlagt, an den die Brennrohre 38 stirnseitig
angeschlossen sind.
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Die
Brennrohre 38 bestehen aus einem keramischen oder metallischen
Körper,
deren innere Oberfläche
mit einem Katalysator beschichtet ist. Die äußere Oberfläche des keramischen oder metallischen
Rohres dient zur Abstrahlung der bei der katalytischen Umsetzung
freigesetzen Wärme.
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Die
Brennrohre 38 sind jeweils von einem Wärmetauscherrohr umgeben. Die
Wärmetauscherrohre
können
im Bereich des Abgaskanals mit Lamellen bestückt sein, um die Restabgaswärme zu nutzen.
Der Wärmetauscher
mit integrierten katalytisch beschichteten Brennrohren 38 ist
oberhalb der Gasführung
gasdicht abgeschlossen.
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Das
Gas-Luft-Gemisch strömt über den
Verteiler 46 und die Brennrohre 38 in die Kammer 33 ein.
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Dieser
Verteiler 46 ist über
einen Zündraum 47 mit
einem Mischer 48 verbunden, wobei der Zündraum 47 mit Einbauten 49 versehen
ist, die eine Umlenkung des Gemischstromes bewirken. Weiter ist
der Mischer 48, in den ein Gebläse 50 Luft einbläst und an
den eine Gasleitung 51 angeschlosssen ist, über eine
Bypassstrecke 52 mit dem Verteiler 46 verbunden,
wobei in der Bypassstrecke 52 ein temperaturgesteuertes
Ventil 53 angeordnet ist.
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Eine
weitere Möglichkeit,
den Brenner zu zünden,
besteht darin, dass die Zündung
im Abgaskanal 32 erfolgt. Dabei muss die Strömungsgeschwindigkeit
des Gases kleiner als die Flammengeschwindigkeit sein, damit das
Abgas in den Brennrohren 38 aufsteigen kann.
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Dabei
wird das keramische Brennrohr von außen nach innen durchströmt. Sobald
der Katalysator die Anspringtemperatur erreicht hat, setzt die katalytische
Umsetzung im Inneren des Brennrohres 38 ein, und die Flamme
verlischt selbständig
im Gasraum 32, 33. Das Gas-Luft-Gemisch muss dabei
den Strömungskanal
im Inneren des Brennrohres 38 durchströmen.
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Eine
Bypassstrecke 23 ist während
der Zündphase
des Gemisches so lange geschlossen, bis die Brennrohre 38 auf
Arbeitstemperatur aufgeheizt sind und anschließend das Gemisch katalytisch weiter
umgesetzt werden kann. Dadurch werden die Brennrohre entsprechend
erwärmt,
wodurch eine katalytische Umsetzung des Gemisches ermöglicht wird.