DE19620303A1 - Katalytischer Wärmeerzeuger mit einer Brennkammer - Google Patents

Description

Gegenstand der Erfindung ist ein katalytischer Wärmeerzeuger gemäß den Merkmalen des Oberbegriffs des unabhängigen Patentanspruchs.

Bei einem zweistufigen katalytischen Wärmeerzeuger, dessen erste Stufe durch ein kataly­ tisch beschichtetes Anströmelement gebildet ist und dessen zweite Stufe als konventioneller Flammenbrenner ausgebildet ist, erfolgt zunächst eine teilkatalytische Umsetzung mit NO_x-reduzierender Wirkung. Infolge der katalytischen Umsetzung entsteht eine Art Magergemisch. Dieses wird einem konventionellen Flammenbrenner zugeführt. Nachteilig ist, daß in jedem Betriebszustand eine Nachverbrennung - verbunden mit starker Schadstoffemission - stattfinden muß. Der konventionelle Flammenbrenner muß den Hauptanteil des Brenngas-Luft-Gemisches in der Flamme umsetzen, so daß eine relativ hohe Flammentemperatur resultiert und folglich höhere NO_x-Emission in Kauf genommen werden muß. Damit wird der Vorteil der NO_x-Reduktion durch stromaufseitige katalytische Umsetzung teilweise wieder hinfällig. Um den Effekt der katalytischen Reaktion zu erhöhen, müßte die Verweilzeit des Reaktionsgases an der katalytischen Oberfläche erhöht werden. Dies bedingt entweder sehr niedrige Strömungsgeschwindigkeiten oder aber hohe Katalysetemperaturen, wodurch im ersten Fall eine hohe Flammenrückschlagsgefahr besteht und im zweiten Fall die Lebenszeit des Katalysators stark herabgesetzt wird.

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

Die Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des unabhängigen Patentan­ spruchs gelöst. Der beanspruchte Wärmeerzeuger zeichnet sich vor allem durch die doppelseitige Beschichtung des Reaktionsrohres aus. Der wärmeleitende Kontakt zwischen dem Gas-Luft-Gemisch-Einlaß und dem Abgassammler ermöglicht eine effektive Vorwärmung des Reaktionsgemisches. Der Spaltbrenner dient nur zur Vorheizung des Reaktionsrohres auf die Arbeitstemperatur von maximal 500°C. Das Reaktionsrohr erwärmt sich nach der Zündung des Spaltbrenners durch Wärmeleitung innerhalb des Rohres und durch Wärmestrahlung wie auch durch das hindurchströmende zunehmend stärker vorgewärmte Gemisch allmählich. Wenn die Arbeitstemperatur erreicht ist, setzt die kata­ lytische Umsetzung an der inneren und der äußeren Oberfläche des Reaktionsrohres ein, wodurch das Brenngas-Luft-Gemisch verbraucht wird und der konventionelle Spaltbrenner wegen Brennstoffmangels erlischt. Dieser stationäre Betriebszustand beruht auf ausschließlich katalytischer Umsetzung. Eine weitere Vorwärmung des Gemisches durch einen konventionellen Flammenbrenner ist nicht erforderlich, da sich ein Gleichgewichtszustand einstellt, bei dem die Wärmeübertragung vom Abgassammler auf den Gas-Luft-Gemisch-Einlaß ausreichend ist. Die verbleibende Schadstoffemission ist entsprechend gering.

Anspruch 2 charakterisiert eine vorteilhafte Ausbildung des katalytischen Wärmeerzeugers, wobei auf einfache Weise hohe Umsetzungsraten und eine Anpassung an die geforderte Geräteleistung möglich sind.

Bei der Anordnung gemäß Anspruch 3 ist der Abgassammler im unteren Bereich des Wär­ meerzeugers angeordnet, so daß bei Brennwertausnutzung ein Kondensatabfluß problem­ los an der tiefsten Stelle angeordnet werden kann.

Bevorzugt sind mehrere Flammenrückschlaggitter gemäß Anspruch 4 vorgesehen. Auf diese Weise wird nicht nur ein Rückschlagen der Flamme vermieden, sondern durch die Wärmebrückenfunktion auch eine besonders schnelle Aufwärmung des Wärmetauschermediums und eine schnelle Wärmeabfuhr aus den Reaktionsrohren sichergestellt.

Um eine besonders effektive Gemischvorwärmung zu erreichen, können, wie in Anspruch 5 vorgeschlagen, Lamellen (11) vorgesehen sein.

Im Zusammenhang mit der Brennwertvariante ist die Ausführungsform nach Anspruch 6 besonders vorteilhaft. Der Abgaswärmetauscher kann dabei als konventioneller Lamellen­ wärmetauscher ausgebildet sein.

Bevorzugt erfolgt die Ableitung der Reaktionswärme durch eine Wassermantel- oder Was­ serkammerausbildung des Wärmetauschers gemäß Anspruch 7. Die Wasserkammern um­ schließen sacklochartige Hohlräume, in denen die Reaktionsrohre angeordnet sind. Die Wasserkammern können gegebenenfalls mit dem Abgaswärmetauscher in Reihe oder parallel hydraulisch verbunden sein.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines katalytischen Wärmeerzeugers und

Fig. 2 eine Schnittdarstellung in der Ebene I-I in Fig. 1.

Der Wärmeerzeuger gemäß Fig. 1 besteht im wesentlichen aus einem Gas-Luft-Gemisch- Einlaß 1, von dem mehrere senkrecht aufrechtstehende und parallel zueinander angeord­ nete Reaktionsrohre 2 abzweigen. Die Reaktionsrohre 2 sind sowohl innen- wie auch au­ ßenseitig mit einer katalytischen Beschichtung 3 versehen. Zwischen den Reaktionsrohren 2 sind parallel oder seriell durchströmte Wasserkammern 4 angeordnet. Das Gemisch ge­ langt zunächst in den Innenraum 5 der Reaktionsrohre 2, umströmt deren freies Ende 6 und gelangt in einen Ringspalt 7. Der Ringspalt 7 ist außenseitig von den Wasserkammern 4 begrenzt. Am Auslaßende des Ringspaltes 7 ist ein konventioneller Spaltbrenner 8 mit einer nicht dargestellten Zündvorrichtung angeordnet. Die Flammen des Spaltbrenners 8 ragen in einen Abgassammler 9 hinein, der mit einem Kamin 10 verbunden ist. Zur Vorwärmung des Verbrennungs- beziehungsweise Reaktionsgemisches ist der Gemischeinlaß 1 innerhalb des Abgassammlers 9 angeordnet und außenseitig mit Lamellen 11 versehen. An der Au­ ßenseite der Reaktionsrohre 2 sind Flammenrückschlaggitter 12 befestigt, wobei diese den Ringspalt 7 nicht vollständig ausfüllen, so daß ein geringer Abstand 13 zu den Wasserkam­ mern 4 verbleibt. Die Flammenrückschlaggitter 12 sind bei der dargestellten Ausführungs­ form schraubenlinienförmig um die Reaktionsrohre 2 gewunden. Möglich ist aber auch eine ringlochscheibenförmige Ausbildung der Flammenrückschlaggitter. Der Wärmeerzeuger weist außerdem einen konventionellen Abgaswärmetauscher 14 auf, der die Abgase bis unter den Taupunkt abkühlt, wobei das entstehende Kondensat über einen mit der tiefsten Stelle des Abgassammlers 9 verbundenen Kondensatabfluß 15 abgeführt wird.

Der katalytische Wärmeerzeuger ist von einem in Draufsicht kreisförmigen Gehäuse 16 um­ geben. Diese Bauform wird durch die Mittellinie 17 charakterisiert. Innerhalb des Gehäuses 16 sind die Reaktionsrohre 2 gleichmäßig verteilt angeordnet. Denkbar ist aber auch eine langgestreckte Bauform, bei der die Reaktionsrohre 2 nebeneinander aufgereiht sind.

Fig. 2 zeigt einen Schnitt durch ein Reaktionsrohr 2 in der Ebene I-I gemäß Fig. 1. Es ist ersichtlich, daß das Flammenrückschlaggitter 12 die Wandung der Wasserkammer 4 nicht berührt. Das aus Metall- oder sonstigem Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit und großem Wärmeausdehnungskoeffizienten bestehende Flammenrückschlaggitter 12 dehnt sich bei Erwärmung aus, so daß eine Art Wärmebrückenfunktion zwischen dem Reaktionsrohr 2 und der Wasserkammer 4 entsteht.

Nachfolgend wird die Arbeitsweise des katalytischen Wärmeerzeugers gemäß Fig. 1 näher erläutert.

In der Startphase durchströmt das Gemisch den Einlaß 1, den Innenraum 5 des Reaktions­ rohres 2 und den Ringspalt 7, ohne daß eine katalytische Reaktion stattfindet. Die kataly­ tisch beschichteten Reaktionsrohre 2 sind in der Startphase noch zu kalt, um wirksam zu sein. Das Gemisch strömt folglich in seiner Zusammensetzung unverändert dem Spaltbren­ ner 8 zu. Dort erfolgt die Zündung, wodurch der lamellenbestückte Gemischeinlaß 1 vor­ gewärmt wird und sich, insbesondere durch Wärmeleitung, auch die Reaktionsrohre allmäh­ lich erwärmen. Wenn diese ihre Arbeitstemperatur, beispielsweise 500 °C, erreicht haben, setzt die katalytische Reaktion quasi schlagartig ein, wodurch das Brenngas verbraucht wird, so daß der Spaltbrenner 8 selbsttätig erlischt. In dem nunmehr erreichten stationären Zustand wird ein vollständiger Umsatz durch katalytische Reaktion an der Innenseite und an der Außenseite des Reaktionsrohres 2 erreicht. Die Reaktion kann durch Temperatursteue­ rung mittels einer definierten Wärmeauskopplung und durch hinreichend niedrige Strö­ mungsgeschwindigkeiten kontrolliert werden. Die Luftzahl, das heißt die Zusammensetzung des Gemisches hinsichtlich des Verhältnisses von Luftanteil zu Gasanteil, ist in weiten Be­ reichen frei wählbar, wobei eine Begrenzung nur durch den zu optimierenden Grad der katalytischen Umsetzung einzuhalten ist.

Die Erfindung beschränkt sich nicht auf das vorstehend angegebene Ausführungsbeispiel. Vielmehr ist eine Anzahl von Varianten denkbar, welche auch bei grundsätzlich anders ge­ arteter Ausführung von den Merkmalen der Erfindung Gebrauch machen.

Claims (4)

1. Katalytischer Wärmeerzeuger mit einer Brennkammer, in der ein mit einer Gas-Luft-Gemisch-Zuführung verbundener Flammen­ brenner angeordnet ist, dessen Abgase einem mit einem Kamin verbundenen Abgassammler zugeführt sind, wobei in der Gas- Luft-Gemisch-Zuführung ein katalytisch beschichtetes Reaktions­ rohr vorgesehen ist, welches an einem Ende mit einem Gas-Luft- Gemisch-Einlaß (1) verbunden ist und dessen freies Ende (6) von dem Gas-Luft-Gemisch mäanderförmig umströmt ist, wobei ein konzentrisch übergestülpter, innenseitig topfförmiger Wärmetau­ scher vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere parallel zueinander angeordnete Reaktionsrohre (2) vorgesehen sind, die beidseitig katalytisch beschichtet sind und zwischen de­ ren Außenseiten und dem Wärmetauscher Ringspalte (7) vorge­ sehen sind, an deren Auslaßenden jeweils als Spaltbrenner (8) ausgebildete Flammenbrenner angeordnet sind, die stromabseitig mit dem in an sich bekannter Weise in wärmeleitendem Kontakt mit dem Gas-Luft-Gemisch-Einlaß (1) stehenden Abgassammler (9) verbunden sind.

2. Wärmeerzeuger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Reaktionsrohre (2) jeweils mit mindestens einem in den Ringspalt (7) hineinragenden Flammenrückschlaggitter (12) ver­ sehen sind.

3. Wärmeerzeuger nach einem der vorangehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß der Gas-Luft-Gemisch-Einlaß (1) mit in den Abgassammler (9) hineinragenden Lamellen (11) versehen ist.

4. Wärmeerzeuger nach einem der vorangehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß der Abgassammler (9) einen Ab­ gaswärmetauscher (14) aufweist.