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Gegenstand
der Erfindung ist ein katalytischer Wärmeerzeuger gemäß dem Oberbegriff
des unabhängigen
Anspruches.
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Eine
Kombination eines konventionellen Gasbrenners mit einem Oxidationswabenkatalysator ist
aus der DE-PS 39 05 775 bekanntgeworden. Die Schadstoffreduktion
wird dabei durch katalytische Nachverbrennung der Abgase eines Brenners
herkömmlicher
Bauart erreicht. Beispielsweise wird bei einer Gastherme zwischen
Brenner und Wärmetauscher
der Wabenkatalysator zusätzlich
eingebaut. Nachteilig ist, daß in
jedem Fall eine Grundverbrennung mit einem herkömmlichen Brenner für fossile Brennstoffe – verbunden
mit starker Schadstoffemission – stattfinden
muß. Da
der Katalysator nur bis zu einer maximalen Temperatur von 900°C, belastbar ist,
muß der
Brenner den Hauptanteil des Brenngas-Luft-Gemisches in der Flamme
umsetzen, so daß eine
relativ hohe Flammentemperatur resultiert und folglich eine erhebliche
NOx-Emission in Kauf genommen werden muß. Diese
NOx-Emission
läßt sich durch
katalytische Nachverbrennung nur teilweise reduzieren.
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DE 37 32 653 A1 zeigt
einen Keramik- oder Metallschaumkörper, der katalytisch beschichtet
ist, jedoch ist keine Vorwärmung
von Frischgemisch aufweist. Eine Vorwärmung der Verbrennungsluft
zum Brenner ist aus
US
5 375 999 A bekannt. Das Schutzrecht zeigt einen konventionellen
Brenner, dem ein Katalysator und ein Wärmeaustauscher nachgeordnet
sind. Mittels des Wärmeaustauschers
kann die Verbrennungsluft vorgewärmt
werden.
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Aus
der
DE 44 23 983 A1 ist
ein Heizgerät mit
Brennwertnutzung bekannt, bei dem Abgas von einem Temperaturniveau
unterhalb der Taupunktstemperatur an warmen Wänden einer Brennkammer vorbeigeleitet
wird, damit es auf die für
Kamineinleitung notwendige Temperatur erhitzt wird.
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EP 351 082 A2 zeigt
einen zweigeteilten Wabenkörper,
bei dem ein Teil katalytisch beschichtet ist und der andere Teil
als Flammenrückschlagsicherung
dient. Um den Flammenrückschlag
zu verhindern, verfügt
der Wabenkörper über eine
geringe Wärmeleitung.
Deshalb sind beide Wabenkörper
aus α-Al
2O
3 hergestellt. α-Al
2O
3 besitzt eine
spezifische Oberfläche
von ca. 60 m
2/g und wandelt sich bei einer
Temperatur von rund 900°C
irreversibel in γ-Al
2O
3 um. γ-Al
2O
3 Besitzt lediglich
eine spezifische Oberfläche
von ca. 1 m
2/g. Deshalb muss eine Überhitzung vermieden
werden. Die Patentanmeldung lehrt, dass bei einem Wabenkörper, der
einerseits beschichtet und andererseits nicht beschichtet ist, mit
Brüchen aufgrund
von thermischen Spannungen (thermal shock) zu rechnen ist. Daher
soll der unbeschichtete Teil kurz ausgeführt werden. Aufgrund der relativ
geringen Wärmeleitfähigkeit
von Al
2O
3 von rund
20 W/(mK) kann nur wenig Wärme
aus der katalytisch beschichteten Region in die unbeschichtete Region geführt werden.
Der unbeschichtete Teil dient der Wärmedämmung, um Flammenrückschlag
zu vermeiden.
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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.
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Die
Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des unabhängigen Patentanspruches gelöst. Der
beanspruchte Wärmeerzeuger
zeichnet sich vor allem durch die Anordnung des Wabenkörperreaktors
im Strömungsweg
vor dem Gasbrenner aus. Der Gasbrenner ermöglicht die Aufheizung des Wabenkörperreaktors
auf die Arbeitstemperatur von ca. 500°C. Durch Wärmeleitung innerhalb des Wabenkörperreaktors
wird allmählich
auch dessen nicht katalytisch beschichteter Vorwärmebereich aufgeheizt, so daß das nachströmende Gemisch
den katalytisch beschichteten Bereich im vorgewärmten Zustand erreicht. Durch
die Teilkatalyse ergibt sich eine deutliche Verminderung des NOx-Ausstosses. Andererseits läßt sich
das Zünden
des Gas-Luft-Gemisches bei vorhandener Flamme besser vollziehen und überwachen
als bei Vollkatalyse.
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Durch
die Merkmale des Anspruchs 2 wird eine einfache und für den Erwärmungsprozeß des Wabenkörperreaktors
besonders effektive Ausbildung des Gasbrenners erreicht.
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Um
Verschmutzungen des Wabenkörperreaktors
durch die Verbrennungsprodukte oder durch vom Wärmetauscher herabtropfendes
Kondensat zu vermeiden, ist eine Sturzbrennerausbildung gemäß Anspruch
3 besonders vorteilhaft.
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Besonders
ergiebig ist die Wärmeausbeute, wenn
der Wärmetauscher
als Kondensationswärmetauscher
wirkt und somit der Wärmeerzeuger
gemäß Anspruch
4 nach dem Brennwertprinzip aufgebaut ist. Bei der Brennwertvariante
ist die Sturzbrenneranordnung gemäß Anspruch 3 zu bevorzugen,
da das Kondensat auf einfache Weise durch einen im unteren Bereich
des Gerätes
angeordneten Kondensatablauf unschädlich gemacht werden kann,
das heißt, ein
Zurücktropfen
von Kondensat auf die Verbrennungsoberfläche und damit auf die Oberfläche des Wabenkörperreaktors
ist ausgeschlossen.
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Durch
die zusätzliche
Anordnung eines Zwischenwärmetauschers
und einer permeablen Haube gemäß Anspruch
5 ergibt sich eine noch weiter verringerte NOx-Emission.
Außerdem
wird die Überhitzungsgefahr
des Katalysators verringert und dessen Lebensdauer erhöht.
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Der
Zwischenwärmetauscher
gestattet eine definierte Wärmeauskopplung,
so daß der
günstigste Temperaturbereich
für die
katalytische Umsetzung innerhalb des Wabenkörperreaktors problemlos einstellbar
ist.
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Im
kalten Zustand, insbesondere in der Inbetriebnahmephase, des Wabenkörperreaktors
findet noch keine katalytische Umsetzung statt. Das Gemisch durchströmt zunächst ohne
nennenswerte Beeinflussung die Waben des Reaktors und wird auf übliche Weise
an der Verbrennungsoberfläche,
die bevorzugt die Austrittsfläche
des Wabenkörperreaktors ist,
gezündet.
Es bilden sich kurze, heiße
Flammen, die den Reaktor schnell erwärmen. Nach dem Erreichen der
Arbeitstemperatur werden mindestens 10 % und maximal 50 % des Gemisches
katalytisch umgesetzt, wodurch die Flammenlänge anwächst. Dem Anwachsen der Flammenlänge steht
eine höhere Flammengeschwindigkeit,
bedingt durch höhere Temperatur,
entgegen. Je nach Ausführungsform
ist es gewollt, daß sich
die Flammen bis über
den Bereich der Kühlschlange
des Zwischenwärmetauschers
hinaus verlängern
und dabei erlöschen.
Das nachströmende,
bereits teilweise katalytisch umgesetzte Gemisch wird an der permeablen
Haube erneut gezündet.
Diese permeable Haube kann beispielsweise als Drahtnetz, als Gitter
oder auch als Streckmetallhaube ausgebildet sein. An der permeablen
Haube findet eine Strahlungsverbrennung statt, die in Kombination
mit der katalytischen Teilumsetzung eine besonders geringe Schadstoffemission erwarten
läßt. Die
Verlagerung der Verbrennungsoberfläche von dem Wabenkörperreaktor
weg führt außerdem zu
einer Beseitigung der Flammenrückschlaggefahr.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand zweier Ausführungsbeispiele näher erläutert.
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Es
zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform eines katalytischen
Wärmeerzeugers,
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2 eine
schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform eines katalytischen
Wärmeerzeugers
und
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3 einen
Schnitt durch den Wabenkörperreaktor
gemäß 1 oder 2.
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Der
Wärmeerzeuger
gemäß 1 weist eine
zylinder- oder würfelförmige Brennkammer 1 auf,
die von einem vom Wärmetauschermedium,
insbesondere Wasser, durchflossenen Doppelmantel 2 konzentrisch
umgeben ist. In der Brennkammer 1 sind ein metallischer
oder keramischer Wabenkörperreaktor 3 (viereckig
oder rund) mit einer einen konventionellen Gasbrenner bildenden
Verbrennungsoberfläche 4 und
stromab dessen Abgase ein Wärmetauscher 5 angeordnet.
Der Wärmetauscher 5 ist
mit dem Doppelmantel 2 seriell oder parallel verbunden.
Mit dem Doppelmantel 2 sind weiterhin ein Vorlauf 6 und
ein Rücklauf 7 verbunden,
zwischen denen in einem nicht dargestellten Umlauf mindestens ein
Verbraucher, beispielsweise eine Umlaufheizung oder der Primärkreis eines
Heizwasser-/Brauchwasser-Wärmetauschers,
geschaltet ist. Nahe der Verbrennungsoberfläche 4 sind eine Zündelektrode 8 und
eine Überwachungselektrode 9 vorgesehen.
Es ist ersichtlich, daß der
Wabenkörperreaktor 3 nach
Art eines Sturzbrenners angeordnet ist. An seiner Oberseite ist
der Wabenkörperreaktor 3 mit einer
Gas-Luft-Gemisch-Zuführung 10 verbunden. Um
eine gleichmäßige Zufuhr
des Gemisches in die einzelnen Kanäle 11 des Wabenkörperreaktors 3 zu gewährleisten,
ist innerhalb der Gas-Luft-Gemisch-Zuführung 10 eine Verteilerplatte 12 angeordnet.
Im kalten Zustand durchströmt
das Gemisch die Kanäle 11 bis
zu deren Mündungen,
die die Verbrennungsoberfläche 4 bilden,
ohne daß eine
katalytische Teilumsetzung stattfindet. Das Gemisch wird mittels der
Zündelektrode 8 in
herkömmlicher
Weise gezündet,
wobei die Verbrennung im wesentlichen als Strahlungsverbrennung
stattfindet, was durch die gezackten Pfeile verdeutlicht ist. Der
Wärmetauscher 5 und
der Doppelmantel 2 nehmen die Strahlungswärme auf
und entziehen den Abgasen einen Großteil der Wärme, so daß eine Abkühlung bis unter den Kondensationspunkt
erfolgt. Die bis unter 50°C
abgekühlten
Abgase eines derart als Brennwertgerät ausgebildeten Wärmeerzeugers
werden im unteren Bereich des Gerätes in einen Anschlußstutzen 13 für einen
nicht dargestellten Ka min geleitet. Ebenfalls an einer tiefstgelegenen
Stelle des für
die Abgasführung innerhalb
des Gerätes
vorgesehenen Abgassammelraumes 14 ist ein Kondensatablauf 15 angeordnet.
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Nach
der Zündung
stabilisiert sich die Verbrennung an der Verbrennungsoberfläche 4 des
Wabenkörperreaktors 3.
Durch Wärmeleitung,
Wärmestrahlung
und Konvektion wird Wärme
aus der Oberfläche
ausgekoppelt und in die Kanäle 11 des
Wabenkörperreaktors 3 gegen
die Strömung
des Gas-Luft-Gemisches zurückgeleitet.
Nach und nach erwärmt
sich der Wabenkörperreaktor 3.
Der Wabenkörperreaktor 3 ist
mit einem katalytisch beschichteten Bereich 16 und einem
an die Gas-Luft-Gemisch-Zuführung 10 anschließenden,
nicht katalytisch beschichteten Bereich 17 ausgestattet.
Der nicht katalytisch beschichtete Bereich 17 dient einerseits
der Wärmeableitung
aus dem Katalysator und andererseits der Gemischvorwärmung, wodurch
der Temperaturbereich ab 400°C,
bei dem im katalytisch beschichteten Bereich 16 die katalytische
Umsetzung einsetzt, schneller erreicht wird. Das vorgewärmte Gemisch
wird, abhängig
von der Strömungsgeschwindigkeit
und der Gemischzusammensetzung, teilweise umgesetzt, wobei der Grad
der katalytischen Umsetzung beschränkt ist. An der Verbrennungsoberfläche 4 erfolgt
in einer zweiten Stufe die Restverbrennung, bei der nur noch geringe
Mengen an NOx entstehen. Der stationäre Betrieb
liegt vor, wenn der Katalysator seine stationäre Arbeitstemperatur erreicht
hat.
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Eine
modifizierte Ausführungsform
eines zweistufig arbeitenden Wärmeerzeugers
veranschaulicht 2. Hier sind zusätzlich ein
Zwischenwärmetauscher 18 und
eine diesen stromabseitig überdeckende
permeable Haube 19 vorgesehen. Der Zwischenwärmetauscher 18 besteht
aus einem den Wabenkörperreaktor 3 seitlich
umschließenden Wassermantel 20 und
mindestens einer Kühlschlange 21.
Der Wassermantel 20 ist mit einem Vorlaufanschluß 22 und
einem Rücklaufanschluß 23 verbunden,
wobei auch eine parallele oder serielle Anbindung an den Wärmetauscher 5 bestehen
kann. Die Kühlschlange 21 ist
in einem Abstand, der etwa der Flammenlänge bei kaltem Wabenkörperreaktor 3 entspricht,
angeordnet. Der Wärmetauscher 5 ist
bei diesem Ausführungsbeispiel
als Plattenwärmetau scher
ausgebildet. Möglich
ist aber auch eine Lamellenwärmetauscherausbildung
bei dieser Variante der 2 und eine Plattenwärmetauscherausbildung
bei der Variante gemäß 1.
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Weiterhin
dargestellt ist die mit einem Gebläse 24 versehene Luftzuführung 25 und
die mit einem Magnetventil 26 versehene Gaszuführung 27.
Beide Zuführungen 25 und 27 münden in
einen Vormischraum 28, der zur Intensivierung der Mischung
mit Strömungsleitblechen 29 versehen
ist und in die Gas-Luft-Gemisch-Zuführung 10 übergeht.
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Im
kalten Zustand, das heißt
in der Zündphase,
findet noch keine katalytische Umsetzung statt. Auf der Verbrennungsoberfläche 4 bilden
sich kurze, heiße
Flammen aus, die den Wabenkörperreaktor 3 schnell
erwärmen.
Nach Erreichen der Arbeitstemperatur werden ca. 10 bis 50 % des
Gemisches katalytisch umgesetzt. Dadurch verlängern sich die Flammen bis über den
Bereich der Kühlschlange 21 des Zwischenwärmetauschers 18 hinaus.
Durch die Kühlung
mittels der Kühlschlange 21 des
Zwischenwärmetauschers 18 verlöschen die
Flammen. Das nachströmende
Gemisch wird an der permeablen Haube 19 gezündet. Die
Verbrennung im stationären
Zustand findet folglich an der permeablen Haube 19 und nicht
an der Mündung
der Kanäle 11 des
Wabenkörperreaktors 3 statt.
Einer Überhitzung
des Katalysators, die eine Verkürzung
der Lebensdauer zur Folge hätte,
wird damit vorgebeugt. Außerdem
ergibt sich eine effektivere Wärmeauskopplung.
Darüber
hinaus sinkt die NOx-Emission bei dieser zweiten Variante gegenüber der
einfacheren Ausbildungsform gemäß 1 noch
weiter ab, und die Gefahr eines Flammenrückschlagens besteht auch nicht
mehr.
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3 zeigt
einen typischen Querschnittsaufbau des Wabenkörperreaktors 3. Der
runde Querschnitt des Wabenkörperreaktors 3 ist
durch S-förmige
Zwischenwände 30 in
kleinere S-förmige
Räume 31 unterteilt,
die wiederum durch geschlängelte
Bleche 32 unterteilt sind, wodurch die Kanäle 11 gebildet werden. Über die
Höhe des
metallischen Wabenkörperreaktors 3 sind
die Wände
der Kanäle
nur zum Teil katalytisch beschichtet.
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Die
Erfindung beschränkt
sich nicht auf die vorstehend angegebenen Ausführungsbeispiele. Vielmehr ist
eine Anzahl von Varianten denkbar, welche auch bei grundsätzlich anders
gearteter Ausführung
von den Merkmalen der Erfindung Gebrauch machen.