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3rennwertger-t für Kohlenwasserstoffe
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Die Erfindung bezieht sich auf ein Brennwertgerät für Kohlenwasserstoffe
mit einem in einer katalytischen (brr flächenbeschichtung versehenen, von einem
Kohlenwasserstoff-Luft-Gemisch durchsetzten poren Keramikkörper, insbesondere in
Form einer keramischen Lochplatte, sowie einem ausgangsseitig angeordnetem Wärmetauscher,
wobei dem katalytisch beschichteten Keramikkörper eine Flammensperre vorgeschaltet
ist, die unter Verhinderung inner Verbrennung des Kohlenwasserstoff-Luft-Gemisches
vor der Oberfläche des Keramikkörpers eine weitestgehende flmmenlose Umsetzung des
Gemisches im Inneren des Keramikkörpers bewirkt.
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Gemaß dem Hauptpatent ist zur Realisierung der Flammensperre eine
Kombination aus einer Reihe von Merkmalen vorgeschlagen worden, die unter anderem
einen ving2ngs-Wärmetauscher, ein engmaschiges Metallgitter sowie zusstzliche keramische
Lochplatten jedoch ohne katalytische Oberflächenbeschichtung umfaßt. Jedes dieser
IIerKmale bewirkt eine Absicherung gegen die unerwünschte Umsetzung des Brennstoffs
in einer Flamme und tragt dazu bei einen immer größeren Anteil der Umsetzung des
Brennstoffs mit dem Luftsauerstoff im Innern des katalytisch beschichteten
Keramikkörpers
stattfinden zu lassen. Diese katalytische Umsetzung ist nicht nur ca. hundertmal
so schnell wie der Verbrennungsvorgang in der offenen Flamme. Von noch größerer
Bedeutung ist, daß bei der katalytischen Umsetzung eine weitgehende Ausschaltung
der Bildung unerwiinschter Verbrennungsbestandteile, beispielsweise von Stickoxiden,
möglich ist, die sich ansonsten in der freien Flamme bei Temperaturen oberhalb von
1300 Grad zwangseise bilden würden.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein 3rennwertferrit gemäß
dem Hauptpatent so auszugestalten, daß die Flammensperre einfacher und wirksamer
erreicht werden kann, als mit den dort beschriebenen Maßnahmen.
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Zur Lösung dieser Aufgabe ist erfindungsgemäß vornjresenen, daß die
Flammensperre eine nach Art einer Venturidüse aufgebaute Mischvorrichtung für Luft
und Brennstoff w.-faßt, wobei die Ausbildung so getroffen ist, daß eine der Zufuhrleitungen,
insbesondere die Brennstoffleltun.r, im Gegenstrom in die Düse einragt.
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Die Erfindung geht dabei von der Erkenntnis aus, daß eine derartige
Luftmischvorrichtung eine laminare langsame ;trr;mung im Bereich vor dem katalytisch
beschichteten.
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Keramikkörper und damit das Auftreten einer offenen Flamme außerordentlich
wirksam verhindern kann. ine derartige Mischvorrichtung war im Hauptpatent bereits
für die Zu-
mischung der Restluft vor der zweiten Verbrennungsstufe
vorgesehen. Allerdings war nach wie vor im Anschluß an diese Mischvorrichtung eine
Flammensperre mit Hilfe der eingangs beschriebenen Bauteile angeordnet, eine Maßnahme
die durch die jüngsten Erkenntnisse überhaupt nicht erforderlich wäre. Die überraschende
Wirksamkeit der Luftmischvorrichtung für sich als Flammensperre, und zwar nicht
nur vor der zweiten Verbrennungsstufe bei der im wesentlichen Spaltgas vorliegt,
sondern sogar vor der ersten Verbrennungsstufe, bei der es darum geht, ein reines
Kohlenwasserstoffluftgemisch an einer Umsetzung in einer offenen Flamme vor dem
Keramikkörper zu hindern, war überraschendes Ergebnis umfänglicher weiterer Untersuchungen
des Brennwertgeräts nach dem Hauptpatent.
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Die Gegenstromzuführleitung soll dabei - insbesondere durch ein vorgesetztes
Metallblech oder dergleichen -mit im wesentlichen seitlichen Austrittsöffnungen
versehen sein, um zu verhindern, daß der Brennstoff durch die Düse hindurch gepreßt
wird, sondern im Bereich der Düse durch die entgegenkommende Luft mitgerissen wird.
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Die Auswahl, welche Leitung im Gegenstrom einragt, ergibt sich im
wesentlichen daraus, welche Komponente des herzustellenden Gemisches weniger Volumen
aufweist und damit leichter durch das die Venturidüse durchströmende andere Gas
mitgerissen werden kann.
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Ganz besonders einfach kann die Venturidüse wiederum durch eine auf
eine Querwand des Gehäuses mit einer zentralen Öffnung aufgesetzte konkavgewölbte
Trichterolatte ausgebildet sein. Diese Ausbildung ergibt eine überall glatte Flächen
aufweisende Düse, bei der nirgends ein Stau und damit auch keine langsamen Strömungen
entstehen können, die zu einer offenen Verbrennung in einer Flamme führen könnten.
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Schließlich liegt es auch noch im Ralirnen der Erfindung, in den verschiedenen
Stufen - ein erfindungsgemäßes Brennwertgerat soll bevorzugt mehrstufig, insbesondere
zweistufig ausgebildet sein - unterschiedliche Anzahlen der keramischen Lochplatten
keramisch beschichtet auszubilden.
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Ausgehend von beispielsweise der Zahl von vier keramischen Lochplatten,
die in Abstand hintereinander angeordnet sind, hat es sich als vorteilhaft erwiesen
in der ersten Stufe lediglich die letzte Platte mit einer keramischen Oberflächenbeschichtung
zu versehen, während in der zweiten Stufe die beiden letzten Platten katalytisch
beschichtet sind. Jeweils vor diesen katalytisch beschichteten Platten ist dann
- wie aus dem Hauptpatent bekannt - die Zündvorrichtung zum Starten einer Verbrennung
angeordnet.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben
sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels sowie anhand
der schematischen Zei<:hnung.
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Die Figur zeigt schematisch ein Brennwertgerät mit zwei Stufen I und
II, die im dargestellten Ausführungsbeispiel zwar hintereinander geschaltet, aber
nebeneinander angeordnet sind. Bei 1 ist die Brennstoffzuführleitung, beispielsweise
ein Dosierventil zur Zuführung von Erdgas angedeutet, während 2 die Luftzuführung
bezeichnet. Im oberen Teil 3 des Gehäuses 4 ist zur Erzielung einer homogenen Erdgas-Luftmischung
- und gemäß dem speziellen Merkmal der vorliegenden Erfindung zur Erzielung einer
Flammensperre - eine besondere Mischeinrichtung 24 vorgesehen, die nach Art einer
Venturidüse ausgebildet ist. Dabei ragt die Brennstoffzuführleitung 1 im Gegenstrom
in den Bereich der Düse 25 ein, die durch eine Querwand 26 mit einer auf deren zentrale
Öffnung aufgesetzten konkav gewölbten Trichterplatte 27 ausgebildet ist. Mit 28
ist schematisch eine Prallplatte oder dergleichen angedeutet, die verhindert, daß
das Brenngas aus dem Bereich der Venturidüse herausgedrückt wird und sicherstellt,
daß es durch seitlichen Austritt von der die Düsenöffnung 25 durchströmende Luft
mitgerissen wird.
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In der gleichen Weise wie beim Hauptsatent ist dabei sichergestellt,
daß in der Mischvorrichtung 24 dem Brenngas nur ein Teil des zur vollständigen Umsetzung
notwendigen Sauerstoffs zugeführt wird, damit in der ersten Stufe I des Brennwertgeräts
nur ein Teil des Brennstoffs verbrennt, während der übrige im wesentlichen zu Spaltgas
umgesetzt wird. Diese unvollständige Verbrennung ist in Verbindung mit der durch
die Flammensperre erzwungene Umsetzung im
Inneren einer katalytisch
beschichteten keramischen Lochplatte verantwortlich dafür, daß keine unerwünschten
Verbrennungsstoffe, insbesondere keine störenden Stickoxide gebildet werden. Der
Beitrag der Teilverbrennung in der ersten Stufe ergibt sich dabei in sehr einsichtiger
Weise dadurch, daß durch diese nur teilweise Verbrennung auch entsprechend geringere
Verbrennungstemperaturen erzielt werden, so daß an keiner Stelle des Systems Temperaturen
in der Gegend von 1300 Grad Celsius erreicht werden. Bei diesen Temperaturen erfolgt
nämlich zwangsläufig eine erhebliche Erzeugung von Stickoxiden.
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Der Keramikkörper besteht auch im vorliegenden Ausführungsbeispiel
wiederum aus teilweise nicht beschichteten keramischen Lochplatten 7 und katalytisch
oberflächenbeschichteten keramischen Lochplatten 8. Eine Besonderheit der dargestellten
Ausführungsform eines Brennwertger;ats besteht dabei darin, daß die Zahl der nicht
beschichteten keramischen Lochplatten im Verhältnis zur Zahl der beschichteten in
den beiden Stufen I und II unterschiedlich groß ist. In der ersten Stufe sind drei
nicht beschichtete keramische Lochplatten 7 angeordnet,.denen nur eine keramisch
beschichtete Platte 8 nachgeschaltet ist, wobei zwischen der dritten und vierten
Lochplatte in aus dem Hauptpatent bekannter Weise die Zündvorrichtung zum Starten
der Verbrennung angeordnet ist. Diese ist der besseren Übersichtlichkeit halber
im vorliegenden Ausfiihrungsbeispiel nur durch einen blitzartig gezackten Pfeil
angedeutet. In der zweiten Stufe II sind zwei ohne katalytische Oberflächenbeschichtung
ausgebildete Lochplatten t3
vorgesehen. In diesem Fall ist also
dann die Zündvorrichtung zwischen der zweiten und dritten Lochplatte angeordnet.
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Jeweils am Ausgang der einzelnen Stufen I und II sind Wärmetauscher
9 und 9 a angeordnet, die wiederum in der bekannten Weise, wie sie bereits im Hauptpatent
vorgesehen war, hintereinander geschaltet sind. Die eingangsseitigen Wärmetauscher
des Hauptpatents entfallen bei der vorliegenden Anmeldung vollständig, da sie ja
in erster Linie als Teil der Flammensperre gedacht waren, die gemäß der vorliegenden
Erfindung bei beiden Stufen durch die besondere venturidüsenartige Brennstoff-Luft-Mischvorrichtung
erzielt wird. Dabei erkennt man, daß unmittelbar im oberen Teil 3 des Gehäuses 4
der ersten Stufe ein Teil der Luft abgezweigt und über ein Dosierventil 10 der Luftzuführleitung
23 zugeführt wird, die - wie es bereits im Hauptpatent vorgesehen war - im Gegenstrom
in die Düsenöffnung 21 einer Venturidüse aus einer Querwand 20 des Gehäuses der
zweiten Stufe und einer aufgesetzten konkav gewölbten Trichterplatte 22 einragt.
Der Unterschied in der zweiten Stufe gegenüber dem Hauptpatent besteht darin, daß
außer dieser besonderen Brennstoff-Luft-Mischvorrichtung nachfolgend kein Eingangswärmtauscher
und auch keine Riickschlaggitter mehr angeordnet sind.
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Bei 29 erkennt man eine Nachfüllöffnung zum Einfüllen von Kalksteinstücken,
die der Entschwefelung des Rauchgases im Abscheider 12 dienen. Jede der beiden Stufen
I und II
ist, bei 30 angedeutet, mit einem Kondensatablauf versehen.
Bei 14 ist wiederum der Ventilator andeutungsweise zu erkennen, der in die zum Kamin
führende Abgasleitung eingeschaltet ist.
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Die selbstverständlich auch im vorliegenden Fall zusatzlich vorgesehenen
Dosiereinrichtungen und die besondere Ausbildung der Regelvorrichtung sind im einzelnen
nicht dargestellt, da sie prinzipiell in gleicher Weise aufgebaut sind wie beim-
hinsichtlich der Flammensperre etwas anders ausgebildeten- Hauptpatent.
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Ein erfindungsgemäßes Brennwertger-it - mit oder ohne die vorstehend
beschriebene verbesserte Flammensperre - laßt sich neben der bislang bevorzugt beschriebenen
Verwendung als zweistufiges Brennwertgerat für Gebäudeheizungen auch für eine Reihe
weiterer Einsatzzwecke mit Vorteil verwenden.
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Beispielsweise kann ein derartiges Brennwertgerät sehr günstig in
einer einstufigen Ausführungsform zur Verbrennung von Gasen mit niedrigem Heizwert,
insbesondere von Gichtgas eingesetzt werden. Bei derartigen Gasen ist nanlich die
zweistufige Aufteilung zur Verhinderung des Auftretens übermäiger Temperaturen und
der dabei auftretenden Bildung von-Stickoxiden nicht erforderlich, sondern man arbeitet
quasi nur mit der zweiten Stufe des vorstehend beschriebenen zweistufigen BrennwertSerIits
dem anstelle des aus der ersten Stufe austretenden Spaltgases
unmittelbar
das bei Industrieprozessen, beispielsweise in Hochöfen, anfallende Gichtgas zugeführt
wird.
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Darüber hinaus läßt sich auch ein sehr wirtschaftlich arbeitender
keramischer Ofen mit Hilfe eines erfindungsgemäßen Brennwertgeräts realisieren,
wobei das Brennwertgerät allerdings ohne den vorstehend beschriebenen ausgangsseitigen
Wärmetauscher verwendet wird. Dabei dient das Brennwertgerät als Brennstoffumwandler,
wobei die austrittsseitige Katalysatorplattenoberfläche in Richtung des zu heizenden
Gegenstandes weist und das austretende Generatorgas in einer weich brennenden Flamme
verbrannt wird.
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Es erfolgt also anstelle der Verbrennung des Generatorgases in einer
zweiten Stufe eine unmittelbare Verbrennung des Generatorgases beim Austritt aus
der ersten Stufe des Brennwertgeräts.
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Schließlich kann ein erfindungsgemäßes Brennwertgerät auch für eine
Vorrichtung zum Betreiben eines Gasbrenners, insbesondere eines Verbrennungsmotors,
mit geringwertigem Benzin, Ul oder dergleichen eingesetzt werden.
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Zu diesem Zweck wird der geringwertige Flüssigtreibstoff, beispielsweise
octanarmes Benzin oder öl einem erfindungsgemäßen Brennwertgerät zugeführt, welches
so betrieben wird - was durch die Luft- oder Sauerstoffzufuhr und die jeweilige
Arbeitstemperatur regelbar ist - daß der Brennstoff weitestgehend zu einem Brenngas
umgesetzt wird und allenfalls ein geringer Teil des Flüssigbrennstoffs katalytisch
verbrannt wird um die katalytische Umsetzung aufrecht zu erhalten. Die Aufrechter-
haltung
der notwendigen Umsetztemperatur kann dabei in Weiterbilcllmg der Erfindung aber
auch, zumindest teilweise, dadurch erfolgen, daß die Abgase des dem als Spaltvergaser
arbeitenden Bren-nwertgernts nachgeschalteten Gasbrenners über einen Wärmetauscher
oder dergleichen zur Erwärmung des Katalysators und des Brennstoffs herangezogen
werden.
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Durch eine derartige Umsetzung, insbesondere en sie so gesteuert wird,
daß als Gaskomponente auch Methin erzeugt wird, erreicht man, daß aus einem fi;,r
den Einsatz in Verbrennungsmotoren unbrauchbaren Brennstoff mit sehr niedriger Octanzahl
ein Brenngas entsteht, welches einer Octanzahl von ca. 110 entsricht, so daß also
mit einfachem Aufwand ein Kraftfahrzeug durch Vorschalten einer erfindungsgemäßen
Brennwertstufe mit billigsten Treibstoffen, beispielsweise sogar Sonnenblumenöl
betrieben werden könnte, obgleich der eigentliche Verbrennungsmotor auf die Verarbeitung
von Brennstoffen mit höchsten Octanzahlen ausgelegt ist.
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