DE3435319A1

DE3435319A1 - Katalytischer dampferzeuger

Info

Publication number: DE3435319A1
Application number: DE19843435319
Authority: DE
Inventors: Michael 4150 Krefeld Laumen
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1984-09-26
Filing date: 1984-09-26
Publication date: 1986-04-03
Also published as: US4795618A; EP0197108A1; JPS62500438A; WO1986002016A1; AU4951585A

Description

Die Erfindung betrifft einen Dampferzeuger mit einem Wärmeerzeugungsteil auf der Basis der katalytischen Verbrennung und einem damit wärmeleitend verbundenen Dampferzeugungsteil nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Aus der DE-AS 25 52 686 ist ein Verfahren zur Herstellung von porösen und faserigen Metallkörpern bekannt, die auch als Trägermaterial für eine Katalysatorsubstanz dienen können und als Abgaskatalysatoren bei Kraftfahrzeugen Verwendung finden. Aufgrund der lockeren faserigen Struktur, die wegen des gewünschten möglichst geringen Strömungswiderstandes von Abgaskatalysatoren notwendig ist, ist die Wärmeleitung in derartigen Metallkörpern nicht sehr gut.

Die Erfindung geht daher aus von der DE-PS 903 986, aus der eine Vorrichtung zur katalytischen Wärmeerzeugung bekannt ist, bei der auf eine Wärmetauscherfläche ein Drahtgewebe aus Katalysatorsubstanz aufgebracht ist,

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wobei durch eine Verbindungsschicht für direkten metallischen und damit wärmeleitenden Kontakt zwischen Katalysatorträger und Katalysatorsubstanz gesorgt ist.

Bei einer derartigen Ausbildung ist zwar die wirksame Katalysatorfläche im Vergleich zu einer unmittelbaren Beschichtung der Wärmetauscherfläche mit Katalysatorsubstanz vergrößert, für den Aufbau eines Wärmeerzeugungsteiles mit hohem Gütegrad, d.h. geringer Temperaturunter- -J^q schied zwischen wärmeabgebenden und wärmeaufnehmendem Medium, ist dieses Flächen/Volumen-Verhältnis jedoch zu klein.

Darüber hinaus würde der Einbau einer Warmeerzeugungsvor- -^g richtung gemäß der DE-PS 903 986 den Nachteil aufweisen, daß aufgrund der konventionell aufgebauten Verdampfungsfläche die Verdampferleistung durch den Wärmeübergangskoeffizienten a^ zwischen Verdampferfläche und zu verdampfendem Medium, beispielsweise bei Filmverdampfung auf etwa 5000 W/qmK begrenzt ist. Auch dadurch wird die Konstruktion eines kleinen Dampferzeugers mit großer Verdampferleistung, d.h. mit großer Leistungsdichte erschwert .

„c Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist daher, einen Dampferzeuger nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 zu schaffen, der bei einer gegebenen Verdampferleistung eine kompakte Bauform, also eine große Leitungsdichte aufweist.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 1.

Dadurch, daß als Trägermaterial ein Sintermetall verwendet wird, dessen große innere Oberfläche mit Katalysator-35

substanz beschichtet ist, steht eine sehr große aktive

Katalysatoroberfläche bei gegebenen Volumen zur Verfügung. Dieses Sintermetall steht in unmittelbarer wärmeleitender Verbindung mit der Begrenzungswand des Wärmeerzeugungsteiles. Der Kanal des Wärmeerzeugungsteiles der u'nmittelbar an die andere Seite der Begrenzungswand angrenzt, ist in seinem Querschnitt mit Sintermetall ausgefüllt, wodurch er in unmittelbarer wärmeleitender Verbindung mit der Begrenzungswand steht, so daß der Wärmetransport von dem Wärmeerzeugungsteil zu dem wärmever- YQ brauchenden Dampferzeugungsteil vollständig durch Wärmeleitung geschieht.

Die große innere Oberfläche des unmittelbar mit Wärme beaufschlagten Sintermetalls im Dampferzeugungsteil, dient

■ic somit als Verdampferfläche. In gleicher Weise wie das Sintermetall im Wärmeerzeugungsteil, ermöglicht auch das Sintermetall im Dampferzeugungsteil eine verkleinerte Bauform bei einer gegebenen Verdampferleistung und damit eine große Leistungsdichte des Dampferzeugers. Bei her-

„« kömmlichen Verdampfern ist für ein bestimmtes Q/A (übertragene Wärme/Übertragungsfläche) zwischen der Wärmequelle und dem verdampfenden Medium ein T von 8 - 13 K nötig, während bei dem erfindungsgemäßen Dampferzeuger für den gleichen Q/A-Wert lediglich ein T von 0,5 -

„_ 1,3 K benötigt wird.

Dabei ist die von dem Wärmeerzeugungsteil auf das Dampferzeugungsteil zu übertragende Wärme in erster Linie durch die Wärmeleitfähigkeit der Begrenzungswand limitiert. Da die Begrenzungswand zwischen dem Sintermetall des Wärmeerzeugungsteils und dem Sintermetall des Dampferzeugungsteils eingespannt ist und somit kaum auf Druck beansprucht wird, kann sie so dimensioniert werden, daß bei der Verwendung von gut wärmeleitenden Metallen für

die Begrenzungswand minimal etwa 10.000 W/qmK übertragen 35

werden können.

Durch die Verwendung von Sintermetall sowohl im Wärmeerzeugungsteil als auch Dampferzeugungsteil getrennt durch die gut wärmeleitende Begrenzungswand ist es möglich, mit lediglich 20 C Differenz zwischen dem Temperaturniveau a"uf dem die Wärme erzeugt wird und dem Temperaturniveau auf dem die Wärme "verbraucht" wird, also der Verdampfungstemperatur des zu verdampfenden Mediums, zu arbeiten. Bei herkömmlichen Systemen auf der Basis katalytischer Verbrennung, wie sie beispielsweise in der DE- -^q OS 903 806 beschrieben sind, ist bei einer Katalysetemperatur von 250 C eine Temperaturdifferenz von 170 C nötig, so daß die Verdampfung bei 80 C stattfinden kann.

Aufgrund der Tatsache, daß lediglich eine Temperaturdif-,c ferenz von 20 C zwischen Wärmeerzeugungsteil und Dampferzeugungsteil notwendig ist, ist es möglich mit Brenngasen, wie beispielsweise Wasserstoff, zu arbeiten, die bei niedrigen Temperaturen katalytisch oxydiert werden, ohne die Wärmeübertragungsfläche zwischen Wärmeerzeugungsteil _₀ und Dampferzeugungsteil zu vergrößern, wodurch wiederum eine kompakte Bauform ermöglicht wird.

Zwar ist aus der US-PS 4 352 392 bekannt, eine Verdampferfläche mit Sintermetall zu beschichten, um eine Vergrößerung der aktiven Oberfläche zu erreichen. Dabei dient jedoch lediglich die porige und damit vergrößerte Oberfläche der Sintermetallschicht als Verdampferfläche und nicht deren große innere Oberfläche.

Die Unteransprüche haben vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung zum Inhalt.

Nach Anspruch 2 wird das Wärmeerzeugungsteil vorteilhafterweise ebenfalls als wenigstens ein Strömungskanal

ausgebildet, der/die insbesondere im Strömungskanal des 35

Dampferzeugungsteils liegen. Auf diese Weise wird er-

reicht, daß die Wärme aus dem Wärmeerzeugungsteil auf kürzestem Weg in das Dampferzeugungsteil gelangt. Alternativ wäre auch eine Anordnung möglich, bei der der/ die Strömungskanäl(e) des Dampferzeugungsteils im Strömungsk'anal des Wärmeerzeugungsteils liegen.

Gemäß Anspruch 3 kann die Anströmfläche des Sintermetalls schräggestellt und/oder uneben ausgebildet sein, wodurch in kürzerer Zeit mehr zu verdampfendes Medium in das ig Sintermetall eindringen kann.

Durch die Ausbildung des Sintermetalls in den Strömungskanälen gemäß Anspruch 4 wird einerseits das Expandieren und Entweichen des im Dampferzeugungsteil entstehenden ,,- Dampfes begünstigt und ebenso die Expansion und das Abziehen der Abgase in Wärmeerzeugungsteil. Nach Anspruch 5 kann sich dabei der Anteil der mit Sintermetallpartikeln angefüllten Querschnittsflächen der Strömungskanäle in Anströmrichtung kontinuierlich oder stufenweise verringern. Beispielsweise können im Sintermetall Bohrungen oder Strömungskanäle vorgesehen sein, die einerseits einen stufenweise veränderten Durchmesser aufweisen oder aber kegelförmig ausgebildet sind. Auch kann der Sintermetallblock beispielsweise kegelstumpfförmig ausgebildet ^Sein·

Nach Anspruch 6 läßt sich die Abgas- oder Dampfexpansion auch dadurch begünstigen, daß das Sintermetall im Wärmeerzeugungs- und/oder Dampferzeugungsteil in den in An-

Strömrichtung hinteren Bereich lockerer gefügt als im 30

vorderen Bereich. Dies läßt sich dadurch erreichen, daß die verschiedenen Bereiche des Sintermetalls verschieden stark gesintert werden.

Nach Anspruch 7 lassen sich die in den Ansprüchen 4-6 genannten Weiterbildungen einerseits an einem einzigen

Sitnermetallblock durchführen, es ist jedoch auch möglich das Sintermetall sowohl im Wärmeerzeugungs- als auch im Dampferzeugungsteil aus einer Mehrzahl von Sintermetallblocksegmenten zusammenzusetzen, was aus Fertigungstechnischen Gründen vorteilhaft sein kann.

Gemäß Anspruch 8 werden die Strömungskanäle des Wärmeerzeugungs- und/oder Dampferzeugungsteils derart ausgebildet, daß deren Begrenzungswand im Anfangsabschnitt der -^q Kanäle von dem Sintermetall zurücktritt. Auf diese Weise wird das Einströmen des Brenngases oder des zu verdampfenden Mediums in das Sintermetall begünstigt.

Durch die Weiterbildungen des Dampferzeugers gemäß den ,g Ansprüchen 4-8 wird entweder der Dampfexpansion oder

der Abgas- bzw. Brenngasexpansion Rechnung getragen oder das Eindringen des zu verdampfenden Mediums bzw. des Brennmediums in das Sintermetall erleichtert. Auf diese Weise läßt sich der Massenstrom durch die Strömungskanäle „_. und damit der Wärmeübergang vom Wärmeerzeugungsteil auf das Dampferzeugungteil gezielt beeinflußen.

Eine besonders voreilhafte Weiterbildung der Erfindung besteht gemäß Anspruch 9 darin, daß dem Wärmeerzeugungs- _₅ teil ein Abgaskühler nachgeschaltet ist. Mit diesem Abgaskühler kann dem Abgasstrom zusätzlich sensible Wärme und die Kondensationswärme des sich im Abgasstrom befindlichen Wasserdampfes entzogen werden. Damit kann entsprechend dem aus sogenannten "Brennwertkesseln" bekannten Verfahren nicht nur der untere Heizwert H_u des Brenngasgemisches, sondern der obere Brennwert H₀ genutzt werden, der um die Kondensationswärme des Wasserdampfes der Abgase vergrößert ist.

Eine Übersicht hinsichtlich der vielfältigen Konzeptionen von Brennwertgeräten ist dem Artikel "Energieeinsparung

durch den Einsatz von Brennwertkesseln" in der Zeitschrift "Gas", Heft 2 und 3, 1984 zu entnehmen.

Gemäß Anspruch 10 ist dieser Abgaskühler wegen der hervortagenden Wärmeleiteigenschaften des Sintermetalls ebenfalls aus Sintermetall ausgebildet. Nach Anspruch 11 kann das Sintermetall des Wärmeerzeugungsteils von dem Abgaskühler durch ein Distanzteil thermisch getrennt sein, um einen nicht gewünschten direkten Wärmefluß zwischen die-₁₍~, sen Bauteilen zu unterbinden.

In einer vorteilhaften Weiterbildung ist gemäß Anspruch
12 der Abgaskühler als Kaltverdampfungsteil eines Wärmepumpenkreislaufes ausgebildet. Durch diese Ausbildung

j£ wird erreicht, daß der Abgaskühler stets eine Temperatur aufweist, die unter der Taupunkttemperatur des Abgases
liegt, die, je nachdem mit welchem Luftüberschuß die
Verbrennung stattfindet, zwischen 58 C und 53 C liegt. Damit ist bei allen Betriebszuständen gewährleistet, daß stets der obere Heizwert H_Q des Brenngases genutzt wird.

Wegen ihres einfachen Aufbaus und der Wartungsfreiheit
wird gemäß Anspruch 13 für den Verdichter dieses Wärmepumpenkreislaufes eine Dampfstrahlpumpe gewählt, bei der „ die innere Oberfläche des Gehäuses als Verdampferfläche
dient, so daß die Dampfstrahlpumpe selbst bzw. deren mit Kühlrippen versehenes Gehäuse den Abgaskühler darstellt.

Der Treibdampf für diese Dampfstrahlpumpe wird gemäß An-

• spruch 14 vorteilhafterweise durch einen in das Dampfer-30

zeugungsteil integrierten Treibdampferzeuger bereitgestellt. Dabei besteht die Möglichkeit sowohl in diesem
Wärmepumpenkreislauf als auch im Dampferzeugungsteil das gleiche Arbeitsmittel oder auch verschiedene Arbeitsmittel zu verwenden. Bei der Verwendung von gleichen Arbeits-35

mitteln könnte vorteilhafterweise auch ein Teil des im

* λ%

Dampferzeugungsteil erzeugten Dampfes als Treibdampf für diese Dampfstrahlpumpe benutzt werden.

Aus den gleichen Gründen, die zur Verwendung von Sinteritletall im Dampferzeugungsteil führen, kann gemäß Anspruch 15 auch im inneren Treibdampferzeuger vorteilhafterweise Sintermetall verwendet werden.

Nach Anspruch 16 kann die dem Abgas entzogene Wärme ^q besonders vorteilhaft zur Vorwärmung des im Dampferzeugungsteil zu verdampfenden Mediums benutzt werden. Nach Anspruch 17 kann diese Wärme alternativ über einen Verbrennungsluftvorwärmer der dem Dampferzeuger zugeleiteten Verbrennungsluft zugeführt werden. In beiden Fällen wird ,c der Gütegrad bzw. die Leistungsziffer des Dampferzeugers verbessert. In dem einen Fall wird die sonst nicht mehr genutzte Wärmeenergie des Abgases auf dem Wege der Kondensatvorwärmung wieder in den Dampferzeugungsprozeß eingekoppelt und im anderen Fall über die Vorwärmung der „_n Verbrennungsluft.

Gemäß Anspruch 18 ist eine besonders bevorzugte Anwendung des erfindungsgemäßen Dampferzeugers die Verwendung als Treibdampferzeuger in einer Kältemaschine bzw. Wärmepumpe „p. mit einem Dampf Strahlverdichter. Aufgrund der hohen Leistungsdichte des Dampferzeugers und der daraus resultierenden Leistungszifferverbesserung der damit betriebenen Kältemaschine bzw. Wärmepumpe ist insbesondere an eine kombinierte Anwendung sowohl zu Heiz- als auch zu Kühl-

zwecken gedacht,
ου

Bei der Kältemaschine bzw. Wärmepumpe nach Anspruch 19 wird auf die in den Dampferzeuger integrierte Wärmepumpe zur Abgaskühlung verzichtet und hierzu der Kaltverdam-

pfungsteil des mit diesem Dampferzeuger angetriebenen 35

Wärmepumpenkreislaufes genutzt. Dabei wird ein Teil des

im Kondensator anfallenden Kondensats im Verdampfer verdampft und durch den DampfStrahlverdichter angesaugt. Die Verdampfungswärme hierzu wird dabei dem anderen Teil des Kondensats entzogen, der dadurch abgekühlt. Das gekühlte Kondensat wird wieder dem Dampferzeuger zugeführt und

durch die dem Abgas durch den Abgaskühler entzogene Wärme vorgewärmt. Der Saugstrom im DampfStrahlverdichter läßt sich dabei so regeln, daß das dem Dampferzeuger zugeführte Kondensat stets eine Temperatur aufweist, die unter -^q dem Abgastaupunkt liegt.

Unabhängig von der speziellen Ausführungsform des Dampferzeugers gemäß der vorliegenden Erfindung läßt sich diese Kältemaschinen- bzw. Wärmepumpenschaltung immer ,c dann anwenden, wenn zur Dampferzeugung den oberen Brennwert H₀ des Brenngases nutzende Vorrichtungen, also Brennwertkessel verwendet werden.

Gemäß Anspruch 2 0 läßt sich bei einer derartigen Kältema- _on schine bzw. Wärmepumpe ein Rieselverdampfer einsetzen, da in diesem Fall die Kühlung des Kondensats durch Verdampfung eines Teils des Kondensats geschieht.

Nach Anspruch 21 läßt sich bei einer Kältemaschine bzw. „f. Wärmepumpe nach den Ansprüchen 18 - 20 ein Dampfstrahlverdichter mit integriertem Sintermetallverdampfer verwenden, wie er in der deutschen Patentanmeldung P 34 31 240.4 beschrieben ist. Aufgrund der hohen Leistungziffer der in dieser Patentanmeldung geoffenbarten _ Dampfstrahlpumpe läßt sich in Kombination mit dem Dampferzeuger gemäß der vorliegenden Erfindung eine besonders leistungsfähige Kältemaschine bzw. Wärmepumpe realisieren.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung 35

ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von meh-

reren Ausführungsformen anhand der Zeichnung. Es zeigen

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform eines Dampferzeugers gemäß der vorliegenden Erfindung,

Fig. 2 ein Schnittbild durch die Ausführungsform IQ nach Fig. 1,

Fig. 3 ein Anwendungsbeispiel der ersten Ausführungsform des Dampferzeugers als konventioneller Heizdampferzeuger,

Fig. 4 ein Anwendungsbeispiel der ersten Ausführungsform als Treibdampferzeuger einer Kältemaschine bzw. Wärmepumpe und

-Q Fig. 5 ein Anwendungsbeispiel einer zweiten Ausführungsform des Dampferzeugers als Treibdampferzeuger einer Kältemaschine bzw. Wärmepumpe.

In Fig. 1 ist eine erste Ausführungsform des Dampferzeugers gemäß der vorliegenden Erfindung dargestellt. Der Dampferzeuger besteht aus einem Wärmeerzeugungsteil 1 und einem damit wärmeleitend verbundenen Dampferzeugungsteil 2. Über eine Mischkammer 3 wird dem mit Katalysatorsubstanz 4 beschichteten Sintermetallblock 5 oder Sintermetallblöcken 5a, 5b, 5c des Wärmeerzeugungsteils ein Brenngas-Luft-Gemisch zugeführt. Das zugeführte Gemisch defundiert durch die Kapillaren des Sintermetallblocks 5 und oxidiert unter Abgabe von Wärme bei Kontakt mit der Katalysatorsubstanz 4. Die heißen gasförmigen Verbrennungsprodukte gelangen in eine Abgassammeikammer 6. Die 35

durch katalytische Verbrennung frei werdende Wärme wird

über den gut wärmeleitenden Sintermetallblock 5 an die ebenfalls gut wärmeleitende und gasdichte Begrenzungswand 7 abgeführt, die den Dampferzeugungsteil 2 und den Wärmeerzeugungsteil 1 voneinander trennt. In unmittelbar Wärmeleitendem Kontakt mit der Begrenzungswand 7 steht ein zweiter Sintermetallblock 8 des Dampferzeugungsteils 2, der ebenfalls aus mehreren Sintermetallblocksegmenten 8a, 8b, 8c aufgebaut sein kann.

2Q Über die Arbeitsmittelzuführung 9 wird ein Arbeitsmittel 10 in die Sammelkammer 11 eingeleitet. Das flüssige Arbeitsmittel 10 dringt in die Kapillaren des Sintermetallblocks 8 ein, nimmt die über den Sintermetallblock 5 und die Begrenzungswand 7 zugeführte katalytische Verbrenne nungswärme auf und beginnt bei den gegebenen Druckverhältnissen zu verdampfen. Der gesättigte oder überhitzte Arbeitsmitteldampf kann über die Dampfableitung 12 einem externen Dampfverbraucher zugeführt werden.

Sowohl der Sintermetallblock 8 des Dampferzeugungsteils 2 als auch der Sintermetallblock 5 des Wärmeerzeugungsteils 1 können in Strömungsrichtung unterschiedlich strukturiert sein. Beispielsweise können die Sintermetallblöcke 5 und 8 in Strömungsrichtung grobkörniger werden und damit einen steigenden Kapillarvolumenanteil aufweisen, um einerseits der Dampfexpansion Rechnung zu tragen und um andererseits eine gewünschte Abstufung der katalytisch aktiven Fläche zu erhalten oder um einen im Verhältnis zur Brenngasmenge optimalen Abgaswiderstand zu erzielen.

_ Die gewünschte Strukturierung kann sowohl dadurch erzielt 30

werden, daß jeweils ein einziger Sintermetallblock verschieden starke gesintert wird oder aber, daß die Sintermetallblöcke 5 und 8 aus unterschiedlich strukturierten Sintermetallsegmenten 5a, 5b, 5c und 8a, 8b, 8c zusammengesetzt sind.

Eine weitere Möglichkeit sowohl die Strömungsdynamik als auch den Wärmeübergang zwischen Wärmerzeugungsteil 1 und Dampferzeugungsteil 2 zu optimieren, besteht darin, die Sintermetallblökke 5 und 8 beispielsweise kegelstumpfförirtig auszubilden oder aber, in den Sintermetallblöcken 5 und 8 Strömungskanäle vorzusehen.

Die räumliche Anordnung dieser den Wärme- und Dampferzeu- -^O gungsteil 1,2 bildenden Sintermetallblöcke 5,8 ist aus Fig. 2 ersichtlich. In dem Sintermetallblock 8 sind beispielsweise konzentrisch angeordnete Kanäle vorgesehen, in denen die Sintermetallblöcke 5 jeweils umgeben von der Begrenzung von 7 angeordnet sind. Die Beschichtung der 2g Sintermetallblocks mit Katalysatorsubstanz erfolgt vorzugsweise dadurch, daß die Katalyatorsubstanz 4 thermisch auf der großen inneren Oberfläche des, Sintermetalls niedergeschlagen wird.

Das heiße Abgas aus dem Wärmeerzeugungsteil 1 strömt aus der Abgassammeikammer 6 in wärmeleitendem Kontakt mit einem Abgaskühler 13 an dessen Wärmetauscherlamellen entlang in eine Abgaskondensatkammer 14. Der Abgaskühler 13 entzieht dem heißen Abgasstrom durch sensible Abkühle lung und Kondensation des im Abgasstrom befindlichen Wasserdampfes Wärme. Das Kondensat wird in der Abgassammeikammer 6 aufgefangen und über einen Siphon 15 in die Kanalisation geleitet. Der gekühlte Abgasstrom gelangt über einen Abgasabzug 16 an die Außenluft.

über den nachfolgend beschriebenen Kreisprozess wird der Abgaskühler 13 ständig auf einer Temperatur gehalten, die unter dem Taupunkt des Abgases liegt. Die Wärmetauscherfläche des Abgaskühlers 13 ist gleichzeitig äußere Ummantelung einer Dampfstrahlpumpe. Der Treibdampf für diese Dampfstrahlpumpe wird in einem in den Dampferzeugungsteil

integrierten inneren Treibdampferzeuger 18 erzeugt. Der innere Treibdampferzeuger 18 ist von einer gut wärmeleitenden, aber gasdichten Umhüllung 19 umgeben, über eine Kondensatleitung 20 und eine Rückschlagklappe 21 wird dem inneren Treibdampferzeuger 18 ein flüssiges Kältemittel 22 zugeführt, das nach seinem thermodynamischen Eigenschaften so gewählt wird, daß die Verdampfungstemperatur des Kältemittels 22 unter der Temperatur der katalytischen Verbrennungswärme liegt. Das flüssige Kältemittel

-^q 22 gelangt zuerst in einen vorzugsweise aus einem Sintermetallblock 23 bestehenden Verdampferteil des inneren Treibdampferzeugers 18, wo es einen Teil der katalytischen Wärme aufnimmt und verdampft. Über eine wärmeisolierte Dampfleitung 24 gelangt der entstehende Dampf als

,p- Treibdampf in die Dampfstrahlpumpe 17. In den Saugraum der Dampfstrahlpumpe 17, der ebenfalls von den Wärmetauscherlamellen des Abgaskühlers umhüllt ist, mündet eine Leitung 25, über die flüssiges Kältemittel angesaugt wird. Das angesaugte Kältemittel verdampft und kühlt dadurch die Wärmetauscherlamellen des Abgaskühlers 13 ab. Der entstehende Mitteldruckkältemitteldampf wird über eine Leitung 2 6 einem Verbrennungsluftvorwärmer 27 zugeführt. In dem als Kondensator ausgebildeten Verbrennungsluftvorwärmer 27 kondensierte das Kältemittel und

„_ gibt dabei die Kondensationswärme an den über einen Ventilator 28 angesaugten Verbrennungsluftstrom ab. Das kondensierte Kältemittel gelangt zum Teil über eine Drossel 29 und die Leitung 2 5 zurück in die Dampfstrahlpumpe 17 und zum anderen Teil über die Kondensatleitung 20 und

die Rückschlagklappe 21 zurück in den inneren TreibdampfoU

erzeuger 18.

Die über den Ventilator 28 angesaugte Verbrennungsluft wird zunächst in den Verbrennungsluftvorwärmer 27 geführt, in dem sie unter Aufnahme der Kondensationswärme 35

des Kältemittels 22 vorgewärmt wird, und wird schließlich

über eine Venturidüse 3 0 in die Mischkammer 3 eingeblasen. Durch dieses Einblasen der Frischluft über die Venturidüse 30 entsteht in einer Brenngaskammer 31 ein Unterdruck, so daß über eine Leitung 32 und über einen irtöglicherweise notwendigen Gaswäscher 3 3 Brenngas angesaugt werden kann. Die Brenngaszufuhr wird über ein taktendes oder kontinuierlich arbeitendes Ventil 34 reguliert.

^q Der an der Dampfableitung 12 zur Verfügung stehende hochgespannte Arbeitsmitteldampf kann einem beliebigen Prozess zugeführt werden. Beispielsweise kann die in dem Dampf enthaltene Wärmeenergie, wie in Fig. 3 dargestellt über eine Dampfleitung 3 5 einem Kondensator 3 6 zugeführt

-^g werden, aus dem die Nutzwärme beispielsweise in ein konventionelles Heizsystem ausgekoppelt werden kann.

Eine weitere Anwendungsmöglichkeit für den Dampferzeuger gemäß der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß der 2Q erzeugte Dampf als Treibdampf eines Strahlverdichters einer Kältemaschine bzw. Wärmepumpe verwendet wird.

Bei dem in Fig. 4 dargestellten Prozess dient der Dampferzeuger als Treibdampferzeuger für einen externen Wärraepumpen- bzw. Kältemaschinenkreislauf. Aus dem Dampfsammeiraum 3 9 gelant der erzeugte hochgespannte Treibdampf über die Dampfleitung 35 zu einem DampfStrahlverdichter 40. Die Saugseite des DampfStrahlverdichters 40 ist mit einem externen Verdampfer 41 verbunden, der beispiels-

__n weise als Rieselverdampfer ausgebildet ist. Der aus dem

Verdampfer 41 angesaugte und verdichtete Dampf wird in einem Kondensator 42 kondensiert. Das Kondensat gelangt zum Teil über eine Drossel 43 und eine Leitung 44 zurück in den Verdampfer 41 und zum anderen Teil über die Drossei 38 und eine Leitung 37 zurück in den Dampferzeuger.

Wird diese Schaltung als Wärmepumpe verwendet, so wird im Verdampfer 41 die Niedertemperaturwärme zugeführt und im Kondensator 42 die Nutzwärme abgeführt. Für den Gebrauch dieser Schaltung als Kältemaschine wird die Kälteleistung am Verdampfer 41 erbracht und die Abwärme über den Kondensator 42 ausgekoppelt.

Bei entsprechender Dimensionierung der einzelnen Bauteile ist auch eine kombinierte Verwendung sowohl zu Heiz- als

jQ auch zu Kühlzwecken möglich. Üblicherweise ist der Bedarf an Heizwärme wesentlich größer als der Bedarf an "Nutzkälte", so daß der Kreisprozess auf die Bedürfnisse der Heizung ausgelegt wird. Solange Kühlleistung benötigt wird, ist dann der Verdampfer thermisch beispielsweise

2g mit dem Inneren eines Kühlschranks verbunden, und falls im Kühlschrank die gewünschte Kühltemperatur erreicht ist, wird automatisch auf eine andere Niedertemperaturwärmequelle, beispielsweise Grundwasser, Umgebungsluft, etc., umgeschaltet.

In Fig. 5 ist eine zweite Ausführungsform dargestellt,

wobei der Dampferzeuger ebenfalls als Treibdampferzeuger für einen DampfStrahlverdichter dient. Diese zweite Ausführungsform des Dampferzeugers unterscheidet sich von „p. der ersten insofern, als auf den internen Wärmepumpenkreislauf für die Abgaskühlung verzichtet werden kann.

Aus dem Dampfsammeiraum 39 gelangt der hochgespannte Treibdampf über die Dampfleitung 35 in den Dampfstrahl-

_ verdichter 40, der an der Saugseite mit dem externen 30

Verdampfer 41 vebunden ist/ wobei der Verdampfer 41 vorzugsweise als Rieselverdampfer ausgebildet ist. In dem mit der Gegendruckseite der Dampfstrahlpumpe 40 verbundenen Kondensator 42 wird der Mitteldruckdampf kondensiert,

wobei die Kondensationswärme frei wird. Das Kondensat 35

wird über die Drossel 43 und die Leitung 44 zurück in den

Verdampfer 41 geführt, wo es zum Teil verdampft und dadurch das restliche nicht verdampfende Kondensat abkühlt. Das nicht verdampfte und gekühlte Kondensat gelangt über die Leitung 37 zurück in die Sammelkammer des Dampferzeugers.

In dieser zweiten Ausführungsform des Dampferzeugers sind die Abgaskühler 13 vorzugsweise ebenfalls aus Sintermetall ausgebildet und direkt den Kanälen des Wärmeerzeu-

IQ gungsteils 1 nachgeschaltet, von dem sie lediglich durch ein gasdurchlässiges Distanzteil 45 thermisch getrennt sind. Das somit auch die Abgaskühler 13 durchströmende heiße Abgas gibt die Wärme an das Sintermetall der Abgaskühler 13 ab, die wiederum über eine gut wärmeleitende,

•je aber gasdichte Begrenzungswand 4 6 in thermischem Kontakt mit dem gekühlten Kondensat im Sammelraum 11 stehen. Der Abgasstrom aus dem Verdampfer 41 wird dabei so geregelt, daß das über die Leitung 37 in den Dampferzeuger eintretende Kondensat immer eine Temperatur unterhalb des Ab-

2Q gastaupunktes aufweist, so daß stets der gewünschte Effekt der Abgaskondensation auftritt. Unter bestimmten Betriebsbedingungen kann es auch möglich sein, noch zusätzliche Niedertemperaturwärme in den Verdampfer 41 einzubringen.

Für den hier in zwei Ausführungsformen beschriebenen

Dampferzeuger benötigt man für eine bestimmte Wärmeübertragungsleistung zwischen dem Wärmeerzeugungsteil 1 und dem Dampferzeugungsteil 2 eine normierte Übertragungsfläehe von 1. Bei herkömmlichen Systemen ist dagegen für die gleiche Wärmeübertragungsleistung je nach Art des Wärmeübergangs eine Fläche von 2 bei einseitig mit Sintermetall beschichteten Konstruktionen, eine Übertragungsfläche von 4 bei fluidem Strom und eine Übertraftgungsfläche von 40 bei Gaskonvektion notwendig, ob

Durch die Verwendung des Abgaskühlers, dessen Kühlleistung entweder durch einen "inneren" oder "äußeren" Wärmepumpen- bzw. Kältemaschinenkreislauf bereitgestellt wird, ist gewährleistet, daß bei allen Betriebszuständen, unabhängig von äußeren Bedingungen wie Umgebungstemperatur, Heizungsvorlauftemperatur etc., die Taupunktstemperatur des Abgases durch den Abgaskühler 13 unterschritten wird.

^q Bei hier beschriebenen Schaltungen mit einem externen Dampfstrahlverdichter läßt sich auch die in der deutschen Patentanmeldung P 34 31 240.4 geoffenbarte Strahlpumpe mit integriertem Sintermetallverdampfer verwenden. Darüber hinaus ist der Dampfanzeiger gemäß der vorliegenden

,C Erfindung auch für die in dieser Patentanmeldung beschriebenen Schaltungen als Treibdampferzeuger geeignet. Aus Offenbarungsgründen wird daher ausdrücklich auf die Patentanmeldung P 34 31 240.4 Bezug genommen. Darüber hinaus läßt sich auch für den inneren Wärmepumpenkreis-

O₀ lauf der ersten Ausführungsform des Dampferzeugers die in dieser Patentschrift beschriebene Dampfstrahlpumpe verwenden .

Auch für einige Schaltungsvarianten, die in der deutschen Patentanmeldung P 33 45 061.7 beschrieben sind, ist dieser Dampferzeuger geeignet.

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Claims

Patentansprüche

Dampferzeuger mit einem Wärmeerzeugungsteil, das an eine Zuleitung für Brennmedium, insbesondere Brenngas angeschlossen ist und zur Erzielung einer katalytischen Verbrennung eine Katalysatorsubstanz auf einem metallischen Trägermaterial großer Oberfläche aufweist, das mit einer gasdichten Begrenzungswand aus Metall in unmittelbarer wärmeleitender Verbindung steht und

mit einem Dampferzeugungsteil in Form wenigstens eines gasdichten Strömungskanals für ein zu verdampfendes Medium, der an die Begrenzungswand des Wärmeerzeugungsteils unmittelbar angrenzt,

dadurch gekennzeichnet,

daß das Trägermaterial für die Katalysatorsubstanz (4) ein Sintermetall ist, und

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daß der Strömungskanal des Dampferzeugunsteils (2) in seinem Querschnitt mindestens in einem Abschnitt seiner Längenestreckung mit Sintermetall wenigstens annähernd vollständig ausgefüllt ist, welches in un-' mittelbarer wärmeleitender Verbindung mit der Begrenzungswand (7) steht.
2. Dampferzeuger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Wärmeerzeugungsteil (1) als wenigstens ein,

-^q insbesondere im Strömungskanal des Dampferzeugungsteils (2) liegender, durch die Begrenzungswand (7) umhüllter Strömungskanal ausgebildet ist.
3. Dampferzeuger nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn-,pzeichnet, daß die Anströmfläche des Sintermetalls im Dampferzeugungsteil (2) gegenüber der Querschnittsfläche des Strömungskanals des Dampferzeugungsteils (2) vergrößert, insbesondere schräggestellt und/oder uneben ausgebildet ist.
4. Dampferzeuger nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß in den Strömungskanälen des Wärme- und/oder Dampferzeugungsteils (1, 2) in dem in Anströmrichtung hinteren Beeich ein geringerer Anteil

_oc- der Querschnittsfläche der Strömungskanäle mit Fest-Zo

Stoffpartikeln des Sintermetalls ausgefüllt ist, als in einem in Anströmrichtung davorliegenden Bereich.
5. Dampferzeuger nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet,

daß der Anteil der mit Feststoffpartikeln des Sinter-3Ü

metalls angefüllten Querschnittsfläche der Strömungskanäle in Anströmrichtung kontinuierlich oder stufenweise zunehmend verringert ist.
6. Dampferzeuger nach einem der Ansprüche 4 oder 5, da-35

durch gekennzeichnet, daß das Sintermetall im Wärmeer-

zeugungs- und/oder Dampferzeugungsteil (1, 2) ein Sintermetallblock (5, 8) ist, dessen Feststoffpartikel in dem in Anströmrichtung hinteren Bereich lockerer gefügt sind als in dem in Anströmrichtung vorderen ' Bereich.
7. Dampferzeuger nach einem der Ansprüche 4, 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Sintermetallblöcke (5,
8) des Wärmeerzeugungs- und/oder Dampferzeugungsteils J^q (1, 2) aus einer Mehrzahl von Sintermetallblocksegmenten (5a, 5b, 5c, 8a, 8b, 8c) zusammengesetzt sind.

8. Dampferzeuger nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Begrenzungswand der

-^g Strömungskanäle des Wärmeer zeugungs- und/oder Dampferzeugungsteils (1, 2) im Anfangsabschnitt der Strömungskanäle von dem Sintermetall zurücktritt.
9. Dampferzeuger nach einem der vorhergehenden Ansprüche, 2Q dadurch gekennzeichnet, daß im Abgasstrom aus dem Wärmeerzeugungsteil (1) ein Abgaskühler (13) angeordnet ist, mittels dessen dem Abgasstrom durch sensible Abkühlung und Kondensation des im Abgasstrom befindlichen Wasserdampfes Wärme entziehbar ist.
10. Dampferzeuger nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Abgaskühler (13) vorzugsweise aus Sintermetall ausgebildet ist.

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11. Dampferzeuger nach einem der Ansprüche 9 oder 10,

dadurch gekennzeichnet, daß das Sintermetall des Wärmeerzeugungsteils (1) und der Abgaskühler (13) durch ein Distanzteil (45) thermisch voneinander getrennt sind.
12. Dampferzeuger nach einem der Ansprüche 9 bis 11, da-

4
durch gekennzeichnet, daß der Abgaskühler (13) als Kaltverdampfungsteil eines inneren Wärrnepumpenkreislaufes· ausgebildet ist.
13". Dampferzeuger nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Verdichter dieses inneren Wärmepumpenkreislaufes durch eine Dampfstrahlpumpe (17) mit integriertem Verdampfer gebildet ist.

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14. Dampferzeuger nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß zur Treibdampferzeugung für die Dampfstrahlpumpe (17) mit integriertem Verdampfer ein innerer Treibdampferzeuger (18) vorgesehen ist, der in den Dampferzeugungsteil (2) integriert ist.
15. Dampferzeuger nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der innere Treibdampferzeuger (18) in seinem Querschnitt Sintermetall aufweist.
16. Dampferzeuger nach einem der Ansprüche 9 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Abgaskühler (13) mit dem in eine Sammelkammer (11) zugeführten zu verdampfenden Medium thermisch gekoppelt ist.
„c 17. Dampferzeuger nach einem der Ansprüche 9 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Abgaskühler (13) über einen Verbrennungsluftvorwärmer (27) thermisch mit der dem Wärmeerzeugungsteil (1) zugeführten Verbrennungsluft gekoppelt ist.
18. Kältemaschine bzw. Wärmepumpe mit einem Dampfstrahlverdichter, einem Treibdampferzeuger, einem Kondensator und einem Verdampfer, dadurch gekennzeichnet, daß der Treibdampferzeuger ein Dampferzeuger nach einem der Ansprüche 1 bis 17 ist.
19. Kältemaschine bzw. Wärmepumpe mit einem Dampfstrahlverdichter, einem Treibdampferzeuger, der insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 17 ausgebildet ist,

' einem Kondensator und einem Verdampfer, dadurch gekennzeichnet, daß das Kondensat aus dem Kondensator (42) wenigstens zum Teil über eine Kondensatleitung (44) und eine Drossel (43) dem Verdampfer (41) zuführbar ist, und daß der andere Teil des durch den Verdämpfer (41) gekühlten Kondensats über eine Kondensatleitung (37) dem Treibdampferzeuger zuführbar ist.
20. Kältemaschine bzw. Wärmepumpe nach Anspruch 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, daß der Verdampfer (41) als Rieselverdampfer ausgebildet ist.
21. Kältemaschine bzw. Wärmepumpe nach einem der Ansprüche 18 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß der Dampf-Strahlverdichter (40) eine Dampfstrahlpumpe mit integriertem Sintermetallverdampfer ist.