DE3716187A1 - Heizvorrichtung zum heizen begrenzter raeume, insbesondere heizvorrichtung zum heizen der fahrgastraeume eines selbstbewegten fahrzeuges und dergleichen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft Heizvorrichtungen zum Heizen begrenzter Räume und insbesondere, jedoch nicht ausschliesslich, eine Heizvorrichtung, die zum Heizen der Fahrgasträume von selbstbewegten Fahrzeugen und dergleichen dient und die eine Verbrennungsvorrichtung mit einer Einrichtung zur Zufuhr und zum Mischen von Brennstoff und Verbrennungsluft umfasst, sowie einen Auslass für Abgase, und ferner einen Wärmetauscher, der mit dem Auslass der Verbrennungsvorrichtung verbunden ist und dazu dient, eine Wärmeübertragung zwischen den Verbrennungsgasen und einem Heizmedium zu bewirken, das dem zu heizenden Raum zugeführt wird.

Heizvorrichtungen dieser Art werden in grossem Umfang als sogenannte Standheizungen in verschiedenen Arten von selbstbewegten Fahrzeugen verwendet. Die in derartigen Heizvorrichtungen normalwerweise vorgesehene Verbrennungsvorrichtung umfasst eine Verbrennungskammer, in die Brennstoff und Luft eingespritzt und anschliessend verbrannt werden, wobei die erhaltenen heissen Verbrennungsgase ihre thermische Energie auf ein Heizmedium übertragen und diese Übertragung mittels eines Wärmetauschers erfolgt, der entweder innerhalb der Verbrennungskammer oder neben derselben liegt.

Bekannte Heizvorrichtungen dieser Art weisen zahlreiche Nachteile auf. Beispielsweise ist es äusserst schwierig, die Ausgangsleistung des Brenners zu regulieren, da ein zufriedenstellender Verbrennungswirkungsgrad nur erreicht werden kann, wenn die Leistungsänderungen sehr klein sind. Dies bedeutet, dass eine Heizvorrichtung, bei welcher die Leistungsanforderungen geringer als die Kapazität der Heizvorrichtung sind, ausgeschaltet und in vorgegebenen Abständen erneut gezündet werden muss. Ferner sind bekannte Heizvorrichtungen nicht ausreichend zuverlässig im Betrieb und desgleichen ist der Wirkungsgrad derartiger Heizvorrichtungen nicht so hoch als es wünschenswert wäre.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Heizvorrichtung der vorausgehend genannten Bauart zu schaffen, die zuverlässiger ist und einen höheren Wirkungsgrad aufweist als bekannte Heizvorrichtungen, wobei diese Aufgabe gelöst werden soll, ohne dass die Abmessungen der Heizvorrichtung über die Abmessungen der bekannten Heizvorrichtungen dieser Bauart hinaus vergrössert werden. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss durch eine Heizvorrichtung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Zweckentsprechende Ausführungsformen der erfindungsgemässen Heizvorrichtung sind in den abhängigen Ansprüchen ausgeführt.

Die Erfindung wird anschliessend im einzelnen unter Bezugnahme auf die anliegende einzige Zeichnung beschrieben, die schematisch einen Querschnitt einer Heizvorrichtung darstellt, die im Einklang mit einer Ausführungsform der Erfindung aufgebaut ist.

Die dargestellte Heizvorrichtung umfasst zwei Hauptteile, nämlich eine Verbrennungsvorrichtung, die generell mit (1) bezeichnet ist und einen mit dieser verbundenen Wärmetauscher, der generell mit (2) bezeichnet ist. Die Verbrennungsvorrichtung (1) umfasst in bekannter Weise einen Lufteinlass (3), durch welchen Verbrennungsluft in Richtung des Pfeils (A) über ein Gebläse oder eine entsprechende, nicht dargestellte Einrichtung zugeführt wird. Eine Brennstoffzufuhrleitung (5) mündet in den Lufteinlass (3). Die Brennstoffzufuhrleitung (5) ist an ihrem neben dem Lufteinlass (3) liegenden Ende mit einer Düse (6) zum Zerstäuben des der Verbrennungsvorrichtung zugeführten Brennstoffs und zum Vermischen dieses Brennstoffs mit der Verbrennungsluft versehen.

Die Verbrennungsvorrichtung weist stromabwärts des Lufteinlasses (3) und der Düse (6) einen Abschnitt mit sich vergrössernder Querschnittsfläche auf, in welcher eine Heizvorrichtung in Gestalt einer Heizwicklung (7) angeordnet ist. Die Heizwicklung der dargestellten Ausführungsform wird elektrisch aufgeheizt und erwärmt beim Starten der Heizvorrichtung das Brennstoff-Luft-Gemisch, damit der gesamte im Gemisch vorhandene Brennstoff verdampft und damit die Verbrennung stattfinden kann.

Anschliessend an den Durchtritt durch die Heizwicklung (7) gelangt das Brennstoff-Luft-Gemisch mit dem in Dampfform vorliegenden Brennstoff in einen katalytischen Reaktor (8). Der katalytische Reaktor (8) umfasst eine grosse Anzahl von Leitungen oder Kanälen, durch welche das Brennstoff-Luft-Gemisch fliesst und die durch Wände eines Trägerwerkstoffes begrenzt werden, die mit einem katalytischen Werkstoff beschichtet sind, der zur Erzielung einer katalytischen Verbrennung des vorherrschenden Brennstoff-Luft-Gemisches ausgewählt wurde. Der katalytische Reaktor (8) erstreckt sich über den gesamten Querschnitt der Verbrennungsvorrichtung (1) und die Kanäle stellen einen extrem grossen Oberflächenbereich zum Kontakt mit dem Brennstoff-Luft-Gemisch dar. Die Länge (A) des katalytischen Reaktors ist jedoch so ausgewählt, dass das Brennstoff-Luft-Gemisch nicht vollständig im katalytischen Reaktor (8) verbrannt wird, zumindest wenn die Heizvorrichtung mit voller Leistung betrieben wird, d.h. wenn die Strömung des Brennstoff-Luft-Gemisches einen Maximalwert hat. Somit enthalten die aus dem Reaktor austretenden Gase einen verhältnismässig grossen Anteil an verbennbaren Anteilen, da das Brennstoff-Luft-Gemisch im katalytischen Reaktor nicht völlig verbrannt wird.

Die endgültige Verbrennung der brennbaren Anteile in dem aus dem katalytischen Reaktor (8) austretenden Gas erfolgt in einem thermischen Reaktor (9), der stromabwärts des katalytischen Reaktors (8) angeordnet ist, bezogen auf die Strömungsrichtung der Gase. Der thermische Reaktor (9) hat eine Grösse, die derart bemessen ist, dass eine im wesentlichen vollständige Verbrennung erzielt wird, bevor die Verbrennungsgase aus einem Auslass (10) austreten, der im thermischen Reaktor (9) vorhanden ist.

Der Wärmetauscher (2) ist mit dem Auslass (10) am thermischen Reaktor (9) verbunden und soll dazu dienen, einen Wärmeaustausch zwischen den heissen aus dem Auslass (10) austretenden Verbrennungsgasen und einem Heizmedium zu erzielen, das dem zu heizenden Raum zugeführt wird. Der Wärmetauscher (2) ist in der Zeichnung nur schematisch dargestellt, wobei die Verbrennungsgase, nachdem sie den thermischen Reaktor (9) durch den Auslass (10) verlassen, einen hohlen Wärmetauscherkörper (11) umströmen. Ein Heizmedium fliesst innerhalb des Wärmetauscherkörpers (11) von einem Einlass (12) zu einem Auslass (13) und nimmt die Wärme aus den heissen Verbrennungsgasen auf. Nach ihrem Durchgang durch den Wärmetauscherkörper (11) verlassen die Verbrennungsgase den Wärmetauscher (2) über einen Auslass (14). Der Auslass (14) ist selbstverständlich mit einer Abgasleitung verbunden, obgleich dies in der Zeichnung nicht dargestellt ist.

Das Betriebsverfahren der erfindungsgemässen Heizvorrichtung ergibt sich aus obiger Beschreibung, obgleich zusammenfassend erwähnt werden kann, dass die durch den Lufteinlass (3) eintretende Verbrennungsluft, nachdem sie mit dem aus der Düse (6) austretenden Brennstoff gemischt wurde, wobei, falls erforderlich, eine Vorheizung und Verdampfung des Brennstoffs des Gemisches mittels der Heizwicklung (7) erfolgt, in den katalytischen Reaktor (8) fliesst, wo eine unvollständige katalytische Verbrennung des Brennstoff-Luft-Gemisches stattfindet, und diese Verbrennung zumindest dann unvollständig ist, wenn die Heizvorrichtung mit voller Leistung arbeitet. Das unvollständig verbrannte Brennstoff-Luft-Gemisch wird anschliessend an den Durchtritt des Gemisches durch den katalytischen Reaktor (8) und Eintritt in den thermischen Reaktor (9) vollständig verbrannt, worauf die heissen Verbrennungsgase durch den Auslass (10) austreten und von der Verbrennungsvorrichtung (1) in den Wärmetauscher (2) strömen, in welchem die Wärme der heissen Gase auf das Heizmedium übertragen wird, und anschliessend die Verbrennungsgase die Heizvorrichtung durch den Auslass (14) verlassen.

Zumindest beim Starten der Heizvorrichtung ist es erforderlich, den gesamten Brennstoff mit Hilfe der Heizwicklung (7) zu verdampfen und daher werden die Luftströmung und die Brennstoffströmung auf einen verhältnismässig niedrigen Wert eingestellt, beispielsweise auf ein Fünftel der Strömung bei voller Leistung. Dies ergibt eine im wesentlichen vollständige Verbrennung im katalytischen Reaktor (8), nachdem die Oberflächen des Katalysators auf die erforderliche Temperatur, etwa 200 bis 300°C, aufgeheizt wurden. Hat die Temperatur im thermischen Reaktor (9) den erforderlichen Wert erreicht, beispielsweise 500°C, so können die Grösse der Luftströmung und der Brennstoffströmung auf ihren Maximalwert erhöht werden, wobei die Verbrennung im katalytischen Reaktor (8) unvollständig bleibt. Diesbezüglich ist es weiterhin erforderlich, den gesamten vorliegenden Brennstoff zu verdampfen, was durch Rückführung von Wärme aus dem thermischen Reaktor (9) erfolgen kann. Dies ist jedoch auf der Zeichnung nicht dargestellt.

Die erfindungsgemässe Heizvorrichtung hat eine Anzahl Vorteile. Beispielsweise ist die erfindungsgemässe Heizvorrichtung nicht nur zuverlässiger als bekannte Heizvorrichtungen dieser Bauart, sondern sie hat im Vergleich zur rein katalytischen Verbrennung den Vorteil, die Verwendung eines kleineren Luftüberschusses zu verwenden, während weiterhin der katalytische Reaktor (8) auf einer ausreichend niedrigen Temperatur gehalten wird, um eine Beschädigung des katalytischen Werkstoffs zu vermeiden. Die fortgesetzte Verbrennung im thermischen Reaktor (9) erfolgt in der Gasphase und infolgedessen wird bei kleineren Luftüberschüssen ein höherer Wirkungsgrad erzielt, was die Verbrennung einer grösseren Brennstoffströmung ermöglicht, so dass eine grössere Leistung bei gegebener Querschnittsfläche des katalytischen Reaktors (8) erzielt werden kann. Ferner ist das Volumen des katalytischen Reaktors (8) kleiner als jenes einer Heizvorrichtung für eine rein katalytische Verbrennung, und somit wird beim Starten weniger Leistung verbraucht.

Es ist offensichtlich, dass die Erfindung nicht auf die beschriebene Ausführungsform beschränkt ist und Abänderungen derselben werden im Rahmen der anliegenden Ansprüche von der Erfindung mitumfasst.

Claims (3)

1. Heizvorrichtung zum Heizen begrenzter Räume und insbesondere zum Heizen der Fahrgasträume eines selbstbewegten Fahrzeuges oder dergleichen, mit einer Verbrennungsvorrichtung (1), die eine Einrichtung (3, 5, 6) zur Zufuhr und zum Mischen von Brennstoff und Verbrennungsluft aufweist, sowie einen Auslass (10) für Verbrennungsgas und ferner einen Wärmetauscher (2), der mit dem Auslass (10) der Verbrennungsvorrichtung (1) verbunden ist und der den Wärmeaustausch zwischen den Verbrennungsgasen und einem Heizmedium durchführen soll, das dem zu heizenden Raum zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbrennungsvorrichtung (1) einen katalytischen Reaktor (8) zur katalytischen Verbrennung von zumindest einem Teil des Brennstoff-Luft-Gemisches aufweist, sowie einen thermischen Reaktor (9), der zwischen dem katalytischen Reaktor (8) und dem Auslass für das Verbrennungsgas angeordnet ist und dazu dient, bei Abwesenheit einer getrennten Zündvorrichtung und ferner bei Abwesenheit einer getrennten sekundären Luftzuführung das Brennstoff-Luft-Gemisch vollständig zu verbrennen, das im katalytischen Reaktor (8) nur teilweise verbrannt worden sein mag.

2. Heizvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Querschnittsfläche des katalytischen Reaktors (8) im wesentlichen den gesamten Strömungsquerschnitt in der Verbrennungsvorrichtung (1) umfasst und dieser eine Länge aufweist, die derart auf die Querschnittsfläche abgestellt ist, dass ein katalytischer Oberflächenbereich erhalten wird, der zumindest beim Betrieb der Heizvorrichtung mit voller Leistung nur eine unvollständige Verbrennung des Brennstoff-Luft-Gemisches im katalytischen Reaktor (8) gestattet.

3. Heizvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vorheizvorrichtung (7) in der Verbrennungsvorrichtung (1) zwischen der Zufuhr- und Mischvorrichtung (3, 5, 6) für Brennstoff und Verbrennungsluft und dem katalytischen Reaktor (8) angeordnet ist.