DE3814897A1 - Waermestrahler mit katalytischer abgasreinigung, abgasrueckfuehrung und waermerueckgewinnung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Erwärmen von Räumen bzw. Hallen durch Rohrstrahler, den sog. Dunkelstrah­ lern, die eine Temperatur im Bereich von 150 bis 520°C besitzen mit besonders hoher Wärmeausnutzung für die Erwärmung und besonders sauberem Abgas.

Es ist bekannt, solche Rohrstrahler mit Gasflammen zu beheizen, denen man so viel Luft beimischt, daß die Grenztemperatur dieser Rohre von 400 bis 550°C nicht überschritten wird. Nach dem Durchströmen der Strahlerrohre und Abkühlung auf 150 bis 250°C wird das Abgas in die Halle oder über Dach abgegeben. Dabei hat sich aus lufthygienischen Gesichtspunkten die Ableitung über Dach immer mehr durchgesetzt.

Solche Geräte haben eine Reihe Nachteile, die die Zulassung als Heizgeräte zunehmend schwieriger werden lassen. Das betrifft sowohl die hohen Wärmeverluste durch die heißen Abgase als auch die hohen Emissionen, die sich in der schlechten Verbrennung im Rohr einstellen.

Es wurde nun überraschenderweise gefunden, daß es möglich ist, die Abgase so im Kreislauf zu führen, daß sie nicht nur den heißen Verbrennungsgasen als Kühlung, sondern auch der Flamme des Brenners als stickoxidreduzierenden Stoff beigemischt werden können. Dadurch ändert die Flamme ihre Temperatur und Farbe und verringert die Stickoxidproduktion auf Werte, die zwischen 10 und 20% der ursprünglichen Werte liegen. Dabei wirken sich die relativ hohen Temperaturen der im Kreislauf geführten Abgase positiv auf die Verbrennung aus. Gleichzeitig mit der Zufuhr von Verbrennungsluft zu dem Brenner wird ein Teil von ca. 10% der Rauchgase aus dem Kreislauf vor dem Brenner und nach dem Kreislaufventilator abgezogen, durch den Katalysator zur Verringerung der Schad-, bzw. der teil- oder unverbrannten Stoffe des Abgases geleitet und danach in Wärmetausch mit der Verbrennungsluft gebracht, die dadurch vorgewärmt wird.

Das Ergebnis der Erfindung ist deshalb so groß, da die im Kreislauf geführten Gase ca. 90% der Wärmeverluste vergleichbarer Strahlungssysteme in den Kreislauf zurückführen und über 90% der Schadstoffkomponenten durch die Kreislaufführung und den Katalysator vermieden werden. Der Wärmetausch des Abgases mit der Frischluft vermindert weitere Prozente des Wärmeverlustes der verbleibenden 10% Wärmeverlust des Systems.

Diese überraschenden physikalischen und chemischen Wirkungen führen zu einer Vorrichtung, die die Aufgabe der Erwärmung durch einen Strahlungsheizkörper ermöglichen.

Die Fig. 1 bis 3 zeigen die erfindungsgemäße Vorrichtung.

Mit (1) ist der Wärmestrahler bezeichnet. Er besitzt im betriebsbereiten Zustand einen darüber angeordneten Reflek­ tor, der auch wärmeisoliert sein kann, um alle Wärme nach unten in die Arbeitszone der Halle abzustrahlen.

Die Erwärmung in dem Hüllrohr (3) geschieht durch den Ge­ bläsebrenner (2). Zu diesem Zweck ist der Gebläsebrenner (2) an das Hüllrohr (3) seitlich angeschraubt. In das Hüllrohr (3) mündet auch der Abgaskanal (7) über die tangentiale Einmündung (8). Nach vorn schließt sich das Strahlerrohr (1) an, welches den gemeinsamen Abgasstrom (4) führt.

Das Ende des Wärmestrahlrohres (5) schließt an den Kreis­ laufventilator (6) an. Auf der Druckseite des Kreislauf­ ventilators (6) schließt der Abgaskanal (7) an. Seitlich an diesen Abgaskanal ist der Abzweig für das Abgas zum Kamin (9). An diesen Abzweig schließt das Katalysatorgehäuse (10) mit dem Nachoxidationskatalysator (22) an. Dieser Katalysa­ tor (22) besteht aus einer Keramikwabe, die mit einer Trenn­ substanz, dem Wash-Coat und einer Aktivmasse beschichtet ist. Als Aktivmasse kann sowohl eine Beschichtung mit Platinmetallen als auch mit dem Lanthan-Kobalt-Cer-Spinell aufgebracht sein. Als Wash-Coat dienen Massen aus Gamma- Aluminiumoxid oder Titandioxid.

Seitlich an das Katalysatorgehäuse (10) schließt sich der Wärmetauscher (11) an. Dieser kann aus den üblichen Kreuz­ stromplatten bestehen oder auch ein Doppelrohr sein, in dem innen das Abgas und außen die zu erwärmte Luft geleitet wird. Der Abgasstrom (13) zum Kamin wird durch den Abgaska­ nal (18) über die Drosselklappe (12) geleitet, die in einer Leitung angeordnet sind. Der Frischlufteintritt (14) ist dementsprechend seitlich oder am Rauchgassabgang bei der Drosselklappe (12) angeordnet. Vor der Drosselklappe (12) zweigt die Abgasrückführungsleitung (24) mit der Drossel­ klappe (25) ab. Die Rückführungsleitung (24) mündet in die Luftleitung (26) zum Gebläsebrenner (2) ein.

Fig. 2 zeigt die Verhältnisse im Hüllrohr (3). Die Fig. 2 zeigt zu diesem Zweck die Vorrichtung an dieser Stelle im Schnitt. Der Brenner (2) besitzt seitlich die Brennstoffzu­ fuhr (15), die im Brenner mit der vorgewärmten Luft die Verbrennung ermöglicht. An den Brenner (2) schließt sich das Brennkammerrohr (16) an, das an seinem offenen Ende in den Brennkammerkopf (27) ragt. Dieser über die Einstellvor­ richtung (28) axial auf dem Brennkammerrohr (16) verschieb­ bare Brennerkopf (27) ragt mit seinem erweiterten Ende in den Diffusor (19) hinein. Brennerseitig auf dem Hüllrohr liegt der Eintritt des heißen rezirkulierten Rauchgases (21), das durch den Abgaskanal (7) und über das tangentiale Eintrittsrohr (8) in den Ringraum gelangt.

Der Eintritt des rezirkulierten Abgasstromes ist mit dem Ringraum (17) verbunden, der um das Brennkammerrohr (16) und dem Brennkammerkopf (27) angeordnet ist. Nach Ende des Diffusors (19) schließt sich der Mischraum (20) an, der in den Wärmestrahler (1) übergeht.

Fig. 3 zeigt die Anordnung des Nachverbrennungskatalysators (22) in der erfindungsgemäßen Vorrichtung. An den Abgaskanal (7) schließt sich das Katalysatorrohr (22) an und weiter nach vorn der Wärmetauscher (11).

Diese Vorrichtung ist zwischen dem Kreislaufventilator (6) und dem Hüllrohr (3) angeordnet. An diesem Abgaskanal (18) schließt sich eine weitere Abgasleitung (24) zur Luftleitung (26) des Brenners (2) an, der eine Vermischung der Ansaug­ luft mit Abgas nach dem Wärmetauscher (11) bewirkt. Diese Verbindungsleitung (24) kann mit einer Drossel oder einer einstellbaren oder regelbaren Klappe (25) versehen sein. Durch diese Verbindungsöffnung werden ständig 10 bis 20% der Luftmenge durch Abgas ersetzt.

In einem speziellen Ausführungsbeispiel werden die Beson­ derheiten der Vorrichtung verfahrensmäßig näher beschrieben:

Eine ca. 4000 m³ große und 6 m hohe Produktionshalle soll im Winter innerhalb der Produktionszeit auf eine Behaglich­ keitstemperatur von 15-18°C gebracht und gehalten werden. Betriebsbedingt ist dabei eine Luftmenge von 160 m³/h durch die durch die Erdgasverbrennung im Gebläsebrenner (2) durch Frischluft (14) zu ersetzen.

Zur Beheizung und Belüftung der Halle wird diese mit einem Wärmestrahler (1), der eine mit Nennwärmeleistung von 100 kW hat, ausgerüstet. Beheizt wird der Wärmestrahler durch einen Erdgasbrenner (2), der ca. 10 m³ Erdgas/Betriebsstunde (15) durchsetzt.

Das Erdgas (15) verbrennt leicht überstöchiometrisch mit einer Luftzahl von 1.1 innerhalb der Brennkammerrohres (16). Dieses Rohr wird gekühlt durch den rückgeführten Abgasstrom (21), der durch den Abgaskanal (7) tangential (8) mit einer Temperatur von ca. 250°C in den Ringraum (17) des Hüll­ rohres (3) einströmt. Beim Durchströmen des Ringraumes (17) wärmt sich das rückgeführte Abgas (21) an der Brennkammer­ rohrwand (16) auf und durchmischt sich danach mit den noch warmen Abgasen aus der Erdgasverbrennung (23) in der Misch­ kammer (20). Die Mischtemperatur der beiden Gasströme (4) beträgt 450°C. Ein kleiner Teil der rückgeführten Abgas­ menge gelangt über die vorgewärmte Frischluft in den Ge­ bläsebrenner.

Der in den Diffusor (11) ragende Brennerkopf wird dabei so eingestellt, daß er eine Beschleunigung der zurückgeführten Abgase im Ringspalt zwischen Diffusor (19) und Brennkammer­ kopf (27) in der Hinsicht bewirkt, daß die hohe Pressung von ca. 2500 PA in Geschwindigkeit umgesetzt wird, die wiederum zu einem geringen Unterdruck am Ende des Brennkammerkopfes führt. Dieser geringe Unterdruck von ca. 10 bis 20 PA fördert das Absaugen der heißen Abgase aus dem Brennerrohr (16) und dem Brennerkopf (27), was dazu führt, daß der Ausbrand des Brennstoffes optimal verläuft.

Mit einer Temperatur von 450°C durchströmt der Gasstrom (4) das Wärmestrahlrohr (1), an dessen Ende (5) es sich auf ca. 250°C abgekühlt hat. Von der gesamten abgegebenen Wärmemenge strahlen ca. 80-90% in die Halle über das Wärme­ strahlrohr (1) ab, während die restlichen sich 10-20% in den Luftraum des Wärmestrahlers sammeln.

Am Ende des U-förmig gebogenen Wärmestrahlers (1) befindet sich ein Radialventilator (6), der den Druckverlust von ca. 2500 PA des Gasstromes (4) von ca. 120 m³ iN/h durch das Wärmestrahlrohrsystem überwindet. Auf der Druckseite des Ventilators (6) teilt sich der Abgasstrom (4) auf. 90% des Gasstromes (4) strömen durch den Abgaskanal (7) tangential (8) in den Ringraum (17) ein, wo sich dieser rückgeführte Abgasstrom (21) wieder in der Mischkammer (20) mit dem Abgas aus der Erdgasverbrennung (23) zu 450-grädigem Gas (4) ver­ mischt.

Da nur zwischen 40-50% der dem Gasstrom (4) zugeführten Wärmemenge abgestrahlt wurden, verbessert sich der ther­ mische Wirkungsgrad der Anlage durch die 90%ige Abgasrück­ führung durch den Kanal (7) auf 85-95% (thermisch).

10% des 250-grädigen Abgasstromes (4) wird nach dem Venti­ lator (6) in den Abzweig zum Kamin (9) geleitet. Direkt nach dem Abzweig (9) durchströmt das Abgas (13) ein Kataly­ satorsystem (22), das in einem Katalysatorgehäuse liegt. Hier verringern sich die NO _x - und CO-Werte des Abgases (13).

Nach dem Katalysatorsystem (22) wird dem Abgasstrom (13) von 12 m³ iN/h Restwärme im Kreuzstromwärmetauscher (11) entzo­ gen. Dabei kühlt sich das Abgas (13) von 250°C auf ca. 130-170°C ab, während die Zuluft (14) eine Temperatur von 100-150°C annimmt.

Nach dem Wärmetauscher (11) werden ca. 15% des Gasstromes (13) durch die Abgasrückführleitung (24) in die Frischluft­ leitung (24) vor dem Gebläsebrenner (2) geleitet.

Nach der Abgasrückführleitung (24) befindet sich eine Dros­ selklappe (12). Hier kann das Rezirkulationsverhältnis des Abgases (4) zwischen 65 und 95% geregelt werden.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel soll die erfindungsgemäße Vorrichtung näher erläutern.

Das Radialgebläse (6) mit einem Anschlußdurchmesser auf der Saugseite von 200 mm und einem Kanalanschluß mit den Maßen 250×200 mm auf der Druckseite saugt das Abgas (4) aus dem Wärmestrahlrohr (1), das einen Durchmesser von 200 mm und eine Gesamtlänge von ca. 41 m hat, und drückt es in den Abgaskanal (7) mit den Querschnittsmaßen 200×250 mm.

Ca. 10% des Abgasstromes (4) strömen durch den Abzweig (9) mit den Maßen 160×160 mm. Dabei durchströmt der Abgasstrom (13) zunächst den Katalysator (22) mit den äußeren Abmes­ sungen 150×150 und einer Gesamtlänge von 200 mm. Nach dem Wärmetauscher (14) zweigt die Abgasrückführleitung (24), die eine Nennweite von 40 mm hat, ab. Danach verengt sich der Abgaskanal (18) auf einen Durchmesser von 100 mm.

Ca. 90% des Abgasstromes (4) strömen tangential in den Ringraum (17), der einen äußeren Durchmesser von 500 mm und eine Länge von ca. 580 mm hat. Auf der einen Seite des Ringraumes ist zentrisch der Gasbrenner (2) mit den Gehäu­ seabmessungen 450×320×395 mm angeordnet. Das in den Ringraum ragende Brennkammerrohr (16) hat eine Gesamtlänge von 500 mm und einen Durchmesser von 280 mm. Sein Ende ragt in den Brennerkopf hinein. Der Brennerkopf (27) erweitert sich an seinem Ende, das in den Diffusor (19) ragt, auf 320 mm. Der Diffusor hat an seiner engsten Stelle einen Durchmesser von 330 mm, einen Öffnungswinkel von 6° und eine Länge von 500 mm.

Am Ende der Mischkammer (20) verjüngt sich der Durchmesser von 400 mm auf 200 mm. Dies ist gleichzeitig das Anschlußmaß für das Wärmestrahlrohr (1).

Claims (11)

1. Vorrichtung zum Erwärmen von Räumen durch Strahlung von einem Wärmestrahler mit isoliertem Reflektor von einem mit Brenngas oder Heizöl beheiztem Wärmestrahlerrohr mit Gebläsebrenner und Kreislaufventilator, wobei nur ein kleiner Teil des durch den Strahler strömenden Gases vom Brenner erzeugt und der größere Teil im Kreislauf geführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß sich um das Brennkam­ merrohr (16) und dem Brennkammerkopf (27) ein Hüllrohr (3) befindet, das an seinem einen Ende in einen Diffusor (19) übergeht und in das an seinem anderen Ende tangen­ tial das Einströmrohr (8) des Abgaskanales (7) mündet und zwischen dem Kreislaufventilator (6) und diesem Einström­ rohr (8) ein Abzweigstutzen (9) angesetzt ist, an dem sich der Katalysatorkanal (10), der Luftvorwärmer (11), das Rauchgasrückführungsrohr (24) und die Rauchgasdros­ selklappe (12) anschließt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zentrisch auf der einen Seite des Brennkammerrohres (16) der Gebläsebrenner (2) angeordnet ist und daß das Brenn­ kammerrohr (16) an seinem anderen Ende in den Brennkam­ merkopf (27), der auf dem Brennkammerrohr (16) über eine Einstellvorrichtung (28) axial zu bewegenden ist, ragt.

3. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Brennkammerrohr (16) und der Brennkam­ merkopf (27) von einem Hüllrohr (3) umgeben sind, das brennerseitig gasdicht abschließt und das an seinem Diffusorende vor dem Anschluß an das Wärmestrahlrohr (1) einen Mischraum (20) bildet, in dem das rückgeführte Abgas mit den Abgasen aus dem Brennkammerkopf (27) ver­ wirbelt.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kreislaufventilator (6), der sich am kalten Ende des Wärmestrahlrohres befindet und der einen thermisch isolierten Antrieb vom Elektromotor hat, an seinem Aus­ trittsende in den Abgaskanal (7) mündet.

5. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 und 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Druckseite des Kreislaufventilators (6) und das Hüllrohr (3) durch einem Abgaskanal (7) miteinander verbunden sind und daß dieser Abgaskanal (7) tangential (8) in das Hüllrohr (3) einbindet.

6. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 und 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Abgaskanal (7) einen Abzweigstutzen (9) besitzt.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuluftleitung (26) zum Gebläsebrenner (2) einen An­ schluß an den Luftvorwärmer (11) besitzt.

8. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Luftleitung (26) zum Gebläsebrenner (2) eine Rauch­ gasanschlußleitung (24) mit einer Drossel- oder Regel­ klappe (25) besitzen kann.

9. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Abgasrückführungsrohr (24) sich im Abgaskanal (18) eine Drosselklappe (12) befindet.

10. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,daß der Gebläsebrenner (2) sowohl ein Öl- als auch ein Gas­ brenner sein kann.

11. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 und 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß nach dem Abzweigstutzen (9) die Schadstof­ fe des Abgases katalytisch reduziert werden.