DE4204320C1 - - Google Patents
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
- F23C—METHODS OR APPARATUS FOR COMBUSTION USING FLUID FUEL OR SOLID FUEL SUSPENDED IN A CARRIER GAS OR AIR
- F23C13/00—Apparatus in which combustion takes place in the presence of catalytic material
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
- F24H—FLUID HEATERS, e.g. WATER OR AIR HEATERS, HAVING HEAT-GENERATING MEANS, e.g. HEAT PUMPS, IN GENERAL
- F24H1/00—Water heaters, e.g. boilers, continuous-flow heaters or water-storage heaters
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- F24H1/0045—Water heaters, e.g. boilers, continuous-flow heaters or water-storage heaters using fluid fuel with catalytic combustion
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Description
Die Erfindung betrifft einen Warmwasserbereiter mit einem Gaseinlaß für
ein Brenngas/Luft-Gemisch, einem Einlaß für ein aufzuheizendes Fluid,
mindestens zwei von dem Brenngas/Luft-Gemisch durchströmten Ver
brennungsstufen mit katalytischen Brennkammern, die zumindest teilweise
von mindestens einer mit dem Fluid gefüllten Fluidkammer umgeben sind,
und mit einem von diesem Fluid und mit dem aus den Brennkammern
entweichenden Abgas in verschiedenen Kammern durchströmten Abgas
wärmetauscher, wobei die zweite Verbrennungsstufe als ein monolithischer
Brenner ausgestaltet ist.
Solche Warmwasserbereiter sind im Heizungsbau bekannt und dienen z. B.
dazu, Warmwasser für eine Wohnungsheizung aufzuheizen und über
eventuell einen weiteren Wasser-Wasser-Wärmetauscher die Warmwasser
versorgung von diesen Wohnungen sicherzustellen. Bekannte Flamm
brenner weisen dabei den Nachteil auf, daß sie eine hohe schädliche NOx-
Emission aufweisen. Aus der DE 33 32 572 A1 ist ein katalytischer Bren
ner bekannt, der einen geringeren Schadstoffausstoß aufweist.
Diese Vorrichtung nach der DE 33 32 572 A1 verfügt über zwei getrennte
Luftzuführungen, die Primär- und Sekundärluft vor der ersten Verbren
nungsstufe bzw. zwischen der ersten und der zweiten Verbrennungsstufe
zuleiten. Mit dieser getrennten Luftzuführung im Verhältnis von 60 Pro
zent zu 40 Prozent soll die Wärmefreisetzung zu jeweils 50 Prozent in
beiden Stufen gewährleistet werden.
Dieser Warmwasserbereiter besteht in seinen katalytischen Verbrennungs
stufen aus zwei jeweils identischen monolithischen Brennern, die zwischen
jeweils zwei Wärmetauschern eingebettet sind, wobei Metallgitter einen
Flammenrückschlag verhindern sollen. Desweiteren ist zwischen diesem
Metallgitter und dem monolithischen Brenner ein nicht beschichteter
Keramikkörper angeordnet, der den Flammenrückschlag und ein offenes
Verbrennen außerhalb des eigentlichen Brennraums verhindern soll.
Diese Vorrichtung weist eine Vielzahl von Nachteilen auf. Zum einen
benötigt sie eine genaue Luftregelung zur Aufteilung der zugeführten
Primärluft- und Sekundärluftmenge. Eine solche Regeleinheit mit den
zusätzlich notwendigen Leitungszuführungen verkompliziert den Aufbau
des Warmwasserbereiters. Durch diese Ausgestaltung werden zwar Gaszu
sammensetzungen erreicht, die eine Ausbildung einer kritischen Tempera
tur in den Brennkammern vermeiden. Durch die Anordnung der Keramik
platte und des Metallgitters wird aber nicht der Flammenbetrieb zwischen
den beiden Keramiken mit und ohne Katalysator verhindert, es tritt
dagegen sogar eine starke Erhöhung des Gesamtdruckabfalls des Brenners
ein.
Bei der Ausnutzung der entstehenden Wärmeenergie wird aufgrund der
Anordnung der Wärmetauscher und den quasi-adiabatischen Betrieb nur
der konvektive Teil genutzt. Aufgrund der schlechten Wärmeleitung der
keramischen Monolithen, die mit jeweils ungefähr 50 Prozent der ent
stehenden Wärme belastet werden, können sogenannte heiße Punkte in den
monolithischen Brennern entstehen, die zu einer vorzeitigen Alterung der
Katalysatoren führen können.
Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe
zugrunde, einen Warmwasserbereiter der eingangs genannten Art zu
schaffen, der mit einem einfachen Aufbau eine höhere Brennstoffaus
nutzung bei geringeren Schadstoffemissionen im Abgas gestattet.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß für einen Warmwasserbereiter
gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 dadurch gelöst, daß die erste
Verbrennungsstufe als ein katalytischer Spaltbrenner ausgestaltet ist, wobei
der die Brennkammer der ersten Verbrennungsstufe bildende, von dem
Gasgemisch durchströmte Verbrennungsspalt zwischen einer mit einer
Keramikschicht ausgekleideten Wand auf der der Fluidkammer zuge
wandten Seite und einer mit einer Katalysatorschicht beschichteten Seite
begrenzt ist, und daß die Spaltbreite in Abhängigkeit von der durch den
Gasdurchsatz vorgegebenen Durchströmungsgeschwindigkeit derart vor
bestimmt ist, daß die Flammenrückschlaggeschwindigkeit kleiner als die
besagte Durchströmungsgeschwindigkeit ist.
Dadurch, daß ein zweistufiger katalytischer Brenner mit für unterschiedli
che Wärmeleistungen ausgelegten Stufen verwendet wird, ist es möglich,
das Brenngas rückstandslos umzusetzen, so daß in dem aus dem Warm
wasserbereiter austretenden Abgas weder das Brenngas noch ein NOx-
Anteil in relevanter Größe nachgewiesen werden kann. Durch die Aus
bildung des Verbrennungsspaltes der ersten Stufe zwischen einer mit einer
Keramikschicht ausgekleideten Wand auf der der Fluidkammer zuge
wandten Seite und einer mit der Katalysatorschicht beschichteten Seite
können die für eine hohe Umsatzrate notwendigen Temperaturen von 800
Grad Celsius gehalten und gleichzeitig ein zügiger Wärmefluß in das
aufzuheizende Fluid gewährleistet werden.
Ein Flammenrückschlag wird dabei wirkungsvoll dadurch verhindert, daß
die Spaltbreite in Abhängigkeit von der durch den Gasdurchsatz vorgege
benen Durchströmungsgeschwindigkeit derart vorbestimmt ist, daß die
Flammenrückschlaggeschwindigkeit kleiner als die besagte Durchströ
mungsgeschwindigkeit ist.
Dadurch, daß das Brenngas-Gemisch vor Einleitung in den katalytischen
Verbrennungsspalt im Gegenstrom an der Rückseite der die katalytische
Schicht tragenden Wand zum Vorheizen des Gemisches vorbeileitbar ist,
kann es durch die während der Reaktion freiwerdende Wärme vorgeheizt
werden, so daß fast im ganzen Verbrennungsspalt ideale Umsetzungs
temperaturen herrschen.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unter
ansprüchen gekennzeichnet.
Es werden nun mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der
Zeichnung beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische geschnittene Seitenansicht eines Warmwasser
bereiters gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
Fig. 2 eine schematische geschnittene Seitenansicht
eines Warmwasserbereiters gemäß einem zwei
ten Ausführungsbeispiel der Erfindung, und
Fig. 3 eine schematische geschnittene Seitenansicht
eines Warmwasserbereiters gemäß einem drit
ten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Die Fig. 1 zeigt die wesentlichen Elemente eines Warm
wasserbereiters gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel
der Erfindung. Dabei ist unter Warmwasserbereiter eine
Vorrichtung zu verstehen, mit der auch jedes andere
Fluid erwärmbar ist und die auf den technischen Merkma
len einer Aufheizvorrichtung für Wasser beruht. Der
Fachmann wird daher als aufzuheizendes Medium jedes
Fluid ansehen, wobei die Verwendung von Wasser, auch in
Gemischen, ein Spezialfall ist.
Für eine übliche Warmwasserversorgung eines Hauses mit
mehreren Wohneinheiten sind Heizleistungen von zum
Beispiel 15-30 Kilowatt notwendig. Diese werden
vorteilhafterweise in einzelnen Modulen von zum Bei
spiel 1-5 Kilowatt Leistung zur Verfügung gestellt,
so daß die für die benötigten Heizleistungen notwendige
Modulzahl individuell zusammengestellt werden kann. In
der Fig. 1 ist ein solches Modul dargestellt. Es weist
gegenüber den in den anderen Fig. dargestellten Modulen
einen höheren Gasdurchsatz und eine höhere Heizleistung
auf.
Das Modul ist in einem im wesentlichen zylindrischen
Hohlkörper 1 eingebaut. Das aufzuwärmende Fluid, zum
Beispiel Wasser, welches in den entsprechenden Kammern
mit dem Bezugszeichen 2 versehen ist, wird über einen
unteren seitlichen Einlaß 3 sowie über einen zentral um
die Zylinderachse 23 herum angeordneten weiteren Einlaß
3 in das Innere des Moduls eingeleitet. Das in die
äußere ringförmige Fluidkammer 4 einströmende Fluid
verläßt diese auf der dem Einlaß 3 gegenüberliegenden
Seite über einen oberen Auslaß 5. Das zentral einströ
mende Fluid 2 fließt in dem Rohr 6 in das Modul hinein
und fließt im Gegenstrom koaxial in einer an ihrem
oberen Ende abgedeckten Hülse 7 um den Einlaßort herum
wieder hinaus.
Das Kühlfluid 2 wird durch sich umsetzendes Gas aufge
heizt. Dies besteht aus einem Brenngas/Luft-Gemisch,
das über an der Unterseite des Moduls angeordnete
Einlässe 8 in das Modul eingeleitet wird. Vorteilhaf
terweise sind in dem Modul hinter den Einlässen 8 Räume
zur Gasverteilung und Verwirbelung 9 vorgesehen, in
denen das Gas homogen durchgemischt wird. Diese Räume 9
verläßt das Brenngas/Luft-Gemisch jeweils über Öffnun
gen 10 und gelangt in Verbrennungsspalte 11, die an
hohle zylindrische Rohre 12 angrenzen. Die hohlen
zylindrischen Rohre 12 bestehen vorzugsweise aus einem
Metall, welches außen mit einem Katalysator 13
beschichtet ist. Die gegenüberliegende Seite des jewei
ligen Verbrennungsspaltes 11 wird von einer hier eben
falls zylindrischen Fluidkammerwand 30 gebildet, die
mit einer wärmedämmenden Keramikschicht 14 belegt ist,
die jeweils die Wände zu den beiden Fluidkammern 4 und
7 auskleidet. Das durch die Öffnung 10 in die Verbren
nungsspalte 11 einströmende Gas wird an der katalytisch
wirkenden Oberfläche 13 unter Wärmeentwicklung umge
setzt. Diese Wärme wird über die als Wärmedämmschicht
wirkende Keramikschicht 14 an das Fluid 2 übertragen,
das so erwärmt wird und im Kühlmittelkreislauf aus dem
Auslaß 5 herausfließt.
Die Katalysatorschicht 13 besteht vorteilhafterweise
aus einem Edelmetall, vorzugsweise aus Platin oder
Palladium. Andere geeignete Materialien sind die Oxide
einiger Nebengruppenelemente und bestimmte Perowskite,
z. B. Kalziumtitanoxid.
Ein direkter Kontakt der Fluidkammerwand 30 mit dem
Verbrennungsspalt 11 und über Gas-Konvektion mit der
die Katalysatorschicht 13 tragenden Wand 12 wird vor
zugsweise vermieden, da das Gas bei der Umsetzung eine
Temperatur von vorzugsweise 800 Grad Celsius erreichen
sollte und der Umsetzungsprozeß erst bei 350 Grad
Celsius beginnt. Die Wärmedämmschicht 14 gegenüber den
Fluidkammern 4 und 7 besteht in den hier beschriebenen
Ausführungsformen aus einer Keramikschicht. Sie kann
aber auch aus einer in einer besonderen Zwischenkammer
eingeschlossenen Gasschicht gebildet werden.
Der die Katalysatorschicht 13 tragende Hohlzylinder 12
ist vorzugsweise hohl, damit die Wärme beim Start der
katalytischen Reaktion nicht in einen als Wärmespeicher
dienenden eventuellen Vollzylinder fließen kann, son
dern direkt zum Aufheizen der Katalysatorschicht und
des Gasgemisches dient. Weiter kann so die zu Tempera
turen von über 800 Grad Celsius führende, darüberhin
ausgehende Wärme im thermischen Gleichgewicht direkt
und ohne das Aufheizen eines Zwischenspeichers an das
Fluid 2 abgegeben werden kann. Vorteilhafterweise
besteht der Hohlzylinder 12 aus einem dünnen metalli
schen Rohr, womit eine gleichmäßige Wärmetönung der
Katalysatorschicht 13 über fast seine gesamte Zylinderfläche
gewährleistet werden kann. Denn die Geschwindigkeit der
Reaktion hängt insbesondere von der Temperatur und von
der Konzentration beziehungsweise den Partialdrücken
der beteiligten Gase ab.
Im unteren anfänglichen Umsetzungsbereich des Verbren
nungsspaltes 11 liegt die Temperatur zu Beginn der
Reaktion ungefähr bei 350 Grad Celsius, zumindest also
weit unter 800 Grad Celsius, so daß der Umsetzungs
prozeß nicht mit der möglichen Geschwindigkeit ablaufen
kann. Daher wirkt hier das dünne metallische Rohr 12
als Heizung, die die im mittleren Umsetzungsbereich
entstehende Wärme direkt in den unteren Bereich weiter
leitet, so daß dort unmittelbar nach Reaktionsbeginn
ebenfalls eine optimale Temperatur herrscht.
Im oberen Endbereich des Verbrennungsspaltes 11 ist
bereits ein großer Prozentsatz des Brenngases umge
setzt, so daß auf Grund der sinkenden Partialdrücke die
Reaktionsgeschwindigkeit zurückgeht. Die zurückgehende
Reaktionsgeschwindigkeit führt weiter zu einem Absinken
der Temperatur der Katalysatorschicht 13, so daß ein noch
drastischerer Einbruch in der Reaktionsgeschwindigkeit
zu erwarten wäre, womit ein hoher verbleibender Überschuß
an nicht verbrannten Gas verbleiben würde. Hier
gleicht das dünne metallische Rohr 12 das Absinken der
Temperatur auf Grund der zurückgehenden Reaktionsge
schwindigkeit durch eine Wärmezufuhr aus dem mittleren
heißen Bereich der Katalysatorschicht 13 aus, so daß trotz
sinkender Partialdrücke ein zufriedenstellender Umsatz
im oberen Endbereich des 10 bis 20 Zentimeter langen
Verbrennungsspaltes 11 erreichbar ist.
Der beschriebene zur Verbrennung dienende Gasspalt 11
weist dabei eine Breite auf, die bei der durch den
Gasdurchsatz vorgegebenen Durchströmungsgeschwindigkeit
so vorbestimmt ist, daß die gleichzeitig durch die Art
des verwendeten Brenngases vorgegebene Flammenrück
schlaggeschwindigkeit kleiner als die besagte Durch
strömungsgeschwindigkeit in Vorwärtsrichtung ist. Denn
die Temperatur des Gasgemisches ist größer als ihre
Selbstentzündungstemperatur, so daß auf diese Weise ein
Flammrückschlag und die Ausbildung einer stabilen
Flamme verhindert werden kann.
Das aus den oberen Öffnungen 15 der Verbrennungsspalte
11 der ersten Verbrennungsstufe 16 des katalytischen Brenners
heraustretende Gas enthält immer noch circa 10-30
Prozent Brenngas. Dieses wird im Luftspalt 17 frei
verteilt, so daß es in die Poren 18 des Katalysator
schwammes 19 eindringen kann. Der Katalysatorschwamm 19
besteht aus einem Keramikschaum, der über eine fein
porige Struktur verfügt, die mit dem Katalysatormateri
al beschichtet ist. Eine solche Katalysatorstruktur
wird als "monolithischer Brenner" 20 bezeichnet.
In diesem ist der Abstand zwischen den einzelnen das
Katalysatormaterial tragenden Wänden der Poren 18 des
Schwammes 19 sehr viel geringer als in dem Verbren
nungsspalt 11, so daß selbst bei den in dem vorliegen
den Rest-Brenngas niedrigen Partialdrücken die verblei
benden Brenngasbestandteile praktisch rückstandslos
umgesetzt werden. Hierbei entstehen selbst bei den
niedrigsten Brenngaskonzentrationen Temperaturen von
ungefähr 1000 Grad Celsius. Die entsprechende Wärme
kann kaum über das schlecht wärmeleitende Katalysator
schwammaterial abgegeben werden, so daß die hohe die
Diffusionsgeschwindigkeit der Gasteilchen begünstigende
Temperatur von 1000 Grad Celsius in einem mittleren, im
wesentlichen bezüglich der Achse 23 zylindrischen
Bereich 21 des monolithischen Brenners 20 gehalten
werden kann.
Dabei wird die Größe des Porenmaterials in Abhängigkeit
von der gewünschten Brennleistung auch so gewählt, daß
die erreichte Temperatur nicht stark über die besagten
1000 Grad Celsius ansteigt, da ansonsten das Katalysa
tormaterial aboxydieren und/oder sich Stickoxyde bilden
könnten. Bei der genannten Betriebstemperatur von 1000
Grad Celsius wird das Brenngas in der zweiten Stufe 20
rückstandslos derart verbrannt, daß NOx-Emissionen
beziehungsweise Brenngasreste nur mit einer höchst
empfindlichen Meßtechnik nachgewiesen werden könnten
und daß deren Abgabe in die Luft unbedenklich ist. Das
mit dem Bezugszeichen 22 versehene Abgas wird dann in
einem in den Figuren nicht dargestellten Abgaswärme
tauscher mit dem aus dem Auslaß 5 entströmenden Kühl
fluid 2 in Verbindung gebracht, so daß die in dem Abgas
enthaltene Wärme das Kühlfluid 2 weiter aufheizen kann.
Außerdem besteht dadurch bei entsprechender Verlegung
der Zuleitungsrohre des Brenngas/Luft-Gemisches die
Möglichkeit, das Brenngas/Luft-Gemisch vorzuheizen.
Somit ist ein zweistufiger katalytischer Brenner be
schrieben worden, der eine rückstandslose Verbrennung
eines Brenngases gestattet, wobei die dabei vorzusehen
den Dimensionen in ihrem Raumbedarf günstig sind. Bei
einer zugrundegelegten Leistung von einigen Kilowatt
weist die Länge der ersten Verbrennungsstufe 16 eine Größenordnung
zwischen 10 und 15 Zentimetern auf, an die sich nach
einem Verwirbelungsspalt 17 von 1 bis 2 Zentimetern
Dicke der circa 3 Zentimeter tiefe Katalysatorschwamm
19 anschließt.
Bei der Ausgestaltung der Größenverhältnisse zueinander
ist lediglich darauf zu achten, daß es sich bei der
zweiten Verbrennungsstufe 20 um einen im wesentlichen adiabatischen
Prozeß handelt, daß die Durchströmgeschwindigkeiten der
ersten Stufe 16 an die der zweiten Verbrennungsstufe 20 über die
Spaltbreiten 11 beziehungsweise Porenbreiten 18 ange
paßt sind, und daß die Katalysatorflächen der ersten 16
und zweiten 20 Verbrennungsstufe im richtigen Verhältnis zueinander
stehen.
Bei dem in der Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel
ist von Vorteil, daß die beiden Verbrennungsstufen 16 und 20 in ein
Rohr 1 mit konstantem Außendurchmesser eingesetzt
werden können. Dabei ruht der Schwamm 19 in einer
einfachen Ausgestaltung der Erfindung auf einem seitli
chen inneren Stützring 32, der zugleich ein direktes
Beaufschlagen der äußersten Randbereiche 35 des Schwam
mes 19 mit Gas verhindert, so daß diese Bereiche 35
nicht am Umsetzungsprozeß beteiligt sind und als Wärme
dämmschicht wirken.
Es ist auch möglich, daß die zweite Verbrennungsstufe 20 über einen
größeren Durchmesser bezüglich der Achse 23 verfügt, so
daß die Oberfläche des normal zu der Achse 23 der Vor
richtung stehenden Katalysatorschwammes 19 vergrößert
wird, wobei dann die Tiefe der zweiten Verbrennungsstufe 20 ent
sprechend verkleinert werden kann, sofern der Verwirbelungsspalt 17
ausreichend tief ist, um eine seitliche Verteilung des
einströmenden Rest-Brenngas/Luft-Gemisches ohne eine
allzu große Abkühlung zu gestatten. Der Verteilungs
spalt weist vorteilhafterweise eine Breite von unter
einem bis ungefähr 5 Zentimeter auf.
Die Fig. 2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel der
Erfindung, bei dem gleiche Merkmale mit gleichen Be
zugszeichen wie in der vorausgegangenen Figur bezeich
net werden.
Analog zu der Fig. 1 wird mit dem unteren Einlaß 3
kaltes Fluid 2 in die ringförmige Fluidkammer 4 einge
leitet und über den oberen Auslaß 5 zum Abgaswärmetau
scher geführt. An der Innenseite der bezüglich der
Achse 23 koaxialen Fluidkammerwand 30 ist eine Wärme
dämmschicht angeordnet, die vorzugsweise aus einem
Keramikrohr 14 besteht.
Zwischen diesem Keramikrohr 14 und der ebenfalls zylin
drischen, mit dem Katalysator beschichteten Kataly
satorwand 31 ist der Verbrennungsspalt 11 ausgebildet,
dessen Länge vorteilhafterweise zwischen 10 und 30
Zentimetern liegt. Das Brenngas wird zentral über ein
auf der Achse 23 angeordnetes Hohlrohr 25 eingeleitet,
welches an einer oberen Endplatte 26 in das koaxial
angeordnete Katalysatorwandrohr 31 umgeleitet wird, so
daß es im Gegenstrom bezüglich dem Verbrennungsspalt 11
zurückfließt und durch radial angeordnete Öffnungen 27
am unteren Ende des Moduls in den Verbrennungsspalt 11
gelangt. Durch dieses doppelte Gegenstromprinzip wird
das Brenngas/Luft-Gemisch durch Wärmeleitung und gege
benenfalls Wärmestrahlung von der an der Katalysatorschicht 13
entstehenden Wärme vorgewärmt, so daß es bereits beim
Eintritt in den Verbrennungsspalt 11 über die Auslaß
öffnungen 27 eine geeignete die Umsetzung begünstigende
Temperatur aufweist.
Beim Start des Umsetzungsprozeß muß das Brenngas/Luft-
Gemisch u. U. auf die Starttemperatur von einigen hun
dert Grad Celsius vorgewärmt werden. Dafür ist eine
elektrische Heizschlange 34 vorgesehen, die das Zuführ
rohr 25 im Bereich des Einlasses 8 des Gasgemisches
umgibt. Weiter ist ein in der Fig. nicht dargestellter
Thermosensor im Bereich des katalytischen Verbrennungs
spaltes 11 der ersten Verbrennungsstufe 16 vorgesehen, mit dessen
Temperatursignal die Heizschlange 34 bei Vorliegen
eines kalten Gasgemisches einschaltbar und bei Errei
chen einer vorbestimmten Gasgemischtemperatur aus
schaltbar ist.
Beim Ausführungsbeispiel gemäß der Fig. 2 erstreckt
sich der ringförmige Kühlmantel 4 entlang der ersten 16
und der zweiten 20 Verbrennungsstufe. Im Bereich der ersten Verbrennungsstufe
16, d. h. angrenzend an den Verbrennungsspalt 11, und
vorteilhafterweise ebenfalls im Bereich des Vertei
lungsraumes 17 ist an der Fluidkammerwand 30 das Kera
mikrohr 14 vorgesehen. Dieses grenzt dann an den Innen
ring 32 an, auf dem eine Katalysatorwabe 39 aufgesetzt
ist.
Die mit parallelen Striche dargestellte Katalysatorwabe
39 besteht aus einer Vielzahl von nebeneinanderliegen
den wabenförmigen Röhrchen 38 aus keramischem Material,
die mit dem Katalysatormaterial, also z. B. Platin,
ausgekleidet sind. Ein solcher Katalysator wird eben
falls als "monolithischer Brenner" 20 bezeichnet. In
diesem ist der Abstand zwischen den einzelnen das
Katalysatormaterial tragenden Wänden erheblich kleiner
als die entsprechenden Abstände bei dem Verbrennungs
spalt 11, so daß selbst bei den in dem vorliegenden
Brenngas niedrigen Partialdrücken die verbleibenden
Brenngasbestandteile praktisch rückstandslos umgesetzt
werden.
Die Randbereiche 35 der Katalysatorwabe 39 der zweiten
Stufe 20 werden durch den Innenring 32 abgedeckt, so
daß sie als Wärmedämmschicht gegenüber der Fluidkammer
4 auftreten, so daß die hohen Temperaturen innerhalb
des mittleren Bereichs 21 auch bei geringen Konzentra
tionen an Brenngas ausgenützt werden können.
Die Fig. 3 schließlich stellt ein drittes Ausführungs
beispiel eines Warmwasserbereiters dar. Gleiche Merkma
le dieser Vorrichtung sind mit den gleichen Bezugszei
chen wie in den Fig. 1 und Fig. 2 bezeichnet. Die
Vorrichtung nach Fig. 3 ist insbesondere eine Weiter
bildung des Moduls nach Fig. 2. Der Aufbau der Gegen
stromvorheizung des Brenngas/Luft-Gemisches ist analog
aufgebaut und es besteht ebenfalls nur eine ringförmige
Fluidkammer 4.
Die Fluidkammer 4 ist aber mit dem auf ihrer Wand 30
befestigten Keramikrohr 14 nur bis in den Bereich des
Spaltes 17 hochgezogen. Sie wird von einer radialen
Lochplatte 36 abgeschlossen, auf die die Katalysatorwa
be 39 aufgesetzt ist, so daß bereits von der Konstruk
tion her das Rest-Brenngas nur den zentralen Bereich 21
der Katalysatorwabe 39 beaufschlagt. Die äußeren 35 mit
parallelen Striche dargestellten wabenförmigen Röhrchen
38 der Katalysatorwabe 39 werden von dem Gas nicht
beaufschlagt, da sie von der Lochplatte 36 verschlossen
werden. Damit wirken diese aus Keramik bestehenden
Röhrchenwände als Wärmedämmung gegenüber dem umgebenden
Rohr 1, so daß die hohen Temperaturen innerhalb des
mittleren Bereichs 21 auch bei geringen Konzentrationen
an Brenngas ausgenützt werden können.
Das Brenngas/Luft-Gemisch 3 kann aus einem Gemisch aus
Luft und Methan bestehen, es kann aber auch ein anderer
Kohlenwasserstoff wie Propan oder Butan eingesetzt
werden. Auch ist es möglich, Alkohole wie Methanol oder
Äthanol im Gemisch mit Luft zu verwenden. Natürlich
kann es sich auch um in der Gasversorgung von Versor
gungsbetrieben bereitgestelltes Erdgas handeln, welches
dann NOx-frei verbrannt werden kann.
Für das Katalysatormaterial können insbesondere Platin
oder Palladium verwendet werden, wobei die Katalysator
materialien in den beiden Stufen gleichartig oder auch
unterschiedlich sein können.
Neben der Keramikschicht 14 kann zusätzlich oder in
Alternative eine gasgefüllte Kammer oder eine Vakuum
kammer als Wärmedämmschicht vorgesehen sein. Die Dicke
der vorgesehenen Wärmedämmschicht ist so bemessen, daß
bei dem vorgesehenen Gasdurchsatz die für das umzuset
zende Brenngas/Luft-Gemisch im Bereich des Verbren
nungsspaltes 11 die vorbestimmte optimale Temperatur
herrscht und gleichzeitig die darüber hinausentwickelte
Wärme an das aufzuheizende Fluid 2 abgegeben werden
kann.
Die in den Fig. 1, 2 und 3 beschriebenen, in ihrer
Gestaltung des Brennraumes unterschiedlichen zweiten
Verbrennungsstufen 20 können bezüglich der verschiedenen ersten
Verbrennungsstufen 16 ausgetauscht werden. Gleichzeitig ist es
möglich, die in der Fig. 2 niedergelegten Merkmale
eines monolithischen Brenners 17 in einem größeren
Modul wie dem der Fig. 1 mit mehreren bezüglich der
Achse 23 achsensymmetrischen Rohren 12 zu realisieren.
Die dargestellten bezüglich einer Achse 23 symmetri
schen Kammern bilden eine besonders vorteilhafte raum
sparende und konstruktiv einfach auszuführende Ausfüh
rungsform. Es kann jedoch jede beliebige andere, z. B.
quaderförmige Kammerform gewählt werden. Auch können
mehrere Ein- und Auslässe 3, 5 und 8 für die verschie
denen Fluide und/oder Verteilungskammern 9 vorgesehen
sein.
Claims (12)
1. Warmwasserbereiter mit einem Gaseinlaß (8) für ein Brenngas/Luft-
Gemisch, einem Einlaß für ein aufzuheizendes Fluid (2), mindestens zwei von
dem Brenngas/Luft-Gemisch durchströmten Verbrennungsstufen (16, 20) mit
katalytischen Brennkammern, die zumindest teilweise von mindestens einer mit
dem Fluid (2) gefüllten Fluidkammer (4, 7) umgeben sind, und mit einem von
diesem Fluid (2) und mit dem aus den Brennkammern entweichenden Abgas in
verschiedenen Kammern durchströmten Abgaswärmetauscher, wobei die zweite
Verbrennungsstufe (20) als ein monolithischer Brenner (18, 19, 38, 39) ausgestal
tet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Verbrennungs
stufe (16) als ein katalytischer Spaltbrenner (11) ausgestaltet ist, wobei der die
Brennkammer der ersten Verbrennungsstufe (16) bildende, von dem Gasge
misch durchströmte Verbrennungsspalt zwischen einer mit einer Keramik
schicht (14) ausgekleideten Wand (30) auf der der Fluidkammer (4) zuge
wandten Seite und einer mit einer Katalysatorschicht (13) beschichteten Seite
(12, 31) begrenzt ist, und daß die Spaltbreite in Abhängigkeit von der durch den
Gasdurchsatz vorgegebenen Durchströmungsgeschwindigkeit derart vorbe
stimmt ist, daß die Flammenrückschlaggeschwindigkeit kleiner als die besagte
Durchströmungsgeschwindigkeit ist.
2. Warmwasserbereiter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das
Brenngas-Gemisch
vor Einleitung in den katalytischen Verbrennungsspalt im
Gegenstrom an der Rückseite der die Katalysatorschicht (13) tragenden Wand
zum Vorheizen des Gemisches vorbeileitbar ist.
3. Warmwasserbereiter nach einem in der vorstehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß der monolithische Brenner (18, 38) in der Ebene normal
zur Durchflußrichtung des Gasgemisches nur durch eine vorbestimmte Fläche
(32, 36) in einem mittigen Bereich (21) von dem aus der ersten Verbrennungs
stufe (16) austretenden Gasgemisch durchströmbar ist, so daß die verbleiben
den Randbereiche (35) der zweiten Verbrennungsstufe (20) am Umsetzungs
prozeß nicht beteiligt sind und einen Wärmeschild gegenüber den Außenwän
den (1) des Warmwasserbereiters bilden.
4. Warmwasserbereiter nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß eine elektrische Heizschlange (34) das Zuführrohr (25) im
Bereich des Einlasses (8) des Gasgemisches in die erste Verbrennungsstufe
(16) für ein Vorheizen desselben umgibt und daß ein Thermosensor im Bereich
des katalytischen Spaltbrenners (11) der ersten Verbrennungsstufe (16) vor
gesehen ist, mit dessen Temperatursignal die Heizschlange (34) bei Vorliegen
einer niedrigen Gasgemischtemperatur einschaltbar und bei Erreichen einer
vorbestimmten Gasgemischtemperatur ausschaltbar ist.
5. Warmwasserbereiter nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß zwischen den beiden Stufen (16 und 20) ein Verteilungs-
und Verwirbelungsspalt (17) vorgesehen ist.
6. Warmwasserbereiter nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß der das aufzuheizende Fluid (2) enthaltende Fluidmantel
nur in der und um die erste Stufe (16) angeordnet ist.
7. Warmwasserbereiter nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß der monolithische Brenner (18, 38) die Gestalt einer
Katalysatorwabe aufweist.
8. Warmwasserbereiter nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch
gekennzeichnet, daß der monolithische Brenner (18, 38) die Gestalt eines Katalysatorschaums
aufweist.
9. Warmwasserbereiter nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß im Zuflußkanal des Gasgemisches mindestens eine
Verwirbelungskammer (9) vorgesehen ist.
10. Warmwasserbereiter nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß die Katalysatorschicht (13) der ersten Stufe auf einer
dünnen metallischen Unterschicht aufgebracht ist, so daß eine gute
Wärmeverteilung längs des Umsetzungsbereiches des Verbrennungsspaltes gewährleistet
ist.
11. Warmwasserbereiter nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß das Katalysatormaterial aus Platin, Palladium
oder oxidischen Materialien besteht.
12. Warmwasserbereiter nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß das Brenngas ein Alkan oder ein Alkohol ist.
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