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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Heizvorrichtung oder -einrichtung
gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.
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Eine derartige Heizvorrichtung ist aus der JP-A 60-114603 bekannt. Die BE-
A 561215 offenbart eine Heizvorrichtung mit Trennplatten, die in der
Heizkammer vorgesehen sind, so daß die Heizkammer in eine Vielzahl von
Unterkammern unterteilt wird.
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Üblicherweise verwendet eine derartige Heizeinrichtung einerseits die
Strahlungswärme von Flammen, die bei einer Verbrennung entstehen, und die
Berührungswärme eines Verbrennungsgases mit einer hohen Temperatur.
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Bei einer derartigen herkömmlichen Heizeinrichtung war es unmöglich, die
Erzeugung von Schadstoffen, wie NOx, und unverbrennbaren Stoffen zu
verhindern.
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Es gab daher bei einer herkömmlichen Heizeinrichtung nur die Möglichkeit,
die Länge der Verbrennungsflammen so zu vergrößern, daß die Temperatur
eines Verbrennungsgases auf eine niedrige Temperatur gebracht wird.
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Außerdem bestand ein Nachteil darin, daß die Abmessungen eines
Wärmetauschers groß werden, wenn ein Wärmeaustausch zwischen Verbrennungsabgas
und eingeblasener Luft durchgeführt wird.
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Für den Fall, daß eine mehrstufige Kontaktverbrennung verwendet wird,
bestanden Nachteile darin, daß in jeder Stufe eine Heizeinrichtung vorgesehen
sein muß, daß die Kosten der Einrichtung teuer werden und daß aufgrund
des Anstieges der Oberfläche der Einrichtung die Wärmeverluste ansteigen,
wodurch der thermische Wirkungsgrad verringert wird.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die im Hinblick auf die oben
dargelegten Umstände gemacht worden ist, eine Heizvorrichtung zu schaffen,
bei der eine Wärmeübertragungsfläche einer in einer Heizkammer zu
erwärmenden Oberfläche so klein gemacht werden kann, daß die gesamte
Heizvorrichtung miniaturisiert werden kann und auch auf die Verbesserung des
thermischen Wirkungsgrades abgezielt werden kann.
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Es ist auch Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Heizvorrichtung zu
schaffen, bei der das meiste der Gesamtmenge an Sauerstoff in der
Verbrennungsluft verwendet werden kann und ein hoher thermischer Wirkungsgrad
erreichbar ist, während die Erzeugung von Schadstoffen unterdrückt wird.
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Zum Lösen dieser Aufgaben ist die Heizvorrichtung erfindungsgemäß durch
die Merkmale von Patentanspruch 1 gekennzeichnet.
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Erfindungsgemäß ist eine Heizvorrichtung vorgesehen, bestehend aus einer
Heizkammer mit einem Boden und einem Öffnungsbereich in ihrem oberen
Bereich, einem Deckel auf der Oberseite der Heizkammer, einer Anzahl von
Wärmetauscherrohren, die in senkrechter Richtung in vorgegebenen,
diametral zur Heizkammer verlaufenden Abständen in der Heizkammer angeordnet
sind, einer Endplatte im unteren Bereich des Deckels zum Abschließen des
Öffnungsbereichs der Heizkammer und zugleich zum Halten der Rohre, einer
Anzahl von Umlenkplatten, die so angeordnet sind, daß sie ein sich
senkrecht erstreckendes Labyrinth in einer Reihe in der Heizkammer bilden und
von den Rohren durchdrungen werden, einem Verbrennungsgaseinlaß, der
im Bodenbereich der Heizkammer oder in einer Seitenwand, die an den
Bodenbereich angrenzt und einen Öffnungsbereich am Bodenbereich der
Heizkammer aufweist, vorgesehen ist, und einem Abgasauslaß, der in einem
oberen Bereich der Heizkammer oder in einer Seitenwand, die an den oberen
Bereich angrenzt und einen Öffnungsbereich im oberen Bereich der
Heizkammer aufweist, vorgesehen ist, welche Heizvorrichtung eine katalytische
Hauptverbrennungseinrichtung, die außerhalb der Heizkammer angeordnet
und an den Verbrennungsgaseinlaß angeschlossen ist, umfaßt, sowie eine
Anzahl von Trennplatten, die derart in der Heizkammer angeordnet sind, daß
sie das Labyrinth in eine Anzahl von Kammern unterteilen, und eine Anzahl
von katalytischen Hilfsverbrennungseinrichtungen, die derart angeordnet
sind, daß sie die beiden Kammern auf der unteren und der oberen Seite
einer jeden Trennplatte verbinden.
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Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist eine
Heizvorrichtung wie zuvor beschrieben vorgesehen, die dadurch gekennzeichnet ist,
daß die katalytische Hauptverbrennungseinrichtung aus einer
Verbrennungseinrichtung einer ersten Stufe mit einem ersten Mischer zum Mischen
vorerwärmter Luft mit Brennstoff und mit einem ersten Verbrennungskatalysator
auf der stromabwärtigen Seite eines Mischgasauslasses des ersten Mischers
und aus einer Verbrennungseinrichtung einer zweiten Stufe mit einem
zweiten Mischer auf der stromabwärtigen Seite des ersten
Verbrennungskatalysators zum Mischen des Verbrennungsgases aus der Verbrennungseinrichtung
der ersten Stufe mit Brennstoff und mit einem zweiten
Verbrennungskatalysator auf der stromabwärtigen Seite des Mischgasauslasses des zweiten
Mischers zusammengesetzt ist.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist eine
Heizvorrichtung wie zuvor beschrieben vorgesehen, die dadurch
gekennzeichnet ist, daß jede der katalytischen Hilfsverbrennungseinrichtungen aus
einem Kanal für den Durchfluß des Verbrennungsgases aus einer Kammer
unterhalb der Trennplatten, aus einem Mischer im Lauf des Kanals zum
Mischen von Brennstoff mit dem austretenden Verbrennungsgas, aus einem
Verbrennungskatalysator stromabwärts des Mischgasauslasses des Mischers
und aus einem Kanal zusammengesetzt ist, der das erwärmte
Verbrennungsgas, das durch den Verbrennungskatalysator hindurchgegangen ist, in eine
Kammer oberhalb der Trennplatten einleitet.
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Gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist eine
Heizvorrichtung wie zuvor beschrieben vorgesehen, die dadurch
gekennzeichnet ist, daß die Endplatte auf der Unterseite eine Versteifungsrippe
aufweist.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist eine
Heizvorrichtung wie zuvor beschrieben vorgesehen, die dadurch
gekennzeichnet ist, daß die Endplatte aus einer ersten Endplatte in der Nähe des
unteren Endes des Deckels zum festen Abstützen der oberen Enden der
Wärmetauscherrohre
und aus einer zweiten Endplatte besteht, die in dem Deckel
angeordnet ist und nach oben in einem vorgegebenen Abstand zu der ersten
Endplatte liegt.
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Gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist eine
Heizvorrichtung wie zuvor beschrieben vorgesehen, die dadurch
gekennzeichnet ist, daß jedes Wärmetauscherrohr aus einem äußeren Heizrohr, das
mit seinem oberen Ende an der ersten Endplatte befestigt ist, so daß sein
oberes Öffnungsende in derselben Ebene wie die obere Oberfläche der ersten
Endplatte liegt, und das vertikal von der ersten Endplatte in die Heizkammer
hängt und aus einem inneren Rohr mit einem offenen unteren Ende besteht,
das mit seinem oberen Ende an der zweiten Endplatte befestigt ist, so daß
sein oberes Öffnungsende in derselben Ebene wie die obere Oberfläche der
zweiten Endplatte liegt, und das vertikal von der zweiten Endplatte in das
äußere Heizrohr ohne Berührung mit diesem hängt.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist eine
Heizvorrichtung wie zuvor beschrieben vorgesehen, die dadurch
gekennzeichnet ist, daß das innere Rohr mit einem Innenrohr versehen ist, das in
das innere Rohr von dessen oberem Öffnungsende vertikal ohne Berührung
mit dem inneren Rohr eingehängt ist.
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Darüber hinaus ist gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung eine Heizvorrichtung wie zuvor beschrieben vorgesehen, die
dadurch gekennzeichnet ist, daß in das innere ,Rohr ein Innenrohr eingefügt
ist, das oben und unten Öffnungsenden aufweist und in das innere Rohr vom
oberen Öffnungsende ohne dieses zu berühren eingehängt ist, daß ein
zwischen dem eingefügten Rohr und dem inneren Rohr gebildeter, ringförmiger
Zwischenraum wenigstens an seinem oberen Ende verschlossen ist, und daß
das obere Öffnungsende des äußeren Heizrohres mit einer Gaseinlaßseite
verbunden ist und andererseits das obere Öffnungsende des eingefügten
Innenrohres mit einer Reaktionsproduktgasauslaßseite verbunden ist.
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Darüber hinaus ist gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung eine Heizvorrichtung wie zuvor beschrieben vorgesehen, die
dadurch gekennzeichnet ist, daß das eingefügte Innenrohr mit einem
gezogenen Bereich versehen ist, der auf einer inneren umlaufenden Oberfläche am
unteren Ende des eingefügten Innenrohres ausgebildet ist, sowie mit einer
Kühlmediumkammer auf der Außenseite des Umfanges des gezogenen
Bereiches zur Verbindung mit dem gezogenen Bereich über eine Düse und mit
einem Kühlmediumrohr, das zwischen der Kühlmediumkammer und einem
Kühlmediumzuführrohr zum Zuführen von Kühlmedium in die
Kühlmediumkammer angeschlossen ist.
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Bei der vorliegenden Erfindung mit den jeweiligen zuvor beschriebenen
Ausführungsformen wird das Verbrennungsgas, das aus der katalytischen
Hauptverbrennungseinrichtung einströmt, wird von dem Abgasauslaß durch das
Labyrinth in der Heizkammer ausgestoßen und erwärmt die äußere Oberfläche
der in die Heizkammer eingesetzten Wärmetauscherrohre, wodurch das Fluid
in den Rohren erwärmt wird. Somit wird das Verbrennungsgas, das durch
das Labyrinth hindurchströmt, durch die katalytische
Hilfsverbrennungseinrichtung verbrannt und erwärmt, während das Gas von der Unterseite zu der
Oberseite dem ein gen Trennplatte strömt, die die Heizkammer unterteilt.
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In der katalytischen Hauptverbrennungseinrichtung wird in der
Verbrennungseinrichtung der ersten Stufe die Verbrennung bei 750 bis 900ºC und in
der Verbrennungseinrichtung der zweiten Stufe bei 1250 bis 1350ºC
durchgeführt.
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Vorgewärmte Luft und Brennstoff werden dem Mischer der
Verbrennungseinrichtung der ersten Stufe der katalytischen
Hauptverbrennungseinrichtung zugeführt, und Verbrennungsgas und Brennstoff werden auf der
stromaufwärtigen Seite dem Mischer der anderen katalytischen
Verbrennungseinrichtungen zugeführt.
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Feedgas, das in äußeren Heizrohren, die Wärmetauscherrohre bilden, strömt,
reagiert innerhalb dieser äußeren Heizrohre und wird durch die latente
Verdampfungswärme eines Kühlmediums, das aus einer Düse gesprüht wird,
gekühlt, während es durch das eingesetzte Innenrohr unmittelbar nach der
Reaktion strömt.
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Somit kann erfindungsgemäß die Wärmeübertragungsfläche einer in einer
Heizkammer zu erhitzenden Oberfläche kleingemacht werden. Somit ist es
möglich, eine Miniaturisierung der gesamten Heizvorrichtung zu
bewerkstelligen
und zudem eine Verbesserung des thermischen Wirkungsgrades mit
geringem Wärmeverlust zu erzielen. Es ist darüber hinaus möglich, fast die
gesamte Menge des Sauerstoffs in der Verbrennungsluft innerhalb einer
gesteuerten Verbrennungstemperatur zu verwenden und die Erzeugung von
Schadstoffen zu unterdrücken.
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Darüber hinaus sind erfindungsgemäß die oberen Enden der inneren Rohre,
die Teil der Wärmetauscherrohre sind, geschlossen, sind eingesetzte
Innenrohre mit oben und unten offenen Enden in diese inneren Rohre eingesetzt,
sind gezogene Bereiche an den unteren Endbereichen dieser eingesetzten
Innenrohre vorgesehen, und werden diese gezogenen Bereiche gekühlt.
Damit wird das Reaktionsproduktgas in den äußeren Heizrohren, das aus den
Öffnungsbereichen der äußeren Heizrohre der Wärmetauscherrohre
einströmt, unmittelbar an deren Reaktionsbeendigungsabschnitt gekühlt,
wodurch Nebenreaktionen des Reaktionsproduktgases verhindert werden. Die
zuvor beschriebenen sowie weitere Aufgaben, Ausführungsformen und
Vorteile der vorliegenden Erfindung werden sich dem Fachmann durch die
Erklärung unter Bezugnahme auf die folgende Beschreibung und beigefügten
Zeichnungen zeigen, in denen bevorzugte, konkrete Beispiele, die mit dem Prinzip
der vorliegenden Erfindung übereinstimmen, als Ausführungsformen
dargestellt sind.
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Fig. 1 ist ein schematischer Längsschnitt, der eine erste Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung zeigt;
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Fig. 2 ist ein vergrößerter Längsschnitt, der einen Trennplattenabschnitt der
ersten Ausführungsform zeigt;
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Fig. 3 ist ein vergrößerter Längsschnitt, der einen Deckel und einen
Endplattenabschnitt der ersten Ausführungsform zeigt;
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Fig. 4 ist eine Untersicht einer ersten Endplatte der ersten Ausführungsform;
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Fig. 5 ist ein Längsschnitt, der eine andere Ausführungsform zeigt, bei der
ein Deckel als Reaktor verwendet wird;
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Fig. 6 und 7 sind ein teilweise weggelassener Längsschnitt, der eine andere
Ausführungsform eines äußeren Heizrohres zeigt, sowie eine Draufsicht
davon;
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Fig. 8 ist ein Längsschnitt eines Hauptteiles, der eine weitere
Ausführungsform zeigt, die als thermischer Zerlegungsofen eines Hochdruckgases
verwendet wird;
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Fig. 9 ist ein Längsschnitt eines Hauptteiles, der ein verändertes Beispiel des
in der in Fig. 8 gezeigten Ausführungsform verwendeten, äußeren Heizrohres
zeigt; und
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Fig. 10 ist ein Längsschnitt eines Hauptteiles, der eine andere
Ausführungsform zeigt, die als Zerlegungsofen eines Reaktionsproduktgases verwendet
wird.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN
AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Im folgenden werden verschiedene bevorzugte Ausführungsformen der
vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen im
Detail beschrieben.
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Die Fig. 1 bis 4 zeigen eine Ausführungsform eines Boilers. In diesen Figuren
bezeichnet das Bezugszeichen 1 ein Außengehäuse mit einem Boden, das
einen offenen oberen Bereich und einen daran befestigten Flansch 2 und auf
seiner Innenfläche einen Dämmstoff 3a aufweist. Desweiteren ist ein
Dämmstoff 3b an dessen offenen Ende vorgesehen, so daß er das offene Ende
verschließt.
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Ein Deckel 4 ist an dem offenen Ende des Außengehäuses 1 befestigt, und
dieser Deckel 4 besteht aus einem Flansch 5, der luftdicht an dem Flansch 2
des Außengehäuses 1 befestigt ist, aus einem Zylinder 6, der an diesem
Flansch 5 befestigt ist, und aus einer Haube 7, die an der Oberseite dieses
Zylinders 6 luftdicht durch einen Flansch befestigt ist und die Gestalt einer
Kappe hat. Ein Einlaß 8 ist an der seitlichen Oberfläche des Zylinders 6 und
ein Auslaß 7a an dem oberen Bereich der Haube 7 vorgesehen. Eine erste
Endplatte und eine zweite Endplatte 10 sind vertikal voneinander getrennt
unterhalb des Einlasses 8 des Zylinders 6 befestigt. Öffnungsendbereiche
einer Anzahl von äußeren Heizrohren 11 mit Böden und offenen oberen Enden
sind an der unten angeordneten ersten Endplatte 9 befestigt, und die einen
Endbereiche einer Anzahl von beiderseits offenen inneren Rohren 13 sind an
der oben angeordneten zweiten Endplatte 10 befestigt. Die äußeren
Heizrohre 11 erstrecken sich in eine Heizkammer 14, die in dem Außengehäuse 1
gebildet wird, und jedes innere Rohr 13 ist in jedes äußere Heizrohr 1 1 ohne
dieses zu berühren eingesetzt. Die jeweiligen äußeren Heizrohre 11 sind
derart angeordnet, daß sie in diametraler Richtung in der Heizkammer 14
vorgegebene Zwischenräume zwischen sich einhalten. Desweiteren dringen die
jeweiligen äußeren Heizrohre 11 durch den Dämmstoff 3b, der die offenen
Enden des Außengehäuses 1 verschließt. Eine Anzahl von Kaminen 15 ist auf
der zweiten Endplatte 10 angeordnet, die zum oberen Teil des Deckels 4
offen sind. Die Heizkammer 14 wird mittels einer Vielzahl von Umlenkplatten
16 in Gestalt eines Labyrinths unterteilt. Desweiteren sind Trennplatten 17,
die das Labyrinth unterteilen, an verschiedenen Stellen im Verlaufe des
Labyrinths auf diesen Umlenkplatten 16 vorgesehen.
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Ein Verbrennungsgaseinlaß 19 einer katalytischen
Hauptverbrennungseinrichtung 18 mündet am tiefsten Endbereich des durch die Umlenkplatten 16
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gebildeten Labyrinths am Boden der Heizkammer 14. Zudem sind Kanäle 20a
und 20b, die mit dem Außenraum in Verbindung stehen, an den
Seitenwänden jeweils oberhalb und unterhalb der jeweiligen Trennplatten 17
angeordnet, und katalytische Hilfsverbrennungseinrichtungen 21a und 21b sind
außerhalb des Außengehäuses 1 zwischen die beiden Kanäle 20a und 20b
gesetzt. Desweiteren ist ein Abgasauslaß 14a an einem oberen Endbereich der
Heizkammer 14 vorgesehen.
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Die katalytische Hauptverbrennungseinrichtung 18 besteht aus einer
Verbrennungseinrichtung 22a einer ersten Stufe und einer
Verbrennungseinrichtung 22b einer zweiten Stufe, und die Verbrennungseinrichtung 22a der
ersten Stufe besteht aus einem Mischer 25a mit einem Einlaß 23 für
vorgewärmte Luft und einem Brennstoffeinlaß 24a und aus einem
Verbrennungskatalysator 26a stromabwärts eines Mischgasauslasses des Mischers 25a.
Darüber hinaus ist die Verbrennungseinrichtung 22b der zweiten Stufe
stromabwärts des Verbrennungskatalysators 26a der Verbrennungseinrichtung 22a
der ersten Stufe angeordnet und besteht aus einem Mischer 25b mit einem
Brennstoffeinlaß 24b und aus einem Verbrennungskatalysator 26b
stromabwärts des Mischers 25b.
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Die katalytischen Hilfsverbrennungseinrichtungen 21a und 21b bestehen
jeweils aus Mischern 27a und 27b und Verbrennungskatalysatoren 28a und
28b, und die Mischer 27a und 27b sind an den Kanal 20a an der Unterseite
(stromaufwärtigen Seite) der Trennplatten 17 angeschlossen, und die
Verbrennungskatalysatoren 28a und 28b sind an den Kanal 20b an der Oberseite
(stromabwärtigen Seite) angeschlossen.
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Brennstoffzufuhrrohre 29a und 29b sind jeweils an beiden Mischern 27a und
27b angeschlossen.
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Die äußeren Umfangsbereiche der Umlenkplatten 16 und Trennplatten 17
werden durch eine Hülse 30 gestützt, die, wie in Fig. 2 dargestellt, auf der
Innenseite des Dämmstoffes 3a des Außengehäuses 1 angeordnet ist.
Desweiteren bestehen die Trennplatten 17 aus zwei Schichten eines
Plattenmaterials 17a und 17b, die vertikal übereinander angeordnet sind, und ein
Dichtungsstoff 31, der die äußeren Umfangsbereiche der Außenrohre 11
abdichtet, wird zwischen diesen Plattengliedern 17a und 17b gehalten. Dieser
Haltebereich ist nutförmig ausgebildet, und der Dichtungsstoff 31, der
torusförmig ausgebildet ist, wird in diesem Nutbereich gehalten.
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Da die erste Endplatte 9, die die Oberseite der Heizkammer 14 verschließt,
den Innendruck der Heizkammer 14 aufnimmt, ist eine äquivalente
Festigkeit erforderlich. Für den Fall, das der Druck in der Heizkammer 14 hoch ist,
muß die Platte dickergemacht werden, da die erste Endplatte 9 eine Platte
ist. Deshalb wird die Vergrößerung der Plattendicke dadurch gesteuert, daß
eine Rippe 32 auf der Unterseite der ersten Endplatte 9 gemäß Fig. 3 und 4
vorgesehen wird.
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Mit der oben beschriebenen Konstruktion wird vorgewärmte Luft durch den
Einlaß 23 für vorgewärmte Luft und Brennstoff durch den Brennstoffeinlaß
24 zugeführt, wodurch eine Verbrennung bei 750 bis 900ºC in der
Verbrennungseinrichtung 22a der ersten Stufe zuerst in der katalytischen
Hauptverbrennungseinrichtung 18 durchgeführt wird. Dann wird das Verbrennungsgas
erneut mit Brennstoff in der Verbrennungseinrichtung 22b der zweiten Stufe
vermischt, so daß eine Verbrennung bei 1250 bis 1350ºC dort durchgeführt
wird, und das Verbrennungsgas wird durch den Verbrennungsgaseinlaß 19 in
den unteren Endbereich des in der Heizkammer 14 gebildeten Labyrinths
geleitet.
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Das Verbrennungsgas aus der katalytischen Hauptverbrennungseinrichtung
18 strömt durch das Labyrinth der Heizkammer 14 und erwärmt die äußeren
Heizrohre 11 in der Heizkammer 14 von deren Außenseite. Dann wird das
Heizgas, das durch das Labyrinth der Heizkammer 14 strömt, durch den
Kanal 20a zu einer Stelle geführt, an der die Trennplatte 17 angeordnet ist, und
nacheinander in den katalytischen Hilfsverbrennungseinrichtungen 21a und
21b verbrannt und erwärmt.
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Dem Verbrennungsgas von 1250 bis 1350ºC, das in den Bodenbereich der
Heizkammer 14 eingeströmt ist, wird nämlich durch die äußeren Heizrohre
11 während des Aufstieges in dem Labyrinth die Wärme entzogen, und die
Temperatur fällt, so daß es eine Temperatur von ungefähr 750 bis 800ºC an
den durch die Trennplatten abgeteilten Bereichen erreicht. Desweiteren
wird das Verbrennungsgas, das eine derartig niedrige Temperatur erreicht
hat, in der ersten katalytischen Hilfsverbrennungseinrichtung 21a durch
Wiederverbrennung erhitzt, so daß aus ihm ein Verbrennungsgas von 1250 bis
1350ºC wird, und es strömt erneut auf die Oberseite der Trennplatten 17
durch den Kanal 20b. Dieser Vorgang wird anschließend in der zweiten
katalyrischen Hilfsverbrennungseinrichtung 21b und danach wiederholt, und das
Verbrennungsgas wird bei einer niedrigen Temperatur von etwa 600ºC aus
dem Abgasauslaß 14a ausgestoßen, der an dem oberen Endbereich der
Heizkammer 14 vorgesehen ist. Somit werden während dieser Periode die
äußeren Heizrohre 11 von außen erwärmt.
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Außerdem wird Brennstoff den jeweiligen Mischern 25b, 27a und 27b der
katalytischen Verbrennungseinrichtungen in der zweiten und den folgenden
Stufen zugeführt.
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Luft wird ausschließlich durch den Einlaß 23 für vorgewärmte Luft der
katalytischen Hauptverbrennungseinrichtung 18 bei der
Verbrennungserwärmung zugeführt, und der Sauerstoff in der Luft wird nacheinander in den
Verbrennungseinrichtungen auf der stromabwärtigen Seite verbraucht. Somit
wird der Rest-Sauerstoff in dem Abgas, das aus dem Abgasauslaß 14a der
Heizkammer 14 austritt, fast zu Null. Ein (nicht gezeigter) Wärmetauscher
zum Vorheizen von Luft, die der katalytischen Hauptverbrennungseinrichtung
18 zugeführt wird, ist an einem Ausströmkanal für das Abgas, das aus dem
Abgasauslaß 14a ausströmt, angeordnet, wo die vorgewärmte Luft vorgewärmt
wird. Damit wird die fühlbare Wärme in dem Abgas wiedergewonnen, und der
thermische Wirkungsgrad der gesamten Heizeinrichtung wird ungefähr 94%.
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Da darüber hinaus die Temperatur des Verbrennungsgases höchstens
ungefähr 1350ºC beträgt, wird in dem Verbrennungsgas nahezu nichts von dem
Schadstoff NOx erzeugt. Es ist daher nicht erforderlich, eine
Entstickungsanlage in dem Abgaskanal anzubringen.
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Andererseits wird zu diesem Zeitpunkt Wasser durch einen Einlaß 8
zugeführt, der an dem den Deckel 4 bildenden Zylinder 6 angebracht ist. Dieses
Wasser strömt abwärts in die Bodenbereiche der äußeren Heizrohre 1 1
durch innere Rohre 13, die an der zweiten Endplatte 10 befestigt sind, steigt
in den äußeren Heizrohren 11 auf und erreicht den Raum zwischen der
ersten und der zweiten Endplatte 9, 10. Während dieser Periode wird das
Wasser durch die Erwärmung von der Heizkammer 14 zu Dampf. Dieser Dampf
tritt durch den oberen Bereich des Deckels 4 über Kamine 15, die auf der
zweiten Endplatte 10 vorgesehen sind. Zu diesem Zeitpunkt steigt Flüssigkeit
tragender Dampf aus den Kaminen 15 auf, und Dampf strömt so wie er ist
durch einen Auslaß 7a, und Wasser tropft auf einen
Heizwasser-Verweilbereich auf der zweiten Endplatte 10.
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Der Grund, weshalb die katalytische Hauptverbrennungseinrichtung 18
zweistufig ausgebildet ist, besteht darin, daß Niedertemperaturverbrennung durch
vorgewärmte Luft und Hochtemperaturverbrennung durch das
Verbrennungsgas bewirkt wird. Platin und Paladium, etc. werden für den
Verbrennungskatalysator 26a, der in der Verbrennungseinrichtung 22a der ersten Stufe
verwendet wird, zum Zwecke der Zündung bei niedriger Temperatur verwendet,
und es wird Brennstoff verwendet, der keine zu Katalysatorgift werdenden
Stoffe wie Schwefel, etc. enthält. Da außerdem ein Dampfkatalysator bei
1000ºC und mehr eine kurze Lebenszeit hat und nicht für eine Verwendung
über einen langen Zeitraum geeignet sein kann, wird er bei 900ºC und
weniger eingesetzt.
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Ein Verbrennungsgas von hoher Temperatur aus der
Verbrennungseinrichtung 22a der ersten Stufe strömt in die Verbrennungseinrichtung 22b der
zweiten Stufe. Daher wird nur ein Siliziumkarbid-Monolit für den hier
eingesetzten Verbrennungskatalysator 26b geeignet sein und katalytische
Verbrennung wird nur an der Wandoberfläche des Siliziumkarbids erzeugt. Wenn
beispielsweise der Brennstoff Kerosin ist, geschieht Kontaktverbrennung bei
700ºC und mehr.
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Da der Verbrennungskatalysator 26b der zweiten Stufe Kontaktverbrennung
auf seiner Wandoberfläche erzeugt, wird seine Katalysefähigkeit nicht
verschlechtert, gibt es keine Befürchtung um die Lebensdauer bei 1350ºC und
weniger, kann zudem Brennstoff, der kein Katalysatorgift wie beispielsweise
Schwefel, etc. enthält, verwendet werden, und werden auch die
Brennstoffkosten verringert.
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Bei Temperaturen von 1300ºC und weniger werden beispielsweise Platten
aus hitzefester Keramik wie β-Cordierit für die Umlenkplatten 16 und die
Trennplatten 17 verwendet. Desweiteren ist das torusförmige Dichtungsglied
31, das zwischen den Trennplatten 17 und den Außenrohren 11 eingesetzt
ist, derart zusammengesetzt, daß Keramikfasern, beispielsweise aus den drei
Komponenten Aluminium, Bor und Silizium zusammengesetzte
Keramikfasern (Markenname: NEXTEL) übereinander plaziert und zusammengenäht
sind. Außerdem kann auch ein Torusring, in dem Keramikfasern innerhalb
eines zylindrischen Netzes aus Keramikfasern gepackt sind, für denselben
Zweck verwendet werden.
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Bei Betrieb steigt die Temperatur der Außenrohre 11 an, und die Außenrohre
11 expandieren sowohl in Längs- als auch in Querrichtung.
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Zu diesem Zeitpunkt zeigen auch die Keramik-Umlenkplatten 16 eine, wenn
auch geringe, thermische Expansion. Daher bewirkt die Verformung in
Querrichtung das Festgehen der Dichtung.
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Da die äußeren Heizrohre 11 auch in Längsrichtung thermisch expandieren,
bewegt sich der Dichtungsring 31 relativ in Axialrichtung der Rohre 11.
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Als nächstes wird die Ausnutzung der Wärme eines Verbrennungsgases in der
Heizkammer 14 erklärt.
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Der Vergleich zwischen dem Fall einer Heizeinrichtung mit nur der
erststufigen Verbrennung, bei der die Nutztemperatur eines Verbrennungsgases
beispielsweise auf 1300ºC bis 600ºC gesetzt wird, und dem Fall einer
Heizeinrichtung, bei der eine dreistufige Verbrennung angenommen wird und die
Verbrennungsgase der ersten und zweiten Stufe auf 1300ºC bis 800ºC und
das Verbrennungsgas der dritten Stufe auf 1300ºC bis 600ºC gesetzt wird,
sieht wie folgt aus:
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Wenn angenommen wird, daß der Wärmedurchgangskoeffizient zwischen
Heizrohren (äußeren Heizrohren 11) und einem zu erwärmenden Material
und der Wärmedurchgangskoeffizient zwischen dem Verbrennungsgas und
den Heizrohren gleich groß sind, dann wird die Wärmedurchgangsmenge
eine Funktion einer Temperaturdifferenz ΔT zwischen dem Verbrennungsgas
und der Oberfläche der Heizrohre.
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Wenn die geheizte Seite konstant bei der Verdampfungstemperatur von
365ºC des Wassers bei 200 kg/cm² gehalten wird, dann beträgt die
Durchschnittstemperaturdifferenz im Falle einer Heizung mit einstufiger
Verbrennung ungefähr 506ºC und im Falle einer Heizung mit dreistufiger
Verbrennung ungefähr 600ºC.
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Dementsprechend benötigt die Wärmeübertragungsfläche der äußeren
Heizrohre lediglich 506/600 0,843, d. h., annähernd 85%, so daß die
Einrichtung miniaturisiert werden kann.
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Das Vorstehende wird aus der nachfolgenden Beschreibung deutlich werden.
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Es gilt nämlich für den Fall einer Heizung mit einstufiger Verbrennung:
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ΔT&sub1; = 1300 - 365 = 935
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ΔT&sub2; = 600 - 365 = 235
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wobei ΔT&sub1; und ΔT&sub2; die Temperaturdifferenzen zwischen dem inneren und
dem äußeren der äußeren Heizrohre 11 sind, wenn die Temperatur in der
Heizkammer bei 1300ºC und bei 600ºC jeweils liegt, und wobei 365ºC die
Verdampfungstemperatur des Wassers bei 200 kg/cm² ist.
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Für eine Heizung mit dreistufiger Verbrennung gilt:
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ΔT'&sub1; = 1300 - 365 = 935
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ΔT'&sub2; = 600 - 365 = 235
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ΔT''&sub1; = 1300 - 365 = 935
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ΔT''&sub2; = 600 - 365 = 235
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Die Gesamtdurchschnittstemperaturdifferenz ΔTmI lautet:
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Die Wärmeübertragungsfläche der äußeren Heizrohre 11 wird zu
506.9/604.5 = 0.838. Somit werden ungefähr 85% ausreichen, so daß die
Einrichtung miniaturisiert ist.
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In der obigen Beschreibung bezeichnen ΔT' und ΔT'' jeweils die
Temperaturdifferenzen zwischen dem inneren und dem äußeren der äußeren Heizrohre
11 an den Hochtemperatur- und den Niedrigtemperaturbereichen in
denjenigen Bereichen, die durch das Verbrennungsgas aus der katalytischen
Hauptverbrennungseinrichtung 18 und der ersten katalytischen
Hilfsverbrennungseinrichtung 21a in der Ausführungsform gemäß Fig. 1 erhitzt
werden.
Desweiteren bezeichnen ΔT''&sub1; und ΔT''&sub2; jeweils die
Temperaturdifferenzen in den Hochtemperatur- und den Niedrigtemperaturbereichen
derjenigen Bereiche, die durch das Verbrennungsgas aus der zweiten katalytischen
Hilfsverbrennungseinrichtung 21 b erhitzt werden.
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Ab Fig. 5 werden andere Ausführungsarten der vorliegenden Erfindung
gezeigt.
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Fig. 5 zeigt einen Fall, in dem eine Heizeinrichtung dadurch als Reaktor
verwendet wird, daß ein Katalysator 35 in einen torusförmigen Zwischenraum
zwischen den äußeren Heizrohren 11 und den inneren Rohren 13 gefüllt
wird.
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Ein Feedgas, das durch einen Feedgaseinlaß 36 eingeströmt ist, reagiert,
während es erwärmt wird und in den mit dem Katalysator 35 gefüllten
Torusringen absteigt. Das Reaktionsproduktgas nach Abschluß der Reaktion
steigt in den inneren Rohren 13 auf und tritt in eine Sammelkammer 37 für
reaktionserzeugendes Gas ein und wird dann außen durch ein Auslaßrohr 38
abgenommen.
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Das Reaktionsproduktgas, das in den inneren Rohren 13 aufsteigt, nimmt
während des Aufstieges in den inneren Rohren 13 Wärme durch
Wärmetausch mit dem Feedgas auf, das in den Torusringen absteigt. In diesem Fall
ist es wirksam, die Strömungsgeschwindigkeit des Gases dadurch zu
erhöhen, daß das Innenrohr 38 in das innere Rohr, 13 ohne dieses zu berühren
eingesetzt wird, wie in Fig. 6 und 7 gezeigt.
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Im Falle dieser Ausführungsform ist eine Versteifungsrippe für die erste
Endplatte 9 nicht notwendig, da der Druck verhältnismäßig niedrig ist.
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Fig. 8 zeigt eine Ausführungsform, wenn das Handhabegas unter Hochdruck
steht, die als keinen Katalysator benötigender thermischer Zerlegungsofen
verwendet wird, wie beispielsweise ein Dampfübererhitzer oder ein Äthylen-
Zerlegungsofen, etc.
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Im Falle der Verwendung eines Dampfübererhitzers wird
Niedertemperaturdampf, der von einem Dampfeinlaß 40 zugeführt wird, beim Absteigen in den
Kanälen, die jeweils eine durch die äußeren Heizrohre 11 und die inneren
Rohre 13 gebildeten Torusringform haben, erhitzt, steigt in den inneren
Rohren 13 nach der Durchführung einer Richtungsumkehr an den unteren
Enden der äußeren Heizrohre 11 auf und wird aus einem Auslaß 41
abgezogen.
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In diesem Fall kann die zweite Endplatte 10, die die inneren Rohre 13
fixiert, eine verhältnismäßig dünne Platte sein, da die Druckdifferenz zwischen
dem Einlaß und dem Auslaß lediglich die Druckdifferenz für den
Druckverlustbereich des Dampfkanals der Heizung ist.
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Das Dampfreaktionsgas, das eine hohe Temperatur an den unteren Punkten
der äußeren Heizrohre 11 erreicht hat, wird durch Wärmeaustausch mit dem
Dampf (Feedgas) an dem Einlaß an den Wandoberflächen der inneren Rohre
abgekühlt. Es ist daher nötig, den Dampf auf eine Temperatur zu erhitzen, die
um den Temperaturabfallbereich höher als die erforderliche Temperatur ist.
Falls die erforderliche Temperatur hoch ist (800 bis 850ºC), muß die
Verbrennungstemperatur, da die Außenhauttemperatur der äußeren Heizrohre
11 begrenzt ist, abgesenkt werden, und muß die Wärmeübertragungsfläche
außerdem groß gemacht werden. Es ist daher vorteilhaft, ein inneres
Einsatzrohr 42 gemäß Fig. 9 anzubringen.
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Fig. 10 zeigt eine weitere Ausführungsform, die für den Zweck des
Verhinderns von Nebenreaktionen durch Quenchen des Reaktionsproduktgases
verwendet wird, wie beispielsweise ein Äthylen-Zerlegungsofen. Das beidseitig
offene innere Einsatzrohr 42 ist in das innere Rohr 13 eingesetzt, und
gleichzeitig ist das obere Ende des inneren Rohres 13 verschlossen.
Desweiteren ist der untere Endbereich des Inneren Einsatzrohres 42 gezogen, und
eine Kühlmediumkammer 44, die mit dem inneren des gezogenen Bereiches
42 über eine Düse 44a in Verbindung steht, ist an der äußeren
Umfangsfläche dieses gezogenen Bereiches 43 angeordnet. Diese
Kühlmediumkammer 44 ist über ein Kühlmediumrohr 45 an
Kühlmediumzuführrohr 46 angeschlossen.
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Das Feedgas, das aus einem Einströmanschluß 6a geströmt ist, wird beim
Abstieg in die äußeren Heizrohre 11 auf eine vorgegebene Temperatur erwärmt
und führt an den unteren Punkten der äußeren Heizrohre 11 eine
Richtungsumkehr durch, nachdem eine erforderliche Verweilzeit (Reaktionszeit)
gesichert ist.
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Da das obere Ende des inneren Rohre 13 verschlossen ist, strömt das
Reaktionsproduktgas in dem eingeschnürten Bereich 43 an der Stelle des inneren
Einsatzrohres 42 und steigt in dem inneren Einsatzrohr 42 auf. Zu diesem
Zeitpunkt wird ein Kühlmedium (Wasser) aus einer Düse 44a in das Innere
des gezogenen Bereiches gespritzt, der durch die latente Wärme des
Kühlmediums gekühlt wird, wenn das Kühlmedium verdampft. Somit erfolgt
ein Quenchen des Rekationsproduktgases beim Durchgang durch den
gezogenen Bereich 43.
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Diese Quenchtemperatur ist eine Temperatur, bei der Nebenreaktionen
vermieden werden können, und es ist vorteilhaft, diese auf eine so hohe
Temperatur (250 bis 300ºC) zu setzen, die es ermöglicht, daß die
Wärmerückgewinnung auf der stromabwärtigen Seite der Vorrichtung so
klein wie möglich gemacht wird.
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Falls Wasser als Kühlmedium verwendet wird, ist die latente Wärme groß.
Dementsprechend wird eine Geringe Menge ausreichen und kann die
Temperatur des Reaktionsproduktgases leicht durch Steuern der Wassermenge
gesteuert werden.