DE69024566T2 - Heizungsanordnung - Google Patents

Heizungsanordnung

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DE69024566T2
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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Heizvorrichtung oder -einrichtung gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.
  • 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.
  • Üblicherweise verwendet eine derartige Heizeinrichtung einerseits die Strahlungswärme von Flammen, die bei einer Verbrennung entstehen, und die Berührungswärme eines Verbrennungsgases mit einer hohen Temperatur.
  • Bei einer derartigen herkömmlichen Heizeinrichtung war es unmöglich, die Erzeugung von Schadstoffen, wie NOx, und unverbrennbaren Stoffen zu verhindern.
  • 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.
  • Außerdem bestand ein Nachteil darin, daß die Abmessungen eines Wärmetauschers groß werden, wenn ein Wärmeaustausch zwischen Verbrennungsabgas und eingeblasener Luft durchgeführt wird.
  • 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
  • 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.
  • 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.
  • Zum Lösen dieser Aufgaben ist die Heizvorrichtung erfindungsgemäß durch die Merkmale von Patentanspruch 1 gekennzeichnet.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Fig. 1 ist ein schematischer Längsschnitt, der eine erste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
  • Fig. 2 ist ein vergrößerter Längsschnitt, der einen Trennplattenabschnitt der ersten Ausführungsform zeigt;
  • Fig. 3 ist ein vergrößerter Längsschnitt, der einen Deckel und einen Endplattenabschnitt der ersten Ausführungsform zeigt;
  • Fig. 4 ist eine Untersicht einer ersten Endplatte der ersten Ausführungsform;
  • Fig. 5 ist ein Längsschnitt, der eine andere Ausführungsform zeigt, bei der ein Deckel als Reaktor verwendet wird;
  • Fig. 6 und 7 sind ein teilweise weggelassener Längsschnitt, der eine andere Ausführungsform eines äußeren Heizrohres zeigt, sowie eine Draufsicht davon;
  • Fig. 8 ist ein Längsschnitt eines Hauptteiles, der eine weitere Ausführungsform zeigt, die als thermischer Zerlegungsofen eines Hochdruckgases verwendet wird;
  • Fig. 9 ist ein Längsschnitt eines Hauptteiles, der ein verändertes Beispiel des in der in Fig. 8 gezeigten Ausführungsform verwendeten, äußeren Heizrohres zeigt; und
  • Fig. 10 ist ein Längsschnitt eines Hauptteiles, der eine andere Ausführungsform zeigt, die als Zerlegungsofen eines Reaktionsproduktgases verwendet wird.
  • AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
  • Im folgenden werden verschiedene bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen im Detail beschrieben.
  • 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.
  • 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.
  • Ein Verbrennungsgaseinlaß 19 einer katalytischen Hauptverbrennungseinrichtung 18 mündet am tiefsten Endbereich des durch die Umlenkplatten 16
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Brennstoffzufuhrrohre 29a und 29b sind jeweils an beiden Mischern 27a und 27b angeschlossen.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Außerdem wird Brennstoff den jeweiligen Mischern 25b, 27a und 27b der katalytischen Verbrennungseinrichtungen in der zweiten und den folgenden Stufen zugeführt.
  • 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%.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Bei Betrieb steigt die Temperatur der Außenrohre 11 an, und die Außenrohre 11 expandieren sowohl in Längs- als auch in Querrichtung.
  • 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.
  • Da die äußeren Heizrohre 11 auch in Längsrichtung thermisch expandieren, bewegt sich der Dichtungsring 31 relativ in Axialrichtung der Rohre 11.
  • Als nächstes wird die Ausnutzung der Wärme eines Verbrennungsgases in der Heizkammer 14 erklärt.
  • 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:
  • 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.
  • 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.
  • Dementsprechend benötigt die Wärmeübertragungsfläche der äußeren Heizrohre lediglich 506/600 0,843, d. h., annähernd 85%, so daß die Einrichtung miniaturisiert werden kann.
  • Das Vorstehende wird aus der nachfolgenden Beschreibung deutlich werden.
  • Es gilt nämlich für den Fall einer Heizung mit einstufiger Verbrennung:
  • ΔT&sub1; = 1300 - 365 = 935
  • ΔT&sub2; = 600 - 365 = 235
  • 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.
  • Für eine Heizung mit dreistufiger Verbrennung gilt:
  • ΔT'&sub1; = 1300 - 365 = 935
  • ΔT'&sub2; = 600 - 365 = 235
  • ΔT''&sub1; = 1300 - 365 = 935
  • ΔT''&sub2; = 600 - 365 = 235
  • Die Gesamtdurchschnittstemperaturdifferenz ΔTmI lautet:
  • 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.
  • 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.
  • Ab Fig. 5 werden andere Ausführungsarten der vorliegenden Erfindung gezeigt.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Im Falle dieser Ausführungsform ist eine Versteifungsrippe für die erste Endplatte 9 nicht notwendig, da der Druck verhältnismäßig niedrig ist.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.

Claims (8)

1. Heizvorrichtung, bestehend aus einer Heizkammer (14) mit einem Boden, mit einem Öffnungsbereich in einem oberen Bereich der Heizkammer, einem Deckel (7) auf der Oberseite der Heizkammer, einer Anzahl von Wärmetauscherrohren (11, 13), die in senkrechter Richtung in vorgegebenen Abständen der Heizkammer (14) diametral in der Heizkammer ausgerichtet angeordnet sind, einer Endplatte (9, 10) im unteren Bereich des Deckels (7) zum Abschließen des Öffnungsbereichs der Heizkammer und zugleich zum Halten der Rohre (11, 13), einer Anzahl von Umlenkplatten (16), die so angeordnet sind, daß sie ein sich senkrecht erstreckendes Labyrinth in einer Reihe in der Heizkammer bilden und von den Rohren (11, 13) durchdrungen werden, einem Verbrennungsgaseinlaß (19), durch den ein Gas aus einer katalytischen Hauptverbrennungseinrichtung (18) einströmt und der im Bodenbereich der Heizkammer (14) vorgesehen ist, und einem Abgasauslaß (14a) in einem oberen Bereich der Heizkammer (14), welche Wärmetauscherrohre aus einem inneren Rohr (13), in das das aufzuheizende Gas eingeleitet wird, und einem äußeren Heizrohr (11) mit einem Boden besteht, aus dem das auf eine vorgegebene Temperatur erwärmte Gas austritt, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Trennplatten (17) zwischen den Umlenkplatten (16) vorgesehen sind, daß eine ringförmige Dichtung (31) zwischen den Wärmetauscherrohren und der Trennplatte (17) angeordnet ist, welche Dichtung sich in Axialrichtung des äußeren Rohres (11) des Wärmetauschers bewegt, wenn das äußere Rohr (11), des Wärmetauschers thermisch in Längsrichtung bei Temperaturänderungen in der Heizkammer (14) gedehnt wird, und eine Anzahl von katalytischen Hilfsverbrennungseinrichtungen (21a, 21b), die so angeordnet sind, daß sie die beiden Kammern auf der unteren und der oberen Seite der beiden Trennplatten (17) verbinden.
2. Heizvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichtung (31) aus Keramikfasern gebildet ist.
3. Heizvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die katalytische Hauptverbrennungseinrichtung (18) aus einer Verbrennungseinrichtung (22a) einer ersten Stufe mit einem ersten Mischer (25a) zum Mischen vorerwärmter Luft und Brennstoff und einem ersten Verbrennungskatalysator (26a) auf der stromabwärtigen Seite eines Mischgasauslasses des ersten Mischers und einer Verbrennungseinrichtung (22b) einer zweiten Stufe zusammengesetzt ist, die aus einem zweiten Mischer (25b) auf der stromabwärtigen Seite des ersten Verbrennungskatalysators (26a) zum Mischen des Verbrennungsgases der Verbrennungseinrichtung der ersten Stufe und Brennstoff und einem zweiten Verbrennungskatalysator (26b) besteht, der auf der stromaufwärtigen Seite des Mischgasauslasses des zweiten Mischers angeordnet ist.
4. Heizvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jede der katalytischen Hilfsverbrennungseinrichtungen (21 a) aus einem Kanal (20a), durch den das Verbrennungsgas aus einer Kammer unterhalb der Trennplatten (17), einem Mischer (27a) im Lauf des Kanals zum Mischen von Brennstoff mit dem austretenden Verbrennungsgas, einem Verbrennungskatalysator (28a) stromabwärts des Mischgasauslasses des Mischers und einem Kanal (20b) besteht, der das warme Verbrennungsgas, das durch den Verbrennungskatalysator hindurchgegangen ist, in eine Kammer oberhalb der Trennplatten (17) einleitet.
5. Heizvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Endplatte (9, 10) eine Versteifungsrippe (32) auf der Unterseite aufweist.
6. Heizvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Endplatte (9, 10) aus einer ersten Endplatte (9) in der Nähe des unteren Endes des Deckels zur festen Abstützung der oberen Enden der Wärmetauscherrohre und einer zweiten Endplatte (10) besteht, die in dem Deckel angeordnet ist und nach oben in einem vorgegebenen Abstand zu der ersten Endplatte liegt.
7. Heizvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in das innere Rohr (13) ein inneres Rohr (42) eingefügt ist, das oben und unten offene Enden aufweist und in das innere Rohr (13) vom oberen Öffnungsende her eingehängt ist, ohne mit dem inneren Rohr in Berührung zu treten, daß ein ringförmiger Zwischenraum zwischen dem eingefügten inneren Rohr (42) und dem inneren Rohr (13) gebildet und wenigstens am oberen Ende des Zwischenraums verschlossen ist, und daß das obere Öffnungsende des äußeren Heizrohres (11) mit einer Gaseinlaßseite (6a) verbunden und auf der anderen Seite das obere Öffnungsende des eingefügten inneren Rohres mit einer Reaktionsprodukt-Gasauslaßseite (7a) verbunden ist.
8. Heizvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das eingefügte innere Rohr (42) mit einem gezogenen Bereich (43) versehen ist, der auf einer inneren umlaufenden Oberfläche am unteren Ende des eingefügten inneren Rohres ausgebildet ist, mit einer Kühlmediumkammer (44) auf der Außenseite des Umfangs des gezogenen Bereichs zur Verbindung mit dem gezogenen Bereich über eine Düse (44a), und einem Kühlmediumrohr (45), das zwischen der Kühlmediumkammer und einem Kühlmedium-Zufuhrrohr zum Zuführen von Kühlmedium in die Kühlmediumkammer angeordnet ist.
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