DE69732504T2

DE69732504T2 - Verbrennungsgerät

Info

Publication number: DE69732504T2
Application number: DE69732504T
Authority: DE
Inventors: Jiro Nara-shi SUZUKI; Takeshi Ikome-shi Tomizawa; Tatsuo Osaka-shi FUJITA; Yutaka Nabari-shi Yoshida; Norio Moriyama-shi Yoshida; Kunihiro Ikoma-shi Ukai; Katsuyuki Katano-shi Ohara
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1996-03-25
Filing date: 1997-03-24
Publication date: 2005-08-04
Anticipated expiration: 2017-03-25
Also published as: EP0798512A2; EP1273850A1; DE69729492T2; KR970066265A; EP1273850B1; EP0798512B1; DE69729492D1; EP0798512A3; DE69732504D1; US5901700A; KR100257551B1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Verbrennungsvorrichtung, verwendet in einer Heizeinrichtung, in einer Wasserheizeinrichtung, in einer Klimaanlage, oder dergleichen, unter Verwendung von Verbrennungswärme als Wärmequelle.
Wenn eine katalytische Verbrennungsvorrichtung unter demselben Verbrennungs-Belastungsfaktor (Verbrennungsgrad pro Volumeneinheit der Verbrennungskammer) wie in einer Flammen-Verbrennungsvorrichtung betrieben wird, übersteigt die Temperatur des Katalysators 1200°C, und die Lebensdauer in Bezug auf die Wärmebeständigkeit des Katalysators wird sehr stark verkürzt. Als Maßnahme zum Lösen dieses Problems des Verbrennungs-Belastungsfaktors ist, zum Beispiel, wie in einer Ausführungsform der Japanischen Patentanmeldung No. 7-316888 in 1 dargestellt ist, ein Verbrennungssystem aus einer ersten, katalytischen Verbrennungseinheit 1, die einen Wärmeaustausch-Typ besitzt, und einer zweiten, katalytischen Verbrennungseinheit 2, die einen Waben-Katalysator besitzt, vorgesehen ausströmseitig der ersten, katalytischen Verbrennungseinheit 1, aufgebaut. Der Brennstoff wird hauptsächlich in der ersten, katalytischen Verbrennungseinheit 1 verbrannt, und eine Flamme wird nicht an ihrer Ausströmseite gebildet. Die erste, katalytische Verbrennungseinheit 1 macht von einer hohen Wärmeübertragung-Eigenschaft einer katalytischen Verbrennung Gebrauch und ist ein Wärmeaustausch-Typ einer katalytischen Verbrennungseinheit, die einen Katalysator 4, vorgesehen in einer Wärmeaufnahmefinne 3, besitzt. Das Wasser in einem Kühlweg 6 wird erwärmt, so dass sich warmes Wasser in der ersten, katalytischen Verbrennungseinheit und der Abwärme-Zurückgewinnungseinheit 7 ergibt. Da die Wärmeaufnahmefinne 3 für einen Wärmeaustausch direkt durch den Katalysator 4 abgedeckt ist, ist die Wärmeübertragungs-Geschwindigkeit der Wärme, erzeugt in dem Katalysator, auf die Wärmeaufnahmefinne hoch, so dass ein Verbrennungssystem, integriert mit einem Wärmeaustauscher kleiner Größe und hoher Effektivität, realisiert wird.
Um eine Verbrennung in diesem System zu starten, muss der Katalysator über die Reaktionstemperatur hinaus vorerwärmt werden. Als dieses Verfahren zum Starten einer Verbrennung sind ein Verfahren zum Bilden einer Flamme vor einem Beginn einer katalytischen Verbrennung und ein Verfahren zum Vorerwärmen der ersten, katalytischen Verbrennungseinheit 1, der zweiten katalytischen Verbrennungseinheit 2, vor Beginn einer katalytischen Verbrennung durch eine elektrische Heizeinrichtung 5, vorgeschlagen worden.
Die JP 57 131957 offenbart eine Verbrennungsvorrichtung, die zwei Katalysatoren besitzt, die in Reihe angeordnet sind, wobei ein Wärmeaustauscher an der Vorderseite eines der Katalysatoren vorgesehen ist. Ein kleiner Brenner-Zylinder ist an der Einströmseite des anderen Katalysators vorgesehen.
Solche herkömmlichen Systeme bringen allerdings das folgende Problem mit sich.
Die Verbrennung kann nicht, in Bezug auf eine Einstellung einer Verbrennungsbreite im Stand der Technik, wenn der erste Katalysator in der Temperatur abfällt, um eine Reaktion zu unterbrechen, wenn der Verbrennungsgrad extrem klein ist, erneut an diesem Punkt gestartet werden. Demzufolge war der TDR nicht ausreichend breit.
In einer anderen, herkömmlichen Heizvorrichtung erhöhen sich, beim elektrischen Beheizen, wenn ein großer Strom erzeugt wird, die Kosten der Ausrüstung und die Betriebskosten, wogegen beim Heizen unter Verbrennung eine große Menge an Wärme ökonomisch erzeugt werden kann, allerdings sind dabei Probleme eines Geruchs des Abgases, insbesondere eine Freisetzung von Geruch, wenn gezündet wird, und eine Instabilität einer Verbrennung in einem kleinen Verbrennungsbereich vorhanden. Weiterhin wird in der Anordnung, die eine Verbrennung und eine elektrische Heizeinrichtung kombiniert, das Problem eines Abgases der Verbrennung nicht gelöst.
Es ist deshalb eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, im Hinblick auf die Probleme der herkömmlichen, katalytischen Verbrennungsvorrichtungen, eine katalytische Verbrennungsvorrichtung anzugeben, die dazu geeignet ist, den Verbrennungsgrad in einem weiten Bereich einzustellen.
Gemäß der Erfindung wird die Aufgabe durch eine Verbrennungsvorrichtung gelöst, die eine Brennstoff-Speiseeinheit, ein Gebläse zum Zuführen von Verbren nungsluft, eine Mischeinheit zum Mischen von Brennstoff und Verbrennungsluft, einen ersten Katalysator, der stromab von der Mischeinheit vorhanden ist, eine Wärmeaufnahmeeinheit an den ersten Katalysator angrenzend und einen zweiten Katalysator mit einer größeren geometrischen Fläche als die des ersten Katalysators, der in der Stromrichtung des ersten Katalysators stromab vorhanden ist, umfasst, wobei der erste Katalysator im Wesentlichen für Verbrennung bei hohem Verbrennungsgrad zuständig ist und der zweite Katalysator im Wesentlichen für Verbrennung bei niedrigem Verbrennungsgrad zuständig ist.
In diesem Aufbau wird, bei einem niedrigen Verbrennungsgrad, der erste Katalysator in der Temperatur verringert und reagiert nicht, allerdings reagiert der gesamte Brennstoff in den zweiten Katalysatoren. Dementsprechend hält, sogar bei einem niedrigen Verbrennungsgrad, die Temperatur des zweiten Katalysators die Reaktionstemperatur bei. Wiederum wird, bei einem hohen Verbrennungsgrad, die Temperatur des ersten, angrenzenden Katalysators durch die einströmseitige Strahlungswärme des zweiten Katalysators angehoben, und der erste Katalysator nimmt wieder eine Reaktion auf. Demzufolge kann, unter Verwendung von zwei Katalysatoren unterschiedlicher Zusammensetzungen, durch Variieren der Haupt-Verbrennungsposition, in Abhängigkeit von dem Verbrennungsgrad, der Verbrennungsgrad in einem weiten Bereich eingestellt werden.
Weiterhin gibt, um weite Fluktuationen einer Wärmebelastung zu bewältigen, die vorliegende Erfindung eine Heizvorrichtung an, die eine Brennstoff-Speiseeinheit zum Zuführen von Brennstoff, ein Gebläse zum Zuführen von Verbrennungsluft, eine Mischeinheit zum Mischen von Brennstoff und Verbrennungsluft, einen Katalysator, der stromab von der Mischeinheit vorhanden ist, eine elektrische Heizeinrichtung und eine Wärmeaufnahmeeinheit umfasst, wobei die Wärmeaufnahmeeinheit mit der durch die elektrische Heizeinrichtung erzeugten Wärme erhitzt wird, wenn der Heizgrad niedrig ist, und die Wärmeaufnahmeeinheit mittels katalytischer Verbrennung durch den Katalysator erhitzt wird, nachdem der elektrischen Heizeinrichtung Strom zugeführt worden ist, wenn der Heizgrad hoch ist.
Ähnlich weist die Erfindung der Verbrennungsvorrichtung eine Brennstoff-Speiseeinheit zum Zuführen von Brennstoff, ein Gebläse zum Zuführen von Verbrennungsluft, eine Mischeinheit zum Mischen von Brennstoff und Verbrennungsluft, einen Katalysator, der stromab von der Mischeinheit vorhanden ist, eine elektrische Heizeinrichtung und eine Wärmeaufnahmeeinheit auf, wobei die elektrische Heizeinrichtung aktiviert wird und Brennstoff zugeführt wird, wenn der Heizgrad niedrig ist, um den Katalysator zu verbrennen, und die elektrische Heizeinrichtung aktiviert wird, wenn der Heizgrad höher ist, wobei dann mehr Brennstoff als bei dem niedrigen Heizgrad zugeführt wird, um den Katalysator zu verbrennen und so die Wärmeaufnahmeeinheit zu erhitzen.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Nachfolgend wird die Erfindung im Detail anhand eines Beispiels unter Bezugnahme auf die beigefügten, schematischen Zeichnungen beschrieben, in denen:
1 zeigt eine Schnittansicht, die eine Verbrennungsvorrichtung nach dem Stand der Technik darstellt.
2 zeigt eine Schnittansicht, die eine Ausführungsform einer Verbrennungsvorrichtung der Erfindung darstellt.
3 zeigt eine detaillierte Zeichnung eines ersten Katalysators und einer ersten Wärmeaufnahmeeinheit in 2.
4 zeigt eine detaillierte Zeichnung eines zweiten Katalysators und eines dritten Katalysators in 2.
5 zeigt eine Schnittansicht einer Ausführungsform der Erfindung.
6 zeigt eine Schnittansicht einer ersten, katalytischen Verbrennungseinheit in der Ausführungsform der Erfindung.
Bezugszeichen

1: erste, katalytische Verbrennungseinheit
2: zweite, katalytische Verbrennungseinheit
3: Wärmeaufnahmefinne
4: Katalysator
5: elektrische Heizeinrichtung
6: Kühlstrecke
12: erster Katalysator
13: zweiter Katalysator
14: dritter Katalysator
15: erste Wärmeaufnahmeeinheit
16: Kühlstrecke
19: elektrische Heizeinrichtung
20: zweite Wärmeaufnahmeeinheit
101: Brennstoff-Speiseeinheit
102: Verbrennungsgebläse
103: Mischeinheit
104: Verbrennungskammer
105: Flammenloch
106: Zündeinheit
107: elektrische Heizeinrichtung
108: Wärmeaufnahmefinne
109: Warmwasser-Rohrleitung
110: Temperaturerfassungseinheit
111: Zirkulationspumpe
112: Wärmeaustauscher zum Kühlen
113: Warmwasser-Rohrleitung
116: Reinigungs-Katalysator
117: Loch für gemischtes Gas
118: Verbrennungs-Katalysator
122: erster Verbrennungs-Katalysator
123: zweiter Verbrennungs-Katalysator
124: zweite Warmwasser-Rohrleitung

Unter Bezugnahme nun auf die Zeichnungen werden bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung nachfolgend beschrieben.
Zuerst wird der Aufbau einer Ausführungsform der Erfindung entsprechend zu den Ansprüchen 1 bis 17 nachfolgend zusammen mit deren Betriebsweise unter Bezugnahme auf 2 beschrieben. Ein flüssiger Brennstoff, wie beispielsweise Erdöl oder Benzin, zugeführt von einer Brennstoff-Speiseeinheit 1, wird in eine Verdampfungseinheit 4 geführt, die eine Verdampfungs-Heizeinrichtung 2 und eine Verdampfungskammer 3 aufweist. Das verdampfte Gas, ausgestoßen von der Verdampfungs kammer 3, wird mit Verbrennungsluft, die von einem Gebläse 5 aus zugeführt wird, in einer Mischeinheit 6 gemischt. Ausströmseitig der Mischeinheit 6 ist eine Ausstoßöffnung 7 vorgesehen, die sich radial an einer schrägen Fläche einer Düse 8 öffnet. Die Düse 8 steht in eine Verbrennungskammer 9 vor. Eine Abwärme-Zurückgewinnungseinheit 10 für Wärme einer Verdampfung, die den Katalysator trägt, ist in dem Bereich der Verdampfungseinheit 4, die zu der Verbrennungskammer 9 hinweist, vorgesehen. Die innere Oberfläche einer Wand 11 an der Einströmseite der Verbrennungskammer 9 ist mit einem Film einer hohen Strahlungsrate behandelt. In dem Fall von gasförmigem Brennstoff, wie beispielsweise natürlichem Gas, das als Brennstoff verwendet wird, wird die Verdampfungskammer 3 nicht benötigt, und der Brennstoff wird direkt in die Mischeinheit 6 zugeführt.
Die Verbrennungskammer 9 besitzt 3 Katalysatoren, einen ersten Katalysator 12, einen zweiten Katalysator 13 und einen dritten Katalysator 14. 3 zeigt eine detaillierte Zeichnung einer Kombination des ersten Katalysators 12 und der ersten Wärmeaufnahmeeinheit 15 vom Finnen-Typ. Der erste Katalysator 12 ist in der ersten Wärmeaufnahmeeinheit 15 vorgesehen, die aus 24 dünnen Platten-Finnen unter Zwischenräumen besteht, und zwei Platten des ersten Katalysators 12 sind in der ersten Wärmeaufnahmeeinheit 15 vorgesehen. Der Zwischenraum zwischen der ersten Wärmeaufnahmeeinheit 15 und dem Katalysator 12 und der Zwischenraum zwischen Platten des Katalysators 12 werden konstant durch Vorsprünge (nicht dargestellt), oder dergleichen, vorgesehen an dem Katalysator 12, gehalten.
Die erste Wärmeaufnahmeeinheit 15 ist eine Kupferplatte mit einer Korrosionsschutz-Behandlung, die 0,5 mm in der Dicke und 120 mm in der Breite und 30 mm in der Länge in Strömungsrichtung misst, und ist an eine Kühlschlange 16 angelötet. Der erste Katalysator 12 besitzt die Oberfläche mit einer 0,4 mm dicken, wärmebeständigen Eisenlegierung, beschichtet mit Gamma-Aluminiumoxid, und trägt einen Metall-Katalysator der Platin-Gruppe, wie beispielsweise Platin und Palladium. An der Ausströmseite des ersten Katalysators 12 ist eine Kerbe 17 zum Einsetzen der Kühlschlange 16 vorgesehen. Ein Hilfs-Katalysator 18 ist in der Kerbe 17 vorgesehen. Der Hilfs-Katalysator 18 besteht aus mehreren, dünnen Platten aus einer wärmebeständigen Eisenlegierung, verbunden zu einem Körper, oder kann in einer schlanken Wabenform geformt sein. Das einströmseitige Ende des ersten Katalysators 12 steht mit 5 mm von der ersten Wärmeaufnahmeeinheit 15 vor, und das ausströmseitige Ende steht um 15 mm vor (siehe 3).
4 zeigt eine detaillierte Zeichnung des zweiten Katalysators 13 und des dritten Katalysators 14. Der zweite Katalysator 13 der Wabenstruktur besitzt einen geometrischen Oberflächenbereich von 300 Zellen/Quadratinch, breiter als der erste Katalysator 12, und die Dicke in Strömungsrichtung beträgt 15 mm. Der Wabenträger ist aus Cordierit oder Kalziumcarbonat, und der Metall-Katalysator der Platin-Gruppe und das Gamma-Aluminiumoxid sind als Träger gehalten. Wabenporen sind Quadrate mit 0,6 mm. Zwischen dem zweiten Katalysator 13 und dem dritten Katalysator 14 ist eine elektrische Heizeinrichtung 19 vom plattenförmigen Typ vorgesehen.
Der dritte Katalysator 14 ist grundsätzlich so aufgebaut, um die Wärme der elektrischen Heizeinrichtung 19 zu isolieren, wenn vorgeheizt wird, und er kann eine Wabe sein, ohne einen Katalysator zu tragen (luftpermeabler Isolator). Allerdings kann, wenn der Katalysator in dem dritten Katalysator 14 getragen ist, was später noch angegeben wird, der Verbrennungsgrad in einer Vorverbrennung erhöht werden, und die Startzeit einer maximalen Verbrennung wird verkürzt. Dies ist auch für die Abgas-Charakteristik vorteilhaft.
Ausströmseitig des dritten Katalysators 14 sind eine zweite Wärmeaufnahmeeinheit 20 und eine Kühlschlange 21 für die Abwärme-Zurückgewinnung vorgesehen, und stehen mit der Kühlschlange 16 in Verbindung, wobei Wasser darin fließt. Das erzeugte warme Wasser wird für die Warmwasserversorgung oder zum Beheizen eines Zimmers verwendet. Anstelle von Wasser kann ein anderes Medium darin verwendet werden, wie beispielsweise ein Kühlmittel für eine Wärmepumpe oder einen Antifrostschutz. Der dritte Katalysator 14 isoliert die elektrische Heizeinrichtung 19 und die Kühlschlange 21 thermisch. Eine Auslassöffnung 22 ist weiter ausströmseitig vorgesehen. Die Innenwand der Verbrennungskammer 9 kann mit einem Isolator abgedeckt sein oder kann als ein Mantel des Kühlwassers verwendet werden, um das Risiko durch Temperaturanstieg der Umgebungsluft zu verringern.
Weiterhin ist, nahe der Ausströmseite des ersten Katalysators 12, eine erste Temperatur-Erfassungseinheit 23 zum Erfassen der Temperatur des ersten Katalysators 12 vorgesehen, und zwischen dem ersten Katalysator 12 und dem zweiten Katalysator 13 ist eine zweite Temperatur-Erfassungseinheit 24 zum Erfassen der ausströmseitigen Temperatur des zweiten Katalysators 13 vorgesehen.
Die Betriebsweise dieser Ausführungsform wird nachfolgend beschrieben. Vor dem Beginn einer Verbrennung wird die elektrische Heizeinrichtung 19 mit Energie beaufschlagt. Die elektrische Heizeinrichtung 19 besitzt 600 W und erwärmt die Ausströmseite des zweiten Katalysators 13 und die Einströmseite des dritten Katalysators 14. Wenn die einströmseitige Temperatur des zweiten Katalysators 13 die Temperatur von 500°C erreicht, wird dies durch die zweite Temperatur-Erfassungseinheit 24 erfasst, und eine Zufuhr von Brennstoff wird begonnen. Die Temperatur-Erfassungseinheit kann an einer Position installiert sein, die eine Korrelation zu der Temperatur des Katalysators besitzt.
Flüssiger Brennstoff wird in die Verdampfungseinheit 4 von der Brennstoff-Speiseeinheit 1 durch eine Pumpe zugeführt, und wird in der vorerwärmten Verdampfungskammer 3 verdampft und wird mit Luft von dem Gebläse 5 gemischt, und wird radial durch die Ausstoßöffnung 7 ausgestoßen. Um das gemischte Gas gleichförmig über einen kurzen Weg in den ersten Katalysator 12 zu schicken, ist die Düse 8 vorzugsweise konisch ausgebildet. Es ist auch bevorzugt, die Konzentration und die Strömung gleichförmig durch Drehen der Jet-Strömung zu machen. Das gemischte Gas, das durch den nicht erwärmten, ersten Katalysator 12 ohne Reaktion hindurchfährt, reagiert mit dem erwärmten, zweiten Katalysator 13. Nicht verbrannter Brennstoff ist in dem Abgas nach Reagieren mit dem zweiten Katalysator 13 vorhanden, allerdings wird er, da die Konzentration niedrig ist, nicht durch die elektrische Heizeinrichtung 19 entzündet. Das Abgas bzw. die Abluft, die ein wenig nicht verbrannten Brennstoff enthält, beendet die Reaktion vollständig in dem dritten Katalysator 14. Wenn der dritte Katalysator 14 nur ein isolierendes Material ist, wird unverbrannter Brennstoff, obwohl nur leicht, ausgegeben, und Geruch wird an der Außenseite der Vorrichtung freigesetzt. Es ist auch möglich, die Reaktion in dem zweiten Katalysator 13 durch Verringern des Verbrennungsgrads abzuschließen, allerdings wird die Zeit der vorbereitenden Verbrennung länger.
Wenn die einströmseitige Temperatur des zweiten Katalysators 13 die Temperatur von 600°C erreicht, wird die Energiezufuhr zu der elektrischen Heizeinrichtung 19 unterbrochen. Eine übermäßige Energiezufuhr stellt eine Verschwendung von Elektrizität dar, und sie kann zu einer Beschädigung an der Heizeinrichtung führen. Allerdings steht ein schnelles Unterbrechen im Gegensatz zu dem Ziel, die Temperatur des Katalysators in einer kürzeren Zeit anzuheben. Die Oberflächen-Temperatur der elektrischen Heizeinrichtung 19 ist vorzugsweise geringer als 800°C, um hier eine Zündung zu verhindern, allerdings kann, wenn gezündet wird, wenn der Katalysator in den dritten Katalysator 14 getragen wird, CO, erzeugt durch die Flamme, oxidiert werden. In diesem Zustand erreicht, wenn die Reaktion des zweiten Katalysators 13 fortschreitet, die Temperatur an dem einströmseitigen Ende 800°C. Durch die Strahlungswärme von der Seite der hohen Temperatur an dem einströmseitigen Ende werden das ausströmseitige Ende des angrenzenden ersten Katalysators 12 und des Hilfs-Katalysators 18 in der Temperatur angehoben. Falls das ausströmseitige Ende des ersten Katalysators 12 nahe der ersten Wärmeaufnahmeeinheit 15 liegt, erwärmt die Wärme der elektrischen Heizeinrichtung 19 das Wasser in der Kühlschlange. Allerdings wird, da der erste Katalysator 12 in der ausströmseitigen Richtung vorsteht, die Temperatur darin leicht durch Strahlungswärme angehoben. Wenn die Ausströmseite des ersten Katalysators 12 und des Hilfs-Katalysators 18 eine Reaktion beginnt, um sich in der Temperatur zu erhöhen, leitet die Wärme einströmseitig in den ersten Katalysator 12, hergestellt aus Metall, und das einströmseitige Ende des ersten Katalysators 12 fährt in der Temperatur hoch, und, zum ersten Mal, wird die Reaktion von dem einströmseitigen Ende des ersten Katalysators 12 erzeugt. Eine vorbereitende Verbrennung bis zu diesem Schritt wird unter einem Niveau niedriger als 2 kW als der maximale, bemessene Verbrennungsgrad vorgenommen. Die Luftüberschussrate ist 1,5.
Wenn die Temperatur des einströmseitigen Endes des ersten Katalysators 12 noch 500°C erreicht, wie dies durch die erste Temperatur-Erfassungseinheit 23 erfasst ist, ist eine bemessene Verbrennung möglich, bei der der Verbrennungsgrad frei in dem bemessenen Bereich eingestellt werden kann. In diesem Zustand befinden sich alle Katalysatoren in einem Zustand, bereit für eine Reaktion, und der Brennstoff wird zugeführt, zum Beispiel bei 4,5 kW eines maximalen, bemessenen Verbrennungsgrads. Die Luftüberschussrate liegt vorzugsweise bei 1,4 bis 1,8. Die Temperatur des gesamten Katalysators steigt an. Die Einströmseite des ersten Katalysators 12 liegt bei 800 bis 850°C, und die Einströmseite des zweiten Katalysators 13 liegt bei 700 bis 750°C. In diesem Zustand werden 70 bis 80% des gesamten Brennstoffs in dem ersten Katalysator 12 verbrannt, und die verbleibenden 20 bis 30% werden in dem zweiten Katalysator 13 verbrannt. Der Verbrennungsgrad in dem dritten Katalysator 14 ist schwach, allerdings wird der Geruch beseitigt. Daneben wird ungefähr 70% der Reaktionswärme des ersten Katalysators 12 zu der ersten Wärmeaufnahmeeinheit 15 übertragen, um das warme Wasser zu erwärmen. Durch das Abgas mit hoher Temperatur, freigegeben von dem ersten Katalysator 12, und die Reaktionswärme des nicht verbrannten Brennstoffs, behält der zweite Katalysator 13 eine Temperatur bei, die für eine Reaktion notwendig ist. Da eine Wärmeaufnahmeeinheit nicht in dem zweiten Katalysator 13 vorgesehen ist, ist die Temperatur in dem dritten Katalysator 14 eine Temperatur von 680 bis 730°C, nahezu dieselbe wie in dem zweiten Katalysator 13. Das Abgas mit hoher Temperatur, das 650°C übersteigt, von dem dritten Katalysator 14, erwärmt das Wasser in der Kühlschlange 21 der zweiten Wärmeaufnahmeeinheit 20.
Das Abgas wird in der Temperatur verringert und wird von der Vorrichtung über die Auslassöffnung 22 abgegeben. In dieser Erfindung wird Wärme durch zwei Wärmeaufnahmeeinheiten ausgetauscht, und die Wärme-Effektivität wird extrem hoch eingestellt. Dementsprechend sollte die gesamte Verbrennungsvorrichtung vorzugsweise vertikal mit der Auslassöffnung nach unten angeordnet werden, so dass Wasser aus Tau, kondensiert durch das Abgas von der zweiten Wärmeaufnahmeeinheit 20, nicht auf den Katalysator fallen kann.
In dem stationären Verbrennungszustand wird die Wärme des ersten Katalysators 12 auf die erste Wärmeaufnahmeeinheit 15, die parallel gegenübersteht, durch Strahlung übertragen. Falls der Katalysator direkt die erste Wärmeaufnahmeeinheit 15 berührt, die nahezu gleich zu der Temperatur von warmem Wasser ist, können die nachfolgenden Probleme auftreten. Als erstes ist eine Wärmefreisetzung von dem ersten Katalysator 12 groß, und die Temperatur wird zu sehr herabgesetzt und eine Reaktion tritt nicht auf. Als zweites wird, um die Wärmeerzeugung zu erhöhen, um einen Ausgleich mit dem erhöhten Wärmefreisetzungsgrad zu erreichen, wenn der Katalysator auf eine hohe Temperatur gesetzt wird und eine Reaktion unterstützt wird, die Lebensdauer des Katalysators verkürzt. Allerdings tritt, da Wärme durch Strahlung übertragen wird, eine solche thermische Instabilität nicht bei der Erfindung auf. In die ser Ausführungsform wird, wenn die Temperatur höher ist, der Wärmefreisetzungsgrad in dem ersten Katalysator 12 zu der ersten Wärmeaufnahmeeinheit 15 mit der vierten Potenz der Temperatur des ersten Katalysators 12 erhöht, und, bei einer niedrigen Temperatur, verringert sich der Reaktionsgrad plötzlich unter der vierten Potenz der Temperatur, so dass die Temperatur des ersten Katalysators 12 automatisch innerhalb des Bereichs der Reaktionstemperatur in einem Bereich eines bemessenen Verbrennungsgrads beibehalten wird. Daneben ist, falls die erste Wärmeaufnahmeeinheit 15 und der erste Katalysator 12 alternierend jeweils mit einem Teil von jedem vorgesehen sind, eine Wärmefreisetzung übermäßig. Dies kommt daher, dass die Vorderseite und die Rückseite des ersten Katalysators 12 gekühlt sind. Wenn zwei Teile des ersten Katalysators 12 in der ersten Wärmeaufnahmeeinheit 15 vorgesehen sind, werden die zueinander gegenüberliegenden Oberflächen der Katalysatoren gebildet, und eine übermäßige Wärmefreisetzung wird verhindert, so dass die Temperatur des Katalysators stabilisiert wird.
Das einströmseitige Ende des ersten Katalysators 12 steht von dem einströmseitigen Ende der ersten Wärmeaufnahmeeinheit 15 vor. Wenn dieselbe Position an dem vordersten Ende in der einströmseitigen Richtung eingestellt wird, wird, hier, die Wärmefreisetzung als Strahlungswärme in dem Raum in einströmseitiger Richtung abgegeben und wird auch zu der ersten Wärmeaufnahmeeinheit 15 abgestrahlt, so dass die Temperatur wahrscheinlich abnimmt, und, insbesondere, durch einen niedrigen Verbrennungsgrad, ist es wahrscheinlich, dass hier die Temperatur niedriger ist als die Reaktionstemperatur. Wenn allerdings alle Teile des ersten Katalysators 12 vorstehend sind, wie hier in der Erfindung, liegen sie sich parallel gegenüber, und deshalb wird die Temperatur nicht verringert.
Wenn ein flüssiger Brennstoff verwendet wird, ist Wärme, um diesen zu verdampfen, notwendig. Wenn eine Verbrennung gestartet wird, muss elektrische Wärme zum Verdampfen verwendet werden, allerdings ist, in einer stationären Verbrennung, Elektrizität zu teuer. Dementsprechend werden, während einer Verbrennung, die Leitungswärme der einströmseitigen Wand 11 der Verbrennungskammer, die Strahlung an dem einströmseitigen Ende des ersten Katalysators 12 und einen Teil der Reaktionswärme des Brennstoffs in der Abwärme-Zurückgewinnungseinheit 10, den Katalysator tragend, aufnehmend, auf die Verdampfungseinheit 4 übertragen. Die Ver dampfungs-Heizeinrichtung 2 dient zu Hilfszwecken während einer stationären Verbrennung.
Die Temperatur des ersten Katalysators 12 ist nahezu gleichförmig in der Richtung eines horizontalen Abschnitts, ist allerdings leicht niedriger nahe der Mitte der Kühlschlange 19. In dem Umfang des Bereichs mit einer Tendenz zu einer Temperaturabnahme wird allerdings, da er entfernt von der Kühlschlange liegt, eine hohe Temperatur beibehalten. Ein Temperaturabfall in der Mitte kann zu einer Erhöhung eines Nicht-Reaktions-Grads in der Mitte führen, allerdings kompensiert der Hilfs-Katalysator 18, vorgesehen ausströmseitig des ersten Katalysators 12, diesen Reaktionsabfall. Dies kommt daher, dass der Hilfs-Katalysator 18 so ausgelegt ist, dass er frei von einem Kühleffekt der ersten Wärmeaufnahmeeinheit ist und in der Temperatur hoch ist.
Die Situation eines Einstellens des Verbrennungsgrads wird erläutert. Wenn der Verbrennungsgrad auf 2 kW erniedrigt wird, fällt die Temperatur des ersten Katalysators 12 auf 600 bis 650°C ab, und die Temperatur des zweiten Katalysators 13 fällt auf 550 bis 600°C ab, und zwar durch den Abfall der geführten Brennstoffmenge, wobei die Balance der Wärmeerzeugung und der Wärmefreisetzung auf die Seite der niedrigeren Temperatur verschoben wird. Dennoch liegen beide Katalysatoren über der Reaktionstemperatur, und eine Verbrennung fährt normal fort. Allerdings nimmt, wenn die Brennstoffzufuhr weiter auf 1 kW verringert wird, die Temperatur des ersten Katalysators 12 plötzlich auf 300°C unterhalb der Aktivierungstemperatur ab, und eine Reaktion tritt nur schwer auf. Dies kommt daher, dass der erste Katalysator 12 durch die erste Wärmeaufnahmeeinheit 15 gekühlt wird und die Wärmefreisetzung übermäßig ist. Allerdings gibt der zweite Katalysator 13 nur schwer Wärme frei, und die Temperatur wird bei 800°C gehalten, und der gesamte Brennstoff wird hier verbrannt. Sogar bei 0,5 kW behält der zweite Katalysator 13 650°C bei und verbrennt vollständig. Die Temperatur des zweiten Katalysators 13 wird weniger durch den Brennstoffzuführungsgrad beeinflusst, da der Brennstoff einer höheren Konzentration in den zweiten Katalysator 13 eintritt, wenn die Reaktion des ersten Katalysators, gekühlt bei der niedrigen Verbrennung, mehr verringert wird. Der zweite Katalysator 13 wird nicht gekühlt, und deshalb wird eine hohe Temperatur sogar bei einem niedrigen Verbrennungsgrad beibehalten.
Bei der Verbrennung durch den zweiten Katalysator 13 mit Wabenstruktur ist nur eine hohe Luftüberschussrate vorteilhaft. Die Luftüberschussrate beträgt 1,8 bis 2,5. In der Wabenstruktur wird, da eine Wärmefreisetzung gering ist, die Temperatur nicht unter einer hohen Luftüberschussrate verringert, und die Reaktivität ist höher bei einem höheren Sauerstoff-Partialdruck. Als Folge ist die Einstellbreite des Verbrennungsgrads 1/9.
Von diesem Zustand eines niedrigen Verbrennungsgrads aus ist es unmöglich, zu der maximal gemessenen Verbrennungsrate plötzlich zurückzukehren. Dies kommt daher, dass sich der erste Katalysator 12 unterhalb der Reaktionstemperatur befindet. Entsprechend wie in der vorbereitenden Verbrennung kann, durch Verbrennen bei 2 kW, wenn der erste Katalysator 12 die spezifizierte Aktivierungstemperatur erreicht hat, wie dies durch die erste Temperatur-Erfassungseinheit 23 erfasst ist, er zu dem maximalen, bemessenen Verbrennungsgrad zurückkehren. In diesem Fall muss auch das ausströmseitige Ende des ersten Katalysators 12 zu dem zweiten Katalysator 13 hin von dem ausströmseitigen Ende der ersten Wärmeaufnahmeeinheit 15 aus vorstehen. Ansonsten wird die Wärme des zweiten Katalysators 13 nicht unmittelbar auf den ersten Katalysator 12 übertragen.
Als nächstes wird eine weitere Ausführungsform der Erfindung nachfolgend unter Bezugnahme auf die 5 und die 6 beschrieben. Wie in 5 dargestellt ist, wird das Brennstoff-Gas, zugeführt von einer Brennstoff-Zuführeinheit 101, und die Verbrennungsluft, geschickt von einem Verbrennungsgebläse 102 aus, in einer Mischeinheit 103 gemischt, und ein gemischtes Gas wird vorbereitet. Das gemischte Gas fließt in eine erste, katalytische Verbrennungseinheit 119, vorgesehen ausströmseitig der Mischeinheit 103, und reagiert mit einem ersten Katalysator 122 in der ersten, katalytischen Verbrennungseinheit 119. Das bedeutet, dass, gesehen von 9 aus, die den Schnitt der ersten, katalytischen Verbrennungseinheit 119 darstellt, das gemischte Gas in dem ersten Katalysator 122 in einer dünnen Scheibenform, vorgesehen in einer Wärmeaufnahmefinne 120, die innerhalb der ersten, katalytischen Verbrennungseinheit 119 durch einen Spalt 121 vorsteht, reagiert. An dem anderen Umfang der ersten, katalytischen Verbrennungseinheit 119, hergestellt aus einer Aluminiumlegierung, ist eine erste Warmwasser-Rohrleitung 124 vorgesehen, um Wärme zurückzugewinnen. Der erste Katalysator 122 ist eine wärmebeständige Eisenlegierung, beschichtet mit Gamma-Aluminiumoxid, und ein Katalysator der Platin-Gruppe, wie beispielsweise Platin oder Palladium, wird darin getragen. Eine zweite, katalytische Verbrennungseinheit ist ausströmseitig der ersten, katalytischen Verbrennungseinheit 119 vorgesehen, und ein zweiter Katalysator 123 einer Wabenstruktur ist darin vorgesehen. Eine elektrische Heizeinrichtung ist zwischen der ersten, katalytischen Verbrennungseinheit 119 und der zweiten, katalytischen Verbrennungseinheit 123 vorgesehen. Eine elektrische Heizeinrichtung kann auch einströmseitig der ersten, katalytischen Verbrennungseinheit 119 vorgesehen sein, um damit zusammenzuwirken. Die Innenwand des zweiten Katalysators 123 ist mit einem isolierenden Material ausgekleidet.
Ausströmseitig des zweiten Katalysators 123 sind eine Finne 108 und eine zweite Warmwasser-Rohrleitung 109 zum Zurückgewinnen von Abwärme vorgesehen, um mit der ersten Warmwasser-Rohrleitung 124 zu kommunizieren.
In Verbindung mit einem solchen Aufbau wird die Betriebsweise der Erfindung nachfolgend beschrieben. Die elektrische Heizeinrichtung 107 wird mit Energie beaufschlagt, um den ersten Katalysator 122 und den zweiten Katalysator 123, gleichzeitig, zu erwärmen, und eine Vorerwärmung des Katalysators beginnt. Die Ausströmseite des ersten Katalysators 122 und die Ausströmseite des zweiten Katalysators 123 werden erwärmt. Wenn die Katalysatoren 122, 123 eine spezifizierte Aktivierungstemperatur erreichen, wird eine Energiezufuhr zu der elektrischen Heizeinrichtung 107 unterbrochen und eine Zufuhr von Brennstoff wird begonnen. Das gemischte Gas, geschickt von der Mischeinheit 103 aus, führt durch die erste, katalytische Verbrennungseinheit 119 hindurch. Die Aktivierungstemperatur variiert mit der Art eines Brennstoffs oder eines Katalysators, und sie beträgt ungefähr 300°C, zum Beispiel, bei Propan, und sie ist höher bei Methan, und ist niedriger bei Erdöl bzw. Kerosin. Um den Katalysator auf die Aktivierungstemperatur zu erwärmen, beträgt die Oberflächentemperatur der elektrischen Heizeinrichtung vorzugsweise über 600°C.
Das gemischte Gas reagiert zuerst teilweise in dem ausströmseitigen Bereich des ersten Katalysators 122, und nicht reagierter Brennstoff, der durch den ersten Katalysator 122 hindurchführt, beginnt damit, in dem einströmseitigen Bereich des zweiten Katalysators 123 zu reagieren. Da der zweite Katalysator 123 in der Tempe ratur hoch ist, reagiert das nicht-reagierte Gas darin, und das abschließende Abgas enthält praktisch kein nicht-reagiertes Gas.
In dem ersten Katalysator 122 absorbiert der Katalysator Gas und Sauerstoff, und da eine Reaktion an der Oberfläche des Katalysators stattfindet, ist die Verbrennung frei von einer Flamme, und der erste Katalysator 122 wird auf eine hohe Temperatur durch die Verbrennungswärme erwärmt, und diese Wärme führt weiter durch den Zwischenraum 121 als Strahlungswärme und wird auf die Finne 121 übertragen. Hierbei wird 745% der Energie des zugeführten Brennstoffs in der ersten, katalytischen Verbrennungseinheit 119 verbrannt und 80% der Verbrennungsenergie überträgt Wärme von der Finne 20 auf die erste Warmwasser-Rohrleitung 124. Das bedeutet, dass 60% (= 75 × 80%) der zugeführten Brennstoff-Energie auf das Wasser übertragen wird. Abgas, abgegeben von der ersten, katalytischen Verbrennungseinheit 119, enthält 25% von unverbranntem Brennstoff von 100% der zugeführten Brennstoff-Energie (= 100% – 75%) und 15% der Abwärme (= 75% – 60%), was insgesamt 40% ergibt. Wenn die Temperatur des zweiten Katalysators 123 abfällt, reagiert der nicht verbrannte Brennstoff nur schwer, und deshalb wird Wärme nicht an diesem Schritt ausgetauscht. Demzufolge enthält das Abgas von dem zweiten Katalysator 123 nach einer Verbrennung des gesamten nicht verbrannten Brennstoffs 40% der zugeführten Energie als Abwärme. Demzufolge wird diese Wärme durch die zweite Warmwasser-Rohrleitung 109, die die Finne 108 besitzt, zurückgewonnen. An dieser Stufe beträgt die Wärmeaustauschrate 70%. Die Wärme, zurückgewonnen durch die zweite Warmwasser-Rohrleitung 109, beträgt 29% (= 40% × 80%). Das bedeutet, dass unter Zusammenfassen der ersten Warmwasser-Rohrleitung 124 und der zweiten Warmwasser-Rohrleitung 109, die Gesamteffektivität 88% (= 60% + 28%) betrug.
Falls die katalytische Verbrennungsvorrichtung unter demselben Verbrennungs-Belastungsfaktor (der Verbrennungsgrad pro Volumeneinheit der Verbrennungskammer) wie in der Flammen-Verbrennungsvorrichtung betrieben wird, übersteigt die katalytische Temperatur 1200°C, und die Lebensdauer hinsichtlich der Wärmebeständigkeit des Katalysators wird extrem herabgesetzt. Deshalb sollte ein großer Katalysator verwendet werden. In dieser Ausführungsform befindet sich allerdings, da die Finne 120, verwendet als der Wärmeaustauscher, direkt durch den Katalysator abgedeckt ist, der erste Katalysator 122 bei einer relativ niedrigen Tempera tur, und die Wärme, erzeugt in dem Katalysator, wird direkt auf die Wärmeaufnahmeeinheit übertragen, so dass die Wärmeaustausch-Effektivität hoch ist.
In dieser Ausführungsform muss auch, wenn die Wärmebelastung abnimmt und die Temperatur des warmen Wassers zu stark ansteigt, die Brennstoff-Zuführmenge verringert werden. Die untere Grenze einer Verbrennung liegt bei 2 kW, wenn der Katalysator niedriger als die Aktivierungstemperatur wird. An diesem Punkt wird die Verbrennung unterbrochen, und die elektrische Heizeinrichtung 7 wird erneut mit Energie beaufschlagt und das warme Wasser wird erwärmt. Da die elektrische Heizeinrichtung von 2 kW bis 0 geregelt werden kann, ist es möglich, große Fluktuationen der Heizbelastung abzudecken. Allerdings kann, soweit die Aktivierungstemperatur des Katalysators einer erneuten Verbrennung beibehalten wird, eine Verbrennung zu jedem Zeitpunkt wieder aufgenommen werden, und es ist möglich, einen plötzlichen Anstieg einer Erwärmungsbelastung abzudecken. Unter der Aktivierungsenergie wird, durch Einstellen einer kurzen Vorheizzeit durch erneute Energiezufuhr, das saubere Abgas bei der erneuten Verbrennung nicht beeinträchtigt.
Die Umschaltsteuerung einer Verbrennung und Elektrizität in dieser Ausführungsform kann in Abhängigkeit von der Anwendung durch Erfassen der Umgebungstemperatur, der Zimmertemperatur oder der Temperatur des warmen Wassers ausgewählt werden.
In der katalytischen Verbrennungsvorrichtung, die niedriges NOx und eine flammenfreie Verbrennung zeigt, die hier beschrieben ist, werden die nachfolgenden Effekte erreicht.

1. Wenn eine Verbrennung begonnen wird, wird die elektrische Energie zum Vorheizen des Katalysators eingespart.
2. Es ist möglich, die Probleme einer Verschlechterung aufgrund einer hohen Temperatur der Mitte des ersten Katalysators, eine Erhöhung einer nicht-reagierten Menge aufgrund eines Abfalls der Umfangstemperatur, und eine abnormale hohe Temperatur, verursacht durch eine Reaktion des nicht-reagierten Anteils in dem zweiten Katalysator, zu lösen.
3. Der Verbrennungsgrad kann in einem weiten Bereich eingestellt werden.

Die Heizvorrichtung ist im Hinblick auf große Fluktuationen der Wärmebelastung flexibel, und ist dazu geeignet, hohe Abgase der Verbrennung dann zu erzeu gen, wenn ein Erwärmen begonnen wird, oder wenn die Umgebungstemperatur niedrig ist, und ein beheizen durch elektrische Wärme, wenn die Wärmebelastung niedrig ist, vorzunehmen.
Weiterhin ist das Abgas unter Zündung der Verbrennung sauber, und nachteilige Effekte einer Verbrennung werden verringert.
Zusätzlich kann, bei einer katalytischen Verbrennung, die Energiequelle für eine Vorerwärmung der Katalysatoren gemeinsam geteilt werden, und der Effekt von niedrigem NOx wird auch erhalten.

Claims

Verbrennungsvorrichtung, die eine Brennstoff-Speiseeinheit (1), ein Gebläse (5) zum Zuführen von Verbrennungsluft, eine Mischeinheit (6) zum Mischen von Brennstoff und Verbrennungsluft, einen ersten Katalysator (12), der stromab von der Mischeinheit (6) vorhanden ist, eine Wärmeaufnahmeeinheit (15) an den ersten Katalysator (12) angrenzend und einen zweiten Katalysator (13) mit einer größeren geometrischen Fläche als der des ersten Katalysators (12), der in der Stromrichtung des ersten Katalysators (12) stromab vorhanden ist, umfasst, wobei der erste Katalysator (12) im Wesentlichen für Verbrennung bei hohem Verbrennungsgrad zuständig ist und der zweite Katalysator (13) im Wesentlichen für Verbrennung bei niedrigem Verbrennungsgrad zuständig ist.
Verbrennungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Luft-Überschussrate bei hohem Verbrennungsgrad geringer ist als die Luft-Überschussrate bei niedrigem Verbrennungsgrad.
Verbrennungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Verbrennungsgrad über einen Zwischen-Verbrennungsgrad-Bereich erhöht wird, wenn der Verbrennungsgrad von niedrigem Verbrennungsgrad zu hohem Verbrennungsgrad geändert wird.
Verbrennungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei das stromab liegende Ende des ersten Katalysators (12) weiter auf den zweiten Katalysator (13) zu vorsteht als das stromab liegende Ende der Wärmeaufnahmeeinheit (15).
Verbrennungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei das in der Stromrichtung stromauf liegende Ende des ersten Katalysators (12) in der Stromaufrichtung weiter vorsteht als das stromauf liegende Ende der Wärmeaufnahmeeinheit (15).
Verbrennungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei der erste Katalysator (12), der zweite Katalysator (13), die zweite Wärmeaufnahmeeinheit (20) und ein Auslasskanal (22) vertikal angeordnet sind und der Auslasskanal (22) nach unten gerichtet ist.
Verbrennungsvorrichtung nach Anspruch 1, die des Weiteren eine Verdampfungseinheit (4) für flüssigen Brennstoff umfasst, die integral oder thermisch mit der Strahlungswärme-Aufnahmefläche (11) verbunden ist, die der stromauf liegenden Seite des ersten Katalysators (12) gegenüberliegt.
Verbrennungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei eine Düse (8) mit Ausstoßlöchern, die radial angeordnet sind, im stromauf liegenden Raum des ersten Katalysators (12) angeordnet ist.
Verbrennungsvorrichtung nach Anspruch 8, wobei die Ausstoßlöcher an der Konusfläche der Düse (8) angeordnet sind.
Verbrennungsvorrichtung nach Anspruch 1, die eine Brennstoff-Speiseeinheit (101) zum Zuführen von Brennstoff, ein Gebläse (102) zum Zuführen von Verbrennungsluft, eine Mischeinheit (103) zum Mischen von Brennstoff und Verbrennungsluft, einen Katalysator (122), der stromab von der Mischeinheit (103) vorhanden ist, eine elektrische Heizeinrichtung (107) und eine Wärmeaufnahmeeinheit (120) umfasst, wobei die Wärmeaufnahmeeinheit (120) mit der durch die elektrische Heizeinrichtung (107) erzeugten Wärme erhitzt wird, wenn der Heizgrad niedrig ist, und die Wärmeaufnahmeeinheit (120) mittels katalytischer Verbrennung durch den Katalysator (122) erhitzt wird, nachdem der elektrischen Heizeinrichtung (107) Strom zugeführt worden ist, wenn der Heizgrad hoch ist.
Verbrennungsvorrichtung nach Anspruch 1, die eine Brennstoff-Speiseeinheit (101) zum Zuführen von Brennstoff, ein Gebläse (102) zum Zuführen von Verbrennungsluft, eine Mischeinheit (103) zum Mischen von Brennstoff und Verbrennungsluft, einen Katalysator (122), der stromab von der Mischeinheit (103) vorhanden ist, eine elektrische Heizeinrichtung (107) und eine Wärmeaufnahmeeinheit (120) umfasst, wobei die elektrische Heizeinrichtung (107) aktiviert wird und Brennstoff zu geführt wird, wenn der Heizgrad niedrig ist, um die Verbrennung des Katalysators zu aktivieren, und die elektrische Heizeinrichtung (107) aktiviert wird, wenn der Heizgrad höher ist, wobei dann mehr Brennstoff als bei dem niedrigen Heizgrad zugeführt wird, um die Verbrennung des Katalysators zu aktivieren und so die Wärmeaufnahmeeinheit (120) zu erhitzen.