DE69816326T2

DE69816326T2 - Katalytischer verbrennungsheizer

Info

Publication number: DE69816326T2
Application number: DE69816326T
Authority: DE
Inventors: Tomoji Nishio-shi YAMADA; Shoji Nishio-shi HIROSE; Mitsuo Nishio-shi INAGAKI; Shigeru Toyota-shi OGINO
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1997-10-16
Filing date: 1998-10-16
Publication date: 2004-04-22
Anticipated expiration: 2018-10-17
Also published as: CA2306994A1; EP1030128A4; US6497199B2; DE69816326D1; EP1030128A1; CA2306994C; US6397787B1; WO1999020947A1; US20020066421A1; EP1030128B1

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine katalytische Verbrennungsheizung, die ein zu beheizendes Fluid, das eine Flüssigkeit oder ein Gas ist, erwärmt.
Stand der Technik
Eine sogenannte katalytische Verbrennungsheizung, die eine Oxidationsreaktion eines brennbaren Gases (Brenngases) mit einem Katalysator verursacht und ein zu erwärmendes Fluid mit der erzeugten Wärme beheizt, ist bekannt, und verschiedene Anwendungen der Heizung, wie die Nutzung zu Hause und die Nutzung in Fahrzeugen wurden untersucht (z. B. die ungeprüfte japanische Patentveröffentlichung (KOKAI) Hei 5-223201).
Eine katalytische Verbrennungsheizung weist einen katalysatortragenden Wärmetauscher auf, der in einem von brennbarem Gas durchströmten Durchlass Röhren aufweist, in denen ein zu erwärmendes Fluid, das eine Flüssigkeit oder ein Gas ist, fließt, und mehrere katalysatortragende Rippen bzw. Lamellen sind integriert an der äußeren Oberfläche der Röhren angebracht. Ein Oxidationskatalysator wie Platin oder Palladium wird für die mehreren Lamellen genutzt.
Wenn die katalysatortragenden Lamellen auf oder über eine Aktivierungstemperatur erwärmt werden und mit dem brennbaren Gas in Kontakt kommen, tritt auf der Oberfläche der Lamellen eine Oxidationsreaktion auf. Die zu diesem Zeitpunkt erzeugte Oxidationsreaktionswärme wird von den Lamellen in die Röhren übertragen, wodurch das Fluid, das in den Röhren fließt, erwärmt wird.
Das brennbare Gas wird mit einem Verbrennungsunterstützungsgas (normalerweise Luft) vermischt, um das brennbare Gas zu oxidieren, und das vermischte Gas wird als ein Brenngas in den katalysatortragenden Wärmetauscher eingebracht. Die katalysatororientierte Oxidationsreaktion tritt in einem stark variierenden Bereich der Konzentration des brennbaren Gases auf. Daher kann unverbranntes Gas, das stromauf nicht reagiert hat, mit einem Katalysator auf der stromab gelegenen Seite verbrannt werden, und die Verbrennung kann im gesamten Wärmetauscher durchgeführt werden. Dies schafft im Vergleich zu Heizungen vom Brennertyp, die bisher typisch waren, eine kompakte Heizung mit hoher Leistung.
Es gibt einen Typ, in dem die Richtung des Flusses des brennbaren Gases in einem katalysatortragenden Wärmetauscher der Richtung des Flusses des Fluids entgegengesetzt ist. In diesem Fall kann die Wärmeaustauscheffizienz verbessert werden, da der Anstieg der Konzentration des brennbaren Gases mit dem Anstieg der Temperatur des Fluids zusammenfällt. D. h., weil ein Einlassanschluss für das Fluid in der Nähe des Auslasses des Brenngasdurchlasses vorgesehen ist, kann die Wärme des Abgases das Fluid effizient erwärmen, indem das Verbrennungsabgas unmittelbar vor seinem Austritt mit den Röhren, in denen das kältere Fluid fließt, in Kontakt gebracht wird.
Die Zuführrate des Verbrennungsunterstützungsgases wird normalerweise in einem Bereich von ungefähr ein- bis fünfmal der Menge festgelegt, die für die Oxidation nötig ist. Um die Wärmeaustauscheffizienz zu verbessern, wird es bevorzugt, die Strömungsrate des Abgases zu verringern, indem die Zuführrate so klein wie möglich gemacht wird, um dadurch das Vergeuden ungenützter erzeugter Wärme mit dem Abgas zu begrenzen.
Das Verbrennungsabgas enthält jedoch eine beträchtliche Menge an Wasserdampf, die durch die Oxidationsreaktion erzeugt wird, so dass, wenn die Temperatur des Verbrennungsabgases fällt, der Dampf in Tröpfchen kondensieren kann.
In dem Aufbau, in dem die Richtung des Flusses des brennbaren Gases in einem katalysatortragenden Wärmetauscher der Richtung des Flusses des Fluids entgegengesetzt ist, wird das kältere Fluid wie vorstehend erwähnt in der Nähe des Ausgangs für das Verbrennungsabgas eingeführt. Daher kann Dampf auf den Oberflächen der Röhren niedriger Temperatur und den Oberflächen der Lamellen, die an den Röhren integriert sind, kondensieren und die Oberfläche des Oxidationskatalysators befeuchten. In diesem Fall gibt es dadurch ein Problem, dass der Oxidationskatalysator inaktiv wird, was die Oxidationsreaktion stört und verursacht, dass unverbranntes Gas abgegeben wird.
Wenn die Zuführrate des Verbrennungsunterstützungsgases niedrig ist, ist es für die Temperatur des Katalysators leichter, zu steigen, und die nicht gleichförmige Verteilung des Brenngases kann verursachen, dass die Katalysatortemperatur den Brennpunkt (570°C für Wasserstoffbrennstoff) an dem Ort übersteigt, an dem hochkonzentriertes brennbares Gas zugeführt wird, oder an dem Ort, an dem das Fluid nicht gleichmäßig fließt, wodurch eine Flamme erzeugt wird. Wenn eine Flamme erzeugt wird, kann der Katalysator eine Hitzeverschlechterung erfahren (normalerweise tritt die Verschlechterung bei oder über 700°C auf), welche die Katalysatorleistung verschlechtert. Da die Katalysatorreaktion wie vorstehend erwähnt im gesamten Wärmetauscher verursacht wird, ist es jedoch schwierig, festzulegen, wo eine Flamme erzeugt werden wird, und es ist schwierig, die Flamme zu erfassen.
Um dieses Problem zu vermeiden, schlägt beispielsweise die EP-A-798512 vor, den Wärmetauscher elektrisch zu beheizen, bevor die Katalysatorreaktion gestartet wird. Zuführraten des Brennstoffs und des Verbrennungsunterstützungsgases werden jedoch nicht gesteuert.
In Übereinstimmung mit der vorstehenden herkömmlichen katalytischen Verbrennungsheizung kann jedoch nicht reagiertes Brenngas (nicht verbranntes Brenngas) abgegeben werden oder stromab strömen und zu hochkonzentriertem Brenngas werden, das den Oxidationskatalysator in der Nähe des Ausgangs des Brenngasdurchlasses kontaktiert, und kann spontan mit ihm reagieren und ein Feuer oder ähnliches verursachen, wenn der Katalysator auf der stromauf gelegenen Seite des Brenngasdurchlasses zu der Zeit, zu der die Heizung hochgefahren wird, nicht ausreichend aktiv ist. Eine Art, dies zu verhindern, ist, allmählich die Temperatur der Röhren und Lamellen an den einzelnen Abschnitten des Brenngasdurchlasses zu erhöhen, während diese Temperaturen überwacht werden. Dieses Verfahren kompliziert den Aufbau und verlängert die Hochfahrzeit.
Weiterhin gibt es erwartete Anwendungen einer katalytischen Verbrennungsheizung, die ein brennbares Brenngas unter Nutzung eines Oxidationskatalysators verbrennt und ein Fluid unter Nutzung der erzeugten Wärme beheizt, wie die Heimnutzung und die Nutzung im Fahrzeug. Einer solchen katalytischen Verbrennungsheizung wird ein Verbrennungsunterstützungsgas von einem der offenen Enden eines zylindrischen Gehäuses bereitgestellt, das Öffnungen an beiden Enden aufweist, und ein Brenngaszuführabschnitt spritzt das Brenngas von einem Einspritzanschluss ein, der im Gehäuses gebildet ist, wodurch ein Fluss der Mi schung des Brenngases und des Verbrennungsabgases im Gehäuse erzeugt wird. Röhren, in denen ein zu erwärmendes Fluid, wie Wasser, fließt, sind im Gehäuse angeordnet, und ein Katalysatorabschnitt, wie Lamellen, die einen Oxidationskatalysator tragen, wird auf der äußeren Oberfläche der Röhren gebildet, um so einen katalysatortragenden Wärmetauscher zu bilden. Das Brenngas, das die Katalysatorsektion berührt, verursacht dort eine Oxidationsreaktion und verursacht so eine katalytische Verbrennung. Die von der katalytischen Verbrennung erzeugte Verbrennungswärme wird durch die Wände der Röhren vom Fluid empfangen und zum Heizen oder ähnlich genutzt.
Weiterhin wird eine Flamme erzeugt, wenn der Verbrennungsertrag hoch wird, was zu einer Dampfphasenverbrennung führt. Da die Dampfphasenverbrennung eine höhere Verbrennungstemperatur als die katalytische Verbrennung aufweist, verschlechtert sie die Heizung, was Probleme wie eine Verringerung der Wärmeaustauscheffizenz und Verringerung der Heizleistung verursacht. Es gibt ein Modell, das einen Temperatursensor aufweist, der im Katalysatorabschnitt vorgesehen ist, um eine Temperaturerhöhung im Katalysatorabschnitt zu erfassen, aus der die Dampfphasenverbrennung erkannt wird. Selbst wenn die Dampfphasenverbrennung auftritt, erhöht sich die erfasste Temperatur nicht notwendigerweise auf einen Pegel, der als abnorm angesehen wird, so lange der Temperatursensor nicht einer Flamme ausgesetzt ist. Wenn ein sehr kleiner Teil des Katalysators abnorm heiß wird und eine Flamme lokal erzeugt wird, kann daher das Auftreten der Dampfphasenverbrennung nicht erfasst werden. Zusätzlich ist es nicht möglich, das Auftreten der Dampfphasenverbrennung mit ausreichender Genauigkeit zu erfassen, da ein Schwellenwert für die erfasste Temperatur zum Bestimmen, ob eine Dampfphasenverbrennung aufgetreten ist, naturgemäß höher festgelegt wird als die Temperatur des Katalysatorabschnitts zur zeit der normalen katalytischen Verbrennung.
In Anbetracht der vorstehenden Probleme ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine katalytische Verbrennungsheizung zu schaffen, die verhindert, dass die Aktivierung eines Oxidationskatalysators durch Kondensation von Dampf verringert wird, die verhindert, dass der Katalysator durch das Auftreten einer Flamme verschlechtert wird, die eine ausreichende katalytische Leistung zeigt, die eine hervorragende Wärmeaustauscheffizienz aufweist und die sicher und sehr verläßlich ist.
In Anbetracht der vorstehenden Probleme ist es eine andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine sichere und schnell hochfahrende katalytische Verbrennungsheizung zu schaffen, die den gesamten katalysatortragenden Wärmetauscher schnell in einem einfachen Aufbau aktivieren kann, während sie die Abgabe von unverbranntem Gas und ein Feuer oder Ähnliches verhindert.
In Anbetracht der vorstehenden Probleme ist es eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine katalytische Verbrennungsheizung zu schaffen, die das Auftreten einer Dampfphasenverbrennung mit hoher Präzision erfassen kann.
Die vorstehend erwähnten Probleme werden jeweils durch katalytische Verbrennungsheizungen nach den unabhängigen Ansprüchen 1, 10, 13 und 14 gelöst. Weitere bevorzugte Ausführungsformen werden durch die Gegenstände der abhängigen Ansprüche abgedeckt.
Offenbarung der Erfindung
Eine katalytische Verbrennungsheizung nach der vorliegenden Erfindung weist einen katalysatortragenden Wärmetauscher auf. Der Wärmetauscher weist einen Brenngasdurchlass auf, in dem ein Brenngas fließt. Das Brenngas enthält ein brennbares Gas und ein Verbrennungsunterstützungsgas. Röhren, in denen ein zu erwärmendes Fluid fließt, sind im Brenngasdurchlass angeordnet. Ein Oxidationskatalysator, der auf äußeren Oberflächen der Röhren vorgesehen ist, verursacht eine Oxidationsreaktion, wenn das Brenngas die äußeren Oberflächen berührt. Der katalysatortragende Wärmetauscher wärmt das Fluid mit der Oxidationsreaktionswärme des Brenngases. Weiter ist ein Erfassungsabschnitt enthalten, um zu erfassen, ob die Temperatur eines Verbrennungsabgases im Brenngasdurchlass seine Taupunkttemperatur erreicht hat oder nicht. Weiterhin ist ein Steuerabschnitt enthalten, um mindestens entweder die Zuführrate des Verbrennungsunterstützungsgases oder des brennbaren Gases, die dem Brenngas zugeführt werden, auf der Grundlage eines Ergebnisses der Erfassung durch den Erfassungsabschnitt zu steuern.
Der Erfassungsabschnitt ist entweder ein Temperaturerfassungsabschnitt zum Erfassen der Temperatur des Verbrennungsabgases oder ein Temperaturerfassungsabschnitt zum Erfassen von Temperaturen auf den äußeren Oberflächen der Röhren.
Der Erfassungsabschnitt wird in der Umgebung eines Auslasses des Brenngasdurchlasses vorgesehen.
In Übereinstimmung mit den unabhängigen Ansprüchen wird der Oxidationskatalysator von Rippen bzw. Lamellen getragen, die an den äußeren Oberflächen der Röhren befestigt sind, und der Temperaturerfassungsabschnitt zum Erfassen der Temperaturen der äußeren Oberflächen der Röhren ist ein Temperaturerfassungsabschnitt zum Erfassen von Oberflächentemperaturen der Lamellen in der Umgebung eines Ausgangs des Brenngasdurchlasses.
Wenn der Erfassungsabschnitt ein solches Erfassungsergebnis ausgibt, dass die Temperatur des Verbrennungsabgases im Brenngasdurchlass gleich oder niedriger als eine Taupunkttemperatur ist, die durch die Zusammensetzung des bereitzustellenden Brenngases bestimmt wird, führt der Steuerabschnitt eine Steuerung durch, um die Zuführrate des Verbrennungsunterstützungsgases zu erhöhen, um die Temperatur des Verbrennungsabgases auf oder über die Taupunkttemperatur zu erhöhen.
Wenn der Erfassungsabschnitt ein Erfassungsergebnis ausgibt, das anzeigt, dass die Temperatur des Verbrennungsabgases im Brenngasdurchlass gleich oder niedriger als eine Taupunkttemperatur ist, die durch die Zusammensetzung des bereitgestellten Brenngases bestimmt wird, erhöht der Steuerabschnitt die Zuführrate des brennbaren Gases in einem stromab gelegenen Teil des Brenngasdurchlasses, um die Temperatur des Verbrennungsabgases auf oder über die Taupunkttemperatur zu erhöhen.
Die katalytische Verbrennungsheizung weist weiterhin einen Brenngaszuführabschnitt auf, der eine Vielzahl von Brenngaszuführanschlüssen aufweist, um das brennbare Gas einem stromauf gelegenen Teil und einem stromab gelegenen Teil des Brenngasdurchlasses zuzuführen, und ein Ventilteil, das im Brenngaszuführabschnitt angeordnet ist, um die Strömungsrate des brennbaren Gases zu regulieren, das der stromab gelegenen Seite des Brenngasdurchlasses bereitgestellt wird, und der Steuerabschnitt passt die Position des Ventilteils an.
Die Strömungsrichtung des Brenngases ist der Strömungsrichtung des Fluids entgegengesetzt.
Das Verbrennungsunterstützungsgas ist Luft.
Eine andere katalytische Verbrennungsheizung nach der vorliegenden Erfindung weist einen katalysatortragenden Wärmetauscher auf. Der Wärmetauscher weist einen Brenngasdurchlass auf, in dem ein Brenngas fließt. Das Brenngas enthält ein brennbares Gas und ein Verbrennungsunterstützungsgas. Röhren, in denen das zu erwärmende Fluid fließt, sind im Brenngasdurchlass angeordnet. Ein Oxidationskatalysator, der auf äußeren Oberflächen der Röhren angeordnet ist, verursacht eine Oxidationsreaktion, wenn das Brenngas die äußeren Oberflächen berührt. Der katalysatortragende Wärmetauscher wärmt das Fluid mit der Oxidationsreaktionswärme des Brenngases. Weiter ist ein Erfassungsabschnitt enthalten, um die Konzentration von Stickoxid zu erfassen, das im Verbrennungsabgas im Brenngasdurchlass enthalten ist, und ein Steuerabschnitt, um mindestens entweder die Zuführrate des Verbrennungsunterstützungsgases oder des brennbaren Gases, das dem Brenngasdurchlass zugeführt wird, auf der Grundlage einer Erfassung durch den Erfassungsabschnitt zu steuern.
In der anderen katalytischen Verbrennungsheizung nach der vorliegenden Erfindung ist der Erfassungsabschnitt in der Umgebung eines Auslasses des Brenngasdurchlasses vorgesehen.
In der anderen katalytischen Verbrennungsheizung nach der vorliegenden Erfindung verringert der Steuerabschnitt die Zuführrate des brennbaren Gases oder erhöht die Zuführrate des Verbrennungsunterstützungsgases, wenn der Erfassungsabschnitt erfasst, dass die Konzentration des Stickoxids gleich oder höher als ein gegebener Wert ist.
Eine weitere katalytische Verbrennungsheizung nach der vorliegenden Erfindung weist einen katalysatortragenden Wärmetauscher auf. Der Wärmetauscher weist einen Brenngasdurchlass auf, in dem ein Brenngas fließt. Das Brenngas enthält ein brennbares Gas und ein Verbrennungsunterstützungsgas. Röhren, in denen das zu erwärmende Fluid fließt, sind im Brenngasdurchlass angeordnet. Ein Oxidationskatalysator, der auf äußeren Oberflächen der Röhren vorgesehen ist, verursacht eine Oxidationsreaktion, wenn das Brenngas die äußeren Oberflächen berührt. Der katalysatortragende Wärmetauscher erwärmt das Fluid mit der Oxidationsreaktionswärme des Brenngases. Weiterhin ist eine Vielzahl von Brenngaszuführdurchlässen mit verschiedenen Durchlasswiderständen enthalten, um das brennbare Gas zu einem stromauf gelegenen Teil und einem stromab gelegenen Teil des Brenngasdurchlasses zu verteilen, wodurch die Durchgangswiderstände der Vielzahl von Brenngaszuführdurchlässen so ausgelegt sind, dass, wenn eine in einem stromab gelegenen Teil des Brenngasdurchlasses erzeugte Wärmemenge einer Minimalleistung der katalytischen Verbrennungsheizung entspricht, die Temperatur des Verbrennungsabgases im Brenngasdurchlass gleich oder höher als eine Taupunkttemperatur wird, die durch die Zusammensetzung des Brenngases bestimmt wird.
Eine andere katalytische Verbrennungsheizung nach der vorliegenden Erfindung weist einen katalysatortragenden Wärmetauscher auf. Der Wärmetauscher weist einen Brenngasdurchlass auf, in dem ein Brenngas fließt. Das Brenngas weist ein brennbares Gas und ein Verbrennungsunterstützungsgas auf. Röhren, in denen das zu erwärmende Fluid fließt, sind im Brenngasdurchlass angebracht. Ein Oxidationskatalysator, der auf äußeren Oberflächen der Röhren vorgesehen ist, verursacht eine Oxidationsreaktion, wenn das Brenngas die äußeren Oberflächen berührt. Der katalysatortragende Wärmetauscher erwärmt das Fluid mit der Oxidationsreaktionswärme des Brenngases. weiterhin ist ein Erfassungsabschnitt zum Erfassen der Temperatur des Verbrennungsabgases oder der Konzentration des brennbaren Gases in der Umgebung eines Auslasses des Brenngasdurchlasses und ein Flussratensteuerabschnitt enthalten, um die Flussrate des brennbaren Gases auf der Grundlage des Ergebnisses einer Erfassung des Erfassungsabschnitts zu steuern.
In der anderen katalytischen Verbrennungsheizung macht der Flussratensteuerabschnitt nach der vorliegenden Erfindung die Flussrate des brennbaren Gases niedriger als die des Verbrennungsunterstützungsgases, bis die Temperatur des Verbrennungsabgases, die vom Erfassungsabschnitt erfasst wird, eine vorab bestimmte Temperatur überschreitet, oder bis die Konzentration des brennbaren Gases niedriger als eine vorab bestimmte Konzentration wird. Der Flussratensteuerabschnitt erhöht die Flussrate des brennbaren Gases auf eine vorab bestimmte Höhe, wenn die Temperatur des Verbrennungsabgases die vorab bestimmte Temperatur überschreitet, oder wenn die Konzentration des brennbaren Gases niedriger als die vorab bestimmte Konzentration wird.
In der anderen katalytischen Verbrennungsheizung weist der katalysatortragende Wärmetauscher nach der vorliegenden Erfindung einen Brennstoffverteilungsabschnitt auf, um das brennbare Gas zu verteilen, dessen Menge einem Zustand des Fluids entspricht, das in den Röhren zu einzelnen Teilen der Röhren fließt.
Eine noch andere katalytische Verbrennungsheizung nach der vorliegenden Erfindung weist ein zylindrisches Gehäuse auf, das Öffnungen an beiden Enden aufweist, und ein Verbrennungsunterstützungsgas wird von einem der offenen Enden zugeführt. Zudem ist ein Brenngaszuführab schnitt zum Zuführen von Brenngas von einem Einspritzanschluss in das Gehäuse enthalten, der in Richtung der Innenseite des Gehäuses gebildet wird. Ein katalysatortragender Wärmetauscher, der eine Vielzahl von Röhren aufweist, ist enthalten. Der wärmetauscher ist stromab des Einspritzanschlusses im Gehäuse vorgesehen. Das Fluid, das erwärmt werden soll, fließt in den Röhren. Ein Katalysatorabschnitt, der auf äußeren Oberflächen der Röhren gebildet wird, erzeugt eine Oxidationsreaktion, wenn er das Brenngas berührt. Ein Temperaturerfassungsabschnitt ist im Gehäuse in der Nachbarschaft des Einspritzanschlusses und näher als die Röhren zum vorstehend erwähnten offenen Ende vorgesehen.
In der noch anderen katalytischen Verbrennungsheizung nach der vorliegenden Erfindung ist der Temperaturerfassungsabschnitt auf einem Vorsprung des Brenngaszuführabschnitts vorgesehen, der ins Gehäuse vorsteht.
Kurze Erläuterung der Zeichnung
1 ist ein Schaubild, das eine katalytische Verbrennungsheizung 60 nach einer ersten Ausführungsform zeigt;
2 ist ein Schaubild, das einen Querschnitt zeigt, wenn ein katalysatortragender Wärmetauscher 1 in der katalytischen Verbrennungsheizung 60, die in 1 gezeigt wird, entlang der Linie A-A geschnitten ist;
3A ist ein Schaubild, das die Beziehung zwischen der Flussrate eines Verbrennungsunterstützungsgases und der Zeit zeigt;
3B ist ein Schaubild, das die Beziehung zwischen der Temperatur eines Abgases und der Zeit zeigt;
4 ist ein Ablaufplan, das den Betrieb der katalytischen Verbrennungsheizung 60 zeigt;
5 ist ein Schaubild, das eine katalytische Verbrennungsheizung 70 nach einer zweiten Ausführungsform zeigt;
6A ist ein Schaubild, das die Beziehung zwischen einem NO_x-Erfassungssignal, das von einem NO_x-Detektor 9 erfasst wird, und der Zeit zeigt;
6B ist ein Schaubild, das die Beziehung zwischen der Zuführrate eines Verbrennungsunterstützungsgases und der zeit zeigt;
6C ist ein Schaubild, das die Beziehung zwischen der Zuführrate eines Brennstoffs und der Zeit zeigt;
7 ist ein Ablaufplan, der den Betrieb der katalytischen Verbrennungsheizung 70 zeigt;
8A ist ein Schaubild, das einen katalysatortragenden Wärmetauscher 1 in einer katalytischen Verbrennungsheizung 80 nach einer dritten Ausführungsform zeigt;
8B ist ein Schaubild, das einen Querschnitt zeigt, wenn der katalysatortragende Wärmetauscher 1, der in 8A gezeigt ist, entlang der Linie B-B geschnitten wird;
9A ist ein Schaubild, das die Beziehung zwischen der Flussrate eines brennbaren Gases auf einer stromab gelegenen Seite und der zeit zeigt;
9B ist ein Schaubild, das die Beziehung zwischen der Temperatur eines Abgases und der Zeit zeigt;
10 ist ein Ablaufplan, der den Betrieb der katalytischen Verbrennungsheizung 80 zeigt;
11A ist ein Schaubild, das einen katalysatortragenden Wärmetauscher 1 zeigt, der eine katalytische Verbrennungsheizung nach einer vierten Ausführungsform ist;
11B ist ein Schaubild, das einen Querschnitt zeigt, wenn der katalysatortragende Wärmetauscher 1, der in 11A gezeigt ist, entlang der Linie C-C geschnitten wird;
12A ist ein Schaubild, das eine katalytische Verbrennungsheizung 100 nach einer fünften Ausführungsform zeigt;
12B ist ein Schaubild, das einen Querschnitt zeigt, wenn ein katalysatortragender Wärmetauscher 101, der in 12A gezeigt ist, entlang der Linie D-D geschnitten ist;
13A ist ein Schaubild, das die Beziehung zwischen der Temperatur eines Verbrennungsabgases und der Zeit zeigt;
13B ist ein Schaubild, das die Beziehung zwischen der Flussrate eines Verbrennungsunterstützungsgases und der Zeit zeigt;
13C ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen der Flussrate eines zu erwärmenden Fluids und der Zeit zeigt;
13D ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen der Flussrate eines brennbaren Gases und der Zeit zeigt;
14 ist ein Ablaufplan, der den Betrieb der katalytischen Verbrennungsheizung 100 veranschaulicht;
15A ist ein Schaubild, das einen katalysatortragenden Wärmetauscher 1 zeigt, der eine katalytische Verbrennungsheizung 160 nach einer sechsten Ausführungsform ist;
15B ist ein Diagramm, das einen Querschnitt zeigt, wenn der katalysatortragende Wärmetauscher 1, der in 15A gezeigt ist, entlang der Linie E-E geschnitten ist;
16A ist ein Schaubild, das die Beziehung zwischen der Konzentration eines brennbaren Gases und der Zeit zeigt;
16B ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen der Flussrate eines Verbrennungsunterstützungsgases und der Zeit zeigt;
16C ist ein Schaubild, das die Beziehung zwischen der Flussrate eines zu erwärmenden Fluids und der Zeit zeigt;
16D ist ein Schaubild, das die Beziehung zwischen der Flussrate des brennbaren Gases und der Zeit zeigt;
17 ist ein Ablaufplan, der den Betrieb der katalytischen Verbrennungsheizung 160 zeigt;
18 ist ein Schaubild, das einen katalysatortragenden Wärmetauscher 201 zeigt, der eine katalytische Verbrennungsheizung nach einer siebten Ausführungsform ist; und
19 ist ein Schaubild, das einen Querschnitt zeigt, wenn der katalysatortragende Wärmetauscher 201, der in 18 gezeigt ist, entlang der Linie F-F geschnitten ist.
Bestes verfahren zum Durchführen der Erfindung
Bevorzugte Ausführungsformen einer katalytischen Verbrennungsheizung nach der vorliegenden Erfindung werden nun mit Bezug auf die beigefügte Zeichnung beschrieben.
(Erste Ausführungsform)
1 ist ein Schaubild, das eine katalytische Verbrennungsheizung 60 nach einer ersten Ausführungsform zeigt.
Die katalytische Verbrennungsheizung 60 weist einen katalysatortragenden Wärmetauscher 1, eine Steuereinheit 6 und einen Temperaturerfasser 8 auf.
Der katalysatortragende Wärmetauscher 1 weist einen Brenngasdurchlass 11 in einem zylindrischen Behälter auf, dessen beide Enden offen sind, und Brenngas fließt von einem Brenngaseinlassanschluss am linken Ende in Richtung eines Abgasanschlusses 13 am rechten Ende (in der Richtung, die durch die Pfeile im Schaubild angezeigt wird).
Mit dem Brenngaszuführanschluss 12 ist ein zylindrischer Körper gekoppelt, dessen linkes Ende geschlossen ist. Der zylindrische Körper bildet einen Brenngaszuführ abschnitt 2, dessen untere Wand mit einem Brenngasdurchlass 31 verbunden ist, der mit einer Brenngaszuführeinheit 13 in Verbindung steht, und einem Verbrennungsunterstützungsgasdurchlass 41, der mit einer Verbrennungsunterstützungsgaszuführeinheit 4 in Verbindung steht.
Ein brennbares Gas, das ein Brennstoff ist, wird von der Brenngaszuführeinheit 3 bereitgestellt, und ein Verbrennungsunterstützungsgas wird von der Verbrennungsunterstützungsgaszuführeinheit 4 bereitgestellt. Diese Gase werden im Brenngaszuführabschnitt 2 gemischt, und die Mischung wird als Brenngas vom Brenngaszuführanschluss 12 in den Brenngasdurchlass 11 zugeführt.
Beispielsweise wird ein brennbares Gas wie Wasserstoff oder Methanol als der Brennstoff genutzt, und Luft wird normalerweise als ein Verbrennungsunterstützungsgas genutzt. Die Zuführraten des brennbaren Gases und des Verbrennungsunterstützungsgases werden von dem Steuerabschnitt oder der Steuereinheit 6 gesteuert. Es wird bevorzugt, dass die Zuführrate des Verbrennungsunterstützungsgases im Brenngas in einem Bereich von ungefähr 1 bis 5 mal der theoretischen Menge von Luft ist, die benötigt wird, um das gesamte brennbare Gas zu oxidieren, und so gering wie möglich innerhalb eines Bereichs festgelegt werden sollte, in dem sie die Wärmewiderstandstemperatur eines Katalysators nicht übertrifft, um die während der normalen Verbrennung erzeugte wärme effizient wiederzugewinnen. Wenn es wahrscheinlich ist, dass der Dampf im Verbrennungsabgas kondensieren wird, erhöht jedoch die Steuereinheit 6 die Menge von Verbrennungsunterstützungsgas, wie später erörtert wird.
2 ist ein Schaubild, das einen Querschnitt zeigt, wenn der katalysatortragende Wärmetauscher 1 in der katalytischen Verbrennungsheizung 60, die in 1 gezeigt ist, entlang der Linie A-A geschnitten wird.
Reihen von Röhren 5, in denen das Fluid fließt, sind wie in 2 gezeigt im Brenngasdurchlass 11 des katalysatortragenden Wärmetauschers 1 im Strömungsweg des Brenngases vorgesehen. Eine Mehrzahl von ringförmigen Lamellen bzw. Rippen 51 sind integriert mit der äußeren Oberfläche jedes Rohrs 5 durch Löten oder ähnliches verbunden. Ein Oxidationskatalysator wie Platin oder Palladium ist auf den Oberflächen der Lamellen 51 aufgetragen, und eine Oxidationsreaktion tritt auf, wenn das Brenngas die Oberfläche des Oxidationskatalysators berührt. Die durch die Oxidationsreaktion erzeugte Wärme wird von den Lamellen 51 an die Röhren 5 übertragen, um das Fluid zu heizen, das innerhalb der Röhren 5 fließt.
Wie in 1 gezeigt sind beide Enden der Vielzahl von Röhren 5 jeweils mit Röhrenverbindungsabschnitten 52 und 53 gekoppelt, die an den oberen und unteren Abschnitten des katalysatortragenden Wärmetauschers 1 vorgesehen sind. Abteilungen 52a und 53a werden jeweils an verschiedenen Orten in den Röhrenverbindungsabschnitten 52 und 53 gebildet, um diese in eine Vielzahl von Abschnitten aufzuteilen.
Eine Einlassleitung 54 für das Fluid ist mit dem rechten Ende des unteren Röhrenverbindungsabschnitts 53 gekoppelt, und eine Auslassleitung 55 für das Fluid ist mit dem linken Ende des oberen Röhrenverbindungsabschnittes 52 gekoppelt. Dies bildet einen Durchlass für das Fluid, der vom stromab gelegenen Ende des Brenngasdurchlasses, wie durch die Pfeile in 1 angezeigt, zum stromauf gelegenen Ende gerichtet ist. Das Fluid wird von der Einlassleitung 54 durch eine Fluidzuführeinheit 7 eingeführt, auf eine hohe Temperatur erwärmt, wenn es in die Röhren 5 und die Röhrenverbindungsabschnitte 52 und 53 fließt, und wird von der Auslassleitung 55 ausgeleitet. Als das Fluid wird beispielsweise Wasser genutzt, und seine Zuführrate wird von der vorstehend erwähnten Steuereinheit 6 gesteuert.
Der Außendurchmesser und die Anzahl der Lamellen 51, die auf den äußeren Oberflächen der Röhren 5 vorgesehen sind, werden geeignet in Übereinstimmung mit der für das Fluid in den verbundenen Röhren 5 benötigten Wärmemenge festgelegt. Nach dieser Ausführungsform ist der Außendurchmesser der Lamellen 51 in einer Reihe der Röhren 5, die am weitesten stromauf des Brenngasdurchlasses 11 liegen, kleiner (2). Weil das Fluid in den Röhren am stromauf gelegenen Ende des Brenngasdurchlasses 11 eine hohe Temperatur aufweist, wird der Oberflächenbereich der Lamellen 51 kleiner gemacht, um die Wärmeerzeugung zu begrenzen, so dass die Lamellen 51 und die Röhren 5 nicht mehr als nötig erwärmt werden.
Es wird bevorzugt, dass die Anzahl der Röhren 5 in jeder Reihe in Richtung des stromab gelegenen Endes steigt. Dies ist so, weil sich das flüssige Fluid ausdehnt, wenn es erhitzt wird und in einen Dampf verwandelt wird, und der Druckverlust groß wird, solange nicht der gesamte Querschnittsbereich groß ist. wenn die einzelnen Röhren 5 abwechselnd so angeordnet sind, dass sie zwischen Röhren der benachbarten Reihe angeordnet sind, wird die effektive Länge des Brenngasdurchlasses 11 länger, was die Wärmeaustauscheffizienz verbessert.
Der Temperaturerfasser bzw. Temperaturdetektor 8, der erfasst, ob das Verbrennungsabgas an einer Taupunkttemperatur ist oder nicht, ist an der Rohrwand des Abgasanschlusses 13 des Brenngasdurchlasses 11 vorgesehen. Der Temperaturdetektor 8 ist so ausgelegt, dass er die Tempe ratur des Verbrennungsabgases in der Umgebung des Auslasses des Brenngasdurchlasses erfasst.
Ein bekannter Temperatursensor kann als der Temperaturdetektor 8 genutzt werden, und der Temperaturdetektor 8 kann auf der Oberfläche der Lamelle 51 vorgesehen sein, die im Brenngasdurchlass 11 an der untersten Position angeordnet ist, um die Oberflächentemperatur der Lamelle 51 zu erfassen, anstatt ihn an der Rohrwand des Abgasanschlusses 13 vorzusehen.
In dieser Ausführungsform steuert die Steuereinheit 6 die Zuführrate des Verbrennungsunterstützungsgases auf der Grundlage des Ergebnisses der Erfassung. Das Steuerverfahren wird nachstehend mit Bezug auf die 3A, 3B und 4 beschrieben.
3A ist ein Schaubild, das die Beziehung zwischen der Flussrate des Verbrennungsunterstützungsgases und der Zeit zeigt, und 3B ist ein Schaubild, das die Beziehung zwischen der Temperatur des Abgases und der Zeit zeigt.
In der katalytischen Verbrennungsheizung 60 ist die Strömungsrichtung des Fluids entgegengesetzt der Strömungsrichtung des Brenngases. Die Temperatur des Fluids ist in Richtung des stromab gelegenen Endes des Brenngasdurchlasses, d. h. in der Nähe des Abgasanschlusses 13, niedriger. Dies verursacht, dass das Verbrennungsabgas die Röhren 5 berührt, wo kühleres Fluid fließt, was es ermöglicht, effizient die Wärme in dem Abgas zurückzugewinnen, was eine hohe Wärmeaustauscheffizienz sichert.
Eine beträchtliche Menge von Dampf, der durch die Oxidationsreaktion des brennbaren Gases im stromauf gelegenen Ende erzeugt wird, kann in der Umgebung des Abgas anschlusses 13 kondensieren, wo das Fluid mit Niedertemperatur bereitgestellt wird, und kann die Oberfläche des Katalysators bedecken, wodurch er den Kontakt des brennbaren Gases mit dem Katalysator stört. In dieser Ausführungsform erhöht daher, wie in 3 gezeigt, die Steuereinheit die Zuführrate des Verbrennungsunterstützungsgases, um die Temperatur des Abgases zu erhöhen, wenn die Temperatur des Verbrennungsabgases, die vom Temperaturdetektor 8 erfasst wird, niedriger als die Taupunkttemperatur wird (Zeitpunkt a in 3).
4 ist ein Ablaufplan, der den Betrieb der katalytischen Verbrennungsheizung 60 veranschaulicht.
Der Temperaturdetektor 8 erfasst die Temperatur des Verbrennungsabgases (Schritt S1) und die Steuereinheit 6 bestimmt, ob die Temperatur T niedriger als eine Taupunkttemperatur Ta ist, die durch die Zusammensetzung des Brenngases bestimmt wird (die Taupunkttemperatur wird auf der Grundlage der Menge von Dampf berechnet, die durch die Verbrennung des brennbaren Gases erzeugt wird) (Schritt S2).
Wenn T < Ta im Schritt S2 erfüllt ist, gibt die Steuereinheit 6 ein Steuersignal an die Verbrennungsunterstützungsgaszuführeinheit 4 aus, um die Zuführrate des Verbrennungsunterstützungsgases um eine vorab bestimmte Menge zu erhöhen (S3). Dies erhöht die Gasströmungsrate, was die Übertragungsrate der Wärme, die auf den Oberflächen der Lamellen 51 erzeugt wird, an das Brenngas oder das Verbrennungsabgas erhöht. wenn T < Ta im Schritt S2 nicht erfüllt ist, geht das Programm zum Schritt S1.
Die Temperaturerfassung 8 erfasst die Temperatur des Verbrennungsabgases (Schritt S4). Die Steuereinheit 6 bestimmt, ob T ≥ Ta (Schritt S5).
Wenn T ≥ Ta im Schritt S5 nicht erfüllt ist, geht das Programm zum Schritt S3. Das heißt, da die Steuereinheit 6 das Erhöhen der Zuführrate des Verbrennungsunterstützungsgases im Schritt S3 wiederholt, wird die Gastemperatur am stromab gelegenen Ende des Brenngasdurchlasses 11 auf oder über die Taupunkttemperatur Ta (zum Beispiel 73°C, oder eine Temperatur, bei der in Wasserstoffgas enthaltenes Wasser kondensiert) erhöht wird.
Wenn T ≥ Ta im Schritt S5 erfüllt ist, gibt die Steuereinheit 6 ein Steuersignal an die Verbrennungsunterstützungsgaszuführeinheit 4 aus, um die derzeitige Zuführrate des Verbrennungsunterstützungsgases zu halten (Schritt S6). Wenn die Temperatur des Verbrennungsabgases weiter als notwendig erhöht wird, fällt die Wärmeübertragungseffizienz. Daher steuert die Steuereinheit 6 die Zuführrate des Verbrennungsunterstützungsgases so, dass die Temperatur T, die vom Temperaturdetektor 8 erfasst wird, etwas höher als die Taupunkttemperatur Ta wird.
Nach dieser Ausführungsform fällt die Temperatur des Verbrennungsabgases, wie vorstehend beschrieben, um den Dampf am Kondensieren zu hindern, selbst wenn der katalysatortragende Wärmetauscher 1 so aufgebaut ist, dass die Strömungsrichtung des Fluids entgegen der Strömungsrichtung des Brenngases ist. Dies verhindert, dass der Katalysator inaktiv wird, was dazu führen würde, dass unverbranntes Gas abgegeben würde. Dies erhöht die Verlässlichkeit und sichert eine hohe Wärmeübertragungseffizienz.
(Zweite Ausführungsform)
Eine zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird nachstehend beschrieben.
5 ist ein Schaubild, das eine katalytische Verbrennungsheizung 70 nach der zweiten Ausführungsform zeigt.
Die katalytische Verbrennungsheizung 70 weist den katalysatortragenden Wärmetauscher 1, die Steuereinheit 6 und einen NO_x-Detektor 9 auf. Der grundlegende Aufbau dieser Ausführungsform ist im Wesentlichen derselbe wie jener der ersten Ausführungsform, außer dass der NO_x-Detektor 9 anstelle des Temperaturdetektors 8 der ersten Ausführungsform genutzt wird. Nachstehend wird hauptsächlich der Unterschied beschrieben.
In dieser Ausführungsform ist die Strömungsrichtung des Fluids dieselbe wie die des Brenngases, und der Brenngaszuführabschnitt 2 ist auf der rechten Seite des katalysatortragenden Wärmetauschers 1 vorgesehen. Das Brenngas fließt in dem Brenngasdurchlass 11 in 5 von rechts nach links.
Die Anzahl der Lamellen 51 wird für die Röhren 5 auf der stromauf gelegenen Seite (in 5 nach rechts) erhöht. In dieser Ausführungsform wird die Wärme von der Flüssigkeit bei niederer Temperatur absorbiert, selbst wenn eine beträchtliche Wärmemenge vom brennstoffreichen Gas erzeugt wird, so dass die Flüssigkeit effizient erwärmt werden kann, weil die Strömungsrichtung des Fluids. dieselbe wie die des Brenngases ist.
Nach dem Aufbau der katalytischen Verbrennungsheizung 70 ist die Temperatur des Fluids an einem Ort um so höher, je näher der Ort am Abgasanschluss 13 ist, was die Wahrscheinlichkeit verringert, dass die Aktivierung des Katalysators durch Kondensation von Dampf im Verbrennungsabgas herabgesetzt wird. Der Aufbau ist jedoch so, dass, wenn eine Flamme des katalysatortragenden Wärmetauscher 1 durch eine partielle Erhöhung der Konzentration des brennbaren Gases im Brenngas oder Ähnlichem erzeugt wird, die Flamme nicht leicht erfasst wird.
In dieser Ausführungsform ist daher der NO_x-Detektor 9, der ein Stickoxid (NO_x) im Verbrennungsabgas erfasst, an der Leitungswand des Abgasanschlusses 13 des Brenngasdurchlasses 11 vorgesehen. Auf der Grundlage des Ergebnisses vom NO_x-Detektor 9 steuert die Steuereinheit 6 die Zuführraten der Gase. Wenn eine Flamme im katalysatortragenden wärmetauscher 1 erzeugt wird, wird NO_x erzeugt, das bei einer normalen katalytischen Verbrennung nicht erzeugt wird. Es ist möglich, aufgrund dessen, ob NO_x erzeugt wurde oder nicht, zu erfassen, ob eine Flamme erzeugt wurde. Ein bekannter NO_x-Sensor 43 wird als der NO_x-Detektor 9 genutzt.
Das Steuerverfahren der katalytischen Verbrennungsheizung 70 wird nachstehend beschrieben.
6A ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen einem NO_x Erfassungssignal, das vom NO_x Detektor 9 erfasst wird, und der zeit zeigt, 6B ist ein Schaubild, das die Beziehung zwischen der Zuführrate des Verbrennungsunterstützungsgases und der Zeit zeigt, und 6C ist ein Schaubild, das die Beziehung zwischen der Zuführrate des Brennstoffs und der Zeit zeigt. Hier wurden die Zuführrate des brennbaren Gases (Brennstoffs) von der Brennstoffzuführeinheit 3 und die Zuführrate des Verbrennungsunterstützungsgases von der Verbrennungsunterstützungsgaszuführeinheit 4 in Übereinstimmung mit der Art des Brennstoffs, der Form des Wärmetauschers usf. vorab bestimmt, wie in den 6B und 6C gezeigt.
7 ist ein Ablaufplan, der den Betrieb der katalytischen Verbrennungsheizung 70 zeigt.
Wie in dem Ablaufplan in 7 veranschaulicht, verursacht die Steuereinheit 6, dass der NO_x-Detektor 9 NO_x erfasst (Schritt S11). Aus dem NO_x-Erfassungssignal, das dem NO_x entspricht, das vom NO_x-Detektor 9 erfasst wird, bestimmt die Steuereinheit 6, ob die NO_x-Konzentration größer als 0 ist (Schritt S12).
Wenn NO_x erfasst wird, erhöht die Steuereinheit 6 die Zuführrate des Verbrennungsunterstützungsgases (hier auf die maximale Menge), um das Brenngas magerer zu machen (Schritt S13). Dies tritt in 6B zur Zeit b auf. Wie in 6A gezeigt, fällt die NO_x-Konzentration nach einer bestimmten Zeit, die vom Zeitpunkt b verstrichen ist, da es schwierig ist, die Flammenverbrennung in einem mageren Gas aufrecht zu erhalten.
Als Nächstes wird die NO_x-Konzentration erneut erfasst (Schritt S14). Die Steuereinheit 6 bestimmt, ob die NO_x-Konzentration größer als 0 ist (Schritt S15). Wenn die NO_x-Konzentration größer als 0 ist, wird die Zuführrate des Brennstoffs verringert (Schritt S16). Dies tritt zur Zeit c in 6C auf. Da die Flammenverbrennung schwer aufrecht erhalten werden kann, wenn die Zuführrate des Brennstoffs absinkt, fällt die NO_x-Konzentration weiter, nachdem eine bestimmte Zeit seit dem Zeitpunkt c verstrichen ist.
Dann wird anschließend die Erfassung der NO_x-Konzentration durchgeführt (Schritt S17). Die Steuereinheit 6 bestimmt, ob die NO_x-Konzentration größer als 0 ist (Schritt S18). wenn die NO_x-Konzentration nicht größer als 0 ist, geht das Programm zum Schritt S11. Das heißt, die Schritte S11 bis S18 werden wiederholt. Wenn die NO_x- Konzentration größer als 0 ist, geht das Programm zum Schritt S16. Das heißt, die Schritte S16 bis S18 werden wiederholt, bis die NO_x-Konzentration 0 wird.
Nach dieser Ausführungsform wird die Erzeugung einer Flamme sofort erfasst, weil der NO_x-Detektor 9 NO_x erfasst, und eine abnorme Verbrennung wird durch Steuern der Zuführrate des Verbrennungsunterstützungsgases oder des brennbaren Gases entsprechend begrenzt. Diese Ausführungsform sichert daher eine stabile katalytische Verbrennung und verhindert, dass der Katalysator aufgrund einer hohen Temperatur schlechter wird. Dies verbessert die Verlässlichkeit der Heizung. Das Steuerverfahren für die Zuführraten des brennbaren Gases und des Verbrennungsunterstützungsgases ist nicht auf das in 6 veranschaulichte begrenzt. Das brennbare Gas kann verringert oder seine Zufuhr gestoppt werden, sobald NO_x erfasst wird.
Das Steuerverfahren der zweiten Ausführungsform, die den NO_x-Detektor 9 nutzt, kann an eine katalytische Verbrennungsheizung angepasst werden, die einen Aufbau aufweist, in der die Strömungsrichtung des Fluids der des Brenngases entgegengesetzt ist. In diesem Fall ist es wahrscheinlich, dass die Lamellen 51 und die Röhren 5 heiß werden, und es ist wahrscheinlich, dass eine Flamme erzeugt wird, da das Hochtemperaturfluid am stromauf gelegenen Ende des Brenngasdurchlasses 11 fließt, wo das Gas mit hoher Konzentration bereitgestellt wird. Das Vorsehen des NO_x-Detektors 9 verhindert daher eine abnorme Verbrennung effektiv. Weiterhin kann die erste Ausführungsform natürlich mit dem Aufbau der zweiten Ausführungsform kombiniert werden. In diesem Fall werden die Verhinderung der Kondensation von Dampf und die Verhinderung einer Flammenverbrennung zur gleichen Zeit erreicht, was die katalytische Leistung weiter verbessert.
(Dritte Ausführungsform)
8A ist ein Schaubild, das dem katalysatortragenden Wärmetauscher 1 einer katalytischen Verbrennungsheizung 80 nach einer dritten Ausführungsform zeigt. 8B ist ein Schaubild, das einen Schnitt zeigt, wenn der katalysatortragende Wärmetauscher 1, der in 8A gezeigt wird, entlang der Linie B-B geschnitten wird.
Die katalytische Verbrennungsheizung 80 weist den katalysatortragenden Wärmetauscher 1, die Steuereinheit 6, den Temperaturdetektor 8 und einen Widerstand 17 auf. Der grundlegende Aufbau dieser Ausführungsform ist im Wesentlichen derselbe wie jener der vorstehend beschriebenen ersten Ausführungsform, und nachstehend werden hauptsächlich die Unterschiede beschrieben.
In dieser Ausführungsform ist der Brenngaszuführabschnitt 2, der das brennbare Gas mit dem Verbrennungsunterstützungsgas mischt, nicht vorgesehen, und ein Verbrennungsunterstützungsgaszuführanschluss 14 ist mit der (nicht gezeigten) Verbrennungsunterstützungsgaszuführeinheit auf der linken Seite des Brenngasdurchlasses 11 verbunden.
Wie in 8B gezeigt, wird das brennbare Gas von einem Abschnitt zum Zuführen brennbaren Gases 15 über eine Vielzahl von Brennstoffzuführanschlüssen 16 in den Brenngasdurchlass 11 verteilt, der auf der Seite des katalysatortragenden Wärmetauschers 1 vorgesehen ist, und fließt zum Abgasanschluss 13, wobei es mit dem Verbrennungsunterstützungsgas gemischt wird. Nach dieser Ausführungsform fließt das Brenngas in dem Brenngasdurchlass 11 in eine Richtung entgegen der Strömungsrichtung des Fluids (das Gas fließt in der Fig. von links nach rechts).
Drei Reihen 5A bis 5C von Röhren 5 werden im Brenngasdurchlass 11 gebildet. Brennstoffzuführanschlüsse 16, deren Anzahl vorab bestimmt wird, werden auf der stromauf gelegenen Seite der am weitesten stromaufwärts gelegenen Röhrenreihe 5A und auf der stromauf gelegenen Seite der am weitesten stromabwärts gelegenen Röhrenreihe 5C gebildet (8A). Die (nicht gezeigte) Zuführeinheit für brennbares Gas ist mit dem linken Ende des Abschnitts 15 zum Zuführen des brennbaren Gases verbunden. Die Drossel 17 ist ein Ventilteil, das im Abschnitt 15 zum Zuführen brennbaren Gases angeordnet ist. Wenn die Steuereinheit 6 die Ventilposition ändert, wird die Flussrate des brennbaren Gases angepasst, das über die stromab gelegenen Brennstoffzuführanschlüsse 16 der am weitesten stromab gelegenen Röhrenreihe 5C zugeführt wird. Der Ventilwinkel des Widerstands 17 wird von der Steuereinheit 6 auf der Grundlage der Temperatur des Verbrennungsabgases gesteuert, die von dem Temperaturdetektor 8 im Abgasanschluss 13 erfasst wird.
Das Steuerverfahren für die Flussrate des brennbaren Gases in dieser Ausführungsform wird nun beschrieben.
9A ist ein Schaubild, das die Beziehung zwischen der Flussrate des brennbaren Gases auf der stromab gelegenen Seite und der Zeit zeigt, und 9B ist ein Schaubild, das die Beziehung zwischen der Temperatur des Abgases und der Zeit zeigt. In der ersten Ausführungsform wird die Zuführrate des Verbrennungsunterstützungsgases erhöht, um die Temperatur des Abgases zu erhöhen, wenn die Temperatur des Verbrennungsabgases, die vom Temperaturdetektor 8 erfasst wird, niedriger als die Taupunkttemperatur wird (Zeit a in 3B). In dieser Ausfüh rungsform wird die Menge des brennbaren Gases, das am stromab gelegenen Ende des Brenngasdurchlasses 11 zugeführt wird, erhöht, um die Temperatur des Abgases zu erhöhen, wenn die Temperatur des Verbrennungsabgases, die vom Temperaturdetektor 8 erfasst wird, niedriger als die Taupunkttemperatur wird (zeit a in 9B).
10 ist ein Ablaufplan, der den Betrieb der katalytischen Verbrennungsheizung 80 veranschaulicht.
Der Temperaturdetektor 8 erfasst die Temperatur des Verbrennungsabgases (Schritt S21). Die Steuereinheit 6 bestimmt, ob die Temperatur T niedriger als die Taupunkttemperatur Ta ist, die durch die Zusammensetzung des Brenngases bestimmt wird (die Taupunkttemperatur wird auf der Grundlage des durch die Verbrennung des brennbaren Gases erzeugten Dampfes berechnet) (Schritt S22).
Wenn T < Ta im Schritt S22 erfüllt ist, gibt die Steuereinheit 6 ein Steuersignal an den Widerstand 17 aus, um die Zuführrate des brennbaren Gases in Richtung der am weitesten stromabwärts gelegenen Röhrenreihe 5C um eine vorab bestimmte Menge zu erhöhen, indem der Winkel des Ventils erhöht wird (Schritt S23). Dies erhöht die Oxidationsreaktion in der am weitesten stromab gelegenen Röhrenreihe 5C, was die auf den Oberflächen der Lamellen 51 erzeugte Wärmemenge steigert. Wenn T < Ta im Schritt S22 nicht erfüllt ist, geht das Programm zum Schritt S21.
Der Temperaturdetektor 8 erfasst die Temperatur des Verbrennungsabgases (Schritt S24). wenn T ≥ Ta im Schritt S25 nicht erfüllt ist, geht das Programm zum Schritt S23. Da der Vorgang des Steigerns der Zuführrate des brennbaren Gases auf der stromab gelegenen Seite im Schritt S23 wiederholt wird, kann die Temperatur an den Oberflächen der Lamellen 51 am stromab gelegenen Ende des Brenngas durchlasses 11 während der Verbrennung des Brenngases auf oder über die Taupunkttemperatur Ta (z. B. 73°C für Wasserstoff) erhöht werden.
Wenn T ≥ Ta im Schritt S25 erfüllt ist, gibt die Steuereinheit 6 ein Steuersignal an den Widerstand 17, um die derzeitige Zuführrate des brennbaren Gases zu halten (Schritt S26).
Wenn die Oberflächentemperatur der Lamellen 51 auf der stromab gelegenen Seite höher als notwendig wird, steigt der Unterschied zwischen der Oberflächentemperatur des Katalysators und der Temperatur des Brenngases, was die Temperatur des Verbrennungsabgases erhöht. Dies verringert die gesamte Wärmeaustauscheffizienz der katalytischen Verbrennungsheizung 80. Um dies zu vermeiden, steuert die Steuereinheit 6 die Zuführrate des brennbaren Gases so, dass die Temperatur T, die vom Temperaturdetektor 8 erfasst wird, nahe der Taupunkttemperatur Ta liegt.
Nach dieser Ausführungsform kann wie vorstehend beschrieben das Problem einer Verringerung der Temperatur des Verbrennungsabgases, das auftritt, wenn die Strömungsrichtung des Fluids der Strömungsrichtung des Brenngases entgegengesetzt ist, überwunden werden, indem die Zuführrate des brennbaren Gases, das der stromab gelegenen Seite des Brenngasdurchlasses 11 zugeführt wird, von der Steuereinheit 6 gesteuert wird. Dies verhindert, das der Katalysator aufgrund einer Kondensation von Dampf inaktiv wird, was dazu führen würde, das unverbranntes Gas abgegeben würde. Diese Ausführungsform ist daher verläßlich und ergibt eine effiziente Wärmeübertragung.
Obwohl in dieser Ausführungsform drei Brennstoffzuführanschlüsse 16 stromauf der stromauf gelegenen Reihe 5A und stromauf der am weitesten stromab gelegenen Reihe 5C vorgesehen sind, ist die Anzahl der Brennstoffzuführanschlüsse 16 und deren Orte nicht so begrenzt, sondern kann wie notwendig so bestimmt werden, dass den einzelnen Reihen die nötige Menge von brennbarem Gas separat zugeführt werden kann.
(Vierte Ausführungsform)
11A ist ein Schaubild, das einen katalysatortragenden Wärmetauscher 1 zeigt, der eine katalytische Verbrennungsheizung nach einer vierten Ausführungsform ist. 11B ist ein Schaubild, das einen Querschnitt zeigt, wenn der katalysatortragende Wärmetauscher 1, der in 11A gezeigt ist, entlang der Linie C-C geschnitten wird.
Die katalytische Verbrennungsheizung nach der vierten Ausführungsform weist den katalysatortragenden Wärmetauscher 1 auf. Der Aufbau dieser Ausführungsform ist im Wesentlichen derselbe wie jener der vorstehend beschriebenen dritten Ausführungsform, abgesehen davon, dass die Steuereinheit, der Temperaturdetektor und die Drossel entfernt werden.
In dieser Ausführungsform ist beispielsweise die Drossel der dritten Ausführungsform nicht im Zuführabschnitt 15 für brennbares Gas vorgesehen. Die Durchflusswiderstände der Zuführanschlüsse 16a für brennbares Gas, die zum Zuführdurchlass für brennbares Gas in Richtung der stromauf gelegenen Seite des Brenngasdurchlasses 11 werden, und der Zuführanschlüsse 16b für brennbares Gas, die zum Zuführdurchlass für brennbares Gas in Richtung der stromab gelegenen Seite werden, erhalten spezifische Werte, und ihnen werden jeweils notwendige Mengen von brennbaren Gas zugeführt.
Insbesondere ist die Größe jedes der stromauf gelegenen Zuführanschlüsse 16a für brennbares Gas größer als die der stromab gelegenen Zuführansschlüsse 16b für brennbares Gas, um dem stromauf gelegenen Ende eine ausreichende Menge von brennbarem Gas zuzuführen, und der gesamte Querschnittsbereich der stromab gelegenen Zuführanschlüsse 16b für brennbares Gas wird so angepasst, dass er groß genug ist, um ausreichend brennbares Gas dafür zu liefern, dass die Oberflächen der Lamellen 51 der am weitesten stromab gelegenen Röhrenreihe 5C daran gehindert werden, nass zu werden, wenn die Heizung die minimale Leistung abgibt.
Mit dem vorstehend beschriebenen Aufbau werden beim minimalen Ausgangspegel der katalytischen Verbrennungsheizung die Durchgangswiderstände so angepasst, dass eine vorab bestimmte Menge oder mehr brennbares Gas über die Zuführanschlüsse 16b für brennbares Gas an die am weitesten stromabgelegene Röhrenreihe 5C zugeführt wird. Es ist daher möglich, aufgrund der von der Oxidationsreaktion erzeugten Wärme die Oberflächen der Lamellen 51 auf der oder höher als die Taupunkttemperatur zu halten und Dampf am Kondensieren zu hindern.
Wenn die Abgabe hoch ist, steigt die Flussrate im Zuführabschnitt 15 für brennbares Gas, so dass mehr Brennstoff von den stromauf gelegenen Zuführanschlüssen 16a für brennbares Gas an die am weitesten stromauf gelegene Röhrenreihe 5A geliefert wird. Die Wärme, die nicht an die stromauf gelegenen Röhren 5 übertragen wird, wird vom Brenngas getragen und an die stromab gelegenen Röhren 5 übertragen, was die Temperatur der stromab gelegenen Röhrenreihe 5C erhöht. Dies verhindert, dass die Oberfläche des Katalysators nass wird.
Wie aus dem Vorstehenden klar wird, hält diese Ausführungsform die Temperatur der Oberflächen der stromab gelegenen Röhren 5 auf oder über der Taupunkttemperatur, ohne die Temperatur zu erfassen oder die Zuführrate des brennbaren Gases anzupassen. Es ist daher möglich, die Anzahl von Teilen zu verringern, die Steuerung zu vereinfachen, die Kosten zu verringern und die Effizienz der katalytischen Verbrennungsheizung zu verbessern.
(Fünfte Ausführungsform)
12A ist ein Schaubild, das eine katalytische Verbrennungsheizung 100 nach einer fünften Ausführungsform zeigt. Die katalytische Verbrennungsheizung 100 weist einen katalysatortragenden Wärmetauscher 101, eine Steuereinheit 106 und einen Temperaturdetektor 107 auf. 12B ist ein Schaubild, das einen Schnitt zeigt, wenn der katalysatortragende Wärmetauscher 101, der in 12A gezeigt ist, entlang der Linie D-D geschnitten wird.
Das Innere des zylindrischen katalysatortragenden Wärmetauschers 101, dessen beide Enden offen sind, ist der Durchlass 111 für das Brenngas. Das Brenngas enthält die Mischung von brennbarem Gas und Verbrennungsunterstützungsgas. Wasserstoff, Methanol oder Ähnliches wird beispielsweise als das brennbare Gas genutzt, und Luft wird beispielsweise als das Verbrennungsunterstützungsgas genutzt.
Der katalysatortragende Wärmetauscher 101 weist einen Verbrennungsunterstützungsgaszuführdurchlass 112 auf, der in den 12A und 12B auf der linken Seite vorgesehen ist, und einen Abgasanschluss 113, der in den 12A und 12B auf der rechten Seite vorgesehen ist. Das Brenngas fließt in den 12A und 12B im Brenngasdurchlass 111 von links nach rechts.
Wie in 12B gezeigt, wird ein Zuführabschnitt 105 für brennbares Gas zum Verteilen des Brennstoffs auf der Seite des katalysatortragenden Wärmetauschers 101 gebildet.
Im Brenngasdurchlass 111 erstreckt sich eine Vielzahl von Röhren 102, in denen das Fluid fließt, senkrecht zum Fluss des Brenngases (in senkrechter Richtung in 12A), und diese sind in Reihen parallel zueinander im Strömungsweg des Brenngases angeordnet (12B).
In diesem Beispiel werden drei Reihen 102A bis 102C von Röhren 102 gebildet. Eine Vielzahl von ringförmigen Lamellen 121 sind durch Löten oder Ähnliches integriert mit den äußeren Oberflächen jeder Röhre 102 verbunden. Ein Oxidationskatalysator wie Platin oder Palladium wird auf den äußeren Oberflächen der Lamellen 121 aufgetragen, wobei eine poröse Substanz wie Aluminiumoxid bzw. Tonerde als ein Träger dient.
Der Zuführabschnitt 105 für brennbares Gas weist eine Mehrzahl von Brennstoffzuführanschlüssen 151 auf, die in jeder der Reihen 102A bis 102C der Röhren 102 gebildet werden, um das brennbare Gas zu verteilen, dessen Menge dem Zustand des Fluids entspricht, das im Inneren der Röhren 102 fließt. Die Vielzahl von Zuführanschlüssen 151 für brennbares Gas geht durch die Seitenwand des katalysatortragenden Wärmetauschers 101 und sie sind gegenüber dem Inneren des Brenngasdurchlasses 111 offen (12B).
Brenngaszuführanschlüsse 151, deren Anzahl vorab festgelegt wird, werden auf der stromauf gelegenen Seite der Reihen 102A bis 102C der Röhren 102 gebildet (12A). Die notwendigen Mengen des brennbaren Gases für die jeweiligen Reihen werden den Reihen separat zugeführt.
Die Anzahl der Zuführanschlüsse 151 für brennbares Gas, die zu jeder der Reihen 102A bis 102C gehören, wird bestimmt, um die notwendige Menge von brennbarem Gas in Übereinstimmung mit dem Zustand des Fluids in jeder Schicht zuzuführen. Da das Fluid einen hohen Wärmeübertragungskoeffizienten aufweist, wenn es kocht, und eine große Menge von Wärme benötigt, um aus einer Flüssigkeit zu verdampfen, werden mehr Zuführanschlüsse 151 für brennbares Gas stromauf der mittleren Reihe 102B gebildet, in der das Fluid kocht, als bei den anderen Reihen.
Eine Zuführeinheit 152 für brennbares Gas ist mit einem Ende (dem linken Ende in 12B) des Zuführabschnitts 105 für brennbares Gas verbunden. Der Temperaturdetektor 107 ist im Abgasanschluss 113 des Brenngasdurchlasses 111 angeordnet. Die Flussratensteuereinheit 106, welche die Flussrate auf der Grundlage der Temperatur des Verbrennungsabgases steuert, die vom Temperaturdetektor 107 erfasst wird, steuert die Flussrate des brennbaren Gases, das dem Zuführabschnitt 105 für brennbares Gas zugeführt wird. Die Flussratensteuereinheit 106 steuert auch die Flussrate des Verbrennungsunterstützungsgases, das dem Zuführdurchlass 112 für Verbrennungsunterstützungsgas durch eine Zuführeinheit 114 für Verbrennungsunterstützungsgas zugeführt wird.
Die Röhren 102, welche die stromab gelegene Reihe 102A bilden, werden durch Fluidbehälter 131 und 132 zusammengekoppelt, die an beiden Enden vorgesehen sind (12A).
In ähnlicher Weise ist die mittlere Reihe 102B mit Fluidbehältern 132 und 133 gekoppelt, die stromab gelege ne Reihe 102C ist mit Fluidbehältern 133 und 134 gekoppelt, eine Einlassleitung 141 für das Fluid ist mit dem Fluidbehälter 134 gekoppelt und eine Einlassleitung 142 ist mit dem Fluidbehälter 131 gekoppelt. Dies bildet den Durchlass für das Fluid, das, wie durch die Pfeile in der 12A gezeigt, die Richtung im Brenngasdurchlass 111 vom stromab gelegenen Ende zum stromauf gelegenen Ende wechselt.
Beispielsweise ist Wasser das Fluid, und es wird von der Oxidationsreaktionswärme des Brenngases auf eine hohe Temperatur beheizt, während es durch diesen Durchlass fließt, und das Wasser wird durch Kochen verdampft. Hier werden die Flussrate, die erzeugte Wärmemenge usw. so gesteuert, dass beispielsweise das Fluid in der stromab gelegenen Reihe 102C flüssig ist, in der mittleren Reihe 102B kocht und in der stromauf gelegenen Reihe 102A Dampf ist. Das Fluid wird von der vorstehend erwähnten Fluidzuführeinheit 108 in die Einlassleitung 141 geführt, und seine Flussrate wird von der Flussratensteuereinheit 106 gesteuert.
Der Abstand der Lamellen 121 auf den äußeren Oberflächen der Röhren 102 ist in der mittleren Reihe 102B, wo das innen fließende Fluid kocht und eine große Wärmemenge benötigt, kleiner als in den anderen Reihen (12A), so dass die Wärmeerzeugungsfläche der mittleren Reihe 102B vergleichsweise groß ist.
In der stromauf gelegenen Reihe 102A, in der das Hochtemperaturfluid fließt, ist die Größe der Röhren 102 klein, um eine Überhitzung der Lamellen 121 und Röhren 102 zu verhindern. Obwohl die Größe und die Anzahl der Röhren 102 jeder Reihe hier identisch sind, können sie je nach der für das Fluid in den Röhren 102 benötigten wärme verändert werden.
In dem vorstehend beschriebenen Aufbau wird das Verbrennungsunterstützungsgas vom Verbrennungsunterstützungsgaszuführdurchlass 112 dem Brenngasdurchlass 111 zugeführt, mit dem brennbaren Gas gemischt, das vom Zuführabschnitt 105 für das brennbare Gas über die Vielzahl von Zuführanschlüssen 151 für brennbares Gas zugeführt wird, und den einzelnen Reihen von Röhren 102 zugeführt. Dann verursacht es eine Oxidationsreaktion mit dem Katalysator auf den Lamellen 121 und fließt in den 12A und 12B von links nach rechts in Richtung des Abgasanschlusses 113, während es katalytisch verbrannt wird. Die Flussraten des Verbrennungsunterstützungsgases und des brennbaren Gases werden von der Flussratensteuereinheit 106 gesteuert und die Heizung wird schnell aktiviert, indem insbesondere die Flussrate des brennbaren Gases auf der Grundlage der Temperatur des Verbrennungsabgases in der vorliegenden Erfindung gesteuert wird.
Das Steuerverfahren für die Flussraten des Verbrennungsunterstützungsgases und des brennbaren Gases durch die Flussratensteuereinheit werden nun mit Bezug auf die 13A bis 13D und die 14 beschrieben.
13A ist ein Schaubild, das die Beziehung zwischen der Temperatur des Verbrennungsunterstützungsgases und der Zeit zeigt, 13B ist ein Schaubild, das die Beziehung zwischen der Flussrate des Verbrennungsunterstützungsgases und der Zeit zeigt, 13C ist ein Schaubild, das die Beziehung zwischen der Flussrate des Fluids und der Zeit zeigt, und 13D ist ein Schaubild, das die Beziehung zwischen der Flussrate des brennbaren Gases und der Zeit zeigt. 14 ist ein Ablaufplan, der den Betrieb der katalytischen Verbrennungsheizung 100 veranschaulicht.
In dieser Ausführungsform verringert die Flussratensteuereinheit 106 die Flussrate des brennbaren Gases, bis die Temperatur des Verbrennungsabgases, die vom Temperaturdetektor 107 erfasst wird, eine vorab bestimmte Temperatur überschreitet, und erhöht die Flussrate des brennbaren Gases auf eine festgelegte Größe, wenn die Temperatur des Verbrennungsabgases die vorab bestimmte Temperatur überschreitet.
Insbesondere wird, wie in 14 gezeigt, die katalytische Verbrennungsheizung 100 aktiviert (Schritt S31). Der Flussratensteuerabschnitt 106 steuert die Heizung so, dass nur eine festgelegte Menge von Verbrennungsunterstützungsgas zugeführt wird (Schritt S32) und führt gleichzeitig das brennbare Gas zu (Schritt S33).
Zu dieser Zeit ist es wünschenswert, dass die Flussratensteuereinheit 106 die Zuführrate des brennbaren Gases so steuert, dass die Zuführraterate im Vergleich zur Flussrate des brennbaren Gases niedrig ist, und insbesondere legt die Steuereinheit 106 das Verhältnis der Flussrate des brennbaren Gases zur Flussrate des Verbrennungsunterstützungsgases auf weniger als 4%, bevorzugt ungefähr 1% fest. Wenn das Verhältnis des brennbaren Gases zum Verbrennungsunterstützungsgas ungefähr 1% ist, tritt kein Feuer auf, selbst wenn unverbranntes Gas, das am stromauf gelegenen Ende des Brenngasdurchlasses 111 noch nicht reagiert hat, am stromab gelegenen Ende schnell reagiert, weil das Verhältnis ausreichend weit unter der Zündgrenze von 4% ist.
Diese Ausführungsform weist einen Aufbau auf, in der eine Vielzahl von Zuführanschlüssen 151 für brennbares Gas vorgesehen sind, um separat das brennbare Gas zuzuführen, und eine gegebene Rate von brennbarem Gas wird dem stromab gelegenen Ende zugeführt. Wenn die Flussrate des brennbaren Gases ausreichend klein ist, ist der Einfluss der kinetischen Energie des brennbaren Gases sehr klein, so dass das Verhältnis des brennbaren Gases, das aus den Zuführanschlüssen 151 für brennbares Gas am stromauf gelegenen Ende des Brenngasdurchlasses 111 fließt, vergleichsweise hoch ist. Daher fließt das brennbare Gas vom stromauf gelegenen Ende unter allmählicher Reaktion zum stromab gelegenen Ende, so dass kein extremes Durchblasen des brennbaren Gas auftritt.
Am stromab gelegenen Ende des Brenngasdurchlasses 111 erfasst der Temperaturdetektor 107 die Verbrennungsabgastemperatur T in der Nähe des Abgasanschlusses 113, wenn notwendig (Schritt S34). Die Flussratensteuereinheit 106 bestimmt, ob die erfasste Verbrennungsabgastemperatur T steigt (Schritt S35). Insbesondere wird im Schritt S35 bestimmt, ob die erfasste Verbrennungsabgastemperatur T eine Verbrennungsabgastemperatur Tb überschritten hat. wenn die Verbrennungsabgastemperatur T gestiegen ist, geht das Programm zum Schritt S36. Wenn die Verbrennungsabgastemperatur T nicht gestiegen ist, geht das Programm zum Schritt S34. In anderen Worten wird dies wiederholt, bis eine Erhöhung der erfassten Verbrennungsabgastemperatur T bestätigt wird.
Beispielsweise beginnt, wie in 13A gezeigt, die Verbrennungsabgastemperatur T zur zeit a damit, zu steigen, und steigt zur Zeit b schnell. Dann wird bestimmt, ob die erfasste Verbrennungsabgastemperatur T die Verbrennungsabgastemperatur Tb überschritten hat. Wenn die Verbrennungsabgastemperatur T die Verbrennungsabgastemperatur Tb überschritten hat, d. h., wenn im Schritt S35 bestimmt wird, dass die Verbrennungsabgastemperatur T steigt, steuert die Flussratensteuereinheit 106 die Zuführrate des Fluids so, dass sie der festgelegten Rate entspricht (Schritt S36), und erhöht zur gleichen Zeit die Flussrate des brennbaren Gases auf die festgelegte Menge (Schritt S37).
Wenn die Menge des brennbaren Gases mit Bezug auf die Menge des Verbrennungsunterstützungsgases klein, 1%, ist, kann eine Erhöhung der Temperatur des Verbrennungsabgases nicht klar bestätigt werden, bis das brennbare Gas vollständig oxidiert ist. D. h., wenn die Temperatur des Verbrennungsabgases eindeutig zu steigen beginnt, ist es möglich, dass das zugeführte brennbare Gas vollständig oxidiert wurde, und ein Teil des Katalysators die Aktivierungstemperatur erreicht hat.
Wenn bei der katalytischen Verbrennung die Katalysatortemperatur auf ungefähr 60% der Temperatur für das vollständige Oxidieren des brennbaren Gases steigt, dessen Menge dem Reaktionsbereich entspricht, wird die Reaktion danach in Übereinstimmung mit einer Erhöhung des Brennstoffes aktiv. Wie in den 13C bis 13D gezeigt, werden daher die Flussraten des Fluids und des brennbaren Gases zur Zeit b auf die festgelegten Mengen erhöht, und gleichzeitig wird die katalytische Verbrennung beschleunigt, um die Temperatur T des Verbrennungsabgases weiter zu erhöhen. Nach der Zeit c läßt, wie in 13A gezeigt, die Temperaturerhöhung nach, die Verbrennung ist stabilisiert, die Temperatur des Verbrennungsabgases wird im Wesentlichen konstant.
Wie aus dem Vorstehenden klar wird, kann der vorstehend beschriebene Aufbau den gesamten katalysatortragenden Wärmetauscher prompt aktiv machen, und die Heizung in einem kurzen Zeitabschnitt starten, wobei das Risiko eines Feuers oder Ähnliches vermieden wird. Weiterhin ist die Vielzahl von Zuführanschlüssen 151 für brennbares Gas vorgesehen, um separat das brennbare Gas dem katalysatortragenden Wärmetauscher zuzuführen, so dass die Menge des brennbaren Gases, das jedem Abschnitt zugeführt wird, dem Zustand des Fluids entspricht. Selbst wenn ein brennbares Gas, das eine vergleichsweise schnelle Reaktionsgeschwindigkeit aufweist, wie Wasserstoff, genutzt wird, werden die Lamellen 121 und die Röhren 102 nicht durch eine Steigerung der katalytischen Reaktion auf der stromauf gelegenen Seite des Brenngasdurchlasses 111 exzessiv erhitzt, was die Wahrscheinlichkeit eines Feuers oder Ähnliches verhindert. Weiterhin wird eine hocheffiziente Wärmeübertragung durch Abgeben der notwendigen Mengen von brennbarem Gas an die einzelnen Abschnitte erreicht.
(Sechste Ausführungsform)
15A ist ein Schaubild, das einen katalysatortragenden Wärmetauscher 101 zeigt, der eine katalytische Verbrennungsheizung 160 nach einer sechsten Ausführungsform ist. 15B ist ein Schaubild, das einen Querschnitt zeigt, wenn der katalysatortragende Wärmetauscher 101, der in 15A gezeigt ist, entlang der Linie E-E geschnitten ist.
In dieser Ausführungsform ist anstelle des Temperaturdetektors 107 der fünften Ausführungsform ein Detektor 109 für die Konzentration des brennbaren Gases im Abgasanschluss 113 des Brenngasdurchlasses 111 im katalysatortragenden Wärmetauscher 101 angeordnet. Dieser Aufbau ist im Wesentlichen derselbe wie jener der fünften Ausführungsform. Der Detektor 109 für die Konzentration von brennbarem Gas erfasst die Konzentration des brennbaren Gases im Verbrennungsabgas in der Umgebung des Abgasanschlusses 113, und die Flussratensteuereinheit 106, oder die Flussratensteuereinrichtung, steuert die Flussrate des brennbaren Gases, das dem Zuführabschnitt 105 für brennbares Gas bereitgestellt wird, auf der Grundlage des Erfassungsergebnisses.
Das Steuerverfahren für die Flussraten des Verbrennungsunterstützungsgases und des brennbaren Gases durch die obige Flussratensteuereinheit 106 werden nun mit Bezug auf die 16A bis 16D und die 17 beschrieben.
16A ist ein Schaubild, das die Beziehung zwischen der Konzentration des brennbaren Gases und der Zeit zeigt, 16B ist ein Schaubild, das die Beziehung zwischen der Flussrate des Verbrennungsunterstützungsgases und der Zeit zeigt, 16C ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen der Flussrate des Fluids und der Zeit zeigt und 16D ist ein Schaubild, das die Beziehung zwischen der Flussrate des brennbaren Gases und der Zeit zeigt. 17 ist ein Ablaufplan, der den Betrieb der katalytischen Verbrennungsheizung 160 veranschaulicht.
In dieser Ausführungsform steuert die Flussratensteuereinheit 106 die Flussrate des brennbaren Gases so, dass sie sehr niedrig ist, bis die Konzentration des brennbaren Gases, die vom Detektor 109 für die Konzentration des brennbaren Gases erfasst wird, unter einer vorab bestimmten Konzentration ist, und die Steuereinheit 106 erhöht die Flussrate des brennbaren Gases auf eine festgelegte Menge, wenn die Konzentration des brennbaren Gases unter der vorab bestimmten Konzentration liegt.
Insbesondere wird die katalytische Verbrennungsheizung 116 aktiviert (Schritt S41). Die Flussratensteuereinheit 106 steuert die Zuführrate des Verbrennungsunterstützungsgases so, dass eine festgelegte Menge von Verbrennungsunterstützungsgas zugeführt wird (Schritt S42) und gleichzeitig steuert die Steuereinheit 106 das brennbare Gas in einer Menge, die bei ungefähr 1% des Verbrennungsunterstützungsgases liegt (Schritt S43).
Auf der stromab gelegenen Seite des Brenngasdurchlasses 111 erfasst der Detektor 109 für die Konzentration des brennbaren Gases die Konzentration H des brennbaren Gases in der Nähe des Abgasanschlusses 113 (Schritt S44). Die Flussratensteuereinheit 106 bestimmt, ob die Konzentration H des brennbaren Gases fällt (Schritt S45). Wenn die Konzentration H des brennbaren Gases fällt, geht das Programm zum Schritt S46. Wenn die Konzentration H des brennbaren Gases nicht fällt, geht das Programm zum Schritt S44. In anderen Worten wird dies wiederholt, bis die Konzentration H des brennbaren Gases abrupt fällt.
Beispielsweise beginnt in 16A die Konzentration H des brennbaren Gases zu einer Zeit a zu fallen und bricht zur Zeit b abrupt ein. Es wird bestimmt, ob die erfasste Konzentration H des brennbaren Gases unter eine vorab bestimmte Konzentration des brennbaren Gases gefallen ist.
Wenn die erfasste Konzentration H des brennbaren Gases unter einem Referenzwert liegt, steuert die Flussratensteuereinheit 106 den Fluss des Fluids so, dass eine spezifizierte Menge des Fluids zugeführt wird (Schritt S46), und zur gleichen Zeit verursacht die Steuereinheit 106, dass eine festgelegte Menge des brennbaren Gases zugeführt wird (Schritt S47).
Wie aus dem vorstehenden klar wird, ist es möglich, zu bestimmen, dass das zugeführte brennbare Gas vollständig oxidiert wurde, und dass ein Teil des Katalysators die Aktivierungstemperatur erreicht hat, indem ein abruptes Abfallen der Konzentration H des brennbaren Gases erfasst wird. Daher schafft die Steuerung der Flussraten des Fluids und des brennbaren Gases basierend darauf, ob die Konzentration H des brennbaren Gases unter eine vorab bestimmte Konzentration gefallen ist oder nicht, den gleichen Vorteil des schnellen Aktivmachens des gesamten katalysatortragenden Wärmetauschers, was die Heizung in einem kurzen Zeitabschnitt aktiviert.
(Siebte Ausführungsform)
18 ist ein Schaubild, das einen katalysatortragenden Wärmetauscher 201 zeigt, der eine katalytische Verbrennungsheizung nach einer siebten Ausführungsform ist. 19 ist ein Schaubild, das einen Querschnitt zeigt, wenn der katalysatortragende Wärmetauscher 201, der in 18 gezeigt ist, entlang der Linie F-F geschnitten ist.
Die katalytische Verbrennungsheizung weist nach dieser Ausführungsform ein Gehäuse 251, einen Brenngaszuführabschnitt 252 und einen katalysatortragenden Wärmetauscher 201 auf, die integriert sind.
Das Gehäuse 251 ist ein Zylinder, der einen rechteckigen Querschnitt aufweist, dessen beide Enden offen sind. Das Gehäuse 251 weist einen mittleren Abschnitt 253 auf, der mehr als die Hälfte der Gesamtlänge einnimmt und gleiche Seitenlängen aufweist. Beide Endabschnitte 264 und 265 sind trapezoid bzw. pyramidenstumpfförmig und werden in Richtung der offenen Enden 212, 213 enger. Daher werden die Enden als trapezoide Abschnitte 264 und 265 bezeichnet.
Ein offenes Ende 212 des Gehäuses 251 wird ein Verbrennungsunterstützungsgaszuführanschluss 212 genannt. Ein Verbrennungsunterstützungsgas wie Luft wird durch das offene Ende 212 in das Gehäuse 251 eingeführt. Das andere offene Ende 213 des Gehäuses 251 wird als Abgasanschluss 213 bezeichnet. Das Verbrennungsabgas wird abgegeben, und ein Gasfluss, der sich vom Verbrennungsunterstützungsgaszuführanschluss 212 zum Abgasanschluss 213 erstreckt, wird im Gehäuse 251 gebildet.
Der Brenngaszuführabschnitt 252 weist eine Vielzahl von geschlossenen Röhrenabschnitten 271, die in der Nähe des trapezoiden Abschnitts 264 angeordnet sind, im Mittenabschnitt 253 des Gehäuses 251 auf. Die Röhrenabschnitte 271 sind in eine Richtung senkrecht zur Achse des Gehäuses 251 Seite an Seite angeordnet und verbinden die gegenüberliegenden Wände des Gehäuses 251 brückenartig. Die entfernten Enden der Röhren 271 stehen mit einem gemeinsamen Röhrenverbindungsabschnitt 273 in Verbindung, der an der äußeren Wandoberfläche des Gehäuses 251 vorgesehen ist.
Der Röhrenverbindungsabschnitt 273 ist mit einer Leitung 274 verbunden, um ein Brenngas wie Wasserstoff zuzuführen, so dass das Brenngas über den Röhrenverbindungsabschnitt 273 zu den einzelnen Röhrenabschnitten 271 verteilt wird. Jeder Röhrenabschnitt 271 weist eine Vielzahl von Einspritzanschlüssen 272 auf, die auf der Seite des Röhrenabschnitts gebildet werden, der dem Verbrennungsunterstützungsgaszuführanschluss 212 gegenüberliegt, und das Brenngas wird durch die Einspritzanschlüsse in Richtung des trapezförmigen Abschnitts 264 gegen den Fluss des Verbrennungsunterstützungsgases eingespritzt, das durch den Verbrennungsunterstützungsgaszuführanschluss 212 fließt. Das Verbrennungsunterstützungsgas und das Brenngas werden in der Umgebung der Einlassanschlüsse 272 gut gemischt. Die Gasmischung bildet einen gemischten Gasfluss, dessen stromauf gelegener Abschnitt in der Nähe der Einlassanschlüsse 272 ist. Die Mischung fließt stromab, wo der katalysatortragende Wärmetauscher 201 angeordnet ist.
Der katalysatortragende Wärmetauscher 201 weist eine Vielzahl von Röhren 202 auf, die näher am stromab gelegenen Ende des Gasflusses angeordnet sind als die Röhrenabschnitte 271 des Brenngaszuführabschnitts 2 im mittleren Abschnitt 253 im Gehäuse 251 und die gegenüberliegenden Wände des Gehäuses 251 brückenartig verbinden.
Die Vielzahl von Röhren 202 sind in Reihen in der Richtung der Achse des Gehäuses 251 angeordnet, und die einzelnen Reihen 203A, 203B und 203C der Röhren 202 sind Seite an Seite in einer Richtung senkrecht zur Achse des Gehäuses 251 und der Röhrenabschnitte 271 des Brenngaszuführabschnittes 2 angeordnet.
Die Reihen 203A, 203B und 203C der Röhren 202 werden durch Röhrenverbindungsabschnitte 234, 233, 232 und 231 verbunden, um einen einzigen Röhrendurchlass zu binden. Das Fluid, wie Wasser, wird dem Röhrenverbindungsabschnitt 234, der sich an einem Ende des einzelnen Röhrendurchlasses befindet, von einem Einlassdurchlass 241 zugeführt. Der Fluss des Fluids wird vom stromab gelegenen Ende des Gasflusses zum stromauf gelegenen Ende gerichtet, wie durch die Pfeile in den 18 und 19 gezeigt.
Das Fluid wird einem Auslassdurchlass 242 zugeführt, der mit dem Röhrenverbindungsabschnitt 231 in Verbindung steht, und fließt zum anderen Ende des einzelnen Röhrendurchlasses. Das Fluid wird zum Heizen oder ähnlich verwendet.
Eine Vielzahl von Lamellen 221, die einen Katalysatorabschnitt bilden, werden an den äußeren Oberflächen jeder Röhre 202 durch Löten oder Ähnliches befestigt. Die Lamellen 221 werden durch eine flache, ringförmige Platte gebildet, und ein Oxidationskatalysator wie Platin oder Palladium wird auf den äußeren Oberflächen der Lamellen getragen.
Der Außendurchmesser und die Anzahl der Lamellen 221 werden in Übereinstimmung mit der benötigten Wärmemenge für das Fluid, das in den verbundenen Röhren 202 fließt, festgelegt.
Im katalysatortragenden Wärmetauscher 201 fließt das Brenngas, das einen Teil einer Gasmischung bildet, in Richtung des Abgasanschlusses 253, während es durch die Wirkung des Oxidationskatalysators auf den Lamellen 221 eine katalytische Verbrennung erfährt. Die Verbrennungswärme, die von der katalytischen Verbrennung erzeugt wird, wird von den Lamellen 221 an die Röhren 202 übertragen, um das Fluid, das innerhalb fließt, über die Röhrenwände zu erwärmen. Das Abgas wird vom Abgasanschluss 213 abgegeben.
Die Vorwärtsrichtung des Fluids ist der Strömungsrichtung des Gases entgegengesetzt, und das Fluid, das in den Röhren 202 der Reihe 203A in der Nähe des Einlassanschlusses 241 fließt, weist eine niedrige Temperatur auf und empfängt effizient wärme vom Abgas, das eine vergleichsweise hohe Temperatur hat, unmittelbar bevor das Abgas vom Abgasanschluss 213 abgegeben wird. Wenn das Fluid zum stromauf gelegenen Ende des Gasflusses fließt, wird es erwärmt, und das Fluid, das in den Röhren 202 in der stromauf gelegenen Reihe 203c des Gasflusses fließt, wird am heißesten, was eine effiziente Wärmeübertragung gewährleistet.
Ein Temperatursensor 207, wie ein Temperatur messender Widerstand, der als ein Temperaturerfassungsabschnitt wirkt, ist in einem mittleren Abschnitt des Trapezoidabschnitts 264 vorgesehen. Der Temperatursensor 207 ist fest in einem Anbringloch eingebettet, das in der Wand des Gehäuses 251 gebildet wird, und erfasst die Innentemperatur des Gehäuses 251 am Trapezoidabschnitt 264. Sein Erfassungssignal wird einem Computer eingegeben, der die gesamte Heizung, inklusive der Flussraten des Brenngases und Verbrennungsunterstützungsgases steuert. Der Computer speichert die Innentemperatur des Gehäuses 251 am Trapezoidabschnitt 264, wenn eine Dampfphasenverbrennung aufgetreten ist, als einen Schwellenwert zum Bestimmen des Vorliegens/der Abwesenheit von Dampfphasenverbrennung und bestimmt, ob eine Dampfphasenverbrennung vorliegt, indem die erfasste Temperatur mit dem Schwellenwert verglichen wird.
Der Betrieb der vorstehend beschriebenen katalytischen Verbrennungsheizung wird nun beschrieben. Wenn eine katalytische Verbrennung normal durchgeführt wird, weisen die Röhren 202 und Lamellen 221 des katalysatortragenden Wärmetauschers 201 niedrigere Temperaturen auf als zur Zeit einer Dampfphasenverbrennung, und da die katalytische Verbrennung auf den Oberflächen der Lamellen 221 geschieht, wird die Verbrennungswärme von den Lamellen 221 an die Röhren 202 übertragen, um eine effiziente Wärmeübertragung an das Fluid zu erreichen, das in den Röhren 202 fließt. Daher steigt die gesamte Innentemperatur des Gehäuses 251 nicht stark. Weiterhin fließt stromauf der Röhre 202, wie an den Orten des Trapezoidabschnittes 264, an dem der Temperatursensor 207 liegt, das Verbrennungsunterstützungsgas, und das Verbrennungsunterstützungsgas und das Brenngas werden gemischt, so dass die Temperatur, die vom Temperatursensor 207 erfasst wird, niedrig und stabil ist, selbst wenn sich die Verbrennungsleistung ändert.
Während auf den Oberflächen der Lamellen 221 der Schichten 203A, 203B und 203C katalytische Verbrennung stattfindet, wird die größte Wärmemenge in der stromauf gelegenen Reihe 203C erzeugt, weil die Konzentration der Gasmischung am stromauf gelegenen Ende des Gasflusses höher ist, und die stromauf gelegene Reihe 203C des Gasflusses wird aufgrund einer ungenügenden Zufuhr des Verbrennungsunterstützungsgases wahrscheinlich abnorm heiß. Weil die Richtung des Flusses des Fluids in dieser Ausführungsform der des Gasflusses gegenüberliegt, ist die Temperatur des Fluids, das in den Röhren 202 der stromauf gelegenen Reihe 203 des Gases fließt, am höchsten. Wenn der Gasfluss an der stromauf gelegenen Reihe 203C abnorm heiß wird und die Gasmischung zündet, wird in der Umgebung der Einspritzanschlüsse 272 des Brennstoffzuführabschnittes 2 eine Flamme erzeugt, die stromauf des Gasmischstroms liegt.
Wenn er dieser Flamme ausgesetzt ist, steigt die Temperatur des trapezoiden Abschnitts 264 des Gehäuses 251 in der Nähe der Einspritzanschlüsse 272 des Brennstoffzuführabschnitts 2 aufgrund der Verbrennungswärme und wird beträchtlich hoch, weil die Verbrennungstemperatur bei der Dampfphasenverbrennung hoch ist. Wenn die Dampfphasenverbrennung auftritt, können selbst die Lamellen 221 in der stromauf gelegenen Reihe 203C des Gasflusses die Wärme nicht effizient aufnehmen, was eine Temperaturerhöhung begrenzt.
Daher ist in dieser Ausführungsform der Temperatursensor 207 am Trapezoidabschnitt 264 befestigt, so dass, selbst wenn nur die Lamellen 221 der stromauf gelegenen Reihe 203C abnorm heiß werden, der Temperatursensor einer Flamme ausgesetzt ist, und die erfasste Temperatur in Übereinstimmung mit der Verbrennungstemperatur der Dampfphasenverbrennung steigt, und der Computer bestimmt das Auftreten der Dampfphasenverbrennung, wenn die Temperatur einen vorab bestimmten Schwellenwert wie vorstehend er wähnt übersteigt, während eine herkömmliche Heizung mit einem Temperatursensor, der auf den Lamellen 221 vorgesehen ist, eine Schwierigkeit hat, die Dampfphasenverbrennung zu erkennen. Da der Temperatursensor 207 an der Position vorgesehen ist, an der eine Temperaturdifferenz zwischen einer katalytischen Verbrennung und einer Dampfphasenverbrennung offensichtlich wird, ist die Empfindlichkeit des Erfassens von Dampfphasenverbrennung hoch. Es ist daher möglich, Dampfphasenverbrennung mit hoher Verläßlichkeit zu erfassen.
Obwohl der Temperatursensor 207 in dieser Ausführungsform am Trapezoidabschnitt 264 des Gehäuses 251 vorgesehen ist, ist die Position des Temperatursensors 207 nicht so begrenzt. Der Temperatursensor 207 muß nur einer Position in der Nähe der Einlassanschlüsse 272 des Brenngaszufuhrabschnitts 252 angeordnet sein, und kann weiter stromauf im Gasfluss als die Röhren 202 angeordnet sein. Er kann beispielsweise auf den Röhrenabschnitten 271 vorgesehen sein, die Vorsprünge des Brenngaszuführabschnitts 252 sind und die in das Gehäuse 251 vorstehen.
Diese Ausführungsform kann an eine Heizung angepasst sein, in der die Richtung des Flusses des Fluids die gleiche wie die des Gasflusses ist.
Industrielle Anwendbarkeit
Eine katalytische Verbrennungsheizung nach der vorliegenden Erfindung weist einen Erfassungsabschnitt auf, um zu erfassen, ob ein Verbrennungsabgas im Brenngasdurchlass auf einer Taupunkttemperatur ist oder nicht, und einen Steuerabschnitt, um die Zuführrate des Verbrennungsunterstützungsgases oder des brennbaren Gases, die dem Brenngasdurchlass zugeführt werden, auf der Grundlage des Ergebnisses der Erfassung, die vom Erfassungsabschnitt durchgeführt wird, zu steuern.
Die Rate von Dampf, die im Verbrennungsabgas enthalten ist, und die Temperatur, bei der der Dampf kondensiert (Taupunkttemperatur) werden von der Zusammensetzung des bereitgestellten Brenngases bestimmt, und es ist möglich, Dampf daran zu hindern, dass er auf der Oberfläche des Katalysators kondensiert, wenn die Oberflächentemperatur des Katalysators im Wärmetauscher zur Zeit der Verbrennung des Brenngases gleich oder höher als die Taupunkttemperatur ist. wenn die Zuführrate des Verbrennungsunterstützungsgases gesteigert wird, wird ein Teil der Wärme, die von der Oxidationsreaktion erzeugt wird, stromab getragen, wobei das Brenngas und das Verbrennungsabgas mit erhöhter Strömungsgeschwindigkeit als ein Träger dient, wodurch die Innentemperatur des Wärmetauschers erhöht wird. Es ist daher möglich, die Kondensation von Dampf, die Verringerung der Katalysatoraktivität und das Abgeben von unverbranntem Gas zu verhindern, indem erfasst wird, ob das Verbrennungsabgas im Brenngasdurchlass auf der Taupunkttemperatur liegt und indem der Steuerabschnitt veranlasst wird, die Zuführrate des Verbrennungsunterstützungsgases zu steigern, wenn die Temperatur gleich oder niedriger als die Taupunkttemperatur wird, so dass die Temperatur des Verbrennungsabgases oder die Oberflächentemperatur des Katalysators gleich oder höher als die Taupunkttemperatur bleibt.
Wenn die Zuführrate des brennbaren Gases erhöht wird, wird die Oxidationsreaktion beschleunigt, was die an der Katalysatoroberfläche erzeugte Wärme steigert, wodurch die Innentemperatur des Wärmetauschers erhöht wird. Daher ergibt sich auch der gleiche Vorteil der Verhinderung der Kondensation von Dampf ebenso aus dem Erfassen, ob das Verbrennungsabgas im Brenngasdurchlass auf Taupunkttempe ratur ist oder nicht, und dem Veranlassen, dass der Steuerabschnitt die Zuführrate des brennbaren Gases am stromab gelegenen Ende des Brenngasdurchlasses erhöht, wenn die Temperatur gleich oder niedriger als die Taupunkttemperatur wird. Dies kann die Leistung des Katalysators so steuern, dass sowohl Verlässlichkeit als auch effiziente Wärmeübertragung erreicht werden.
Der Erfassungsabschnitt der katalytischen Verbrennungsheizung der vorliegenden Erfindung kann ein Temperaturerfassungsabschnitt zum Erfassen der Temperatur des Verbrennungsaabgases oder ein Temperaturerfassungsabschnitt zum Erfassen der Temperaturen der Außenoberflächen der Röhren sein. Es ist möglich, zu erfassen, ob die Oberflächentemperatur des Katalysators auf der Taupunkttemperatur ist oder nicht, indem die Temperatur des Verbrennungsabgases oder die Temperatur der äußeren Oberflächen der Röhren erfasst wird.
Der Erfassungsabschnitt der katalytischen Verbrennungsheizung der vorliegenden Erfindung kann in der Umgebung eines Auslasses des Brenngasdurchlasses vorgesehen sein. Da die Oberflächentemperatur des Katalysators im Wärmetauscher in der Nähe des Ausgangs des Brenngasdurchlasses am niedrigsten ist, ist es möglich, zu erfassen, ob der gesamte Katalysator im Wärmetauscher die Taupunkttemperatur erreicht hat, indem die Temperatur an diesem Ort erfasst wird.
In der katalytischen Verbrennungsheizung der vorliegenden Erfindung kann der Oxidationskatalysator auf Lamellen bzw. Rippen getragen werden, die an den äußeren Oberflächen der Röhren angebracht sind. In diesem Fall kann derselbe Vorteil zum Erfassen der Temperaturen der Außenoberflächen der Röhren erreicht werden, um die Oberflächentemperaturen der Lamellen in der Umgebung des Aus gangs des Brenngasdurchlasses zu erfassen, und um zu veranlassen, dass der Steuerabschnitt die Zuführrate des Verbrennungsunterstützungsgases oder die Zuführrate des brennbaren Gases steuert.
In der katalytischen Verbrennungsheizung nach der vorliegenden Erfindung kann der Steuerabschnitt die Zuführrate des Verbrennungsunterstützungsgases erhöhen, um die Temperatur des Verbrennungsabgases auf oder über die Taupunkttemperatur zu erhöhen, wenn der Erfassungsabschnitt ein solches Erfassungsergebnis ausgibt, dass die Temperatur des Verbrennungsabgases im Brenngasdurchlass gleich oder niedriger als eine Taupunkttemperatur ist, die durch die Zusammensetzung des bereitzustellenden Brenngases bestimmt ist. Die vorstehenden erwähnten Probleme können überwunden werden, indem das vorstehend erwähnte Erfassungsergebnis dem Steuerabschnitt eingegeben wird, wann immer das notwendig ist, und indem die Zuführrate des Verbrennungsunterstützungsgases prompt erhöht wird, wenn die Temperatur des Verbrennungsabgases gleich der oder niedriger als die Taupunkttemperatur wird.
In der katalytischen Verbrennungsheizung nach der vorliegenden Erfindung kann der Steuerabschnitt eine solche Steuerung durchführen, dass er die Zuführrate des brennbaren Gases in Richtung der stromab gelegenen Seite des Brenngasdurchlasses erhöht, um die Temperatur des Verbrennungsabgases auf oder über die Taupunkttemperatur zu erhöhen, wenn der Erfassungsabschnitt ein Erfassungsergebnis ausgibt, das anzeigt, dass die Temperatur des Verbrennungsabgases im Brenngasdurchlass gleich oder niedriger als die Taupunkttemperatur ist, die durch eine Zusammensetzung des bereitzustellenden Brenngases bestimmt wird. In dem Fall kann der vorstehend beschriebene Vorteil ebenfalls leicht erreicht werden, indem das vorab erwähnte Erfassungsergebnis dem Steuerabschnitt eingege ben wird, wann immer dies notwendig ist, und die Zuführrate des brennbaren Gases in Richtung der stromab gelegenen Seite prompt erhöht wird, wenn die Temperatur des Verbrennungsabgases gleich oder niedriger als die Taupunkttemperatur wird.
Die katalytische Verbrennungsheizung nach der vorliegenden Erfindung kann weiterhin einen Zuführabschnitt für brennbares Gas aufweisen, der eine Vielzahl von Zuführanschlüssen für brennbares Gas aufweist, um das brennbare Gas stromauf und stromab des Brenngasdurchlasses zu verteilen, und ein Ventilteil, das im Abschnitt zum Zuführen des brennbaren Gases angeordnet ist, um die Flussrate des brennbaren Gases zu regulieren, das stromab des Brenngasdurchlasses bereitgestellt wird, und der Steuerabschnitt passt den Ventilwinkel des Ventilteils an. Entsprechend passt der Steuerabschnitt den Ventilwinkel des Ventilteils so an, dass, wenn die Temperatur des Verbrennungsabgases gleich der oder niedriger als die Taupunkttemperatur wird, die Menge an brennbarem Gas, die stromab des Brenngasdurchlasses vom stromab gelegenen Zuführanschluss für brennbares Gas bereitgestellt wird, gesteigert werden kann, indem der Ventilwinkel erhöht wird.
In der katalytischen Verbrennungsheizung der vorliegenden Erfindung kann die Strömungsrichtung des Brenngases der Strömungsrichtung des Fluids entgegengesetzt sein. Eine Verhinderung der Kondensation ist im vorstehend beschriebenen Aufbau besonders effektiv, bei dem kühles Fluid am Ausgang des Verbrennungsabgases bereitgestellt wird.
In der katalytischen Verbrennungsheizung der vorliegenden Erfindung kann das Verbrennungsunterstützungsgas Luft sein. Als Verbrennungsunterstützungsgas zum Oxidie ren des brennbaren Gases ist Luft das herkömmlichste und ökonomischste.
Eine andere katalytische Verbrennungsheizung nach der vorliegenden Erfindung weist einen Steuerabschnitt auf, um mindestens entweder die Zuführraten des Verbrennungsunterstützungsgases oder des brennbaren Gases, die dem Brenngasdurchlass zugeführt werden, auf der Grundlage der Erfassung durch einen Erfassungsabschnitt zum Erfassen der Konzentration von Stickoxid im Verbrennungsabgas im Brenngasdurchlass zu steuern.
Wenn eine Flamme in der katalytischen Verbrennungseinheit erzeugt wird, wird ein Stickoxid erzeugt, das in einer normalen katalytischen Verbrennung nicht erzeugt würde. Die Oxidationsreaktion durch den Katalysator tritt bei einer niedrigeren Temperatur als jener der flammenerzeugenden Verbrennung auf, so dass eine Oxidationsreaktion auch mit magerem Brenngas möglich ist, das keine Flamme erzeugt.
Das heißt, es ist möglich, die Erzeugung einer Flamme zu erfassen, indem Stickoxid im Verbrennungsabgas erfasst wird, wobei der Erfassungsabschnitt zum Erfassen einer Stickoxidkomponente genutzt wird. Zu dieser Zeit ist es möglich, die Erzeugung einer Flamme zu verhindern, indem die Zuführrate des brennbaren Gases im Brenngas verringert wird, oder die Zuführrate des Verbrennungsunterstützungsgases erhöht wird. Es ist daher möglich, die Verschlechterung des Katalysators zu verhindern, wodurch die Leistung des Katalysators erhalten wird, so dass sowohl effiziente Wärmeübertragung als auch Verläßlichkeit erreicht werden.
In der anderen katalytischen Verbrennungsheizung nach der vorliegenden Erfindung kann der Erfassungsabschnitt in der Umgebung des Auslasses des Brenngasdurchlasses vorgesehen sein. Dies sichert die Erfassung der Erzeugung einer Flamme in der katalytischen Verbrennungseinheit.
In der anderen katalytischen Verbrennungsheizung nach der vorliegenden Erfindung kann der Steuerabschnitt die Zuführrate des brennbaren Gases verringern oder die Zuführrate des Verbrennungsunterstützungsgases erhöhen, wenn der Erfassungsabschnitt erfasst, dass die Konzentration von Stickoxid gleich oder höher als ein gegebener Wert ist. Eine Flammenverbrennung kann nicht andauern, und die Erzeugung einer neuen Flamme kann verhindert werden, wenn die Zuführrate des Verbrennungsunterstützungsgases erhöht wird, um das Brenngas magerer zu machen, oder wenn die Zuführrate des brennbaren Gases verringert oder gestoppt wird.
In einer weiteren katalytischen Verbrennungsheizung nach der vorliegenden Erfindung werden die Durchlasswiderstände einer Vielzahl von Brenngasdurchlässen so festgelegt, dass, wenn die stromab des Brenngasdurchlasses erzeugte Wärmemenge die Minimalleistung der katalytischen Verbrennungsheizung erreicht, die Temperatur des Verbrennungsabgases im Brenngasdurchlass gleich oder höher als eine Taupunkttemperatur wird, die durch die Zusammensetzung des Brenngases bestimmt ist.
Indem eine Vielzahl von Zuführdurchlässen für brennbares Gas vorgesehen ist, um einen Teil des brennbaren Gases direkt stromab des Brenngasdurchlasses einzuspeisen, ist es möglich, die Oxidationsreaktion stromab zu beschleunigen und die an der Katalysatoroberfläche erzeugte Wärme zu steigern. Indem die Durchlasswiderstände der Vielzahl von Zuführdurchlässen für brennbares Gas so angepasst, dass eine vorabbestimmte Menge oder eine größere Menge von brennbarem Gas über die Zuführdurchlässe für brennbares Gas am stromab gelegenen Ende bereitgestellt wird, wenn die Leistung der Heizung minimal ist, ist es daher möglich, die Oberflächentemperatur des Katalysators auf oder über die Taupunkttemperatur des Verbrennungsabgases zu erhöhen, wodurch die Kondensation von Dampf verhindert wird. Weiterhin ist es möglich, die Verschlechterung der Katalysatoraktivität zu verhindern und das Abgeben von unverbranntem Gas mit einem einfacheren Aufbau zu verhindern, weil der Erfassungsabschnitt zum Erfassen, ob das Verbrennungsabgas auf der Taupunkttemperatur ist und der Abschnitt, um die Zuführrate des brennbaren Gases oder des Verbrennungsunterstützungsgases zu steuern, nicht benötigt werden.
Eine andere katalytische Verbrennungsheizung nach der vorliegenden Erfindung weist einen Flussratensteuerabschnitt auf, um die Flussrate des brennbaren Gases auf der Grundlage des Erfassungsergebnisses durch einen Erfassungsabschnitt zum Erfassen der Temperatur des Verbrennungsabgases oder der Konzentration des brennbaren Gases in der Umgebung des Auslasses des Brenngasdurchlasses zu steuern.
Wenn die Katalysatortemperatur bei der katalytischen Verbrennung auf ungefähr 60% der Aktivierungstemperatur zum vollständigen Oxidieren des brennbaren Gases steigt, dessen Menge dem Reaktionsbereich entspricht, wird die Reaktion danach in Übereinstimmung mit einer Erhöhung des Brennstoffes aktiv. Wenn weiterhin ein Teil des katalysatortragenden Wärmetauschers ausreichend aktiv wird, erreicht der umgebende Katalysator durch die Übertragung von Strahlungswärme oder der wärme, die vom Verbrennungsgas getragen wird, spontan die Aktivierungstemperatur. Daher bestimmt diese andere katalytische Verbrennungsheizung nach der vorliegenden Erfindung den Aktivierungszustand des Katalysators im katalysatortragenden Wärmetau scher unter Nutzung der vorstehenden Erfassungseinrichtungen und steuert die Zuführrate des brennbaren Gases entsprechend. Wenn beispielsweise der Anteil des brennbaren Gases mit Bezug auf das Verbrennungsunterstützungsgas sehr klein ist, findet keine Zündung statt, selbst wenn unverbranntes Gas stromab im Brenngasdurchlass schnell eine Reaktion verursacht. wenn die Flussrate des brennbaren Gases klein ist, fließt das brennbare Gas unter allmählicher Reaktion stromab, und es findet kein extremes Durchblasen des brennbaren Gas statt.
Wenn die Menge des brennbaren Gases mit Bezug auf die Menge des Verbrennungsunterstützungsgases klein ist, kann die Temperaturerhöhung des Verbrennungsabgases nicht klar bestätigt werden, bis das brennbare Gas vollständig oxidiert ist. Das heißt, wenn die Temperatur des Verbrennungsabgases deutlich zu steigen beginnt, ist es möglich, dass das bereitgestellte brennbare Gas vollständig oxidiert wurde, und ein Teil des Katalysators die Aktivierungstemperatur erreicht hat. Oder es ist möglich, wenn die Konzentration des brennbaren Gases abrupt fällt, dass das bereitgestellte brennbare Gas vollständig oxidiert wurde und ein Teil des Katalysators die Aktivierungstemperatur erreicht hat. Daher kann der gesamte katalysatortragende Wärmetauscher schnell aktiv gemacht werden, indem effektiv die erzeugte Wärme genutzt wird, indem veranlasst wird, dass die vorstehend erwähnte Flussratensteuereinrichtung die Flussrate des brennbaren Gases verringert, bis diese Zustände erfasst sind, und die Flussrate des brennbaren Gases steigert, wenn diese zustände erfasst werden. Es ist so möglich, eine katalytische Verbrennungsheizung mit einem einfachen Aufbau zu schaffen, die nicht verschiedene Temperaturen überwacht, die Abgabe von unverbranntem Gas verhindert, Entzündung oder Ähnliches verhindert, sicher ist und eine kurze Aktivierungszeit aufweist.
In dieser katalytischen Verbrennungsheizung nach der vorliegenden Erfindung kann der Flussratensteuerabschnitt die Flussrate des brennbaren Gases niedriger als die des Verbrennungsunterstützungsgases machen, bis die Temperatur des Verbrennungsabgases, die vom Erfassungsabschnitt erfasst wird, eine vorab bestimmte Temperatur überschreitet, oder bis die Konzentration des brennbaren Gases niedriger als eine vorab bestimmte Konzentration wird, und der Flussratensteuerabschnitt kann die Flussrate des brennbaren Gases auf eine vorab bestimmte Größe steigern, wenn die Temperatur des Verbrennungsabgases die vorab bestimmte Temperatur überschreitet, oder wenn die Konzentration des brennbaren Gases niedriger als die vorab bestimmte Konzentration wird.
Insbesondere wenn die Temperatur des Verbrennungsabgases deutlich zu steigen beginnt und es bestätigt wird, dass die Temperatur eine vorab bestimmte Temperatur überschreitet, ist es möglich, dass das bereitgestellte brennbare Gas vollständig oxidiert wurde und ein Teil des Katalysators die Aktivierungstemperatur erreicht hat. Oder wenn die Konzentration des brennbaren Gases abrupt abfällt und unter eine vorab bestimmte Temperatur sinkt, ist es möglich, dass das bereitgestellte brennbare Gas vollständig oxidiert wurde und ein Teil des Katalysators die Aktivierungstemperatur erreicht hat. In dieser Beziehung wird erfasst, ob die Temperatur des Verbrennungsabgases die vorab bestimmte Temperatur überschritten hat oder nicht, oder ob die Konzentration des brennbaren Gases unter die vorab bestimmte Konzentration gefallen ist oder nicht. Wenn der Anteil des brennbaren Gases ausreichend klein ist, gibt es keine Gefahr, selbst wenn das brennbare Gas spontan stromab reagiert, was die Sicherheit gewährleistet.
In dieser katalytischen Verbrennungsheizung nach der vorliegenden Erfindung kann der katalysatortragende Wärmetauscher einen Brennstoffverteilungsabschnitt aufweisen, um das entflammbare Gas zu verteilen und einzelnen Abschnitten der Röhren zuzuführen, wobei die Gasmenge dem Zustand des Fluids entspricht, das in den Röhren fließt.
Mit dem Aufbau, in dem das brennbare Gas in Übereinstimmung mit dem Zustand des Fluids in den Röhren separat in den Brenngasdurchlass zugeführt wird, wird ein gegebener Anteil des brennbaren Gases stets den stromab gelegenen Röhren zugeführt, so dass das Brenngas am stromab gelegenen Ende im Vergleich zu dem Aufbau, in dem die Mischung des brennbaren Gases und des Verbrennungsunterstützungsgases am stromauf gelegenen Ende des Brenngasdurchlasses bereitgestellt wird, wahrscheinlich eine hohe Konzentration aufweist. Selbst in dieser katalytischen Verbrennungsheizung der vorliegenden Erfindung steuert die Flussratensteuereinrichtung die Flussrate des brennbaren Gases auf der Grundlage des Erfassungsergebnisses von der Erfassungseinrichtung so, dass die schnelle Aktivierung des Katalysators sicher erreicht werden kann. In diesem Aufbau ist durch Trennen der Zuführung des brennbaren Gases und der Zuführung der notwendigen Mengen von brennbarem Gas an die einzelnen Abschnitte der Röhren während stabiler Verbrennung die katalytische Verbrennung effizient, während eine örtliche Überhitzung der Lamellen und Röhren verhindert wird, was die Wärmeübertragungseffizienz verbessert.
In einer noch anderen katalytischen Verbrennungsheizung nach der vorliegenden Erfindung ist ein Temperaturerfassungsabschnitt im Gehäuse in der Umgebung des Einspritzanschlusses und näher zum einen offenen Ende als zu den Röhren vorgesehen.
Wenn ein Teil des Katalysators abnorm heiß wird und die Gasmischung gezündet wird, tritt in der Umgebung des Einlassanschlusses, der sich am stromauf gelegenen Endes der Gasgemischströmung befindet, eine Dampfphasenverbrennung auf. Daher steigt die erfasste Temperatur der Temperaturerfassungseinrichtung, die in der Umgebung des Einspritzanschlusses vorgesehen ist, stets auf eine Temperatur, die der hohen Verbrennungstemperatur der Dampfphasenverbrennung entspricht, da sie der Flamme ausgesetzt ist. Die Temperaturerfassungseinrichtung erfasst das Auftreten der Dampfphasenverbrennung, selbst wenn die Dampfphasenverbrennung durch die abnorm hohe Temperatur eines Teils des Katalysatorabschnitts verursacht wird. Weiterhin ist die Temperatur während einer normalen katalytischen Verbrennung beträchtlich niedriger als die des katalysatortragenden Wärmetauschers, weil sich der Temperaturdetektor näher am offenen Ende als an den Röhren befindet und sich nahe am Einspritzanschluss befindet, wo das Brenngas und das Verbrennungsunterstützungsgas vor der Verbrennung vorliegen. Daher ist der Bereich einer Temperaturerhöhung der erfassten Temperatur zu der Zeit, zu der Dampfphasenverbrennung auftritt, groß, und die Erfassungsempfindlichkeit ist exzellent. Dies erlaubt es, das Auftreten einer Dampfphasenverbrennung mit hoher Präzision zu erfassen.
In der noch anderen katalytischen Verbrennungsheizung nach der vorliegenden Erfindung ist der Temperaturerfassungsabschnitt auf einem Vorsprung des Brenngaszuführabschnittes vorgesehen, der in das Gehäuse hineinragt.

Claims

Katalytische Verbrennungsheizung (60, 70, 80, 100), die aufweist: einen katalysator-tragenden Wärmetauscher (1), der in einem Brenngasdurchlass (11), in dem ein Brenngas fließt, das ein entflammbares Gas und ein Verbrennungsunterstützungsgas enthält, Röhren (5) aufweist, in denen ein zu erwärmendes Fluid fließt; einen Erfassungsabschnitt (8, 109) um zu erfassen, ob die Temperatur eines Verbrennungsabgases im Brenngasdurchlass (11) seiner Taupunkttemperatur entspricht, und einen Steuerabschnitt (6), um mindestens eine der Zufuhrraten des Verbrennungsunterstützungsgases und des entflammbaren Gases, die dem Brenngasdurchlass (11) zugeführt werden, auf der Grundlage eines Ergebnisses der Erfassung durch den Erfassungsabschnitt (8) zu steuern, dadurch gekennzeichnet, dass ein Oxidationskatalysator auf äußeren Oberflächen (51) der Röhren (5) vorgesehen ist, um eine Oxidationsreaktion hervorzurufen, wenn er das Brenngas kontaktiert, wobei der katalysator-tragende Wärmetauscher (1) das Fluid mit der Oxidationsreaktionswärme des Brenngases heizt.
Katalytische Verbrennungsheizung (60, 70, 80, 100) nach Anspruch 1, wobei der Erfassungsabschnitt (8, 109) entweder ein Temperaturerfassungsabschnitt zur Erfassung der Temperatur des Verbrennungsabgases oder ein Temperaturerfassungsabschnitt zu Erfassung der Temperatur einer äußeren Oberfläche der Röhren (5, 102, 202) ist.
Katalytische Verbrennungsheizung (60, 70, 80, 100) nach Anspruch 1, wobei der Erfassungsabschnitt (8, 109) in der Umgebung eines Auslasses des Brenngasdurchlasses vorgesehen ist.
Katalytische Verbrennungsheizung (60, 70, 80, 100) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Oxidationskatalysator auf Rippen (51, 121, 221) vorgesehen ist, die mit den äußeren Oberflächen der Röhren (5, 102, 202) verbunden sind, und der Temperaturerfassungsabschnitt (8, 109) zum Erfassen der Temperaturen der äußeren Oberflächen der Röhren (5, 102, 202) ein Oberflächentemperaturerfassungsabschnitt ist, um die Oberflächentemperatur der Rippen (51, 121, 221) in der Umgebung eines Auslasses des Brenngasdurchlasses (11, 111) zu erfassen.
Katalytische Verbrennungsheizung (60, 70, 80, 100) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Steuerabschnitt (6, 106) eine solche. Steuerung durchführt, dass er die Zuführrate des Verbrennungsunterstützungsgases erhöht, um die Temperatur des Verbrennungsabgases auf oder über die Taupunkttemperatur zu heben, wenn der Erfassungsabschnitt (8, 109) ein solches Erfassungsergebnis ausgibt, dass die Temperatur des Verbrennungsabgases im Brenngasdurchlass (11, 111) gleich oder niedriger als eine Taupunkttemperatur ist, die durch eine Zusammensetzung des bereitzustellenden Brenngases bestimmt wird.
Katalytische Verbrennungsheizung (60, 70, 80, 100) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Steuerabschnitt (6, 106) eine solche Steuerung durchführt, dass er die Zuführrate des brennbaren Gases auf der stromab gelegenen Seite des Brenngasdurchlasses erhöht, um die Temperatur des Verbrennungsabgases auf oder über die Taupunkttemperatur zu heben, wenn der Erfassungsabschnitt (8, 109) ein solches Erfassungsergebnis ausgibt, dass die Temperatur des Verbrennungsabgases im Brenngasdurchlass (11, 111) gleich oder niedriger als eine Taupunkttemperatur ist, die durch eine Zusammensetzung des bereitzustellenden Brenngases bestimmt wird.
Katalytische Verbrennungsheizung (60, 70, 80, 100) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, die weiterhin aufweist: einen Abschnitt (15, 105) zum Zuführen von entflammbarem Gas, der eine Vielzahl von Anschlüssen (16) zum Zuführen von entflammbarem Gas aufweist, um das entflammbare Gas einer stromauf gelegenen und stromab gelegenen Seite des Brenngasdurchlasses (11, 111) zuzuführen und zu verteilen; und ein Ventilteil (17), das im Abschnitt (15, 105) zum Zuführen von entflammbarem Gas angeordnet ist, um eine Flussrate des entflammbaren Gases zu regulieren, das der stromab gelegenen Seite des Brenngasdurchlasses (11, 111) zugeführt wird, wobei der Steuerabschnitt (6, 106) einen Ventilwinkel des Ventilteils (17) anpaßt.
Katalytische Verbrennungsheizung (60, 70, 80, 100) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei eine Flussrichtung des Brenngases entgegengesetzt einer Flussrichtung des Fluids ist.
Katalytische Verbrennungsheizung (60, 70, 80, 100) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei das Verbrennungsunterstützungsgas Luft ist.
Katalytische Verbrennungsheizung (70), die aufweist: einen katalysator-tragenden Wärmetauscher (1), der in einem Brenngasdurchlass (11), in dem ein Brenngas fließt, das ein entflammbares Gas und ein Verbrennungsunterstützungsgas enthält, Röhren (5) aufweist, in denen ein zu erwärmendes Fluid fließt, und dadurch gekennzeichnet, dass sie weiterhin einen Oxidationskatalysator aufweist, der auf äußeren Oberflächen (51) der Röhren (5) vorgesehen ist, um eine Oxidationsreaktion hervorzurufen, wenn er das Brenngas kontaktiert, wobei der katalysator-tragende Wärmetau scher (1) das Fluid mit der Oxidationsreaktionswärme des Brenngases heizt; einen Erfassungsabschnitt (9), um eine Konzentration eines Stickoxids zu erfassen, das im Verbrennungsabgas im Brenngasdurchlass enthalten ist; und einen Steuerabschnitt (6), um mindestens die Zuführraten entweder des Verbrennungsunterstützungsgases oder des entflammbaren Gases, die in den Brenngasdurchlass (11) eingebracht werden, auf der Grundlage eines Ergebnisses der Erfassung zu steuern, die durch den Erfassungsabschnitt (9) durchgeführt wird.
Katalytische Verbrennungsheizung (70) nach Anspruch 10, wobei der Erfassungsabschnitt (9) in der Nähe eines Auslasses des Brenngasdurchlasses (11) angeordnet ist.
Katalytische Verbrennungsheizung (70) nach Anspruch 10 oder 11, wobei der Steuerabschnitt eine solche Steuerung durchführt, dass er die Zuführrate des entflammbaren Gases verringert oder die Zuführrate des Verbrennungsunterstützungsgases erhöht, wenn der Erfassungsabschnitt (9) erfasst, dass die Konzentration des Stickoxids gleich oder größer als ein gegebener Wert ist.
Katalytische Verbrennungsheizung (60, 70, 80, 100), die aufweist: einen katalysator-tragenden Wärmetauscher (1), der in einem Brenngasdurchlass (11), in dem ein Brenngas fließt, das ein entflammbares Gas und ein Verbrennungsunterstützungsgas enthält, Röhren (5, 5a, 5b, 5c), in denen ein zu erwärmendes Fluid fließt, und eine Vielzahl von Flammgaszuführdurchlässen (16, 16a, 16b) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass ein Oxidationskatalysator auf äußeren Oberflächen (51) der Röhren (5, 5a, 5b, 5c) vorgesehen ist, um eine Oxidationsreaktion hervorzurufen, wenn er das Brenngas kontaktiert, wobei der katalysator-tragende Wärmetauscher (1) das Fluid mit der Oxidationsreaktionswärme des Brenngases erwärmt; und die Vielzahl von Flammgaszuführdurchlässen (16, 16a, 16b) unterschiedliche Durchlasswiderstände aufweisen, um das entflammbare Gas in Richtung einer stromauf gelegenen und einer stromab gelegenen Seite des Brenngasdurchlasses (11) zu verteilen und zuzuführen, wodurch die Durchlasswiderstände der Vielzahl von Flammgaszuführdurchlässen (16, 16a, 16b) so festgelegt werden, dass eine Temperatur eines Verbrennungsabgases im Brenngasdurchlass (11) gleich oder größer als eine Taupunkttemperatur wird, die durch eine Zusammensetzung des Brenngases bestimmt ist, wenn eine Wärmemenge, die auf der stromabwärtigen Seite des Brenngasdurchlasses (11) erzeugt wird, eine minimale Abgabe der katalytischen Verbrennungsheizung (60, 70, 80, 100) ist.
Katalytische Verbrennungsheizung (100), die aufweist: einen katalysator-tragenden Wärmetauscher (101), der in einem Brenngasdurchlass (111), in dem ein Brenngas fließt, das ein entflammbares Gas und ein Verbrennungsunterstützungsgas enthält, Röhren (102) aufweist, in denen ein zu erwärmendes Fluid fließt, dadurch gekennzeichnet, dass er weiterhin einen Oxidationskatalysator aufweist, der auf äußeren Oberflächen der Röhren (102) vorgesehen ist, um eine Oxidationsreaktion zu verursachen, wenn er das Brenngas kontaktiert, wobei der katalysator-tragende Wärmetauscher (101) das Fluid mit der Oxidationsreaktionswärme des Brenngases erwärmt, und einen Erfassungsabschnitt (107, 109), um eine Temperatur eines Verbrennungsabgases oder eine Konzentration des brennbaren Gases in der Umgebung eines Auslasses des Brenngasdurchlasses (111) zu erfassen; und einen Flussratensteuerabschnitt (106), um eine Flußrate des entflammbaren Gases auf der Grundlage eines Ergebnisses der Erfassung zu steuern, die durch den Erfassungsabschnitt (107, 109) durchgeführt wird.
Katalytische Verbrennungsheizung (100) nach Anspruch 14, wobei der Flußratensteuerabschnitt (106) eine solche Steuerung durchführt, dass er die Flußrate des entflammbaren Gases kleiner als die des Verbrennungsunterstützungsgases macht, bis die Temperatur des Verbrennungsabgases, die vom Erfassungsabschnitt (107, 109) erfaßt wird, eine vorab bestimmte Temperatur überschreitet, oder bis die Konzentration des entflammbaren Gases niedriger als eine vorab bestimmte Konzentration wird; und der Flußratensteuerabschnitt (106) eine solche Steuerung durchführt, dass er die Flußrate des entflammbaren Gases auf einen vorab bestimmten Wert erhöht, wenn die Temperatur des Verbrennungsabgases die vorab bestimmte Temperatur überschreitet, oder wenn die Konzentration des entflammbaren Gases niedriger als die vorab bestimmte Konzentration wird.
Katalytische Verbrennungsheizung (100) nach Anspruch 14 oder 15, wobei der katalysator-tragende Wärmetauscher (101) einen Brennstoffverteilungsabschnitt (151) aufweist, um das brennbare Gas zu verteilen und zuzuführen, dessen Menge einem Zustand des Fluids entspricht, das in den Röhren (102) zu einzelnen Abschnitten der Röhren (102) fließt.
Katalytische Verbrennungsheizung (160) nach Anspruch 1, die aufweist: Einen Brenngaszuführabschnitt, um ein Brenngas von einem Einlassanschluss, der in Richtung der Innenseite des Gehäuses ausgebildet ist, in das Gehäuse einzulassen; einen Temperaturerfassungsabschnitt (207), der im Gehäuse in der Umgebung des Einlassanschlusses auf einer Seite vorgesehen ist, die dem einen offenen Ende näher als den Röhren (202) ist, dadurch gekennzeichnet, dass er weiterhin ein zylindrisch gebildetes Gehäuse (251) aufweist, das Öffnungen an beiden Enden aufweist und in dem ein Verbrennungsunterstützungsgas von einem der offenen Enden zugeführt wird und einen katalysator-tragenden Wärmetauscher (201), der eine Vielzahl von Röhren (202) aufweist, die an einer stromab des Einlassanschlusses (272) gelegenen Position im Gehäuse vorgesehen sind, und in denen das zu erwärmende Fluid fließt, und einen Katalysatorabschnitt (203), der auf äußeren Oberflächen der Röhren (202) gebildet wird, um eine Oxidationsreaktion zu verursachen, wenn er das Brenngas kontaktiert.
Katalytische Verbrennungsheizung (160) nach Anspruch 17, wobei der Temperaturerfassungsabschnitt (207) auf einem Vorsprung des Brenngaszuführabschnittes vorgesehen ist, der in das Gehäuse hineinragt.