DE9002743U1 - Device for generating heat by flameless combustion of a fuel in a gas stream - Google Patents
Device for generating heat by flameless combustion of a fuel in a gas streamInfo
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Description
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Emitec Gesellschaft für Emissionstechnologie mbH D-5204 Lohmar 1Emitec Company for Emissions Technology mbH D-5204 Lohmar 1
zur Erzeugung von Wärme durch flammlose Verbrennung eines Brennstoffes in einem Gasstrom".for the generation of heat by flameless combustion of a fuel in a gas stream".
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung von Wärme durch flammlose Verbrennung eines Brennstoffes in einen» sauerstoffhaltigen Gasstrom, wobei die bei der Verbrennung erzeugte Wärme in eine von dem Gasstrom durchströmbare &ugr;&pgr;&agr;/&ogr;&ugr;&egr;. umströmbare Kor-spor·??? l * einzutfingen ist.The invention relates to a device for generating heat by flameless combustion of a fuel in an oxygen-containing gas stream, wherein the heat generated during combustion is to be captured in a core through which the gas stream can flow.
Entsprechende Vorrichtungen f.,:;den vi&:*ältiae Anwendungen, namentlich zur Aufheizung von Wärmetragerfluiden wie Wasser oder Luft im Rahmen von Heizanlagen fur *',:;-aftfahrzeuge, große Hallen oder dergleichen, sowie zur Aufheizung von Wabenkörpern in Abgassystemen von Kraftfahrzeugen, die mit katalytisch aktiven Beschichtungen zur Jmsetzung von Abgasschadstoffen in unschädliche Agenzien versehen sind.Corresponding devices for the following applications, namely for heating heat transfer fluids such as water or air in heating systems for motor vehicles, large halls or the like, as well as for heating honeycomb bodies in exhaust systems of motor vehicles which are provided with catalytically active coatings for converting exhaust pollutants into harmless agents.
Heizeinrichtungen für Kraftfahrzeuge, darunter insbesondere Stand- und Zusatzheizungen, sind in vielfältigen Formen bekannt, wie beispielsweise aus der EP-A-O 287 923 und der DE-A-37 187 hervorgeht. Derartige Heizeinrichtungen weisen generell Anordnungen zur Erzeugung von Wärme durch Verbrennung eines fluidischen Brennstoffes auf und sind darüber hinaus mit Wärmetauschern versehen, in denen die bei der Verbrennung erzeugte Wärme auf ein Wärmeträgerfluid wie Luft oder Wasser übertragen wird. In der EP-A-O 287 923 wird vorgeschlagen, die bei einer konventionellen Verbrennung entstandenen Abgase zwecks Reinigung vor der Abgabe ins Freie durch eine katalytisch aktive Matrix zu führen. In der DE-A-37 16 187 wird vorgeschlagen, den Brennstoff zumindest teilweise in einerHeating devices for motor vehicles, including in particular auxiliary and auxiliary heaters, are known in a wide variety of forms, as can be seen, for example, from EP-A-O 287 923 and DE-A-37 187. Such heating devices generally have arrangements for generating heat by burning a fluid fuel and are also provided with heat exchangers in which the heat generated during combustion is transferred to a heat transfer fluid such as air or water. EP-A-O 287 923 proposes that the exhaust gases produced during conventional combustion be passed through a catalytically active matrix for the purpose of cleaning before being released into the open air. DE-A-37 16 187 proposes that the fuel be at least partially stored in a
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katalytisch bewirkten, flammlosen Reaktion zu verbrennen; hierzu wird der Brennstoff einem Luftstrom zugemischt, und das Gemisch durch eine katalytisch aktive Matrix geleitet.to burn in a catalytically induced, flameless reaction; for this purpose, the fuel is mixed with an air stream and the mixture is passed through a catalytically active matrix.
Hinter der katalytisch aktiven Matrix befindet sich ein Wärmetauscher, in dem die bei der Verbrennung erzeugte Wärme einem Wärmeträgerfluid übertrag?7;" yix^d, worauf der Gasstrom die Vorrichtung verläßt.Behind the catalytically active matrix there is a heat exchanger in which the heat generated during combustion is transferred to a heat transfer fluid , whereupon the gas stream leaves the device.
Die DE-A-38 35 983 betrifft die Beheizung eines Wabenkörpers zur Behandlung der Abgase in einem Kraftfahrzeug, wobei dieser mit einem heißen Gasstrom beaufschlagt wird. Die Erhitzung des Gasstroms erfolgt durch katalytische Verbrennung eines Brennstoffes, der diesem Gasstrom zugemischt wird, bevor dieser den Abgaskatalysator, bzw. ein weiteres katalytisch aktives Element, durchströmt. Außerdem wird vorgeschlagen, den Gasstrom hinter dem Abgaskatalysator durch einen Wärmetauscher zu führen, in dem die dem Gasstrom verbliebene Wärme einem weiteren Wärmeträger zur Beheizung des Kraftfahrzeug Innenraums und/oder des Kraftfahrzeug-Kühlwassers übertragen werden kann.DE-A-38 35 983 relates to the heating of a honeycomb body for treating the exhaust gases in a motor vehicle, whereby this is exposed to a hot gas stream. The gas stream is heated by catalytic combustion of a fuel that is mixed with this gas stream before it flows through the exhaust catalyst or another catalytically active element. It is also proposed to guide the gas stream behind the exhaust catalyst through a heat exchanger in which the heat remaining in the gas stream can be transferred to another heat carrier for heating the motor vehicle interior and/or the motor vehicle cooling water.
Damit ein katalytisch aktives Element seine katalytische Wirkung entfalten kann, muß seine Temperatur eine gewisse Grenztemperatur, die sogenannte 'Anspringtemperatur", überschreiten. Die üblicherweise als Katalysatoren verwendeten Edelmetalle wie Platin, Rhodium oder Palladium besitzen, wie auch bekannte katalytisch aktive Verbindungen, Anspringtemperaturen um 200 *C oder darüber. Entsprechend also ist es erforderlich, ein katalytisch aktives Element vorzuwärmen . Dies erfordert bei den vorgestellten Verbrennungsanlagen Vorheizeinrichtungen, die eine Erwärmung tier katalytisch aktiven Elemente auf hinreichend hohe Temperaturen gestatten. Solche Vorheizeinrichtungen können z. B. elektrische Heizeinrichtungen beliebiger Art sein; entsprechende Vorschläge finden sich in der DE-A-22 51 631. In der DE-PS 5 63 757 wird darüber hinaus vorgeschlagen, einen metallischen Trägerkörper mit darauf aufgebrachtem katalytischem Material direkt elektrisch zuIn order for a catalytically active element to develop its catalytic effect, its temperature must exceed a certain limit temperature, the so-called "light-off temperature". The noble metals usually used as catalysts, such as platinum, rhodium or palladium, as well as known catalytically active compounds, have light-off temperatures of around 200 °C or more. Accordingly, it is necessary to preheat a catalytically active element. In the combustion plants presented, this requires preheating devices that allow the catalytically active elements to be heated to sufficiently high temperatures. Such preheating devices can, for example, be electrical heating devices of any type; corresponding proposals can be found in DE-A-22 51 631. In DE-PS 5 63 757 it is also proposed to directly electrically heat a metallic carrier body with catalytic material applied to it.
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beheizen.heat.
Im übrigen sind Trägerkörper in großer Zahl bekannt, die mit Beschichtungen aus katalytisch aktiven Materialien versehen und als katalytisch aktive Elemente hervorragend geeignet sind? siehe hierzu beispielsweise die Schriften EP-B-O 049 489, EP-B-O 121 174, EP-B-O 121 175, EP-A-3 245 737 und EP-A-O 245 738.Furthermore, a large number of carrier bodies are known which are provided with coatings made of catalytically active materials and are excellently suited as catalytically active elements? See, for example, the documents EP-B-O 049 489, EP-B-O 121 174, EP-B-O 121 175, EP-A-3 245 737 and EP-A-O 245 738.
Verbrennung eines Brennstoffes in einem katalytisch aktiven Element haftet ein substantieller Mangel an: Bei Erreichen des katalytisch aktiven Elementes hat der Gasstrom üblicherweise eine relativ geringe Temperatur, nämlich im wesentlichen die Temperatur der Umgebung der Vorrichtung, aus der er entnommenCombustion of a fuel in a catalytically active element has a substantial defect: When it reaches the catalytically active element, the gas stream usually has a relatively low temperature, namely essentially the temperature of the environment of the device from which it is taken. wurde. Mithin muß ein beachtlicher Teil der in dem katalytisch aktiven Element erzeugten Verbrennungswärme dazu aufgewendet werden, den kalten Gasstrom auf eine ausreichend hohe Temperatur aufzuwärmen, bevor überhaupt die Verbrennungsreaktion einsetzen kann. Dies aber bedeutet, daß die Reaktion in dem katalytischwas. Therefore, a considerable part of the combustion heat generated in the catalytically active element must be used to heat the cold gas stream to a sufficiently high temperature before the combustion reaction can even begin. However, this means that the reaction in the catalytically active element aktiven Element instabil wird, sobald der Luftmassendurchsatz des Gasstroms eine gewisse Schwelle überschreitet. Insbesondere besteht die Gefahr, daß der Katalysator in seinem Anströmbereich, also in dem Bereich, der von dem Gasstrom zuerst berührt wird, so weit abgekühlt wird, daß die katalytische Reaktion zumactive element becomes unstable as soon as the air mass flow rate of the gas flow exceeds a certain threshold. In particular, there is a risk that the catalyst in its inflow area, i.e. in the area that is first touched by the gas flow, will be cooled to such an extent that the catalytic reaction to Erliegen kommt. Es kann also eine gewisse "tote Zone" entstehen, die sich je nach Massendurchsatz und Temperatur des Gasstroms über das gesamte katalytisch aktive Element ausbreitet, so daß die Reaktion vollständig ausfällt. Zusammenfassend läßt sich sagen, daß bislang bekannte Methoden zur flammlosen VerbrennungA certain "dead zone" can therefore arise, which, depending on the mass flow rate and temperature of the gas flow, spreads over the entire catalytically active element, so that the reaction fails completely. In summary, it can be said that previously known methods for flameless combustion eines Brennstoffes in einem Gasstrom nur in einem begrenzten, insbesondere nach oben stark eingeschränkten Leistungsbereich für die Erzeugung der Wärme geeignet sind.of a fuel in a gas stream are only suitable for generating heat within a limited, particularly highly restricted, power range.
Entsprechend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die Erzeugung von Wärme durch flammlose Verbrennung eines Brenn-Accordingly, the invention is based on the object of generating heat by flameless combustion of a fuel
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Stoffes In einem Gasstrom so zu verbessern, daü die Verbrennungsreaktion stabil ist und einen für die praktische Anwendung ausreichend großen Regelbereich für die Wärmeleistung aufweist.substance in a gas stream so that the combustion reaction is stable and has a sufficiently large control range for the heat output for practical application.
Diese Aufgabe löst erfindungsgemäß eine Vorrichtung zur Erzeugung von Wärme durch flammlose Verbrennung eines Brennstoffes in einem Gasstrom mit Sauerstoffgehalt, wobei:This object is achieved according to the invention by a device for generating heat by flameless combustion of a fuel in a gas stream containing oxygen, wherein:
a) der Gasstrom durch mindestens eine Heizeinrichtung, entlang mindestens einer Zustelleinrichtung für den Brennstoff und entlang mindestens eines ersten katalytisch aktiven Elementes strömt;a) the gas stream flows through at least one heating device, along at least one feed device for the fuel and along at least one first catalytically active element;
b) der Gasstrom zumindest teilweise in einer Schleife geführt wird und dabei durch eine erste Fördervorrichtung und entlang des ersten katalytisch aktiven Elementes strömt;b) the gas stream is guided at least partially in a loop and flows through a first conveying device and along the first catalytically active element;
c) in die Schleife ein Gas mit Sauerstoffgehalt einspeisbar und aus der Schleife ein Teil des Gasstroms ausspeisbar ist.c) a gas containing oxygen can be fed into the loop and a part of the gas flow can be fed out of the loop.
Ein wesentliches Element der Erfindung ist die zumindest teilweise Führung des Gasstroms in einer Schleife, die das katalytisch aktive Element und außerdem eine Fördervorrichtung zur Aufrechterhaltung des Gasstroms in der Schleife enthält. In der Schleife wird zumindest ein Teil des von dem katalytisch aktiven Element abströmenden Gasstroms wieder der Anströmseite des katalytisch aktiven Elementes zugeführt. Oa die Temperatur des abströmenden Gasstroms durch die Verbrennung relativ hoch ist, ergibt sich durch den in der Schleife geführten Gasstromanteil eine Erhöhung der Temperatur des das katalytisch aktive Element anströmenden Gasstroms. Damit wird verhindert, daß der von dem Gasstrom angeströmte Bereich des katalytisch aktiven Elementes zu stark abkühlt, und die Entstehung toter Zonen wird ausgeschlossen. Darüber hinaus kann durch geeignete Wahl des rückgeführten Anteils eine im wesentlichen gleichmäßige Ausnutzung des katalytisch aktiven Elementes über seine gesamte Ausdehnung erreicht werden. Auch wird der Anteil der Verbrennungswärme, der zur Aufheizung des brennstoffhaltigenAn essential element of the invention is the at least partial guidance of the gas flow in a loop which contains the catalytically active element and also a conveying device for maintaining the gas flow in the loop. In the loop, at least a portion of the gas flow flowing out of the catalytically active element is fed back to the inflow side of the catalytically active element. If the temperature of the outflowing gas flow is relatively high due to the combustion, the gas flow portion guided in the loop results in an increase in the temperature of the gas flow flowing towards the catalytically active element. This prevents the area of the catalytically active element flowing towards the gas flow from cooling down too much and the formation of dead zones is excluded. In addition, by appropriately selecting the recirculated portion, a substantially uniform utilization of the catalytically active element over its entire extent can be achieved. The portion of the combustion heat which is used to heat up the fuel-containing
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Gasstroms auf und über die Anspringtemperatur des Katalysators aufgewendet werden muß, stark verringert. Die Folge ist eine beträchtliche Vergrößerung des Regelbereiches für die nrzeugte Wärmeleistung, ohne daß wesentliche Abstriche beim thermischen Wirkungsgrad in Kauf genommen werden müssen.The result is a considerable increase in the control range for the heat output generated, without having to accept any significant reduction in thermal efficiency.
Gegenüber den Möglichkeiten aus dem Stand der Technik können gemäß der Erfindung erstmals die Betriebsbedingungen der Verbrennung ohne Berücksichtigung des Wärmetransports in dem katalytisch aktiven Element festgelegt werden. Der Massendurchsatz eines auf Umgebungstemperatur befindlichen Gasstroms, der das katalytisch aktive Element anströmt, muß unterhalb einer kritischen Größe bleiben, die sich aus der Größe des Wärmetransports zur Anströmseite des katalytisch aktiven Elementes bestimmt. Bei ausreichend hoher Vorwärmung des das katalytisch aktive Element anströmenden Gasstroms, wie es gemäß der Erfindung möglich ist, wird diese Grenze zu höheren Durchsätzen, unter Umständen bis hin zu Größen jenseits der praktischen Anwendbarkeit, verschoben. Damit wird eine Betriebsart möglich, bei der das Brennstoff-Sauerstoff-Verhältnis in dem Gasstrom unabhängig von der geforderten Wärmeleistung auf einem konstanten Wert gehalten und die Wärmeleistung lediglich über den Massendurchsatz des Gasstroms geregelt wird. Die Temperatur des Gasstroms beim Anströmen des katalytisch aktiven Elementes bleibt aufgrund der Rückführung durch die Schleife auf einem hinreichend hohen Wert, so daß die Verbrennungsreaktion vollkommen stabil gehalten werden kann.Compared to the possibilities of the prior art, according to the invention, the operating conditions of the combustion can be determined for the first time without taking into account the heat transport in the catalytically active element. The mass flow rate of a gas flow at ambient temperature that flows towards the catalytically active element must remain below a critical value that is determined by the amount of heat transport to the upstream side of the catalytically active element. With sufficiently high preheating of the gas flow flowing towards the catalytically active element, as is possible according to the invention, this limit is shifted to higher flow rates, possibly to values beyond practical applicability. This enables an operating mode in which the fuel-oxygen ratio in the gas flow is kept at a constant value regardless of the required heat output and the heat output is regulated only by the mass flow rate of the gas flow. The temperature of the gas stream as it flows towards the catalytically active element remains at a sufficiently high value due to the recirculation through the loop, so that the combustion reaction can be kept completely stable.
Eine günstige Weiterbildung der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, daß der überwiegende Teil des Gasstroms, beispielsweise zu einem Abteil von etwa 70 SS bis etwa 90 %, in der Schleife geführt wird. Es liegt damit im wesentlichen ein Gas-Kreisstrom vor, in den nach Bedarf Brennstoff und Luft (bzw. anderes sauerstoffhaltiges Gas) eingespeist werden können und aus dem nach Bedarf, z. B. zur Druckbegrenzung, Gas ausspeisbar ist. Damit sind die Vorteile der Wärmespeicherung in dem Gasstrom,A favorable development of the invention is characterized in that the majority of the gas flow, for example to a compartment of about 70 SS to about 90%, is guided in the loop. This essentially creates a gas circulating flow into which fuel and air (or other oxygen-containing gas) can be fed as required and from which gas can be fed out as required, e.g. to limit the pressure. This means that the advantages of heat storage in the gas flow,
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insbesondere zur Aufrechterhaltung einer ausreichend hohen Betriebstemperatur des katalytisch aktiven Elementes, voll ausnutzbar; zur Vermeidung übermäßiger thermischer Belastungen kann durch Wärmeauskopplung in der Schleife die Temperatur des Gasstroms begrenzt, insbesondere auf einer Temperatur im Bereich der Anspringtemperatur des katalytisch aktiven Elementes, gehalten werden. Wenn die erfindungsgemäße Anlage ihre Betriebstemperatur erreicht hat, ist die Wärmeerzeugung zur Aufrechterhaltung dieser Betriebstemperatur nur insoweit erforderlich, als die Abfuhr von Wärme ausgeglichen werden muß.in particular to maintain a sufficiently high operating temperature of the catalytically active element; to avoid excessive thermal stress, the temperature of the gas flow can be limited by heat extraction in the loop, in particular kept at a temperature in the range of the start-up temperature of the catalytically active element. When the system according to the invention has reached its operating temperature, heat generation to maintain this operating temperature is only necessary to the extent that the removal of heat must be compensated.
Die Ingangsetzung der Verbrennung erfolgt günstigerweise derart, daß vor dem Einsetzen der katalytischen Reaktion der in der Schleife geführte Gasstrom von einer Heizeinrichtung, die vorzugsweise elektrisch betrieben wird, solange aufgewärmt wird, bis seine Temperatur die Anspringtemperatur des katalytisch aktiven Elementes erreicht, bzw. bis das katalytisch aktive Element ausreichend aufgeheizt ist. Weitere Maßnahmen zur Einleitung der Verbrennung, wie z. B. besondere Zündbrenner oder elektrische Zündkerzen, sind nicht erforderlich.The combustion is advantageously started in such a way that, before the catalytic reaction begins, the gas flow in the loop is heated by a heating device, which is preferably electrically operated, until its temperature reaches the light-off temperature of the catalytically active element or until the catalytically active element is sufficiently heated. Further measures to initiate the combustion, such as special pilot burners or electric spark plugs, are not required.
Bei der Ingangsetzung der Verbrennung kann vorteilhafterweise die Einspeisung sauerstoffhaltigen Gases in den zirkulierenden Gasstrom unterbleiben, nachdem ein Gasstrom mit hinreichen .'em Sauerstoffgehalt aufgebaut ist. Auch ist vor dem Einsetzen der Verbrennung keine dauernde Zugabe von Brennstoff erforderlich; es ist vollkommen ausreichend, den Gasstrom einmal mit einer geringen Menge Brennstoff zu versetzen, da es oei der katalytischen Verbrennung nicht auf ein spezielles Mischungsverhältnis von Brennstoff und Sauerstoff ankommt. Der mit Brennstoff versetzte, sauerstoffhaltige Gasstrom wird lediglich solange von der Heizeinrichtung aufgewärmt, bis das katalytisch aktive Element durch Wärmeübertragung und/oderWhen starting the combustion, the feeding of oxygen-containing gas into the circulating gas stream can advantageously be omitted once a gas stream with sufficient oxygen content has been built up. Also, no continuous addition of fuel is required before the combustion begins; it is completely sufficient to add a small amount of fuel to the gas stream once, since a specific mixture ratio of fuel and oxygen is not important for catalytic combustion. The oxygen-containing gas stream mixed with fuel is only heated up by the heating device until the catalytically active element is activated by heat transfer and/or
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direkte Vorheizung eine Temperatur erreicht hat, bei der der &Aacgr; Katalysator aktiviert wird. Das Ingangsetzen der Verbrennung j ist mithin in jeder Phase vollkommen sicher, da hohe Konzentrationen von Brennstoff, mit der damit verbundenen Gefahrdirect preheating has reached a temperature at which the &Aacgr; catalyst is activated. The start of combustion j is therefore completely safe in every phase, since high concentrations of fuel, with the associated danger von Fehlzündungen, vermieden werden.of misfires can be avoided.
Eine besonders vorteilhafte Möglichkeit zum Betrieb der Vorrichtung gemäß der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, daß die Zustellung von Brennstoff in den Gasstrom jederzeit so geringA particularly advantageous possibility for operating the device according to the invention is characterized in that the feed of fuel into the gas stream is always as low as possible gehalten wird, daß das entstehende Brennstoff-Gas-Gemisch nicht selbstzündfähig, insbesondere nicht explosiv ist. Wie bereits ausgeführt, kann die Temperatur des Gasstroms beim Anströmen des katalytisch aktiven Elementes durch die Rückführung in der Schleife weitgehend unabhängig von seineris maintained so that the resulting fuel-gas mixture is not self-igniting, and in particular not explosive. As already explained, the temperature of the gas stream when flowing towards the catalytically active element can be largely independent of its Strömungsgeschwindigkeit, und damit dem Massendurchsatz, ausreichend hoch gehalten werden. Entsprechend kann der Massendurchsatz des Gasstroms im wesentlichen frei der Menge des zugestellten Brennstoffs, die die thermische Leistung bestimmt, angepaßt werden; insbesondere kann das Mischungsverhältnis vonFlow velocity, and thus the mass flow rate, can be kept sufficiently high. Accordingly, the mass flow rate of the gas flow can be adapted essentially freely to the amount of fuel supplied, which determines the thermal output; in particular, the mixing ratio of Brennstoff und Sauerstoff in dem Gasstrom konstant, vorzugsweise konstant mager, gehalten werden. Ein praktisch vollkommen sicherer Betrieb ist somit möglich.Fuel and oxygen in the gas stream are kept constant, preferably constantly lean. This enables practically completely safe operation.
Temperatur des Gasstroms beim Erreichen des katalytisch aktiven Elementes dessen Anspringtemperatur nicht unterschreitet. Diese Möglichkeit steht im Rahmen der Erfindung immer offen? ihre Vorteile ergeben sich naturgemäß in erster Linie dann,Temperature of the gas flow when it reaches the catalytically active element does not fall below its start-up temperature. This possibility is always open within the scope of the invention? its advantages naturally arise primarily when wenn die Verbrennung mit einem stets mageren Brennstoff-Luft-Gemisch durchgeführt wird.if combustion is carried out with a constantly lean fuel-air mixture.
Die Ausspeisung von Gas aus dem in der Schleife geführten Gasstrom wird unbeschadet weiterer Ausgestaltungen vofteilhäftefweise derart gesteuert, däG nur dannThe discharge of gas from the gas flow guided in the loop is, without prejudice to further configurations, advantageously controlled in such a way that eine Ausspeisung erfolgt, wenn der Gasdruck in der Schleifea discharge occurs when the gas pressure in the loop
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einen gewissen Grenzwert überschreitet. Durch eine Verbrennung bei hohem Sauerstoffüberschuß ist eine mehrfache Rezirkulation des Gasstroms möglich, ohne daß die guten Eigenschaften der Erfindung, darunter die ausgeprägte Schadstoffarmut der flammlosen Verbrennung, verlorengehen. Lediglich ist mit der Er wärmung des Gasstroms eine Erhöhung des Innendrucks verbunden, tier durch Ausspeisung von Gas begegnet werden muß, Dl:, Ausspeisung kann dabei mittels geeigneter Ventile t insbesondere mittels selbsttätiger Überdruck-Sicherheitsventile, erfolgen;exceeds a certain limit value. Combustion with a high excess of oxygen makes it possible to recirculate the gas flow several times without losing the good properties of the invention, including the pronounced lack of pollutants in flameless combustion. The only thing that is associated with the heating of the gas flow is an increase in the internal pressure, which must be counteracted by releasing gas. Release can be carried out by means of suitable valves, in particular by means of automatic overpressure safety valves. unter Umständen kann die Druckregelung auch durch reine strömun ^technische Maßnahmen, beispielsweise durch €l.e Ausgestaltung des der Ausspeisung dienenden Gasauslasses als Stichleitung mit ausreichend geringem hydraulischem Querschnitt, erfolgen.Under certain circumstances, pressure control can also be achieved by purely fluid-technical measures, for example by designing the gas outlet serving for discharge as a branch line with a sufficiently small hydraulic cross-section.
Ein besonderes Anwendungsgebiet der Erfindung ist die Erzeugung von Wärmeenergie für Heizzwecke; insbesondere bezieht sie sich auf portable und mobile Vleizanlagen, wie Heizgebläse für Lagerhallen oder dergleichen,A particular field of application of the invention is the generation of thermal energy for heating purposes; in particular, it relates to portable and mobile heating systems, such as heating fans for warehouses or the like, und Heizeinrichtungen für Kraftfahrzeuge. Entsprechendand heating systems for motor vehicles. Accordingly wird eine Vorrichtung nach der Erfindung für die Erzeugung von Wärmeenergie mit einer maximalen thermischen Leistung von etwa 10 Kilowatt, insbesondere bis zu etwa 7 Kilowatt, vorzugsweise im Bereich von 4 Kilowatt, ausgelegt.a device according to the invention is designed for the generation of heat energy with a maximum thermal output of about 10 kilowatts, in particular up to about 7 kilowatts, preferably in the range of 4 kilowatts.
Vorteilhafte Anwendungen findet die Erfindung in erster Linie zur Einbringung der in dem Gasstrom erzeugten Wärme in eine von diesem umströmbare und/oder durchströmbare Komponente, namentlich einen oder mehrere Wärmetauscher und/oder einen oderThe invention finds advantageous applications primarily for introducing the heat generated in the gas stream into a component that can be flowed around and/or through, namely one or more heat exchangers and/or one or mehrere Abgaskatalysatoren.several exhaust catalysts.
Gegenstand der Erfindung ist eine Vorrichtung zur Einbringung von durch flammlose Verbrennung eines Brennstoffes in einem Gasstrom entstandener Wärme in eine Komponente, die von dem Gasstrom umstfömbäf und/öder dürchstrombaJ ist, enthaltend:The invention relates to a device for introducing heat generated by flameless combustion of a fuel in a gas stream into a component which is surrounded by and/or flows through the gas stream, containing:
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a) ein Gasführungssystem zur Führung des Gasstroms, mit mindestens einer Schleife, eine.: Zustelleinrichtung zur Zustellung des Brennstoffes, einem Gaseinlaß, einem Gasauslaß und der Komponente;a) a gas guidance system for guiding the gas flow, with at least one loop, a delivery device for delivering the fuel, a gas inlet, a gas outlet and the component;
b) in der Schleife angeordnet eine erste Fördervorrichtung zur Aufrechterhaltung des Gasstroms in der Schleife, eine Heizeinrichtung sowie ein erstes katalytisch aktives Element.b) arranged in the loop are a first conveying device for maintaining the gas flow in the loop, a heating device and a first catalytically active element.
Eine Vorrichtung mit diesen Merkmalen ist für der Einsatz als portaoles oder mobiles Heizsystem, beispielswei-s als Stand-odöi Zusatzneizanlage für ein Kraftfahrzeug oder als portable Heizanlage zur Beheizung großer Hallen hervorragend geeignet. Es ist auch möglich, au ig' -j. &Iacgr; d^r vermöge der flammlosen Verbrennung relat"/ niedrige^ Betriebstemperaturen preiswerte Werkstoffe zum Aufbau zu verwenden, o'vie daß Einbußen im Hinblick auf Lebensdauer und Belsstbqrkeit in Kauf genommen werden müssen.A device with these features is ideally suited for use as a portable or mobile heating system, for example as a stationary additional heating system for a motor vehicle or as a portable heating system for heating large halls. It is also possible to use inexpensive materials for the construction due to the flameless combustion and relatively low operating temperatures, although losses in terms of service life and durability must be accepted.
Die Anordnung der Zustelleinrichtung für den Brennstoff ist relativ unkritisch; sie kann im Gaseinlaß angeordnet werden, so Haß eine Brennstoffzustellung in den Gasstrom nur zusammen mit einer gewissen Menge von Frischgas möglich ist. Damit wird immerhin vermieden, daß in dem in der Schleife geführten Gasstrom Sauerstoffmangel auftritt, der konsequenterweise bei der Verbrennung zur Produktion von Schadstoffen, wie z. B. Kohlenmonoxid, führen müßte. Es kann aber auch sinnvoll sein, die Zustelleinrichtung so anzuordnen, daß Brennsto·&Ggr; direkt in die Schleife injiziert wird. Derart kann jedenfalls der Gasstrom zumindest eine Zeit lang ohne Einspeisung von Frischgas in der Schleife geführt werden, was insbesondere bei geringen Wärmeleistungen im Hinblick auf die Vermeidung von Wärmeleckagen sehr interessant ist. Selbstverständlich ist es dann erforderlich, durch geeignete Uberwachungsmaßnahmen das Auftreten von Sauerstoffmangel zu vermeiden.The arrangement of the feed device for the fuel is relatively uncritical; it can be arranged in the gas inlet so that fuel can only be fed into the gas flow together with a certain amount of fresh gas. This at least prevents a lack of oxygen from occurring in the gas flow guided in the loop, which would consequently lead to the production of pollutants such as carbon monoxide during combustion. However, it can also be useful to arrange the feed device so that fuel is injected directly into the loop. In this way, the gas flow can be guided in the loop for at least a while without the addition of fresh gas, which is particularly interesting with low heat outputs in terms of avoiding heat leaks. It is of course then necessary to prevent the occurrence of a lack of oxygen by means of suitable monitoring measures.
Für die Anordnung der Komponente, in die die VerbrennungswärmeFor the arrangement of the component into which the combustion heat
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K 1 einzubringen ist, gibt es ebenfalls mehrere Möglichkeiten: So kann diese Komponente Bestandteil der Schleife sein und in das M bereits erwähnte System zur Regelung der Temperaturen in dem ■2 Gasstrom einbezogen werden. Die Komponente entzieht dem 5 Gasstrom auf jeden Fall Wärme; sofern sie in der Schleife $ liegt, kann sie so bemessen werden, daß die Temperatur des Gasstrom.", wenn sr die Komponente &eeacgr;*.::, .hströmt hat, auf einem Tfimperaturniveau im Bereich der Anspringtemperatur des Kj.I dlytisch aktiven Elementes liegt; der Betrieb der Verbrennung mit praktisch vollständiger Rückführung des Gasstroms in der Schleife, mit allen sich daraus ergebenden Vorteilen, kann derart realisiert werden. Die Einfüguny der Komponente in die Sehleife ist jedoch keineswegs zwingend; bei entsprechender Auslegung der übrigen Bestandteile der Schleife kann die Komponente auch im Gasauslaß angeordnet werden, wobei die Vorteile der Stabilisierung der flammlosen Verbrennung durch teilweise Rückführung des Gasstroms nach wie vor erhalten bleiben. Im übrigen ist es sehr wohl denkbar und auch vorteilhaft, sowohl eine Komponente in der Schleife als auch eine Komponente in dem Gasauslaß anzuordnen; bei gewissen Anwendungen kann dies zusätzliche Vorteile nach sich ziehen.K 1 is to be introduced, there are also several possibilities: This component can be part of the loop and be included in the M already mentioned system for controlling the temperatures in the ■2 gas stream. The component removes heat from the 5 gas stream in any case; if it is located in the loop $, it can be dimensioned so that the temperature of the gas stream, when the component &eeacgr;*.::, .h has flowed, is at a temperature level in the range of the light-off temperature of the Kj.I lytically active element; the operation of the combustion with practically complete recirculation of the gas stream in the loop, with all the resulting advantages, can be realized in this way. The insertion of the component in the loop is by no means compulsory; with appropriate design of the other components of the loop, the component can also be arranged in the gas outlet, whereby the advantages of stabilizing the flameless combustion by partial recirculation of the gas stream are still retained. Moreover, it is very conceivable and also advantageous to arrange both a component in the loop and a component in the gas outlet; in certain applications this can result in additional advantages.
Eine Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung, die zu anderen Weiterbildungen hinzutreten kann, zeichnet sich dadurch aus, daß das die flammlose Verbrennung bewirkende erste katalytisch aktive Element Bestandteil der Heizeinrichtung ist. Die Vorrichtung weist also ein im wesentlichen direkt und unmittelbar beheizbares erstes katalytisch aktives Element auf. Bei der Inbetriebsetzung dieser Vorrichtung, durchzuführen in beschriebener Weise durch Vorheizen des Gasstroms mittels der Heizeinrichtung, wird das erste katalytisch aktive Element direkt aufgewärmt und kann daher seine Anspringtemperatur besonders schnell erreichen. Ist dies der "all, so setzt die flammlose Verbrennung ein und liefert zusätzliche Energie zur Aufheizung des Gasstroms und der weiteren Bestandteile derA further development of the device according to the invention, which can be added to other developments, is characterized in that the first catalytically active element that causes the flameless combustion is a component of the heating device. The device therefore has a first catalytically active element that can be heated essentially directly and immediately. When this device is put into operation, which is carried out in the manner described by preheating the gas flow using the heating device, the first catalytically active element is heated directly and can therefore reach its starting temperature particularly quickly. If this is the case, the flameless combustion begins and provides additional energy for heating the gas flow and the other components of the
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Vorrichtung. Der für die Ingangsetzung der Verbrennung erforderliche Bedarf an außerhalb der Vorrichtung aufzubringender Heizenergie kann auf diese Weise beträchtlich reduziert werden, was insbesondere im Hinblick auf mögliche Anwendungen inDevice. The amount of heat energy required to start combustion from outside the device can thus be considerably reduced, which is particularly important with regard to possible applications in
5 Kraftfahrzeugen interessant ist.5 motor vehicles is interesting.
Die Heizeinrichtung selbst wir·* günstigerweise mit einer Heizleiteranordnung gebildet, die mit einem elektrischen Strom beaufschlagbar ist. Die Elektroheizung ist eine einfache und saubere Möglichkeit und damit ausgezeichnet vor anderen Heizeinrichtungen, wie z. B. konventionellen Brennern.The heating device itself is advantageously formed with a heating conductor arrangement that can be supplied with an electric current. Electric heating is a simple and clean option and is therefore superior to other heating devices, such as conventional burners.
Das Einspeisen von Gas in die Vorrichtung erfolgt in der Regel nicht selbsttätig; es ist eine Fördermöglichkeit für frisches Gas vorzusehen. Diese Fördermöglichkeit kann gegeben sein durch eine geeignet gestaltete erste Fördervorrichtung in der Schleife; andernfalls kann eine zweite Fördervorrichtung zur Zustellung von Frischgas in die Schleife in dem Gaseinlaß angeordnet werden.The feeding of gas into the device does not usually occur automatically; a means of conveying fresh gas must be provided. This conveying means can be provided by a suitably designed first conveying device in the loop; otherwise a second conveying device for supplying fresh gas to the loop can be arranged in the gas inlet.
Vorteilhaft is«, es weiterhin, in der Vorrichtung nach der Erfindung Sensoren zur Betriebsüberwachung vorzusehen. Hierzu sind besonders Lambda-Sonden zur Bestimmung der Zusammensetzung des zirkulierenden Gasstroms und auch Thermoelemente zur Überwachung der Betriebstemperaturen günstig und sinnvoll.It is also advantageous to provide sensors for monitoring operation in the device according to the invention. Lambda sensors for determining the composition of the circulating gas flow and also thermocouples for monitoring the operating temperatures are particularly suitable and useful for this purpose.
Ein wesentliches Anwendungsgebiet der Erfindung ist die Beheizung katalytisch aktiver Elemente, insbesondere dip Beheizung der Abgaskatalysatoren im Abgassystem eines Kraftfahrzeuges vor der Inbetriebnahme des Verbrennungsmotors. Bekannt ist die elektrische Beheizung von Abgaskatalysatoren mit metallischen Trägerkörpern, die jedoch nur für spezielle, hinsichtlich ihres elektrischen Widerstandes optimierte Trägerkörper sinnvoll anwendbar ist. Um eine sinnvolle Vorheizung zu erzielen, muß der Trägerkörper mit Leistungen von 1 kW und darüber beaufschlagt werden; die BereitstellungA key area of application of the invention is the heating of catalytically active elements, in particular the heating of exhaust catalysts in the exhaust system of a motor vehicle before the combustion engine is started. The electrical heating of exhaust catalysts with metallic carrier bodies is known, but this is only useful for special carrier bodies that are optimized in terms of their electrical resistance. In order to achieve meaningful preheating, the carrier body must be subjected to powers of 1 kW and above; the provision
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solcher Leistungen ist jedoch mit der elektrischen Anlage eines Kraftfahrzeuges nur in stark eingeschränktem Umfang möglich. Außerdem beträgt der elektrische Widerstand eines metallischen irägerkörpers üblicher Bauart je nach Größe nur wenige hundertstel Ohm, was für eine elektrische Beheizung in Anbetracht der Verlustwiderstände in den Zuführungsleitungen nicht günstig ist. Die Erfindung erlaubt nunmehr die Beheizung eines Abgaskatalysators mit der Wärme aus einer sauberen und sicheren Verbrennungsreaktion, wobei ohne weiteres Heizleistungen bis zu mehreren Kilowatt möglich sind. Eine eventuelle elektrische Beheizung betrifft nur noch das erste katalytische Element, das die wärmeproduzierende Verbrennungsreaktion auslöst. Dieses erste katalytische Element ist aber in aller Regel kleiner als der Abgaskatalysator, so daß sich das Problem des geringen elektrischen Widerstandes in weit geringem Umfang, wenn überhaupt, stellt. Darüber hinaus ist das erste katalytische Element nicht den thermischen und mechanischen Belastungen des Abgaskatalysators, der mit einem pulsierenden Abgasstrom beaufschlagt wird, unterworfen; es braucht dementsprechend nicht auf höchste Belastbarkeit getrimmt zu werden und bietet somit eine Fülle konstruktiver Möglichkeiten zur Erhöhung des elektrischen Widerstandes.However, such performance is only possible to a very limited extent with the electrical system of a motor vehicle. In addition, the electrical resistance of a metallic carrier body of conventional design is only a few hundredths of an ohm, depending on its size, which is not ideal for electrical heating in view of the loss resistance in the supply lines. The invention now allows an exhaust gas catalyst to be heated with the heat from a clean and safe combustion reaction, whereby heating outputs of up to several kilowatts are easily possible. Any electrical heating only affects the first catalytic element, which triggers the heat-producing combustion reaction. However, this first catalytic element is usually smaller than the exhaust gas catalyst, so that the problem of low electrical resistance arises to a much lesser extent, if at all. In addition, the first catalytic element is not subjected to the thermal and mechanical stresses of the exhaust gas catalyst, which is exposed to a pulsating exhaust gas flow; Accordingly, it does not need to be trimmed to the highest load capacity and thus offers a wealth of design options for increasing the electrical resistance.
Ein weiteres Anwendungsgebiet der Erfindung ist die Bereitstellung von Wärme zu Heizzwecken, insbesondere zur Beheizung von Kraftfahrzeugen, wobei in der erfindungsgemäßen Vorrichtung mindestens eine der Wärmeaufnahme dienende Komponente ein Wärmetauscher ist. Der Wärmetauscher weise dabei sowohl ein Kanalsystem für die Führung des Gasstroms als auch ein Kanalsystem für die Führung eines Wärmeträgerfluides, insbesondere Luft oder Wasser, auf. Beim Betrieb der Vorrichtung wird das Wärmeträgerfluid von einer externen oder internen Fördervorrichtung durch den Wärmetauscher transportiert, wobei es sich erwärmt und anschließend dem gewünschten Heizzweck dient.A further area of application of the invention is the provision of heat for heating purposes, in particular for heating motor vehicles, wherein in the device according to the invention at least one component used to absorb heat is a heat exchanger. The heat exchanger has both a channel system for guiding the gas flow and a channel system for guiding a heat transfer fluid, in particular air or water. When the device is in operation, the heat transfer fluid is transported through the heat exchanger by an external or internal conveying device, where it heats up and then serves the desired heating purpose.
, Als Wärmeträgerfluid kommen sowohl Luft als auch Wasser in Frage. Speziell im Fall der Kraftfahrzeugheizung kann die Vorrichtung in das Kühlflüssigkeitssystem integriert werden, wobei if.i letzteren Fall gleichzeitig mit der Beheizung des, Both air and water can be used as heat transfer fluid. Especially in the case of vehicle heating, the device can be integrated into the cooling liquid system, whereby if.i the latter case simultaneously with the heating of the
c Innenraums eine Vorwärmung des Verbrennungsmotors vor Inbetriebnahme möglich ist.c Preheating of the combustion engine is possible in the interior before start-up.
Unbeschadet weiterer Ausgestaltungen ist eine besonders vorteilhafte Weiterbildung der erfindungsgemäßen VorrichtungWithout prejudice to further embodiments, a particularly advantageous development of the device according to the invention
,j-, mit Wärmetauscher dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmetauscner das die Verbrennungsreaktion auslösende erste katalytisch aktive Element trägt, beispielsweise derart, daß das den Gasstrom führende Leitungssystem des Wärmetauschers Wandungen aufweist, die katalytisch wirksame Schichten tragen, an denen,j-, with heat exchanger characterized in that the heat exchanger carries the first catalytically active element that triggers the combustion reaction, for example in such a way that the piping system of the heat exchanger that carries the gas flow has walls that carry catalytically active layers on which
,&egr; der Gasstrom vorbeistreicht (die Möglichkeit des Vorhandenseins eines weiteren ersten katalytisch aktiven Elementes soll dabei nicht ausgeschlossen sein). Eine entsprechend ertücntigte Vorrichtung weist einen sehr kurzen Übertragungsweg für die Verbrennungswärme auf; der Wärmeübergang erfolgt derart mit,ε the gas flow passes by (the possibility of the presence of another first catalytically active element should not be excluded). A suitably improved device has a very short transfer path for the combustion heat; the heat transfer takes place in such a way with
2Q hohem Wirkungsgrad sowie bei besonders geringen Verlusten, und eine besonders kompakte Bauform für die Vorrichtung ist erzielbar.2Q high efficiency and particularly low losses, and a particularly compact design for the device can be achieved.
Wie bereits erwähnt, können in der Vorrichtung ^emäß der Erfindung wärmeaufnehrric;nde Komponenten sowohl in dem die Schleife bildenden Gasführungssystem als auch im Gasauslaß angeordnet werden. Eine dementsprechende, besonders interessante Weiterbildung ergibt sich durch Anordnung je eines Wärmetauschers in der Schleife und in dem Gasauslaß, wobei 3Q vorzugsweise die das Wärmeträgerfluid führenden Kanalsysteme der Wärmetauscher miteinander kommunizieren, insbesondere in Reihe g;:.schaltet sind. Eine derartige Vorrichtung liefert aus dem Gasauslaß ein relativ stark abgekühltes Abgas und ist daher besonders günstig zur Verwendung in wärmeempfindlichen oder -J5 gegen übermäßige Hitze zu schützenden Umgebungen, beispielsweise Kraftfahrzeug-Innenräumen.As already mentioned, in the device according to the invention, heat-absorbing components can be arranged both in the gas supply system forming the loop and in the gas outlet. A corresponding, particularly interesting development results from the arrangement of a heat exchanger in the loop and in the gas outlet, whereby the channel systems of the heat exchangers carrying the heat transfer fluid preferably communicate with one another, in particular are connected in series. Such a device delivers a relatively strongly cooled exhaust gas from the gas outlet and is therefore particularly suitable for use in heat-sensitive environments or environments that need to be protected against excessive heat, for example vehicle interiors.
14 ... .14 ... .
Die Erfindung wird anhand der in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispiele weiter erläutert, wob°i die Figuren der Zeichnung Vorrichtungen zur Erzeugung von Wärme durch flammlose Verbrennung eines Brennstoffes in einem in einer Schleife geführten Gasstrom und Einbringung dieser Wärme in eine Komponente darstellen. Im einzelnen zeigen:The invention is further explained using the embodiments shown schematically in the drawing, where the figures of the drawing show devices for generating heat through flameless combustion of a fuel in a gas flow guided in a loop and introducing this heat into a component. In detail:
Figur 1 eine Vorrichtung zur Aufheizung eines Abgaskatalysators
in einem Kraftfahrzeug;
Finur 7 pine Vorr 1 rhtiinn zur Abführuna der hei der VerbrennunaFigure 1 shows a device for heating an exhaust gas catalyst in a motor vehicle;
Finur 7 pine Vorr 1 rhtiinn to remove the heat of the combustion
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erzeugten Wärme mittels eines Wärmetauschers; Figur 3 eine Vorrichtung nach Art der in Figur 2 dargestellten Vorrichtung, die beispielsweise als Stand- oder Zusatzheizung in einem Kraftfahrzeug besonders geeignet ist.generated heat by means of a heat exchanger; Figure 3 shows a device of the type shown in Figure 2, which is particularly suitable, for example, as an auxiliary or auxiliary heater in a motor vehicle.
Zur Erläuterung der für die Erfindung wesentlichen Einzelheiten wird zunächst auf alle drei Figuren der Zeichnung zugleich Bezug genommen; dazu wird angemerkt, daß die Bezugszeichen 101 bis 117 die Figur 1, die Bezugszeichen 201 bis 209 die Figur 2 und die Bezugszeichen 301 bis 319 die Figur 3 betreffen. In jedem Fall weist die Vorrichtung nach der Erfindung ein Gasführungssystem 102, 202, 302 auf, das aus Rohrleitungen oder dergleichen besteht und zur Führung des Gasstroms dient, wobei das Gasführungssystem 102, 202, 302 mindestens eine Schleife 103, 203, 303, aufweist, in der der Gasstrom im Kreis führoar ist. Dem in der Schleife 103, 203, 303 zirkulierenden Gasstrom ist durch einen Gase.inlaß 104, 204, 304 Frischgas mit Sauerstoffgehalt, insbesondere Luft, zuführbar· Hurch einen Gasauslaß 105, 205, 305 kann aus dem zirkulierenden Gasstrom ein gewisser Anteil ausgespeist werden. Während das Ausspeisen von Gas im wesentlichen passiv erfolgen kann, beispielsweise dadurch, daß der Gasauslaß 105, 205, 305 als langgestrecktes Rohr mit einem hydraulischen Querschnitt ausgeführt wird, der wesentlich geringer ist als der mittlere hydraulische Querschnitt des die Schleife 103, 203, 303 bildendenTo explain the details essential to the invention, reference is first made to all three figures of the drawing at the same time; it is noted that the reference numerals 101 to 117 refer to Figure 1, the reference numerals 201 to 209 to Figure 2 and the reference numerals 301 to 319 to Figure 3. In any case, the device according to the invention has a gas guide system 102, 202, 302 which consists of pipes or the like and serves to guide the gas flow, the gas guide system 102, 202, 302 having at least one loop 103, 203, 303 in which the gas flow is guided in a circle. Fresh gas with an oxygen content, in particular air, can be fed to the gas flow circulating in the loop 103, 203, 303 through a gas inlet 104, 204, 304. A certain proportion of the circulating gas flow can be fed out through a gas outlet 105, 205, 305. While the feeding out of gas can be essentially passive, for example by the gas outlet 105, 205, 305 being designed as an elongated pipe with a hydraulic cross section that is significantly smaller than the average hydraulic cross section of the loop 103, 203, 303.
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Rohrsystems, hat die Einspeisung von Gas aktiv, über geeignete Fördermittel, zu erfolgen. Die Zirkulation des Gasstroms in der Schleife 103, 203, 303 wird bewirkt durch eine erste Fördervorrichtung 106, 206, 306, insbesondere ein Gebläse, das in dem die Schleife 103, 203, 303 bildenden Teil des Gasführungssystems 102, 20?, 302 angeordnet ist. Zur Zustellung von Brennstoff in den Gasstrom ist in der Schleife 103, 203, 303 eine entsprechende Zustelleinrichtung 107, 207, 307, namentlich eine Düse oder Düsenanordnung mit einem geeigneten BrennstoffZuführungssystem, enthalten. Erfindungsgemäß erfolgt die Verbrennung des Brennstoffes in flammloser, katalytisch bewirkter Weise. Dazu weist die Schleife 103, 203, 303 ein katalytisch aktives Element 109, 209, 309 auf, insbesondere einen von dem Gasstrom durchströmbaren Wabenkörper mit einer Vielzahl von Kanälen, die auf ihren dem Gasstrom zugewandten Wandungen eine Beschichtung aus einem katalytischen Material (Platin, Rhodium oder dergleichen) aufweisen. Die Verbrennung in dem katalytisch aktiven Element 109, 209, 309 setzt bekanntermaßen erst dann ein, wenn die Temperatur des an dem Uatalytischen Material vorbeistreichenden Gasstroms die Anspringtemperatur des Katalysators überschreitet. Entsprechend ist in der Schleife 103, 203, 303 eine Heizeinrich' ,ng 108, 208, 308 vorgesehen. Diese Heizeinrichtung 108, 208, 308 kann eine mit einem elektrischen Strom beaufschlagbare Heizleiteranordnung sein, sie kann aber auch je nach Anwendung als normaler Brenner oder als Wärmetauscher ausgeführt werden. Schließlich weist jede dargestellte Vorrichtung mindestens eine Komponente 101, 201, 301, 318 auf, in die die bei der flammlosen Verbrennung in dem zirkulierenden Gasstrom entstandene Wärme einzubringen ist.Pipe system, the gas must be fed in actively, via suitable conveying means. The circulation of the gas flow in the loop 103, 203, 303 is effected by a first conveying device 106, 206, 306, in particular a blower, which is arranged in the part of the gas supply system 102, 20?, 302 forming the loop 103, 203, 303. To feed fuel into the gas flow, the loop 103, 203, 303 contains a corresponding feed device 107, 207, 307, namely a nozzle or nozzle arrangement with a suitable fuel supply system. According to the invention, the combustion of the fuel takes place in a flameless, catalytically effected manner. For this purpose, the loop 103, 203, 303 has a catalytically active element 109, 209, 309, in particular a honeycomb body through which the gas flow can flow and which has a large number of channels which have a coating of a catalytic material (platinum, rhodium or the like) on their walls facing the gas flow. As is known, combustion in the catalytically active element 109, 209, 309 only begins when the temperature of the gas flow passing the catalytic material exceeds the light-off temperature of the catalyst. Accordingly, a heating device 108, 208, 308 is provided in the loop 103, 203, 303. This heating device 108, 208, 308 can be a heating conductor arrangement to which an electric current can be applied, but it can also be designed as a normal burner or as a heat exchanger depending on the application. Finally, each device shown has at least one component 101, 201, 301, 318 into which the heat generated during the flameless combustion in the circulating gas flow is to be introduced.
Anwendungsbeispiele werden im folgenden im Rahmen der Einzelbeschreibungen der Figuren der Zeichnung weiter erläutert.Examples of applications are explained in more detail below in the individual descriptions of the figures in the drawing.
Figur 1 zeigt in schematischer Darstellung die Anwendung der Erfindung im Rahmen einer Vorrichtung zur Aufheizung eines Abgaskatalysators im Abgassystem eines Kraftfahrzeuges; der Abgaskatalysator stellt dabei die Komponente 101 dar, die mitFigure 1 shows a schematic representation of the application of the invention in the context of a device for heating an exhaust gas catalyst in the exhaust system of a motor vehicle; the exhaust gas catalyst represents the component 101, which
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der durch flammlose Verbrennung des Brennstoffes in demby flameless combustion of the fuel in the zirkulierenden Gasstrom entstandenen Wärme zu beaufschlagen und von dieser Wärme aufzuheizen ist. Das Gasführungssystem 102 wird gebildet aus e.lnem Abgasrohrstück 113, in dem der Abgaskatalysator 101 angeordnet ist, wobei, in Richtung des Abgasstroms gesehen, das Abgasrohrstück 113 vor und hinter dem Abgaskatalysator 101 jeweils eine Einmündung 114, 113 aufweist. Die Einmündungen 114, 1.15 sind über eine Umwegleitung miteinander verbunden, so daß die Schleife 102 gebildet w£rd circulating gas flow and to be heated by this heat. The gas guide system 102 is formed from an exhaust pipe section 113 in which the exhaust gas catalyst 101 is arranged, whereby, viewed in the direction of the exhaust gas flow, the exhaust pipe section 113 has an inlet 114, 113 in front of and behind the exhaust gas catalyst 101. The inlets 114, 115 are connected to one another via a bypass line, so that the loop 102 is formed. aus dem zwischen den Einmündungen 114, 115 gelegenenfrom the area between junctions 114 and 115 Abgasr ^rstück 113 unr! der Umwegleitung. Diese ist an beiden Einmündungen 114, 115 mittels Klappen 116, 117 verschließbar was im Hinblick auf die Bsiistung der Vorrichtung bei der Beaufschlagung mit Abgas zum Schutz der in der UmwegleitungExhaust pipe section 113 and the bypass line. This can be closed at both inlets 114, 115 by means of flaps 116, 117, which is important in terms of the performance of the device when exposed to exhaust gas to protect the bypass line. befindlichen Einrichtungen sinnvoll sein kann. Prinzipiell erforderlich sind die Klappen 116, 117 nicht; sie dienen weniger zur Sicherstellung der einwandfreien Funktion der erfindungsgemäßen Vorrichtung, sondern mehr dem Schutz der in der Umwegleitung befindlichen Einrichtungen. In dasIn principle, the flaps 116, 117 are not necessary; they serve less to ensure the proper functioning of the device according to the invention, but rather to protect the devices located in the bypass line. Gasführungssystem 102 integriert sind eine Lambda-Sonde 111 und ein Thermoelement 112} im Regelfall ist dem Abgaskatalysator 101 ohnehin eine Lambda-Sonde 111 zugeordnet, und es empfiehlt sich, diese auch beim Betrieb der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Regelung der flammlosen Verbrennung einzusetzen. Auch dasA lambda probe 111 and a thermocouple 112 are integrated into the gas supply system 102. As a rule, a lambda probe 111 is assigned to the exhaust gas catalyst 101 anyway, and it is recommended that this be used when operating the device according to the invention for controlling flameless combustion. The
Abgaskatalysators 101 mit Abgas als Funktionskontrolle für den Abgaskatalysator 101 dienen; im Rahmen der Erfindung ist es zur Bestimmung der Temperatur des aufzuheizenden Abgaskat&iysators lOl hilfreich. In der die Einmündungen 114, 115 miteinanderExhaust gas catalyst 101 with exhaust gas serves as a function control for the exhaust gas catalyst 101; within the scope of the invention it is helpful for determining the temperature of the exhaust gas catalyst 101 to be heated. In which the inlets 114, 115 are connected to one another verbindenden Umwegleitung sind, wie bereits erwähnt, die erste Fördervorrichtung 106, die Zustelleinrichtung 107, die Heizeinrichtung 108 und das erste katalytisch aktive Element 109 untergebracht; darüber hinaus mündet der Gaseinlaß 104 in die Umwegleitung. Der Gasauslaß 105 ist im dargestelltenAs already mentioned, the first conveying device 106, the feed device 107, the heating device 108 and the first catalytically active element 109 are accommodated in the bypass line connecting the two bypass lines; in addition, the gas inlet 104 opens into the bypass line. The gas outlet 105 is in the illustrated Beispiel unmittelbar die ins Freie mündende Abgasleitung. Im Gaseinlaß 104 vorgesehen ist darüber hinaus eine zweiteFor example, the exhaust pipe leading to the outside is directly connected. In the gas inlet 104, a second
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Fördervorrichtung 110 zur Zustellung von Frischluft. Außerdem ist im Rahmen einer günstigen Ausgestaltung der Erfindung die Heizeinrichtung 108 mit dem ersten katalytisch aktiven Element 109 vereinigt; dies kann konkret beispielsweise dadurch bewerkstelligt werden, daß ein metallischer Wabenkörper als Träger der katalytisch aktiven Schicht eingesetzt wird, der von einem elektrischen Strom durchströmbar und somit aufheizbar ist. Dies ist eine besonders gute Wahl, da damit bereits nach kurzer Anlaufzeit der erfindungsgemäßen Vorrichtung das Einsetzen der katalytischer! Reaktion gewahrleiscet ist; die Beheizung des ersten katalytisch aktiven Elementes 109 hat darüber hinaus den Vorteil, &Iacgr;&bgr;&THgr; die katalytische Reaktion stabilisiert werden kar.r., se'.ange die Temperatur des zirkulierenden Gasstroms not unterhalb der erforderlichen Ansprimr «mperatjr liegt. Die Zustelleinrichtung 107 für den Brennstoff befindet sich im darge~t.-.llter> Beispiel in der Umwegle.itung zwischen dem Gaseinlaß 104 und der Heizeinrichtung 108. Die Positionierung der Zustelleinrichtung 107 in der Schleife 103 ist relativ unkritisch; im vorliegenden Beispiel sollte natürlich vermieden werden, die Zustelleinrichtung unmittelbar in dem Abgasrohrstück 113 vorzusehen. Mittel zur Förderung des Brennstoffes sind, da ihre Anwendung dtm Fachmann geläufig ist, in der Figur 1 nicht dargestellt.Conveying device 110 for supplying fresh air. In addition, in a favorable embodiment of the invention, the heating device 108 is combined with the first catalytically active element 109; this can be achieved in concrete terms, for example, by using a metallic honeycomb body as a carrier for the catalytically active layer, through which an electric current can flow and thus be heated. This is a particularly good choice, since it ensures that the catalytic reaction begins after a short start-up time of the device according to the invention; heating the first catalytically active element 109 also has the advantage that the catalytic reaction can be stabilized as long as the temperature of the circulating gas flow is not below the required starting temperature. In the example shown, the feed device 107 for the fuel is located in the bypass line between the gas inlet 104 and the heating device 108. The positioning of the feed device 107 in the loop 103 is relatively uncritical; in the present example, it should of course be avoided to provide the feed device directly in the exhaust pipe section 113. Means for conveying the fuel are not shown in Figure 1, since their use is familiar to those skilled in the art.
Figur 2 zeigt eine Vorrichtung, bei der die mit der bei der Verbrennung entstandenen Wärme zu beaufschlagende Komponente 201 ein Wärmetauscher zur Aufheizung eines Wärmeträgerfluides wie Luft oder Wasser ist, beispielsweise zur Anwendung im Rahmen einer Heizanlage, insbesondere einer portablen oder mobilen Heizanlage in Form einer Stand- oder Zusatzheizung für ein Kraftfahrzeug. Als Besonderheit ist in Figur 2 die Zustelleinrichtung 207 für den Brennstoff nicht direkt in der Schleife 203, sondern im Gaseinlaß 204 enthalten. In diesem Falle kann Brennstoff dem in der Schleife 203 zirkulierenden Gasstrom nur zusammen mit Frischluft zugeführt werden (wozu eine nicht dargestellte Fördervorrichtung erforderlich 1st);Figure 2 shows a device in which the component 201 to be subjected to the heat generated during combustion is a heat exchanger for heating a heat transfer fluid such as air or water, for example for use in a heating system, in particular a portable or mobile heating system in the form of a parking heater or additional heater for a motor vehicle. As a special feature in Figure 2, the feed device 207 for the fuel is not contained directly in the loop 203, but in the gas inlet 204. In this case, fuel can only be fed to the gas flow circulating in the loop 203 together with fresh air (for which a feed device (not shown) is required);
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dies hat den Vorteil, daß das Auftreten eines SauerstoffUnterschusses in dem zirkulierenden Gasstrom ausgeschlossen ist, was ansonsten nur mittels einer sorgfältigen Überwachung des Verbrennungsprozesses möglich wäre. Der Gasauslaß 205 ist dargestellt als relativ lange Leitung mit kleinem hydraulischen Querschnitt. Durch die Länge der Leitung wird verhindert, daü "as aus dem Gasstrom unkontrolliert durch den Gasauslaß ins Freie gewirbelt wird; ein Druckanstieg in der Schleife 203 wird jedoch, da es keinerlei Schließvorrichtungen in dem Gasauslaß 205 gibt, zuverlässig ausgeschlossen. Es versteht sich, daß In Rahmen entsprechender Anforderungen das Vorsehen von Schließvorrichtungen wie Ventilen oder dergleichen im Gasauslaß 205 möglich ist.This has the advantage that the occurrence of an oxygen deficiency in the circulating gas flow is excluded, which would otherwise only be possible by carefully monitoring the combustion process. The gas outlet 205 is shown as a relatively long line with a small hydraulic cross-section. The length of the line prevents the gas flow from being whirled out into the open in an uncontrolled manner through the gas outlet; however, a pressure increase in the loop 203 is reliably excluded because there are no closing devices in the gas outlet 205. It goes without saying that, within the framework of corresponding requirements, the provision of closing devices such as valves or the like in the gas outlet 205 is possible.
Figur 3 zeigt eine weitere Ausgestaltung der Vorrichtung nach der Erfindung zur Übertragung der bei dem Verbrennungsprozeß erzeugten Wärme auf ein Wärmeträgerfluid, wobei die Übertragung im vorliegenden Fall in zwei hintereinandergeschalteten Wärmeaustauschern 301, 318 erfolgt. Dabei ist ein erster Wärmetauscher 301 direkt in der Schleife 303 angeordnet, und ein zweiter Wärmetauscher 318 befindet sich im Gasauslaß 305. Die wesentlichste Funktion des zweiten Wärmetauschers 318 ist dabei die Kühlung des durch den Gasauslaß 305 ausgespeisten Abgases, was z. B. im Rahmen einer Kraftfahrzeug-Standheizung, die im Innenraun· eines Kraftfahrzeuges anzuordnen sein soll, sinnvoll sein kann. Als Besonderheit entfaltet der erste Wärmetauscher 301 eine gewisse katalytische Wirkung, indem z.B. die von dem Gasstrom durchströmbaren Kanäle des Wärmetauschers 301 auf ihren Wänden eine katalytisch wirksame Beschichtung aufweisen. Unter Umständen kann der erste Wärmetauscher 301 die Funktion des ersten katalytisch aktiven Elementes 309 vollständig übernehmen, was im Hinblick auf eine möglichst kompakte Ausführung der Vorrichtung vorteilhaft ist.Figure 3 shows a further embodiment of the device according to the invention for transferring the heat generated during the combustion process to a heat transfer fluid, whereby the transfer in the present case takes place in two heat exchangers 301, 318 connected in series. A first heat exchanger 301 is arranged directly in the loop 303 and a second heat exchanger 318 is located in the gas outlet 305. The most important function of the second heat exchanger 318 is to cool the exhaust gas discharged through the gas outlet 305, which can be useful, for example, in the context of a motor vehicle auxiliary heater that is to be arranged in the interior of a motor vehicle. As a special feature, the first heat exchanger 301 develops a certain catalytic effect, for example in that the channels of the heat exchanger 301 through which the gas flow can flow have a catalytically effective coating on their walls. Under certain circumstances, the first heat exchanger 301 can completely take over the function of the first catalytically active element 309, which is advantageous with regard to a design of the device that is as compact as possible.
Die Heizeinrichtung 308 wird günstigerweise mit einem elektrischen Strom betrieben. Der Gaseinlaß 304 weist nebenThe heating device 308 is advantageously operated with an electric current. The gas inlet 304 has
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= S S S S i = SSSS i
einer zur Förderung von Frischgas erforderlichen zweiten Fördervorrichtung 310 ein Einlaßventil 319 auf, das zur feinen Regelung der in die Schleife 303 zugestellten Frischgasmenge dient. Die dargestellte Anordnung ist dabei stellvertretend für eine Vielzahl von Ausführungsmöglichkeiten zu sehen.a second delivery device 310 required to deliver fresh gas has an inlet valve 319 which serves for the fine regulation of the amount of fresh gas delivered to the loop 303. The arrangement shown is representative of a large number of possible designs.
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Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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DE19613714B4 (en) * | 1996-03-29 | 2004-07-08 | Uve Umweltmanagement & -Planung Gmbh | Process for obtaining thermal energy while reducing nitrogen oxide emissions |
WO2012126508A1 (en) * | 2011-03-21 | 2012-09-27 | Kaercher Futuretech Gmbh | Burner arrangement for a mobile heatable device, in particular for a mobile cooking device |
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1990
- 1990-03-08 DE DE9002743U patent/DE9002743U1/en not_active Expired - Lifetime
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