EP0246283B1

EP0246283B1 - Verfahren zur temperaturerhöhung von katalysatoren und vorrichtung zur durchführung des verfahrens

Info

Publication number: EP0246283B1
Application number: EP86906708A
Authority: EP
Inventors: Werner Fiala
Original assignee: Braun GmbH
Current assignee: Braun GmbH
Priority date: 1985-11-21
Filing date: 1986-11-19
Publication date: 1989-08-23
Also published as: EP0246283A1; JPS63501442A; WO1987003355A1; ATE45800T1; JP2573486B2; US5000676A; DE3665216D1; AU6727787A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur Erwärmung eines bei erhöhter Temperatur für die katalytische Oxidation eines im kalten Zustand kontinuierlich zugeführten Gemisches aus brennbarem Gas und Sauerstoff enthaltendem Gas geeigneten Katalysators.
Die Totaloxidation innerhalb des Katalysators findet bei Verwendung der meisten Brennstoffe erst dann statt, wenn der Katalysator eine gewisse Mindesttemperatur, die sogenannte "Anspringtemperatur" besitzt, die meist größer ist als die Umgebungstemperatur. Zur Ingangsetzung der Totaloxidation innerhalb solcher Katalysatoren ist es daher notwendig, zumindest Teile derselben auf diese Anspringtemperatur zu bringen. Von diesen Teilen ausgehend kann dann der Oxidationsprozeß wegen der mit der Totaloxidation einhergehenden Wärmeentwicklung auch auf benachbarte Bereiche übergreifen und schließlich im gesamten Katalysator manifest werden.
Bei Heizgeräten, die Katalysatoren verwenden, wird beispielsweise das Brenngas oder das Brennstoff-Gemisch an der zur Umgebung hin freiliegenden Oberfläche des Körpers mittels einer Zündflamme gezündet; die nach der Zündung entstehende Flamme erhitzt in der Folge den Katalysator auf dessen umgebungsseitiger Oberfläche, so daß sich der Oxidationsprozeß ins Innere desselben - ausgehend von der durch die Flamme erhitzten Oberfläche - ausbreiten kann.
Den meisten Verfahren zur Erhöhung der Temperatur von Katalysatoren ist es gemeinsam, daß nur kleine Teile des Katalysators durch Zündsysteme von meist geringer thermischer Leistung erhitzt werden, und daß sich diese erhitzten Teile gegenüber jener Seite des Katalysators befinden, durch die Brennstoff oder Brennstoff-Gemisch in diesen einströmt: Der Katalysator befindet sich zwischen der Brennstoffversorgungseinrichtung und der Zündvorrichtung, oder - anders ausgedrückt: Brennstoffvesorgung und Zündvorrichtung befinden sich an gegenüberliegenden Seiten des zur flammenlosen Oxidation verwendeten Körpers. Als Folge dieser Anordnung muß der noch kalte, also inaktive Katalysator mit Brennstoff bzw. Brennstoff-Gemisch zumindest bis zum Zündsystem aufgefüllt werden, bevor durch Temperaturanhebung am äußeren Rand des Körpers die Oxidationsreaktion in Gang gebracht werden kann. Weiters breitet sich als Folge dieser Anordnung die flammenlose Oxidation von der erhitzten Stelle in jene Richtung aus, die der Durchströmungsrichtung des Brennstoffes bzw. Brennstoff-Gemisches entgegengesetzt ist.
Das hier skizzierte Problem stellt sich natürlich nicht, wenn der Katalysator lediglich die Aufgabe hat, ohne Verwendung eines Katalysators nicht mehr brennbare Restgase aus einem Verbrennungsprozeß, sei es bei einer Gasheizung (JP-A-57-207 704), sei es bei einem Verbrennungsmotor vollständig zu oxidieren. Hier bringt das heiße Abgas selbst den Katalysator auf die notwendige Temperatur und setzt die Reaktion am Katalysator in Gang.
Aus US-A-4 189 294 ist bereits eine Einrichtung der eingangs skizzierten Art bekannt geworden, bei welcher während eines begrenzten Zeitraumes dem Katalysator ein an einer vor diesem angeordneten Zündstelle gezündetes Gemisch zugeführt wird, wobei das die Zündstelle umgebende Gasvolumen hinreichend groß ist, daß die durch seine Verbrennung erzielte Erwärmung des der Zündstelle zugewandten Bereiches des Katalysators zur Einleitung des katalytischen Oxidationsprozesses kalt zugeführten Gemisches im Katalysator ausreicht.
Es erscheint zunächst paradox, für die katalytische Verbrennung ein Gas zu wählen, welches auch ohne Kontakt mit dem Katalysator brennbar wäre. Es gibt jedoch eine Reihe von Anwendungen, in welchen eine flammenlose Verbrennung Vorteile bietet, sei es daß bei Heizeinrichtungen das Entstehen von Bränden verhindert werden soll, sei es daß bei Zigarettenanzündern das Auslöschen der Flamme durch den Wind zu vermeiden ist.
Bei der Einrichtung nach US-A-4 189 294 wird das Gasgemisch durch einen Funken innerhalb einer durch Flammengitter abgegrenzten Brennzone gezündet. Diese Brennzone muß insofern ausreichend dimensioniert (also hinreichend groß) sein, als in ihr das der Rate des zuströmenden Gasgemisches annähernd proportionale Flammenvolumen Platz haben muß. Für die Erwärmung des Katalysators ist aber die Dimensionierung der Zündstelle nicht maßgeblich. Wie aus US-A-4 189 294 hervorgeht, wird dort der Katalysator durch die Wärmeentwicklung einer innerhalb der Zündstelle befindlichen Flamme durch einen Zeitraum von einigen Sekunden hindurch (Spalte 3, Zeilen 10 und 51) bewirkt. Die notwendige Dauer des Bestehens der Flamme ist in der Vorveröffentlichung also prinzipiell durch die Rate der Gasgemischzufuhr bestimmt.
Nachteilig an der bekannten Einrichtung ist die Notwendigkeit, die Zündflamme durch Sperrung der Verbrennungsgase abzuschalten, sobald der Katalysator hinreichend erwärmt ist. Aufgabe der Erfindung ist es demgegenüber, die Zündflamme selbsttätig abzuschalten, was dadurch erreicht wird, daß der Katalysator selbst oder das ihn umgebende Gehäuse einen hinreichenden Strömungswiderstand aufweist, daß der Verbrennungsvorgang vor dem Katalysator durch die von diesem Vorgang selbst ausgelöste Explosionswelle beendet wird.
Der Unterschied in der Wirkungsweise der US-A-4 189 294 einerseits und der Erfindung andererseits kann also dahingehend charakterisiert werden, daß gemäß dem Stand der Technik während eines gewissen Zeitraumes eine bestimmte Wärmeleistung zugeführt wird, die eventuell den Katalysator auf die Zündtemperatur bringt, woraufhin die Zündflamme abgestellt werden kann und abgestellt wird. Bei der Erfindung hingegen wird schlagartig eine bestimmte Wärmemenge freigesetzt, welche sich nicht aus der Zuströmrate des Gasgemisches, sondern aus der Größe des mit Gas gefüllten, die Zündstelle umgebenden Volumens ergibt. Dieser Unterschied in der Wirkungsweise ist Voraussetzung für den konstruktiven Unterschied der beiden Einrichtungen: bei der Vorveröffentlichung muß die Möglichkeit geschaffen sein, die Zündflamme wieder abzuschalten, bei der Erfindung entfallen entsprechende konstruktive Vorkehrungen.
Im Unterschied zu US-A-4 189 294 ist also im Falle der erfindungsgemäßen Einrichtung die Größe des die Zündstelle umgebenden Gasvolumens kritisch. Es leuchtet ein, daß der Mindestwert des Volumens, bei dem die gewünschte Funktion auftritt, von der Formgebung der Einrichtung, von der Art des Gases und vom Katalysatormaterial in komplizierter Weise abhängt. Andererseits stellt es für den Fachmann eine nachvollziehbare Lehre zum technischen Handeln dar, das Volumen so lange zu vergrößern, bis im konkreten Fall der gewünschte Effekt auftritt, bis sich der Katalysator also so weit erwärmt hat, daß auch kalt zugeführtes Gas reagiert.
Weitere Einzelheiten der Erfindung werden anschließend anhand zweier Ausführungsbeispiele näher erläutert.
Fig. 1 und 2 zeigen jeweils in teils schematischer Schnittdarstellung die im Zusammenhang mit der Erfindung relevanten Teile von Einrichtungen zur katalytischen Verbrennung und deren Zündvorrichtungen.
Fig. 1 zeigt in schematischer Form die wesentlichen Komponenten eines erfindungsgemäßen katalytischen Anzünders für Rauchwaren.
Das Rohr 1 stellt das Endstück eines Venturirohres 7 dar; das Venturirohr weist die Einschnürung 7' auf. In der Achse des Venturirohres befindet sich eine Hochgeschwindigkeitsdüse 8, die in an sich bekannter Weise über das Regelventil 9 an den Vorratstank 10 angeschlossen ist. Zum Zünden des Brennstoffgemisches 6 an der Zündstelle 3 wird ein Hochspannungsentladungsfunken verwendet, der zwischen den Elektroden 14 und 14' entsteht, sobald durch Betätigung des Piezo-Schlagwerkes 13 zwischen den Elektroden 14 und 14' eine Hochspannung von ca. 10 kV entsteht. Der katalytische Anzünder wird vom Benutzer durch Herabdrücken des Schiebers 11 in Betrieb gesetzt: Durch Abwärtsbewegen des Schiebers 11 wird zuerst über den Kniehebel 12 das Ventil mit der Hochgeschwindigkeitsdüse- 8 geöffnet, wodurch Brennstoff 4 mit hoher Geschwindigkeit in die Einschnürung 7' des Venturirohres strömt und sich dort mit Luft 5 zum Brennstoffgemisch 6 vermischt. Durch weiters Abwärtsbewegen des Schiebers 11 wird in der Folge das Piezo-Schlagwerk 13 betätigt, wodurch zwischen den Elektroden 14 und 14' ein Zündfunke entsteht, der das Brennstoff-Gemisch 6 zündet. Die durch die Zündung entstehende Flamme erhitzt schließlich den Katalysator 2 an jener Seite, an welcher ihm das Brennstoffgemisch zuströmt.
Es ist üblich, für Anzünder von Rauchwaren den Brennstoff Butan bzw. Iso-Butan zu verwenden; deshalb werden hier einige Kennwerte zur Illustration des Verfahrens bzw. der Vorrichtung wiedergegeben. Unter Zugrundelegung des Heizwertes von Butan errechnet man, daß bei Atmosphärendruck durch Verbrennung von 8.5 mm³ gasförmigem Butan die Wärme von 1J frei wird. Zu dieser Verbrennung ist die 31.1-fache Luftmenge erforderlich; um eine Wärmeleistung von 1 W = 1J/s zu erhalten, sind pro Sekunde 273 mm³ Butan-Luft-Gemisch zu oxidieren. Wird beispielsweise ein solches Gemisch durch ein Rohr von kreisförmigem Querschnitt einem Katalysator zugeführt, und ist die erwünschte Wärmeleistung aus der katalytischen Oxidation durch P Watt gegeben, so ist die Strömungsgeschwindigkeit gegeben durch v = (.273P)/r²n-cm/s. Bei einer Wärmeleistung von P = 50 Watt betragen in einem Venturirohr mit einem Kreisradius r_min = 0.1 cm an der Einschnürung 7' und einem Kreisradius von r_max = 0.5 cm an der Anschlußstelle zum Katalysator die Strömungsgeschwindigkeiten demnach 439 cm/s bzw. 17.4 cm/s. Diesen Geschwindigkeiten ist die Zündgeschwindigkeit von Butan-Luftgemisch bei Atmosphärendruck von 32 cm/s gegenüberzustellen. Es hat sich gezeigt, daß das gegenständliche Verfahren sowohl bei Funkenbildung an der weitesten Stelle des Zuführungsrohres - wie in Fig. 1 dargestellt - als auch bei Funkenbildung in der Einschnürung 7' durchführbar ist.
Zur Funkenerzeugung kann statt der in Fig. 1 gezeigten Hochspannungsentladung auch eine Reibrad-Feuerstein-Anordnung verwendet werden.
Während bei niederwattigen Anwendungen der katalytischen Oxidation in der Regel Butan an Luft oxidiert wird, kommt bei größeren Wärmeleistungen auch Propan zum Einsatz. Die Verhältnisse sind jedoch bei Verwendung von Propan denen von Butan sehr ähnlich, da anstelle von 273 mm³ Butan-Luft-Gemisch nun 286 mm³ Propan-Luft-Gemisch zur Erzeugung von 1 J Wärme erforderlich sind; weiters beträgt die Zündgeschwindigkeit von Propan-Luft-Gemisch bei Atmosphärendruck ebenfalls 32 cm/s.
Fig. 2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Einrichtung. Es handelt sich hier um die wesentlichen Komponenten des Startteiles eines katalytischen Heizelements: Aus einem - nicht gezeigten -Vorratstank strömt als Brennstoff dienendes Flüssiggas einer Hochgeschwindigkeitsdüse 8 zu. Als Flüssiggas können Butan oder Propan oder Mischungen der beiden verwendet werden. Im Venturirohr 7 vermischen sich Flüssiggas und Luft 5 zum Brennstoff- gemisch 6. Das Brennstoffgemisch 6 strömt am Piezo-Schlagwerk 13 vorbei und durch die Isolierung 17 dem Katalysator 2 zu. Der Katalysator 2 und die Isolierung 17 sind durch ein Rohr 15 mit Schulter 18 umhüllt. Das rohr 15 ist durch das Überwurfrohr 19 mit dem Grundkörper 20 verbunden. Diese Konstruktion ermöglicht eine axiale Verschiebung des Rohres 15 um den Arbeitshub 21 des Piezo-Schlagwerkes 13. Die Elektrode 22 des Piezo-Schlagwerkes befindet sich auf gleichem Potential wie der elektrisch leitende Grundkörper 20 und das metallische Rohr 15; durch axiale Verschiebung des Rohres um den Hub 21 wird das Piezo-Schlagwerk betätigt, wodurch zwischen der Elektrode 23 und der Innenseite des Rohres 15 ein Entladungsfunke entsteht. Die Innenseite des Rohres 15 kann eine (nicht gezeigte) Gegenelektrode aufweisen. Der Entladungsfunke zündet das Brennstoffgemisch im Bereich 3 zwischen Isolierung 17 und Katalysator 2, wodurch es zur Anhebung der Temperatur des der Gemischzufuhr zugekehrten Teiles des Katalysators auf Werte über Anspringtemperatur kommt. Die dort einsetzende katalytische Oxidation breitet sich in der Folge wegen der damit verbundenen Wärmeentwicklung rasch im übrigen Katalysator entlang des Rohres 15 aus. Ein Stehenbleiben der Zündflamme, welches insbesondere für die Zündeinrichtung selbst schädlich wäre, wird durch die Einschnürung 16 verhindert, welche das normale Ausströmen des verbrannten Gemisches nicht behindert. Bei der plötzlichen Verbrennung des Gasvolumens im Bereich der Zündstelle 3 tritt jedoch eine Stoßwelle auf, die durch die Einschnürung 16 in einem solchen Ausmaß reflektiert wird, daß es dadurch zur Auslöschung der Zündflamme kommt.
Als besonderer Vorteil der Einrichtung gemäß Fig. 2 ist zu erwähnen, daß damit auch relativ große Katalysatoren mit Wärmeleistungen im kW-Bereich mittels eines vergleichsweise sehr niederenergetischen Piezo-Funkens, d.h. ohne Fremdenergie aus z. B. einer Batterie, in Betrieb gesetzt werden können. Sollte zunächst die Zündenergie nicht ausreichen, so ist nichts weiter zu unternehmen, als das bei der Zündung schlagartig umgesetzte Gasvolumen entsprechend zu vergrößern, also einen größeren Abstand zwischen Zündstelle 3 und Katalysator 2 vorzusehen. Tut man dies, so können Heizstäbe von beträchtlicher Länge verwendet werden, die auch in bekannter Weise als Heizschlangen geformt sein können.
Als Katalysatoren haben sich in beiden hier angeführten Anwendungsbeispielen Platin-imprägnierte Quarzmatten und Platin-imprägnierte Aluminiumoxidmatten bewährt, deren Anspringtemperaturen ca. 150°C betragen.

Claims

1. Einrichtung zur Erwärmung eines bei erhöhter Temperatur für die katalytische Oxidation eines im kalten Zustand kontinuierlich zugetührten Gemisches aus brennbarem Gas und Sauerstoff enthaltendem Gas geeigneten Katalysators (2), bei welcher während eines begrenzten Zeitraumes dem Katalysator (2) ein an einer vor diesem angeordneten Zündstelle (3) gezündetes Gemisch zugeführt wird, wobei das die Zündstelle (3) umgebende Gasvolumen hinreichend groß ist, daß die durch seine Verbrennung erzielte Erwärmung des der Zündstelle (3) zugewandten Bereiches des Katalysators (2) zur Einleitung des katalytischen Oxidationsprozesses kalt zugeführten Gemisches im Katalysator (2) ausreicht, dadurch gekennzeichnet, daß der Katalysator (2) selbst oder das ihn umgebende Gehäuse einen hinreichenden Strömungswiderstand aufweist, daß der Verbrennungsvorgang vor dem Katalysator (2) durch die von diesem Vorgang selbst ausgelöste Explosionswelle beendet wird.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Katalysator (2) in einem Rohr (15) mit Abstand von dessen Innenwand angeordnet ist und das Ende des Rohres (15) zur Erhöhung des Strömungswiderstandes eine Einschnürung (16) aufweist.