EP0625255A1 - Water heater. - Google Patents

Water heater.

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Publication number
EP0625255A1
EP0625255A1 EP93902068A EP93902068A EP0625255A1 EP 0625255 A1 EP0625255 A1 EP 0625255A1 EP 93902068 A EP93902068 A EP 93902068A EP 93902068 A EP93902068 A EP 93902068A EP 0625255 A1 EP0625255 A1 EP 0625255A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
combustion
water heater
gas
fluid
heater according
Prior art date
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Granted
Application number
EP93902068A
Other languages
German (de)
French (fr)
Other versions
EP0625255B1 (en
Inventor
Konstantin Ledjeff
Alexander Schuler
Juergen Gieshoff
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Original Assignee
Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
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Filing date
Publication date
Application filed by Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV filed Critical Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Publication of EP0625255A1 publication Critical patent/EP0625255A1/en
Application granted granted Critical
Publication of EP0625255B1 publication Critical patent/EP0625255B1/en
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Lifetime legal-status Critical Current

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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23C—METHODS OR APPARATUS FOR COMBUSTION USING FLUID FUEL OR SOLID FUEL SUSPENDED IN  A CARRIER GAS OR AIR 
    • F23C13/00—Apparatus in which combustion takes place in the presence of catalytic material
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24H—FLUID HEATERS, e.g. WATER OR AIR HEATERS, HAVING HEAT-GENERATING MEANS, e.g. HEAT PUMPS, IN GENERAL
    • F24H1/00—Water heaters, e.g. boilers, continuous-flow heaters or water-storage heaters
    • F24H1/0027—Water heaters, e.g. boilers, continuous-flow heaters or water-storage heaters using fluid fuel
    • F24H1/0045—Water heaters, e.g. boilers, continuous-flow heaters or water-storage heaters using fluid fuel with catalytic combustion

Definitions

  • the invention relates to a water heater with a gas inlet for a fuel gas / air mixture, an inlet for a fluid to be heated, at least two combustion stages through which the fuel gas / air mixture flows, with catalytic combustion chambers, the at least partially of at least one with the Fluid-filled fluid chamber are surrounded, and with an exhaust gas heat exchanger through which this fluid and with the exhaust gas escaping from the combustion chambers flows in different chambers, the second combustion stage being designed as a monolithic burner.
  • Such water heaters are known in heating construction and are used, for example, to heat hot water for apartment heating and to secure the hot water supply for these apartments via possibly a further water-water heat exchanger.
  • Known flame burners have the disadvantage that they have a high harmful NO ⁇ emission. From DE 33 32 572 A1 a catalytic burner is known which has a lower pollutant emission.
  • This device according to DE 33 32 572 A1 has two separate air feeds that supply primary and secondary air before the first combustion stage or between the first and the second combustion stage. With this separate air supply in the ratio of 60 percent to 40 percent, the heat release is to be guaranteed to 50 percent in each of the two stages.
  • this water heater In its catalytic combustion stages, this water heater consists of two identical monolithic burners, which are embedded between two heat exchangers, with metal grids prevent a flashback. Furthermore, an uncoated ceramic body is arranged between this metal grid and the monolithic burner, which is intended to prevent the flashback and open burning outside the actual combustion chamber.
  • This device has a number of disadvantages. On the one hand, it requires precise air control to divide the primary and secondary air volumes supplied. Such a control unit with the additional supply lines required complicates the construction of the water heater. With this configuration, gas compositions are achieved which avoid the formation of a critical temperature in the combustion chambers. The arrangement of the ceramic plate and the metal grille does not prevent the flame from operating between the two ceramics with and without a catalyst; on the other hand, there is a sharp increase in the overall pressure drop of the burner.
  • the invention has for its object to provide a water heater of the type mentioned, which with a simple structure a higher fuel consumption use permitted with lower pollutant emissions in the exhaust gas.
  • the first combustion stage is designed as a catalytic split burner
  • the combustion gap flowing through the gas mixture and forming the combustion chamber of the first combustion stage between one with a wall lined with a ceramic layer is limited on the side facing the fluid chamber and a side coated with a catalyst layer
  • the gap width is predetermined as a function of the flow rate given by the gas throughput in such a way that the flame flashback rate is lower than the said one Flow rate is.
  • Proportion of relevant size can be demonstrated.
  • the temperatures of 800 degrees Celsius necessary for a high conversion rate can be maintained and at the same time a rapid heat flow be guaranteed in the fluid to be heated.
  • a flashback is effectively prevented in that the gap width is predetermined as a function of the flow rate predetermined by the gas throughput in such a way that the Flame flashback speed is less than the said flow rate.
  • FIG. 1 is a schematic sectional side view of a water heater according to a first embodiment of the invention
  • Fig. 2 is a schematic sectional side view of a water heater according to a second embodiment of the invention.
  • Fig. 3 is a schematic sectional side view of a water heater according to a third embodiment of the invention.
  • a water heater is to be understood as a device with which any other fluid can also be heated and which is based on the technical features of a heating device for water.
  • the person skilled in the art will therefore consider each medium to be heated View fluid, the use of water, also in mixtures, is a special case.
  • heating outputs For a normal hot water supply for a house with several residential units, heating outputs of, for example, 15-30 kilowatts are necessary. These are advantageously made available in individual modules of, for example, 1-5 kilowatts of power, so that the number of modules required for the heating power required can be put together individually.
  • Such a module is shown in FIG. 1. Compared to the modules shown in the other figures, it has a higher gas throughput and a higher heating output.
  • the module is installed in an essentially cylindrical hollow body 1.
  • the fluid to be warmed up for example water, which is provided with the reference symbol 2 in the corresponding chambers, is introduced into the interior of the module via a lower lateral inlet 3 and via a further inlet 3 arranged centrally around the cylinder axis 23.
  • the fluid flowing into the outer annular fluid chamber 4 leaves it on the side opposite the inlet 3 via an upper outlet 5.
  • the centrally flowing fluid 2 flows in the tube 6 into the module and flows counter-current coaxially in one at its top End covered sleeve 7 around the inlet location again.
  • the cooling fluid 2 is heated up by gas which converts.
  • This consists of a fuel gas / air mixture which is introduced into the module via inlets 8 arranged on the underside of the module.
  • 8 spaces for gas distribution and swirling 9 are provided in the module behind the inlets, in which the gas is mixed homogeneously.
  • This Rooms 9 leave the fuel gas / air mixture in each case via openings 10 and enter combustion gaps 11 which adjoin hollow cylindrical tubes 12.
  • the hollow cylindrical tubes 12 are preferably made of a metal which is coated on the outside with a catalyst 13.
  • the opposite side of the respective combustion gap 11 is formed by a likewise cylindrical fluid chamber wall 30, which is covered with a heat-insulating ceramic layer 1, which lines the walls of the two fluid chambers 4 and 7.
  • the gas flowing into the combustion gaps 11 through the opening 10 is converted on the catalytically active surface 13 with the development of heat.
  • This heat is transferred via the ceramic layer 14, which acts as a thermal barrier coating, to the fluid 2, which is heated in this way and flows out of the outlet 5 in the coolant circuit.
  • the catalyst layer 13 advantageously consists of a noble metal, preferably of platinum or palladium.
  • a noble metal preferably of platinum or palladium.
  • Other suitable materials are the oxides of some sub-group elements and certain perovskites, e.g. Calcium titanium oxide.
  • a direct contact of the fluid chamber wall 30 with the combustion gap 11 and via gas convection with the wall 12 carrying the catalyst layer 13 is preferably avoided since the gas should reach a temperature of preferably 800 degrees Celsius during the reaction and the conversion process only at 350 Degrees Celsius begins.
  • the heat insulation layer 14 relative to the fluid chambers 4 and 7 in the embodiments described here consists of a ceramic layer. However, it can also be formed from a gas layer enclosed in a special intermediate chamber.
  • the hollow cylinder 12 carrying the catalyst layer 13 is preferably hollow, so that the heat at the start of the catalytic reaction cannot flow into a possible full cylinder serving as a heat store, but rather serves directly to heat the catalyst layer and the gas mixture.
  • the resulting heat in thermal equilibrium which leads to temperatures of over 800 degrees Celsius, can be released to the fluid 2 directly and without heating an intermediate store.
  • the hollow cylinder 12 consists of a thin metallic tube, with which a uniform heat shade of the catalyst layer 13 can be ensured over almost its entire cylinder surface.
  • the speed of the reaction depends in particular on the temperature and the concentration or the partial pressures of the gases involved.
  • the temperature at the start of the reaction is approximately 350 degrees Celsius, at least well below 800 degrees Celsius, so that the conversion process cannot proceed at the possible speed. Therefore, the thin metallic tube 12 acts here as a heater, which conducts the heat generated in the central reaction area directly into the lower area, so that there is also an optimal temperature immediately after the start of the reaction.
  • the thin metallic tube 12 compensates for the lowering of the temperature due to the decreasing reaction speed by supplying heat from the middle hot area of the catalyst layer 13, so that despite falling partial pressures a satisfactory conversion in the upper end area of the 10 to 20 centimeter long Combustion gap 11 can be reached.
  • the gas gap 11 described for combustion has a width which is predetermined at the flow rate given by the gas throughput so that the flame flashback rate given by the type of fuel gas used is smaller than the said flow rate in the forward direction. Because the temperature of the gas mixture is greater than its self-ignition temperature, so that a flashback and the formation of a stable flame can be prevented.
  • the gas emerging from the upper openings 15 of the combustion gaps 11 of the first combustion stage 16 of the catalytic burner still contains approximately 10 to 30 percent fuel gas. This is freely distributed in the air gap 17 so that it can penetrate into the pores 18 of the catalyst sponge 19.
  • the catalyst sponge 19 consists of a ceramic foam which has a fine-pored structure which is coated with the catalyst material. Such a catalyst structure is referred to as a "monolithic burner" 20.
  • the size of the pore material is also selected depending on the desired firing capacity so that the temperature reached does not rise much above said 1000 degrees Celsius, since otherwise the catalyst material could oxidize and / or nitrogen oxides could form.
  • the fuel gas is burned without residue in the second combustion stage 20 in such a way that NO ⁇ emissions or fuel gas residues could only be detected with a highly sensitive measuring technique and that their release into the air is harmless.
  • the exhaust gas provided with the reference numeral 22 is then brought into connection in an exhaust gas heat exchanger (not shown in the figures) with the cooling fluid 2 flowing out of the outlet 5, so that the heat contained in the exhaust gas can further heat up the cooling fluid 2.
  • an exhaust gas heat exchanger not shown in the figures
  • a two-stage catalytic burner has thus been described, which is combustion without residues of a fuel gas is permitted, the dimensions to be provided being favorable in terms of their space requirements.
  • the length of the first combustion stage 16 has a magnitude of between 10 and 15 centimeters, which is followed by the approximately 3 centimeter deep catalyst sponge 19 after a swirl gap 17 of 1 to 2 centimeters in thickness.
  • the second combustion stage 20 is an essentially adiabatic process, that the flow velocities of the first combustion stage 16 are adapted to those of the second combustion stage 20 over the gap widths 11 or pore widths 18, and that the The catalyst areas of the first 16 and second 20 combustion stages are in the correct relationship to one another.
  • the two combustion stages 16 and 20 can be inserted into a tube 1 with a constant outer diameter.
  • the sponge 19 rests on a lateral inner support ring 32, which at the same time prevents gas from being directly impinged on the outermost edge regions 35 of the sponge 19, so that these regions 35 are not involved in the conversion process and as a thermal barrier coating Act.
  • the second combustion stage 20 it is also possible for the second combustion stage 20 to have a larger diameter with respect to the axis 23, so that the surface of the catalyst sponge 19 normal to the axis 23 of the device is increased, the depth of the second combustion stage 20 then reduced accordingly can be provided that the swirl gap 17 is sufficiently deep to allow a lateral distribution of the inflowing residual fuel gas / air mixture without excessive cooling.
  • the distribution gap advantageously has a width of less than one to approximately 5 centimeters.
  • FIG. 2 shows a second exemplary embodiment of the invention, in which the same features are denoted by the same reference symbols as in the previous figure.
  • cold fluid 2 is introduced into the annular fluid chamber 4 with the lower inlet 3 and is led via the upper outlet 5 to the exhaust gas heat exchanger.
  • a thermal insulation layer is arranged, which preferably consists of a ceramic tube 14.
  • the combustion gap 11 is formed between this ceramic tube 14 and the likewise cylindrical catalyst wall 31 coated with the catalyst.
  • the fuel gas is introduced centrally via a hollow tube 25 arranged on the axis 23, which is diverted at an upper end plate 26 into the coaxially arranged catalyst wall tube 31, so that it flows back in countercurrent with respect to the combustion gap 11 and through radially arranged openings 27 at the lower end of the Module reaches the combustion gap 11.
  • the fuel gas / air mixture is preheated by heat conduction and possibly heat radiation from the heat generated at the catalyst layer 13, so that it already passes over the combustion gap 11 as it enters the outlet openings 27 have a suitable temperature which favors the reaction.
  • the fuel gas / air mixture may have to preheated to the starting temperature of a few hundred degrees Celsius.
  • an electrical heating coil 34 is provided which surrounds the feed pipe 25 in the area of the inlet 8 of the gas mixture.
  • a thermal sensor not shown in the figure, is provided in the area of the catalytic combustion gap 11 of the first combustion stage 16, with the temperature signal of which the heating coil 34 can be switched on when a cold gas mixture is present and can be switched off when a predetermined gas mixture temperature is reached.
  • the annular cooling jacket 4 extends along the first 16 and the second 20 combustion stages.
  • the ceramic tube 14 is provided on the fluid chamber wall 30. This then adjoins the inner ring 32 on which a catalyst honeycomb 39 is placed.
  • the catalyst web 39 shown with parallel lines consists of a multiplicity of honeycomb-shaped tubes 38 made of ceramic material lying side by side, which are lined with the catalyst material, that is to say, for example platinum.
  • the catalyst material that is to say, for example platinum.
  • Such a catalyst is also referred to as a "monolithic burner" 20.
  • the distance between the individual walls carrying the catalyst material is considerably smaller than the corresponding distances in the combustion gap 11, so that even with the partial pressures low in the fuel gas present, the remaining ones Fuel gas components can be implemented practically without residue.
  • edge regions 35 of the catalyst honeycomb 39 of the second combustion stage 20 are covered by the inner ring 32, so that they appear as a heat insulation layer opposite the fluid chamber 4, so that the high temperatures within the central region 21 can also be used at low concentrations of fuel gas.
  • FIG. 3 shows a third embodiment of a water heater.
  • the same features of this device are identified by the same reference numerals as in FIGS. 1 and 2.
  • the device according to FIG. 3 is in particular a further development of the module according to FIG. 2.
  • the construction of the countercurrent preheating of the fuel gas / air mixture is constructed analogously and there is also only an annular fluid chamber 4.
  • the fluid chamber 4 is only pulled up into the region of the gap 17 with the ceramic tube 14 fastened to its wall 30. It is closed off by a radial perforated plate 36 onto which the catalyst honeycomb 39 is placed, so that the residual fuel gas only acts on the central area 21 of the catalyst honeycomb 39 from the design point of view.
  • the outer 35 honeycomb-shaped tubes 38 of the catalyst honeycomb 39 shown with parallel lines, are not acted upon by the gas, since they are closed by the perforated plate 36.
  • these tube walls made of ceramic act as thermal insulation with respect to the surrounding pipe 1, so that the high temperatures within the central region 21 can also be used at low concentrations of fuel gas.
  • the fuel gas / air mixture 3 can consist of a mixture of air and methane, but another hydrocarbon such as propane or butane can also be used. It is also possible to use alcohols such as methanol or ethanol mixed with air. Nae ⁇ After all, it may be, also in the gas supply from utilities-supplied natural gas that can be burned -free then NO ⁇ .
  • Platinum or palladium in particular can be used for the catalyst material, the catalyst materials in the two combustion stages being able to be the same or different.
  • a gas-filled chamber or a vacuum chamber can additionally or alternatively be provided as the thermal insulation layer.
  • the thickness of the heat insulation layer provided is dimensioned such that, with the gas throughput provided, the predetermined optimum temperature prevails for the fuel gas / air mixture to be converted in the area of the combustion gap 11 and, at the same time, the heat developed further to the fluid to be heated 2 can be delivered.
  • the second combustion stages 20 described in FIGS. 1, 2 and -3 which differ in their design of the combustion chamber, can be exchanged with respect to the different first combustion stages 16.
  • the chambers shown symmetrical with respect to an axis 23 form a particularly advantageous spatial economical and structurally simple to carry out embodiment.
  • any other, for example cuboid, chamber shape can be selected.
  • Several inlets and outlets 3, 5 and 8 can also be provided for the different fluids and / or distribution chambers 9.

Landscapes

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Abstract

PCT No. PCT/DE93/00079 Sec. 371 Date Jun. 30, 1994 Sec. 102(e) Date Jun. 30, 1994 PCT Filed Jan. 27, 1993 PCT Pub. No. WO93/16335 PCT Pub. Date Aug. 19, 1993.A water heater has a gas inlet (8) for a mixture of gas and air and an inlet for a fluid (2) to be heated. The gas-air mixture passes through a combustion chamber (11,18) which is at least partly surrounded by at least one fluid chamber (4,7) filled with the fluid (2). The exhaust gas leaving the combustion chamber(s) (11,18) passes through an exhaust gas heat exchanger together with the fluid (2). Here there are two combustion stages, the first (16) being a catalytic gap burner (11) and the second being a monolithic burner (18,19). Owing to the two-stage arrangement, about 80% of the combustion gas is burned in the combustion stage (16) while the remainder is consumed even at the low partial pressures in the second combustion stage (20) virtually without any residue, and especially without emission of NOx.

Description

Warmwasserbereiter Water heater
Die Erfindung betrifft einen Warmwasserbereiter mit einem Gaseinlaß für ein Brenngas/Luft-Gemisch, einem Einlaß für ein aufzuheizendes Fluid, mindestens zwei von dem Brenngas/Luft-Gemisch durchströmten Verbren- nungsstufen mit katalytischen Brennkammern, die zumin¬ dest teilweise von mindestens einer mit dem Fluid gefüllten Fluidkammer umgeben sind, und mit einem von diesem Fluid und mit dem aus den Brennkammern entwei¬ chenden Abgas in verschiedenen Kammern durchströmten Abgaswärmetauscher, wobei die zweite Verbrennungsstufe als ein monolithischer Brenner ausgestaltet ist.The invention relates to a water heater with a gas inlet for a fuel gas / air mixture, an inlet for a fluid to be heated, at least two combustion stages through which the fuel gas / air mixture flows, with catalytic combustion chambers, the at least partially of at least one with the Fluid-filled fluid chamber are surrounded, and with an exhaust gas heat exchanger through which this fluid and with the exhaust gas escaping from the combustion chambers flows in different chambers, the second combustion stage being designed as a monolithic burner.
Solche Warmwasserbereiter sind im Heizungsbau bekannt und dienen z.B. dazu, Warmwasser für eine Wohnungshei- zung aufzuheizen und über eventuell einen weiteren Wasser-Wasser-Wärmetauscher die Warmwasserversorgung von diesen Wohnungen sicherzustellen. Bekannte Flamm¬ brenner weisen dabei den Nachteil auf, daß sie eine hohe schädliche NOχ-Emission aufweisen. Aus der DE 33 32 572 A1 ist ein katalytischer Brenner bekannt, der einen geringeren Schadstoffausstoß aufweist.Such water heaters are known in heating construction and are used, for example, to heat hot water for apartment heating and to secure the hot water supply for these apartments via possibly a further water-water heat exchanger. Known flame burners have the disadvantage that they have a high harmful NO χ emission. From DE 33 32 572 A1 a catalytic burner is known which has a lower pollutant emission.
Diese Vorrichtung nach der DE 33 32 572 A1 verfügt über zwei getrennte Luftzuführungen, die Primär- und Sekundärluft vor der ersten Verbrennungsstufe bzw. zwischen der ersten und der zweiten Verbrennungsstufe zuleiten. Mit dieser getrennten Luftzuführung im Ver¬ hältnis von 60 Prozent zu 40 Prozent soll die Wärme¬ freisetzung zu jeweils 50 Prozent in beiden Stufen gewährleistet werden.This device according to DE 33 32 572 A1 has two separate air feeds that supply primary and secondary air before the first combustion stage or between the first and the second combustion stage. With this separate air supply in the ratio of 60 percent to 40 percent, the heat release is to be guaranteed to 50 percent in each of the two stages.
Dieser Warmwasserbereiter besteht in seinen katalyti¬ schen Verbrennungsstufen aus zwei jeweils identischen monolithischen Brennern, die zwischen jeweils zwei Wärmetauschern eingebettet sind, wobei Metallgitter einen Flammenrückschlag verhindern sollen. Desweiteren ist zwischen diesem Metallgitter und dem mono¬ lithischen Brenner ein nicht beschichteter Keramik¬ körper angeordnet, der den Flammenrückschlag und ein offenes Verbrennen außerhalb des eigentlichen Brenn¬ raums verhindern soll.In its catalytic combustion stages, this water heater consists of two identical monolithic burners, which are embedded between two heat exchangers, with metal grids prevent a flashback. Furthermore, an uncoated ceramic body is arranged between this metal grid and the monolithic burner, which is intended to prevent the flashback and open burning outside the actual combustion chamber.
Diese Vorrichtung weist eine Vielzahl von Nachteilen auf. Zum einen benötigt sie eine genaue Luftregelung zur Aufteilung der zugeführten Primärluft- und Sekun- därluftmenge. Eine solche Regeleinheit mit den zusätz¬ lich notwendigen Leitungszuführungen verkompliziert den Aufbau des Warmwasserbereiters. Durch diese Ausgestaltung werden zwar Gaszusammensetzungen erreicht, die eine Ausbildung einer kritischen Temperatur in den Brennkammern vermeiden. Durch die Anordnung der Keramikplatte und des Metal 1gitters wird aber nicht der Flammenbetrieb zwischen den beiden Keramiken mit und ohne Katalysator verhindert, es tritt dagegen sogar eine starke Erhöhung des Gesamtdruckabfalls des Brenners ein.This device has a number of disadvantages. On the one hand, it requires precise air control to divide the primary and secondary air volumes supplied. Such a control unit with the additional supply lines required complicates the construction of the water heater. With this configuration, gas compositions are achieved which avoid the formation of a critical temperature in the combustion chambers. The arrangement of the ceramic plate and the metal grille does not prevent the flame from operating between the two ceramics with and without a catalyst; on the other hand, there is a sharp increase in the overall pressure drop of the burner.
Bei der Ausnutzung der entstehenden Wärmeenergie wird aufgrund der Anordnung der Wärmetauscher und den quasi-adiabatischen Betrieb nur der konvektive Teil genutzt. Aufgrund der schlechten Wärmeleitung der keramischen Monolithen, die mit jeweils ungefähr 50 Prozent der entstehenden Wärme belastet werden, können sogenannte heiße Punkte in den monolithischen Brennern entstehen, die zu einer vorzeitigen Alterung der Katalysatoren führen können.When utilizing the resulting thermal energy, only the convective part is used due to the arrangement of the heat exchangers and the quasi-adiabatic operation. Due to the poor heat conduction of the ceramic monoliths, which are each loaded with approximately 50 percent of the heat generated, so-called hot spots can occur in the monolithic burners, which can lead to premature aging of the catalysts.
Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt derBased on this state of the art
Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Warmwasserberei- ter der eingangs genannten Art zu schaffen, der mit einem einfachen Aufbau eine höhere Brennstoffaus- nutzung bei geringeren Schadstoffemissionen im Abgas gestattet.The invention has for its object to provide a water heater of the type mentioned, which with a simple structure a higher fuel consumption use permitted with lower pollutant emissions in the exhaust gas.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß für einen Warmwas- serbereiter gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 dadurch gelöst, daß die erste Verbrennungsstufe als ein katalytischer Spaltbrenner ausgestaltet ist, wobei der die Brennkammer der ersten Verbrennungsstufe bil¬ dende, von dem Gasgemisch durchströmte Verbrennungs- spalt zwischen einer mit einer Keramikschicht ausge¬ kleideten Wand auf der der Fluidkammer zugewandten Seite und einer mit einer Katalysatorschicht beschich¬ teten Seite begrenzt ist, und daß die Spaltbreite in Abhängigkeit von der durch den Gasdurchsatz vorgegebe- nen Durchströmungsgeschwindigkeit derart vorbestimmt ist, daß die Flammenrückschlaggeschwindigkeit kleiner als die besagte Durchströmungsgeschwindigkeit ist. Da¬ durch, daß ein zweistufiger katalytischer Brenner mit für unterschiedliche Wärmeleistungen ausgelegten Stu- fen verwendet wird, ist es möglich, das Brenngas rück¬ standslos umzusetzen, so daß in dem aus dem Warmwas¬ serbereiter austretenden Abgas weder das Brenngas noch ein NOχ-Anteil in relevanter Größe nachgewiesen werden kann. Durch die Ausbildung des Verbrennungsspaltes der ersten Stufe zwischen einer mit einer Keramikschicht ausgekleideten Wand auf der der Fluidkammer zugewand¬ ten Seite und einer mit der Katalysatorschicht be¬ schichteten Seite können die für eine hohe Umsatzrate notwendigen Temperaturen von 800 Grad Celsius gehalten und gleichzeitig ein zügiger Wärmefluß in das aufzu¬ heizende Fluid gewährleistet werden.This object is achieved according to the invention for a water heater according to the preamble of claim 1 in that the first combustion stage is designed as a catalytic split burner, the combustion gap flowing through the gas mixture and forming the combustion chamber of the first combustion stage between one with a wall lined with a ceramic layer is limited on the side facing the fluid chamber and a side coated with a catalyst layer, and that the gap width is predetermined as a function of the flow rate given by the gas throughput in such a way that the flame flashback rate is lower than the said one Flow rate is. Because a two-stage catalytic burner with stages designed for different heat outputs is used, it is possible to convert the fuel gas without leaving any residue, so that neither the fuel gas nor an NO χ in the exhaust gas emerging from the water heater. Proportion of relevant size can be demonstrated. By forming the combustion gap of the first stage between a wall lined with a ceramic layer on the side facing the fluid chamber and a side coated with the catalyst layer, the temperatures of 800 degrees Celsius necessary for a high conversion rate can be maintained and at the same time a rapid heat flow be guaranteed in the fluid to be heated.
Ein Flammenrückschlag wird dabei wirkungsvoll dadurch verhindert, daß die Spaltbreite in Abhängigkeit von der durch den Gasdurchsatz vorgegebenen Durchströ¬ mungsgeschwindigkeit derart vorbestimmt ist, daß die Flammenrückschlaggeschwindigkei kleiner als die be¬ sagte Durchströmungsgeschwindigkeit ist.A flashback is effectively prevented in that the gap width is predetermined as a function of the flow rate predetermined by the gas throughput in such a way that the Flame flashback speed is less than the said flow rate.
Dadurch, daß das Brenngas-Gemisch vor Einleitung in den katalytischen Verbrennungsspal im Gegenstrom an der Rückseite der die katalytische Schicht tragenden Wand zum Vorheizen des Gemisches vorbei leitbar ist, kann es durch die während der Reaktion freiwerdende Wärme vorgeheizt werden, so daß fast im ganzen Ver- brennungsspalt ideale Umsetzungstemperaturen herr¬ schen.Characterized in that the fuel gas mixture before being introduced into the catalytic combustion gap in countercurrent to the back of the wall supporting the catalytic layer for preheating the mixture, it can be preheated by the heat released during the reaction, so that almost the whole of Ver ideal combustion temperatures prevail.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet. Es werden nun mehrere Ausführungsbeispiele der Erfin¬ dung anhand der Zeichnung beispielhaft näher erläu¬ tert. Es zeigen:Further advantageous embodiments of the invention are characterized in the subclaims. Several exemplary embodiments of the invention will now be explained in more detail by way of example with reference to the drawing. Show it:
Fig. 1 eine schematische geschnittene Seitenansicht eines Warmwasserbereiters gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung,1 is a schematic sectional side view of a water heater according to a first embodiment of the invention,
Fig. 2 eine schematische geschnittene Seitenansicht eines Warmwasserbereiters gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung, undFig. 2 is a schematic sectional side view of a water heater according to a second embodiment of the invention, and
Fig. 3 eine schematische geschnittene Seitenansicht eines Warmwasserbereiters gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung.Fig. 3 is a schematic sectional side view of a water heater according to a third embodiment of the invention.
Die Fig. 1 zeigt die wesentlichen Elemente eines Warm¬ wasserbereiters gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Dabei ist unter Warmwasserbereiter eine Vorrichtung zu verstehen, mit der auch jedes andere Fluid erwärmbar ist und die auf den technischen Merk¬ malen einer Aufheizvorrichtung für Wasser beruht. Der Fachmann wird daher als aufzuheizendes Medium jedes Fluid ansehen, wobei die Verwendung von Wasser, auch in Gemischen, ein Spezialfall ist.1 shows the essential elements of a water heater according to a first embodiment of the invention. A water heater is to be understood as a device with which any other fluid can also be heated and which is based on the technical features of a heating device for water. The person skilled in the art will therefore consider each medium to be heated View fluid, the use of water, also in mixtures, is a special case.
Für eine übliche Warmwasserversorgung eines Hauses mit mehreren Wohneinheiten sind Heizleistungen von zum Beispiel 15 - 30 Kilowatt notwendig. Diese werden vorteilhafterweise in einzelnen Modulen von zum Bei¬ spiel 1 - 5 Kilowatt Leistung zur Verfügung gestellt, so daß die für die benötigten Heizleistungen notwendi- ge Modulzahl individuell zusammengestellt werden kann. In der Fig. 1 ist ein solches Modul dargestellt. Es weist gegenüber den in den anderen Fig. dargestellten Modulen einen höheren Gasdurchsatz und eine höhere Heizleistung auf.For a normal hot water supply for a house with several residential units, heating outputs of, for example, 15-30 kilowatts are necessary. These are advantageously made available in individual modules of, for example, 1-5 kilowatts of power, so that the number of modules required for the heating power required can be put together individually. Such a module is shown in FIG. 1. Compared to the modules shown in the other figures, it has a higher gas throughput and a higher heating output.
Das Modul ist in einem im wesentlichen zylindrischen Hohlkörper 1 eingebaut. Das aufzuwärmende Fluid, zum Beispiel Wasser, welches in den entsprechenden Kammern mit dem Bezugszeichen 2 versehen ist, wird über einen unteren seitlichen Einlaß 3 sowie über einen zentral um die Zylinderachse 23 herum angeordneten weiteren Einlaß 3 in das Innere des Moduls eingeleitet. Das in die äußere ringförmige Fluidkammer 4 einströmende Fluid verläßt diese auf der dem Einlaß 3 gegenüber- liegenden Seite über einen oberen Auslaß 5. Das zentral einströmende Fluid 2 fließt in dem Rohr 6 in das Modul hinein und fließt im Gegenstrom koaxial in einer an ihrem oberen Ende abgedeckten Hülse 7 um den Einlaßort herum wieder hinaus.The module is installed in an essentially cylindrical hollow body 1. The fluid to be warmed up, for example water, which is provided with the reference symbol 2 in the corresponding chambers, is introduced into the interior of the module via a lower lateral inlet 3 and via a further inlet 3 arranged centrally around the cylinder axis 23. The fluid flowing into the outer annular fluid chamber 4 leaves it on the side opposite the inlet 3 via an upper outlet 5. The centrally flowing fluid 2 flows in the tube 6 into the module and flows counter-current coaxially in one at its top End covered sleeve 7 around the inlet location again.
Das Kühlfluid 2 wird durch sich umsetzendes Gas aufge¬ heizt. Dies besteht aus einem Brenngas/Luft-Gemisch, das über an der Unterseite des Moduls angeordnete Einlasse 8 in das Modul eingeleitet wird. Vorteilhaf- terweise sind in dem Modul hinter den Einlassen 8 Räume zur Gasverteilung und Verwirbelung 9 vorgesehen, in denen das Gas homogen durchgemischt wird. Diese Räume 9 verläßt das Brenngas/Luft-Gemisch jeweils über Öffnungen 10 und gelangt in Verbrennungsspalte 11, die an hohle zylindrische Rohre 12 angrenzen. Die hohlen zylindrischen Rohre 12 bestehen vorzugsweise aus einem Metall, welches außen mit einem Katalysator 13 beschichtet ist. Die gegenüberliegende Seite des je¬ weiligen Verbrennungsspaltes 11 wird von einer hier ebenfalls zylindrischen Fluidkammerwand 30 gebildet, die mit einer wärmedämmenden Keramikschicht 1^ belegt ist, die jeweils die Wände zu den beiden Fluidkammern 4 und 7 auskleidet. Das durch die Öffnung 10 in die Verbrennungsspalte 11 einströmende Gas wird an der katalytisch wirkenden Oberfläche 13 unter Wärmeentwicklung umgesetzt. Diese Wärme wird über die als Wärmedämmschicht wirkende Keramikschicht 14 an das Fluid 2 übertragen, das so erwärmt wird und im Kühlmittel reislauf aus dem Auslaß 5 herausfließt.The cooling fluid 2 is heated up by gas which converts. This consists of a fuel gas / air mixture which is introduced into the module via inlets 8 arranged on the underside of the module. Advantageously, 8 spaces for gas distribution and swirling 9 are provided in the module behind the inlets, in which the gas is mixed homogeneously. This Rooms 9 leave the fuel gas / air mixture in each case via openings 10 and enter combustion gaps 11 which adjoin hollow cylindrical tubes 12. The hollow cylindrical tubes 12 are preferably made of a metal which is coated on the outside with a catalyst 13. The opposite side of the respective combustion gap 11 is formed by a likewise cylindrical fluid chamber wall 30, which is covered with a heat-insulating ceramic layer 1, which lines the walls of the two fluid chambers 4 and 7. The gas flowing into the combustion gaps 11 through the opening 10 is converted on the catalytically active surface 13 with the development of heat. This heat is transferred via the ceramic layer 14, which acts as a thermal barrier coating, to the fluid 2, which is heated in this way and flows out of the outlet 5 in the coolant circuit.
Die Katalysatorschicht 13 besteht vorteilhafterweise aus einem Edelmetall, vorzugsweise aus Platin oder Palladium. Andere geeignete Materialien sind die Oxide einiger Nebengruppenelemente und bestimmte Perowskite, z.B. Kalziumtitanoxid.The catalyst layer 13 advantageously consists of a noble metal, preferably of platinum or palladium. Other suitable materials are the oxides of some sub-group elements and certain perovskites, e.g. Calcium titanium oxide.
Ein direkter Kontakt der Fluidkammerwand 30 mit dem Verbrennungsspalt 11 und über Gas-Konvektion mit der die Katalysatorschicht 13 tragenden Wand 12 wird vor¬ zugsweise vermieden, da das Gas bei der Umsetzung eine Temperatur von vorzugsweise 800 Grad Celsius erreichen sollte und der Umsetzungsprozeß erst bei 350 Grad Celsius beginnt. Die Wärmedämmschicht 14 gegenüber den Fluidkammern 4 und 7 besteht in den hier beschriebenen Ausführungsformen aus einer Kerami schicht. Sie kann aber auch aus einer in einer besonderen Zwischenkammer eingeschlossenen Gasschicht gebildet werden. Der die Katalysatorschicht 13 tragende Hohlzylinder 12 ist vorzugsweise hohl, damit die Wärme beim Start der katalytischen Reaktion nicht in einen als Wärmespei¬ cher dienenden eventuellen Vollzylinder fließen kann, sondern direkt zum Aufheizen der Katalysatorschicht und des Gasgemisches dient. Weiter kann so die zu Temperaturen von über 800 Grad Celsius führende, darüberhinausgehende Wärme im thermischen Gleichge¬ wicht direkt und ohne das Aufheizen eines Zwischen- Speichers an das Fluid 2 abgegeben werden kann. Vor¬ teilhafterweise besteht der Hohlzylinder 12 aus einem dünnen metallischen Rohr, womit eine gleichmäßige Wärmetönung der Katalysatorschicht 13 über fast seine gesamte Zylinderfläche gewährleistet werden kann. Denn die Geschwindigkeit der Reaktion hängt insbesondere von der Temperatur und von der Konzentration bezie¬ hungsweise den Partialdrücken der beteiligten Gase ab.A direct contact of the fluid chamber wall 30 with the combustion gap 11 and via gas convection with the wall 12 carrying the catalyst layer 13 is preferably avoided since the gas should reach a temperature of preferably 800 degrees Celsius during the reaction and the conversion process only at 350 Degrees Celsius begins. The heat insulation layer 14 relative to the fluid chambers 4 and 7 in the embodiments described here consists of a ceramic layer. However, it can also be formed from a gas layer enclosed in a special intermediate chamber. The hollow cylinder 12 carrying the catalyst layer 13 is preferably hollow, so that the heat at the start of the catalytic reaction cannot flow into a possible full cylinder serving as a heat store, but rather serves directly to heat the catalyst layer and the gas mixture. Furthermore, the resulting heat in thermal equilibrium, which leads to temperatures of over 800 degrees Celsius, can be released to the fluid 2 directly and without heating an intermediate store. Advantageously, the hollow cylinder 12 consists of a thin metallic tube, with which a uniform heat shade of the catalyst layer 13 can be ensured over almost its entire cylinder surface. The speed of the reaction depends in particular on the temperature and the concentration or the partial pressures of the gases involved.
Im unteren anfänglichen Umsetzungsbereich des Verbren- nungsspaltes 11 liegt die Temperatur zu Beginn der Reaktion ungefähr bei 350 Grad Celsius, zumindest also weit unter 800 Grad Celsius, so daß der Umsetzungs¬ prozeß nicht mit der möglichen Geschwindigkeit ablau¬ fen kann. Daher wirkt hier das dünne metallische Rohr 12 als Heizung, die die im mittleren Umsetzungsbereich entstehende Wärme direkt in den unteren Bereich wei¬ terleitet, so daß dort unmittelbar nach Reaktionsbe¬ ginn ebenfalls eine optimale Temperatur herrscht.In the lower initial conversion area of the combustion gap 11, the temperature at the start of the reaction is approximately 350 degrees Celsius, at least well below 800 degrees Celsius, so that the conversion process cannot proceed at the possible speed. Therefore, the thin metallic tube 12 acts here as a heater, which conducts the heat generated in the central reaction area directly into the lower area, so that there is also an optimal temperature immediately after the start of the reaction.
Im oberen Endbereich des Verbrennungsspaltes 11 ist bereits ein großer Prozentsatz des Brenngases umge¬ setzt, so daß auf Grund der sinkenden Partialdrücke die Reaktionsgeschwindigkeit zurückgeht. Die zurückge¬ hende Reaktionsgeschwindigkeit führt weiter zu einem Absinken der Temperatur der Katalysatorschicht 13, so daß ein noch drastischerer Einbruch in der Reaktions¬ geschwindigkeit zu erwarten wäre, womit ein hoher wer- bleibender Überschuß an nicht verbrannten Gas verblei¬ ben würde. Hier gleicht das dünne metallische Rohr 12 das Absinken der Temperatur auf Grund der zurückgehen¬ den Reaktionsgeschwindigkeit durch eine Wärmezufuhr aus dem mittleren heißen Bereich der Katalysator¬ schicht 13 aus, so daß trotz sinkender Partialdrücke ein zufriedenstellender Umsatz im oberen Endbereich des 10 bis 20 Zentimeter langen Verbrennungsspaltes 11 erreichbar ist.A large percentage of the fuel gas has already been converted in the upper end region of the combustion gap 11, so that the reaction rate drops due to the falling partial pressures. The decreasing reaction rate further leads to a drop in the temperature of the catalyst layer 13, so that an even more drastic drop in the reaction rate would be expected, which means a higher remaining excess of unburned gas would remain. Here the thin metallic tube 12 compensates for the lowering of the temperature due to the decreasing reaction speed by supplying heat from the middle hot area of the catalyst layer 13, so that despite falling partial pressures a satisfactory conversion in the upper end area of the 10 to 20 centimeter long Combustion gap 11 can be reached.
Der beschriebene zur Verbrennung dienende Gasspalt 11 weist dabei eine Breite auf, die bei der durch den Gasdurchsatz vorgegebenen Durchströmungsgeschwindig¬ keit so vorbestimmt ist, daß die gleichzeitig durch die Art des verwendeten Brenngases vorgegebene Fla - menrückschlaggeschwindigkeit kleiner als die besagte Durchströmungsgeschwindigkeit in Vorwärtsrichtung ist. Denn die Temperatur des Gasgemisches ist größer als ihre Selbstentzündungstemperatur, so daß auf diese Weise ein Flammrückschlag und die Ausbildung einer stabilen Flamme verhindert werden kann.The gas gap 11 described for combustion has a width which is predetermined at the flow rate given by the gas throughput so that the flame flashback rate given by the type of fuel gas used is smaller than the said flow rate in the forward direction. Because the temperature of the gas mixture is greater than its self-ignition temperature, so that a flashback and the formation of a stable flame can be prevented.
Das aus den oberen Öffnungen 15 der Verbrennungsspalte 11 der ersten Verbrennungsstufe 16 des katalytischen Brenners heraustretende Gas enthält immer noch circa 10 - 30 Prozent Brenngas. Dieses wird im Luftspalt 17 frei verteilt, so daß es in- die Poren 18 des Katalysa- torschwammes 19 eindringen kann. Der Katalysator¬ schwamm 19 besteht aus einem Keramikschaum, der über eine feinporige Struktur verfügt, die mit dem Kata¬ lysatormaterial beschichtet ist. Eine solche Kataly¬ satorstruktur wird als "monolithischer Brenner" 20 bezeichnet.The gas emerging from the upper openings 15 of the combustion gaps 11 of the first combustion stage 16 of the catalytic burner still contains approximately 10 to 30 percent fuel gas. This is freely distributed in the air gap 17 so that it can penetrate into the pores 18 of the catalyst sponge 19. The catalyst sponge 19 consists of a ceramic foam which has a fine-pored structure which is coated with the catalyst material. Such a catalyst structure is referred to as a "monolithic burner" 20.
In diesem ist der Abstand zwischen den einzelnen das Katalysatormaterial tragenden Wänden der Poren 18 des Schwammes 19 sehr viel geringer als in dem Verbren- nungsspalt 11, so daß selbst bei den in dem vorliegen- den Rest-Brenngas niedrigen Partialdrücken die ver¬ bleibenden Brenngasbestandteile praktisch rück¬ standslos umgesetzt werden. Hierbei entstehen selbst bei den niedrigsten Brenngaskonzentrationen Temperatu¬ ren von ungefähr 1000 Grad Celsius. Die entsprechende Wärme kann kaum über das schlecht wärmeleitende Kata- lysatorschwammaterial abgegeben werden, so daß die hohe die Diffusionsgeschwindigkeit der Gasteilchen begünstigende Temperatur von 1000 Grad Celsius im einem mittleren, im wesentlichen bezüglich der Achse 23 zylindrischen Bereich 21 des monolithischen Bren¬ ners 20 gehalten werden kann.In this the distance between the individual walls of the pores 18 of the sponge 19 carrying the catalyst material is very much smaller than in the combustion tion gap 11, so that even with the partial pressures low in the residual fuel gas present, the remaining fuel gas components are converted practically without residue. This results in temperatures of approximately 1000 degrees Celsius even at the lowest fuel gas concentrations. The corresponding heat can hardly be given off via the poorly heat-conducting catalyst sponge material, so that the high temperature of 1000 degrees Celsius which favors the diffusion speed of the gas particles is kept in a central region 21 of the monolithic burner 20, which is essentially cylindrical with respect to the axis 23 can.
Dabei wird die Größe des Porenmaterials in Abhängig¬ keit von der gewünschten Brennleistung auch so ge¬ wählt, daß die erreichte Temperatur nicht stark über die besagten 1000 Grad Celsius ansteigt, da ansonsten das Katalysatormaterial aboxydieren und/oder sich Stickoxyde bilden könnten. Bei der genannte Betriebs¬ temperatur von 1000 Grad Celsius wird das Brenngas in der zweiten Verbrennungsstufe 20 rückstandslos derart verbrannt, daß NOχ-Emissionen beziehungsweise Brenn¬ gasreste nur mit einer höchstempfindlichen Meßtechnik nachgewiesen werden könnten und daß deren Abgabe in die Luft unbedenklich ist. Das mit dem Bezugszeichen 22 versehene Abgas wird dann in einem in den Figuren nicht dargestellten Abgaswärmetauscher mit dem aus dem Auslaß 5 entströmenden Kühlfluid 2 in Verbindung ge- bracht, so daß die in dem Abgas enthaltene Wärme das Kühlfluid 2 weiter aufheizen kann. Außerdem besteht dadurch bei entsprechender Verlegung der Zuleitungs- rohre des Brenngas/Luft-Gemisches die Möglichkeit, das Brenngas/Luft-Gemiεch vorzuheizen.The size of the pore material is also selected depending on the desired firing capacity so that the temperature reached does not rise much above said 1000 degrees Celsius, since otherwise the catalyst material could oxidize and / or nitrogen oxides could form. At the mentioned operating temperature of 1000 degrees Celsius, the fuel gas is burned without residue in the second combustion stage 20 in such a way that NO χ emissions or fuel gas residues could only be detected with a highly sensitive measuring technique and that their release into the air is harmless. The exhaust gas provided with the reference numeral 22 is then brought into connection in an exhaust gas heat exchanger (not shown in the figures) with the cooling fluid 2 flowing out of the outlet 5, so that the heat contained in the exhaust gas can further heat up the cooling fluid 2. In addition, if the supply pipes for the fuel gas / air mixture are laid accordingly, there is the possibility of preheating the fuel gas / air mixture.
Somit ist ein zweistufiger katalytischer Brenner be¬ schrieben worden, der eine rückstandslose Verbrennung eines Brenngases gestattet, wobei die dabei vorzuse¬ henden Dimensionen im ihrem Raumbedarf günstig sind. Bei einer zugrundegelegten Leistung von einigen Kilo¬ watt weist die Länge der ersten Verbrennungsstufe 16 eine Größenordnung zwischen 10 und 15 Zentimetern auf, an die sich nach einem Verwirbelungsspalt 17 von 1 bis 2 Zentimetern Dicke der circa 3 Zentimeter tiefe Kata¬ lysatorschwamm 19 anschließt.A two-stage catalytic burner has thus been described, which is combustion without residues of a fuel gas is permitted, the dimensions to be provided being favorable in terms of their space requirements. Given an output of a few kilowatts, the length of the first combustion stage 16 has a magnitude of between 10 and 15 centimeters, which is followed by the approximately 3 centimeter deep catalyst sponge 19 after a swirl gap 17 of 1 to 2 centimeters in thickness.
Bei der Ausgestaltung der Größenverhältnisse zueinan¬ der ist lediglich darauf zu. achten, daß es sich bei der zweiten Verbrennungsstufe 20 um einen im wesentli¬ chen adiabatischen Prozeß handelt, daß die Durchström¬ geschwindigkeiten der ersten Verbrennungsstufe 16 an die der zweiten Verbrennungsstufe 20 über die Spalt¬ breiten 11 beziehungsweise Porenbreiten 18 angepaßt sind, und daß die Katalysatorflächen der ersten 16 und zweiten 20 Verbrennungsstufe im richtigen Verhältnis zueinander stehen.When designing the size relationships to each other, only this is necessary. make sure that the second combustion stage 20 is an essentially adiabatic process, that the flow velocities of the first combustion stage 16 are adapted to those of the second combustion stage 20 over the gap widths 11 or pore widths 18, and that the The catalyst areas of the first 16 and second 20 combustion stages are in the correct relationship to one another.
Bei dem in der Fig. 1 dargestellten Ausführungsbei¬ spiel ist von Vorteil, daß die beiden Verbrennungs¬ stufen 16 und 20 in ein Rohr 1 mit konstantem Außen¬ durchmesser eingesetzt werden können. Dabei ruht der Schwamm 19 in einer einfachen Ausgestaltung der Erfin¬ dung auf einem seitlichen inneren Stützring 32, der zugleich ein direktes Beaufschlagen der äußersten Randbereiche 35 des Schwam es 19 mit Gas verhindert, so daß diese Bereiche 35 nicht am Umsetzungsprozeß beteiligt sind und als Wärmedämmschicht wirken.In the embodiment shown in FIG. 1, it is advantageous that the two combustion stages 16 and 20 can be inserted into a tube 1 with a constant outer diameter. In a simple embodiment of the invention, the sponge 19 rests on a lateral inner support ring 32, which at the same time prevents gas from being directly impinged on the outermost edge regions 35 of the sponge 19, so that these regions 35 are not involved in the conversion process and as a thermal barrier coating Act.
Es ist auch möglich, daß die zweite Verbrennungsstufe 20 über einen größeren Durchmesser bezüglich der Achse 23 verfügt, so daß die Oberfläche des normal zu der Achse 23 der Vorrichtung stehenden Katalysatorschwam- mes 19 vergrößert wird, wobei dann die Tiefe der zwei¬ ten Verbrennungsstufe 20 entsprechend verkleinert werden kann, sofern der Verwirbelungsspalt 17 ausrei¬ chend tief ist, um eine seitliche Verteilung des ein¬ strömenden Rest-Brenngas/Luft-Gemisches ohne eine allzu große Abkühlung zu gestatten. Der Verteilungs- spalt weist vorteilhafterweise eine Breite von .unter einem bis ungefähr 5 Zentimeter auf.It is also possible for the second combustion stage 20 to have a larger diameter with respect to the axis 23, so that the surface of the catalyst sponge 19 normal to the axis 23 of the device is increased, the depth of the second combustion stage 20 then reduced accordingly can be provided that the swirl gap 17 is sufficiently deep to allow a lateral distribution of the inflowing residual fuel gas / air mixture without excessive cooling. The distribution gap advantageously has a width of less than one to approximately 5 centimeters.
Die Fig. 2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem gleiche Merkmale mit gleichen Be- zugszeichen wie in der vorausgegangenen Figur bezeich¬ net werden.FIG. 2 shows a second exemplary embodiment of the invention, in which the same features are denoted by the same reference symbols as in the previous figure.
Analog zu der Fig. 1 wird mit dem unteren Einlaß 3 kaltes Fluid 2 in die ringförmige Fluidkammer 4 einge- leitet und über den oberen Auslaß 5 zum Abgaswärmetau¬ scher geführt. An der Innenseite der bezüglich der Achse 23 koaxialen Fluidkammerwand 30 ist eine Wärme¬ dämmschicht angeordnet, die vorzugsweise aus einem Keramikrohr 14 besteht.Analogously to FIG. 1, cold fluid 2 is introduced into the annular fluid chamber 4 with the lower inlet 3 and is led via the upper outlet 5 to the exhaust gas heat exchanger. On the inside of the fluid chamber wall 30, which is coaxial with respect to the axis 23, a thermal insulation layer is arranged, which preferably consists of a ceramic tube 14.
Zwischen diesem Keramikrohr 14 und der ebenfalls zy¬ lindrischen, mit dem Katalysator beschichteten Kataly¬ satorwand 31 ist der Verbrennungsspalt 11 ausgebildet, dessen Länge vorteilhafterweise zwischen 10 und 30 Zentimetern liegt. Das Brenngas wird zentral über ein auf der Achse 23 angeordnetes Hohlröhr 25 eingeleitet, welches an einer oberen Endplatte 26 in das koaxial angeordnete Katalysatorwandrohr 31 umgeleitet wird, so daß es im Gegenstrom bezüglich dem Verbrennungsspalt 11 zurückfließt und durch radial angeordnete Öffnungen 27 am unteren Ende des Moduls in den Verbrennungsspalt 11 gelangt. Durch dieses doppelte Gegenstromprinzip wird das Brenngas/Luft-Gemisch durch Wärmeleitung und gegebenenfalls Wärmestrahlung von der an der Katalysa- torschicht 13 entstehenden Wärme vorgewärmt, so daß es bereits beim Eintritt in den Verbrennungsspalt 11 über die Auslaßöffnungen 27 eine geeignete die Umsetzung begünstigende Temperatur aufweist.The combustion gap 11, the length of which is advantageously between 10 and 30 centimeters, is formed between this ceramic tube 14 and the likewise cylindrical catalyst wall 31 coated with the catalyst. The fuel gas is introduced centrally via a hollow tube 25 arranged on the axis 23, which is diverted at an upper end plate 26 into the coaxially arranged catalyst wall tube 31, so that it flows back in countercurrent with respect to the combustion gap 11 and through radially arranged openings 27 at the lower end of the Module reaches the combustion gap 11. By means of this double countercurrent principle, the fuel gas / air mixture is preheated by heat conduction and possibly heat radiation from the heat generated at the catalyst layer 13, so that it already passes over the combustion gap 11 as it enters the outlet openings 27 have a suitable temperature which favors the reaction.
Beim Start des Umsetzungsprozeß muß das Brenngas/Luft- Gemisch u.U. auf die Starttemperatur von einigen hun¬ dert Grad Celsius vorgewärmt werden. Dafür ist eine elektrische Heizschlange 34 vorgesehen, die das Zu¬ führrohr 25 im Bereich des Einlasses 8 des Gasgemi¬ sches umgibt. Weiter ist ein in der Fig. nicht darge- stellter Thermosensor im Bereich des katalytischen Verbrennungsspaltes 11 der ersten Verbrennungsstufe 16 vorgesehen, mit dessen Temperatursignal die Heiz¬ schlange 34 bei Vorliegen eines kalten Gasgemisches einschaltbar und bei Erreichen einer vorbestimmten Gasgemischtemperatur ausschaltbar ist.At the start of the conversion process, the fuel gas / air mixture may have to preheated to the starting temperature of a few hundred degrees Celsius. For this purpose, an electrical heating coil 34 is provided which surrounds the feed pipe 25 in the area of the inlet 8 of the gas mixture. Furthermore, a thermal sensor, not shown in the figure, is provided in the area of the catalytic combustion gap 11 of the first combustion stage 16, with the temperature signal of which the heating coil 34 can be switched on when a cold gas mixture is present and can be switched off when a predetermined gas mixture temperature is reached.
Beim Ausführungsbeispiel gemäß der Fig. 2 erstreckt sich der ringförmige Kühlmantel 4 entlang der ersten 16 und der zweiten 20 Verbrennungsstufe. Im Bereich der ersten Verbrennungsstufe 16, d.h. angrenzend an den Verbrennungsspalt 11, und vorteilhafterweise eben¬ falls im Bereich des Verteilungsraumes 17 ist an der Fluidkammerwand 30 das Keramikrohr 14 vorgesehen. Dieses grenzt dann an den Innenring 32 an, auf dem eine Katalysatorwabe 39 aufgesetzt ist.In the exemplary embodiment according to FIG. 2, the annular cooling jacket 4 extends along the first 16 and the second 20 combustion stages. In the area of the first combustion stage 16, i.e. adjacent to the combustion gap 11, and advantageously also in the area of the distribution space 17, the ceramic tube 14 is provided on the fluid chamber wall 30. This then adjoins the inner ring 32 on which a catalyst honeycomb 39 is placed.
Die mit parallelen Striche dargestellte Katalysatorwa¬ be 39 besteht aus einer Vielzahl von nebeneinanderlie¬ genden wabenförmigen Röhrchen 38 aus keramischem Mate- Mal, die mit dem Katalysatormaterial, also z.B. Pla¬ tin, ausgekleidet sind. Ein solcher Katalysator wird ebenfalls als "monolithischer Brenner" 20 bezeichnet. In diesem ist der Abstand zwischen den einzelnen das Katalysatormaterial tragenden Wänden erheblich kleiner als die entsprechenden Abstände bei dem Verbrennungs¬ spalt 11, so daß selbst bei den in dem vorliegenden Brenngas niedrigen Partialdrücken die verbleibenden Brenngasbestandteile praktisch rückstandslos umgesetzt werden.The catalyst web 39 shown with parallel lines consists of a multiplicity of honeycomb-shaped tubes 38 made of ceramic material lying side by side, which are lined with the catalyst material, that is to say, for example platinum. Such a catalyst is also referred to as a "monolithic burner" 20. In this, the distance between the individual walls carrying the catalyst material is considerably smaller than the corresponding distances in the combustion gap 11, so that even with the partial pressures low in the fuel gas present, the remaining ones Fuel gas components can be implemented practically without residue.
Die Randbereiche 35 der Katalysatorwabe 39 der zweiten Verbrennungsstufe 20 werden durch den Innenring 32 abgedeckt, so daß sie als Wärmedämmschicht gegenüber der Fluidkammer 4 auftreten, so daß die hohen Tempera¬ turen innerhalb des mittleren Bereichs 21 auch bei geringen Konzentrationen an Brenngas ausgenützt werden können.The edge regions 35 of the catalyst honeycomb 39 of the second combustion stage 20 are covered by the inner ring 32, so that they appear as a heat insulation layer opposite the fluid chamber 4, so that the high temperatures within the central region 21 can also be used at low concentrations of fuel gas.
Die Fig. 3 schließlich stellt ein drittes Ausführungs¬ beispiel eines Warmwasserbereiters dar. Gleiche Merk¬ male dieser Vorrichtung sind mit den gleichen Bezugs- zeichen wie in den Fig. 1 und Fig. 2 bezeichnet. Die Vorrichtung nach Fig. 3 ist insbesondere eine Weiter¬ bildung des Moduls nach Fig. 2. Der Aufbau der Gegen- stromvorheizung des Brenngas/Luft-Gemisches ist analog aufgebaut und es besteht ebenfalls nur eine ringför- mige Fluidkammer 4.Finally, FIG. 3 shows a third embodiment of a water heater. The same features of this device are identified by the same reference numerals as in FIGS. 1 and 2. The device according to FIG. 3 is in particular a further development of the module according to FIG. 2. The construction of the countercurrent preheating of the fuel gas / air mixture is constructed analogously and there is also only an annular fluid chamber 4.
Die Fluidkammer 4 ist aber mit dem auf ihrer Wand 30 befestigten Keramikrohr 14 nur bis in den Bereich des Spaltes 17 hochgezogen. Sie wird von einer radialen Lochplatte 36 abgeschlossen, auf die die Katalysator¬ wabe 39 aufgesetzt ist, so daß bereits von der Kon¬ struktion her das Rest-Brenngas nur den zentralen Be¬ reich 21 der Katalysatorwabe 39 beaufschlagt. Die äußeren 35 mit parallelen Striche dargestellten waben- förmigen Röhrchen 38 der Katalysatorwabe 39 werden von dem Gas nicht beaufschlagt, da sie von der Lochplatte 36 verschlossen werden. Damit wirken diese aus Keramik bestehenden Röhrchenwände als Wärmedämmung gegenüber dem umgebenden Rohr 1 , so daß die hohen Temperaturen innerhalb des mittleren Bereichs 21 auch bei geringen Konzentrationen an Brenngas ausgenützt werden können. Das Brenngas/Luft-Gemisch 3 kann aus einem Gemisch aus Luft und Methan bestehen, es kann aber auch ein ande¬ rer Kohlenwasserstoff wie Propan oder Butan eingesetzt werden. Auch ist es möglich, Alkohole wie Methanol oder Äthanol im Gemisch mit Luft zu verwenden. Natür¬ lich kann es sich auch um in der Gasversorgung von Versorgungsbetrieben bereitgestelltes Erdgas handeln, welches dann NOχ-frei verbrannt werden kann.However, the fluid chamber 4 is only pulled up into the region of the gap 17 with the ceramic tube 14 fastened to its wall 30. It is closed off by a radial perforated plate 36 onto which the catalyst honeycomb 39 is placed, so that the residual fuel gas only acts on the central area 21 of the catalyst honeycomb 39 from the design point of view. The outer 35 honeycomb-shaped tubes 38 of the catalyst honeycomb 39, shown with parallel lines, are not acted upon by the gas, since they are closed by the perforated plate 36. Thus, these tube walls made of ceramic act as thermal insulation with respect to the surrounding pipe 1, so that the high temperatures within the central region 21 can also be used at low concentrations of fuel gas. The fuel gas / air mixture 3 can consist of a mixture of air and methane, but another hydrocarbon such as propane or butane can also be used. It is also possible to use alcohols such as methanol or ethanol mixed with air. Natür¬ After all, it may be, also in the gas supply from utilities-supplied natural gas that can be burned -free then NO χ.
Für das Katalysatormaterial können insbesondere Platin oder Palladium verwendet werden, wobei die Katalysa¬ tormaterialien in den beiden Verbrennungsstufen gleichartig oder auch unterschiedlich sein können.Platinum or palladium in particular can be used for the catalyst material, the catalyst materials in the two combustion stages being able to be the same or different.
Neben der Keramikschicht 14 kann zusätzlich oder in Alternative eine gasgefüllte Kammer oder eine Vakuum¬ kammer als Wärmedämmschicht vorgesehen sein. Die Dicke der vorgesehenen Wärmedämmschicht ist so bemessen, daß bei dem vorgesehenen Gasdurchsatz die für das umzuset- zende Brenngas/Luft-Gemisch im Bereich des Verbren¬ nungsspaltes 11 die vorbestimmte optimale Temperatur herrscht und gleichzeitig die darüber hinausent¬ wickelte Wärme an das aufzuheizende Fluid 2 abgegeben werden kann.In addition to the ceramic layer 14, a gas-filled chamber or a vacuum chamber can additionally or alternatively be provided as the thermal insulation layer. The thickness of the heat insulation layer provided is dimensioned such that, with the gas throughput provided, the predetermined optimum temperature prevails for the fuel gas / air mixture to be converted in the area of the combustion gap 11 and, at the same time, the heat developed further to the fluid to be heated 2 can be delivered.
Die in den Fig. 1 , 2 und -3 beschriebenen, in ihrer Gestaltung des Brennraumes unterschiedlichen zweiten Verbrennungsstufen 20 können bezüglich der verschiede¬ nen ersten Verbrennungsstufen 16 ausgetauscht werden. Gleichzeitig ist es möglich, die in der Fig. 2 nieder¬ gelegten Merkmale eines monolithischen Brenners 17 in einem größeren Modul wie dem der Fig. 1 mit mehreren bezüglich der Achse 23 achsensymmetrischen Rohren 12 zu realisieren.The second combustion stages 20 described in FIGS. 1, 2 and -3, which differ in their design of the combustion chamber, can be exchanged with respect to the different first combustion stages 16. At the same time, it is possible to implement the features of a monolithic burner 17 shown in FIG. 2 in a larger module such as that of FIG. 1 with a plurality of tubes 12 that are axisymmetric with respect to the axis 23.
Die dargestellten bezüglich einer Achse 23 symmetri¬ schen Kammern bilden eine besonders vorteilhafte räum- sparende und konstruktiv einfach auszuführende Ausfüh¬ rungsform. Es kann jedoch jede beliebige andere, z.B. quaderförrmge Kammerform gewählt werden. Auch können mehrere Ein- und Auslässe 3, 5 und 8 für die verschie¬ denen Fluide und/oder Verteilungskammern 9 vorgesehen sein. The chambers shown symmetrical with respect to an axis 23 form a particularly advantageous spatial economical and structurally simple to carry out embodiment. However, any other, for example cuboid, chamber shape can be selected. Several inlets and outlets 3, 5 and 8 can also be provided for the different fluids and / or distribution chambers 9.

Claims

Patentansprüche Claims
1. Warmwasserbereiter mit einem Gaseinlaß (8) für ein Brenngas/Luft-Gemisch, einem Einlaß für ein aufzuhei- zendes Fluid (2), mindestens zwei von dem Brenngas/- Luft-Gemisch durchströmten Verbrennungsstufen (16,20) mit katalytischen Brennkammern, die zumindest teil¬ weise von mindestens einer mit dem Fluid (2) gefüllten Fluidkammer (4,7) umgeben sind, und mit einem von diesem Fluid (2) und mit dem aus den Brennkammern entweichenden Abgas in verschiedenen Kammern durch¬ strömten Abgaswärmetauscher, wobei die zweite Verbren¬ nungsstufe (20) als ein monolithischer Brenner (18,19,38,39) ausgestaltet ist, d a d u r c h g e- k e n n z e i c h n e t, daß die erste Verbrennungs¬ stufe (16) als ein katalytischer Spaltbrenner (11) ausgestaltet ist, wobei der die Brennkammer der ersten Verbrennungsstufe (16) bildende, von dem Gasgemisch durchströmte Verbrennungsspalt zwischen einer mit einer Keramikschicht (14) ausgekleideten Wand (30) auf der der Fluidkammer (4) zugewandten Seite und einer mit einer Katalysatorschicht (13) beschichteten Seite (12,31 ) begrenzt ist, und daß die Spaltbreite in Ab¬ hängigkeit von der durch den Gasdurchsatz vorgegebenen Durchströmungsgeschwindigkeit derart vorbestimmt ist. daß die Flammenrückschlaggeschwindigkeit kleiner als die besagte Durchströmungsgeschwindigkeit ist.1. water heater with a gas inlet (8) for a fuel gas / air mixture, an inlet for a fluid to be heated (2), at least two combustion stages (16, 20) through which the fuel gas / air mixture flows, with catalytic combustion chambers, which are at least partially surrounded by at least one fluid chamber (4, 7) filled with the fluid (2), and with an exhaust gas heat exchanger which flows through this fluid (2) and with the exhaust gas escaping from the combustion chambers in different chambers, wherein the second combustion stage (20) is designed as a monolithic burner (18, 19, 38, 39), characterized in that the first combustion stage (16) is designed as a catalytic split burner (11), the the combustion chamber through which the gas mixture flows and forms the combustion chamber of the first combustion stage (16) between a wall (30) lined with a ceramic layer (14) on the side facing the fluid chamber (4) and the like and a side (12, 31) coated with a catalyst layer (13) is limited, and that the gap width is predetermined in such a manner as a function of the flow rate predetermined by the gas throughput. that the flame flashback rate is less than said flow rate.
2. Warmwasserbereiter nach Anspruch 1, dadurch ge- kennzeichnet, daß das Brenngas-Gemisch vor Einleitung in den katalytischen Verbrennungsspalt im Gegenstrom an der Rückseite der die Katalysatorschicht (13) tra¬ genden Wand (31 ) zum Vorheizen des Gemisches vorbei- leitbar ist.2. A water heater according to claim 1, characterized in that the fuel gas mixture can be passed in countercurrent to the rear of the wall (31) carrying the catalyst layer (13) for preheating the mixture before being introduced into the catalytic combustion gap.
3. Warmwasserbereiter nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der monolithi- sehe Brenner (18,38) in der Ebene normal zur Durch¬ flußrichtung des Gasgemisches nur durch eine vorbe¬ stimmte Fläche (32,36) in einem mittigen Bereich (21 ) von dem aus der ersten Verbrennungsstufe (16) austre- tenden Gasgemisch durchströmbar ist, so daß die ver¬ bleibenden Randbereiche (35) der zweiten Verbrennungs¬ stufe (20) am Umsetzungsprozeß nicht beteiligt sind und einen Wärmeschild gegenüber den Außenwänden (1) des Warmwasserbereiters bilden.3. Water heater according to one of the preceding claims, characterized in that the monolithic see burner (18, 38) in the plane normal to the direction of flow of the gas mixture can only flow through a predetermined area (32, 36) in a central region (21) of the gas mixture emerging from the first combustion stage (16) is so that the remaining edge areas (35) of the second combustion stage (20) are not involved in the conversion process and form a heat shield against the outer walls (1) of the water heater.
4. Warmwasserbereiter nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine elektri¬ sche Heizschlange (34) das Zuführrohr (25) im Bereich des Einlasses (8) des Gasgemisches in die erste Ver- brennungsstufe (16) für ein Vorheizen desselben umgibt und daß ein Thermosensor im Bereich des katalytischen Verbrennungsspaltes (11 ) der ersten Verbrennungsstufe (16) vorgesehen ist, mit dessen Temperatursignal die Heizschlange (34) bei Vorliegen einer niedrigen Gasge- mischtemperatur einschaltbar und bei Erreichen einer vorbestimmten Gasgemischtemperatur ausschaltbar ist.4. Water heater according to one of the preceding claims, characterized in that an electrical heating coil (34) surrounds the feed pipe (25) in the region of the inlet (8) of the gas mixture in the first combustion stage (16) for preheating the same and that a thermal sensor is provided in the region of the catalytic combustion gap (11) of the first combustion stage (16), with whose temperature signal the heating coil (34) can be switched on when a low gas mixture temperature is present and can be switched off when a predetermined gas mixture temperature is reached.
5. Warmwasserbereiter nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den beiden Verbrennungsstufen (16 und 20) ein Verteilungs¬ und Verwi rbelungsspalt (17) vorgesehen ist.5. Water heater according to one of the preceding claims, characterized in that a distribution and Verwi rbelungsspalt (17) is provided between the two combustion stages (16 and 20).
6. Warmwasserbereiter nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der das aufzu- heizende Fluid (2) enthaltende Fluidmantel (4) nur in der und um die erste Verbrennungεstufe (16) angeordnet ist.6. Water heater according to one of the preceding claims, characterized in that the fluid jacket (4) containing the fluid to be heated (2) is arranged only in and around the first combustion stage (16).
7. Warmwasserbereiter nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der monolithi¬ sche Brenner (18,38) die Gestalt einer Katalysatorwabe (38) aufweist. 7. Water heater according to one of the preceding claims, characterized in that the monolithic cal burner (18, 38) has the shape of a catalyst honeycomb (38).
8. Warmwasserbereiter nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der monoli hische Bren¬ ner (18,38) die Gestalt eines Katalysatorschaums (18) aufweis .8. A water heater according to one of claims 1 to 6, characterized in that the monolayer burner (18, 38) has the shape of a catalyst foam (18).
9. Warmwasserbereiter nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im Zuflußkanal des Gasgemisches mindestens eine Verwi rbelungskammer (9) vorgesehen ist.9. Water heater according to one of the preceding claims, characterized in that at least one Verwi rbelungskammer (9) is provided in the inflow channel of the gas mixture.
10. Warmwasserbereiter nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Katalyεa- torschicht (13) der ersten Verbrennungsstufe auf einer dünnen metalli chen Unterschicht (12,31 ) aufgebracht ist, so daß eine gute Wärmeverteilung längs des Umset¬ zungsbereiches des Verbrennungsspaltes (11 ) gewährlei¬ stet ist,10. Water heater according to one of the preceding claims, characterized in that the catalyst layer (13) of the first combustion stage is applied to a thin metallic underlayer (12, 31), so that good heat distribution along the implementation area of the combustion gap ( 11) is guaranteed,
11. Warmwasserbereiter nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Katalysa- tormateπal (13,19,39) aus Platin, Palladium oder oxidischen Materialien besteht.11. Water heater according to one of the preceding claims, characterized in that the catalyst material (13, 19, 39) consists of platinum, palladium or oxidic materials.
12. Warmwasserbereiter nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Brenngas ein Alkan oder ein Alkohol ist. 12. Water heater according to one of the preceding claims, characterized in that the fuel gas is an alkane or an alcohol.
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