SE530775C2 - Värmeanordning för katalytisk förbränning av vätskeformiga bränslen samt en spis innefattande en sådan värmeanordning - Google Patents

Description

25 30 530 775 Problemen med förångning av vätskeforrniga bränslen beror på det faktum att förångartemperaturen måste kunna styras beroende på brännarens driftsförhållanden samt motsvara det breda effektomfânget, varvid den goda styrbarheten hos den kata- lytiska förbränningsprocessen kan utnyttjas och ackumulering av tunga kolväteresidual- er måste förhindras för att undvika koksning. Vidare måste förångaren nå en passande temperatur på kort tid vid uppstart för att erhålla en snabb och effektiv uppstartsprocess, vilket förbättrar prestandan och minimerar kallstartsemissioner. Slutligen måste detta åstadkommas med en minimal konsumtion av elektrisk energi.

Sammanfattning av uppfinningen För att undvika, minska eller eliminera, åtminstone delvis, ett eller flera av ovannämnda problem, är det ett ändamål med föreliggande uppfinning att tillhandahålla en värmeanordning med ett inloppsrör som riktar luft och bränsle i en tangentiell riktning in i en bränsleförångningsanordning, så att en stark virvel (”swirl”) skapas däri.

Vidare ändamål och aspekter hos uppfinningen anges av underkraven.

Kortfattad beskrivning av ritningarna Ytterligare ändamål, särdrag och fördelar hos uppfinningen kommer att framgå av följande detaljerade beskrivning av flera utföringsfonner av uppfmningen, med hän- visning till ritningarna, på vilka: Fig. 1 är en genomskärningsvy av en värmeanordning enligt uppfinningen, Fig. 2-7 är ytterligare genomskärningsvyer som visar olika konfigurationer av olika utföringsforiner av uppfinningen, Fig. 8-9 visar en utíöringsform av en bränslefiårångningsanordning enligt en utföringsforrn av uppfinningen, Fig. 10 visar en utföringsforin av en elektrisk värmeanordning som omger bränsleförângaren enligt uppfinningen, Fig. 11 och 12 visar olika variationer av utföringsforrner för bränsleförång- ningsanordningen enligt uppfinningen, Fig. 13 är en genomskärning av bränsletörångningsanordriingen längs linjen A-A i fi g. 12, Fig. 14 visar en utföringsform med axiell förflyttning mellan de två inre inloppsrören hos bränsleanordningen, ' Fig. 15 och 16 visar rent axiella uppvärmningsanordningar enligt uppfinningen, 10 15 20 25 30 35 530 775 Fig. 17 och 18 visar kombinationer av axiella och radiella konfigurationer hos värmeanordningen och F ig. 19a och l9b visar helt radiella konfigurationer av värmeanordningen.

Detaljerad beskrivning av utföringsformer En utföringsform av en värmeanordning 100 visas i fig. 1. Värmeanordningen 100 innefattar ett yttre hus 110, vilket huvudsakligen har formen av en stympad kon med en stor öppning vettande uppåt. Bottnen hos det yttre huset 110 är sluten, med “ exempelvis en jämnt svängd eller huvudsakligen platt bottenvägg 111, vilken fluid- mässigt stänger av den nedre delen av det yttre huset 11O under bildande av ett tråg. En inre vägg 120 är anordnad på insidan av det yttre huset 110, och denna vägg har huvud- sakligen formen av en stympad kon, varvid den stora öppningen vetter uppåt. En övre vägg l 15 är fäst vid det yttre huset 1 10 och den inre väggen 120 vid sina övre omkrets- ar, så att ett fluidtätt lock bildas ovanför utrymmet mellan det yttre huset 110 och innerväggen 120. Detta utrymme kallas nedan yttre inloppskammare OIC. Den inre väggen 120 slutar på ett avstånd från bottenväggen 111, så att en fluid kan överföras från den yttre inloppskammaren OIC till insidan av innerväggen 120. Det yttre huset 110 och innerväggen 120 är anordnade huvudsakligen koaxiellt.

Ett yttre inloppsrör 112 är kopplat till den övre delen av det yttre huset 110.

Det yttre inloppsröret 1 12 är anordnat att rikta ett fluidflöde tangentiellt till det yttre huset 1 10 och innerväggen 120, samt med en ursprungligen horisontell riktning. Flödet kommer slutligen gåi en spiral nedåt mot utloppet nära bottenväggen 111. I en utför- ingsforrn kan en ledskena eller vinge vara arrangerad i den yttre inloppskarnmaren för att ytterligare hjälpa till att rikta flödet till ett koaxiellt roterande flöde.

En bränsleförångningsanordning 130, som nedan även kallas bränsleförångare, anordnad huvudsakligen koaxiellt imtanför innerväggen 120. Bränsleförångaren har huvudsakligen formen av en cylinder med en cirkulär genomskärning, och den övre delen av bränsleförångaren sluts av en övre vägg l31u. Ett bottenparti av bränsleför- ångaren är öppet och vetter mot bottenväggen 111 hos det yttre huset 110. Volymen i det övre partiet hos bränsleförångaren 130 är huvudförångningszonen. Genomskärning- en hos bränsleförångaren 130 behöver inte vara cirkulär, men skall vara huvudsakligen axisymmetrisk.

Den totala volymen i bränslefórångaren kallas den inre inloppskammaren IIC.

Volymen mellan ytterytan hos bränslefórångaren 130 och innerytan hos innerväggen 120 kallas blandningskammaren MC. 10 15 20 25 30 530 775 Ett inre inloppsrör 132 är kopplat till den övre delen av bränsleförångaren 130.

Detta rör är avpassat att rikta den inkommande fluiden tangentiellt till en perifer vägg 13 lp hos bränsleförångaren 130, så att en stark virvel (”swir1”) skapas. Det inre inlopps- röret 132 innefattar även ett bränslerör 133, vilket levererar bränsle från en bränslepump (inte visad). Bränsleförsörjningsröret kan i en utföringsfonn vara försett med ett mun- stycke 134, vilket kan vara en enkel öppning. För att forma små likforrniga droppar trots det låga bränsletrycket (bränslet kan levereras enbart medelst gravitation), kan mun- stycket 134 innefatta en turm tråd 135 med en diameter på ungefär halva munstyckets innerdiameter, instucken axiellt i nämnda munstycke. Tråden kan exempelvis sträcka sig ett avstånd från munstycket på inloppsröret som motsvarar ungefär 10 gånger närnnda munstyckes inre diameter. Öppningen i nedre delen av förångaren tjänar till att mata ut bränslet och/eller luften som sprutas in i bränslefórångaren genom det inre inloppsröret 132.

Ett första katalytiskt element 140 är anordnat i närheten av eller i direkt kontakt med bränsleförångaren 130. I en utföringsforrn omger det katalytiska elementet 140 förångaren 130 vid en position som är något nedanför den övre änden av bränsle- förångaren. Ett elektriskt värmeelement 141 är anordnat i kontakt med eller i närheten av det första katalytiska elementet 140. I en utföringsforrn är det elektriska värme- elementet 141 även i kontakt med eller finns i närheten av bränsletörångaren 130. Det elektriska värmeelementet 141 är anordnat för att huvudsakligen värma hela det katalytiska elementet 140 till tändning. Det elektriska värmeelementet 141 behöver inte täcka hela området hos katalysatom 140, eftersom vännen kommer spridas från de värmda områdena till hela den katalytiska strukturen. Det första katalytiska elementet 140 är anordnat att huvudsakligen täcka en hel genomskärning mellan bränsleför- ångaren 130 och innerväggen 120, såsom visas i fig. 1, så att huvudsakligen all fluid som flödar mellan bränsleförångaren 130 och innerväggen 120 går igenom det första katalytiska elementet 140.

Bäraren i det katalytiska elementet 140 är i en utföringsforrn tillverkat av metall, exempelvis ett metalliskt nät eller gitter, men kan i andra uttöringsfonner ha en annan gnmdstmktur men med en liknande form med en huvudsakligen tunn och platt konfiguration. Metallnätet eller gittret är täckt med en kerarnisk ”washcoat”, som är katalytiskt aktiv eller täckt med katalytiskt aktivt material. ”Washcoaten” ökar arean hos det katalytiska elementet avsevärt och tillåter följaktligen effektiv dispersion av det katalytiskt aktiva materialet som skall deponeras på elementet 140. Det första kata- 10 15 20 25 30 35 530 775 lytiska elementet skall ha en relativt liten massa, för att tillåta det att snabbt förvärmas.

”Washcoaten” kan tillverkas av vilket passande material som helst, t ex aluminiumoxid.

Ett andra katalytiskt element 150 är anordnat ovanför den övre väggen 131u hos bränsleförångaren, och detta element sträcker sig från innerytan hos den inre väggen 120 och täcker hela dess inre genomskärning. Det andra katalytiska elementet är anordnat i kontakt med eller i närheten av den övre väggen 13 lu. Den uppåt expander- ande konformen hos den inre väggen innebär att det andra katalytiska elementet 150 är större än det första katalytiska elementet 140. Det andra katalytiska elementet 150 tillåter högre effekt hos värmeanordningen. Ett tredje 160 och möjligtvis även fjärde (eller fler) ytterligare katalytiska element kan anordnas ytterligare nedströms i värme- anordníngen, d.v.s. ovanför det första 140 och andra 150 katalytiska elementet. Huvud- törbränningszonen bildas vid den övre delen av Värmeanordningen, vid det andra katalytiska elementet 150 (och eventuella ytterligare nedströms katalytiska element) men det första katalytiska elementet 140 är aktivt under de flesta driftsförhållanden.

Bränsleförångaren 130 kan penetrera genom det första katalytiska elementet 140 och in i huvudförbränningszonen vid det andra katalytiska elementet 150.

Om bäraren i det första katalytiska elementet 140 är tillverkad av metall, kan bäraren användas som det elektriska värmeelementet 141 genom att utnyttja det elektriska motståndet hos nämnda bärare. Det elektriska värmeelementet 141 kan vara elektriskt isolerat från det första katalytiska elementet 140 genom ”washcoaten” och/eller ett keramiskt substrat hos det första katalytiska elementet 140.

Värmeanordningen kan i en utföringsform vara försedd med en värmeplatta 170 som huvudsakligen täcker övre delen av nämnda värmeanordning. Denna platta 170 kan vara anordnad på ett kort avstånd ovanför övre väggen 115, så att en passage bildas däremellan. Detta bildar en passage för törbränningsgaser. I en utföringsforni samlas gaserna i ett utloppsrör (inte visat) och leds genom ett avgasrör (inte visat) till utsidan av värrneanordningen. En värmeplatta 170 kan användas om värmeanordningen nyttjas i en spis. En gryta eller kastrull kan då placeras på värmeplattan 170.

Undersidan hos värmeplattan 170 kan i en uttöringsform vara försedd med nedåtriktande små cylindrar (inte visade). Dessa cylindrar kommer hindra det utåt- riktade bränngasflödet mellan övre väggen 115 och värmeplattan 170, och överföra mer värme genom konvektion till värmeplattan 170. Den centrala delen av värmeplattan runt symrnetriaxeln, är en stagnationspunkt för brärmgasflödet, vilket innebär att gashastig- heterna är nära noll. Inga sådana utstickande cylindrar är därför nödvändiga vid denna centrala del av värmeplattan 170. De nedåtvettande cylindrarna kan i en utföringsforrn 10 15 20 25 30 530 775 kontaktera toppväggen 1 15, om ytterligare värme önskas för att förvärma det yttre inloppsflödet. Dessa cylindrar påminner om de som finns i nya kylare för dator- processorer, där en fläkt tvingar luft runt cylindrar som sticker ut från en platta i kontakt med datorprocessorn. Cylindrarna stör luftflödet och skapar turbulens, så att mer värme kan absorberas och ledas bort från datorprocessorn.

De yttre 112 och inre 132 inloppsrören kan i en annan utföringsforrn vara sammankopplade vid en position på utsidan av det yttre huset 1 10. En fläkt (inte visad) är anordnad uppströms sammankopplingen för att leverera íörbrärmingsluft till värme- anordningen. I en utforingsforrn sträcker sig det inre inloppsröret 132 in i centrum av det yttre inloppsröret 1 12 och är vinklat mot fläktens riktning. Detta ger en viss ”ramm- níng” av inloppsluft in i det inre inloppsröret, vilket ökar det dynamiska trycket hos luften som riktas mot bränslefórångaren 130.

I en utföringsforrn är en ringformig kanal 116 anordnad vid övre delen av det yttre huset 110 och innerväggen 120. Denna kanal riktar flödet i en tangentiell riktning och ökar flödets ”swirl”, och kan även användas för att förvärma luft- och bränsleflödet.

Det ringformi ga röret 116 kommunicerar med det yttre inloppsröret 112 vid en ände och med den yttre inloppskammaren OIC vid en andra ände. Öppningen vid andra änden kan formas genom att vinkla en bottenvägg (inte visad) hos den ringforrniga kanalen nedåt, in i den yttre inloppskammaren. Denna öppning in i den yttre inloppskammaren OIC visas med streckade linjer vid det övre högre hörnet hos den yttre inloppskammar- en i fig. 1. En vertikal vägg 117, se fig. 2, separerar den första änden hos den ring- formiga kanalen från den andra änden därav, så att ingen fluid kan flöda åt fel håll, direkt från den första änden till den andra änden.

Alternativa utföringsformer I en utíöringsforrn kan innerväggen 120 ha en annan konvinkel vid sin övre del än vid sin nedre del, såsom visas i fig. 1. Detta gör det möjligt att ha ett stort katalytiskt element 150 i huvudtörbränningszonen, medan storleken hos det första katalytiska elementet 140 för uppstart kan bibehållas litet. Ett litet katalytiskt element för uppstart minskar elkonsumtionen och uppstartstiden, och reducerar därigenom emissioner av kolrnonoxid och oförbränt kolväte, och ett stort katalytiskt huvudelement ökar strål- ningsarean hos det katalytiska huvudelementet. Vilka som helst ytterligare nedströms katalytiska element kan vara huvudsakligen lika stora som det andra katalytiska elementet 150, eller t.o.m. större. 10 15 20 25 30 35 530 775 I en annan utföringsforrn kan det yttre huset 110 också ha en annan konvinkel vid sin övre del. Detta kan vara fördelaktigt, eftersom luftflödet mellan det yttre huset 110 och innerväggen 120 då följer yttre ytan hos den inre väggen närmare. Detta ökar värrneöverföringen från innerväggen 120 till luftflödet i den yttre inloppskarnrnaren OIC, vilket är önskvärt i vissa applikationer. Innerväggen 120 värms av förbränningen i det inre av värmeanordningen, huvudsakligen genom strålning från det andra katalytiska elementet och eventuella ytterligare nedströms katalytiska element 160.

Bränsleförångaren 130 kan ha en större genomskärningsyta vid sin övre del, i närheten av inloppsröret. Detta ökar ytan hos bränsleförångaren som tar emot värme från de omgivande katalytiska elementen 140, 150. Det ökar även förångarens massa, vilket ökar uppstartstiden. Av detta skäl kan förångaren vara termiskt uppdelad, vilket innebär att den övre delen är termiskt uppdelad från dess nedre del. Detta indikeras av en delande linje 136. Detta kan åstadkommas genom att använda olika material, t.ex. vanligt stål i den övre delen och rostfritt stål i den nedre delen. Ett annat material med lägre termisk ledningsförmâga passar också. I fig. 1 och 2 värms den övre delen av bränsleförângaren genom det elektriska värmeelementet 141, och den termiska uppdelningen innebär att endast lite värme går förlorad till den nedre delen av bränsle- förångaren. Detta reducerar massan som värms vid uppstart, vilket i sin tur reducerar energiförbrukningen för det elektriska värmeelementet 141.

Det är också möjligt att använda samma material för båda delarna av förång- aren, men använda ett termiskt isolerande material vid uppdelningslinjen mellan de två delarna, t.ex. en tenniskt lågledande bricka eller koppling. En termisk uppdelning kan också erhållas genom en reduktion av kontaktytan i kopplingarna mellan de olika sektionerna hos förångaren.

Den uppströms delen av bränsleförångaren är normalt förångningszonen. Den övre delen av bränsleförångaren kan ha en stegad ökning i diameter från nedströms- änden, såsom visas i fig. 1 och 2, som bildar en horisontell bottenvägg 131b. Detta steg fångar bränsledroppar och ökar uppehållstiden för bränslet i den heta förångningszonen, vilket förbättrar förångning av tunga bränslefraktioner. Detta kan också påverka flödet på utsidan av bränsleforångaren, eftersom det kommer påverkas mer av de omgivande heta gaserna från det första katalytiska elementet 140. Dessa gaser kommer leda värme till bränslefórångaren 130 medelst konvektion, medan alla katalytiska element 140, 150, 160 kommer överföra värme medelst strålning. En större övre del av bränsleförångaren 130 kommer således bestrålas med mer värme. Den mindre diametern på den nedre delen av bränsletörångaren kommer leda till en reducerad massa och yta hos den nedre 10 15 20 25 30 530 775 bränsleförångarstriikturen, vilket innebär att mindre värme överförs från den övre delen till den nedre delen av bränsleförångaren. Mindre värme överförs också till det uppströms luftflödet från bränsleförångaren 130.

Värmeanordningen enligt uppfinningen behöver inte vara koniskt formad.

Huvudorsaken till denna geometri är att säkerställa en ordentlig blandning av de två flödena vid bränsleförångningsanordningens 130 utlopp. Expansionen av den inre väggen 120 leder dessutom till en gradvis ökad area hos de katalytiska elementen 140, 150, 160, vilket tillåter hög maximal effekt hos värmeanordningen i kombination med ett litet första katalytiskt element 140. Dessa särdrag kan åstadkommas på andra sätt, vilket är uppenbart för en fackman inom ornrådet. Innerväggen 120 kan istället vara försedd med ett expanderande parti, med en första och andra övergång där en inre vägg, med huvudsakligen parallella väggar, kopplas till det expanderande partiet.

Bränsleförångningsanordningen 130 visas med huvudsakligen parallella väggar, men detta är inte nödvändigt för att utföra uppfinningen. Väggarna hos bränsleförångningsanordningen 130 kan precis lika gärna vara vinklade inåt i en riktning mot bränsleförångriingsanordningens utlopp, t.ex. 5-30 grader. Detta kommer att ha viss effekt på flödet inuti bränsleförångningsanordningen 130 och även på dess utsida. Dessutom kan bränsleförângningsanordningen 130 ha sektioner med olika diametrar men huvudsakligen parallella väggar, såsom visas i fig. 1 och 2. Detta kan vara fördelaktigt, särskilt om uppvärmningsanordningen har en vertikal konfiguration (med hänvisning till flödesrikmingen genom de katalytiska elementen), vilket skapar en horisontell vägg 13 lg som tillåter bränslet att bibehållas vid förångning i fallet med tillfälligt otillräcklig temperatur hos bränsleförångningsanordningen 130.

Den katalytiska vänneanordningen enligt uppfinningen beskrivs som axiell (med hänvisning till flödesriktningen genom de katalytiska elementen), men kan lika gärna ha en radiell konfiguration. I detta fall kan de katalytiska elementen 140, 150, 160 vara koncentriskt anordnade, med det första katalytiska elementet 140 placerat i mitten, se fig. 19a och l9b. Bränsleförångningsanordningen 130 skulle i detta fall ha sitt utlopp centralt inuti det första katalytiska elementet 140 och kan även penetrera genom nämnda element och de nedströms elementen såsom beskrivs nedan för den axiella konfigura- tionen och således dela upp varje katalytiskt element i två delar, såsom visas i fig. 19a.

Flödet genom de katalytiska elementen i den beskrivna radiella konfigura- tionen är huvudsakligen riktat radiellt utåt mot värmeanordningens periferi. Emellertid, om värmeanordningen skall användas för att värma exempelvis den yttre ytan hos en 10 15 20 25 30 35 530 775 cylinder är ett flöde riktat huvudsakligen radiellt inåt, mot brärmarens centrum fördel- aktigt.

En blandning mellan axiell och radiell konfiguration är också möjlig, där bränsleförångningsanordningen 130 och det första katalytiska elementet 140 då har en huvudsakligen axiell konfiguration som påminner om geometrin i den forsta utforings- formen, medan flödesriktningen genom de katalytiska elementen nedströms är huvud- sakligen radiell, se fig. 17 och 18.

Bränsleförångningsanordningen kan penetrera (passera igenom) olika antal katalytiska element, både i de axiella och radiella konfigurationema. 1 fall där nämnda bränsleforångningsanordning penetrerar många katalytiska element ökas massan hos bränsleforångningsanordningen. Detta kommer att resultera i en högre termisk massa och således ökad konsumtion av elektrisk energi under uppstart. Detta problem kommer delvis övervinnas genom att göra bränsleförångningsanordningen tenniskt uppdelad i två eller flera sektioner, medelst två eller flera uppdelningar 136, 1362 och således begränsa den del som värms upp elektriskt till en sektion omedelbart i närheten av det elektriska värmeelementet 141 och således reducera den temiiska massan som skall värmas elektriskt, vilket minskar elkonsumtionen vid uppstart och kortar uppvärmnings- tiden, se fig. 4.

I vissa utföringsforrner, se fig. 1-4, visas bränsleförångningsanordningen 130 med ett tangentiellt inlopp. Emellertid kan mer än ett inlopp vara fördelaktigt i vissa fall, så länge som den tangentiella flödeshastigheten i inloppen är tillräcklig för att ge förhållandena för effektiv íörångning som nämns nedan, exempelvis fig. 11-14 och fig. 16 och 18.

För att förbättra lastvariationspotentialen hos värmeanordningen kan törvärm- ning av luften innan den kommer in i bränsleförångriingsanordníngen 130 vara fördelaktig. För att undvika risken att bränsle koksar i bränsleinsprutningsröret, är det endast möjligt att förvärma något. För att undvika denna risk helt och hållet vid fler än ett tangentiellt inre inloppsrör, kan ett eller flera av inloppsrören l32b konfigureras utan ett bränsleförsörj ningsrör och sålunda användas exklusivt för att spruta in förvärmd luft i bränsleförångningsanordningen, se fig. 16 och 18. Detta luftflöde kan sedan íörvärmas till högre temperaturer, t.ex. 200-500°C, vilket ger en avsevärd temperaturhöjning hos det totala gasflödet genom bränsleforångxiingsanördningen 130.

Ett annat sätt att åstadkomma denna effekt är att förbättra värmeöverföringen till bränsleíörångningsanordningen 130 genom att låta nämnda anordning penetrera ytterligare in i förbränningszonen, exempelvis passera genom flera av de katalytiska 10 15 20 25 30 35 530 775 10 elementen, se exempelvis fi g. 3 och 4. I detta fall kan inloppet med bränsleinsprut- ningsröret placeras nära brännarens utlopp. Om flera inlopp används, se fig. 11-14, kan de placeras på olika axiella positioner längs bränsleförångningsanordningen, se fig. 14.

En nackdel med denna konfiguration är den ökade termiska massan hos bränsleförångningsanordningen, vilket kommer öka mängden elektrisk energi som behövs för uppstart. Emellertid kan detta problem delvis övervinnas genom att göra bränsleförångningsanordningen termiskt uppdelad till två eller flera sektioner och således begränsa den del som värms elektriskt till en sektion omedelbart i närheten av det elektriska värmeelementet, se fig. 4 och 15-17.

Ytterligare ett sätt att åstadkomma effekten som hör samman med att förvärma luften som leds till bränsleförångriingsanordningen 130 är att suga in (recirkulera) ett flöde av varma förbränningsgaser genom nämnda bränsleförångníngsanordning. Detta kan göras genom att göra en öppning/öppningar 139 i den övre väggen l31u hos bränsleförângningsanordningen 130 där tryckgradienten genom den roterande hastig- hetskomponenten inuti nämnda anordning 130 används för att driva flödet, se fig. 2.

Denna tryckgradient ger ett lägre tryck i den centrala delen av bränsleförångaren.

Om avståndet mellan bränsleinj ektionspunkten (fórångningsytan som används när värmeanordningen är i drift) och delen hos bränsleförångningsanordningen 130 som värms elektriskt blir avsevärt kan det, fórsåvitt brännaren inte är monterad vertikalt, vara fördelaktigt att montera brännaren med en liten lutning för att möjliggöra att bränslet som sprutas in vid uppstart transporteras till den ursprungligen värmda delen medelst gravitation, och även av luftflödet, och en sådan applikation visas i fig. 15.

I applikationer där det totala flödesmotståndet, d.v.s. tryckfallet över värme- anordningen 100 inte är särskilt kritiskt och tillräcklig förvärmning av det totala lumnassflödet kan åstadkommas enligt utföringsforrnerna som beskrivits ovan, kan det yttre luftflödet och den tillhörande ringformiga luftkanalen mellan det yttre huset 110 och innerväggen 120 elimineras, och sålunda göra konstruktionen mindre komplicerad.

Allt luftflöde kommer då istället levereras genom det inre inloppsröret/-rören 132. I detta fall är innerväggen 120 inte nödvändig, eftersom inget yttre inloppsflöde kommer in i värmeanordningen 100.

Drift av värmeanordningen Det yttre luftflödet och/eller luft-/bränsleflödet inuti bränsleförångaren visas med streckade linjer i fig. 1 och 2. Under stabil drift levererar fläkten luft från en atmosfär in i inloppet 112, 132 hos värmeanordningen 100. En första del av luftflödet 10 15 20 25 30 35 530 775 ll riktas tangentiellt mellan det yttre huset 110 och innerväggen 120 och bildar ett ring- formigt virvlande flödesiält, där nämnda del av luftflödet effektivt förvärms medelst konvektion vid innerväggen 120. Värmet hos innerväggen 120 kommer från den katalytiska förbränningen i de katalytiska elementen 140, 150, 160. Inloppsflödet kan även först komma in i den ringformiga kanalen 116, innan den kommer in i den yttre inloppskammaren OIC. Endast den axiella flödeskomponenten visas för flödet i den yttre inloppskammaren OIC, blandningskammaren MC och fórbränningszonen, men tlödet kan även ha en tangentiell komponent som inte visas.

En andra del av luftflödet riktas tangentiellt in i övre delen av bränsleför- ångaren 113, genom inre inloppsröret 132. Det tangentiella luftflödet skapar ett roterande hastighetsfält, en ”swir ”. Vätskeforrnigt bränsle sprutas in från munstycket 134 hos bränsleröret 133 som små droppar som accelereras och bärs av det tangentiella luftflödet in i det roterande hastighetsfáltet. Det vätskeforrniga bränslet sprutas in medelst en lågtryckspump eller gravitation från bränslemunstycket 134 i det tangentiellt riktade luftflödets centrum. De små dropparna accelereras av den axiella hastigheten i det tangentiella flöde som omger bränsleförsörjningsröret 133 och vidare av den starka rotationshastighetskomponenten i flödesfáltet som skapas inuti bränsleförângaren 130.

Det beskrivna hastighetsfáltet i bränsleförångaren 130 skapar utmärkta värme- och massöverföringskarakteristika vid den perifera väggen 13 lp hos bränslefórångaren 130, där bränsledropparna kolliderar med närrmda vägg. De små dropparna smetas ut tillräckligt, vilket resulterar i en tunn bränslefilm. Vidare ger det tunna gränsskiktet och tillhörande effektiva massövertöring lågt bränsleångtryck vid ytan, vilket resulterar i effektiv törångning och hjälper till att förhindra ackumulering av tunga kolväteresidu- aler (koksning). Luftflödet värms samtidigt effektivt. Det tunna gränsskiktet/effektiva massöverfóringen möjliggör vidare avsevärd syrepenetration till den perifera väggen 13 1 p som, vid förhöjda yttemperaturer, möjliggör ytoxidation av möjliga kolväteresidu- aler. Vid sådana förhållanden elimineras risken för sj älvantändning av gasfasen vid den perifera väggen l3lp på grund av den höga gashastigheten vid nämnda vägg. Förång- ningsfórhållandena som skapas av de kombinerade särdrag som beskrivs ovan ger brännaren en uttalad flerbränslekapacitet och en möjlighet att använda tyngre kol- vätebränslen. ”Swirlförhållandet” (tangentiell hastighetskomponent dividerat med axiell hastighetskomponent) skall vara i sparmet 5-15 och kan i en utfóringsform vara 8-12 och kan i ytterligare en utföringsforrn vara ungefär 10.

Bränslefórångningsanordningen 130 värms av förbränningen i det första kata- lytiska elementet 140, och vid uppstart av det elektriska värmeelementet 141. Under 10 15 20 25 30 530 775 12 uppstartsprocessen och övergången till stabil drift värms bränsletörångningsanord- ningen 130 i en gradvis ökande omfattning av förbränningen i de katalytiska elementen 150 och 160.

Efter det tangentiella bränsle- och luftinloppet i bränsleförångaren 130 flödar bränsle- och luftblandningen nedströms mot den öppna änden av bränsleförångaren 130.

Här lämnar den roterande luft- och bränsleblandningen den inre inloppskarnrnaren IIC hos bränslefórångaren 130 radiellt utåt och nedströms, för att blandas radiellt och axiellt med det roterande förvärmda ringformiga yttre flödet, som lämnar den yttre inlopps- kammaren OIC.

Detta ringformiga yttre luftflöde, som är riktat tangentiellt mellan det yttre huset 1 10 och den inre väggen 120, bildar ett ringformigt roterande flödesfalt där nämnda del av luftflödet effektivt förvärms medelst konvektion vid väggen hos det inre huset.

Ovan beskrivna flödesmönster möjliggör mycket effektiv blandning av de två flödena och blandningslängden som krävs för att skapa en homogen blandning reducer- ad till ett minimum.

De två flödena blandas radiellt på utsidan av bränsleförångníngsanordningen 130 och fortsätter tillsammans nedströms (uppåt i fig. 1) som ett ringformigt roterande flöde i det ringforrniga utrymmet mellan bränsleförångningsanordningen 130 och inner-väggen 120 mot det första katalytiska elementet 140. Blandningen förbättras av den roterande rörelsen hos flödena (och medelst småskalig turbulens, vilken genereras vid kanten av bränsleförångningsanordningen 130). Den ringforrniga yttre delen av flödet, från den yttre inloppskammaren OIC, förvärms något, huvudsakligen genom konvektion vid innerväggen 120. Det kan emellertid vara fördelaktigt med ytterligare förvärmning av detta flöde före blandning med det centrala flödet från den inre inlopps- kammaren i IEC. Detta kan exempelvis åstadkommas genom att leda flödet i en kon- centriskt formad kanal runt det yttre huset 110.

F lödet fortsätter nedströms (men uppåt i fig. 1) som ett ringforrnigt roterande flöde i det ringformi ga utrymmet mellan innerväggen 120 och bränsletörångaren 130.

Diametem eller genomskärningsarean hos bränsleförångaren 130 kan vara huvud- sakligen konstant, såsom visas i fig. 1, eller minska i nedströmsriktningen hos bränsle- förångaren 130.

Bränsle- och luftblandningen förbränns, åtminstone delvis, i det första kata- lytiska elementet 140, och ytterligare förbrärming kan äga rum i nedströms katalytiska 10 15 20 25 30 35 530 ??5 13 element 150, 160, 161 och 162, se fig. 15, beroende på driftsförhållanden för värme- anordningen 100.

I en utföringsform levereras bränslet genom bränslemunstycket 133 som små droppar som bärs av gravitation och lufiflödet mot den perifera väggen hos bränsle- förångningsanordningen 130. Det enkla droppande bränslcmunstycket 134 eller inj ektorn är vidare mycket enkel att utföra underhåll på och kommer vara mycket billig att tillverka. Det behövs ingen brånslepump, vilket ytterligare reducerar kostnaden för en monterad enhet.

Tidsfluktuationema i luft-/bränsletörhållandet som kan resultera från det interrnittenta droppandet av vätskeforrnigt bränsle kommer vara insignifikanta, eftersom hastighetsfaltet vid bränsleförångningsanordningens 130 inlopp och det turma bränsle- försörjningsröret 133 säkerställer liten droppvolym, förångningstiden för varje liten droppe och uppehållstiden given av blandningsvolymen mellan bränsletörångriings- anordningen 130 och det katalytiska elementet 140 och dessutom den kraftiga blandningen medelst den stor- och småskaliga turbulensen vid utloppet från bränsleförångningsanordningen 130. Små fluktuationer kommer ha liten påverkan på förbränningen, eftersom katalysatorer normalt har en minneseffekt, d.v.s. termisk tröghet och syrelagringskapacitet, och därför är mer beroende på tidsmedelvärdet för luft-/bränsleförhållandet jämfört med en normal flamma.

Värmeanordningen 100 är konstruerad med säkerhetsåtgärder för att förhindra förekomst av baktändning. Baktändning sker om förbränningen som äger rum i något av elementen 140, 150, 160 propagerar uppströms mot bränsleförångningsanordningen 130. Detta förhindras på olika sätt, vilka beskrivs nedan. En första säkerhetsåtgärd introduceras av fläkten, i och med att flödeshastigheten genom värmeanordningen är större än förhandenvarande flamhastighet. Flamhastigheten ges exempelvis av den laminära flamhastigheten, luft-/bränsleförhållandet och turbulensen, och denna kan bestämmas för flera olika driftsförhållanden. En annan säkerhetsåtgärd kommer från det faktum att celldensiteten hos de katalytiska elementen är tillräckligt hög, d.v.s. storleken på deras hål tillräckligt liten, för att en flamrna skall kvävas. Detta innebär att en katalytiskt initierad flamma inte kan propagera uppströms genom de katalytiska elementen 140, 150 och 160 som sålunda fungerar som flamspärrar.

Under uppstart och låg effekt värms bränsleförångningsanordningen 130 av förbränningen som äger rum i det första katalytiska elementet 140 och i mindre omfattning av de andra katalytiska elementen 150 och 160. Temperaturen hos bränsleförångningsanordningen 130 skall hållas på en passande nivå, och detta 10 15 20 25 30 35 530 775 14 åstadkommes på olika sätt genom att använda specifika karakteristika för katalytisk förbränning.

I ett första fall används det breda omfånget för luft-/bränsleförhållanden hos katalytisk förbränning. Om luftflödet ökas genom brännaren utan att öka bränsleflödet, kommer detta resultera i en avkylning av det första katalytiska elementet 140 beroende på det ökade massflödet och minskade luft-/bränsleförhållandet Temperaturen ökas om luftflödet istället minskas medan man håller bränsleflödet huvudsakligen konstant, och sålunda möjliggörs styrning av temperaturen utan att förändra uteffekten från värme- anordningen. Detta är inte möjligt med en flarnrna, eftersom det kommer leda till instabilitet och slutligen flamsläckning vid magra förhållanden. I ett annat fall kan temperaturen också reduceras genom att öka den totala flödeshastigheten, utan att ändra luft-/bränsleförhâllandet Detta kommer att leda till ofullständig förbränning vid det första katalytiska elementet och påföljande förbränning vid det andra 150 och tredje katalytiska elementet 160. Detta särdrag kan inte uppnås med en normal flamma, eftersom det kommer leda till ”blow off” (avblåsning). Sålunda kommer detta också leda till ett ökat massflöde förbi det första katalytiska elementet, och det obrända bränslet och luften kommer inte överföra värme till bränsleförångningsanordningen 13 0. En ökning i temperatur kommer resultera av ett minskat massflöde, som leder till en mer fullständig förbränning (se ytterligare beskrivning nedan). Genom att välja endera av dessa tekniker, beroende på driftsförhållandet, kan temperaturen hos bränsleförångningsanordningen 130 styras till en passande nivå för varje driftsför- hållande som leder till en effektiv förångning av vilket bränsle som helst. Detta resulterar i en uttalad flerbränslekapacitet.

Vid låga laster är reaktionszonen för förbrärmingen huvudsakligen placerad i det första katalytiska elementet 140. Detta ökar temperaturen hos bränsleförångnings- anordningen 130, vilket möjliggör förånguing av möjliga ackumulerade kolväte- residualer i nämnda bränsleförångningsanordning 130. Vid höga laster ökas gasflödet och massöverföringen av reaktanter till ytan hos det katalytiska elementet förbättras.

Om alla reaktanter som når nämnda katalytiska element 140 omvandlas ökar effekten som utvecklas i det katalytiska elementet 140. Emellertid, vid ett visst flöde, ”utblås- ningsmassflödet”, kan inte alla reaktanter som når ytan omvandlas beroende på en begränsad kemisk reaktionshastighet. Överskottsreaktantema i gasen kommer istället kyla ytan hos det katalytiska elementet 140, vilket leder till minskad temperatur och en påföljande reduktion i kemisk reaktionshastighet och energiomvandling i det katalytiska elementet 140. Överskottsreaktantema kommer förbrännas i det/de katalytiska ele- 10 15 20 25 30 35 530 775 15 ment(en) 150, 160, placerade nedströms, om de finns. Detta kommer gradvis förflytta reaktionszonen nedströms, vilken vid höga laster huvudsakligen kommer vara placerad vid de andra och tredje katalytiska elementen 150 och 160. Detta kommer att reducera yttemperaturen hos bränslefórångningsanordningen 130 och även reducera den terrniska påfrestningen på det elektriska värmeelementet 141, så att bränsleiörångaren passar för kontinuerlig förångning av bränslet.

Katalytisk förbränning kan bibehållas med hög effektivitet och därpå följande låga emissioner i ett vitt spann av relativa luft-/bränsletörhâllanden (i detta fall är intervallet ungefär 1,2 < k < 4). Genom att ändra lufiflödet vid en konstant last kan placeringen och temperaturen hos fórbränningszonen justeras till en position som skapar ett passande temperaturintervall for bränsletörångningsanordningen 130 för effektiv fórångning av vilket bränsle som helst. Placeringen av förbränningszonen styrs huvud- sakligen av flödeshastigheten och temperaturen styrs huvudsakligen av k. Emellertid beror värmeövertöringen till bränsleförångningsanordningen 130 på både temperaturen och placeringen av törbränningszonen och temperaturen hos bränsletörångaren 130 beror dessutom på värmeöverfóringen till den inkommande luften och till bränslet vid förångning.

Vid uppstart värms endast det lilla katalytiska elementet 140 och delen av bränsleförångningsanordningen 130 som ligger i närheten av eller i direkt kontakt med det elektriska värmeelementet elektriskt. Temperaturen hos bränsletörångningsanord- ningen 130 är så låg att endast de lätta fraktionema av bränslet förångas. Därför komm- er bränsleångan som når det katalytiska elementet i början huvudsakligen innehålla lätta bränslefraktioner, vilket möjliggör en snabb upptändning med låga emissioner i det första katalytiska elementet 140. Efter upptändning ökar temperaturen i bränsleförång- ningsanordningen 130 snabbt, vilket tillåter törångning av de tyngre fraktionerna av bränslet och påföljande förbränning i det katalytiska elementet 140. Denna process ger en snabb och ren uppstart med helt törångat bränsle och en minimal konsumtion av elektrisk energi. Vidare begränsas risken för termisk degradering av katalysatorn, beroende på den fullständiga bränsleíörångningen.

Ovan nämnda tekniker för att styra temperaturen hos bränsleanordningen 130 ger värmeanordningen en uttalad flerbränslekapacitet, eftersom förångnings- temperaturen kan anpassas for bränsle med olika förångriingsvärme och olika förångningsternperaturer. Värmeanordningen kan ha olika inställningar beroende på vilket bränsle som används, avseende luft-lbränsleförhållande, totalt massflöde vid en given effekt etc. 10 15 20 25 30 35 530 7?5 16 Värrneanordningen 100 som beskrivs ovan startas enkelt, eftersom det första katalytiska elementet 140 är försett med ett elektriskt värmeelement 141, som initialt kommer att bringa temperaturen i det första katalytiska elementet 140 till en upptänd- ningstemperatur och befrämja förångning av huvudsakligen lätta fraktioner i den näraliggande bränsleförångningsanordningen 130. Det elektriska värmeelementet 141 kan då slås av omedelbart, varvid bränsleförångningsanordningen 130 värms av för- bränningen i det katalytiska elementet 140. De tyngre fraktionerna kommer då förångas gradvis, under uppvärmning av värmeanordningen till stabila driftsförhållanden.

Om det är stora rumsvariationer i luft-/bränsleförhållandeL kan detta leda till heta ptmkter, vilket i sin tur leder till termisk degradering av det/de katalytiska e1ement(en). Detta kan undvikas genom ordentlig blandning uppströms de katalytiska elementen, exempelvis genom att skapa ett hastighetsfält med en kraftigt roterande komponent, såsom närnnts ovan.

Typiska fördelar med en katalytisk värmeanordning är dess låga emissioner av obrända kolväten och kolmonoxid, beroende på den relativt höga reaktionshastigheten vid magra luft-/bränsleförhållanden och kväveoxider beroende på den låga förbränn- ingstemperaturen, som ligger väl under den temperatur där Zeldovich-mekanismen börjar ha en signifikant påverkan på NOx-bildning, typiskt 1800 K. Den höga reak- tionshastigheten och termiska trögheten hos de katalytiska elementen gör också förbränningen mer stabil vid magra drittsförhållanden jämfört med en flamma vid liknande förhållanden.

Nackdelarna med katalytiska värmeanordningar enligt känd teknik övervinns i hög omfattning medelst föreliggande uppfinning såsom beskriven ovan.

Föreliggande uppfinning kan användas för många olika applikationer där katalytisk förbränning av flera olika bränslen önskas, exempelvis i fordonsvärmare, värmedrivna kylskåp och luftkonditioneringar, tennoelektriska generatorer, ugnar, spisar för matlagning, uppvärmning av avgasreningssystem, småskaliga gasturbiner och stirlingmotorer.

Trots att föreliggande uppfinning har beskrivits som ett detalj erat exempel, kommer det vara uppenbart för en fackman inom området att utföra modifieringar utan att komma utanför uppfimiingens skyddsomfång såsom den definieras av de bifogade patentkraven.

Claims (10)

10 15 20 25 30 35 530 775 17 PATENTKRAV

1. Värmeanordning (100) för förbränning av vätskefonniga bränslen, varvid anordningen innefattar minst ett katalytiskt element (140) för att katalytiskt förbränna en blandning av bränsle och luft, ett bränsleförsörjningsorgan (133) placerat på en uppströms sida av det minst ett katalytiska elementet (140), ett lufiförsörjningsorgan (132) placerat på en uppströrns sida av det minst ett katalytiska elementet (140), en bränsleförångningsanordning (130) med en huvudsakligen axisymrnetrisk form och med en uppströms ände och en nedströms ände, varvid bränsletörångningsanordningen under drift värms av det minst ett katalytiska elementet (140) och förses med bränsle och luft från bränsleförsörjningsorganet (133) och luftförsörjningsorganet (132), varvid huvudsakligen all luft och bränsle som lämnar bränsletörångningsanordningen (130) passerar genom det minst ett katalytiska elementet (140), ett yttre hus (110) för att innesluta nämnda katalytiska element (140) och nämnda bränslefórångningsanordning (130), kännetecknad av att bränsletörångningsanordningen ( 130) är försedd med ett inre inloppsrör (132) i den huvudsakligen uppströms änden därav, vilket rör (132) är anordnat att tillföra bränsle och luft eller bara luft i en tangentiell riktning in i den huvudsakligen uppströms delen av bränsleförångningsanordningen (130) så att ett roterande flöde åstadkommes däri och av att den uppströms änden hos bränsleförångningsanordningen är anordnad i närheten av det minst ett katalytiska elementet (140).

2. Värmeanordningen (100) enligt patentkravet 1, varvid bränsle- och luftflödet vid den nedströms änden av bränsletörångningsanordningen (130) lämnar denna och vänder för att därefter strömma i motsatt riktning på utsidan av bränsleförângningsanordningen (130).

3. Värmeanordningen (100) enligt patentkrav 1 eller 2, varvid en innervägg (120) är placerad inuti det yttre huset (I 10) och kopplad till det yttre huset (110) vid sina övre ändar, så att en yttre inloppskammare (OIC) formas däremellan, varvid den 10 15 20 25 30 35 530 775 18 yttre inloppskammaren vidare är försedd med ett yttre inloppsrör (112) kopplat till uppströms delen av den yttre inloppskammaren (OIC) för att leverera ytterligare luft och varvid det yttre inloppsröret (112) är anordnat att rikta luftflödet i en tangentiell riktning in i den yttre inloppskammaren (OIC), så att ett roterande flöde erhålles däri..

4. Värmeanordningen (100) enligt patentkravet 3, varvid ett utlopp bildas från den yttre inloppskammaren (OIC) vid en nedströms ände av den inre väggen (120) så att ytterligare luft kan komma in i ett inre hos värmeanordningen (100) och blandas med bränsle- och luftflödet som lämnar bränslefórångningsanordningen (130).

5. Värmeanordningen (100) enligt någotdera av ovanstående patentkrav, varvid den uppströms delen av bränsleförångningsanordningen (130) har en större diameter än nedströms delen därav.

6. Värmeanordningen (100) enligt någotdera av patentkraven 3-5, varvid innerväggen (120) har formen av en nedåt smalnande stympad kon.

7. Värmeanordningen (100) enligt någotdera av ovanstående patentkrav, varvid den övre delen av bränsleförångningsanordningen (130) penetrerar igenom åtminstone det minst ett katalytiska elementet (140) in i en förbränningszon därav.

8. Värmeanordningen enligt någotdera av ovanstående patentkrav, varvid ett andra inre inloppsrör (l32b) är kopplat till bränslefórångningsanordningen (130) for att rikta flöde av luft och/eller bränsle i en tangentiell riktning, för att bibringa kraftigare ”swirl” till bränslet och luften däri.

9. Värmeanordningen (100) enligt någotdera av ovanstående patentkrav, varvid ett elektriskt värmeelement (141) är anordnat i närheten av eller i kontakt med det första katalytiska elementet (140) och/eller bränsleförångningsanordningen (130).

10. En spis innefattande en värmeanordning (100) enligt någotdera av föregående patentkrav-