SE531133C2 - Katalytisk brännare och reglerförfarande - Google Patents

Description

25 30 35 531 '133 Samanfattning av uppfinningen Nackdelarna med tidigare kända katalytiska brännare övervinns av föreliggande uppfinning, vilken har särdragen som ges av de oberoende kraven. Ytterligare ändamål och utföringsformer ges av deras underkrav.

Kortfattad beskrivning av ritningarna En katalytisk brännare enligt föreliggande uppfinning kommer att vara lättare att förstå genom att läsa den nedanstående beskrivningen med hänvisning till de bifogade ritningarna, där Fig. 1 är en sidovy i genomskärning av den katalytiska brännaren enligt uppfinningen, och Fig. 2 är en genomskärning längs linjen II-II för en elektrisk värmeanordning som har ett elektriskt värmeelement placerat närliggande ett katalytiskt element.

Detaljerad beskrivning av en föredragen utföringsform En katalytisk brännare l visas i genomskärning i Fig. 1. Brännaren innefattar ett huvudsakligen cylindriskt yttre hölje 2, som bildar en venturi i mellanavsnittet, och höljet har ett inlopp 3 vid en ände och ett utlopp 4 vid den andra änden. En fläkt 5 är anordnad vid inloppet 3, för att tillföra brännaren l luft, och luften leds delvis in i en gradvis sammandragen kanal 6, som leder till en bränsle- föràngningsanordning 7. En annan del av luftflödet leds utanför kanalen 6, där luften passerar virvelvingar 8, belägna vid ett inlopp till venturin. Ett bränslemat- ningsrör 9 kommer in i höljet uppströms om kanalen 6, och röret är försett med ett munstycke 10 vilket kan vara en enkel öppning, för att spruta in vätskeformigt bränsle precis nedanför eller inuti kanalen 6 och in i bränsleför- àngningsanordningen 7. Munstycket 10 är beläget i mitten av luftflödet som strömmar genom kanalen 6. Bränsleförång- ningsanordningen 7 är försedd med en utåtstickande kant ll 10 15 20 25 30 35 537 133 vid sin övre omkrets, där luft- och bränsleblandningen lämnar bränsleförångningsanordningen 7 radiellt utåt och uppåt. Diametern eller tvärsnittsarean hos bränsleförång- ningsanordningen 7 kan vara huvudsakligen konstant, såsom visas i Fig. 1, eller öka mot brännarens inlopp. Den övre delen, enligt figuren, av bränsleföràngningsanordningen 7 som har kanten ll, är belägen vid venturisammandragningen och dess nederdel är belägen vid venturins utlopp.

Ett första katalytiskt element 12 är beläget något nedströms om venturin, och elementet 12 är försett med ett elektriskt värmeelement 13, antingen i omedelbar närhet av det katalytiska elementet 12 eller i direkt kontakt därmed.

Andra 14 och tredje 15 katalytiska element är belägna ytterligare nedströms i höljet 2. De katalytiska elementen 12, 14, 15 är bildade med ett metalliskt eller keramiskt stöd som är täckt av en keramisk ytförstorande beläggning (washcoat) som är katalytiskt aktiv, eller är belagd med en katalytiskt aktiv fas. Om stödet hos det första katalytiska elementet 12 är tillverkat av metall kan detta stöd använ- das som det elektriska värmeelementet 13 genom att använda det elektriska motståndet hos stödet. Höljet 2 har ett huvudsakligen cirkulärt tvärsnitt, vilket visas i Fig. 2 som visar en tvärsnittsvy vid II-II, men detta är inte nödvändigt. g Det elektriska värmeelementet 13 och det första kata- lytiska elementet 12 visas underifrån i Fig. 2. Det elek- triska värmeelementet 13 kan vara elektriskt isolerat från det första katalytiska elementet 12 av den ytförstorande beläggningen och/eller ett keramiskt substrat hos det för- sta katalytiska elementet eller av en keramisk isolator 12.

Drift av den katalytiska brännaren Vid stationär drift tillför fläkten 5 luft från en omgivning till brännarens 1 inlopp 3. En central del av luftflödet kommer in i den gradvis sammandragna kanalen 6, 10 15 20 25 30 35 531 133 där luftflödets hastighet ökar. Vätskeformigt bränsle sprutas in av en lågtryckspump eller av tyngdkraften från bränslemunstycket 10 i mitten av det centrala luftflödet och bränslet och luften strömmar nedåt in i bränsleföràng- ningsanordningen 7 tills det träffar dess botten. Bränsle- föràngningsanordningen 7 värms upp av förbränningen i det första katalytiska elementet 12, eller indirekt av det elektriska värmeelementet 13 vid start. Vid bottnen vänds flödet och strömmar istället uppåt längs bränsleförång- ningsanordningens 7 innervägg tills det lämnar över dess kant 11 och fortsätter radiellt uppåt och utåt. En ytterdel av luftflödet från inloppet 3 strömmar på utsidan av den centrala kanalen 6 och passerar virvelvingarna 8. Dessa vingar överför en virvelrörelse till luftflödet då det fortsätter in i venturins sammandragning och skapar ett tryckfall i ytterflödet som säkerställer tillräckligt flöde genom kanalen 6. De två flödena blandas radiellt utanför bränsleförångningsanordningen 7 och fortsätter tillsammans nedströms mot det första katalytiska elementet 12. Bland- ningen förbättras av virvelrörelsen hos det andra luft- flödet och av småskalig turbulens, vilken alstras vid kanten 11 hos bränsleföràngningsanordningen 7. Bränsle- och luftblandningen förbränns åtminstone delvis i det första katalytiska elementet 12, och ytterligare förbränning kan äga rum i de nedströms liggande katalytiska elementen 14 och 15, beroende på brännarens 1 driftsförhållanden.

I en utföringsform tillförs bränslet genom bränsle- munstycket 10 som droppar som bärs av tyngdkraften och luftflödet mot bottnen av bränsleförångningsanordningen 7.

Det pulserande bränsleflödet kommer att ge en ökad syre- inträngning som skapar en oxiderande effekt som kommer att hindra tunga fraktioner av bränslet från att koxa i brän- sleförångningsanordningen 7. Det enkla droppande bränsle- munstycket eller -insprutaren är mycket enklare att serva och kommer att vara mycket billigare att tillverka. Det 10 15 20 25 30 35 53% '133 finns inget behov av en bränslepump, vilket ytterligare minskar kostnaden för en monterad enhet.

De tidsmässiga fluktuationerna i luft/bränsleför- hållandet som resulterar av det periodiska droppandet av det vätskeformiga bränslet kommer förmodligen att vara obetydligt, på grund av uppehâllstiden som ges av bland- ningsvolymen mellan bränsleförångningsanordningen 7 och det katalytiska elementet 12 och den kraftiga blandningen av den storskaliga och småskaliga turbulensen vid utloppet från bränsleföràngningsanordningen 7. Små fluktuationer kommer att ha liten påverkan på förbränningen, eftersom katalysatorer normalt sett har en minneseffekt, dvs termisk tröghet och en syrelagringsförmâga, och således är mer beroende av det genomsnittliga luft/bränsleförhållandet i motsats till en vanlig flamma.

Brännaren är utformad med säkerhetsåtgärder för att förhindra uppkomsten av baktändning. Baktändning uppstår om förbränningen som äger rum i av de katalytiska elementen bärs uppströms mot bränsleförångningsanordningen 7. Detta förhindras på olika sätt, vilka beskrivs nedan. En första säkerhetsàtgärd är det lilla avståndet mellan venturi- sammandragningen och kanten 11 hos bränsleföràngnings- anordningen 7, som bildar en springa. Om detta avstånd är tillräckligt litet, det vill säga nära kvävningsavståndet, kommer det att hindra en oavsiktlig flamma från att röra sig uppströms i brännaren 1. Detta avstånd beror på det specifika bränslet, men är nästan konstant för de flesta kolvätebränslen, cirka 1,5-2,5 mm. En andra säkerhetsåtgärd introduceras av fläkten 5 genom att flödeshastigheten genom brännaren är större än den aktuella flamhastigheten. Flam- hastigheten ges bland annat av den laminära flamhastig- luft/bränsleförhållandet och turbulensen, och detta skulle kunna bestämmas för flera olika driftsförhållanden. heten, En annan säkerhetsåtgärd uppstår ur det faktum att celltät- heten/nättalet för de katalytiska elementen är tillräckligt 10 15 20 25 30 35 E53'| 1133 stort, det vill säga, storleken på deras hål är tillräck~ ligt liten för att en flamma skall kvävas. Detta innebär att en katalytiskt initierad flamma inte kan propagera uppströms genom de katalytiska elementen 12, 14 och 15 och fungerar således som flamstopp.

Bränsleförångningsanordningen 7 värms upp av för- bränningen som äger rum i det första katalytiska elementet 12 och i mindre utsträckning av de andra katalytiska ele- menten 14 och 15. Temperaturen hos bränsleförångningsanord- ningen bör hållas på en lämplig nivå, och detta åstadkoms på olika sätt genom att använda de specifika egenskaperna hos katalytisk förbränning.

I ett första fall används det stora intervallet för luft/bränsleförhållanden hos katalytisk förbränning. Om luftflödet ökas genom brännaren utan ökning av bränsle~ flödet kommer detta att leda till en nedkylning av det första katalytiska elementet 12 på grund av det ökade mass- flödet och det ökade luft/bränsleförhållandet. Temperaturen ökar om luftflödet istället minskas medan bränsleflödet hålls huvudsakligen konstant, vilket således medger styr- ning av temperaturen utan att ändra effektuttaget från brännaren. Detta förfarande är inte lämpligt med en flamma på grund av dess begränsade stabilitet vid magra luft/- bränsleförhâllanden. I ett andra fall kan temperaturen även minskas genom att den totala flödeshastigheten ökas, utan att luft/bränsleförhàllandet ändras. Detta kommer att leda till ofullständig förbränning vid det första katalytiska elementet 12 och efterföljande förbränning vid det andra 14 och det tredje katalytiska elementet 15, och följaktligen även ett ökat totalt effektuttag från brännare. Detta särdrag är inte uppnåeligt med en normal flamma, eftersom det kommer att leda till utblåsning. Detta kommer således även att leda till ett ökat massflöde förbi det första katalytiska elementet 12, och det oförbrända bränslet och luften kommer inte att överföra värme till bränsleförång- 10 15 20 25 30 53fi 133 ningsanordningen 7. En temperaturökning kommer att uppstå av ett minskat massflöde som leder till en mer fullständig förbränning i det första katalytiska elementet 12. Genom att välja endera av dessa tekniker, beroende på driftsför- hållandet, kan temperaturen hos bränsleförångningsanord- ningen 7 regleras till en lämplig nivå för varje driftsför- hållande vilket leder till effektiv föràngning av vilket bränsle som helst.

De ovannämnda teknikerna för att reglera temperaturen hos bränsleförångningsanordningen 7 ger brännaren förmåga att drivas på flera olika bränslen, eftersom förångnings- temperaturen kan anpassas för bränslen som har olika ång- bildningsvärme och olika förångningstemperaturer. Brännaren kan ha olika inställningar beroende på vilket bränsle som används, med avseende på luft/bränsleförhâllande, totalt massflöde vid en viss effekt etc.

Brännaren som beskrivs ovan startas enkelt eftersom det första katalytiska elementet 12 är försett med ett elektriskt värmeelement 13, vilket inledningsvis kommer att föra temperaturen i det första katalytiska elementet 12 till en tändningstemperatur, vilket främjar förångning av huvudsakligen lätta fraktioner i den närliggande bränsle- förångningsanordningen 7. Det elektriska värmeelementet kan därefter stängas av och bränsleföràngningsanordningen värms upp av förbränningen i det katalytiska elementet 12. De tyngre fraktionerna kommer därefter att förångas något senare vid en högre temperatur som skapas av förbränningen i det första katalytiska elementet 12, under uppvärmning av brännaren mot stationär drift. Denna tändningsprocedur minimerar elförbrukning eftersom endast en del av den totala katalytiska ytan värms upp elektriskt. Dessutom minskar det kallstartsemissioner avsevärt på grund den inledande förångningen av lätta bränslefraktioner och en avsevärd minskning i tändningstid. 10 15 20 25 30 35 531 133 Om det förekommer stora rumsliga variationer i luft/- bränsleförhållandet kan detta leda till varma områden (hot spots), vilka i sin tur kan leda till termisk nedbrytning av det (de) katalytiska elementet genom ordentlig blandning uppströms om de katalytiska ele- menten, till exempel genom att använda en virvel och andra (-en). Detta kan undvikas turbulensfrämjande tekniker såsom nämns ovan.

Alternativa utföringsformar Brännaren enligt uppfinningen behöver inte vara bildad med en venturi i mellanavsnittet. Det huvudsakliga ändamålet med venturin är att säkerställa ett tillräckligt litet avstånd vid utloppet för bränsleföràngningsanord- ningen för att kväva en tillfällig flamma och för att säkerställa ordentlig blandning vid utloppet för bränslet och luften. Venturins expansion leder dessutom till en stor area för de katalytiska elementen, vilket medger hög effekt hos brännaren. Dessa särdrag kan åstadkommas på andra sätt, vilket är uppenbart för en fackman inom området. Höljet kan istället bildas med ett expanderande parti, som har en första och en andra övergång där höljet, som har huvudsak- ligen parallella väggar, ansluter till det expanderande partiet.

Bränsleförångningsanordningen 7 är visad med huvud- sakligen parallella väggar, men detta är inte nödvändigt för att utföra uppfinningen. Väggarna hos bränsleförång~ ningsanordningen 7 kan lika gärna vara vinklade utåt i riktningen mot brännarens inlopp, till exempel 5 till 45 grader. Detta kommer att ha en viss påverkan på flödet inuti bränsleförångningsanordningen 7 och även på dess utsida.

Den katalytiska brännaren enligt uppfinningen är beskriven såsom axiell, men kan lika gärna ha en radiell konfiguration. I detta fall kan de katalytiska elementen 12, 14, 15 vara arrangerade koncentriskt, med det första 10 15 20 25 30 35 531 133 katalytiska elementet 12 placerat i mitten. Bränsleförång- ningsanordningen 7 borde i detta fall vara placerat inuti det första katalytiska elementet 12 pà ett liknande sätt som beskrivs ovan. ' Bränsleföràngningsanordningen 7 skulle kunna vara utformad som ett centralt beläget rör, i vilket bränsle och luft sprutas in. Röret kan i detta fall vara försett med hyllor eller utsprång på sin innervägg, där det insprutade vätskeformiga bränslet skulle kunna bibehàllas under förångning.

I tillämpningar där elektricitet inte är tillgängligt skulle det vara fördelaktigt om brännaren är självför- sörjande. Detta kan àstadkommas genom att gynna naturligt drag genom brännaren, till exempel genom att ha inloppet vid nederdelen och genom att arrangera bränsleförångnings- anordningen 7 för att acceptera bränsle från ovansidan. En bränsletank skulle kunna vara belägen högre än bränsle- insprutaren 10 och det elektriska värmeelementet 13 vara ersatt med till exempel en ringformig veke, belägen upp- ströms om det katalytiska elementet 12, vilken veke till- förs bränsle från en separat bränsleledning. Genom att tända veken förs det katalytiska elementet 12 till sin tändningstemperatur och bränsleförångningsanordningen 7 värms upp tillräckligt för att förånga vissa fraktioner.

Flamman pà veken kommer att brinna ut strax efter det att det katalytiska elementet 12 har tänt, på grund av insprut- ning av begränsad mängd bränsle.

En mer avancerad brännarutföringsform är möjlig till exempel inuti ett fordon, där både elektricitet och elek- tronik är tillgängligt för att driva och reglera brännaren.

I detta fall kan sensorer användas för att bestämma luft- och bränsleflöde och fläkten 5 kan drivas elektriskt.

Bränsleinsprutaren 10 kan tillföras bränsle från en pump.

Fördelarna med en katalytisk brännare är dess låga emissioner av oförbrända kolväten och kolmonoxid, på grund 10 15 531 133 10 av den relativt höga reaktionshastigheten vid magra luft/- bränsleförhållanden, och kväveoxider på grund av den låga förbränningstemperaturen, väl under temperaturen där Zeldo- vichmekanismen börjar ha avsevärd påverkan på NOX-bildning, typiskt 1700 kelvin. Den höga reaktionshastigheten gör även förbränningen mer stabil vid magra driftsförhàllanden jäm- fört med en flamma vid liknande förhållande.

Föreliggande uppfinnig kan användas för många olika tillämpningar där katalytisk förbränning för många olika bränslen är önskvärd, såsom i fordonsvärmare, värmedrivna kylskåp och luftkonditioneringsapparater, termoelektriska generatorer, ugnar (spisar) och små gasturbiner.

Fastän föreliggande uppfinning har beskrivits som ett detaljerat exempel är det uppenbart för en fackman inom området att göra modifieringar utan att avvika från omfånget hos uppfinningen såsom definieras av de bifogade kraven.

Claims (19)

10 15 20 25 30 35 531 133 11 PAIENTKRKV

1. Katalytisk brännare (1) för vätskeformiga och/eller gasformiga bränslen, innefattande ett hölje (2) med ett inlopp (3) och ett utlopp (4), ett luftflöde är riktat, en bränsleinsprutare (10) för att spruta in bränslet i luftflödet och åtminstone ett katalytiskt element (12, 14, 15), en bränsleförångningsanordning (7) med en öppen genom vilket hölje kännetecknad av första ände och en sluten andra ände, varvid bränsle sprutas in genom den första änden mot den slutna andra änden, ett katalytiskt element (12) anordnat i kontakt med eller i omedelbar närhet av den andra änden av föràngningsanordningen (7), och ett elektriskt värmeelement (13) anordnat i kontakt med eller i omedelbar närhet av det katalytiska elementet (12), varvid det elektriska elementet (13) är anordnat för att samtidigt värma upp den slutna andra änden av föràngningsanordningen (7) och det katalytiska elementet (12) att det insprutade bränslet uppvärms när det träffar den under uppstart av den katalytiska brännaren (l), så slutna andra änden.

2. Katalytisk brännare (1) enligt krav 1, där förångningsanordningen (7) är konfigurerad för att leda det uppvärmda föràngade bränslet och luften bort från den slutna andra änden, mot den öppna första änden.

3. Katalytisk brännare enligt krav 2, där bräns1e/- luftblandningen passerar på utsidan av förångnings- anordningen (7) (12). i riktning mot det katalytiska elementet 10 15 20 25 30 35 5:31 133 12

4. Katalytisk brännare enligt krav 3, där ett andra luftflöde leds på utsidan av föràngningsanordningen (7) för att blandas med bränsle/luftblandningen vid området utanför förångningsanordningen (7), uppströms det katalytiska elementet (12).

5. Katalytisk brännare enligt något ovanstående krav, där all bränsle/luftblandning från förångningsanordningen (7) leds genom det katalytiska elementet (12) som är huvudsakligen i kontakt med eller i omedelbar närhet av den slutna andra änden av förångningsanordningen (7).

6. Katalytisk brännare (1) enligt krav 1, där föràngningsanordningens (7) öppna första ände vetter mot brännarens (1) inlopp (3).

7. Katalytisk brännare (1) enligt krav 1, där turbulensfrämjande organ (8) är anordnade för att vid drift överföra en roterande flödesrörelse till åtminstone en del av inloppsluften.

8. Katalytisk brännare (1) enligt krav 1, där en gradvis sammandragen kanal (6) är anordnad uppströms förángningsanordningen (7) för att vid drift accelerera en central del av inloppsluften in i föràngningsanordningen (7).

9. Katalytisk brännare enligt krav 7, där de turbu- lensfrämjande organen (8) är anordnade radiellt utanför den gradvis sammandragna kanalen (6).

10. Katalytisk brännare enligt krav 8, där ett bränslemunstycke (10) är anordnat för att vid drift spruta in bränsle i den centrala delen av inloppsluften. 10 15 20 25 30 35 531 133 13

11. Katalytisk brännare (1) enligt krav 10, där bränslemunstycket (10) har en avsmalnande spets, vilken är anordnad för att vid drift omges av den centrala accele- rerade delen av inloppsluften.

12. Katalytisk brännare (1) enligt krav 1, där bränslet sprutas in av bränslemunstycket (10) som droppar som medförs av tyngdkraften och det centrala luftflödet in i bränsleförångningsanordningen.

13. Katalytisk brännare (1) enligt krav 1, där bränslemunstycket (10) utgörs av en enkel öppning för att drivas av tyngdkraften eller en lâgtryckspump.

14. Katalytisk brännare (1) enligt krav 1, där förångningsanordningen (7) är anordnad centralt, huvud- sakligen koaxialt med höljet (2).

15. Förfarande för att driva en katalytisk brännare enligt krav 1, varvid förfarandet innefattar stegen att vid uppstart tillföra elektrisk energi till det elektriska värmeelementet (13) för att samtidigt värma upp det katalytiska elementet (12) och den slutna andra änden hos förångningsanordningen (7), och att spruta in bränsle med hjälp av bränsleinsprutaren (10) till den andra änden av förångningsanordningen (7), varvid bränslet i förångningsanordningen (7) uppvärms för att förångas för efterföljande förbränning i det åtminstone ett katalytiska elementet (12, 14, 15).

16. Förfarande enligt krav 15, där efterföljande förbränning äger rum i åtminstone ett ytterligare kata- lytiskt element (14, 15) nedströms om det katalytiska elementet (12). 10 15 531 133 14

17. Förfarande enligt krav 15, där efterföljande förbränning äger rum i en katalytiskt initierad flamma nedströms om det katalytiska elementet (12).

18. Förfarande enligt krav 15, där en temperatur hos bränsleföràngningsanordningen (7) regleras genom att det totala luft/bränsleflödet genom det katalytiska elementet (12) ständig förbränning inträffar i det katalytiska elementet (12), medan det genomsnittliga luft/bränsleförhàllandet hålls huvudsakligen konstant. regleras till en nivå där mer eller mindre ofull-

19. Förfarande enligt krav 15, där en temperatur hos bränsleförångningsanordningen (7) regleras genom att luftflödet genom det katalytiska elementet (12) regleras utan att bränsleflödet huvudsakligen ändras.