DE4202107A1 - Waermeaustauscher zur uebertragung der waerme aus einer katalytischen verbrennung eines gases - Google Patents
Waermeaustauscher zur uebertragung der waerme aus einer katalytischen verbrennung eines gasesInfo
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- F23D14/00—Burners for combustion of a gas, e.g. of a gas stored under pressure as a liquid
- F23D14/12—Radiant burners
- F23D14/18—Radiant burners using catalysis for flameless combustion
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- 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
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Description
Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher nach dem Oberbegriff des Patent
anspruches 1.
Die katalytische Verbrennung eines Gases stellt ein altbekanntes Verbrennungs
prinzip dar. Einzelheiten sind beispielsweise der Fachzeitschrift "Sanitär- und
Heizungstechnik", 1991, Heft 2, Seiten 70-73, zu entnehmen.
Bei der katalytischen Verbrennung reagiert ein Brennstoff, beispielsweise Wasser
stoff oder Erdgas, mit einem Oxidationsmittel wie Sauerstoff oder Luft in
Anwesenheit eines Katalysators. Als katalytisches Material sind Platin und Palla
dium mit einer sehr guten katalytischen Wirkung bekannt. Auch mit gewissen
Metall- und Quarzoxiden sind katalytische Reaktionen möglich. Die Verbrennung
selbst ist flammenlos. Sie beginnt bereits bei Raumtemperaturen und setzt sich
mit steigenden Temperaturen fort. Im Gegensatz zu der üblichen Flammenver
brennung bei sehr hohen Temperaturen liegt das Temperturniveau somit wesent
lich niedriger.
Es ist bekannt, daß die Bildung des umweltschädlichen NOx bei der Verbrennung
von der Reaktionstemperatur abhängig ist. Je höher die Temperatur ist, umso
höher liegen die NOx-Werte. Bei Temperaturen wie sie bei der katalytischen
Verbrennung infolge des niedrigen Temperaturniveaus üblich sind, d. h. bei
Temperaturen unter 800-1000°C, entsteht fast gar kein NOx. Sofern Wasserstoff
als Brennstoff eingesetzt wird, entsteht nur Wasser.
Die Anwendung der katalytischen Verbrennung erscheint deshalb allein im Inte
resse des Umweltschutzes erstrebenswert. Dabei stellt das Gebiet der Heiztech
nik einen besonders interessanten Anwendungsfall dar. Für die praktische Ver
wirklichung ist es notwendig, ein Gerät zu schaffen, in welchem die katalytische
Verbrennung bis zum vollständigen Ausbrand erfolgen kann und in dem die ent
stehende Wärme an ein wärmeabführendes Medium wie Luft oder Heizwasser
übertragen werden kann.
Der Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, einem Wärmeaustauscher mit den
vorstehend genannten Eigenschaften zu schaffen, der im Grunde genommen die
beiden Funktionen "Wärme erzeugen" und "Wärme übertragen" an einer
gemeinsamen Wärmetauscherwand innerhalb eines einheitlichen Aggregates
ermöglicht.
Der erfindungsgemäße Wärmeaustauscher besitzt die im Kennzeichen des
Patentanspruches 1 genannten Merkmale.
Es sind eine Anzahl an Strömungsschächten parallel geschaltet, wobei sich
jeweils ein Strömungsschacht auf der Verbrennungsseite mit einem Strömungs
schacht auf der wärmeabführenden Seite abwechselt. Die Wärmetauscherwände
sind auf der Verbrennungsseite mit einem katalytischen Material beschichtet.
Als wärmeabführendes Medium kommt Wasser oder Luft in Frage.
Im Speziellen wird der Wärmeaustauscher aus schalenförmigen Platten
hergestellt, die einseitig mit dem katalytischen Material beschichtet sind. Die
Platten können aus Keramik oder Fasermatten, aber auch aus Metall bestehen.
Sie müssen eine gute Haftung des katalytischen Materials erlauben, einen guten
Wärmedurchgang gewährleisten und eine geringe Wärmeausdehnung besitzen.
Ferner müssen sie gas- und wasserundurchlässig sein. Eine besondere Forderung
richtet sich an die Gestaltungsfreiheit der Oberfläche, da eine möglichst große,
beschichtete Oberfläche auf der Verbrennungsseite für eine vollständige
Verbrennung erforderlich ist. Eine geeignete Profilierung der Platten auf der
Verbrennungsseite schafft die notwendige große Oberfläche.
Dabei kann durch die Gestaltung der Profilierung auch eine Strömungslenkung
erfolgen. Es ist nämlich wichtig, daß die gesamte Oberfläche von dem Brenn
stoff-Luft-Gemisch gleichmäßig beaufschlagt wird.
Die einzelnen Platten dieser Art werden zu einem Wärmetauscherblock so
zusammengefügt, daß die beschichteten Flächen einander zugekehrt sind und
den Verbrennungsschacht begrenzen. Der freie Strömungsquerschnitt dieses
Verbrennungsschachtes sollte dabei möglichst eng gehalten werden. Auf diese
Weise ist der Gasdurchsatz zur katalytisch beschichteten Oberfläche recht
gering. Das verbessert die Verbrennung. Die Beschichtung selbst sollte sehr dünn
sein.
Das Brennstoff-Luft-Gemisch wird durch die einzelnen Schächte geführt und
kann auf dem langen Weg durch intensiven Kontakt mit dem Katalysator völlig
ausbrennen. Die Reaktion beginnt bei der Raumtemperatur. Am Ende liegen
etwa 800°C vor. Das wärmeabführende Medium wird im Gegenstrom dazu ge
führt. Es kommt somit zunächst mit heißem Brenngas in Berührung, was ein
schnelles Aufheizen zur Folge hat. Im Endbereich besitzt es hohe Austrittstem
peraturen. Das erhöht die Reaktionsfähigkeit des hier noch kühlen Brennstoff-
Luft-Gemisches. Auch eine Vorwärmung dieses Gemisches mit dem heißen Abgas
ist möglich.
Für den Beginn der Reaktion muß Energie bereit gestellt werden. Es ist ohne
weiteres möglich, diese Energie direkt im Aggregat zu erzeugen, um von
Fremdenergie unabhängig zu sein. So kann man in den Wänden des Wärme
tauscherblockes bzw. in einem umgebenden Gehäuse thermo-elektrische Genera
toren in Form von Halbleiterelementen einbauen, wie es dem Prinzip nach der
DE 31 48 162 C2 zu entnehmen ist. Infolge der unterschiedlichen Temperaturen
auf beiden Seiten des Generators bildet sich ein elektrischer Strom, der ge
speichert werden kann, um beim Beginn des Reaktionsvorganges als Startenergie
zu dienen.
Die beigefügte Zeichnung stellt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dar.
Es zeigt:
Fig. 1 Einen vertikalen Schnitt durch einen Wärmetauscherblock,
Fig. 2 Den Schnitt A-A aus Fig. 1 und
Fig. 3 Die vergrößerte Position X aus Fig. 1.
Der Wärmetauscherblock besteht aus schalenförmigen Platten 1, die umlaufend
wasserdicht miteinander verbunden sind. Als Werkstoff kommt Keramik oder
auch Metall in Frage. Einseitig sind die Platten 1 sehr dünn mit einem
katalytischen Material 2 beschichtet, welches die Fähigkeit besitzt, ein Brenn
stoff-Luft-Gemisch schon bei Raumtemperatur zur flammenlosen Verbrennung zu
bringen. Die beschichteten Seiten sind einander zugekehrt und bilden einen
Strömungsschacht 3 für das verbrennende Gemisch. Dieses tritt bei a ein, durch
strömt mehrere Schächte in Reihe und tritt dann bei b nach dem völligen Ver
brennen mit Temperaturen um 800°C aus. Die nicht beschichteten Seiten der
Platte 1 bilden einen Strömungsschacht 4 für das wärmeabführende Medium,
welches bei c ein- und bei d austritt und im Gegenstrom zu dem Brennstoff-
Luft-Gemisch geführt ist.
Für ein vollständiges Verbrennen ist eine möglichst große, beschichtete Fläche
erforderlich. Das ist durch Profilierungen 5 auf der Verbrennungsseite zu er
zielen. Eine Profilierung in Form von Lenkrippen 6 sorgt für ein gleichmäßiges
Beaufschlagen der gesamten Oberfläche.
Die Reaktion erfolgt beim Eintritt a in den ersten Strömungsschacht 3. Die
hierfür erforderliche Startenergie kann auf thermo-elektrischem Wege unter
Ausnutzung des Temperaturgefälles zwischen dem Wärmetauscherblock bzw.
einem umgebenden Gehäuse und der Raumluft gewonnen werden. Dabei ist eine
Unterstützung der Reaktion durch Vorwärmung des Brennstoff-Luft-Gemisches
mit heißem Abgas möglich. Die Verbrennung erfolgt auf dem ganzen Wege an
den katalytisch beschichteten Oberflächen der Platten 1. Die Platten 1 dienen
dann gleichzeitig der Wärmeübertragung an das wärmeabführende Medium.
Claims (8)
1. Wärmeaustauscher zur Übertragung der Wärme aus einer katalytischen
Verbrennung eines Gases an ein wärmeabführendes Medium,
gekennzeichnet durch eine Anzahl parallel angeordneter Strömungsschächte
(3, 4), von denen jeder zweite Schacht an den Wänden mit einem katalytischen
Material (2) beschichtet ist,
wobei die beschichteten Strömungsschächte (3) in Reihe geschaltet vom Ver
brennungsgas und die nicht beschichteten Strömungsschächte (4) ebenfalls in
Reihe geschaltet vom wärmeabführenden Medium durchströmt werden.
2. Wärmeaustauscher nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß Platten (1) aus einem geeigneten, keramischen
oder metallischen Werkstoff einseitig mit dem katalytischen Material (2)
beschichtet und so zu einem Wärmetauscherblock zusammengefügt sind, daß die
einander zugekehrten beschichteten Flächen die Strömungsschächte (3) für das
Verbrennungsgas und die gegenüberliegenden, nicht beschichteten Flächen die
Strömungsschächte (4) für das wärmeabführende Medium begrenzen.
3. Wärmeaustauscher nach den Ansprüchen 1 und 2,
dadurch gekennzeichnet, daß die Platten (1) zumindest auf der beschichteten
Seite zur Erzeugung einer möglichst großen Oberfläche eine Profilierung (5)
besitzen und daß das Verhältnis des freien Strömungsquerschnittes der
Strömungsschächte (3) zur katalytisch beschichteten Oberfläche so klein wie
möglich gehalten ist.
4. Wärmetauscher nach den Ansprüchen 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, daß Lenkrippen (6) auf der beschichteten Seite die
Strömung des Verbrennungsgases über die gesamte Oberfläche vergleichmäßigen.
5. Wärmeaustauscher nach den Ansprüchen 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, daß das Verbrennungsgas und das wärmeabführende
Medium im Gegenstrom geführt wird, wobei die hohe Endtemperatur des
wärmeabführenden Mediums die Reaktion unterstützt.
6. Wärmeaustauscher nach den Ansprüchen 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, daß die hohe Abgastemperatur der Verbrennungs
produkte der Vorwärmung des Brennstoff-Luft-Gemisches und damit einer
Verbesserung der Reaktion dient.
7. Wärmeaustauscher nach den Ansprüchen 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, daß in den Wänden des Wärmetauscherblockes bzw.
eines umgebenden Gehäuses ein thermo-elektrischer Generator in Form von
Halbleiterelementen zur Stromerzeugung angeordnet ist.
8. Wärmeaustauscher nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet, daß der erzeugte Strom gespeichert wird und beim
Starten den Reaktionsvorgang auslöst.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE4202107A DE4202107A1 (de) | 1992-01-27 | 1992-01-27 | Waermeaustauscher zur uebertragung der waerme aus einer katalytischen verbrennung eines gases |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
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DE4202107A1 true DE4202107A1 (de) | 1993-07-29 |
Family
ID=6450304
Family Applications (1)
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DE4202107A Withdrawn DE4202107A1 (de) | 1992-01-27 | 1992-01-27 | Waermeaustauscher zur uebertragung der waerme aus einer katalytischen verbrennung eines gases |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE4202107A1 (de) |
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8130 | Withdrawal |