DE8913184U1 - Vorrichtung zur Aufheizung eines Wärmeträgerfluides - Google Patents
Vorrichtung zur Aufheizung eines WärmeträgerfluidesInfo
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Description
Emitec Gesellschaft für Emissionstechnologie mbH D-5204 Lohmar 1
5^Vorrichtung zur Aufheizung eines Wärmeträgerfluidesy*
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur
Aufheizung eines Wärmeträgerfluides mit dar durch Verbrennung
eines Brennstoffes in einem sauerstoffhaltig*»n Gasstrom
entstandenen Verbrennungswärme.
Entsprechende Vorrichtungen finden vielfältige Anwendung, so z. B. zur Atifhelzuog von W^" :er oder Luft ?n Stand- oder
Zusatzheizanlagen für Kraftfahrzeuge oder in Heizanlagen für
gro!?e Hallen oder 7elte. Neben übergeoiüneten Gesichtspunkten
wie z. B. der Forderung, nach möglichst schadstoff freien Abgasen
werden üblicherweise an derartige Heizanlagen mehrerlei Anforderungen gestellt: So darf sich z. B. die Außenseite der
Heizanlage nicht übermäßig erwärmen, sei es aus Gründen des Brandschutzes oder aes Schutzes vor Verletzungen; weiterhin muß
die Temperatur des aus der Heizanlage ausgespeisten Abgases auf einen ungefährlichen Wert, beispielsweise auf höchstens etwa 80
"C, beschränkt bleiben, und ferner ist zu gewährleisten, daß
offene Flammen nur in sicher begrenzten Bereichen der Heizanlage auftreten; überhaupt muß die Entstehung von zur
Selbstentzündung neigenden Brennstoff-Luft-Gemischen außerhalb
möglichst gut abgeschirmter Verbrennungszonen vermieden werden. Darüber hinaus ist im Hinblick auf möglichst universelle
Einsetzbarkeit ein möglichst weiter Regelbereich für die Wärmeerzeugung erwünscht.
Entsprechend liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Aufheizung eines
Wärmeträgerfluides zu schaffen, womit die Aufheizung des Wärmeträgerfluides mit hohem Wirkungsgrad über einen möglichst
weiten Regelbereich möglich ist, wobei das bei der Verbrennung
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entstehende Abgas nach Möglichkeit frei von Schadstoffen wie z. B. Stickoxiden und Kohlenmonoxid ist und eine Beeinträchtigung
der Umgebung der der Realisierung der Erfindung dienenden Vorrichtung durch Wärmeleckagen oder dergleichen vermieden
wird.
Zur Lösung dieser Aufgabe dier.t e-, f in rjngsgemäG eine
Vorrichtung zur Aufheizung eines Wärmeträgerfluides mit der cm. -h flammlose Verbrennung eines Brennstoffes in einem
sauerstoffhaltigen Gasstrom entstandenen Verbrennungswärme, enthaltend:
a) ein Gasführungssystem zur Führung des Gasstroms, mit
mindestens einer Schleife, einem Gaseinlaß und einem Gasauslaß;
b) in der Schleife angeordnet eine Fördervorrichtung zur Aufrechterhaltung des Gasstroms in der Schleife, eine
Zustelleinrichtung zur Zustellung des Brennstoffes in den Gasstrom, eine Heizeinrichtung sowie mindestens ein katalytisch
aktives Element;
c) in dem Gasführungssystem mindestens einen Wärmetauscher zur Übertragung der Verbrennungswärme auf das Wärmeträgerfluid.
Eine Vorrichtung mit diesen Merkmalen stellt eine besonders kompakte und wirtschaftliche Anlage dar; sie ist insbesondere
für den Einsatz als portables oder mobiles Heizsystem, beispielsweise als Stand- oder Zusatzheizanlage für ein
Kraftfahrzeug oder als portable oder mobile Heizanlage zur Beheizung großer Hallen oder Zelte hervorragend geeignet.
Ein wesentliches Element der vorliegenden Erfindung ist es, die Volteile der Wärmeerzeugung durch flammlose, katalytisch
bewirkte Verbrennung eines Brennstoffes in einem Gasstrom zu
nutzen, indem der mit Brennstoff versetzte Gasstrom entlang mindestens eines katalytisch aKtiven Elementes geführt wird.
Die Verbrennung des Brennstoffes erfolgt i~, einer Reak' ion, die an der Oberfläche des katalytisch aktiven Elementes bewirkt
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wird. Die Einführung der katalytischen, flammlosen Verbrennung
bringt dabei insbesondere folgende Vorteile: Das Temperaturniveau kann im Vergleich zu Systemen mit
Verbrennung in offener Flamme wesentlich verringert werden? übliche, beispielsweise in Kfz-Abgassystemen verwendete
Katalysatoren erlauben die Verbrennung bereits bei Temperaturen zwischen etwa 250 °C und etwa 600 'C. Damit ist es möglich, die
Temperatur des mit Brennstoff versetzten Gasstroms überall unter der Explosionsgrenze zu halten, was einen beträchtlichen
Gewinn an inhärenter Sicherheit bringt. Außerdem ist die Entstehung von Stickoxiden praktisch ausgeschlossen, da dazu
Temperaturen im Bereich über 1000 0C erforderlich sind. Weiterhin
sind die Anforderungen an die Zusammenset7ung des Brennstoff-Sauerstoff-Gemisches für die flammlose Verbrennung
wesentlich geringer als im Fall der Verbrennung in offener Flamme, wobei die Einhaltung bestimmter Mischungsverhältnisse
zur Gewährleistung einer vollständigen und schadstoffarmen
Umsetzung unbedingt notwendig ist. Insbesondere gestattet ein Katalysator die Verbrennung unter sehr hohem LuftüberschuQ, was
wiederum dazu führt, daß die Entstehung von Kohlenmonoxid praktisch ausgeschlossen ist. Auch wird die Regelung der
Heizleistung wesentlich vereinfacht; es bedarf nämlich nicht mehr der Regelung der zugeführten Luftmenge gleichzeitig mit
der zugeführten Brennstoffmenge, sondern die Regelung der Heizleistung kann im wesentlichen allein über die Regelung der
zugeführten Brennstoffmenge erfolgen. Die Regelung der
zugeführten Luftmenge ist nur insoweit erforderlich, als verhindert werden muß, daß sich der Katalysator bei nur
geringer Verbrennungsleistung auf eine Temperatur unterhalb seiner Anspringtemperatur abkühlt. Ein besonders großer
Regelbereich für die Heizleistung kann in jedem Fall realisiert werden.
Weitere Vorteile ergeben sich daraus, daß sich aufgrund der
niedrigen Maximaltemperaturen preiswerte Werkstoffe zum Aufbau einer Vorrichtung zur Realisierung der Erfindung verwenden
lassen, ohne Einbußen im Hinblick auf Lebensdauer und
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Belastbarkeit. Schließlich macht die Verwendung eines katalytisch aktiven Elementes spezielle Zündeinrichtungen zum
Start des Heizprozesses überflüssig; der Heizprozeß kann umgeleitet werden über eine elektrische Vorwärmung des
katalytisch aktiven Elementes. Da das Brennstoff-Sauerstoff-Gemisch
in dem Gasstrom jederzeit, auch beim Starten, mager gehalten werden kann, ist auch bei einer Startverzögerung der
Verbrennung keine Fehlzündung zu befürchten.
Ein weiteres wesentliches Element der vorliegenden Erfindung ist die zumindest teilweise Führung des Gusstroms in einer
Schleife, die das katalytisch aktive Element und außerdem eine Fördervorrichtung zur Aufrechterhaltung des Gasstroms in der
Schleife enthält. In der Schleife wird zumindest ein Teil des von dem katalytisch aktiven Element abströmenden Gasstroms
wieder der Anströmseite des katalytisch aktiven Elementes zugeführt. Da die Temperatur des abströmenden Gasstroms durch
die Verbrennung relativ hoch ist, ergibt sich durch den in der Schleife rückgeführten Gasstromanteil eine Erhöhung der
Temperatur des das katalytische Element anströmenden Gasstroms. Damit kann verhindert werden, daß der von dem Gasstrom
angeströmte Bereich des katalytisch aktiven Elementes auf eine Temperatur abgekühlt wird, die unterhalb der Anspringtemperatur
des Katalysators liegt, und eine gleichmäßige Ausnutzung des katalytisch aktiven Elementes über seine gesamte Ausdehnung
wird erreicht. Auch wird der Anteil der Verbrennungswärme, der zur Aufheizung des brennstoffhaltigen Gasstroms auf und über
die Anspringtemperatur des Katalysators aufgewendet werden muß, stark verringert. Mithin ergibt sich sowohl eine deutliche
Erhöhung des thermischen Wirkungsgrades als auch eine Vergrößerung des Regelbereiches für die erzeugte Wärmeleistung.
Es ist nunmehr nämlich möglich, das Brennstoff-Sauerstoff-Gemisch
besonders mager zu halten, da die Temperatur des katalytisch aktiven Elementes durch die Rückführung des
Gasstroms in der Schleife auch bei äußerst magerem Gemisch ausreichend hoch gehalten werden kann.
01 04
Für die Anordnung der Zustelleinrichtung für den Brennstoff
gibt es zwei Möglichkeiten: Die Zustelleinrichtung kann so angeordnet werden, daß sie von dem Gasstrom vor Erreichen der
Schleife durchquert wird. Auf diese Weise ist jedenfalls gewährleistet, daß eine Brennstoffzustellung in die Schleife
nur zusammen mit einer gewissen Menge sauerstoffhaltigem Gas,
insbesondere Luft, möglich ist. Damit wird vermieden, daß in dem in der Schleife geführten Gasstrom Sauerstoffmangel
auftreten kann, der konsequenterweise bei der Verbrennung zur 10 Produktion giftiger Schadstoffe wie z. B. Kohlenmonoxid führen
müßte. Eine zweite Möglichkeit ist die Anordnung der := Zustelleinrichtung in der Schleife. Im Rahmen einer solchen
Weiterbildung ist es jedenfalls möglich, z. B. bei geringen &egr; Wärmeleistungen den Gasstrom eine gewisse Zeitspanne lang
15 vollständig in der Schleife zu führen, was im Hinblick auf die
Vermeidung von Wärmeleckagen sehr interessant ist. Selbstverständlich ist es in einem solchen Fall erforderlich,
durch geeignete Überwachungsmaßnahmen das Auftreten von Sauerstoffmangel in dem in der Schleife geführten Gasstrom zu
vermeiden.
Eine vorteilhafte Betriebsart der erfindungsgemäßen Vorrichtung
ist dadurch gekennzeichnet, daß der überwiegende Teil des Gasstroms, beispielsweise zu einem Anteil von etwa 70 % bis
etwa 90 %, in der Schleife geführt wird. Es liegt damit im wesentlichen ein Gas-Kreisstrom vor, in den nach Bedarf
Brennstoff und Luft bzw. anderes sauerstoffhaltiges Gas eingespeist werden können und aus dem nach Bedarf, z. B. zur
Druckbegrenzung, Gas ausspeisbar ist. Damit sind die Vorteile der Wärmespeicherung in dem Gasstrom, wie sie insbesondere zur
Aufrechterhaltung einer ausreichend hohen Betriebstemperatur des kat-lytioch aktiven Elementes erforderlich ist, voll
ausnutzbar; zur Vermeidung übermäßiger thermischer Belastungen kann durch Wärmeauskopplung in der Schleife die Temperatur des
Gasstroms reduziert, insbesondere bis auf die Anspringtemperatur des katalytisch aktiven Elementes
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herabgesetzt werden. Wenn die der Durchführung des Verfahrens
dienende Anlage ihre Betriebstemperatur erreicht hat, ist die Wärmeerzeugung zur Aufrechterhaltung dieser Betriebstemperatur
nur insoweit erforderlich, als Wärmeleckagen ausgeglichen werden müssen. Die Zustellung von Brennstoff in den in der
Schleife geführten Gasstrom kann auf sehr geringe Werte, entsprechend extrem mageren Gemischen, herabgesetzt werden; es
ergibt sich also ein besonders hoher Regelbereich. Auch kann, bedingt durch die Möglichkeit der Verbrennung bei sehr hohem
Luftüberschuß, eine in besonderem Maße schadstoffarme
Verbrennung erzielt werden.
Die Inbetriebnahme der erfindungsgemäßen Vorrichtung erfolgt
günstigerweise derart, daß vor dem Einsetzen der katalytischen Verbrennung der in der Schleife geführte Gasstrom von einer
insbesondere elektrisch betriebenen Heizeinrichtung so lange aufgewärmt wird, bis seine Temperatur die Anspringtemperatur
des katalytisch aktiven Elementes erreicht. Weitere Zündeinrichtungen, wie z. B. Zündbrenner oder elektrisch betriebene
Zündkerzen, sind nicht erforderlich. Dabei kann unter Umständen die Einspeisung sauerstoffhaltigen Gases in den Gasstrom
unterbleiben, nachdem ein sauerstoffhaltiger Gasstrom einmal in Gang gesetzt worden ist. Auch ist vor dem Einsetzen der
Verbrennung keine dauernde Zugabe von Brennstoff erforderlich;
es ist vollkommen ausreichend, den Gasstrom einmal mit eine.1
geringen Menge Brennstoff anzureichern, da es bekanntlich bei der katalytischen Verbrennung nicht auf die Einhaltung
spezieller Mischungsverhältnisse ankommt. Der mit Brennstoff versetzte, sauerstoffhaltige Gasstrom wird led-i^xch solange
von der Heizeinrichtung aufgewärmt, bis das katalytisch aktive Element durch Wärmeübertragung und/oder direkte Vorheizung eine
Temperatur oberhalb der Anspringtemperatur des Katalysators erreicht hat. Die Inbetriebnahme der erfindungsgemäßen
Vorrichtung ist auf diese Weise in jeder Phase vollkommen sicher, da die Konzentration von Brennstoff so gering bleibt,
daß keine Fehlzündung auftreten kann.
01 06
Generell ist es möglich nach der vorliegenden Erfindung, jederzeit die Zustellung von Brennstoff so gering zu halten,
daß das entstehende Brennstoff-Gas-Gemisch nicht selbstzündfähig, insbesondere nicht explosiv ist. Ein
vollkommen sicherer Betrieb ist so erreichbar. Sinnvoll ist es dabei, die Einspeisung von frischem, sauerstoffhaltigem Gas
derart zu begrenzen, daß die Temperatur des Gasstroms beim Erreichen des katalytisch aktiven Elementes dessen
Anspringtemperatur nicht unterschreitet. Auf diese Weise kann eine optimale Ausnutzung des Katalysators gesichert werden, was
dessen Lebensdauer nicht unbeträchtlich erhöht.
Die Ausspeisung von Gas aus dem in der Schleife geführten Gasstrom kann vorteilhafterweise derart gesteuert werden, daß
nur dann eine Ausspeisung vorgenommen wird, wenn der Gasdruck in der Schleife einen gewissen Grenzwert überschreitet. Durch
eine Verbrennung bei hohem Sauerstoffüberschuß ist eine mehrfache Rezirkulation des Gasstroms durch die Schleife
möglich, ohne daß die guten Eigenschaften des Verfahrens verloren gehen. Lediglich ist mit zunehmender Erwärmung des
Gasstroms eine Erhöhung des Innendrucks verbunden, dem durch Ausspeisung von Gas begegnet werden muß. Die Ausspeisung kann
dabei mittels geeigneter Ventile, insbesondere mittels selbsttätiger Überdruck-Sicherheitsventile, oder auch ohne
Verwendung eines Ventils durch reine strömungstechnische Maßnahmen, beispielsweise durch das Vorsehen einer Stichleitung
mit relativ geringem hydraulischem Querschnitt aus einem die Schleife bildenden Rohrleitungssystem, erfolgen.
Besonders vorteilhaft ist es, mindestens einen Wärmetauscher in dem die Schleife bildenden Gasführungssystem anzuordnen. Auf
diese Weise kann die Aufheizung des Wärmeträgerfluides mit
einem im wesentlichen in der Schleife geführten Gasstrom realisiert werden, wobei sich die bereits erwähnten Vorteile
ergeben.
01 07
Eine günstige Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung
ist dadurch gekennzeichnet, daß der Gasauslaß kein Ventil aufweist, sondern lediglich ein Rohr ist, dessen Querschnitt
deutlich geringer ist als der mittlere Querschnitt der Rohrleitungen, die die Schleife bilden, und das vergleichsweise
langgestreckt ist, da>rit durch. Turbulenzen kein Gas au«? dem
Gasstrom herausgewirbelt wird. Günstig ist es, den hydraulischen
Querschnitt des Rohres nicht größer als höchstens etwa 25 % &aacgr;;>
durchschnittlichen hydraulischen Querschnitts der Schleife ^u
bemessen, und weiterhin die Länge des Rohres als mindestens das Vierfach, seines mittleren Durchmessers anzusetzen. Ein solches
Rohr stelit ein ideales Druckausgleichsmittel zwischen der Atmosphäre und dem in der Schleife zirkulierenden Gasstrom dar;
bewegliche u rj somit verschleißanfällige Teile sind nicht
vorhanden, und es wird ein praktisch wartungsfreies, dauerhaftes System erzielt.
Im Rahmen einer besonders günstigen Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist das in der Schleife
befindliche katalytisch aktive Element ein Bestandteil des Wärmetauschers; es kann beispielsweise durch eine katalytisch
aktive Beschichtung der dem Gasstrom zugewandten Fläche des Wärmetauschers gegeben sein. Zur Bewirkung der flammlosen
Verbrennung, und zur zumindest teilweisen, vorzugsweise überwiegenden, insbesondere im wesentlichen vollständigen
Übertragung der Verbrennungswärme auf das Wärmeträgerfluid ist somit lediglich ein einziges Bauteil erforderlich, was die
Kompaktifizierung der erfindungsgemäßen Vorrichtung in nohem
Maße fördert. Dies ist um so wünschenswerter, als durch raumsparende Bauform auch Wärmeleckagen aus Verbindungsleitungen vermieden werden können.
Eine Weiterbildung dieser Vorrichtung zeichnet sich dadurch aus, daß die Übertragung der Verbrennungswärme auf das
Wärmeträgerfluid zumindest teilweise, vorzugsweise überwiegend, insbesondere zu etwa 70 % bis etwa 90 % direkt an dem
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katalytisch aktiven Element erfolgt, das als Teil eines Wärmetauschers ausgeführt ist. Als besonderer Vorteil dieser Weiterbildung ergibt sich ein optimal kurzer Übertragungsweg für die Wärme, die bei der katalytischen Verbrennung erzeugt wird und an das aufzuheizende Fluid zu übergeben ist; die Übertragung der Wärme erfolgt vom Ort ihrer Entstehung unmittelbar durch die Wand des Wärmetauschers, ohne daß ein Wärmetransport mit dem Gasstrom erforderlich ist. Damit wird einerseits die Temperatur des Gasstroms in Grenzen, insbesondere unterhalb etwa 400 °C im Normalfall bzw. unterhalb etwa 600 eC im ungünstigsten Fall, gehalten. Andererseits ermöglicht die versir'achte Wärmeübertragung eine signifikante Verringeruno der Abmessungen js Wärmetauschers; eine Reduktion seiner effektiven überfläche : .* s auf et*a 70 %, unter Umstänü:n bis auf ex ;ia 50 %, ist möglich.
katalytisch aktiven Element erfolgt, das als Teil eines Wärmetauschers ausgeführt ist. Als besonderer Vorteil dieser Weiterbildung ergibt sich ein optimal kurzer Übertragungsweg für die Wärme, die bei der katalytischen Verbrennung erzeugt wird und an das aufzuheizende Fluid zu übergeben ist; die Übertragung der Wärme erfolgt vom Ort ihrer Entstehung unmittelbar durch die Wand des Wärmetauschers, ohne daß ein Wärmetransport mit dem Gasstrom erforderlich ist. Damit wird einerseits die Temperatur des Gasstroms in Grenzen, insbesondere unterhalb etwa 400 °C im Normalfall bzw. unterhalb etwa 600 eC im ungünstigsten Fall, gehalten. Andererseits ermöglicht die versir'achte Wärmeübertragung eine signifikante Verringeruno der Abmessungen js Wärmetauschers; eine Reduktion seiner effektiven überfläche : .* s auf et*a 70 %, unter Umstänü:n bis auf ex ;ia 50 %, ist möglich.
Vorteilhaft ist es weiterhin, das in der Schleife befindliche
katalytisch aktive Element als Bestandteil der Heizeinrichtung auszuführen; bei de- Inbetriebsetzung der Vorrichtung, die in
bereits beschriebener Weise durch Vorheizen des Gasstroms mittels der Heizeinrichtung erfolgt, wird der auf der Heizeinrichtung
befindliche Katalysator besonders stark aufgewärmt und kann daher seine Anspringtemperatur schnell erreichen; ist
dies der Fall, so setzt an seiner Oberfläche die flammlose Verbrennung ein und liefert zusätzliche Energie zur Aufheizung
des Gasstroms. Der durch die Heizeinrichtung selbst zu deckende Bedarf an Heizenergie kann derart beträchtlich reduziert
werden.
Im Rahmen einer besonderen Weiterbildung ist die Vorrichtung gemäß der Erfindung folgendermaßen gekennzeichnet:
a) Die Schleife enthält einen Schleifenabschnitt mit einem
Einströmende und einem Ausströmende, insbesondere einen Strömungskanal;
b) das Einströmende und das Ausströmende kommunizieren mit einer Mischkammer;
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.10
c) in der Mischkammer sind als Teil der Zustelleinrichtung eine
Düsenanordnung sowie als Teil der Fördervorrichtung ein Gebläse angeordnet;
d) der Gaseinlaß und der Gasauslaß münden in die Mischkammer. 5
Entsprechend weist die Vorrichtung als ersten Hauptbestandteil
eine MischksTimer auf, in die Gaseir.aß, Gasauslaß und
Zustelleinrichtung für den Brennstoff münden und die das Gebläse zur Aufrechterhaltung des Gasstroms in der Schleife
enthält; als zweiten Hauptbestandteil enthält die Vorrichtung einen Schleifenabschnitt, in den die weiteren notwendigen
Elemente, namentlich das katalytisch aktive Element, ein Wärmetauscher und die Heizeinrichtung einbeziehbar sind. Eine
solche Vorrichtung ist besonders geeignet für ein Verfahren nach der Erfindung, bei dem der überwiegende Teil des Gasstroms
in der Schleife geführt wird. Die Vorrichtung weist einen klaren und übersichtlichen Aufbau auf und ist, wie noch weiter
ausgeführt werden wird, die Basis für besonders günstige Weiterentwicklungen.
Eine mögliche Weiterbildung einer solchen Vorrichtung weist folgpnde Merkmale auf:
a) Der Schleifenabschnitt ist gegeben durch ein vcn dem
Wärmeträgerfluid umströmbares Faltenrohr mit vielfach gefalteter Wand, insbesondere mit etwa rosettenförmigem oder
etwa sternförmigem Querschnitt, sowie einem ersten Ende und einem zweiten Ende, in dem ein Innenrohr mit einem ersten Ende
und einem zweiten Ende angeordnet ist unter Belassung eines Heißraumes in Form mindestens eines Spaltes zwischen Faltenrohr
und Innenrohr;
b) der heißraum und das Innenrohr kommunizieren miteinander im
Bereich des zweiten Endes des Faltenrohrs und des zweiten Endes des Innenrohrs;
c) das Einströmende ist das erste Ende des Innenrohrs; d) das Ausströmende ist ein durch das erste Ende des
Faltenrohrs gegebenes Ende des Heißraums.
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Der Schleifenabschnitt ist also zumindest teilweise gegeben
durch zwei Rohre, die unter Belassung mindestens eines Spaltes ineinandergesteckt sind, und wobei der Gasstrom zunächst durch
das Tnnenrohr und anschließend durch den Spalt zwischen Innenrohr
und Faltenrohr geführt wird. Das Faltenrohr dient dabei als Wärmetauscher; die Wärmetauscher fläche ist die Wandfläche
des Faltenrohres, wobei der Gasstrom durch das Innere des Faltenrohres verläuft, während das aufzuheizende
Wärmpträgerfluid an seiner Außenseite vorbeigeführt wird. Es
ergibt sich eine besonders küffipäkte, weitgehc-nd wärfneleckfreie
Bauform, da der durch das Innenrohr strömende Gasstrom durch den durch den Heißraum strömenden Gasstrom thermisch
abgeschirmt ist. Die Mischkammer bildet die Stelle an der Vorrichtung, von der bis auf die Heizeinrichtung und die Zu-unc
Abführung des Wärmeträgerfluides alle von außen zur Vorrichtung
führenden Verbindungen ausgehen. Entsprechend ergibt sich die Möglichkeit der Realisierung besonders raumsparender Bauformen.
Als Wärmetauscher ist ein Faltenrohr, also ein Rohrstück mit einer vielfach gefalteten Wand, insbesondere mit etwa
sternförmigem oder etwa rosettenförmigem Querschnitt, günstig
einsetzbar. Es ist wirtschaftlich herzustellen, und es stellt &idiagr;&iacgr;&tgr;&idigr; Hinblick 3uf cjsn kcstsrr^unsti^sn Aufbsu der Vorrichtunn ein?
bevorzugte Lösung dar. Durch geeignete Formgebung der Falten kann die Wirksamkeit als Wärmetauscher optimiert werden; im
Falle eines entlang einer Achse etwa geraden Faltenrohres stellt z. B. eine evolventenförmige Wicklung der Falten um die
Achse eine besonders günstige Ausführung dar, da die zwischen den Falten entstehenden Spalte über ihre Breite weitgehend
konstante Höhen aufweisen. Auf diese Weise kann der für die Falten verfügbare Querschnitt optimal mit Wärmetauscherfläche
ausgefüllt werden.
In besonders günstiger Ausführung weist das Faltenrohr an der dem Gasstrom zugewandten Seite selbst eine katalytisch aktive
Beschichtung auf, so daß es selbst ein katalytisch aktives
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Element trägt. Da auf diese Weise die katalytisch^ Reaktion
direkt an der Oberfläche des Faltenrohres stattfindet, wird der Übertragungsweg für die Verbrennungswärme zu dem Wärmeträgerfiuid
optimal kurz, und es resultiert ein besonders hoher Wirkungsgrad und eine besonders niedrige Wärme]ockrate. Zur
Erzielung einer besonders großen katalytisch aktiven Oberfläche können die Falten des Faltenrohres ihrerseits Falten oder
Verzweigungen aufweisen; auch ist es denkbar, auf die dem Gasstrom zugewandte Seite des Faltenrohres zusätzliche
Eine günstige Ausführung des Schleifenabschnitts mit zwei
ineinandergesteckten Rohren ergibt sich, wenn das äußere Rohr,
insbesondere das Faltenrohr, an einem ersten Ende verschlössen ist, wobei der Spalt zwischen äußerem und innerem Rohr und das
Innere des inneren Rohrs an dem verschlossenen Ende miteinander '. ommunizieren. Der Abschluß der Schleife kann in diesem Fall in
einfacher Weise an dem offenen Ende des äußeren Rohrs, und dem diesem zugewandten Ende des Innenrohrs, erfolgen.
Das erwähnte Innenrohr kann aus Metall oder aus Keramik bestehen; es ist ein bevorzugter Träger für die
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Bestandteil eine auf dem Innenrohr angebrachte, elektrisch betreibbare Heizleiteranordnung umfassen kann>
beispielsweise eine Heizwendel. Auf einem keramischen Innenrohr kann eine solche Heizleiteranordnung ohne elektrische Isolationsprobleme
angebracht werden; die elektrischen Zuleitungen können eventuell durch bekannte isolierende Durchführungen aus der
Vorrichtung herausgeführt werden.
Die beschriebene Vorrichtung im Sinne der vorliegenden Erfindung kann derart weitergebildet werden, daß die
Mischkammer mit dem Heißraum über eine Rückführleitung kommuniziert; dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn die
Art des verwendeten Gebläses eine spezielle Wahl der
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Einströmöffnung für den Gasstrom in der Mischkammer erfordert.
Einströmöffnung für den Gasstrom in der Mischkammer erfordert.
Ein kompakter Heizkörper der beschriebenen Art kann nunmehr in einem Außenrohr angeordnet werden, wobei zwischen Außenrohr und
Faltenrohr mindestens ein Spalt als Kaltraum verbleibt, der von dem aufzuheizenden Fluid durchströmbar ist. Eine solche
Vorrichtung ist aufgrund ihrer Kompaktheit und aufgrund der sehr geringen Wärmeleckage als Standheizung für ein
Kraftfahrzeug besonders geeignet, da ihr Platzbedarf sehr
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thermische Belastung der Umgebung vermieden werden kann.
In Weiterbildung der beschriebenen Vorrichtung ist in dem Außenrohr mindestens eine Transportvorrichtung zur Förderung
des Warmetragerfluides durch den Kaltraum angeordnet. Für den
Fall, daß das Wärmeträgerfluid Luft oder ein anderes Gas ist, kann dies ein einfaches Gebläse sein, dessen Antrieb darüber
hinaus zum Antrieb des Gebläses in der Schleife dienen kann. Falls das aufzuheizende Fluid eine Flüssigkeit ist, ist eine
entsprechende Flüssigkeitspumpe vorzusehen. In Verbindung mit einer entsprechenden Steuervorrichtung entsteht eine zu einem
kompakten Block zusammengefaßte Heizanlage.
Je nach der in einer vorbeschriebenen Vorrichtung zu
erzeugenden Wärmeleistung kann unter Umständen der aus dem Heißraum des Wärmetauschers strömende Gasstrom noch eine
relativ hohe Temperatur haben; es ist daher unter Umständen vorteilhaft, in die Rückführleitung mindestens einen
Kühlabschnitt einzubeziehen, der durch den Kaltraum führt und z. B. ein etwa spiralig oder etwa schraubenförmig gewickeltes
Leitungsstück ist. Die Rückführleitung wird somit zu einem zusätzlichen Wärmetauscher, und es wird eine Verringerung der
thermischen Belastung der in der Mischkammer befindlichen Komponenten, wie z. B. Gebläse oder Zustellvorrichtung für den
Brennstoff, ermöglicht.
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Vorteilhaft ist es weiterhin, in den Gasauslaß einen weiteren Wärmetauscher einzubeziehen, da insbesondere für Kraftfahizeugheizungen
bestimmte, niedrigliegende Obergrenzen für die maximal zulässige Abgastemperatur vorgegeben sind. Namentlich
ist eine Abgastemperatur unterhalb etwa 80 "C wünschenswert. Ein Wärmetauscher in der Abgasleitung kann günstigerweise ein
im Kaltraum verlaufendes;, etwa schraubenförmig oder etwa
spiralig gewickeltes Leitungsstück des Gasauslasses sein.
Eine weitere, besonders günstige Ausführung der Heizvorrichtung
gemär der Erfindung mit den Hauptbestandteilen Mischkammer und
Schleifenabschnitt ergibt sich, wenn der Schleifenabschnitt" als
etwa U-förmige Leitungsanordnung ausgeführt ist. Eine derartige Leitungsanordnung ist besonders einfach und kostengünstig
herstellbar und kann ggf. relativ einfach den jeweiligen Raumerfordernisson angepaßt werden, wenn z. B. ein Einbau in
eine bestehende Klimaanlage, in der bereits Einrichtungen zur Förderung des Wärmeträgerfluides vorhanden sind, gewünscht ist.
Basonders vorteilhaft ist es dabei, den Schleifenabschnitt
unmittelbar als Bestandteil des Wärmetauschers auszuführen. Gleichermaßen ist der Schleifenabschnitt aus der bereits
erwähnten Gründen der hevorzugte Träger für das katalytisch
aktive Element, insbesondere dann, wenn er gleichzeitig Wärmetauscherfunktionen hat.
Günstig ist es, in den Schleifenabschnitt mindestens einen Kanal einzubeziehen, der von dem Wärmeträgerflui&Iacgr; "mströmbar
ist. Ein solcher Kanal wird beispielsweise gebildet in einem etwa prismatischen Gefäß, das mit einer etwa ebenen Öffnung an
die Mischkammer angeschlossen ist, in dem sich eine Anordnung aus mindestens einer etwa senkrecht zu der Öffnung liegenden
Hohlplatte befindet. Die Hohlplatte ist von dem Wärmeträgerfluid durchströmbar und stellt daher einen Wärmetauscher dar,
und außerdem weist sie auf der dem Gasstrom zugewandten Seite
eine katalytische Beschichtung auf. Auch wird das Gefäß
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vorteilhafterweise als Wärmetauscher ausgebildet, indem es
entweder als ganzes von dem Wärmeträgerfluid umspülbar ist oder
in seiner Wand Leitungen aufweist, die von dem Wärmeträgerfluid durchströmbar sind. Solcher Art kann die erfindungsgemäße
Heizvorrichtung als kompakter "Heizeinschub" zur Integration in modular aufgebaute Klimaanlagen ausgeführt werden.
Zur kontrollierten Einspeisung von frischem Gas, insbesondere Luft, in die Schleife ist der Gaseinlaß z. B. mit einer
regelbaren Luftpumpe, die eine dosierte, den jeweiligen Anforderungen angepaßte Einspeisung von Gas ermöglicht,
versehen.
Zur optimalen Steuerung des Betriebs der erfindungsgemäßen
Vorrichtung können in der Schleife Meßwertaufnehmer zur Bestimmung der Betriebsparameter, insbesondere mindestens eine
Lambda-Sonde und/oder mindestens ein Thermoelement, angeordnet sein. In der beschriebenen, besonders kompakten Form der
Vorrichtung werden diese Meßwertaufnehmer vorzugsweise in der Rückführleitung plaziert. Auf diese Weise sind sie leicht
erreichbar, und ihre thermische Belastung bleibt begrenzt. Die Lambda-Sonde ist vor allem das ideale Instrument zur Überwachung
des Sauerstoffgehaltes des in der Schleife zirkulierenden
Gasstromsj mit ihrer Hilfe kann verhindert werden, daß der Sauerstoffgehalt in der Schleife zu stark absinkt und damit bei
dem Verbrennungsprozeß Schadstoffe wie z. B. Kohlenmonoxid oder Kohlenwasserstoffe erzeugt werden.
Ein besonderes Anwendungsgebiet der erfindungsgemäßen
Vorrichtung ist die Erzeugung von Wärmeenergie mit einer maximalen thermischen Leistung bis zu etwa 10 kW, insbesondere
bis zu etwa 7 kW, vorzugsweise bis zu etwa 4 kW. Dieses Anwendungsgebiet umfaßt z. B. die Beheizung von
Kraftfahrzeugen, insbesondere im Rahmen einer Stand- oder Zusatzheizung, sowie die Beheizung von Hallen und größeren
Zelten.
01 15
Die weitere Erläuterung der Erfindung erfolgt anhand der in der
Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele; im einzelnen zeigen:
Figur 1 das Schema einer zur Realisierung der Erfindung geeigneten Anordnung;
Figur 2 den Längsschnitt eines Durchlauferhitzers nach der Erfindung;
Figur 3 die Teilansicht des Längsschnittes einer besonderen Ausgestaltung des Durchlauferhitzers;
Figur 4 einen Querschnitt durch eine Anordnung aus AuQenrohr,
Faltenrc r und Innenrohr bei einer Vorrichtung gemäß Cex
Erfindung;
Figur 5 den Längsschnitt einer weiteren Musführung einer
Heizvorrichtung nach der Erfindung.
Figur 1 zeigt das Schema einer Anordnung zur Realisierung der vorliegenden Erfindung. Ein Gasführungssystem 101 bildet eine
Schleife 102, in der hintereinander eine Zustelleinrichtung zur Zustellung des Brennstoffes, ein katalytisch aktives
Element 110, ein Wärmetauscher 111, eine Heizeinrichtung 109 für den in der Schleife 102 geführten Gasstrom sowie eine
Fördervorrichtung 107 zur Aufrechterhaltung des Gasstroms in der Schleife 102 angeordnet sind. Zur Zustellung von
sauerstoffhaltigem Gas in die Schleife 102 mündet ein Gaseinlaß 103 in das Gasführungssystem 101, wobei der Gaseinlaß 103 &zgr;. &Bgr;.
eine Rohrleitung ist, in der Förder- und Regeleinrichtungen wie z. B. ein Einlaßventil 104 und eine Luftpumpe 105 angeordnet
sein können. Zur Abführung von Abgas aus der Schleife 1~2
mündet in diese ein Gasauslaß 106, in dem ein weiterer Wärmetauscher 112, neben eventuell nötigen Steuer- und
Regele! &pgr; richtungen, angeordnet. 5cj.n kann. Der Gesej-nlaß 103
mündet vorzugsweise vor der Zustelleinrichtung 108 in die Schleife 102, so daß dem Gasstrom frisch zugeführtes Gas sofort
mit Brennstoff angereichert und anschließend zur Bewirkung der flammlosen Verbrennung dem katalytisch aktiven Element 110
zugeführt werden kann. Sofern das katalytisch aktive Element
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110 nicht selbst ein Wärmetauscher 111 ist, was im Sinne der vorliegenden Erfindung durchaus günstig ist, so folgt, in
Strömungsrichtung des Gasstroms gesehen, ein separater Wärmetauscher 111, hinter dem sinnvollerweise der Gasauslaß
mündet. Die Heizeinrichtung 109 kann beispielsweise elektrisch betrieben werden, und sie dient zur Auslösung der flammlosen
Verbrennung der Aufwärmung des in der Schleife iü2 zirkulierenden Gasstroms. Sie kann eventuell mit einer" weiteren
in der Schleife 102 angeordneten Element zusammen fallen,
beispielsweise mit dem Wärmetauscher 111 oder mit dem katalytisch aktiven Element 110, Zur Auvrechterhaltung des
Gasstroms in der Schleife 102 ist eine Fördervorrichtung 107 notwendig, beispielsweise ein ^'.ektrisch oder anderweitig
betriebenes Gebläse. Die vorl:^qende Erfindung erfordert nicht
unbedingt zwei Wärmetauscher 111, 112 *.n der Anordnung; unter
Umständen kann auf einen dieser Isä>
^^auscher 111, 112 verzichtet werden, auch sind die Verhältnisse der
Wärmeübertragungslristungen beider Wärmetauscher 111, 112 nicht
zwingend vorgeschrieben. Wie bereits erwähnt, werden die Vorteile der vorliegenden Erfindung jedoch besonders mit einer
Anordnung erschlossen, bei der die Auskopplung der Wärme aus dem Gasstrom in erster Linie in dem in der Schleife 10&Ggr;:
angeordneten Wärmetauscher 111 erfolgt.
Figur 2 stellt eine besonders kompakt ausgeführte und damit als Stand- oder Zusatzheizung für ein Kraftfahrzeug besonders
geeignete Ausführung einer Heizvorrichtung nach der vorliegenden Erfindung dar. Das den Gasstrom führende
Gasführungssystem 201 ist zum Teil gegeben durch zwei ineinandergesteckte Rohre, nämlich ein äußeres Faltenrohr 213
mit einem ersten Ende 216 und einem zweiten Ende 217, das an dem zweiten Ende 217 verschlossen ist, und ein darin
angeordnetes Innenrohr 214 mit einem ersten Ende 218, das aus dem Faltenrohr 213 herausragt, und einem zweiten Ende 219, das
bis in die Nähe des zweiten Endes 217 des Faltenrohrs 213 in dieses hineinreicht. Zwischen Faltenrohr 213 und Innenrohr
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18
befindet sich ein Spalt als Heißraum 215, in dem bevorzugtermaßen die flammlose Verbrennung stattfindet. Das katalytisch aktive Element 110 ist gegeben durch das Faltenrohr 213 und/oder das Innenrohr 214, indem die Innenseite des Faltenrohrs 213 und/oder die Außenseite des Innenrohrs 214 eine katalyLische Beschichtung aufweist. Weitere Komponenten des Gasführuncjssystems 201 sind eine KIr-:-nkammer 22&udiagr;, die auf das eiote Ende 218 des Innenrohres 214 aufgesetzt ist, sowie mindestens eine Rückführleitung 223, die aus dem Heißraum 215 in die Mischkammer 220 führt und damit den Kreislauf für den Gasstrom schließt. In der Mischkammer angeordnet sind eine Düsenanordnung 221 als feil der Zustelleinrichtung 208 für den Brennstoff und ein Gebläse 222 als Teil der Fördervorrichtung 207. Weiterhin münden in die Mischkammer 220 der Gaseinlaß 203, im vorliegenden Fall eine Leitung mit einem Einlaßventil 204, sowie der Gasauslaß 206 in Form einer Rohrleitung mit vergleichsweise geringem Querschott. Um das Innenrohr 214 ist als Heizeinrichtung 209 eine Heizleiterwendel gewickelt; der Betrieb der Vorrichtung wird begonnen, indem durch das Gebläse 222 ein Gasstrom aus der Mischkammer 220 durch das Innenrohr 214, den Heißraum 215 und die Rückführleitung 223 zurück in die Mischkammer 220 bewirkt wird. Dieser Gasstrom wird von der Heizeinrichtung 209 so weit erwärmt, daß die Anspringtemperatur der katalytischen Beschichtung erreicht wird. Mit der Zustelleinrichtung 208 wird der Gasstrom mit einer gewissen Menge Brennstoff versetzt, und nach Erreichen der Anspringtemperatur setzt die flammlose Verbrennung ein. Der aus dem Gasführungssystem 201, der Mischkammer 220 usw. gebildete kompakte Heizkörper ist in einem Außenrohr 224 unter Belassung mindestens eines Spaltes als Kaltraum 225 angeordnet, durch den das Wärmeträgerfluid strömt. Als Wärmetauscher zur Aufheizung des Wärmeträgerfluides dient dabei das Faltenrohr 213, das vo . dem Wärmeträger fluid umströmt wird. Zur Erzielung einer geringen Abgastemperatur weist der Gasauslalo 206 ein spiralig um das Faltenrohr 213 gewickeltes Leitungsstück 226 auf, das als zusätzlicher Wärmetauscher die Wärme aus dem Abgas an das
befindet sich ein Spalt als Heißraum 215, in dem bevorzugtermaßen die flammlose Verbrennung stattfindet. Das katalytisch aktive Element 110 ist gegeben durch das Faltenrohr 213 und/oder das Innenrohr 214, indem die Innenseite des Faltenrohrs 213 und/oder die Außenseite des Innenrohrs 214 eine katalyLische Beschichtung aufweist. Weitere Komponenten des Gasführuncjssystems 201 sind eine KIr-:-nkammer 22&udiagr;, die auf das eiote Ende 218 des Innenrohres 214 aufgesetzt ist, sowie mindestens eine Rückführleitung 223, die aus dem Heißraum 215 in die Mischkammer 220 führt und damit den Kreislauf für den Gasstrom schließt. In der Mischkammer angeordnet sind eine Düsenanordnung 221 als feil der Zustelleinrichtung 208 für den Brennstoff und ein Gebläse 222 als Teil der Fördervorrichtung 207. Weiterhin münden in die Mischkammer 220 der Gaseinlaß 203, im vorliegenden Fall eine Leitung mit einem Einlaßventil 204, sowie der Gasauslaß 206 in Form einer Rohrleitung mit vergleichsweise geringem Querschott. Um das Innenrohr 214 ist als Heizeinrichtung 209 eine Heizleiterwendel gewickelt; der Betrieb der Vorrichtung wird begonnen, indem durch das Gebläse 222 ein Gasstrom aus der Mischkammer 220 durch das Innenrohr 214, den Heißraum 215 und die Rückführleitung 223 zurück in die Mischkammer 220 bewirkt wird. Dieser Gasstrom wird von der Heizeinrichtung 209 so weit erwärmt, daß die Anspringtemperatur der katalytischen Beschichtung erreicht wird. Mit der Zustelleinrichtung 208 wird der Gasstrom mit einer gewissen Menge Brennstoff versetzt, und nach Erreichen der Anspringtemperatur setzt die flammlose Verbrennung ein. Der aus dem Gasführungssystem 201, der Mischkammer 220 usw. gebildete kompakte Heizkörper ist in einem Außenrohr 224 unter Belassung mindestens eines Spaltes als Kaltraum 225 angeordnet, durch den das Wärmeträgerfluid strömt. Als Wärmetauscher zur Aufheizung des Wärmeträgerfluides dient dabei das Faltenrohr 213, das vo . dem Wärmeträger fluid umströmt wird. Zur Erzielung einer geringen Abgastemperatur weist der Gasauslalo 206 ein spiralig um das Faltenrohr 213 gewickeltes Leitungsstück 226 auf, das als zusätzlicher Wärmetauscher die Wärme aus dem Abgas an das
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Wärmeträgerfluid weitergibt und somit eine niedrige Abgastemperatur gewährleistet.
Figur 3 zeigt die wesentlichen Teile einer weiteren Ausgestaltung des in Figur 2 vorgestellten Durchlauferhitzers
nach der vorliegenden Erfindung. In dem AuQenrohr 324 ist. als
Teil des Gasführungssystems 301 an dem Innenrohr 3i4 eine Mischkammer 320 angeschlossen, von der aus wiederum eine
Rückführleitung 323, in die ein spiralig gewickelter Kühlc-bschni11 327 integriert ist zu de™ Snelt zwischen dern
(nicht dargestellten) Außenrohr und dem Innenrohr 314, zurückführt. In der Rückführleitung 323 sind Meßwertaufnehmer
zur Bestimmung der Betriebsparameter der Vorrichtung, namentlich ein Thermoelement 328 und eine Lambda-Sonde 329,
vorgesehen. An der Mischkammer 320 angeschlossen sind weiterhin der GaseinlaQ 303 und der Gasauslaß 306; der Gaseinlaß 303
weilt dabei ein Einlaßventil 3OA auf und endet im Inneren des Außenrohrs 324, in dem die gesamte Vorrichtung untergebracht
ist. Außerdem sind in der Mischkammer 320 die Zustelleinrichtung 308 nebst Düsenanordnung 321 zur Zustellung
des Brennstoffes in den Gasstrom sowie ein Gebläse 322 als Teil der Fördervorrichtung 307 zur Aufrechterhaltung des Gasstroms
vorgesehen. In dem Außenrohr 324, das die Vorrichtung umgibt und das in bekannter Weise der Führung des aufzuheizenden
Wärmeträgerfluides, im konkreten Fall Luft, dieit, ist eine
Transportvorrichtung 330 zur Förderung des Wärmeträgerfluides vorhanden. Im konkreten Fall stellt diese Transportvorrichtung
330 ein Gebläse dar, das vorteilhafterweise von derselben Antriebsvorrichtung wie das in der Mischkammer 320 liegende
Gebläse antreibbar ist.
Figur 4 zeigt zusätzlich einen Querschnitt durch eine Anordnung aus Außenrohr 424, Faltenrohr 413 und Innenrohr 414.
Das Außenrohr 424 ist im dargestellten Abschnitt zylindrisch, und das Faltenrohr 413 hat einen rosettenartigen Querschnitt
zur Erzielung einer besonders großen Oberfläche zur Wärmeaus-
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kopplung aus dem Heißraum 415 in den Kaltraum 425. Im dargestellten Beispiel besteht der Kaltraum 425 aus einer
Vielzahl einzelner Spalte. Das Innenrohr 414, das vorteilhafterweise nicht wie das Faltenrohr 413 und das Außenrohr
aus Metall, sondern aus Keramik besteht, ist nicht einfach zylindrisch, sondern es weist mehrere Rippen auf. Diese Rippen
dienen im vorliegenden Fall nicht unbedingt nur zur Vergrößerung einer Wärmeauskopplung, sondern sie sollen eine
möglichst große Oberfläche zur Aufnahme einer katalytischen
IG Beschichtung 432 zur Verfügung stellen. Die katalytisch
wirksame Beschichtung 432 des Innenrohrs al4 ist nicht nur auf dessen Außenseite, sondern auch auf dessen Innenseite
angebracht, so daß möglichst jede verfügbare Fläche zur Katalysierung der flammlosen Verbrennung eins^tzbar ist. Auch
das Faltenrohr 413 weist auf seiner Innenseite eine katalytische Beschichtung 431 auf; wie bereits erwähnt, ist
pine derartige katalytische Beschichtung 431 wegen der besonders kurzen Wärmeübertragungswege zum Kaltraum 425
besonders günstig. Für den Fall, daß eine besonders hohe Wärmeentwicklung erwünscht ist, kann darüber hinaus der
Heißraum 415 mit weiteren Strukturen, beispielsweise den sus Kfz-Katalysatorträgern bekannten Wabenstrukturen, ausgefüllt
werden; im allgemeinen wird dies jedoch für Kfz-Standheizungen
und dergleichen nicht erforderlich sein. Als Weiterbildung des Innenrohrs 414 ist es denkbar, dieses mit Ausformungen zu
versehen, in denen Teile der Heizeinrichtung 109 gehaltert werden können.
Figur 5 schließlich zeigt eine weitere Ausführung einer Heizvorrichtung nach der vorliegenden Erfindung, die
gleichermaßen als Kfz-neizung mit Wasser oder Luft als Wärmeträgerfluid geeignet ist. Dargestellt ist ein kompakter
Heizkörper, bestehend aus der Mischkammer 520 und einem daran angeflanschten Gefäß 537. In die Mischkammer 520 münden ein
Gaseinlaß 503 und ein Gasauslaß 506. In dem Gaseinlaß angeordnet ist dabei die Zustelleinrichtung 508 für den
01 05
Brennstoff. Die Eigenschaften einer in dem Gaseinlaß 503
angeordneten Zustelleinrichtung 508 sind bereits eingehend beschrieben worden. Zur Steuerung der Ausspelsung von Gas aus
dem in der Vorrichtung etablierten Gasstrom dient eine vor dem Gasauslaß 506 angeordnete Abgasklappe 542, die durch nicht
dargestellte Mittel steuerbar ist. Weiterhin weist die Vorrichtung eine Fördervorrichtung 507 zur Etablierung des
Gasstroms auf, die im vorliegenden Fall ein Gebläse 522, namentlich ein Radialgebläse, enthält. Weiterhin ist in der
Mischkammer angeordnet eine Heizeinrichtung 509. im vorliegenden Beispiel dargestellt als Heizleiterwendel. Zur
Auskopplung der bei der flammlosen Verbrennung erzeugten Wärme ist das Gefäß 537 von dem Wärmeträger fluid umspülbar, bzw.
seine Wand weist Kanäle oder dergleichen auf, die von dem Wärmeträgerfluid durchströmbar sind. Weiterhin sind in dem
Gefäß 537 Hohlplatten 539 angeordnet, die ihrerseits von dem Wärmeträgerfluid durchstrÖTibar sind. Der Kaltraum 525 wird also
im vorliegenden Fall gebildet durch den Außenraum bzw. die Gaskanäle des Gefäßes 537 sowie die Innenräume der Hohlplatten
539. Durch die Anordnung der Hohlplatten 539 in dem Gefäß ist ein Schleifenabschnitt 533 in Form eines Kanals 536
gebildet, wobei der Gasstrom durch diesen - durch die Hohlplatten 539 in mehrere Segmente geteilten - Kanal 536
bewegt werden muß. Dies geschieht durch das Gebläse 522, das im vorliegenden Fall so ausgelegt ist, daß nur ein Teil der der
Mischkammer 520 zugewandten Öffnungen des Kanals 536 von dem Gasstrom angeströmt werden und somit das Einströmende 534
bilden, während der Gasstrom aus anderen Öffnungen des Kanals 536, die dementsprechend das Ausströmende 535 bilden, wieder in
die Mischkammer 520 eintreten kann. Zur Bewirkung der flammlosen Verbrennung sind die Hohlplatten 539 auf ihren dem
Gasstrom zugewandten Flächen mit einer katalytischen Beschichtung 540 versehen; gleichermaßen weist das Gefäß
auf seiner dem Gasstrom zugewandten Wand eine katalytische Beschichtung 541 auf. Damit ergeben sich wiederum optimal kurze
Wärmeübertragungswege aus dem Heißraum 515 in den Kaltraum 525,
Ql 06
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und es resultiert ein hoher Wirkungsgrad, der insbesondere ein relativ niedriges Betriebstemperaturniveau gestattet. MittO
zum Transport des Wärmeträgerfluides durch die Vorrichcung sind
nicht gezeichnet; eine Vorrichtung nach Figur 5 ist vor allem gedacht als "Heizeinschub" zur Integration in ein vorgegebenes
Klimagerät.
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Aufheizung eines Wärmoträgerfluides mit der durch flammlose
Verbrennung eines Brennstoffes in einem sauerr.toffhaltiqen
Gasstrom entstandenen Verbrennungswärme, die neben besonders ausgeprägter Schadstoffarmut eine hohe Betriebssicherheit
aufweist, kostengünstig herstellbar ist und sich darüber hinaus durch einen hohen Wirkungsgrad und einen weiten Regelbereich
für die Wärmeleistung auszeichnet. Als Brennstoffe kommen in erster Linie, aber nicht ausschließlich, Benzin und andere als
Treibstoffe für Kraftfahrzeuge geeignete Stoffe in Betracht.
Insbesondere ist für stationäre Anlagen Erdgas ein bevorzugter Brennstoff.
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Claims (26)
1. Vorrichtung zur Aufheizung eines Wärmeträgerfluides mit der
durch flammlose Verbrennung eines Brennstoffes in einem sauerstoffhaltigen Gasstrom entstandenen Verbrennungswärme,
enthaltend:
a) ein Gasführungssystem (101; 201; 301) zur Führung des
Gasstroms, mit mindestens einer Schleife (102), einem Gaseinlaß (103; 203; 303; 503) und einem Gasauslaß (106; 206; 306; 506);
b) in der Schleife (102) angeordnet eine Fördervorrichtung
(107; 207; 307; 507) zur Aufrechterhaltung des Gasstrcms in der Schleife (102), eine Zustelleinrichtung (108; 208; 308; 508)
zur Zustellung des Brennstoffes in den Gasstrom, eine Heizeinrichtung (109; 209; 509) sowie mindestens ein
katalytisch aktives Element (110);
c) in dem Gasführungssystem (101; 201; 301) mindestens einen
Wärmetauscher (111; 112) zur Übertragung der Verbrennungswärme auf das Wärmeträgerfluid.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei mindestens ein
Wärmetauscher (111) in der Schleife (102) angeordnet ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Gasauslaß (106; 206; 306; 506) ein Rohr ist, das aus der Schleife (102)
herausführt, dessen hydraulischer Querschnitt höchstens etwa % des mittleren hydraulischen Querschnitts der Schleife (102)
beträgt, und dessen mittlerer Durchmesser höchstens etwa 25 % seiner Länge beträgt.
h. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das
katalytisch aktive Element (110) Bestandteil des Wärmetauschers (111) ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch A, wobei das katalytisch aktive Element (110) Teil eines Wärmetauschers (111) ist, worin die
Übertragung der Verbrennungswärme auf das Wärmeträgerfluid
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zumindest zum Teil, vorzugsweise zum überwiegenden Teil,
insbesondere zu einem Teil von etwa 70 % bis etwa 90 %,
erfolgt.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das katalytisch aktive Element (110) Bestandteil der
Heizeinrichtung (109| 209; 509) ist.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei;
a) die Schleife (102) einen Schleifenabschnitt (233; 533) mit einem Ei strömende (234; 534) und einem Ausströmende -235; 535)
enthält;
b) das Einströmende (234; 534^ und das Ausströmende (235; 535)
mit einer Mischkammer (220; 320; 520) kommunizieren;
c) in der Mischkammer (220; 320; 520) als Teil der Zustelleinrichtung
(108; 208; 308; 508) eine Düsenanordnung (221; 321; 521) sowie als Teil der Fördervorrichtung (107; 207; 307; 507)
ein Gebläse (222; 322; 522) angeordnet sind; 6) der GaseinlaG (103; 203; 303; 503) und der Gasauslaß (106;
206; 306; 506) in die Mischkammer (220; 320; 520) münden.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, wobei:
a) der Schleifenabschnitt (223; 523) gegeben ist durch ein von dem Wärmeträgerfluid umströmbares Faltenrohr (213; 413) mit
vielfach gefalteter Wand, insbesondere mit etwa rosettenförmigem oder etwa sternförmigem Querschnitt, sowie einem
ersten Ende (216) und einem zweiten Ende (217), in dem ein Innenrohr (214; 314; 414) mit einem ersten Ende (218) und einem
zweiten Ende (219) angeordnet ist unter Belassung eines Heißraumes (215; 415; 515) in Form mindestens eines Spaltes;
b) der HeiSraum (215$ 415, 515) und das Innenrohr (214; 314;
414) im Bereich des zweiten Endes (217) des Faltenrohrs (213; 413) und des zweiten Endes (219) des Innenrohrs (214; 314; 414)
miteinander kommunizieren;
c) das Einströmende (234; 534) das erste Ende (218) des
Innenrohrs (214; 314; 414) ist;
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d) das Ausströmende (235; 535) ein durch das erste Ende (216)
des Faltenrohrs (213; 413) gegebenes Ende des Heißraums (215; 415; 515) ist.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei das Faltenrohr (213, 413) Falten aufweist, die etwa evolventenförmig gebogen sind.
ID. Vorrichtung nach Anspruch 8 od-jr 9» wobei das Faltenrchr
(213, 413) das katalytisch aktive Element (110) trSgt. 10
11. Vorrichtung nach Anspruch 10, wobei das Faltenrohr (213;
413) an dem zweiten Ende (217) verschlossen ist.
12. vorrichtung nach einem de*· Ansprüche 8 bis 11, wobei die
Heizeinrichtung (109; 209) eine elektrisch betreibbare
Heizleiteranordnung umfaßt, die sr dem Innenrohr (214; 314;
414) angebracht ist.
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 12, wobei
zwischen der Mischkammer (220; 320; 520) und dem Ausströmende (235; 535) eine Rückführleitung (223; 323) liegt.
14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 13, wobei das Faltenrohr (213; 413) in einem Außenrohr (224; 324; 424) unter
Belassung mindestens eines Spaltes als Kaltraum (225; 425; 525) angeordnet ist, und der Kaltraum (225; 425; 525) von dem
Wärmeträgerfluid durchströmbar ist.
15. Vorrichtung nach Anspruch 14, wobei in dem Außenrohr (224; 324; 424) mindestens eine Transportvorrichtung (330) zur
Förderung des Wärmeträgerfluides durch den Kaltraum (225; 425; 525) angeordnet ist.
16. Vorrichtung nach Anspruch 14 oder 15, wobei zwischen der
Mischkammer (220; 320; 520) und dem Ausströmende (235; 535) eine Rückführleitung (223; 323) mit mindestens einem
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Kühlabschnitt (327), der durch den Kaltraum (225; 425; 525) führt und etwa schraubenförmig oder etwa spiralig gewickelt
ist, liegt.
17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 16, wobei der Gasau.Iaß (106; 206; 306; 506) ein als Wärmetauscher (112)
betreibbares Lei Lungsstück (226 j umf^f.:. r., das in dem Kaltraum
{?25; 425; 525) liegt und etwa schraubenförmig oder etwa
sri.alig gewickelt ist.
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18. Vorrichtung nach Anspruch 7, wobei der Schleifena^schnitt
(233; 533) eine etwa U-'örmige Leitungsanordnung aufweist.
19. Vorrichtung nach Anspruch 18, wo^ei der Schleifenabschnitt
(233; 533) Bestandteil des Wärmetauschers (111) ist.
20. Vorrichtung nach Anspruch 18 oder 19, wobei der Schleifenabschnitt
(233; 533) das katalytisch aktive Element (110) trägt.
21. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 18 bis 20, wobei:
a) der Schleifenabschnitt (233; 533) mindestens einen Kanal (536) aufweist, der von dem Wärmeträgerfluid umströmbar ist;
b) das Einströmende (274; 534) ein erstes Ende des Kanals
(536) und das Ausströmende (235; 535) ein zweites Ende des Kanals (536) ist.
22. Vorrichtung nach Anspruch 21, wobei der Kanal (536) gebildet ist in einem etwa prismatischen GefäQ (537) mit einer
etwa ebenen Öffnung (538), an der die Mischkammer (220; 320; 520) angeschlossen ist, sowie mit einer Anordnung aus
mindestens einer etwa senkrecht zu der öffnung (538) liegende &igr;
Hohlplatte (539), die von dem Wärmeträgerfluid durchströmbar ist und das katalytisch aktive Element (IiG) trägt.
23. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei
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27 der Gaseinlaß (103; 203? 303; 503) eine Luftpumpe (105)
enthält.
24. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei
in der Schleife (102) mindestens eine Lambda-Sonde (329) angeordnet ist.
25. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in der Schleife (102) mindestens ein Thermoelement (328)
angeordnet ist.
26. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, zur Aufheizung des Warmetragerfluides mit einer maximalen
thermischen Leistung von etwa 10 kW, insbesondere etwa 7 kW, vorzugsweise etwa 4 kW.
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Priority Applications (8)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE8913184U DE8913184U1 (de) | 1989-11-07 | 1989-11-07 | Vorrichtung zur Aufheizung eines Wärmeträgerfluides |
JP2509739A JPH0823409B2 (ja) | 1989-06-20 | 1990-06-19 | ガス流中の燃料の無炎燃焼による熱発生方法と装置 |
PCT/EP1990/000966 WO1990015955A1 (de) | 1989-06-20 | 1990-06-19 | Verfahren und vorrichtung zur erzeugung von wärme durch flammlose verbrennung eines brennstoffes in einem gasstrom |
EP90909674A EP0478644B1 (de) | 1989-06-20 | 1990-06-19 | Verfahren und vorrichtung zur erzeugung von wärme durch flammlose verbrennung eines brennstoffes in einem gasstrom |
DE59009027T DE59009027D1 (de) | 1989-06-20 | 1990-06-19 | Verfahren und vorrichtung zur erzeugung von wärme durch flammlose verbrennung eines brennstoffes in einem gasstrom. |
BR909007456A BR9007456A (pt) | 1989-06-20 | 1990-06-19 | Processo e dispositivo para a geracao de calor mediante combustao sem chama de um combustivel em uma corrente de gas |
SU5010892/06A RU2079048C1 (ru) | 1989-06-20 | 1990-06-19 | Способ получения тепла при беспламенном сжигании топлива и устройство для его осуществления |
US07/807,169 US5340020A (en) | 1989-06-20 | 1991-12-13 | Method and apparatus for generating heat by flameless combustion of a fuel in a gas flow |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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DE8913184U DE8913184U1 (de) | 1989-11-07 | 1989-11-07 | Vorrichtung zur Aufheizung eines Wärmeträgerfluides |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
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DE8913184U1 true DE8913184U1 (de) | 1991-03-07 |
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ID=6844386
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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DE8913184U Expired - Lifetime DE8913184U1 (de) | 1989-06-20 | 1989-11-07 | Vorrichtung zur Aufheizung eines Wärmeträgerfluides |
Country Status (1)
Country | Link |
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DE (1) | DE8913184U1 (de) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2005047769A2 (en) * | 2003-11-14 | 2005-05-26 | Oglesby & Butler Research & Development Limited | A converting device for converting fuel gas to heat and a gas powered heating device |
DE102022133759A1 (de) | 2022-12-16 | 2024-06-27 | HYTING GmbH | Verbrennungseinheit, Verwendung eines Abgaskatalysators eines Fahrzeugs, Verwendung eines Katalysators, Vorrichtung sowie Verwendung einer Verbrennungseinheit |
-
1989
- 1989-11-07 DE DE8913184U patent/DE8913184U1/de not_active Expired - Lifetime
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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WO2005047769A2 (en) * | 2003-11-14 | 2005-05-26 | Oglesby & Butler Research & Development Limited | A converting device for converting fuel gas to heat and a gas powered heating device |
WO2005047769A3 (en) * | 2003-11-14 | 2005-08-04 | Oglesby & Butler Res & Dev Ltd | A converting device for converting fuel gas to heat and a gas powered heating device |
DE102022133759A1 (de) | 2022-12-16 | 2024-06-27 | HYTING GmbH | Verbrennungseinheit, Verwendung eines Abgaskatalysators eines Fahrzeugs, Verwendung eines Katalysators, Vorrichtung sowie Verwendung einer Verbrennungseinheit |
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