DE60010360T2

DE60010360T2 - Vorrichtung für eine katalytische Verbrennung, die eine Infrarotstrahlung imitiert

Info

Publication number: DE60010360T2
Application number: DE60010360T
Authority: DE
Inventors: Michel M. Charmes; Eric M. Rogemond
Original assignee: Sunkiss Aeronautique SA
Current assignee: Sunkiss Aeronautique SA
Priority date: 1999-03-25
Filing date: 2000-02-18
Publication date: 2004-09-09
Anticipated expiration: 2020-02-19
Also published as: DK1039219T3; MXPA00002835A; JP2000283420A; DE60010360D1; BR0001408A; EP1039219A1; FR2791416A1; FR2791416B1; ES2219283T3; CA2299155C; ATE266175T1; CA2299155A1; PT1039219E; US6431857B1; AR022763A1; EP1039219B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Oberflächenemission einer Infrarotstrahlung, mit katalytischer. Verbrennung eines Gemisches aus einem brennbaren Gas (gasförmiger Kohlenwasserstoff wie Butan oder Erdgas) und einem die Verbrennung fördernden Gas, beispielsweise Luft, das unter Überdruck steht bzw. komprimiert ist oder nicht.
Eine solche Vorrichtung kann einzeln oder im Verbund mit weiteren Vorrichtungen, beispielsweise einem Trockenofen oder Trockentunnel, oder in diversen Anwendungen, beispielsweise zum Trocknen, zur Polymerisation eines Überzuges usw., verwendet werden.
Unter "Oberflächenemission" wird eine Oberfläche verstanden, die an jeder Stelle eine Infrarotstrahlung im Bereich zwischen 2 μm und 10 μm mit einer Wärmeemissionsleistung abgibt, die homogen und gleichmäßig über die gesamte emittierende Oberfläche verteilt ist. Vorzugsweise ist diese Oberfläche eben, beispielsweise von einem vieleckigen, insbesondere rechteckigen Umriss. Eine solche Vorrichtung kann jedoch auch konvex oder konkav sein.
Gemäß dem Dokument US-A-3 291 187 ist bereits eine Vorrichtung zur Oberflächenemission einer Infrarotstrahlung bekannt, die einen Brennraum aufweist, der eine Wand für eine katalytische Verbrennung aus feuerfestem Material aufweist, die eine bestimmte Dicke besitzt und gemäß ihrer Dicke durchlässig ist, und beispielsweise hinsichtlich des Druckabfalls für den Durchgang eines zu verbrennenden Gemisches ausgelegt ist. Letzteres besteht, wie in jedem Brenner, aus einem Gemisch aus einem brennbaren Gas, beispielsweise einem gasförmigen Kohlenwasserstoff, wie Butan oder Erdgas, und einem die Verbrennung fördernden Gas, beispielsweise Umgebungsluft, wobei das Gemisch komprimiert ist oder nicht. Ein Diffusor für das zu verbrennende Gemisch ist gegebenenfalls stromaufwärts der Wand für den Wärmeaustausch angeordnet, um das zu verbrennende Gemisch zu homogenisieren, bevor es die stromaufwärtige Seite der Wand für die katalytische Verbrennung erreicht. Der Durchgang des zu verbrennenden Gemisches erfolgt von der stromaufwärtigen Seite zur stromabwärtigen Seite der Wand für die katalytische Verbrennung, deren an der Innenseite ausgebildete Oberfläche mit einem Verbrennungskatalysatormaterial, beispielsweise einem oder mehreren Metallen oder Metalloxiden, beispielsweise Platin und/oder Palladium, überzogen ist, die die Eigenschaft haben, die Oxidation von Kohlenwasserstoff zu katalysieren. Der Brennraum für die katalytische Verbrennung umfasst eine stromaufwärtige Kammer, in der gegebenenfalls der Diffusor angeordnet ist, die von einer Seite mit dem zu verbrennenden Gemisch gespeist wird, und die auf der anderen Seite durch die Wand für die katalytische Verbrennung abgeschlossen ist.
Bei wie zuvor beschriebenen Vorrichtungen, deren Oberfläche für die Infrarotemission, die der stromaufwärtigen Seite der Wand für die katalytische Verbrennung entspricht, relativ groß ist, werden in der Praxis zwei Schwierigkeiten angetroffen.
Die erste betrifft die Steuerung der von der Wand für die katalytische Verbrennung emittierten Wärmeleistung durch Regulation des Druckes des brennbaren Gases. In der Praxis kühlt sich bei einem minimalen Druck des Gases, der einer minimalen Emissionsleistung entspricht, da der durch den Durchgang des zu verbrennenden Gemisches durch die Wand für die katalytische Verbrennung hindurch erzeugte Druckabfall sehr gering ist, die an der Innenseite ausgebildete Oberfläche dieser Wand zu sehr ab, was in gewissen Fällen zu einer Aktivitätsverminderung des katalytischen Materials führt. In einem solchen Fall muss dann eine Neuzündung der katalytischen Verbrennung vorgenommen werden, um die Wand für die katalytische Verbrennung auf ihre Soll-Emissionsleistung zu bringen.
Die zweite Schwierigkeit betrifft das Aufrechterhalten der Oberflächenemission der Infrarotstrahlung an allen Stellen bei einer ausreichend hohen Temperatur, um die Aktivität des katalytischen Materials aufrechtzuerhalten, und demgemäß eine gleichmäßig von der gesamten vorstehend genannten Oberfläche ausgehende katalytische Verbrennung ohne "Totzone", d. h. einer hinsichtlich der Verbrennung inaktiven Zone, zu erhalten.
Die vorliegende Erfindung hat zum Ziel, diesen vorstehend genannten Nachteilen abzuhelfen.
Genauer hat die Erfindung eine Lösung zum Ziel, die besonders (jedoch nicht ausschließlich) für Vorrichtungen ausgelegt ist, die eine relativ große Oberfläche für die Infrarotstrahlung aufweisen, und die es ermöglicht, die Inaktivierung des katalytischen Materials einerseits lokal und andererseits, wenn die Vorrichtung bei ihrer minimalen Leistung arbeitet, wenn letztere gesteuert oder geregelt wird, zu begrenzen oder zu vermeiden.
Gemäß der vorliegenden Erfindung weist der Brennraum zumindest einen Wärmetauscher auf, der stromaufwärts und quer gegenüber der Wand für die katalytische Verbrennung angeordnet ist. Dieser Wärmetauscher ist aus einem feuerfesten Material gebildet, beispielsweise einer Keramik, und nach Art der Wand für die katalytische Verbrennung gemäß seiner Dicke durchlässig, indem er (beispielsweise hinsichtlich des Druckabfalls) für den Durchgang des zu verbrennenden Gemisches ausgelegt ist. Dieser Wärmetauscher bildet mit der Wand für die katalytische Verbrennung einen dazwischen liegenden Zwischenraum, der durch den Wärmetauscher vom Rest der oder der stromaufwärts gelegenen Kammer getrennt ist. Der Wärmetauscher nimmt von seiner stromaufwärtigen Seite, die der Wand für die katalytische Verbrennung direkt gegenüberliegt, zumindest einen größeren Teil der von der stromaufwärtigen Seite der Wand für die katalytische Verbrennung abgestrahlten Wärme, hauptsächlich durch Strahlung, auf.
Vorzugsweise weist der Brennraum einen Diffusor für das zu verbrennende Gemisch auf, der beispielsweise in der stromaufwärtigen Kammer stromaufwärts des Wärmetauschers angeordnet ist.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird unter einem "Wärmetauscher" demgemäß ein wie vorstehend definiertes Element verstanden, in dem keine katalytische Verbrennung erfolgt, und das gemäß der in Betracht gezogenen Ausgestaltung einer durchlässigen Wand mit einer gewissen Dicke angeglichen sein kann, die von dem zu verbrennenden Gemisch über seinen gesamten nutzbaren Querschnitt durchquert wird. Dieser Tauscher hat als erste Funktion, zumindest einen Teil der von der stromaufwärtigen Seite der Wand für die katalytische Verbrennung emittierten Wärme einzufangen und sie zumindest teilweise an das ihn durchquerende zu verbrennende Gemisch wieder abzugeben, unmittelbar bevor dieses die stromaufwärtige Seite der Wand für die katalytische Verbrennung erreicht.
Um einen wirksamen Wärmeaustausch zu erhalten, ist der betreffende Wärmetauscher hinsichtlich der Dicke (d.h. der Länge in Richtung der Strömung des zu verbrennenden Gemisches) derart dimensioniert, dass die Verweilzeit des zu verbrennenden Gemisches innerhalb des Tauschers zumindest gleich 0,1 s beträgt. Wenn die Dicke des Wärmetauschers zu gering ist, und zwar in einem solchen Maße, dass die Verweilzeit des zu verbrennenden Gemisches geringer als 0,1 s ist, wird einerseits eine Aufheizung der stromaufwärtigen Seite des Wärmetauschers auf eine relativ hohe Wärmeleistung unterstützt, was ein Sicherheitsproblem darstellen kann, und andererseits wird eine Abkühlung der stromaufwärtigen Seite der Wand für die katalytische Verbrennung auf eine relativ geringe Wärmeleistung festgestellt, was die katalytische Reaktion hemmen kann.
In der Praxis ermöglicht es ein solcher Wärmetauscher, die Temperatur des zu verbrennenden Gemisches von der stromaufwärtigen Seite (wo das Gemisch auf einer Temperatur nahe der Umgebungstemperatur ist) zu der stromabwärtigen Seite (wo das Gemisch auf einer Temperatur nahe derjenigen der Wand für die katalytische Verbrennung ist) des Wärmetauschers effektiv zu erhöhen. Diese Erhöhung der Temperatur beträgt zumindest gleich 500°C, und liegt vorzugsweise zwischen 500 und 1000°C.
In der Praxis soll das für den Wärmetauscher verwendete feuerfeste Material in seiner Masse eine gewisse Leitung der durch die Strahlung durch die stromabwärtige Seite des Tauschers eingefangenen Wärme gewährleisten. Diese Leitung sollte dennoch begrenzt bleiben, derart, dass das zu verbrennende Gemisch nicht auf eine Entflammungstemperatur gebracht wird, bevor es die Wand für die katalytische Verbrennung erreicht. Vorteilhafterweise ist das den Wärmetauscher bildende Material eine Keramik, beispielsweise Cordierit. Die Dicke des Wärmetauschers, d. h. seine Abmessung in Richtung des Durchgangs oder der Strömung des zu verbrennenden Gemisches, beträgt zumindest gleich 5 cm.
Der durch den Durchgang des zu verbrennenden Gemisches durch den Wärmetauscher erzeugte Druckverlust sollte nicht zu groß sein. Er ist allgemein von der gleichen Größenordnung wie der durch den Durchgang des zu verbrennenden Gemisches durch die Wand für die katalytische Verbrennung erzeugte Druckabfall, beispielsweise in der Größenordnung von 0,60 Pa.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist zwischen dem Wärmetauscher und der Wand für die katalytische Verbrennung, und genauer zwischen der stromabwärtigen Seite des Wärmetauschers und der stromaufwärtigen Seite der Wand für die katalytische Verbrennung, ein funktioneller Zwischenraum vorhanden, der frei von jeglichem Material ist. Vorzugsweise beträgt dieser funktionelle Zwischenraum zumindest gleich 5 mm, und liegt im Bereich zwischen 4 und 6 mm, derart, dass sich die stromabwärtige Seite des Wärmetauschers im direkten Blick der stromaufwärtigen Seite der Wand für die katalytische Verbrennung und in der Zone maximaler Strahlung der letzteren befindet.
Demzufolge ist ein Wärmetauscher gemäß der vorliegenden Erfindung nicht mit einem Diffusor oder Wärmeschild zu verwechseln, einerseits, weil ein solcher Diffusor oder ein solches Wärmeschild gemäß der vorliegenden Erfindung vorhanden sein kann, zusätzlich und stromaufwärts des Wärmetauschers, und andererseits, weil allgemein ein Diffusor oder Wärmeschild, der bzw. das häufig relativ dünn ist, praktisch keine Wärmeübertragungsfunktion gegenüber dem Gas oder dem Gasgemisch, das ihn bzw. es durchquert, besitzt.
Dank der Erfindung wird die Wärmeenergie der Verbrennung, die nicht von der stromaufwärtigen Seite der Wand für die katalytische Verbrennung abgestrahlt wird, darüber hinaus zu einem beträchtlichen Teil durch den Wärmetauscher festgehalten und zur Wand für die katalytische Verbrennung zurückgeführt, und zwar mittels des zu verbrennenden Gemisches, das als Wärmeübertragungsmilieu dient. Somit wird vermieden, dass ein beträchtlicher Teil der nicht in den Außenraum der Vorrichtung abgestrahlten Wärme bezüglich der Strömungsrichtung des zu verbrennenden Gemisches nach stromaufwärts derselben Vorrichtung verstreut wird.
Vorzugsweise weist der Brennraum eine komplementäre Wärmeisolationswand auf, die stromaufwärts und gegenüber der stromaufwärtigen Seite des Wärmetauschers angeordnet ist, wobei die Wärmeisolationswand, die ihrerseits aus feuerfestem Material ist, ebenfalls gemäß ihrer Dicke durchlässig und für den Durchgang des zu verbrennenden Gemisches ausgelegt ist.
Diese Maßnahme erhöht die relative Wärmeisolation zwischen einerseits der Wand für die katalytische Verbrennung und andererseits der stromaufwärtigen Seite der Vorrichtung, wodurch das Phänomen eines Feuerfangens in der stromaufwärtigen Kammer, in der das zu verbrennende Gemisch strömt, vermieden oder begrenzt wird.
Vorzugsweise weist der Brennraum eine Kammer zur Verteilung des zu verbrennenden Gemisches stromaufwärts der wie vorstehend als stromaufwärtig bezeichneten Kammer in Richtung der Strömung des zu verbrennenden Gemisches auf. Diese Kammer zur Verteilung ist von der stromaufwärtigen Kammer durch eine Trennwand abgetrennt, in der eine Vielzahl von Durchgängen zum Entspannen des zu verbrennenden Gemisches verteilt sind.
Diese Maßnahme ermöglicht es insbesondere, eine stöchiometrische Oxidation oder Verbrennung über praktisch die gesamte Oberfläche der stromabwärtigen Seite der Wand für die katalytische Verbrennung ungeachtet der Größe der letzteren zu erhalten.
Die vorliegende Erfindung wird nun mit Bezug auf die beigefügte Zeichnung beschrieben, in der
1 schematisch eine erfindungsgemäße Vorrichtung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel darstellt;
2 und 3 weiterhin schematisch zwei weitere Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung darstellen.
Gemäß 1 weist eine Vorrichtung 1 für eine Oberflächenemission einer Infrarotstrahlung im Wesentlichen einen Brennraum 2 für eine katalytische Verbrennung, ein Mittel 32 für eine Bildung oder Gewinnung des zu verbrennenden Gemisches und ein Gehäuse 21 auf, in dem der Brennraum 2 zumindest teilweise angeordnet ist.
Der Brennraum 2 ist um drei identische oder nichtidentische Wände 3, 6 und 8 herum eingerichtet und aufgebaut, die beispielsweise eine rechteckige Form aufweisen und aus einem feuerfesten Material bestehen, die gemäß ihrer Dicke durchlässig und jeweils für den Durchgang über ihren gesamten für das zu verbrennende Gemisch 4 nutzbaren Querschnitt von ihrer stromaufwärtigen Seite zu ihrer stromabwärtigen Seite in Richtung der Strömung des zu verbrennenden Gemisches ausgelegt sind. Die drei Wände 3, 6 und 8 sind jeweils durch einen Kuchen aus feuerfestem keramischem Material, beispielsweise aus Cordierit, gebildet, der von seiner stromaufwärtigen zu seiner stromabwärtigen Seite weiterhin in Richtung des Durchgangs des zu verbrennenden Gemisches 4 von einer Vielzahl von parallelen Kanälen 10 durchquert ist. Beispielhaft handelt es sich um einen Kuchen aus einem Material von der Art von "Bienenwaben", wie er von verschiedenen Herstellern, wie CORNING, unter der Bezeichnung CELCOR^® verkauft wird, und wie er beispielsweise in den Töpfen für die katalytische Verbrennung von Auspuffgasen von Wärmekraftmaschinen verwendet wird.
Von stromaufwärts nach stromabwärts bezüglich der Richtung der Strömung des zu verbrennenden Gemisches 4 sind diese Wände sukzessive:

– eine Wand 3 für eine katalytische Verbrennung des zu verbrennenden Gemisches 4, deren an der Innenseite ausgebildete Oberfläche mit einem Material für eine katalyti- sche Verbrennung, beispielsweise einem Niederschlag aus einem Gemisch aus Platin und Palladium, auf dem feuerfesten Material der Wand 3 für die katalytische Verbrennung unter oder ohne Zwischenschaltung einer Lage oder eines Überzugs aus einem weiteren mineralischen Material mit großer ausgebildeter Oberfläche, beispielsweise Aluminium, überzogen ist;
– eine Wand, die ihrerseits einen Wärmetauscher 6 bildet, die stromaufwärts und gegenüber der Wand 3 für die katalytische Verbrennung angeordnet ist;
– und eine Wand 8 für eine Wärmeisolierung, die im Abstand stromaufwärts und gegenüber der Wand für den Wärmeaustausch 6 angeordnet ist.

Diese drei übereinander angeordneten und gemäß der Achse 4 der Vorrichtung ausgerichteten Wände 3, 6 und 8 sind mittels einer Dichtfuge 17 zwischen dem Umfangsrand jeder Wand oder jedes Kuchens 3, 6 bzw. 8 und dem Mantel 16 quer bezüglich dem Brennraum 2 und genauer bezüglich seinem feuerfesten und isolierenden unteren Mantel 16 angebracht.
Das Mittel 32 zur Bildung bzw. Gewinnung des zu verbrennenden Gemisches 4 weist auf herkömmliche Weise beispielsweise auf

– eine Düse 33 für ein unter Druck stehendes brennbares Gas, die es ermöglicht, einen Strahl 30 des brennbaren Gases zu erzeugen;
– ein Organ 34 vom Venturi-Typ, das es ermöglicht, dem Strahl 30 des brennbaren Gases Umgebungsluft 31 beizumischen, um das zu verbrennende Gemisch 4 zu erhalten, das durch einen Kanal 20 in die hiernach beschriebene Kammer 12 zur Verteilung gebracht wird.

Der Brennraum 2 ist zumindest teilweise, wenn nicht gar in seiner Gesamtheit, in einem Gehäuse 21 angeordnet, in dem zumindest ein Fenster 22 gegenüber der stromabwärtigen Seite 3b der Wand 3 für die katalytische Verbrennung ausgespart ist, durch das hindurch die Infrarotstrahlung ausgehend von der stromabwärtigen Seite 3b der Wand 3 emittiert wird.
Das Gehäuse 21 weist einen durch einen Deckel 19 geschlossenen Körper 18 auf, der gegenüber einer Trennwand 13 angebracht ist, die zu den Wänden 6, 8 und 10 parallel ist, die ihrerseits untereinander parallel verlaufen. Eine Vielzahl an Durchgängen 15 zur Entspannung des zu verbrennenden Gemisches 4 sind in dieser Trennwand 13 angeordnet, die auf einer Seite, d. h. der stromaufwärtigen Seite, eine Kammer 12 zur Verteilung des zu verbrennenden Gemisches 4 und auf der anderen Seite, d. h. der stromabwärtigen Seite, eine bezüglich der Wand 3 für die katalytische Verbrennung stromaufwärtig bezeichnete Kammer 5, weiterhin in Richtung der Strömung des zu verbrennenden Gemisches 4 gesehen, abtrennt.
Die stromaufwärtige Kammer 5 wird ausgehend von der Trennwand 13 zur Entspannung auf einer Seite mit dem zu verbrennenden Gemisch gespeist und ist auf der anderen Seite durch die Wand 3 für die katalytische Verbrennung abgeschlossen.
Die Wand 6 bildet allein einen erfindungsgemäßen Wärmetauscher, der der Gesamtheit der in der Einleitung der vorliegenden Beschreibung zuvor herausgestellten technischen Merkmale entspricht.
Der Wärmetauscher 6, der stromaufwärts und gegenüber der Wand 3 für die katalytische Verbrennung angeordnet ist, empfängt im Betrieb durch seine stromabwärtige Seite 6b zumindest den größeren Teil der von der stromaufwärtigen Seite 3a der Wand 3 für die katalytische Verbrennung abgestrahlten Wärme, durch die hindurch das zu verbrennende Gemisch strömt, und innerhalb der die katalytische Verbrennung des Gemisches erfolgt. Der Wärmetauscher 6 ist nur in der stromaufwärtigen Kammer 5 angeordnet und bestimmt mit der Wand 3 für die katalytische Verbrennung einen dazwischen liegenden Zwischenraum 7, der vom Rest der stromaufwärtigen Kammer 5 durch den Wärmetauscher 6 abgetrennt ist.
Die Wand für die Wärmeisolierung 8 ist stromaufwärts und gegenüber dem Wärmetauscher 6 weiterhin quer in der stromaufwärtigen Kammer 5 angeordnet, um mit dem Tauscher 6 einen mittleren Zwischenraum 9 zu bestimmen, der vom Rest der stromaufwärtigen Kammer 5 durch die Wärmeisolationswand 8 abgetrennt ist. Ein Diffusor 11 für das zu verbrennende Gemisch 4 ist in dem mittleren Zwischenraum 9 quer angeordnet. Dieser Diffusor weist eine für das zu verbrennende Gemisch durchlässige Folie aus einem feuerfesten Material, beispielsweise aus Papier oder Keramikschaum, auf.
Die Wärmeisolationswand 8 und der Diffusor 11 können ein und dasselbe Bauteil sein, beispielsweise eine Wand aus Keramikschaum, die mit der stromaufwärtigen Seite des Wärmetauschers 6 verbunden oder nicht verbunden ist.
Wie 1 gut zeigt, weist die stromabwärtige Seite des Wärmetauschers 6 praktisch die gleiche Oberfläche wie die abstrahlende stromaufwärtige Seite 3b der Wand 3 für die katalytische Verbrennung, d. h. wie die nutzbare Oberfläche der letzteren, auf.
Die Wand 6, die den Wärmetauscher bildet, weist gegebenenfalls eine Dicke auf, die größer ist als diejenige der Wände 3 und 8, und zwar in Abhängigkeit vom Grad der gewünschten Wiederaufheizung für das zu verbrennende Gemisch vor seiner katalytischen Verbrennung oder Oxidation.
Gemäß 2 und 3 unterscheidet sich die Vorrichtung 1 für eine Oberflächenemission einer Infrarotstrahlung von der mit Bezug auf 1 beschriebenen Vorrichtung dadurch, dass eine Scheibe 23 aus transparentem keramischem Material das Fenster 22 des Gehäuses 21 gegenüber der stromabwärtigen Seite3b der Wand 3 für die katalytische Verbrennung dicht verschließt. Das Gehäuse 21 mit seinem durch die Scheibe 23 geschlossenen Fenster bildet mit dem Brennraum 2 einen Entlee rungskreis 24 für die Verbrennungsabgase, die durch die stromabwärtige Seite 3b der Wand 3 für die katalytische Verbrennung heraustreten.
Gemäß dem Ausführungsbeispiel in 2 weist das Gehäuse 21 eine äußere Verkleidung 27 aus einem isolierenden und feuer- festen Material auf, die mit dem Mantel 16 des Brennraums 2 einen ringförmigen Zwischenraum ausbildet, indem die Verbrennungsabgase 25 im Gegenstrom zur Richtung des Durchgangs des zu verbrennenden Gemisches 4 strömen.
Dem Gehäuse 21 ist ein Kasten 28 überlagert, wodurch eine Kammer 29 zum Sammeln der Verbrennungsabgase 25 ausgebildet wird, indem er von der Kappe 19 beabstandet ist. In dieser Sammelkammer 29 tauschen die Verbrennungsabgase 25 ihre Wärme mit dem zu verbrennenden Gemisch 4 aus, das in die Verteilungskammer 12 eingeführt wird.
Bei dem Ausführungsbeispiel in 3 und im Unterschied zu demjenigen in 2 besteht kein Wärmeaustausch zwischen den Verbrennungabgasen 25 und dem zu verbrennenden Gemisch 4.
Der Entleerungskreis 24 für die Verbrennungsabgase ist dazu ausgestaltet, letztere quer bezüglich der Richtung des Durchgangs des zu verbrennenden Gemisches 4 durch einen Durchgang in der feuerfesten Verkleidung 27 hindurch zu entleeren, der auf der einen Seite mit dem ringförmigen Zwischenraum 24 zwischen dem Mantel 16 und der Verkleidung 27 und dem Außenraum kommuniziert.
Um die Wirksamkeit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in Bezug auf eine herkömmliche Vorrichtung zu demonstrieren, wurden zwei Versuchsreihen durchgeführt, die einen Vergleich zwischen einerseits einer Vorrichtung gemäß 1 ohne Wärmetauscher 6 und andererseits derselben Vorrichtung mit einem Wärmetauscher 6 ermöglichen.
In dem einen und dem anderen Fall sind die verwendeten Dimensionierungen und experimentellen Bedingungen wie folgt.
Die Wand 6 für den Wärmeaustausch, die Wand für die katalytische Verbrennung 3 und die Wärmeisolationswand sind jeweils durch Zuschnitt eines Kuchens in einem monolithischen Elemant von der Art von "Bienenwaben" aus Cordierit gefertigt, wie er von der Firma CORNING unter der Marke CELCOR^® verkauft wird. Der nutzbare Querschnitt jedes Kuchens beträgt 225 cm², dies entspricht 14000 Alveolen, die jeweils einen einheitlichen Querschnitt von 1 mm² aufweisen.
Der Diffusor 11 ist durch einen Kuchen aus Keramikschaum gebildet, der eine Dicke von 13 mm aufweist.
Der Wärmetauscher 6 (Wand für den Wärmeaustausch) weist eine Dicke von 50 mm auf, und erlaubt eine Verweilzeit des zu verbrennenden Gemisches in seinem Inneren von 0,16 Sekunden.
Der Luftdurchsatz (Verbrennung förderndes Gas) ist in Abhängigkeit des Durchsatzes des brennbaren Gases variabel, der seinerseits reguliert ist, um die emittierte Wärmeleistung zu steuern. Der Luftdurchsatz ist variabel und liegt im Bereich zwischen 10 und 16 m³/h, bei einer Temperatur der Luft von 20°C.
Die katalytische Reaktion wird durch eine offene Flamme initiiert, die durch Funkenentladung zwischen zwei Elektroden in dem Zwischenraum von 5 mm zwischen den Wänden 6 und 3 mit einem stöchiometrischen zu verbrennenden Gemisch erzeugt wird.
Die Temperaturen werden fortlaufend erfasst, insbesondere auf der stromaufwärtigen Seite und der stromabwärtigen Seite des Diffusors 11 und denjenigen des Tauschers 6.
Die Verbrennungsabgase werden fortlaufend hinsichtlich ihres Gehaltes an Methan, Kohlenmonoxid, Sauerstoff und Kohlendioxid analysiert.
Der Durchsatz an brennbarem Gas wird durch Einwirken auf seinen Druck im folgenden Regelungsintervall reguliert:

– ein Druck von 50 mbar (500 Pa) entspricht einer minimalen Oberflächenleistung von 60 kW/m²;
– ein Druck von 140 mbar (1400 Pa) entspricht einer maximalen Oberflächenleistung von 100 kW/m².

Bei einer minimalen Oberflächenleistung (60 kW/m²) ist der Betrieb ohne Wärmetauscher 6 mit einem Gebläseluftdurchsatz von 14 m³/h nicht möglich. In der Tat ist das zu verbrennende Gemisch nicht ausreichend warm, um eine minimale und für die katalytische Oxidation der gesamten Menge des brennbaren Gases ausreichende minimale Temperatur aufrechtzuerhalten. Daraus ergibt sich eine unvermeidbare und zunehmende Aktivitätsverminderung des katalytischen Materials (die Analyse der Abgase ergibt eine zunehmende Menge an CH₄ und abnehmende Menge an CO₂).
Wenn die Wärmeleistung des zu verbrennenden Gemisches entsprechend einer Oberflächenleistung von 75 kW/m²erhöht und der Luftdurchsatz (10 m³/h) verringert wird, wird der Betrieb der Vorrichtung wieder möglich: die gemessenen Temperaturen auf der stromaufwärtigen Seite der Wand 3 liegen in der Größenordnung von 650°C, und diejenigen auf der stromabwärtigen Seite des Diffusors 11 in der Größenordnung von 780°C. Aber unter diesen neuen Bedingungen liegen die auf der Rückseite der Wand 3 bei einer maximalen Leistung gemessenen Temperaturen nahe bei 900°C, und die auf der stromabwärtigen Seite des Diffusors 11 gemessenen in der Größenordnung von 1000°C. Nach einigen Minuten ist die Isolationsfähigkeit des Diffusors 11 aus Keramikschaum zerstört. Somit erreicht die stromaufwärtige Seite des Diffusors 11 Temperaturen nahe denjenigen der stromabwärtigen Seite. Es stellt sich ein Feuerfangen in dem Brennraum 2 ein. Ein zusätzlicher Versuch mit einem Luftdurchsatz von mehr als 10 m³/h hat es nicht ermöglicht, das Feuerfangen zu vermeiden.
Eine gleiche Versuchsreihe wurde mit der selben Vorrichtung durchgeführt, die zusätzlich mit dem wie vorstehend definierten Wärmetauscher 6 zwischen dem Diffusor 11 und der Wand 6 ausgerüstet ist. Der Tauscher 6 ist so angeordnet, dass er den dazwischen liegenden Zwischenraum 7 nicht verändert. In dem durch das minimale und das maximale Niveau der Oberflächenleistung abgegrenzten Intervall ist der Betrieb der Vorrichtung mit einem Luftdurchsatz von 14 m³/h möglich. Die erfassten Temperaturwerte sind in der unten stehenden Tabelle aufgeführt. Die Temperaturen im Bereich der Wand 3 sind ausreichend, um eine vollständige katalytische Aktivität aufrechtzuerhalten. Die stromaufwärtige Seite des Diffusors 11 wird dauernd auf einem geringen Temperaturniveau gehalten, das ein gutes Funktionieren der Anordnung gewährleistet. In diesem Fall ist der Wärmeaustausch sehr wichtig, da er es ermöglicht, die Temperatur des Flusses des zu verbrennenden Gemisches von 750°C bei minimaler Leistung und von 950°C bei maximaler Leistung zu erhöhen. Darüber hinaus erweisen sich die an verschiedenen Stellen der stromabwärtigen Oberfläche der katalytischen Wand 3 gemessenen Temperaturen als quasi identisch, was somit eine gute Verteilung der Emission der Infrarotstrahlung über die gesamte Emissionsoberfläche gewährleistet. Ein zusätzlicher Versuch, bei dem die Temperatur der Versorgungsluft auf 200°C gebracht wurde, hat zu keiner Veränderung des Verhaltens der Vorrichtung in der Gesamtheit der untersuchten Funktionsweise. geführt.

Claims

Vorrichtung (1) zur Oberflächenemission von Infrarotstrahlung, mit einem Brennraum (2), der Folgendes aufweist, nämlich eine Wand (3) aus feuerfestem Material, die gemäß ihrer Dicke durchlässig ist, die für den Durchgang eines zu verbrennenden Gemischs (4) (brennbares Gas (30) plus die Verbrennung förderndes Gas (31), z. B. Luft) von ihrer stromaufwärtigen Seite (3a) zu ihrer stromabwärtigen Seite (3b) ausgelegt ist, und deren an der Innenseite ausgebildete Oberfläche mit einer für die Verbrennung katalytischen Substanz überzogen ist, und eine stromaufwärtige Kammer (5), die auf der einen Seite mit einem zu verbrennenden Gemisch gespeist wird und die auf der anderen Seite durch die Wand für die katalytische Verbrennung abgeschlossen ist, sowie einen Diffusor (11) für das zu verbrennende Gemisch, dadurch gekennzeichnet dass, der Brennraum (2) zumindest einen Wärmetauscher (6) aufweist, der stromaufwärts und quer gegenüber der Wand (3) für die katalytische Verbrennung angeordnet ist, und mit dieser Wand (3) für die katalytische Verbrennung einen dazwischenliegenden Zwischenraum (7) bildet, der durch den Wärmetauscher vom Rest der stromaufwärtigen Kammer (5) abgetrennt ist, wobei der Wärmetauscher von seiner stromabwärtigen Seite (6b) zumindest den größeren Teil der von der stromaufwärtigen Seite (3a) der Wand für die katalytische Verbrennung abgestrahlten Wärme aufnimmt und wobei der Wärmetauscher aus feuerfestem Material ebenfalls gemäß seiner Dicke durchlässig und für den Durchgang des zu verbrennenden Gemischs (4) ausgelegt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennraum (2) eine Wärmeisolationswand (8) aufweist, die stromaufwärts und gegenüber dem Wärmetauscher (6) angeordnet ist, wobei die Wärmeisolationswand aus feuerfestem Material ebenfalls gemäß ihrer Dicke durchlässig und für den Durchgang des zu verbrennenden Gemischs (4) ausgelegt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeisolationswand (8) quer in der stromaufwärtigen Kammer (5) angeordnet ist und mit dem Wärmetauscher (6) einen mittleren Zwischenraum (9) begrenzt, der durch die Wärmeisolationswand vom Rest der stromaufwärtigen Kammer getrennt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wand (3) für die katalytische Verbrennung durch eine Platte aus feuerfestem keramischem Material, die in Richtung des Durchgangs des zu verbrennenden Gemischs (4) von ihrer stromaufwärtigen Seite (3a) zu ihrer stromabwärtigen Seite (3b) von einer Vielzahl von parallelen Kanälen (10) durchzogen ist, z. B. durch eine Platte aus einem Material vom Bienenwaben-Typ gebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher (6) durch eine Platte aus keramischem feuerfestem Material, die in Richtung des Durchgangs des zu verbrennenden Gemischs (4) von ihrer stromaufwärtigen Seite (6a) zu ihrer stromabwärtigen Seite (6b) von einer Vielzahl von parallelen Kanälen (10) durchzogen ist, z. B. durch eine Platte aus einem Material vom Bienenwaben-Typ gebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher (6) durch eine Platte aus keramischem feuerfestem Material, die in Richtung des Durchgangs des zu verbrennenden Gemischs (4) von ihrer stromaufwärtigen Seite (6a) zu ihrer stromabwärtigen Seite (6b) von einer Vielzahl von parallelen Kanälen (10) durchzogen ist, z. B. durch eine Platte aus einem Material vom Bienenwaben-Typ gebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Diffusor (11) für das zu verbrennende Gemisch quer im mittleren Zwischenraum (9) angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Diffusor (11) eine für das zu verbrennende Gemisch durchlässige Folie aus feuerfestem Material, z. B. Keramik, aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die stromabwärtige Seite (6b) des Wärmetauschers (6) praktisch die gleiche Oberfläche aufweist wie die stromabwärtige abstrahlende Seite (3b) der Wand (3) für die katalytische Verbrennung.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennraum (2) in Richtung der Zirkulation des zu verbrennenden Gemischs (4) stromaufwärts der stromaufwärtigen Kammer (5) eine Kammer (12) zur Verteilung des zu verbrennenden Gemischs aufweist, die durch eine Trennwand (13) von der stromaufwärtigen Kammer abgetrennt ist, in der eine Vielzahl von Durchgängen (15) zum Entspannen des zu verbrennenden Gemischs (4) verteilt sind.