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EP0699289B1 - Warmwasserbereiter - Google Patents

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Publication number
EP0699289B1
EP0699289B1 EP94918778A EP94918778A EP0699289B1 EP 0699289 B1 EP0699289 B1 EP 0699289B1 EP 94918778 A EP94918778 A EP 94918778A EP 94918778 A EP94918778 A EP 94918778A EP 0699289 B1 EP0699289 B1 EP 0699289B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
water heater
combustion
hot water
fuel
chamber
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Lifetime
Application number
EP94918778A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP0699289A1 (de
Inventor
Konstantin Ledjeff
Jürgen GIESHOFF
Alex Schuler
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Original Assignee
Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV filed Critical Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Publication of EP0699289A1 publication Critical patent/EP0699289A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP0699289B1 publication Critical patent/EP0699289B1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Lifetime legal-status Critical Current

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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23C—METHODS OR APPARATUS FOR COMBUSTION USING FLUID FUEL OR SOLID FUEL SUSPENDED IN  A CARRIER GAS OR AIR 
    • F23C13/00—Apparatus in which combustion takes place in the presence of catalytic material
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23C—METHODS OR APPARATUS FOR COMBUSTION USING FLUID FUEL OR SOLID FUEL SUSPENDED IN  A CARRIER GAS OR AIR 
    • F23C13/00—Apparatus in which combustion takes place in the presence of catalytic material
    • F23C13/02—Apparatus in which combustion takes place in the presence of catalytic material characterised by arrangements for starting the operation, e.g. for heating the catalytic material to operating temperature
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23C—METHODS OR APPARATUS FOR COMBUSTION USING FLUID FUEL OR SOLID FUEL SUSPENDED IN  A CARRIER GAS OR AIR 
    • F23C6/00—Combustion apparatus characterised by the combination of two or more combustion chambers or combustion zones, e.g. for staged combustion
    • F23C6/04—Combustion apparatus characterised by the combination of two or more combustion chambers or combustion zones, e.g. for staged combustion in series connection
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23D—BURNERS
    • F23D11/00—Burners using a direct spraying action of liquid droplets or vaporised liquid into the combustion space
    • F23D11/005—Burners using a direct spraying action of liquid droplets or vaporised liquid into the combustion space with combinations of different spraying or vaporising means
    • F23D11/008—Burners using a direct spraying action of liquid droplets or vaporised liquid into the combustion space with combinations of different spraying or vaporising means combination of means covered by sub-groups F23D5/00 and F23D11/00
    • 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

Definitions

  • the invention relates to a water heater according to the preamble of claim 1, as e.g. is known from DE-A-33 32 572. Furthermore, the applicant's patent 42 04 320.4 also describes a water heater which has, in particular, a first advantageous combustion stage. For the rest, reference is made to this application for further understanding, in particular of the first combustion stage, and to the detailed explanations of the second combustion stage. For better clarity, the reference numbers in this application correspond in part. those of the patent 42 04 320.
  • the object of the invention is therefore according to the water heater. develop the preamble of claim 1 so that liquid fuels can be used without substantial cracking. This object is achieved by the water heater according to claim 1.
  • the invention makes it possible to thermally couple the first stage of the two-stage catalytic burner to the evaporation chamber.
  • the evaporation chamber is designed as a combustion chamber, for which purpose it has an ignition device. If necessary, e.g. a bypass of the feed for the liquid fuel.
  • the water heater has a supply of primary air to the combustion chamber for this purpose.
  • the fuel is supplied in isolation so that the fuel reaches the evaporation space without cracking.
  • the evaporation chamber can be rotationally symmetrical and to allow it to rotate, since the fuel is then pressed against the wall and comes into better contact with the wall there, which is on the rear side of the first combustion stage as a result of the reaction of the combustion gas. Air mixture is heated on the catalyst layer.
  • the subject of the application is a two-stage catalytic burner for liquid fuels and their mixtures with internal evaporation or gasification.
  • the fuel In the interior of the burner, the fuel is vaporized or gasified, possibly with an air supply (primary air). The energy required for this is provided by the heat of combustion.
  • the fuel gas / air mixture (with added secondary air, which can be the sole air supply after the start phase) flows over a catalytic surface and reacts there to approx. 80 - 85%.
  • the reaction temperatures are around 800 - 900 ° C. Radiation, heat conduction and convection emit heat to the cooling medium and the evaporation zone.
  • the second stage the remaining fuel is converted in a monolith catalyst.
  • the narrow channels ensure good mass transport and thus a high power density. This means that temperatures of approx. 1000 ° C are reached, which enable complete conversion. Part of the heat for preheating the primary air can be extracted from the monolith, which e.g. is advantageous for intermittent operation.
  • the catalytic burner (Fig. 1) consists of two stages 16, 20.
  • the first stage consists of a metal tube 31 or ceramic tube coated on the outside with catalyst 13. This catalyst tube is surrounded by a ceramic or metal tube and a cooling jacket, so that a gas gap is formed between the catalyst tube and the ceramic tube 11.
  • the mixture of vaporized, gaseous fuel and air flows in this gas gap and reacts on the catalyzed surface of the tube 31.
  • the second stage which is arranged above the first, consists of a ceramic honeycomb structure (monolith), which is coated with catalyst.
  • the exhaust gas from the first stage with the remaining fuel flows through this monolith and reacts completely.
  • the supply line for the primary air and the liquid fuel mixture is arranged centrally in the monolith.
  • Two concentrically arranged pipes 8 and 41 which are passed through the monolith from above, form the feed line for the liquid fuel and the primary air.
  • the primary air which is preheated by the adjacent monolith, flows in the outer tube 41.
  • the liquid fuel flows in the inner tube. This is only slightly preheated, since the gas gap between this pipe and the monolith has an insulating effect, so that no evaporation or cracking can occur in the feed pipe.
  • These concentric tubes end at the top of the first burner stage.
  • the liquid fuel is finely atomized by means of a nozzle 42 and introduced into the interior of the catalyst tube of the first burner stage, which thus forms the evaporation chamber 40 or combustion chamber.
  • the concentrically supplied primary air which has been preheated by the monolith, also flows into the interior of the catalytic converter tube through holes drilled in a ring around the fuel feed line.
  • a high proportion of primary air ensures that the liquid fuel can be evaporated far below its boiling temperature.
  • the addition of primary air can be switched off after the start phase.
  • the fine atomization of the fuel achieves a large evaporation surface and good mass transfer numbers through the flow of the primary air.
  • the evaporation energy is provided by the heat of the preheated air and by the supply of heat (heat conduction, convection and radiation) from the catalytic tube.
  • the fuel gas / air mixture flows downwards inside the evaporation chamber or burner chamber.
  • a cone 45 built on the bottom of the burner guides the gas at the lower end of the catalyst tube into the annular gap between the ceramic and catalyst tube.
  • the secondary air is added, which flows directly into the ring gas gap from below.
  • the cone has two main functions. Its task is to allow the fuel gas / air mixture to flow evenly into the annular gap. Without this cone, dead space areas could easily form on the bottom of the burner, from which crack products, for example, could collect. Another important point is that the cone is emitted by the radiation from the evaporation space (rear of the catalyst room) is heated. This can prevent parts of the fuel from condensing out again at the bottom of the burner or when deflected into the gas gap.
  • the entire burner is started by igniting a flame in the evaporation chamber.
  • the primary air flow is so large that complete combustion is guaranteed.
  • the flame heats the inside of the catalytic converter tube through radiation, heat conduction and convection.
  • the hot exhaust gases flow downwards, are led through the cone at the bottom into the gas gap and flow through this upwards and through the honeycomb.
  • the hot exhaust gas gives off the heat and thus heats the burner with the honeycomb. If the burner has reached a temperature level at which the catalytic reaction can proceed at a correspondingly high reaction rate (approx. 600 ° C), the flame is switched off. This can be done by briefly switching off the primary air and / or the fuel supply.
  • Crack products formed, which are deposited on the hot inside of the catalyst tube, can be eliminated by igniting a flame in the interior of the catalyst tube at certain time intervals. This flame is operated with excess air so that the cracked products can be burned out on the surfaces.
  • FIG. 3 shows a burner in which a highly porous structure 43 is attached to the inside of the catalyst tube.
  • This structure means that some of the injected fuel drops, especially the larger ones, are deposited on the porous body and thus do not come into contact with the hot wall of the catalyst tube. Because the temperatures are kept low there can be no cracking.
  • the porous structure can consist of ceramic or metal and can be configured as a cuboid, cylinder or also as a tube. The structure can also be coated with catalyst material to accelerate the evaporation reaction.
  • the first stage of the two-stage catalytic burner is thermally coupled to the evaporation chamber.
  • the evaporation chamber also serves as a combustion chamber for preheating.
  • the thermal coupling between the first catalyst stage and the evaporation chamber enables a heat flow from this space, which is then the combustion chamber, to the first catalyst stage and, in the case of catalytic burner operation, conversely a heat flow from the first catalyst stage to the evaporation chamber in order to provide the required enthalpy of vaporization there.
  • the basic structure of the burner according to the invention is not limited to the tube geometry outlined, but can also be transferred to rectangular channels or plate-shaped arrangements.
  • the water heater can advantageously also be used to heat warm air or another fluid to be heated.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Warmwasserbereiter mit einem Einlaß (8) für flüssige Brennstoffe, mehreren Einlässen (41, 46) für Frischluft, einem Einlaß für ein aufzuheizendes Fluid (2), mindestens zwei von dem Brennstoff-Luft-Gemisch durchströmten Verbrennungsstufen (16, 20) mit katalytischen Brennkammern, die zumindest teilweise von mindestens einer mit dem Fluid (2) gefülten Fluidkammer (4) umgeben sind und mit einem Abgaswärmetauscher für das zu erwärmende Fluid (2), der von dem aus den Brennkammern entweichenden Abgas durchströmt ist, wobei die erste Verbrennungsstufe (16) einen Verdampfungsraum (40) aufweist, der auf der Außenseite seiner Berandung (31) mindestens teilweise die Katalysatorschicht (13) aufweist.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Warmwasserbereiter gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, wie er z.B. aus der DE-A-33 32 572 bekannt ist. Weiterhin wird in dem Patent 42 04 320.4 der Anmelderin ebenfalls ein Warmwasserbereiter beschrieben, der insbesondere eine erste vorteilhafte Verbrennungsstufe aufweist. Im übrigen wird auf diese Anmeldung Bezug genommen zum weiteren Verständnis insbesondere der ersten Verbrennungsstufe sowie auf die ausführlichen Darlegungen zur zweiten Verbrennungsstufe. Zur besseren Übersichtlichkeit entsprechen die Bezugszeichen dieser Anmeldung z.T. denen des Patentes 42 04 320.
    • 1. Einleitung
  • Bei der Verbrennung von fossilen Energieträgern entstehen außer dem Treibhausgas Kohlendioxid noch weitere Schadstoffe wie Schwefeldioxid und Stickoxide. Bei herkömmlichen Flammenbrennern sind die Reduzierungsmöglichkeiten, hauptsächlich der Stickoxide, durch die Flammenstabilität und die Bildung von Kohlenmonoxid eingeschränkt. Eine deutliche Reduzierung der Stickoxidemissionen ist bei der flammenlosen Verbrennung an Oxidationskatalysatoren (z.B. Pt) durch die niedrige Reaktionstemperatur zu erreichen. Katalytische Brenner bieten weiterhin den Vorteil, daß Mischungen aus Brennstoffen mit unterschiedlicher Energiedichte in einem weiten Bereich des Mischungsverhältnisses stabil umgesetzt werden können.
    • 2. Stand der Technik
  • Brenner für Benzin, Diesel oder z.B. Methanol sind heute nur als herkömmliche Flammenbrenner erhältlich. Aufgrund der hohen Reaktionstemperatur (Flammentemperatur) haben solche Brenner hohe Stickoxidemissionen. Es gibt Möglichkeiten auch bei solchen Brennern die Emissionen zu reduzieren, z.B. Flammenkühlung oder Änderung der Luftzahl, dies führt jedoch dazu, daß die Flammenstabilität abnimmt und die Kohlenmonoxidemissionen zunehmen.
  • Dieser Stand der Technik hat den Nachteil, daß er nicht besonders für flüssige Treibstoffe geeignet ist. Aufgabe der Erfindung ist es daher, den Warmwasserbereiter gem. dem Oberbegriff des Anspruchs 1 so weiterzubilden, daß flüssige Brennstoffe ohne wesentliches Cracken verwendet werden können. Diese Aufgabe wird durch den Warmwasserbereiter nach Anspruch 1 gelöst. Durch die Erfindung ist es möglich, die erste Stufe des zweistufigen katalytischen Brenners thermisch an den Verdampfungsraum anzukoppeln.
  • Eine vorteilhafte Weiterbildung für den katalytischen Spaltbrenner ist in Anspruch 2 beschrieben.
  • Gemäß Anspruch 3 ist der Verdampfungsraum als Brennkammer ausgebildet, wozu sie eine Zündeinrichtung aufweist. Als Zündflamme kann ggf. z.B. ein Bypass der Zuführung für den flüssigen Brennstoff dienen. Außerdem weist der Warmwasserbereiter zu diesem Zweck eine Zufuhr von Primärluft zum Verbrennungsraum auf.
  • Gemäß Anspruch 4 wird der Brennstoff isoliert zugeführt, damit der Brennstoff ohne zu cracken in den Verdampfungsraum gelangt.
  • Weiterhin ist es vorteilhaft, zur Zerstäubung des Brennstoffs eine Düse oder andere Einrichtungen vorzusehen (Anspruch 5).
  • Es kann vorteilhaft sein, einen Teil des Abgases aus der ersten Stufe in den Verdampfungsraum zurückzuführen, da dann der flüssige Brennstoff leichter verdampft wird und das beim Verbrennungsvorgang entstehende Wasser bzw. Wasserdampf ebenfalls mögliche Crackreaktionen minimiert.
  • Gemäß Anspruch 8 kann es vorteilhaft sein, Einrichtungen zur Lenkung des Gasstromes im Verdampfungsraum vorzusehen, insbesondere können diese Einrichtungen thermisch isoliert sein, wenn sie nicht von der ersten Verbrennungsstufe beheizt sind.
  • Weiterhin kann es von Vorteil sein, den Verdampfungsraum rotationssymmetrisch auszubilden und ihn rotieren zu lassen, da dann der Brennstoff an die Wand gedrückt wird und dort im besseren Kontakt mit der Wand kommt, die auf der Rückseite von der ersten Verbrennungsstufe infolge der Umsetzungsreaktion des Brenngas-Luftgemisches an der Katalysatorschicht beheizt wird.
    • 3. Beschreibung von Ausführungsbeispielen
  • Gegenstand der Anmeldung ist ein zweistufiger katalytischer Brenner für flüssige Brennstoffe und deren Gemische mit interner Verdampfung bzw. Vergasung. Im Innenraum des Brenners wird der Brennstoff, eventuell unter Luftzufuhr (Primärluft), verdampft bzw. vergast. Die dafür notwendige Energie wird durch die Verbrennungswärme bereitgestellt. Das Brenngas/Luft-Gemisch (mit zugegebener Sekundärluft, die nach der Startphase die alleinige Luftzufuhr sein kann) überströmt eine katalytische Fläche und reagiert dort zu ca. 80 - 85 % ab. Die Reaktionstemperaturen liegen bei ca. 800 - 900°C. Über Strahlung, Wärmeleitung und Konvektion wird Wärme an das Kühlmedium und an die Verdampfungszone abgegeben. In der zweiten Stufe wird in einem Monolith-Katalysator der restliche Brennstoff umgesetzt. Durch die engen Kanäle wird ein guter Stofftransport und somit eine hohe Leistungsdichte erreicht. Damit werden Temperaturen von ca. 1000°C erreicht, welche einen vollständigen Umsatz ermöglichen. Aus dem Monolith kann ein Teil der Wärme zur Vorheizung der Primärluft abgezogen werden, was z.B. bei intermittierendem Betrieb von Vorteil ist.
    • Beschreibung:
  • Der katalytische Brenner (Bild 1) besteht aus zwei Stufen 16,20. Die erste Stufe besteht aus einem an der Außenseite mit Katalysator 13 beschichteten Metallrohr 31 oder auch Keramikrohr. Dieses Katalysatorrohr wird von einem Keramik- oder Metallrohr und einem Kühlmantel umgeben, so daß zwischen dem Katalysatorrohr und dem Keramikrohr 11 ein Gasspalt entsteht. In diesem Gasspalt strömt das Gemisch aus verdampftem, gasförmigem Brennstoff und Luft und reagiert an der katalysierten Oberfläche des Rohrs 31. Die zweite Stufe, die oberhalb der ersten angeordnet ist, besteht aus einer keramischen Wabenstruktur (Monolith), die mit Katalysator beschichtet wird. Das Abgas aus der ersten Stufe mit dem verbliebenen Restbrennstoff strömt durch diesen Monolith und reagiert dabei vollständig ab. Zentrisch in dem Monolith ist die Zuleitung der Primärluft und des flüssigen Brennstoffgemischs angeordnet.
  • Zwei konzentrisch angeordnete Rohre 8 und 41, die von oben durch den Monolithen durchgeführt sind, bilden die Zuleitung des flüssigen Brennstoffs und der Primärluft. Im äußeren Rohr 41 strömt die Primärluft, die durch den angrenzenden Monolithen vorgewärmt wird. Im inneren Rohr fließt der flüssige Brennstoff. Dieses wird nur leicht vorgewärmt, da der Gasspalt zwischen diesem Rohr und dem Monolith isolierend wirkt, so daß im Zuleitungsrohr kein Verdampfen oder Cracken eintreten kann. Diese konzentrischen Rohre enden in Höhe der Oberkante der ersten Brennerstufe. Der flüssige Brennstoff wird mittels einer Düse 42 fein zerstäubt in das Innere des Katalyserohrs der ersten Brennerstufe eingebracht, die so den Verdampfungsraum 40 bzw. Brennkammer bildet. Die konzentrisch zugeführte Primärluft, die durch den Monolithen vorgewärmt wurde, strömt durch ringförmig um die Brennstoffzuleitung angebrachte Bohrungen ebenfalls in das Innere des Katalyserohrs. Durch einen hohen Anteil an Primärluft wird erreicht, daß der flüssige Brennstoff weit unterhalb seiner Siedetemperatur verdampft werden kann. Die Zugabe von Primärluft kann im günstigen Fall nach der Startphase abgeschaltet werden. Weiterhin wird durch die feine Zerstäubung des Brennstoffs eine große Verdunstungsoberfläche und durch die Strömung der Primärluft gute Stoffaustauschzahlen erreicht. Die Verdunstungsenergie wird durch die Wärme der vorgeheizten Luft und durch die Wärmezufuhr (Wärmeleitung, Konvektion und Strahlung) von dem Katalyserohr bereitgestellt.
  • Das Brenngas/Luft-Gemisch strömt im Inneren des Verdampfungsraumes bzw. Brennerraumes nach unten. Ein auf dem Boden des Brenners aufgebauter Kegel 45 leitet das Gas am unteren Ende des Katalysatorrohrs in den Ringspalt zwischen Keramik- und Katalysatorrohr. An dieser Stelle wird die Sekundärluft zugegeben, die direkt von unten in den Ringgasspalt einströmt. Der Kegel hat im wesentlichen zwei Funktionen. Er hat die Aufgabe, das Brenngas /Luft-Gemisch gleichmäßig in den Ringspalt einströmen zu lassen. Ohne diesen Kegel könnten sich leicht Totraumgebiete am Boden des Brenners bilden, an denen sich z.B. evtl. anfallende Crack-Produkte sammeln könnten. Ein weiterer wesentlicher Punkt ist, daß der Kegel durch die Abstrahlung des Verdampfungsraumes (Rückseite des Katalysator raumes) erwärmt wird. Dadurch kann verhindert werden, daß am Boden des Brenners oder bei der Umlenkung in den Gasspalt Teile des Brennstoffs wieder auskondensieren können.
  • Das Brenngas/Luft-Gemisch mit der zugegebenen Sekundärluft strömt im Ringspalt zwischen Keramik- und Katalysatorrohr nach oben. Dabei reagiert ein Teil des Brennstoffs an der katalytischen Oberfläche ab. Die dabei frei werdende Energie verteilt sich wie folgt:
    • 1. das Katalysatorrohr wird aufgeheizt bzw. auf der Reaktionstemperatur gehalten
    • 2. das Reaktionsgas wird aufgeheizt
    • 3. es wird Wärme an das Innere des Katalysatorrohrs abgegeben; diese wird zur Verdampfung des flüssigen Brennstoffgemisches benötigt; die Wärme wird durch Konvektion, Wärmeleitung und Strahlung übertragen
    • 4. vom Katalysatorrohr wird ebenfalls durch Konvektion, Wärmeleitung und Strahlung Wärme an das Keramikrohr abgegeben; von dort wird die Wärme durch Wärmeleitung weiter nach außen an den mit Kühlmedium (Wasser, Luft) durchflossenen Doppelmantel abgegeben.
      Das Katalysatorrohr hat eine Temperatur von ca. 700-900°C. In dieser ersten Stufe werden ca. 80% des Brennstoffs umgesetzt.
  • Aus dem Ringspalt der ersten Stufe strömt das Gasgemisch nach oben in den erweiterten Raum unterhalb der mit Katalysator (z.B. Pt) beschichteten Wabe. Die Querschnittserweiterung führt zu einer Verlangsamung der Strömungsgeschwindigkeit und zu einer nochmaligen gründlichen Durchmischung vor der zweiten Brennerstufe. Das Gas strömt nun durch die engen Kanäle der Katalysatorwabe, wobei der verbliebene Brennstoff vollständig umgesetzt wird. Der gute Umsatz in dieser zweiten Stufe kommt durch folgende Gegebenheiten zustande:
    • 1. der Stofftransport zum Katalysator ist aufgrund der engen Kanäle sehr gut
    • 2. durch die geringen Wärmeverluste aus der Wabe und die Wärmeproduktion aufgrund der Reaktion erreicht die Wabe Temperaturen von ca. 900-1000°C; die Reaktionsgeschwindigkeit ist bei dieser Temperatur so hoch, daß bei der relativ großen Verweilzeit (niedrige Strömungsgeschwindigkeit) der Brennstoff vollständig umgesetzt werden kann. Obwohl durch die schlechte Wärmeleitfähigkeit des keramischen Monolithen nur sehr wenig Wärme abgeführt wird, kann damit doch die Primärluft, deren Zufuhr im Zentrum der Wabe angebracht ist, ein we nig vorgeheizt werden. All zu hoch darf die Vorheiztemperatur der Primärluft ohnedies nicht sein, da sonst beim Zusammentreffen mit dem verdüsten Brennstoff Crackreaktionen auftreten könnten.
      Die Abluft aus der zweiten Verbrennungsstufe wird dann in einem (nicht dargestellten) Wärmetauscher benutzt, das in der ersten Verbrennungsstufe erwärmte Wasser bzw. Fluid 2 weiter zu erwärmen.
  • Der Start des gesamten Brenners erfolgt dadurch, daß im Verdampfungsraum eine Flamme entzündet wird. Der Primärluftstrom ist dabei so groß, daß eine vollständige Verbrennung gewährleistet ist. Die Flamme erhitzt durch Strahlung, Wärmeleitung und Konvektion das Katalysatorrohr von Innen. Die heißen Abgase strömen nach unten, werden durch den Kegel am Boden in den Gasspalt geleitet und strömen durch diesen nach oben und durch die Wabe. Dabei gibt das heiße Abgas die Wärme ab und heizt somit den Brenner mit der Wabe auf. Hat der Brenner ein Temperaturniveau erreicht, bei dem die katalytische Reaktion mit entsprechend großer Reaktionsgeschwindigkeit ablaufen kann (ca. 600° C), dann wird die Flamme abgeschaltet. Dies kann erfolgen durch ein kurzfristiges Abschalten der Primärluft und/oder der Brennstoffzufuhr.
  • Evtl. entstandene Crackprodukte, die sich an der heißen Innenseite des Katalysatorrohrs abscheiden, können dadurch beseitigt werden, daß in gewissen Zeitabständen im Innenraum des Katalysatorrohrs eine Flamme gezündet wird. Diese Flamme wird mit Luftüberschuß betrieben, so daß die Crackprodukte an den Oberflächen ausgebrannt werden können.
  • In Bild 2 ist der gleiche Brenner nochmal dargestellt, jedoch sind hier Öffnungen 44 vom Gasraum zwischen erster und zweiter Stufe zum Inneren des Katalysatorrohrs (Verdampfungsraum) angebracht. Diese Öffnungen, die als Düsen ausgestaltet sein können, bewirken, daß ein Teil des Abgases aus der ersten Brennerstufe durch den Verdampfungsraum rezirkulieren kann. Dies bringt folgende Vorteile:
    • 1. durch seitliche Zuströmung bzw. Ansaugung des Abgases aus der ersten Stufe erfolgt eine gute Durchmischung und weitere Verdünnung des Brennstoff/Luft-Gemisches im Inneren des Katalysatorrohrs; dies führt zu einer schnelleren Verdampfung
    • 2. das heiße Abgas bringt zusätzliche, für die Verdampfung benötigte Wärme in den Verdampferraum
    • 3. der im rezirkulierten Abgas vorhandene Wasserdampf aus der Verbrennung bewirkt, daß Teile des Brennstoffes zu Kohlenmonoxid bzw. Kohlendioxid und Wasserstoff reformiert werden, und somit evtl. auftretende Crackreaktionen minimiert werden können
    • 4. bei ausreichender Rezirkulation des Abgases kann auf die Primärluft verzichtet werden.
  • In Bild 3 ist ein Brenner dargestellt, bei dem im Inneren des Katalysatorrohrs eine hochporöse Struktur 43 angebracht ist. Diese Struktur bewirkt, daß ein Teil der eingedüsten Brennstoff-Tropfen, besonders die größeren, auf dem porösen Körper abgeschieden werden und somit nicht mit der heißen Wand des Katalysatorrohrs in Berührung kommen. Dadurch, daß die Temperaturen dort niedrig gehalten werden, kann kein Cracken auftreten. Die poröse Struktur kann aus Keramik oder Metall bestehen und als Quader, Zylinder oder auch als Rohr ausgestaltet sein. Die Struktur kann auch mit Katalysatormaterial beschichtet sein, um die Verdampfungsreaktion zu beschleunigen.
  • Erfindungsgemäß wird die erste Stufe des zweistufigen katalytischen Brenners thermisch an den Verdampfungsraum angekoppelt. Der Verdampfungsraum dient gleichzeitig als Brennkammer für die Vorheizung. Die thermische Kopplung zwischen der ersten Katalysatorstufe und Verdampfungsraum ermöglicht während der Startphase einen Wärmestrom aus diesem Raum, der dann Brennraum ist, zu der ersten Katalysatorstufe und bei katalytischem Brennerbetrieb umgekehrt einen Wärmestrom von der ersten Katalysatorstufe zum Verdampfungsraum, um dort die erforderliche Verdampfungsenthalpie bereitzustellen.
  • Der prinzipielle Aufbau des erfindungsgemäßen Brenners ist nicht auf die skizzierte Rohrgeometrie beschränkt, sondern auch auf rechteckige Kanäle oder plattenförmigen Anordnungen übertragbar.
  • Der Warmwasserbereiter kann vorteilhafterweise auch zur Erwärmung von Warmluft oder eines anderen zu erheizenden Fluids verwendet werden.

Claims (9)

  1. Warmwasserbereiter mit einem Einlaß (8) für flüssige Brennstoffe, mehreren Einlässen (41, 46) für Frischluft, einem Einlaß für ein aufzuheizendes Fluid (2), mindestens zwei von dem Brennstoff-Luft-Gemisch durchströmten Verbrennungsstufen (16, 20) mit katalytischen Brennkammem, die zumindest teilweise von mindestens einer mit dem Fluid (2) gefüllten Fluidkammer (4) umgeben sind und mit einem Abgaswärmetauscher für das zu erwärmende Fluid (2), der von dem aus den Brennkammern entweichenden Abgas durchströmt ist,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß die erste Verbrennungsstufe (16) einen Verdampfungsraum (40) aufweist, der auf der Außenseite seiner Berandung (31) mindestens teilweise die Katalysatorschicht (13) der katalytischen Brennkammer (11) der ersten Verbrennungsstufe (16) aufweist.
  2. Warmwasserbereiter nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß die erste katalytische Brennkammer (11) der ersten Verbrennungsstufe (16) als ein katalytischer Spaltbrenner (11) ausgebildet ist.
  3. Warmwasserbereiter nach den Ansprüchen 1 - 2,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß der Verdampfungsraum (40) als Brennkammer zum Starten des Warmwasserbereiters ausgebildet ist und eine Zufuhr (41) für Primärluft und eine Zündeinrichtung mit ggf. eigener Zuleitung für Brenngas bzw. beheizter Zuleitung für den flüssigen Brennstoff aufweist.
  4. Warmwasserbereiter nach den Ansprüchen 1 - 3,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß die Brennstoffzufuhr in den Verdampfungsraum thermisch isoliert ausgebildet ist.
  5. Warmwasserbereiter nach den Ansprüchen 1 - 4,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß eine Düse (42) z.B. Piezokristalle, poröse Keramik oder Verwirbelungsdüse, und/oder eine poröse Struktur (43) zur Zerstäubung und/oder Verdampfung des Brennstoffes vorgesehen sind.
  6. Warmwasserbereiter nach den Ansprüchen 1 - 5,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß eine Öffnung (44) zur Abgasrezirkulation aus dem Ausgang der ersten Verbrennungsstufe in den Verdampfungsraum vorgesehen ist.
  7. Warmwasserbereiter nach den Ansprüchen 1 - 6,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß im Verbrennungsraum eine Einrichtung (45) zur Lenkung des Gasstroms vorgesehen ist.
  8. Warmwasserbereiter nach den Ansprüchen 1 - 7,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß der Verbrennungsraum bewegbar, z.B. rotierbar ausgebildet ist.
  9. Warmwasserbereiter nach den Ansprüchen 1 - 8,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß die Berandung (31) des Verdampfungsraums (40) ein Zylinder ist, der auf der äußeren Mantelfläche mindestens teilweise die Katalysatorschicht (13) aufweist.
EP94918778A 1993-05-26 1994-05-24 Warmwasserbereiter Expired - Lifetime EP0699289B1 (de)

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