DE69528513T2

DE69528513T2 - Verbrennungsgerät

Info

Publication number: DE69528513T2
Application number: DE69528513T
Authority: DE
Inventors: Masato Hosaka; Akira Maenishi; Jiro Suzuki; Yutaka Yoshida
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1994-12-06
Filing date: 1995-12-05
Publication date: 2003-02-13
Anticipated expiration: 2015-12-06
Also published as: DE69528513D1; US5938427A; EP0716263B1; EP0716263A2; EP0716263A3

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Verbrennungsvorrichtung zur Verwendung in einem Heizsystem, in einem Heißwasserversorgungssystem, in einem Klimatisierungssystem, in einer tragbaren Heizeinrichtung und einer anderen Ausrüstung, bei der gasförmiger Brennstoff, wie natürliches Gas und Propangas, oder flüssiger Brennstoff, wie beispielsweise Kerosin und leichtes Öl, verbrannt werden, um eine Wärmequelle zu schaffen. Eine katalytische Verbrennung ist ein Verfahren zum Verbrennen einer Brennstoff-Luft- Mischung unter Verwendung eines Katalystors mit einer Platinlegierung, die durch einen solchen keramischen Träger, wie beispielsweise eine Wabenstruktur und Fasern, getragen wird.
Ein Katalysator, verwendet für eine Verbrennung, besitzt eine selektive Adsorption in Bezug auf Sauerstoff und Wasserstoff und ermöglicht ihnen, miteinander auf eine Oberfläche des Katalysators zu reagieren. In einer solchen Operation wird, da sich der Katalysator bei einer Temperatur niedriger als diejenige befindet, die durch eine Flammenverbrennung eines identischen Gases erhalten wird, nahezu kein NOx erzeugt. Es ist allerdings ein Problem, dass die Temperatur eines Katalysators auf 1200ºC oder eine höhere Temperatur erhöht wird, wenn eine Verbrennungsvorrichtung, die einen Katalysator verwendet, bei einer Verbrennungsbelastung (Intensität einer Verbrennung in Bezug auf ein Volumen einer Verbrennungskammer) identisch zu derjenigen einer Flammenverbrennungsvorrichtung, betrieben wird, und eine Lebensdauer des Katalysators im Hinblick auf eine Wärmebeständigkeit wird wesentlich reduziert. Es ist deshalb erforderlich, den Katalysator bei einer Temperatur niedriger als eine kritische Temperatur eines Wärmewiderstands davon unter Verwendung einer Einrichtung zum Verringern der Verbrennungsbelastung und zum Erhöhen der Größe einer Verbrennungskammer oder durch Einsetzen einer Einrichtung zum Erhöhen des Überfluss-Luft-Verhältnisses in einer Brennstoff-Luft-Mischung zu erhöhen und die Verbrennungstemperatur zu reduzieren.
Eine Flammenverbrennung wird bei einem Überschuss-Luft-Verhältnis von 1 zu 2 erreicht. Andererseits wird eine katalytische Verbrennung bei einem Überschussluftverhältnis von 1 zu 5 erreicht, und dies ermöglicht deshalb die Verwendung einer mageren Brennstoff-Luft- Mischung. Allerdings ist es ein Problem, dass eine thermische Effektivität beträchtlich herabgesetzt wird, wenn eine magerere Brennstoff-Luft-Mischung eingesetzt wird. Dies bedeutet, dass eine Differenz in der Temperatur zwischen einem Wärmeaustauscher und einer Verbrennungsabluft reduziert wird, da eine Verbrennungstemperatur niedriger bei einer niedrigeren Konzentration eines Brennstoffs ist, und eine Rate einer Wärmeübertragung reduziert wird. Demzufolge ist, um eine höhere Wärmeeffektivität zu erhalten, ein Wärmeaustauscher einer größeren Größe erforderlich, und es ist deshalb schwierig, eine kompakte, katalytische Verbrennungsvorrichtung zu schaffen, die eine hohe Verbrennungsfähigkeit besitzt.
Zusätzlich ist es, bei einer katalytischen Verbrennung, obwohl es erforderlich ist, zuvor die Luft mit einem Brennstoff zu mischen, um eine Reaktion zu bewirken, ein Problem, wenn ein flüssiger Brennstoff eingesetzt wird, dahingehend, dass eine höhere Wärme zum Verdampfen des Brennstoffs erforderlich ist. In einer herkömmlichen Verbrennungsvorrichtung für flüssigen Brennstoff eines Verdampfungstyps, der das flammenverbrennungsvenfahren verwendet, ist, obwohl eine Verdampfungseinheit durch eine elektrische Heizeinrichtung nur bei einer Anfangsstufe der Verbrennung verdampft wird, ein Verbrauch einer elektrischen Leistung niedrig, da sie durch Aufbringen einer Flamme auf einen Teil der Verdampfungseinheit während eines stationären Brennens erwärmt wird. In dem Fall einer herkömmlichen Verbrennungsvorrichtung, die das katalytische Verbrennungsverfahren verwendet, ist es allerdings ein Problem, dass eine elektrische Energiezufuhr für eine Verdampfungswärme gerade in einem stationären Zustand erforderlich ist, da keine Flamme gebildet wird, was zu einem zusätzlichen Energieverbrauch führt.
Eine Verbrennungsvorrichtung, die eine Einheit zum Vorbereiten einer Brennstoff-Luft- Mischung und eine erste und eine zweite, katalytische Verbrennungskammer besitzt, ist aus der DE 43 17 443 A1 bekannt. Eine Verbrennungsvorrichtung, die eine katalytische Verbrennungskammer besitzt, versehen mit einer Finne, ist aus der EP 0 570 933 A1 bekannt.
Im Hinblick auf die vorstehenden Probleme, die einer herkömmlichen Verbrennungsvorrichtung zugeordnet sind, ist es eine Aufgabe der Erfindung, eine Verbrennungsvorrichtung zu schaffen, die die Erzeugung von NOx minimiert.
Es ist eine andere Aufgabe der Erfindung, eine Verbrennungsvorrichtung zu schaffen, die einen Katalysator verwendet und die zum Beseitigen des Problems der wesentlichen Verringerung einer Lebensdauer des Katalysator im Hinblick auf eine Wärmebeständigkeit geeignet ist.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine Verbrennungsvorrichtung zu schaffen, die einen Katalysator verwendet und eine Reduktion der Größe davon ermöglicht.
Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, eine Verbrennungsvorrichtung zu schaffen, die einen Katalysator verwendet, die nicht eine Erhöhung des Überflusses eines Luftverhältnisses für eine Brennstoff-Luft-Mischung erfordert und die eine hohe Verbrennungsfähigkeit im Hinblick auf eine kleine Größe davon besitzt.
Es ist eine zusätzliche Aufgabe der Erfindung, eine Verbrennungsvorrichtung zu schaffen, die keinen unangenehmen Geruch und dergleichen liefert, da nicht verbranntes Gas an einer Anfangsstufe der Verbrennung freigesetzt wird.
Es ist noch eine Aufgabe der Erfindung, eine Verbrennungsvorrichtung zu schaffen, die keine elektrische Energieversorgung für Verdampfungswärme, gerade in einem stationären Zustand, erfordert.
Gemäß der Erfindung werden diese Aufgaben mit einer Verbrennungsvorrichtung gelöst, die die Merkmale von Anspruch 1 besitzt. Ausführungsformen der Vorrichtung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Gemäß der Erfindung wird eine Verbrennungsvorrichtung, die ein erstes, katalytisches Verbrennungselement in der Form eines Wärmeaustauschers, ausgerichtet in Reihe zu einem zweiten, katalytischen Verbrennungselement, das einen großen, geometrischen Oberflächenbereich besitzt, der durch die Form einer Wabenkonstruktion dargestellt werden kann, aufweist, geschaffen, zum Lösen der Probleme, die Wärmewiderstandseigenschaften eines Katalysators und einer Verbrennungsbelastung bei der katalytischen Verbrennung zugeordnet sind. Das erste, katalytische Verbrennungselement macht Gebrauch von einer katalytischen Verbrennung mit einer hohen Wärmeübertragungseigenschaft und ist als ein Wärmeaustauscher mit einem Katalystor ausgebildet, vorgesehen in Wärme aufnehmenden Finnen. Gerade wenn ein großes Volumen einer Mischung mit hoher Konzentration an dem Katalystor verbrannt wird, kann Wärme, erzeugt durch die Verbrennung, ausgetauscht und entfernt wird, wobei eine Verschlechterung des Katalystors aufgrund einer hohen Temperatur vermieden wird. Ein Teil des Brennstoffs wird an dem ersten katalytischen Verbrennungselement verbrannt, wobei Wärme, die sich aus der Verbrennung ergibt, davon entfernt wird, und der verbleibende Brennstoff wird an einem zweiten Katalystor, angeordnet ausströmseitig in der Strömungsrichtung, verbrannt. Um die Temperatur des zweiten Katalystors oberhalb einer Temperatur anzuheben, die ausreichend ist, um eine Reaktion des Katalysators zu bewirken, wird der Brennstoff gemeinsam zwischen dem ersten und dem zweiten Katalystor zur Verbrennung geteilt, ohne dass er vollständig an dem ersten Katalystor verbrannt wird.
Deshalb ist der erste Katalystor ein Katalysatorträger, der eine hohe thermische Leitfähigkeit besitzt, und die weit voneinander beabstandet sind, während der zweite Katalystor ein Katalysatorträger eines großen, geometrischen Oberflächenbereichs ist, das bedeutet gering voneinander beabstandet.
Nun wird eine Betriebsweise des ersten Katalystors, erreicht unter Nutzung einer hohen, thermischen Leitfähigkeit einer katalytischen Verbrennung gemäß der Erfindung, beschrieben. In einer herkömmlichen Flammenverbrennungsvorrichtung verursachen Moleküle eines Abgases bei einer hohen Temperatur eine Oszillation von Metallatomen eines Wärmeaustauschers, und leiten Wärme. Da Moleküle, freigegeben von einer solchen Oszillation, in einer Metalloberfläche akkumuliert werden, und behindern, dass Wärme übertragen wird, ist eine Wärmeaustauscheinheit, die einen großen Oberflächenbereich besitzt, erforderlich gewesen. Im Gegensatz dazu adsorbiert, in dem ersten Katalystor, eingesetzt in einer Verbrennungsvorrichtung der Erfindung, da eine Wärmeaustauscheinheit direkt durch den Katalystor abgedeckt ist, ein gasförmiger Brennstoff den Katalysator, und erzeugt Wärme, wobei die Wärme direkt eine thermische Oszillation der Atome in einer Katalysatorschicht bewirkt, und die Oszillation wird auf Atome eines Metalls geleitet, das den Wärmeaustauscher bildet, was zu einer Wärmeübertragung führt. Deshalb befindet sich, gerade in dem Fall einer Verbrennung, die bei einer hohen Intensität in einem kleinen Bereich stattfindet, aufgrund eines Kühleffekts der Wärmeübertragung, der Katalysator bei einer Temperatur von 900ºC oder niedriger. Zusätzlich wird eine Verbrennungseinheit mit einer Wärmeaustauscheinheit integriert, was zur Verringerung der Größe der Vorrichtung führt.
Wenn ein Brennstoff teilweise an dem ersten Katalystor verbrannt wird, wird keine Flamme ausströmseitig davon gebildet. Dann findet eine katalytische Verbrennung, die ermöglicht, dass eine magere Mischung verbrannt wird, an dem zweiten Katalystor statt. Um den Rest von Gas, das nicht verbrannt ist, vollständig zu verbrennen, ist es bevorzugt, einen Katalystor einer Wabenkonstruktion vorzusehen, der einen großen Oberflächenbereich besitzt.
Eine Reaktion des Wabenkatalystors kann gemäß einer herkömmlichen Technik erreicht werden.
So, wie es hier beschrieben ist, können, unter Verwendung von zwei Katalystorn unterschiedlicher Charakteristika gemäß der Erfindung, eine Reduktion einer NOx- Charakteristik einer katalytischen Verbrennung bei einer niedrigen Temperatur, eine Verhinderung eines Temperaturanstiegs eines Katalysators aufgrund einer höheren Verbrennungsbelastung, eine hohe Effektivität einer Wärmeübertragung, erreicht durch eine katalytische Verbrennung an dem ersten Katalystor, und eine Verringerung der Größe eines Wärmeaustauschers durch Integration, gleichzeitig realisiert werden.
Eine praktische Betrachtung in einer solchen Basisstruktur ist diejenige, wie eine Verbrennung zu starten ist. Um eine Verbrennung zu starten, ist es erforderlich, zuvor die Temperatur eines Katalysators oberhalb einer Temperatur zu erhöhen, die für eine Aktivierung ausreichend ist. Falls eine Vorerwärmung unzureichend ist, ist mehr unverbranntes Gas in einem Abgas enthalten, das während des Übergangs zu einer katalytischen Verbrennung freigesetzt wird. Dies führt zu einer Verschwendung von Brennstoff und bewirkt auch ein Problem eines nicht angenehmen Verbrennungsgeruchs.
Als Mittel zum Erhöhen der Temperatur kann eine elektrische Heizeinrichtung oder die thermische Energie einer Flamme eingesetzt werden, und zwei Typen von katalytischen Verbrennungselementen müssen simultan synchron unter Verwendung einer solchen Einrichtung erwärmt werden. Da ein gesamtes Volumen des Brennstoffs nicht an dem ersten Katalystor verbrannt wird, ist es erforderlich, dass der zweite Katalystor immer auf eine Temperatur ansteigt, die für eine Aktivierung ausreichend ist, vor dem Start der katalytischen Verbrennung, so dass kein unverbranntes Gas in einem Abgas abgegeben wird.
Für einen solchen Zweck kann eine Flammenverbrennungseinheit oder eine elektrische Heizeinrichtung zwischen dem ersten und dem zweiten Katalystor zum Vorerwärmen des letzteren vorgesehen werden. Dies kommt daher, dass der zweite Katalystor nicht durch heiße Luft erwärmt werden kann, falls eine Vorerwärmungseinrichtung vor dem ersten Katalystor vorgesehen ist, da eine Wärmeaustauscheinheit in dem ersten Katalystor eingesetzt wird, und sie wird dadurch gekühlt.
Um die Verbrennung schnell zu intensivieren, kann eine Vorerwärmungseinrichtung nicht nur indem zweiten Katalystor vorgesehen werden, sondern auch in dem ersten Katalystor. Falls eine Verbrennung gestartet wird, bevor eine Reaktion des ersten Katalystors einsetzt, reagiert ein größeres Volumen an Brennstoff an dem zweiten Katalystor bis der erste Katalystor eine stationäre Temperatur erreicht, und eine Reduktion in der Qualität des zweiten Katalystors wird aufgrund einer hohen Temperatur verursacht. Die Zeit, um eine stationäre Verbrennung zu erreichen, ein Energieverbrauch, Anfangscharakteristika eines Abgases, Kosten eines Systems und dergleichen, variieren in Abhängigkeit einer bestimmten Kombination einer solchen Vorheizeinrichtung. Durch Auswählen geeigneter Einrichtungen für die jeweiligen Anwendungen kann eine charakteristische Verbrennung gestartet werden.
Um einen Verbrauch einer elektrischen Energie zum Verdampfen zu verringern, falls ein flüssiger Brennstoff verwendet wird, ist es vorteilhaft, eine Wärmezurückgewinnungseinheit vorzusehen, die einen Katalysator trägt, der mit der Verdampfungseinheit ausströmseitig des ersten Katalystors in der Strömungsrichtung integriert ist.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines Beispiels und unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, in denen:
Fig. 1 zeigt eine Schnittansicht einer Verbrennungsvorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 2 zeigt eine Schnittansicht, vorgenommen entlang einer Linie A-A' der Fig. 1;
Fig. 3 zeigt eine Schnittansicht, vorgenommen entlang einer Linie B-B' der Fig. 1;
Fig. 4 zeigt eine Schnittansicht einer Verbrennungsvorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 5 zeigt eine Schnittansicht einer Verbrennungsvorrichtung gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 6 zeigt eine Schnittansicht einer Verbrennungsvorrichtung gemäß einer vierten Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 7 zeigt eine Schnittansicht einer Verbrennungsvorrichtung gemäß einer fünften Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 8 zeigt eine Schnittansicht einer Verbrennungsvorrichtung gemäß einer sechsten Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 9 zeigt eine Schnittansicht einer Verbrennungsvorrichtung gemäß einer siebten Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 10 zeigt eine Schnittansicht einer Verbrennungsvorrichtung gemäß einer achten Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 11(a) zeigt eine strukturelle Zeichnung einer elektrischen Heizeinrichtung 44, eingesetzt in der fünften und sechsten Ausführungsform; und
Fig. 11(b) zeigt eine Schnittansicht, vorgenommen entlang einer Linie Z-Z' von Fig. 11(a). In fig. 1 ist nun eine Schnittansicht einer Verbrennungsvorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung dargestellt. Das Bezugszeichen 1 bezeichnet eine Brennstoffzuführeinheit zum Zuführen eines gasförmigen Brennstoffs. Das Bezugszeichen 2 bezeichnet einen Lüfter zum Zuführen von Verbrennungsluft. Das Bezugszeichen 3 bezeichnet eine Mischeinheit zum Präparieren einer Brennstoff-Luft-Mischung durch Mischen des gasförmigen Brennstoffs von der Brennstoffzuführeinheit 1 mit Verbrennungsluft von dem Lüfter 2. Die Mischeinheit 3 enthält eine Mischplatte 21 darin.
Das Bezugszeichen 4 bezeichnet eine erste, katalytische Verbrennungskammer, vorgesehen in einer Ausströmseite der Mischeinheit 3. Das Bezugszeichen 5 bezeichnet eine Wärme aufnehmende Finne, die in eine innere Oberfläche der ersten, katalytischen Verbrennungskammer 4 vorsteht. Die Finne 5 ist 100 mm lang in der Strömungsrichtung, 3 mm dick in jedem Teil davon und 30 mm hoch. Das Bezugszeichen 7 bezeichnet einen ersten Katalysator in der Form einer dünnen Platte, gebildet in der Finne 5, mit einer Beabstandung 6 dazwischen. Der erster Katalystor 7 weist ein Basiselement, hergestellt aus einer wärmebeständigen Eisenlegierung, in der Form einer dünnen Platte, auf, die auf beiden Seiten durch eine Katalysatorschicht aus Aluminiumoxid beschichtet ist, die einen solchen Platinlegierungskatalysator, wie Platin und Palladium, trägt. Das Bezugszeichen 8 bezeichnet einen ersten Wasserkanal, vorgesehen für den Wärmeaustausch, in einem äußeren Umfang der ersten, katalytischen Verbrennungskammer 4 einer Aluminiumlegierung. Ein Innenraum der ersten, katalytischen Verbrennungskammer 4 und des ersten Wasserkanals 8 sind auch in Fig. 2 dargestellt, die eine Schnittansicht entlang einer Linie A-A' der Fig. 1 zeigt.
Das Bezugszeichen 9 bezeichnet eine Flammenverbrennungskammer in einer Ausströmseite der ersten, katalytischen Verbrennungskammer 4. Das Bezugszeichen 11 ist eine solche Zündeinrichtung, wie eine Hochspannungsentladeeinrichtung und eine Hochtemperaturheizeinrichtung, eingesetzt in der Flammenverbrennungskammer 9.
Das Bezugszeichen 10 ist eine Flammenstabilisierungseinheit, hergestellt aus einem Drahtnetz, einem gestanzten Metall oder dergleichen, das in einer Zwischenfläche zwischen der ersten, katalytischen Verbrennungskammer 4 und der Flammenverbrennungskammer 9 eingesetzt ist.
Das Bezugszeichen 12 bezeichnet eine zweite, katalytische Verbrennungskammer in einer Ausströmseite der Flammenverbrennungskammer 9. Das Bezugszeichen 12 bezeichnet ein Wärmeisolationselement, befestigt an einer inneren Umfangsfläche der Flammenverbrennungskammer 9 und einer zweiten, katalytischen Verbrennungskammer 12. Das Bezugszeichen 14 bezeichnet einen zweiten Katalystor einer Wabenkonstruktion, enthaltend 300 Zellen/in², was einen geometrischen Oberflächenbereich größer als derjenige des ersten Katalysators 7 ergibt. Der zweite Katalystor 14 ist 200 mm dick in der Strömungsrichtung. Ein Wabenträger des zweiten Katalystor 14 ist aus einem solchen porösen, keramischen Material wie Cordierit und Kalkaluminat, und trägt einen Platinlegierungskatalysator. Eine Bohrung der Wabenkonstruktion bildet ein Quadrat von 0,6 mm in der Seitenlänge.
Das Bezugszeichen 15 bezeichnet eine Wärmeaustauschfinne, vorgesehen in einer Ausströmseite der zweiten, katalytischen Verbrennungskammer 12, zum Ansammeln von Abwärme. Das Bezugszeichen 16 bezeichnet einen zweiten Wasserkanal, eingesetzt für einen Wärmeaustausch in einer äußeren Umfangsfläche einer Kammer, die die Finne 15 einsetzt. Der zweite Wasserkanal 16 ist mit dem ersten Wasserkanal 8 verbunden. Wasser, das erwärmt ist, wird für ein Luftkonditionierungs- und Warmwasserversorgungssystem verwendet. Die Finne 15 und der zweite Wasserkanal 16 sind auch in Fig. 3 dargestellt, die eine Schnittansicht zeigt, vorgenommen entlang einer Linie B-B' der Fig. 1. Der erste und der zweite Wasserkanal 8 und 16 können gegen ein Luftkühlsystem ersetzt werden. In einem solchen Fall kann warme Luft geliefert werden.
Nun wird die Funktion einer Verbrennungsvorrichtung gemäß der Erfindung beschrieben. Eine Brennstoff-Luft-Mischung von der Mischeinheit 3 wird durch die erste, katalytische Verbrennungskammer, enthaltend die Finne 5 und den ersten Katalysator 7, hindurchgeführt. Obwohl ein Überschussluftverhältnis der Mischung zwischen 1 und 2 innerhalb eines effektiven Bereichs einer Verbrennung liegen kann, sollte es vorzugsweise zwischen 1,1 und 1,6 fallen. Dies kommt daher, dass eine nicht vollständige Verbrennung aufgrund eines lokalen Nichtausreichens der Luft verursacht werden kann, wenn das Überschuss- Luft-Verhältnis bei 1, 1 oder niedriger liegt, und eine Zündung kann schwierig sein, falls es bei 1,6 oder mehr liegt.
Die Mischung wird durch eine Zündeinrichtung 11 in der Flammenverbrennungskammer 9 entflammt. Eine Verbrennung wird dadurch gestartet. Der zweite Katalystor 14 wird durch die Flamme erwärmt und erreicht eine Temperatur von 300ºC, die ausreichend zur Aktivierung ist. Eine Temperatur, die zum Aktivieren ausreichend ist, ist zwischen Typen von Brennstoffen und Katalysatoren unterschiedlich; sie liegt bei ungefähr 300ºC für Propangas, eine höhere Temperatur ist erforderlich für Methan und eine niedrigere Temperatur für Kerosin. Wenn die Flammenverbrennung in einem solchen Zustand fortgeführt wird, erreicht der zweite Katalystor 14 eine Temperatur von 400 bis 600ºC. Wenn der erste Katalysator 7 auf eine Temperatur von 300ºC durch eine Wärmestrahlung einer einströmseitigen Oberfläche des zweiten Katalystors 14 und einer Flammenstabilisierungseinheit 10 erwärmt wird, wird eine katalytische Verbrennungsreaktion in einer Ausströmseite des ersten Katalystors 7 in der Strömungsrichtung gestartet. Wenn der erste Katalystor 7 in der Temperatur durch die Reaktion erhöht wird, bewegt sich der Reaktionspunkt nach vorne in die Ausströmrichtung entlang des ersten Katalystors 7.
Wenn ein Volumen der Mischung, verbrannt in der ersten, katalytischen Verbrennungskammer 4, erhöht wird, wird 75% einer Brennstoffzufuhr in der ersten, katalytischen Verbrennungskammer 4 verbrannt. Der Rest wird in der zweiten, katalytischen Verbrennungskammer 12 verbrannt. Eine Brennstoffkonzentration der Mischung in der Flammenverbrennungskammer 9 wird herabgesetzt, wenn sie mit Abgas gemischt wird, und die Flamme wird gelöscht. In dem ersten Katalystor 7 wird eine flammenlose Verbrennungsreaktion in einer Oberfläche des Katalystors verursacht, der den gasförmigen Brennstoff und Sauerstoff adsorbiert. Wärme von dem ersten Katalystor 7 wird durch den Zwischenraum 6 zu der Finne 5 mittels der Wärmestrahlung geleitet.
Die Beabstandung 6 ist zwischen dem ersten Katalystor 7 und der Finne 5 vorgesehen. Da sich die Finne bei einer Temperatur von 100 bis 300ºC aufgrund eines Kühleffekts des ersten Wasserkanals 8 befindet, wenn sich der erste Katalystor 7 in Kontakt mit der Finne 5 befindet, wenn der Katalysator abgekühlt wird, und seine Temperatur auf nahezu die Temperatur der Finne 5 herabgesetzt wird, fällt eine Temperatur des ersten Katalystors 7 unterhalb der Temperatur, die für eine Aktivierung ausreichend ist.
Dementsprechend wird, durch Vorsehen der Beabstandung 6 zwischen dem ersten Katalystor 7 und der Finne 5, da Wärme von dem ersten Katalystor 7 zu der Finne 5 mittels Wärmestrahlung geleitet wird, wenn sich der erste Katalystor 7 bei einer höheren Temperatur befindet, die Wärmeabstrahlung im Verhältnis zu der vierten Potenz der Temperatur erhöht, und ein Effekt eines Verhinderns eines Temperaturanstiegs des ersten Katalystors 7 selbst wird erhalten, was zu einer Sättigung bei oder unterhalb einer Temperatur mit einer Standfestigkeit für den Katalysator führt. Im Gegensatz dazu wird, wenn der erste Katalysator 7 in der Temperatur verringert wird, da die Wärmestrahlung im Verhältnis zu der vierten Potenz der Temperatur reduziert wird, ein Effekt eines Verhinderns eines Temperaturabfalls des ersten Katalystors 7 erhalten, was zu einer stabilen Verbrennung führt. Unter Bezugnahme auf ein experimentelles Ergebnis wird eine Verbrennungseffektivität der Verbrennungsvorrichtung nachfolgend beschrieben. Die Brennstoff-Luft-Mischung, verbrannt in der ersten, katalytischen Verbrennungskammer 4, betrug 75% der Brennstoff- Luft-Mischung; die von der Mischeinheit 3 geschickt ist. Wärme von der Brennstoff-Luft- Mischung, die in der ersten, katalytischen Verbrennungskammer 4 verbrannt ist, wird mittels Wärmestrahlung von der Finne 5 in der ersten, katalytischen Verbrennungskammer 4 zu dem ersten Wasserkanal 8 überführt. Eine Energie der Wärme, übertragen von der Finne 5 zu dem ersten Wasserkanal 8, war 80% einer Energie, erzeugt durch Verbrennung in der ersten, katalytischen Verbrennungskammer 4. Dies bedeutet, dass der Wärmeaustausch, erreicht zwischen der ersten, katalytischen Verbrennungskammer 4 und dem ersten Wasserkanal 8, 60%( = 75 · 80%) des Brennstoffs, zugeführt zu der Verbrennungsvorrichtung, war.
Der Rest der Mischung, die nicht in der ersten, katalytischen Verbrennungskammer 4 verbrannt ist (nachfolgend bezeichnet als nicht verbrannter Brennstoff), ist in einem Abgas enthalten, abgegeben von der ersten, katalytischen Verbrennungskammer 4. Mit anderen Worten entspricht der nicht verbrannte Brennstoff 25% (= 100% - 75%) des Brennstoffs, zugeführt zu der Verbrennungsvorrichtung.
Andererseits ist, wenn angenommen wird, dass der Rest, 15% (= 75% - 60%) der abgestrahlten Wärme, die nicht von der Finne 5 zu dem ersten Wasserkanal 8 übertragen ist, vollständig als Abwärme von der ersten, katalytischen Verbrennungskammer 4 über die Flammenverbrennungskammer 9 zu der zweiten, katalytischen Verbrennungskammer 12 abgegeben wird, eine Energie entsprechend zu 40% (= 25% + 15%) insgesamt des Brennstoffes, zugeführt zu der Verbrennungsvorrichtung, in einem Abgas von der ersten, katalytischen Verbrennungskammer 4 enthalten.
Nun findet, wenn der zweite Katalystor 14 in der Temperatur reduziert wird, der Wärmeaustausch bei einer niedrigeren Effektivität statt oder wird vollständig eliminiert, da eine Reaktion von nicht verbranntem Brennstoff schwierig ist. Deshalb wird, um dieses Problem zu beseitigen, ein wärmeisolierendes Element 13 an einer inneren Umfangsfläche der Flammenverbrennungskammer 9 und der zweiten, katalytischen Verbrennungskammer 12 befestigt. Der zweite Katalystor 14 besitzt eine Wabenkonstruktion, die einen geometrischen Oberflächenbereich größer als derjenige des ersten Katalystors 7 ergibt, um eine effizientere, katalytische Verbrennung des nicht verbrannten Brennstoffs zu ermöglichen. In einer solchen Art und Weise wird nicht verbrannter Brennstoff effektiv in der zweiten, katalytischen Verbrennungskammer 12 verbrannt.
Eine Abwärme, abgegeben von der zweiten, katalytischen Verbrennungskammer 12, wird von der Finne 15 zu dem zweiten Wasserkanal 16 übertragen. Als Ergebnis des Experiments wurde herausgefunden, dass eine Effektivität eines Austauschs der Abwärme durch die Finne 15 70% betrug. Dann ist, wenn angenommen wird, dass ein Gesamtvolumen des nicht verbrannten Brennstoffs an dem zweiten Katalystor 14 verbrannt wird, eine Energie entsprechend zu 40% des Brennstoffs, zugeführt zu der Verbrennungsvorrichtung, in der Abwärme von der zweiten, katalytischen Verbrennungskammer 12 enthalten. In einem solchen Fall ist Wärme, gesammelt durch den zweiten Wasserkanal, 28% (= 40% · 70%).
Schließlich ist die gesamte, thermische Effektivität der Verbrennungsvorrichtung, evaluiert von dem experimentellen Ergebnis, 88% (60% + 28%), was eine Summe von thermischen Energien, gesammelt durch den ersten und den zweiten Wasserkanal 8 und 16, ist. Das Verhältnis einer Verbrennungsintensität zwischen dem ersten und dem zweiten Katalystor ist nicht auf dasjenige der Ausführungsform beschränkt, und ein optimaler Wert hängt von einer bestimmten Anwendung und Größe einer Vorrichtung ab.
Wie in Fig. 2 dargestellt ist, ist die Beabstandung 6 zwischen der Finne 5 und dem ersten Katalystor 7, der dazu hinzeigt, kleiner als die Beabstandung 17 zwischen den angrenzenden, ersten Katalystoren 7. Der erste Katalystor 7 kann mit einer Katalysatorschicht auf der Vorder- und Rückseite davon ausgebildet sein. Durch eine solche Anordnung kann ein Vorbeigleiten von nicht reagiertem Brennstoff in der Nähe der Finne 5 verhindert werden, und die Verbrennungsintensität, die dem ersten Katalystor 7 zugeordnet ist, kann erhöht werden. Ein solcher Effekt wird erhalten, da eine Temperatur der Mischung in der Nähe der Finne 5 niedriger als diejenige der Mischung in dem Zwischenraum 17 ist, und ein Fortschreiten der katalytischen Reaktion und ein Streuen der Mischung über eine Oberfläche des Katalysators sind schwierig.
In Fig. 4 ist eine Schnittansicht einer Verbrennungsvorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung dargestellt. Das Bezugszeichen 1 ist eine Brennstoffzuführeinheit zum Zuführen eines flüssigen Brennstoffs über eine Brennstoffleitung 18. Das Bezugszeichen 19 bezeichnet eine Verdampfungsheizeinrichtung zum Erwärmen des flüssigen Brennstoffs. Das Bezugszeichen 2 bezeichnet einen Lüfter zum Zuführen von Verbrennungsluft. 20 bezeichnet eine Verdampfungseinheit, die eine Mischplatte 21 enthält. Das Bezugszeichen 24 zeigt eine erste Flammenverbrennungskammer, vorgesehen in einer Ausströmseite der Verdampfungseinheit 20. Das Bezugszeichen 23 bezeichnet eine erste Zündeinrichtung zum Zünden einer Brennstoff-Luft-Mischung, präpariert in der Verdampfungseinheit 20. Die erste Zündeinrichtung 23 ist in die erste Flammenverbrennungskammer 24 eingesetzt. Das Bezugszeichen 22 bezeichnet eine erste Flammenstabilisierungseinheit, positioniert zwischen der Verdampfungseinheit 20 und der ersten Flammenverbrennungskammer 24.
Das Bezugszeichen 4 bezeichnet eine erste, katalytische Verbrennungskammer, eingesetzt in eine Ausströmseite der ersten Flammenverbrennungskammer 24. Das Bezugszeichen 5 stellt eine Wärmeaufnahmefinne dar; die in eine innere Oberfläche der ersten, katalytischen Verbrennungskammer 4 vorsteht. Das Bezugszeichen 7 bezeichnet einen ersten Katalystor in der Form einer dünnen Platte, vorgesehen in der Finne, mit einem Zwischenraum 6 dazwischen. Das Bezugszeichen 8 bezeichnet einen ersten Wasserkanal für eine Wärmesammlung, angeordnet in einem äußeren Umfang der ersten, katalytischen Verbrennungskammer 4 aus einer Aluminiumlegierung.
Das Bezugszeichen 27 zeigt eine zweite Flammenverbrennungskammer, positioniert in einer Ausströmseite der ersten, katalytischen Verbrennungskammer 4. Das Bezugszeichen 26 bezeichnet eine zweite Zündeinrichtung zum Zünden der Brennstoff-Luft- Mischung. Die zweite Zündeinrichtung 26 ist in der zweiten Flammenverbrennungskammer 27 eingesetzt. Das Bezugszeichen 25 stellt eine zweite Flammenstabilisierungseinheit dar, die zwischen der ersten, katalytischen Verbrennungskammer 4 und der zweiten Flammenverbrennungskammer 27 liegt. Das Bezugszeichen 12 bezeichnet eine zweite, katalytische Verbrennungskammer, vorgesehen in einer Ausströmseite der zweiten Flammenverbrennungskammer 27. Das Bezugszeichen 14 stellt einen zweiten Katalystor einer Wabenkonstruktion dar. Der zweite Katalystor 14 ist in die zweite, katalytische Verbrennungskammer 12 eingesetzt. Das Bezugszeichen 13 bezeichnet ein Wärmeisolationselement, befestigt an einer inneren Umfangsoberfläche der Flammenverbrennungskammer 27 und der zweiten, katalytischen Verbrennungskammer 12.
Das Bezugszeichen 15 bezeichnet eine Wärmeaustauschfinne, angeordnet in einer Ausströmseite der zweiten, katalytischen Verbrennungskammer 12, zum Sammeln von Abwärme. Das Bezugszeichen 16 bezeichnet einen zweiten Wasserkanal für einen Wärmeaustausch, vorgesehen in einer äußeren Umfangsfläche einer Kammer, die die Finne 15 umfasst. Der zweite Wasserkanal 16 ist mit dem ersten Wasserkanal 8 verbunden. Wasser, das erwärmt ist, wird für ein Luftkonditionierungs- und Warmwasserversorgungssystem verwendet.
Demzufolge ist die Ausführungsform zu der ersten Ausführungsform dahingehend unterschiedlich, dass sie weiterhin die erste Flammenverbrennungskammer 24 mit der ersten Zündeinrichtung darin eingesetzt und die erste Flammenstabilisierungseinheit 22 aufweist, und in Verbindung mit flüssigem Brennstoff verwendet wird.
Funktionen der Ausführungsform werden nachfolgend beschrieben.
Ein flüssiger Brennstoff, zugeführt von der Brennstoffzuführeinheit 1, tropft an einem voranführenden Ende der Brennstoffleitung 18 zu der Verdampfungseinheit 20. Da das voranführende Ende der Brennstoffleitung 18 und der Verdampfungseinheit 20 durch die Verdampfungsheizeinrichtung 19 erwärmt werden, wird der flüssige Brennstoff in der Verdampfungseinheit 20 verdampft. Dann wird der Brennstoff, der verdampft ist, durch die Mischplatte 21 in der Verdampfungseinheit 20 mit Verbrennungsluft, zugeführt durch den Lüfter 2, gemischt, und eine Brennstoff-Luft-Mischung wird präpariert.
Die Mischung, die an der Verdampfungseinheit 20 präpariert ist, wird über die Flammenverbrennungskammer 24 und die erste, katalytische Verbrennungskammer 4 zu der zweiten flammenverbrennungskammer 27 zugeführt. Die Mischung, die zu der zweiten Flammenverbrennungskammer 27 geschickt ist, wird durch die zweite Zündeinrichtung 26 gezündet und liefert eine Flamme.
Der zweite Katalystor 14 wird durch die Flamme erwärmt und erreicht eine Temperatur von 300ºC, die für eine Aktivierung ausreichend ist. Dann wird, nachdem die Flammenverbrennung fortgeführt ist und der zweite Katalystor 14 eine Temperatur von 400 bis 600ºC erreicht, die erste Zündeinrichtung 23 mit Energie beaufschlagt, und dies ermöglicht der Brennstoff-Luft-Mischung, dass sie in der ersten Flammenverbrennungskammer 24 entflammt wird. Die Flamme in der zweiten Flammenverbrennungskammer 27 wird dann gelöscht.
Der erste Katalystor 7 wird in der Temperatur von einer Einströmseite in der Fließrichtung durch eine thermische Energie einer Verbrennung, die in der ersten Flammenverbrennungskammer 24 stattfindet, erhöht. Wenn der erste Katalystor 7 eine Temperatur von 300 bis 600ºC in einer Einströmseite davon erreicht, wird die Brennstoffzufuhr für fünf Sekunden unterbrochen, so dass die Flamme in der ersten Flammenverbrennungskammer 24 gelöscht wird.
Wenn die Brennstoffzufuhr erneut gestartet wird, nachdem die Flamme gelöscht ist, wird eine katalytische Verbrennung der Mischung, zugeführt von der Verdampfungseinheit 20, einströmseitig des ersten und des zweiten Katalystors 7 und 14 gestartet.
Da eine Verringerung in der Temperatur des zweiten Katalystors 14 ohne eine Kühlanordnung in einem äußeren Umfangsteil davon niedrig ist, gerade bei einer niedrigen Brennstoffkonzentration, wird sie bei einer hohen Temperatur beibehalten, und die katalytische Verbrennung schreitet fort. Eine übermäßige Reaktion des Katalysators in dem zweiten Katalystor 14 wird verhindert, da die Mischung teilweise an dem ersten Katalystor 7 zur Reaktion gebracht wird. Aus einem solchen Grund kann eine Flussrate der Mischung, geschickt von der Verdampfungseinheit 20 aus, erhöht werden. Demzufolge kann mehr Wärme in einer anfänglichen Stufe einer Verbrennung als bei der ersten Ausführungsform erzeugt werden.
Die Verbrennung wird schließlich stabilisiert, was ermöglicht, dass 85% der Brennstoffzufuhr an dem ersten Katalystor 7 verbrannt wird und der Rest an dem zweiten Katalystor 14. Ein solcher stationärer Zustand einer Verbrennung ist ähnlich zu demjenigen der ersten Ausführungsform.
Nun werden die Funktionen der Verbrennungsvorrichtung, wenn ein flüssiger Brennstoff, zugeführt von der Brennstoffzuführeinheit 1, einen hohen Siedepunkt besitzt, wie beispielsweise Kerosin oder leichtes Öl, beschrieben. In einem solchen Fall ist es schwierig, die Brennstoff-Luft-Mischung, zugeführt zu der zweiten Flammenverbrennungskammer 27, durch Zündung der zweiten Zündeinrichtung 26 zu entflammen. Genauer gesagt ist eine Zündung bei einer niedrigen Temperatur schwierig. Dies kommt daher, dass die Mischung kondensiert wird und die Konzentration herabgesetzt wird, wenn sie durch den ersten Katalystor 7 hindurchführt. Um dieses Problem zu beseitigen, wird die Verbrennungsvorrichtung in einer solchen Art und Weise betrieben, wie dies nachfolgend beschrieben ist. Zuerst wird die Mischung, zugeführt von der Verdampfungseinheit 20 zu der ersten Flammenverbrennungskammer 24, entflammt. Der erste Katalystor 7 wird durch die Flamme erwärmt. Eine Temperatur, die durch einen solchen Erwärmungsvorgang erreicht werden soll, reicht von einem Taupunkt der Mischung bis zu einer Temperatur, die für eine Aktivierung des Katalysators ausreichend ist. Zum Beispiel sollte, in dem Fall von Kerosin, die Temperatur zwischen 70 und 250ºC liegen. Wenn der erste Katalystor 7 eine solche Temperatur erreicht, wird die Brennstoffzufuhr temporär unterbrochen, so dass die Flamme in der ersten Flammenverbrennungskammer 24 gelöscht wird.
Nachdem die Flamme in der ersten Flammenverbrennungskammer 24 gelöscht ist, wird die Brennstoffzufuhr erneut gestartet, und die Mischung, zugeführt zu der zweiten Flammenverbrennungskammer 27, wird durch die zweite Zündeinrichtung 26 gezündet. Die Mischung liefert eine Flamme, da sie nicht in der ersten, katalytischen Verbrennungskammer 4 befeuchtet wird, was demzufolge zu keiner Verringerung in der Konzentration führt. Der zweite Katalystor 14 wird durch die Flamme erwärmt und erreicht eine Temperatur, die zur Aktivierung ausreichend ist.
Wenn die Temperatur, die für eine Aktivierung des zweiten Katalystors 14 ausreichend ist, erreicht ist, wird die erste Zündeinrichtung 23 mit Energie beaufschlagt und die Mischung, zugeführt zu der ersten Flammenverbrennungskammer 24, wird entflammt. Die Flamme in der zweiten Flammenverbrennungskammer 27 wird dann gelöscht. Der erste Katalystor 7 wird in der Temperatur von einer Einströmseite durch eine thermische Energie einer Verbrennung, die in der ersten Flammenverbrennungskammer 24 stattfindet, erhöht. Wenn der erste Katalystor 7 eine Temperatur von 400 bis 600ºC in einer Einströmseite davon erreicht, wird die Brennstoffzufuhr für fünf Sekunden unterbrochen, so dass die Flamme in der ersten Flammenverbrennungskammer 24 gelöscht wird.
Wenn die Brennstoffzufuhr erneut gestartet wird, nachdem die Flamme gelöscht ist, wird eine Reaktion der Mischung, zugeführt von der Verdampfungseinheit 20, einströmseitig des ersten und des zweiten Katalystors 7 und 14 eingeleitet, was zu einer stationären Verbrennung führt:
Durch einen solchen Vorgang kann ein flüssiger Brennstoff, der einen hohen Siedepunkt besitzt, leicht verbrannt werden. Der stationäre Zustand einer Verbrennung ist ähnlich zu demjenigen der ersten Ausführungsform.
Wie nun Fig. 5 zeigt, ist dort eine Schnittansicht einer Verbrennungsvorrichtung gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung dargestellt. Die Ausführungsform ist zu der ersten Ausführungsform dahingehend unterschiedlich, dass die Flammenstabilisierungseinheit 10 eliminiert ist, und die Flammenverbrennungskammer 9, die die Zündeinrichtung 11 enthält, ist durch eine Heizeinrichtungskammer 28 ersetzt, die eine elektrische Heizeinrichtung 29 enthält. Die anderen Anordnungen sind ähnlich zu denjenigen der ersten Ausführungsform.
Nun wird eine Betriebsweise der Ausführungsform beschrieben.
Zuerst wird die elektrische Heizeinrichtung 29 mit Energie beaufschlagt und eine Einströmseite eines zweiten Katalystors 14 und eine Ausströmseite eines ersten Katalystors 7 werden durch Wärmestrahlung von der Heizeinrichtung und durch Wärmekonvektion erwärmt. Um den ersten und den zweiten Katalystor 7 und 14 auf eine Temperatur zu erwärmen, die für eine Aktivierung von 300ºC oder einer höheren Temperatur ausreichend ist, sollte die elektrische Heizeinrichtung 29 vorzugsweise bei einer Temperatur von 700º C oder einer höheren Temperatur vorliegen.
Wenn der erste und der zweite Katalystor 7 und 14 eine solche Temperatur erreichen, die für eine Aktivierung ausreichend ist, wird die Energie zu der elektrischen Heizeinrichtung 29 weggenommen und eine Zufuhr einer Brennstoff-Luft-Mischung von einer Mischeinheit 3 wird gestartet.
Eine Reaktion der Mischung wird in einer Einströmseite des zweiten Katalystors 14, der erwärmt ist, eingeleitet. Ein Ausströmende des ersten Katalystors 7, die Wärme aufnehmend, beginnt auch eine Reaktion, und gelangt zu einer hohen Temperatur. Der Reaktionspunkt bewegt graduell die Ausströmrichtung des ersten Katalystors 7 nach vorne. Wenn ein Volumen der Mischung, katalytisch verbrannt an dem ersten Katalystor 7, erhöht wird, wird eine Konzentration des Brennstoffes in dem Gas, das durch die Heizeinrichtungskammer 28 zu dem zweiten Katalystor 14 hindurchführt, reduziert. Mit einer solchen Reduktion in der Konzentration des Brennstoffs in dem Gas, das zu dem zweiten Katalystor 14 strömt, wird die Brennstoffzufuhr erhöht, um eine stationäre Verbrennung zu erzielen. Der stationäre Zustand einer Verbrennung, der erreicht ist, ist ähnlich zu demjenigen der ersten Ausführungsform.
Die Ausführungsform ist dahingehend charakterisiert, dass nahezu kein NOx erzeugt wird, da die stationäre Verbrennung ohne Verwendung einer Flamme erreicht wird. Eine Genauigkeit des Luft-Brennstoff-Verhältnisses zu dem Zeitpunkt einer Zündung ist nicht so streng erforderlich wie in dem Fall einer Flammenzündung.
In dem Fall, dass die Brennstoff-Luft-Mischung aufgrund einer hohen Temperatur der elektrischen Heizeinrichtung 29 in der Heizeinrichtungskammer 28 entflammt wird, schlägt die Flamme durch einen Raum der ersten katalytischen Verbrennungskammer 4 zurück und befeuert die Mischkammer 3 ebenso. In einer solchen Art und Weise geht, wenn eine Flamme in der Mischkammer 3 verursacht wird, wenn eine Verbrennung sowohl in der ersten als auch in der zweiten, katalytischen Verbrennungskammer 4 und 12 nicht länger katalytisch ist, der Effekt eines Reduzieren einer Emission von NOx verloren. Deshalb kann, durch Einsetzen einer Flammenstabilisierungseinheit, hergestellt aus einem Metallnetz, einer porösen Platte, oder dergleichen, ähnlich zu derjenigen der Fig. 1, gerade wenn eine Flamme aufgrund einer hohen Temperatur der Heizeinrichtung erzeugt wird, ein solches Rückbrennen verhindert werden.
In Fig. 6 nun ist eine Schnittansicht einer Verbrennungsvorrichtung gemäß einer vierten Ausführungsform der Erfindung dargestellt. Das Bezugszeichen 30 bezeichnet eine erste Heizeinrichtungskammer; die eine erste, elektrische Heizeinrichtung 31 enthält, die in einer Einströmseite einer ersten, katalytischen Verbrennungskammer 4 vorgesehen ist. 32 bezeichnet eine zweite Heizeinrichtungskammer, die eine zweite, elektrische Heizeinrichtung 33 enthält, die zwischen der ersten, katalytischen Verbrennungskammer 4 und einer zweiten, katalytischen Verbrennungskammer 12 vorgesehen ist. Demzufolge ist die Ausführungsform im Wesentlichen unterschiedlich zu der dritten Ausführungsform dahingehend, dass sie weiterhin die erste Heizeinrichtungskammer 30 aufweist, die die erste, elektrische Heizeinrichtung 31 enthält.
Schnittansichten, vorgenommen entlang von Linien A-A' und B-B', sind in den Fig. 2 und 3 jeweils dargestellt.
Nun wird eine Betriebsweise der Ausführungsform beschrieben.
Ein Vorerwärmen von Katalysatoren wird durch Energiebeaufschlagung der ersten und der zweiten elektrischen Heizeinrichtung 31 und 33 eingeleitet, um gleichzeitig den ersten und den zweiten Katalysator 7 und 14 zu erwärmen. Nachdem der erste und der zweite Katalysator 7 und 14 eine spezifizierte Temperatur, ausreichend für eine Aktivierung, erreicht haben, werden die erste und die zweite elektrische Heizeinrichtung 31 und 33 von der Energiezufuhr getrennt und eine Zuführung eines Brennstoffs wird gestartet. Die Folge einer Trennung von der Energiezufuhr und einer Brennstoffzufuhr kann umgekehrt sein. Wenn eine Brennstoff-Luft-Mischung, zugeführt von einer Mischeinheit 3, durch die erste, katalytische Verbrennungskammer 4 hindurchgeführt ist, wird sie teilweise an dem ersten Katalysator 7 einströmseitig und ausströmseitig davon zur Reaktion gebracht.
Der Brennstoff, der nicht reagiert ist, und durch den ersten Katalysator 7 hindurchgeführt ist, beg nnt in einer Einströmseite des zweiten Katalysators 14 zu reagieren. Da sich der zweite Katalysator 14 bei einer hohen Temperatur befindet, wird nicht reagiertes Gas einer Reaktion dort unterworfen, und nahezu kein nicht verbranntes Gas ist in einem Endabgas enthalten. Um eine Emission von nicht verbranntem Gas von der Verbrennungskammer zu der Außenseite zu verhindern, sollte der zweite Katalysator 14 vorzugsweise auf eine höhere Temperatur als diejenige des ersten Katalysators 7 vorerwärmt sein.
In der Ausführungsform kann, da Wärme, erzeugt in der Einströmseite des ersten Katalysators 7, in die Ausströmrichtung durch eine Strömung der Mischung überführt wird, eine stationäre Temperatur des ersten Katalysators 7 in einer kurzen Zeit erreicht werden. Deshalb kann, in der Ausführungsform, ein maximaler Auslass in einer geringeren Zeit als diejenige der dritten Ausführungsform erhalten werden.
In Fig. 7 nun ist eine Schnittansicht einer Verbrennungsvorrichtung gemäß einer fünften Ausführungsform der Erfindung dargestellt. Das Bezugszeichen 1 ist eine Brennstoffzufuhreinheit zum Zuführen eines flüssigen Brennstoffs von einem voranführenden Ende einer Brennstoffleitung 18. Das Bezugszeichen 19 ist eine Verdampfungsheizeinrichtung zum Erwärmen des flüssigen Brennstoffs. Das Bezugszeichen 2 stellt einen Lüfter zum Zuführen von Verbrennungsluft dar. Das Bezugszeichen 20 bezeichnet eine Verdampfungseinheit, die zwei Mischplatten enthält.
Das Bezugszeichen 9 bezeichnet eine Flammenverbrennungskammer, angeordnet in einer Ausströmseite der Verdampfungseinheit 20. Das Bezugszeichen 11 bezeichnet eine Zündeinrichtung zum Zünden einer Brennstoff-Luft-Mischung, präpariert in der Verdampfungseinheit 20. Die Zündeinrichtung 11 ist in die Flammenverbrennungskammer 9 eingesetzt. Das Bezugszeichen 10 stellt eine Flammenstabilisierungseinheit, platziert zwischen der Verdampfungseinheit 20 und der Flammenverbrennungskammer 9, dar.
Das Bezugszeichen 4 bezeichnet eine erste, katalytische Verbrennungskammer, vorgesehen in einer Ausströmseite der Flammenverbrennungskammer 9. Das Bezugszeichen 5 bezeichnet eine Wärmeaufnahmefinne, die in einer inneren Oberfläche der ersten, katalytischen Verbrennungskammer 4 vorsteht. Das Bezugszeichen 7 bezeichnet einen ersten Katalysator in der Form einer dünnen Platte, platziert in der Finne 5, mit einer Beabstandung 6 dazwischen. Das Bezugszeichen 8 bezeichnet einen ersten Wasserkanal, vorgesehen zum Sammeln von Wärme in einem äußeren Umfang der ersten, katalytischen Verbrennungskammer 4 aus einer Aluminiumlegierung.
Das Bezugszeichen 28 stellt eine Heizeinrichtungskammer, positioniert in einer Ausströmseite der ersten, katalytischen Verbrennungskammer 4, dar. Das Bezugszeichen 44 bezeichnet eine elektrische Heizeinrichtung, eingesetzt in die Heizeinrichtungskammer 28. Das Bezugszeichen 12 bezeichnet eine zweite, katalytische Verbrennungskammer, eingesetzt in einer Ausströmseite der Heizeinrichtungskammer 28. Das Bezugszeichen 14 bezeichnet einen zweiten Katalysator einer Wabenkonstruktion. Der zweite Katalysator 14 ist in die zweite, katalytische Verbrennungskammer 12 eingesetzt.
Das Bezugszeichen 15 stellt eine Wärmeaustauschfinne, eingesetzt zum Sammeln von Wärme in einer Ausströmseite der zweiten, katalytischen Verbrennungskammer 12, dar. Das Bezugszeichen 16 bezeichnet einen zweiten Wasserkanal, vorgesehen für einen Wärmeaustausch in einer äußeren Umfangsfläche einer Kammer, die die Finne 15 einsetzt. Der zweite Wasserkanal 16 ist mit dem ersten Wasserkanal 8 verbunden.
Nun wird eine Betriebsweise der Ausführungsform beschrieben.
Zuerst wird die elektrische Heizeinrichtung 44 mit Energie beaufschlagt, um den zweiten Katalysator 14 zu erwärmen, und eine Brennstoff-Luft-Mischung wird von der Verdampfungseinheit 20 zugeführt. Die Mischung, zugeführt zu der Flammenverbrennungskammer 9, wird durch die Zündeinrichtung 11 entzündet. In einem solchen Vorgang werden, da der zweite Katalysator 14 durch die elektrische Heizeinrichtung 44 erwärmt wird, Gerüche und CO, erzeugt zu dem Zeitpunkt einer Zündung, an dem zweiten Katalysator neutralisiert. Wenn der erste Katalysator 7, erwärmt durch die Flamme in der Flammenverbrennungskammer 9, eine Temperatur, ausreichend für eine Aktivierung, erreicht, wird eine Zufuhr des Brennstoffs temporär zum Löschen der Flamme unterbrochen. Nachdem die Flamme gelöscht ist, wird die Brennstoffzufuhr erneut gestartet, wobei eine katalytische Verbrennung an dem ersten Katalysator 7 stattfindet. Dann wird, da der erste Katalysator 7 unvollständig in der Temperatur erhöht wird, ein nicht verbranntes Gas von der Heizeinrichtungskammer 28 zu der zweiten, katalytischen Verbrennungskammer 12 ausgegeben.
Das nicht verbrannte Gas, ausgegeben zu der zweiten, katalytischen Verbrennungskammer 12, wird einer Reaktion an dem zweiten Katalysator 14 unterworfen, der durch die elektrische Heizeinrichtung 44 erwärmt ist.
Da der erste Katalysator 7 in der Temperatur von einer Einströmseite in der Fließrichtung erhöht wird, wenn der erste Katalysator 7 eine Temperatur von 300 bis 600ºC in einer Ausströmseite davon erreicht, wird die Brennstoffzufuhr erhöht. Durch Erreichen eines stationären Zustands der Verbrennung durch einen so zeitabgestimmten Vorgang kann der zweite Katalysator 14 vollständig davor geschützt werden, dass er auf eine übermäßig hohe Temperatur durch das nicht verbrannte Gas erwärmt wird.
In einer solchen Art und Weise wird die Verbrennung schließlich stabilisiert, 85% des Brennstoffs, der zugeführt ist, wird an dem ersten Katalysator 7 verbrannt, und der Rest an dem zweiten Katalysator 14. Ein solcher stationärer Zustand einer Verbrennung ist ähnlich zu demjenigen der ersten Ausführungsform. Demzufolge kann, gemäß der Ausführungsform, die Verbrennung in einer kurzen Zeit stabilisiert werden, und eine Emission eines nicht verbrannten Gases zum Zeitpunkt der Zündung kann reduziert werden.
In Fig. 8 ist eine Schnittansicht einer Verbrennungsvorrichtung gemäß einer sechsten Ausführungsform der Erfindung dargestellt. Das Bezugszeichen 1 bezeichnet eine Brennstoffzufuhreinheit zum Zuführen eines flüssigen Brennstoffs über eine Brennstoffleitung 18. Das Bezugszeichen 19 bezeichnet eine Verdampfungsheizeinrichtung zum Erwärmen des flüssigen Brennstoffs. Das Bezugszeichen 2 stellt einen Lüfter zum Zuführen von Verbrennungsluft dar. Das Bezugszeichen 20 bezeichnet eine Verdampfungseinheit zum Präparieren einer Brennstoff-Luft-Mischung durch Mischen des flüssigen Brennstoffs, der durch die Brennstoffzufuhreinheit 1 zugeführt wird und verdampft wird mit der Verbrennungsluft, zugeführt durch den Lüfter 2.
Das Bezugszeichen 28 bezeichnet eine Heizeinrichtungskammer, die eine elektrische Heizeinrichtung 44 enthält, die Ausströmseite der Verdampfungseinheit 20 vorgesehen ist. Das Bezugszeichen 4 bezeichnet eine erste, katalytische Verbrennungskammer, eingesetzt in einer Ausströmseite der Heizeinrichtungskammer 28. Das Bezugszeichen 5 bezeichnet eine Wärmeaufnahmefinne, die in einer inneren Oberfläche der ersten, katalytischen Verbrennungskammer 4 vorsteht. Das Bezugszeichen 7 bezeichnet einen ersten Katalysator in der Form einer dünnen Platte, eingesetzt in der Finne, mit einer Beabstandung 6 dazwischen. Das Bezugszeichen 8 bezeichnet einen ersten Wasserkanal, vorgesehen zum Sammeln von Wärme in einem äußeren Umfang der ersten, katalytischen Verbrennungskammer 4 einer Aluminiumlegierung.
Das Bezugszeichen 9 stellt eine Flammenverbrennungskammer, positioniert in einer Ausströmseite der ersten, katalytischen Verbrennungskammer 4, dar. Das Bezugszeichen 11 bezeichnet eine Zündeinrichtung zum Zünden der Mischung. Die Zündeinrichtung 11 ist in der Flammenverbrennungskammer 9 eingesetzt. Das Bezugszeichen 10 stellt eine Flammenstabilisierungseinheit dar, die zwischen der ersten, katalytischen Verbrennungskammer 4 und der Flammenverbrennungskammer 9 angeordnet ist.
Das Bezugszeichen 12 bezeichnet eine zweite, katalytische Verbrennungskammer, platziert in einer Ausströmseite der Flammenverbrennungskammer 9. Das Bezugszeichen 14 bezeichnet einen zweiten Katalysator einer Wabenkonstruktion. Der zweite Katalysator 14 ist in die zweite, katalytische Verbrennungskammer 12 eingesetzt.
Das Bezugszeichen 15 bezeichnet eine Wärmeaustauschfinne, angeordnet in einer Ausströmseite der zweiten, katalytischen Verbrennungskammer 12, zum Sammeln von Abwärme. Das Bezugszeichen 16 bezeichnet einen zweiten Wasserkanal, vorgesehen für einen Wärmeaustausch in einer äußeren Umfangsfläche einer Kammer, die die Finne 15 einsetzt. Der zweite Wasserkanal 16 ist mit dem ersten Wasserkanal 8 verbunden. Nun wird eine Betriebsweise der Ausführungsform beschrieben.
Zuerst wird die elektrische Heizeinrichtung 44 mit Energie beaufschlagt, um den ersten Katalysator 7 zu erwärmen, und eine Brennstoff-Luft-Mischung wird zu dem ersten Katalysator 7 zugeführt. Der erste Katalysator 7 sollte unterhalb einer Temperatur ausreichend zum Aktivieren eines Katalysators liegen. Da keine katalytische Reaktion deshalb an dem ersten Katalysator 7 verursacht wird, wird die Brennstoff-Luft-Mischung in der Flammenverbrennungskammer 9 durch die Zündeinrichtung 11 entflammt. Der zweite Katalysator 14 wird durch die Flamme erwärmt. Der erste Katalysator 7 wird ähnlich in einer Ausströmseite davon erwärmt. Allerdings ist eine Ausströmseite des ersten Katalysators 7 bereits durch die elektrische Heizeinrichtung 44 erwärmt worden, wobei die katalytische Verbrennungsreaktion schnell eine Einströmseite des ersten Katalysators 7 erreicht.
In einer solchen Art und Weise wird die Verbrennung schließlich stabilisiert und ein stationärer Zustand, ähnlich demjenigen der ersten Ausführungsform, wird erreicht. Ein solches System ist effektiv für einen flüssigen Brennstoff und dient zur Vereinfachung einer Struktur.
In Fig. 9 nun ist eine Schnittansicht einer Verbrennungsvorrichtung gemäß einer siebten Ausführungsform der Erfindung dargestellt. Das Bezugszeichen 1 bezeichnet eine Brennstoffzufuhreinheit zum Zuführen eines flüssigen Brennstoffs über eine Brennstoffleitung 18. Das Bezugszeichen 19 bezeichnet eine Verdampfungsheizeinrichtung zum Erwärmen des flüssigen Brennstoffs. Das Bezugszeichen 2 stellt einen Lüfter zum Zuführen von Verbrennungsluft dar. Das Bezugszeichen 20 bezeichnet eine Verdampfungseinheit, die eine Mischplatte 21 enthält.
Das Bezugszeichen 9 stellt eine Flammenverbrennungskammer dar, positioniert in einer Ausströmseite der Verdampfungseinheit 20. Das Bezugszeichen 11 bezeichnet eine Zündeinrichtung zum Zünden einer Brennstoff-Luft-Mischung, die in der Verdampfungseinheit präpariert ist, durch Verwendung einer elektrischen Entladung. Die Zündeinrichtung 11 ist in der Flammenverbrennungskammer 9 eingesetzt. Das Bezugszeichen 10 ist eine Flammenstabilisierungseinheit, angeordnet zwischen der Verdampfungseinheit 10 und der Flammenverbrennungskammer 9.
Das Bezugszeichen 4 stellt eine erste, katalytische Verbrennungskammer, platziert in einer Ausströmseite der Flammenverbrennungskammer 9, dar. Das Bezugszeichen 5 bezeichnet eine Wärmeaufnahmefinne, die in einer inneren Oberfläche der ersten, katalytischen Verbrennungskammer 4 vorsteht. Das Bezugszeichen 7 bezeichnet einen ersten, Katalysator in Form einer dünnen Platte, eingesetzt in der Finne 5, mit einer Beabstandung 6 dazwischen. Das Bezugszeichen 8 bezeichnet einen ersten Wasserkanal, vorgesehen zum Sammeln von Wärme in einem äußeren Umfang der ersten, katalytischen Verbrennungskammer 4 aus einer Aluminiumlegierung.
Das Bezugszeichen 12 bezeichnet eine zweite, katalytische Verbrennungskammer, positioniert in einer Ausströmseite der ersten, katalytischen Verbrennungskammer 4. Das Bezugszeichen 14 stellt einen zweiten Katalysator einer Wabenkonstruktion dar, die einen geometrischen Oberflächenbereich größer als denjenigen des ersten Katalysators 7 erzielt. Der zweite Katalysator 14 ist in der zweiten, katalytischen Verbrennungskammer 12 eingesetzt.
Das Bezugszeichen 15 bezeichnet eine Wärmeaustauschfinne, vorgesehen zum Sammeln von Abwärme in einer Ausströmseite der zweiten, katalytischen Verbrennungskammer 12. Das Bezugszeichen 16 bezeichnet einen zweiten Wasserkanal, eingesetzt zum Austauschen von Wärme in einer äußeren Umfangsoberfläche einer Kammer, die die Finne 15 einsetzt. Der zweite Wasserkanal 16 ist mit dem ersten Wasserkanal 8 verbunden. Das Bezugszeichen 34 bezeichnet einen Bypass, der durch einen zentralen Teil der ersten, katalytischen Verbrennungskammer 4 hindurchführt. Ein Schließventil 35 ist in dem Bypass vorgesehen und wird zwischen Öffnungs- und Schließpositionen mittels eines Antriebselements 36 betätigt. Das Schließventil 35 ist vorzugsweise in einer Ausströmseite des Bypass 34 positioniert. Dies kommt daher, dass die Brennstoff-Luft-Mischung, enthalten in dem Bypass 34, aufgrund einer hohen Temperatur des ersten Katalysators entflammt werden kann, falls das Schließventil 35 in einer Ausströmseite vorgesehen ist. Nun wird eine Betriebsweise der Ausführungsform beschrieben.
Ein flüssiger Brennstoff wird in einen gasförmigen Brennstoff in der Verdampfungseinheit 20, die durch die Verdampfungsheizeinrichtung 19 erwärmt ist, umgeformt. Der gasförmige Brennstoff wird mit Verbrennungsluft von dem Lüfter 2 durch die Mischplatte 21, enthalten in der Verdampfungseinheit 20, gemischt, und bildet eine Brennstoff-Luft-Mischung. Die Mischung fließt in die Flammenverbrennungskammer 9, vorgesehen in einer Ausströmseite in der Fließrichtung davon. Die Mischung, die in die Flammenverbrennungskammer 9 fließt, wird durch die Zündeinrichtung 11 gezündet und liefert eine Flamme. Zu diesem Zeitpunkt wird ein Einlass des Bypass 34, positioniert in einer Ausströmseite der Fließrichtung der Mischung, durch das Schließventil 35 geöffnet. Deshalb werden der erste und der zweite Katalysator 7 und 14 durch die Flamme in der Flammenverbrennungskammer 9 erwärmt.
Wenn der erste und der zweite Katalysator 7 und 14 eine Temperatur von 300 bis 600ºC erreichen, wird eine Zufuhr des Brennstoffs temporär unterbrochen, um die Flamme in der Flammenverbrennungskammer 9 zu löschen. Dann wird, mittels des Antriebselements 36, das Schließventil 35 in dem Einlass des Bypass 34 zu der Schließposition betätigt, und eine Zufuhr des Brennstoffs wird erneut gestartet. In einem solchen Vorgang können, da der erste und der zweite Katalysator 7 und 14 auf eine Temperatur, ausreichend zum Aktivieren, oder auf eine höhere Temperatur, erwärmt werden, der erste und der zweite Katalysator 7 und 14 unmittelbar eine katalytische Verbrennung einleiten, und ein stabiler Zustand wird erreicht.
Wie beschrieben ist, kann, gemäß der Ausführungsform, der erste und der zweite Katalysator 7 und 14 auf eine ausreichend hohe Temperatur unter Verwendung einer einzelnen Zündeinrichtung 11 erwärmt werden.
Wie nun Fig. 10 zeigt, ist dort eine Schnittansicht einer Verbrennungsvorrichtung gemäß einer achten Ausführungsform der Erfindung dargestellt. Das Bezugszeichen 1 bezeichnet eine Brennstoffzufuhreinheit zum Zuführen eines flüssigen Brennstoffs über eine Brennstoffleitung 18. Das Bezugszeichen 2 bezeichnet einen Lüfter zum Zuführen von Verbrennungsluft. Das Bezugszeichen 20 stellt eine Verdampfungseinheit zum Präparieren einer Brennstoff-Luft-Mischung durch Mischen des flüssigen Brennstoffs, der durch die Brennstoffzufuhreinheit 1 zugeführt und verdampft ist, mit der Verbrennungsluft, zugeführt durch den Lüfter 2, dar. Die Verdampfungseinheit 20 ist durch einen Aluminium- oder Eisenguss gebildet. Das Bezugszeichen 19 bezeichnet eine elektrische Heizeinrichtung zum Erwärmen der Verdampfungseinheit 20.
Das Bezugszeichen 30 stellt eine erste Heizeinrichtungskammer, die eine erste, elektrische Heizeinrichtung 31 enthält, dar, die in einer Ausströmseite der Verdampfungseinheit 20 vorgesehen ist. Eine Wärmesammelplatte 37 ist zwischen der ersten Heizeinrichtungskammer 30 und der Verdampfungseinheit 20 befestigt. Die Wärmesammelplatte 37 ist an einem Vorsprung 38 der Verdampfungseinheit 20 mittels einer Schraube 39 befestigt. Eine Seite der Wärmesammelplatte 37 ist mit einer Mehrzahl von Durchgangslöchern 40 versehen und ein Flansch 41 ist in einem Ausströmende davon gebildet. Die Wärmesammelplatte 37 ist durch eine Platte aus rostfreiem Stahl gebildet und trägt einen Katalysator. Das Bezugszeichen 4 bezeichnet eine erste, katalytische Verbrennungskammer, angeordnet in einer Ausströmseite der ersten Heizeinrichtungskammer 30. Das Bezugszeichen 5 bezeichnet eine Wärmeaufnahmefinne, die in einer inneren Oberfläche der ersten, katalytischen Verbrennungskammer 4 vorsteht. Das Bezugszeichen 7 stellt einen ersten Katalysator in der Form einer dünnen Platte, gebildet in der Finne, mit einer Beabstandung 6 dazwischen dar. Das Bezugszeichen 8 bezeichnet einen ersten Wasserkanal, vorgesehen für ein Ansammeln von Wärme in einem äußeren Umfang der ersten, katalytischen Verbrennungskammer 4 aus einer Aluminiumlegierung. Ein Oberflächenbereich der Wärmesammelplatte 37 ist kleiner als derjenige des Katalysators des ersten Katalystors 7.
Das Bezugszeichen 32 bezeichnet eine zweite Heizeinrichtungskammer, angeordnet in einer Ausströmseite der ersten, katalytischen Verbrennungskammer 4. Das Bezugszeichen 33 stellt eine elektrische Heizeinrichtung, eingesetzt in der zweiten Heizeinrichtungskammer 32, dar. Das Bezugszeichen 12 bezeichnet eine zweite, katalytische Verbrennungskammer, angeordnet in einer Ausströmseite der zweiten Heizeinrichtungskammer 32. Das Bezugszeichen 14 stellt einen zweiten Katalysator einer Wabenkonstruktion dar. Der zweite Katalysator 14 ist in der zweiten, katalytischen Verbrennungskammer 12 eingesetzt.
Das Bezugszeichen 15 stellt eine Wärmeaustauschfinne dar, die in einer Ausströmseite der zweiten, katalytischen Verbrennungskammer 12 zum Sammeln von Abwärme vorgesehen ist. Das Bezugszeichen 16 bezeichnet einen zweiten Wasserkanal, eingesetzt in einer äußeren Umfangsfläche einer Kammer, die die Finne 15 für einen Wärmeaustausch einsetzt. Der zweite Wasserkanal 16 ist mit dem ersten Wasserkanal 8 verbunden.
Das Bezugszeichen 42 bezeichnet eine Fühleinheit, positioniert in einer äußeren Oberfläche der Verdampfungseinheit 20, zum Erfassen einer Temperatur innerhalb der Verdampfungseinheit 20. Das Bezugszeichen 43 stellt eine Eingangsenergiesteuereinrichtung zum Kontrollieren der Verdampfungsheizeinrichtung in einer solchen Art und Weise dar, dass die Verdampfungseinheit 20 bei einer Temperatur höher als ein Siedepunkt des flüssigen Brennstoffs gehalten wird, gemäß einem Ergebnis der Erfassung durch die Fühleinheit.
Eine Betriebsweise der Ausführungsform wird nachfolgend beschrieben.
Die Verdampfungsheizeinrichtung 19 und die erste, elektrische Heizeinrichtung 31 werden mit Energie beaufschlagt, und die Verdampfungseinheit 20, die Wärmesammelplatte 37 und der erste Katalysator 7 werden erwärmt. Ein flüssiger Brennstoff, wie Kerosin oder leichtes Öl, wird zu der Verdampfungseinheit 20 zugeführt, wo er in einen gasförmigen Brennstoff transformiert wird, mit Verbrennungsluft, geschickt von dem Lüfter, gemischt wird, und bildet eine Brennstoff-Luft-Mischung:
Die Mischung wird durch die Wärmesammelplatte 37 geführt und beginnt katalytisch an dem ersten Katalysator 7 zu brennen. Gleichzeitig wird eine Reaktion eines Katalysators in der Wärmesammelplatte 37, erwärmt durch die erste, elektrische Heizeinrichtung 31, gestartet. Wärme, die sich aus der Reaktion ergibt, wird von dem Vorsprung 38 zu der Verdampfungseinheit 20 übertragen, und die Verdampfungseinheit 20 wird dadurch erwärmt.
In dem Flansch 41 der Wärmesammelplatte 37 wird ein Erwärmen durch Wärme, abgestrahlt von dem ersten Katalysator 7, erhöht. Wenn die katalytische Reaktion weiter fortschreitet, wird die Wärmesammelplatte 37 auf eine Temperatur von 400 bis 600ºC erwärmt. Die Wärme wird von der Wärmesammelplatte 37 zu der Verdampfungseinheit 20 übertragen.
Dabei besitzt ein metallisches Material, das die Wärmesammelplatte 37 bildet, vorzugsweise eine thermische Leitfähigkeit niedriger als ein metallisches Material, das die Verdampfungseinheit 20 bildet. Falls die Wärmeleitfähigkeit hoch ist, da die Wärme übermäßig von der Wärmesammelplatte zu der Verdampfungseinheit 20 entfernt wird, ergibt sich eine niedrige Temperatur der ersteren, und eine Reaktivität des Katalysators in der Wärmesammelplatte 37 wird reduziert. Dementsprechend ist es vorteilhaft, den Vorsprung 38 in einer Verbindung zwischen der Verdampfungseinheit 20 und der Wärmesammelplatte 37 zum Auswählen eines Kontaktbereichs so vorzusehen, dass die Leitung von Verdampfungswärme optimiert wird.
Um eine Reaktion des Katalysators in der Wärmesammelplatte 37 zu intensivieren, ist es vorteilhaft, Durchgangslöcher 40 in der Wärmesammelplatte 37 vorzusehen. In einem solchen Fall wird die Brennstoff-Luft-Mischung in der vorderen und hinteren Seite der Wärmesammelplatte 37 zur Reaktion gebracht, was zu einer intensivierten Reaktion ebenso wie zu einer Erhöhung eines Wärmewiderstands der Wärmesammelplatte 37 führt, wobei ein voranführendes Ende davon auf eine nähere Temperatur erwärmt wird und eine höhere Reaktivität erhalten wird.
In einer solchen katalytischen Verbrennung trennt, wenn durch die Fühleinheit 42 erfasst wird, dass die Verdampfungseinheit 20 eine spezifizierte Temperatur in der Innenseite erreicht hat, die Eingangsenergiesteuereinrichtung 43 die Verdampfungsheizeinrichtung 19 von der Energie ab. Deshalb schaltet die Eingangsenergiesteuereinrichtung 43 wiederholt die Verdampfungsheizeinrichtung 19 ein und aus, so dass die Verdampfungseinheit 20 auf einer Temperatur höher als der Siedepunkt gehalten wird. In einer solchen Art und Weise kann ein Verbrauch einer elektrischen Energie zur Verdampfung des flüssigen Brennstoffs in der katalytischen Verbrennung reduziert werden.
Die elektrische Heizeinrichtung 44, eingesetzt in der fünften und sechsten Ausführungsform, wird unter Bezugnahme auf Fig. 11 beschreiben, die eine Struktur davon darstellt.
Fig. 11 (b) ist eine Schnittansicht, die entlang einer Linie Z-Z' der Fig. 11(a) vorgenommen ist. Die elektrische Heizeinrichtung 44 kann auch bei anderen Ausführungsformen angewandt werden, bei denen eine elektrische Heizeinrichtung, unterschiedlich zu derjenigen der fünften und sechsten Ausführungsform, verwendet werden. Das Bezugszeichen 45 stellt ein beschichtetes Metallrohr dar. Das Bezugszeichen 46 bezeichnet einen Heizeinrichtungsdraht, der in dem beschichteten Metallrohr 45 enthalten ist. Der Heizeinrichtungsdraht 46 ist von dem beschichteten Metallrohr durch einen Magnesiumoxidisolator 44 isoliert.
Das Bezugszeichen 48 stellt eine Kühlplatte mit einem Wärmeabstrahlelement, gebildet in einer Oberfläche davon, dar. Die Kühlplatte 48 ist mit mehreren Durchgangslöchern versehen. Nun tendiert, wenn die elektrische Heizeinrichtung 44 gegenüberliegend einem Katalysator in einem Durchflusskanal der Brennstoff-Luft-Mischung positioniert wird, die Temperatur um den Katalysator herum dazu, niedrig zu werden. Deshalb kann, durch Bilden der Kühlplatte 48 in der Form eines Kastens, der Boden- und Seitenoberfläche besitzt, und Erhöhen eines Kontaktbereichs mit der Atmosphäre, ein Erwärmen gleichmäßig erreicht werden. Das beschichtete Metallrohr 46 ist mit der Kühlplatte 48 mittels eines Nickellötmittels 49 verbunden.
Durch Positionieren der elektrischen Heizeinrichtung 44 so, dass sie zu dem ersten oder dem zweiten Katalysator 7 oder 14 hinweist, kann der Katalysator vorerwämt werden. Allgemein ist, um eine schnelle Vorerwärmung zu erreichen, eine höhere elektrische Energie für die elektrische Heizeinrichtung erforderlich. Allerdings führt dies zu einem Temperaturanstieg des beschichteten Metallrohrs in der elektrischen Heizeinrichtung, und es ist ein Problem, dass das beschichtete Metallrohr in der Qualität verringert wird. In der elektrischen Heizeinrichtung 44 gemäß der Ausführungsform wird, da das beschichtete Metallrohr 45 mit der Kühlplatte 48 verbunden ist, die zum Erleichtern einer Wärmestrahlung in der Oberfläche behandelt ist, Wärme, die in der Kühlplatte 48 verteilt ist, als abgestrahlte Wärme verteilt. Demzufolge wird die Verringerung in der Qualität des beschichteten Metallrohrs 45 kontrolliert. Deshalb kann ein schnelles Vorwärmen erreicht werden, und die Zeit, die zum Vorwärmen des Katalysators erforderlich ist, wird reduziert. Obwohl die Durchgangslöcher 50 zum Durchführen der Brennstoff-Luft-Mischung dort hindurch vorgesehen sind, kann eine Erwärmungskapazität weiter durch Ausrichten der Löcher in der Nähe des beschichteten Metallrohrs 45 erhöht werden.
Obwohl die Kühlplatte 48 in der Form eines Kastens gebildet ist, der Boden- und Seitenflächen besitzt, kann er in der Form einer flachen Platte vorhanden sein.

Claims

1. Verbrennungsvorrichtung, die aufweist:

eine eine Brennstoff-Luft-Mischung präparierende Einheit (3, 20) mit einer Verbrennungsluft-Zufuhr, um eine Brennstoff-Luft-Mischung zu präparieren; eine erste, katalytische Verbrennungskammer (4), einsetzend einen ersten Katalysator (7), um katalytisch die Mischung zu verbrennen, und eine erste Wärmesammeleinheit (5) zum Sammeln der thermischen Energie, erzeugt während der katalytischen Verbrennung der Mischung durch den ersten Katalysator (7), wobei die erste Wärmesammeleinheit (5) eine Mehrzahl von Finnen ist, die eine Oberfläche zum Sammeln der thermischen Energie haben, und wobei der gesamte oder ein Teil des ersten Katalysators (7) entlang der Finne mit einer vorbestimmten Beabstandung (6) zwischen der Finne und dem ersten Katalysator positioniert ist, und die Beabstandung (6) schmaler als die Beabstandung (17), gebildet zwischen angrenzenden Teilen des ersten Katalysators, ist; und

eine zweite, katalytische Verbrennungskammer (12), die einen zweiten Katalysator (14) einsetzt, um katalytisch die Mischung zu verbrennen, die nicht katalytisch durch den ersten Katalysator (7) verbrannt ist, wobei die zweite, katalytische Verbrennungskammer (12) in einer Auslassseite der ersten, katalytischen Verbrennungskammer (4) angeordnet ist, wobei der zweite Katalysator (14) einen Oberflächenbereich größer als denjenigen des ersten Katalysators (7) besitzt, wobei eine zweite Wärmesammeleinheit (15) in einer Auslassseite der zweiten, katalytischen Verbrennungskammer (4) zum Sammeln der thermischen Energie angeordnet ist, erzeugt während der katalytischen Verbrennung der Restmischung durch den zweiten Katalysator (7).

2. Verbrennungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei:

die die Brennstoff-Luft-Mischung präparierende Einheit (20) eine Verdampfungseinheit (20) zum Bilden einer Verdampfungsheizeinrichtung (19) zum Verdampfen eines flüssigen Brennstoffs und zum Mischen des verdampften Brennstoffs und von Verbrennungsluft ist;

eine Wärmesammelplatte (37) in einer Ausströmseite der Verdampfungseinheit (20) angeordnet ist, wobei eine katalytische Schicht in der gesamten oder einem Teil der Wärmesammelplatte (37) beschichtet ist, wobei ein Teil der Wärmesammelplatte (37) mit der Verdampfungseinheit (20) verbunden ist, wobei Wärme der Wärmesammelplatte (37) zu der Verdampfungseinheit (20) übertragen wird;

die katalytische Verbrennungskammer (4) in einer Ausströmseite der Wärmesammelplatte (37) angeordnet ist;

eine Fühleinheit (42) zum Erfassen einer Temperatur innerhalb der Verdampfungseinheit (20) vorgesehen ist; und

eine Energiesteuereinrichtung (43) zum Steuern der Verdampfungsheizeinrichtung (19) auf der Basis der erfassten Temperatur vorgesehen ist.

3. Verbrennungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei:

der erste Katalysator (7) ein erstes Basiselement, hergestellt aus einem Metall, und eine katalytische Schicht, die in dem gesamten oder einem Teil des ersten Basiselements beschichtet ist, besitzt; und

der zweite Katalysator (14) ein zweites Basiselement, hergestellt aus einer Keramik, und eine katalytischen Schicht, die in dem gesamten oder einem Teil des zweiten Basiselelements beschichtet ist, besitzt.

4. Verbrennungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Verbrennungsenergie der ersten, katalytischen Verbrennungskammer (4) größer als diejenige der zweiten, katalytischen Verbrennungskammer (12) ist.

5. Verbrennungsvorrichtung nach Anspruch 1, die eine erste Wärmeentfernungseinheit (8), befestigt an der äußeren Oberfläche der ersten, katalytischen Verbrennungskammer (4), zum Entfernen der thermischen Energie, die durch die erste Wärmesammeleinheit (5) gesammelt ist, zu der Außenseite aufweist.

6. Verbrennungsvorrichtung nach Anspruch 1, die aufweist:

eine zweite Wärmesammeleinheit (15) zum Sammeln der thermischen Energie, enthalten in dem Abgas, das von der zweiten, katalytischen Verbrennungskammer (12) emittiert wird, wobei die zweite Wärmesammeleinheit (15) in einer Auslassseite der zweiten, katalytischen Verbrennungskammer (12) angeordnet ist; und

eine zweite Wärmeentfernungseinheit (16) zum Entfernen der thermischen Energie; gesammelt durch die zweite Wärmesammeleinheit (15), zu einer Außenseite, wobei die zweite Wärmeentfernungseinheit (16) an einer äußeren Oberfläche einer Kammer befestigt ist, in der die zweite Wärmesammeleinheit (15) eingesetzt ist.

7. Verbrennungsvorrichtung nach Anspruch 1, die eine erste Flammenverbrennungskammer (24, 9), die eine erste Zündeinrichtung (23, 11) einsetzt, aufweist, wobei die erste FIammenverbrennungskammer (24, 9) zwischen der die Brennstoff-Luft-Mischung präparierenden Einheit (20, 3) und der ersten, katalytischen Verbrennungskammer (4) angeordnet ist.

8. Verbrennungsvorrichtung nach Anspruch 1, die eine erste Heizkammer (30, 28) aufweist, die eine erste Heizeinrichtung (31, 44) einsetzt, wobei die erste Heizkammer (30, 28) zwischen der die Brennstoff-Luft-Mischung präparierenden Einheit (20, 3) und der ersten, katalytischen Verbrennungskammer (4) angeordnet ist.

9. Verbrennungsvorrichtung nach Anspruch 1, die eine zweite Flammenverbrennungskammer (9, 27) aufweist, die eine zweite Zündeinrichtung (11, 26) einsetzt, wobei die zweite Flammenverbrennungskammer (9, 27) zwischen der ersten (4) und der zweiten (12) katalytischen Verbrennungskammer angeordnet ist.

10. Verbrennungsvorrichtung nach Anspruch 1, die eine zweite Heizkammer (28, 32) aufweist, die die zweite Heizeinrichtung (29, 33, 44) einsetzt, wobei die zweite Heizkammer (28, 32) zwischen der ersten (4) und der zweiten (12) katalytischen Verbrennungskammer angeordnet ist.