Stand der Technik
[0001] Die Erfindung geht aus von einem Wassererhitzer mit einem katalytischen Brenner nach
der Gattung des Hauptanspruchs. Bei bekannten Wassererhitzern dieser Gattung (DE 42
04 320 C1, Figur 2) ist der monolytische Katalysator einer zweiten Verbrennungsstufe
zugeordnet und die erste Verbrennungsstufe mit einem Spaltbrenner versehen, in welchem
ein Brenngas-Luftgemisch durch ringförmige Verbrennungsspalte zwischen einer katalytisch
beschichteten und einer keramisch beschichteten Wand einer Wasserkammer strömt. Im
monolytischen Katalysatorkörper der zweiten Verbrennungsstufe soll die Reaktion möglichst
im zentralen Bereich der Trägerstruktur stattfinden, damit die hohen Temperaturen
in diesem Bereich auch bei geringen Konzentrationen des Brenngases ausgenutzt werden
und ein großer Teil der Reaktionswärme über das Abgas in einen Abgaswärmetauscher
gelangt. Zu diesem Zweck besteht die Trägerstruktur aus Keramik, wobei die äußere,
an die Wand der Wasserkammer grenzende Keramikschicht durch eine Ringblende gegenüber
dem anströmenden Reaktionsgemisch abgeschirmt ist. Demgegenüber soll im Spaltbrenner
der ersten Verbrennungsstufe an die Wasserkammer soviel Wärme übertragen werden, daß
die Reaktionstemperatur gehalten, jedoch nicht in einen Bereich ansteigen kann, in
dem eine nennenswerte NO
x-Bildung eintritt. Zu diesem Zweck ist die den Verbrennungsspalt begrenzende Wand
der Wasserkammer mit der Keramikschicht überzogen und durch den Verbrennerspalt von
der Katalysatorschicht entfernt.
[0002] Der gleiche Gedanke einer Wärmedämmung liegt einem katalytischen Brenner zugrunde,
bei welchem zwischen einem Verbrennerspalt und einer Wasserkammer ein Spalt zum Zuführen
von Verbrennungsluft angeordnet ist, der eine zu starke Wärmeabstrahlung an die Wasserkammer
verhindert (DE 43 06 722 C1). Ferner ist ein einstufiger katalytischer Brenner bekannt
(Zeitschrift Sanitär - und Heizungstechnik 1992, Heft 12, S. 878 - 880) bei welchem
ein poröser, zylindrischer Faserkörper einen axialen Eingangskanal für ein Brennstoff-Luftgemisch
hat und am Mantelumfang mit einem katalytisch beschichteten Netz umhüllt ist. Das
in den Faserkörper axial eingeblasene und in diesem radial umgelenkte Gemisch reagiert
mit der Katalysatorschicht am Netz, wonach die Verbrennungsgase durch einen Ringspalt
zwischen dem Netz und einer Wasserkammer zu einem nachgeschalteten Abgaswärmetauscher
strömen. Auch bei dieser Ausführung wird eine zu starke Kühlung des Katalysatorkörpers
durch den Ringspalt zwischen diesem und der Wasserkammer vermieden.
Vorteile der Erfindung
[0003] Bei der erfindungsgemäßen Anordnung mit den kennzeicbnenden Merkmalen des Hauptanspruchs
wird die überschüssige Wärme im Katalysatorkörper über dessen Trägerstruktur unmittelbar
an die Wasserkammer abgeführt, wobei durch entsprechende Bemessung bzw. Gestaltung
des Katalysatorkörpers und Abstimmung mit anderen Parametern die Abkühlung in den
gewünschten Grenzen gehalten wird. Der Brenner kommt mit wenigen Einzelteilen aus,
wobei in vielen Fällen auf eine zweistufige Ausführung verzichtet werden kann.
[0004] Die Trägerstruktur des Katalysatorkörpers kann beispielsweise aus gesinterten Metallteilen
(vorzugsweise kugelförmig) oder aus einem Drahtgeflecht bestehen. Bei der Verwendung
eines Drahtgeflechts ist dieses zweckmäßig durch Sintern oder durch ein anderes Verfahren
verfestigt. Ferner kann die Trägerstruktur auch aus einem mit durchgehenden Löchern
bzw. Bohrungen versehenen metallischen Körper bestehen. Auf die Trägerstruktur ist
die katalytische Schicht in bekannter Weise, mittels Wash-Coat aufgebracht. Als katalytische
Schichten kommen Metalle der Platingruppe oder Oxide, z.B. Chromoxide und Mischoxide
in Frage.
[0005] Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Merkmale sind vorteilhafte Ausgestaltungen
und Weiterbildungen der Anordnung nach dem Hauptanspruch möglich.
[0006] Die Wärmeabfuhr vom Katalysatorkörper auf die Wasserkammer kann vorteilhaft dadurch
beeinflußt und an das Betriebsverhalten des Katalysators angepaßt werden, wenn die
in Strömungsrichtung des Brennstoff-Luftgemisches gemessene Länge der Berührungsfläche
von Katalysatorkörper und Wasserkammer gegenüber der Gesamtlänge des Katalysatorkörpers
verkürzt ausgeführt ist. Dadurch wird ein großer Temperaturgradient im Bereich der
wärmeabführenden Zone des Katalysatorkörpers erreicht, ohne daß sich zu hohe Katalysatortemperaturen
in den weiter von der Wasserkammer entfernten Bereichen des Katalysatorkörpers einstellen.
[0007] Dem gleichen Zweck dient es, wenn der Katalysatorkörper durch entsprechende Ausbildungen
der Trägerstruktur in dem an der Berührungsfläche mit der Wasserkammer liegenden Bereich
eine kleinere Wärmeleitfähigkeit hat als in den weiter davon entfernten Bereichen.
Die Trägerstruktur kann vorteilhaft so ausgebildet sein, daß sich die Wärmeleitfähigkeit
des Katalysatorkörpers kontinuierlich über dessen Radius ändert. Die unterschiedliche
Leitfähigkeit kann beispielsweise durch unterschiedliche Korngrößen bzw. Drahtdurchmesser,
durch Beeinflußung des Sintervorgangs oder durch unterschiedliche Loch- bzw. Bohrungsabstände
oder -durchmesser realisiert werden.
[0008] Eine zu starke Abkühlung des an die Berührungsfläche mit der Wasserkammer angrenzenden
Bereichs des Katalysatorkörpers und eine dadurch verursachte unvollständige Reaktion
der Verbrennungskomponenten kann verhindert werden, wenn der Katalysatorkörper am
ausgangsseitigen Ende der Berührungsfläche mit einer die Gemischströmung in diesem
Bereich behindernden Barriere versehen ist.
[0009] Beim Start des Brenners kann die Aufheizung des Katalysatorkörpers auf Betriebstemperatur
durch Entflammen des aus dem Katalysatorkörper austretenden Brennstoff Luftgemisches
erfolgen. Die entstehende Flamme sitzt auf dem Katalysatorkörper auf und erwärmt dessen
Oberfläche, bis sich nach einer gewissen Zeit der Katalysatorkörper soweit erwärmt
hat, daß die katalytische Verbrennung in Gang kommt und die Reaktion nur noch im Katalysatorkörper
stattfindet. Diese Methode der Aufheizung auf Betriebstemperatur ist energiesparender
als die bekannte Maßnahme, das dem Brenner zugeführte Brennstoff-Luftgemisch elektrisch
vorzuheizen.
[0010] Damit der beim Start des Brenners bestehende Flammensaum genügend Wärme an den Katalysatorkörper
übertragen kann, darf die spezifische Flächenbelastung einen Wert von ca. 30 W/cm²
nicht überschreiten. Um diesen Wert einzuhalten, ohne den Durchmesser des Katalysatorkörpers
aus diesem Grunde vergrößern zu müssen, wird vorgeschlagen, die ausgangsseitige Stirnwand
des Katalysatorkörpers kegelstumpfförmig auszubilden und dadurch die Fläche bei gleichem
Außendurchmesser gegenüber einer ebenen Ausführung zu vergrößern.
[0011] Eine kompakte Ausführung des Wassererhitzers ergibt sich, wenn eine den Katalysatorkörper
zentral durchsetzende erste Wasserkammer und eine ihn außen umschließende zweite Wasserkammer
vorgesehen wird.
Zeichnung
[0012] Sieben Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes sind in der Zeichnung dargestellt
und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Die Figuren 1 bis 7 zeigen
vereinfacht je eines der Ausführungsbeispiele im Längsschnitt.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
[0013] Der Wassererhitzer nach Figur 1 hat ein mit einem Isoliermantel versehenes Gehäuse
10, in welches ein als zylinderförmiger Block ausgebildeter monolytischer Katalysatorkörper
12 eingesetzt ist. Dieser umschließt eine Wasserkammer 14, die im Zuge einer Warmwasserleitung
16, 18 liegt. Das Gehäuse 10 hat unten einen Einlaß 20 für ein Brennstoff -Luftgemisch,
welches nach der Reaktion im Katalysatorkörper 12 als Abgas durch einen Abgaswärmetauscher
22 strömt.
[0014] Der Katalysatorkörper 12 hat eine durchgehend metallene Trägerstruktur 24, deren
Durchgangsöffnungen von mit einer katalytischen Schicht überzogenen Wänden begrenzt
sind. Die Trägerstruktur 24 liegt unmittelbar an einem metallisch blanken Metallabschnitt
26 der Wasserkammer 14 an, so daß zwischen den Teilen ein guter Wärmekontakt besteht.
An der ausgangsseitigen Stirnwand 28 des Katalysatorkörpers 12 ist eine Barriere 30
in Form einer den Wandabschnitt 26 umschließenden Ringscheibe vorgesehen, die eine
unvollständige Reaktion in dem der Wasserkammer 14 benachbarten inneren Bereich des
Katalysatorkörpers 12 verhindert. Die Barriere 30 ist so bemessen, daß an ihrem Rand
mindestens die Reaktionstemperatur des Katalysators erreicht wird.
[0015] Über der Stirnwand 28 des Katalysatorkörpers 12 ist ein Elektrodenpaar 32 angeordnet,
über welches beim Start des Brenners das zugeführte Brennstoff-Luftgemisch entzündet
wird. Die entstehende Flamme sitzt auf der Stirnwand 28 auf, wodurch sich der Katalysatorkörper
12 soweit erwärmt, daß die katalytische Verbrennung in Gang kommt und die Reaktion
nur noch im Katalysatorkörper 12 stattfindet. Dieser gibt nun einen Teil der Reaktionswärme
an das durchfließende Wasser ab, das im Abgaswärmetauscher 22 durch die Restwärme
weiter aufgeheizt wird. Durch entsprechende Abstimmungen von Größe und Gestalt des
Katalysatorkörpers 12 mit der Größe des Wandabschnittes 26 der Wasserkammer 14, der
Durchströmgeschwindigkeit des Wassers und weiterer Parameter ist der Wärmeübergang
vom Katalysatorkörper 12 auf die Wasserkammer 14 so bestimmt bzw. begrenzt, daß der
Katalysatorkörper 12 nicht unter die zur vollständigen Reaktion notwendige Temperatur
abkühlt.
[0016] Der Wassererhitzer nach Figur 2 unterscheidet sich vom vorbeschriebenen Ausführungsbeispiel
lediglich dadurch, daß ein monolytischer Katalysatorkörper 34 durch eine kegelstumpfförmig
ausgeführte Stirnwand 36 begrenzt ist, die bei gleichem Außendurchmesser eine größere
Fläche als die ebene Stirnwand 28 nach Figur 1 hat. Dadurch ist erreicht, daß der
beim Start des Brenners entstehende Flammensaum die Stirnwand 36 weniger thermisch
belastet bzw. mehr Wärme an den Katalysatorkörper 34 übertragen kann, als es bei der
Ausführung nach Figur 1 der Fall ist.
[0017] Der Wassererhitzer nach Figur 3 unterscheidet sich vom Ausführungsbeispiel nach Figur
2 lediglich dadurch, daß ein Katalysatorkörper 38 mit der Wasserkammer 14 nur über
einen metallisch blanken Wandabschnitt 40 in wärmeleitender Verbindung steht, dessen
axiale Länge L₁ in Folge einer zentralen Aussparung 42 im Katalysatorkörper 38 wesentlich
kürzer als dessen axiale Gesamtlänge L₂ ist. Bei dieser Ausführung wird ein großer
Temperaturgradient im Bereich der wärmeabführenden Zone 44 erreicht, ohne daß sich
zu hohe Katalysatortemperaturen in den weiter entfernten Bereichen 46 einstellen.
[0018] Der Wassererhitzer nach Figur 4 unterscheidet sich von jenem nach Figur 1 lediglich
dadurch, daß außer einer inneren Wasserkammer 14 eine bezüglich der Wasserströmung
parallel dazu angeordnete äußere Wasserkammer 48 im Zuge der Warmwasserleitung 16,
18 vorgesehen ist. Der Katalysatorkörper 12 steht mit der äußeren Wasserkammer 48
über einen metallisch blanken Wandabschnitt 50 in gutem Wärmekontakt, wobei zur Verhinderung
einer unvollständigen Reaktion in dem angrenzenden Bereich des Katalysatorkörpers
12 dieser durch eine ringförmige Barriere 52 abgedeckt ist.
[0019] Der Wassererhitzer nach Figur 5 ist ebenfalls mit zwei Wasserkammern 14 und 48 und
mit einem monolytischen Katalysatorkörper 54 versehen, der wie bei dem Ausführungsbeispiel
nach den Figuren 2 und 3 eine kegelstumpfförmige Stirnwand 36 hat. Aufgrund dieser
Ausbildung der Stirnwand 36 und einer von der unteren Stirnseite ausgehenden zentralen
Ausnehmung 56 steht der Katalysatorkörper 44 nur über kurze Wandabschnitte 58, 60
mit den Wasserkammern 14, 48 in metallischer wärmeleitender Berührung, wodurch sich
die gewünschten großen Temperaturgradienten im Bereich der wärmeabführenden Zonen
ergeben.
[0020] Der Wassererhitzer nach Figur 6 unterscheidet sich von der Ausführung nach Figur
1 dadurch, daß ein monolytischer Katalysatorkörper 62 eine Trägerstruktur 64 hat,
deren Durchgangsöffnungen als feine Bohrungen bzw. Löcher 66 ausgebildet sind, deren
Wände mit einer katalytisch wirksamen Schicht überzogen sind. Eine ähnliche Trägerstruktur
hat ein Katalysatorkörper 68 eines in Figur 7 dargestellten Wassererhitzers, der wie
die Ausführungen nach den Figuren 4 und 5 zwei Wasserkammern 14 und 48 hat und diese
durch entsprechende Formgebung nur an verkürzten Wandabschnitten 70, 72 berührt.
1. Wassererhitzer mit einem katalytischen Brenner, der einen Katalysatorkörper hat, dessen
in einer Trägerstruktur gebildete Durchgangsöffnungen für ein Brennstoff-Luftgemisch
von mit einer katalytisch wirksamen Schicht überzogenen Wänden begrenzt sind, und
ferner mit mindestens einer vom aufzuheizenden Wasser durchströmten Kammer, die einen
dem Katalysatorkörper zugekehrten, von der katalytischen Reaktionswärme beaufschlagten
aktiven Wandabschnitt hat, dadurch gekennzeichnet, daß der Katalysatorkörper (12,
34, 38, 54, 62, 68) eine durchgehend metallische Trägerstruktur (24, 64) hat, die
in unmittelbarem Wärmekontakt mit einer Wand (26, 40, 50, 58, 60, 70, 72) der Wasserkammer
(14, 48) steht.
2. Wassererhitzer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die in Strömungsrichtung
des Brennstoff-Luftgemisches gemessene Länge der Berührungsfläche von Katalysatorkörper
(38, 54, 68) und Wasserkammer (14, 48) gegenüber der Gesamtlänge des Katalysatorkörpers
(38, 54, 68) verkürzt ausgeführt ist.
3. Wassererhitzer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Katalysatorkörper
durch entsprechende Ausbildung der Trägerstruktur in dem an die Berührungsfläche mit
der Wasserkammer liegenden Bereich eine kleinere Wärmeleitfähigkeit hat als in den
weiter davon entfernten Bereichen.
4. Wassererhitzer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß
der Katalysatorkörper (12, 34, 38, 54) am ausgangsseitigen Ende der Berührungsfläche
mit der Wasserkammer (14, 48) mit einer die Gemischströmung in dem an die Berührungsfläche
angrenzenden Bereich behindernden Barriere (30, 52) versehen ist.
5. Brenner nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufheizung
des Katalysatorkörpers (12, 34, 38, 54, 62, 68) auf Betriebstemperatur durch Entflammung
des aus dem Katalysatorkörper austretenden Brennstoff-Luftgemischs erfolgt.
6. Brenner nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die ausgangsseitige Stirnwand
(36) des Katalysatorkörpers (34, 38, 54) kegelstumpfförmig ausgebildet ist.
7. Brenner nach einem der vorhergehenden Ansprüche gekennzeichnet durch eine den Katalysatorkörper
(12, 54, 68) zentral durchsetzende Wasserkammer (14) und eine den Katalysatorkörper
außen umschließende zweite Wasserkammer (48).