EP0578131A1

EP0578131A1 - Hot water heater with catalytic bruner

Info

Publication number: EP0578131A1
Application number: EP93110501A
Authority: EP
Inventors: Hartmut Dipl.-Ing. Assmann; Achim Dipl.-Ing. Busch; Hans-Joachim Dipl.-Ing. Faust; Rainer Dipl.-Ing. Jakob; Heinrich Dipl.-Ing. Oehlen; Chaled Dr.-Ing. Shaker
Original assignee: Buderus Heiztechnik GmbH
Current assignee: Bosch Thermotechnik GmbH
Priority date: 1992-07-10
Filing date: 1993-07-01
Publication date: 1994-01-12
Also published as: CZ138193A3; CZ279359B6

Abstract

In catalytic combustion, a fuel gas/air mixture burns when it comes into contact with a catalytic layer. Combustion takes places without flames at temperatures of between 800 and 1000 DEG C. To initiate the reaction, a stand-by temperature of about 300 to 350 DEG C must be achieved. For this purpose, the fuel gas/air mixture should be preheated. Preheating is effected either by means of a gas burner (8), the combustion chamber (7) of which is arranged underneath the distribution chamber (6) of the catalytic burner (2), or by means of a premix burner (14, 15), which is mounted in an internal pipe (3) of a catalytic pyrolysis burner (2). After preheating, it is possible, for relatively low output requirements, to operate the pyrolysis burner (4) alone or, for higher requirements, to operate the premix burner (14, 15) as well. <IMAGE>

Description

Die Erfindung betrifft einen Warmwasserbereiter nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
Ein Warmwasserbereiter dieser Art ist der DE-PS 251 567 zu entnehmen. In einem Wasserraum sitzen katalytische Brenner, die eine flammenlose Verbrennung an einer Katalysatorschicht ermöglichen. Die Verbrennung erfolgt bei solchen Brennern bei relativ niedrigen Temperaturen zwischen 800 und 1000° C, bei denen eine NO_x-Bildung unterbleibt. Die in dieser Schrift beschriebenen Brenner bestehen aus porösen, auf der Außenseite mit der katalytischen Masse beschichteten Brennerrohren, durch die das Brenngas von innen nach außen hindurchgepreßt wird. An der Oberfläche verbindet es sich mit der hier vorbeiströmenden Verbrennungsluft und verbrennt dann flammenlos, sofern die Zündtemperatur überschritten ist. Der Brenner selbst dient dabei als Vorheizvorrichtung, in dem zunächst das durchströmende Brenngas mit offener Flamme verbrannt wird. Nachdem der Katalysator ausreichend temperiert ist, wird die Gaszufuhr kurz unterbrochen und anschließend der katalytische Verbrennungsvorgang eingeleitet.
Die nicht vorveröffentlichte P 42 22 711.9-13 beschreibt ebenfalls einen katalytischen Brenner mit einer Vorheizvorrichtung, die mit den Brenngasen selbst betrieben wird. Dabei ist der katalytische Brenner als Spaltbrenner zwischen einem Hohlkörper und dem Wassermantel gestaltet. Die Vorheizvorrichtung besteht aus einem am Eintrittsende des katalytischen Brenners angeordneten Gasbrenner. Dessen Verbrennungsgase strömen durch den inneren
Hohlkörper bis dieser die ausreichende Betriebstemperatur von etwa 300 - 350° C erreicht hat. Dann wird die Zufuhr des Brenngas-Luft-Gemisches auf den katalytischen Brenner umgeschaltet.The invention relates to a water heater according to the preamble of claim 1.
A water heater of this type can be found in DE-PS 251 567. There are catalytic burners in a water space, which enable flameless combustion on a catalyst layer. The combustion takes place in such burners at relatively low temperatures between 800 and 1000 ° C, at which NO _x formation does not occur. The burners described in this document consist of porous burner tubes coated on the outside with the catalytic mass, through which the fuel gas is forced from the inside to the outside. On the surface it connects with the combustion air flowing past and then burns flameless if the ignition temperature is exceeded. The burner itself serves as a preheating device in which the fuel gas flowing through is first burned with an open flame. After the catalytic converter has reached a sufficient temperature, the gas supply is briefly interrupted and then the catalytic combustion process is initiated.
The unpublished P 42 22 711.9-13 also describes a catalytic burner with a preheating device that is operated with the fuel gases themselves. The catalytic burner is designed as a slit burner between a hollow body and the water jacket. The preheater consists of a gas burner located at the inlet end of the catalytic burner. Its combustion gases flow through the interior
Hollow body until it has reached the sufficient operating temperature of around 300 - 350 ° C. Then the supply of the fuel gas-air mixture is switched to the catalytic burner.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Warmwasserbereiter mit katalytischem Brenner zu schaffen, bei dem eine effektive Vorheizung erfolgt und der flexibel auf unterschiedliche Leistungsanforderungen reagieren kann.The invention has for its object to provide a water heater with a catalytic burner, in which there is an effective preheating and can respond flexibly to different performance requirements.

Der erfindungsgemäße Wassererwärmer besitzt die im Kennzeichen des Patentanspruches 1 genannten Merkmale.
Das Vorheizen des katalytischen Brenners erfolgt durch einen am Eintrittsende des Brenners angeordneten Gasbrenner oder durch einen im Brenner selbst angeordneten Vormischbrenner, der , der seine Wärme über eine Wärmetauscherwand zum katalytischen Brennerbereich überträgt. Die aus der DE-PS 251 567 bekannte zeitliche Reihenschaltung des Vorheizbrenners und des katalytischen Brenners konnte eine Flammenbildung während der katalytischen Betriebsphase nicht ganz ausschließen, weil die Verbrennung in beiden Fällen auf derselben Seite erfolgte. Gemäß der Erfindung werden die beiden Bereiche jedoch mit Absicht durch eine Wärmetauscherwand getrennt. Insbesondere die Verwendung eines Vormischbrenners führt nicht nur zu einer optimalen Verbrennung mit niedrigen, umweltschädlichen Emissionen, sondern er sorgt auch für ein sehr schnelles Erzielen der angestrebten Betriebstemperaturen des katalytischen Brenners. Der Vormischbrenner beaufschlagt nämlich den als Brennkammer dienenden Hohlkörper des Brenners direkt und bringt diesen dadurch in kürzester Zeit auf Temperatur.
Der Gasbrenner oder der Vormischbrenner kann in der bekannten Weise nur zur Vorheizung des katalytischen Brenners genutzt werden. Zu diesem Zweck kann er über ein Umschaltventil automatisch von der Zufuhr des Brenngas-Luft-Gemisches abgesperrt werden, wenn an der Katalysatorschicht die erforderliche Betriebstemperatur von etwa 300 bis 350° C erreicht ist.
Ein besonderer Vorteil besteht jedoch darin, insbesondere den Vormischbrenner bei erhöhter Leistungsanforderung gemeinsam mit dem katalytischen Brenner zu betreiben. Der katalytische Brenner kann dabei in modulierender Betriebsweise den Grundwärmebedarf, etwa eines Niedrig-Energiehauses, decken. Sobald jedoch ein Spitzenwärmebedarf, etwa bei der Brauchwasserentnahme, auftritt, wird der Vormischbrenner hinzugeschaltet. Der Vormischbrenner hat in diesem Fall eine zweifache Funktion. Er dient zum Starten des katalytischen Brenners und bei Bedarf zum Abdecken einer Spitzenlast.The water heater according to the invention has the features mentioned in the characterizing part of claim 1.
The catalytic burner is preheated by a gas burner arranged at the inlet end of the burner or by a premix burner arranged in the burner itself, which transfers its heat to the catalytic burner area via a heat exchanger wall. The temporal series connection of the preheating burner and the catalytic burner known from DE-PS 251 567 could not completely rule out flame formation during the catalytic operating phase because the combustion took place on the same side in both cases. According to the invention, however, the two areas are deliberately separated by a heat exchanger wall. In particular, the use of a premix burner not only leads to optimal combustion with low, environmentally harmful emissions, but also ensures that the desired operating temperatures of the catalytic burner are achieved very quickly. The premix burner acts directly on the hollow body of the burner which serves as the combustion chamber and thereby brings it to temperature in the shortest possible time.
The gas burner or the premix burner can only be used in the known manner for preheating the catalytic burner. For this purpose, it can be automatically shut off from the supply of the fuel gas-air mixture via a changeover valve when the required operating temperature of about 300 to 350 ° C. has been reached on the catalyst layer.
A particular advantage, however, is to operate the premix burner together with the catalytic burner when there is an increased power requirement. In a modulating mode of operation, the catalytic burner can cover the basic heat requirement, for example of a low-energy house. However, as soon as there is a need for peak heat, for example when drawing off process water, the premix burner is switched on. The premix burner has a dual function in this case. It is used to start the catalytic burner and, if necessary, to cover a peak load.

Es empfiehlt sich, den katalytischen Brenner modulierend zu betreiben. So könnte er beispielsweise zwischen 6 und 12 kW stufenlos den Grundwärmebedarf eines Hauses abdecken. Bei einer Brauchwasserentnahme kann dann der Vormischbrenner mit beispielsweise 13 kW hinzugeschaltet werden, wobei auch in diesem gehobenen Leistungsbereich der katalytische Brenner modulierend betrieben werden kann. Der gesamte Leistungsbereich bis zu einer Spitzenlast ist auf diese Weise stufenlos abgedeckt.
In der praktischen Ausführung empfiehlt es sich, den Brenner zur Ausbildung eines Verbrennungsspaltes aus ineinander gefügten Rohren zu gestalten. Bei einem Vormischbrenner als Vorheizvorrichtung dient das innere Rohr dabei als Brennkammer des Vormischbrenners. Um einen gewissen Druckausgleich zu erzielen, empfiehlt es sich, dieses Rohr aus porösem Material zu fertigen.
Bei einem Gasbrenner als Vorheizvorrichtung wird unterhalb des Wasserraumes eine zum Verbrennungsspalt des katalytischen Brenners führende Verteilkammer für das Brenngas-Luft-Gemisch und unter dieser der Brennraum des Gasbrenners angeordnet. Das Brenngas-Luft-Gemisch gelangt in die Verteilkammer und von dort in den Spalt bzw. die Spalte des katalytischen Brenners. Über ein vorgeschaltetes Umschaltventil kann das Gemisch dem Brennraum des Gasbrenners zugeführt werden. Hier zündet es und verbrennt mit einer sichtbaren Flamme. Die entstehenden Heizgase heizen die Trennwand auf, die gleichzeitig Träger der Katalysatorschicht ist. Wenn dort die Reaktionstemperatur erreicht ist, wird die Zufuhr zum Gasbrenner abgesperrt. In diesem Fall dient das innere Rohr des Brenners als Heizgaszug für die Heizgase des Gasbrenners.It is advisable to operate the catalytic burner in a modulating manner. For example, between 6 and 12 kW, it could continuously cover the basic heating requirements of a house. In the case of a domestic water withdrawal, the premix burner can then be switched on, for example with 13 kW, and the catalytic burner can also be operated in a modulating manner in this higher power range. The entire performance range up to a peak load is continuously covered in this way.
In the practical version, it is advisable to design the burner to form a combustion gap from tubes that are joined together. In the case of a premix burner as a preheating device, the inner tube serves as the combustion chamber of the premix burner. In order to achieve a certain pressure equalization, it is advisable to manufacture this tube from porous material.
In the case of a gas burner as a preheating device, a distribution chamber for the fuel gas-air mixture leading to the combustion gap of the catalytic burner and below this the combustion chamber of the gas burner are arranged below the water chamber. The fuel gas-air mixture enters the distribution chamber and from there into the gap or the column of the catalytic burner. The mixture can be fed to the combustion chamber of the gas burner via an upstream changeover valve. Here it ignites and burns with a visible flame. The resulting heating gases heat up the partition, which is also the carrier of the catalyst layer. When the reaction temperature is reached there, the supply to the gas burner is shut off. In this case, the inner tube of the burner serves as a heating gas flue for the heating gases of the gas burner.

Die Zeichnung stellt zwei Ausführungsbeispiel der Erfindung dar. Es zeigt:

Fig. 1 :: Einen vertikalen Schnitt durch einen Wassererwärmer mit einem Gasbrenner als Vorheizvorrichtung,
Fig. 2 :: Einen vergrößerten Ausschnitt aus Fig. 1,
Fig. 3 :: Einen vertikalen Schnitt durch einen Wassererwärmer mit einem Vormischbrenner als Vorheizvorrichtung und
Fig. 4.:: Einen Ausschnitt aus Fig. 3 mit einem Vormisch-Flächenbrenner.

The drawing shows two exemplary embodiments of the invention. It shows:

Fig. 1:: A vertical section through a water heater with a gas burner as a preheater,
Fig. 2:: An enlarged section from Fig. 1,
Fig. 3:: A vertical section through a water heater with a premix burner as a preheater and
Fig. 4 .:: A section from FIG. 3 with a premix surface burner.

Ein Wasserraum 1 wird von mehreren Brennern 2 aus konzentrisch ineinander angeordneten Rohren 3, 4 durchsetzt. Zwischen den Rohren 3, 4 ist ein Verbrennungsspalt 5 gebildet, in welchem das durchströmende Brenngas-Luft-Gemisch katalytisch bei Temperaturen zwischen 800 und 1000° C flammenlos verbrennt.
Um diese Reaktion zu bewirken, ist vorzugsweise auf das innere Rohr 3 eine Katalysatorschicht aufgetragen. Durch das äußere Rohr 4 erfolgt der Wärmeübergang auf das umgebende Wasser im Wasserraum 1.
Für das Starten der Reaktion bei etwa 300° C ist gemäß Fig. 1 und Fig. 2 unterhalb der Verteilkammer 6 des Spaltbrenners 2 der Brennraum 7 eines Gasbrenners 8 mit einem Verteilgitter 9, einer Zündelektrode 10 und einer Flammenüberwachung 11 angeordnet. Der Gasbrenner 8 wird durch eine Zufuhrleitung 12 nach dem Umschalten eines Ventiles 13 mit dem Brenngas-Luft-Gemisch gespeist. Die entstehenden Heizgase strömen durch das innere Rohr 3 und heizen dieses auf. Dieses Rohr 3 bildet die Wärmetauscherwand zum katalytischen Brennerbereich hin. Sobald die Reaktionstemperatur erreicht ist, wird der Gasbrenner 8 abgeschaltet.A water chamber 1 is penetrated by several burners 2 made of pipes 3, 4 arranged concentrically one inside the other. A combustion gap 5 is formed between the tubes 3, 4, in which the fuel gas-air mixture flowing through burns catalytically at temperatures between 800 and 1000 ° C. without flames.
In order to effect this reaction, a catalyst layer is preferably applied to the inner tube 3. The heat transfer to the surrounding water in the water space 1 takes place through the outer tube 4.
1 and 2, the combustion chamber 7 of a gas burner 8 with a distribution grid 9, an ignition electrode 10 and a flame monitor 11 is arranged below the distribution chamber 6 of the slit burner 2 for starting the reaction at approximately 300.degree. The gas burner 8 is fed with the fuel gas / air mixture through a supply line 12 after switching over a valve 13. The resulting heating gases flow through the inner tube 3 and heat it up. This tube 3 forms the heat exchanger wall towards the catalytic burner area. As soon as the reaction temperature is reached, the gas burner 8 is switched off.

Gemäß Fig. 3 und 4 ist im inneren Rohr 3 des Spaltbrenners 2 ein zylindrischer oder flächiger Vormischbrenner 14 oder 15 angeordnet. Der Innenraum des Rohres 3 bildet dabei die Brennkammer des Vormischbrenners und gleichzeitig die Wärmetauscherwand zum katalytischen Brennerbereich im Verbrennungsspalt 5 zwischen beiden Rohren 3 und 4. Das Ventil 13 ermöglicht es, nur den Vormischbrenner 14 bzw. 15 oder nur den Spaltbrenner 2 und bei Spitzenbedarf auch beide Brenner 14 bzw. 15 oder 2 zu betreiben. Ein nachgeschalteter monolithischer Brenner 16 sorgt für eine katalytische Nachverbrennung. Damit die Verbrennungsgase des Vormischbrenners 14 sich nicht in der vorderen Zone stauen, empfiehlt es sich das innere Rohr 3 aus porösem Material zu fertigen. Es ergibt sich ein Druckausgleich über den Strömungskanal des Spaltbrenners 2.3 and 4, a cylindrical or flat premix burner 14 or 15 is arranged in the inner tube 3 of the slit burner 2. The interior of the tube 3 forms the combustion chamber of the premix burner and at the same time the heat exchanger wall to the catalytic burner area in the combustion gap 5 between the two tubes 3 and 4. The valve 13 makes it possible to only use the premix burner 14 or 15 or only the gap burner 2 and, if required, also to operate both burners 14 or 15 or 2. A downstream monolithic burner 16 ensures catalytic afterburning. So that the combustion gases of the premix burner 14 do not accumulate in the front zone, it is advisable to manufacture the inner tube 3 from porous material. There is a pressure equalization via the flow channel of the slit burner 2.

Claims

Water heater with at least one catalytic burner (2) penetrating a water space (1) for the combustion of a fuel gas-air mixture on a catalyst layer, a preheating device operated with the fuel gas-air mixture being present,
characterized in that the preheating device consists of a gas burner (8) arranged at the inlet end of the burner (2) or a premix burner (14 or 15) arranged in the burner (2), the combustion gases of which dissipate their heat via a heat exchanger wall to the fuel gas air. Transfer mixture in the catalytic combustion area.

Water heater according to claim 1,
characterized in that the gas burner (8) or the premix burner (14 or 15) is fed with the fuel gas-air mixture of the catalytic burner (2) and is automatically shut off from the supply of the mixture when the catalytic combustion of the Fuel gas-air mixture sufficient operating temperature of about 300-350 ° C is reached (preheating).

Water heater according to claim 1,
characterized in that the gas burner (8) and in particular the premix burner (14 or 15) is fed with the fuel gas / air mixture of the catalytic burner (2) and is operated together with the catalytic burner (2) when there is an increased power requirement (covering) of peak load).

Water heater according to claim 3,
characterized in that the catalytic burner (2) after the preheating in modulating mode covers the basic heat requirement and that the premix burner (14 or 15) is switched on to cover an increased heat requirement, for example when hot water is drawn off.

Water heater according to claim 4,
characterized in that, even when the premix burner (14 or 15) is additionally switched on, the catalytic burner (2) is operated in a modulating manner in order to achieve a continuous power adjustment.

Water heater according to claim 1,
characterized in that the catalytic burner (2) for forming a combustion gap (5) consists of tubes (3, 4) joined together, the inner tube (3) serving as the combustion chamber of the premix burner (14 or 15) and of porous for the combustion gases of the premix burner (14 or 15) are permeable material.

Water heater according to claim 6,
characterized in that the premix burner (14 or 15) is designed as a burner tube running longitudinally in the inner tube (3) of the burner (2).

Water heater according to claim 6,
characterized in that the premix burner (14 or 15) is designed as a surface burner arranged at the entrance of the inner tube (3) of the burner (2).

Water heater according to claim 1,
characterized in that below the water chamber (1) a distribution chamber (6) leading to the combustion gap (5) of the catalytic burner (2) for the fuel gas-air mixture and below this distribution chamber (6) the combustion chamber (7) of the gas burner (8 ) is arranged.

Water heater according to claim 9,
characterized in that the catalytic burner (2) for forming a combustion gap (5) consists of tubes (3, 4) which are inserted into one another, the inner tube (3) serving as a heating gas flue of the gas burner (8) and through the distribution chamber (6) up into the combustion chamber (7) and the outer tube (4) from the water chamber (1) into the distribution chamber (6).