ИЗОБРЕТЕНИЕ
Патент Российской Федерации RU2079048

СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ТЕПЛА ПРИ БЕСПЛАМЕННОМ СЖИГАНИИ ТОПЛИВА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ТЕПЛА ПРИ БЕСПЛАМЕННОМ СЖИГАНИИ ТОПЛИВА
И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

Имя изобретателя: Вольфганг Маус[DE]; Хельмут Сварс[DE]; Хайнрих Пютц[DE]; Вальтер Егер[DE] 
Имя патентообладателя: Эмитек Гезельшафт фюр Эмиссионстехнологи мбХ (DE)
Адрес для переписки: 
Дата начала действия патента: 1990.06.19 

Использование: изобретение касается способа и устройства получения тепла при беспламенном сжигании топлива в газовом потоке. Сущность: газовый поток направляется в газоводную систему 102, в которую входит по крайней мере одна петля 103, в которой газовый поток циркулирует хотя бы частично. Газовая система 102 оснащена устройством 107 для подачи топлива, газопуском 104, газовыпуском 105, первым подающим устройством 106 для поддержания газового потока в петле 103, нагревательным устройством 108 для нагрева газового потока перед использованием в беспламенном сгорании, а также первым каталитически активным элементом 109 для инициирования беспламенного сгорания. Выделяемое при сгорании тепло воспринимается компонентом 101 газоводной системы 102, обтекаемым и/или пронизываемым газовым потоком. Такими компонентами могут служить теплообменники, в частности для создания нагревательных устройств автомобилей, а также катализаторы отработанного газа автомобилей, чем образуются системы подогрева для их катализаторов отработанных газов.

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Изобретение касается способов получения тепла при беспламенном сжигании топлива в кислородсодержащем газовом потоке, а также устройств для их осуществления, причем тепло, созданное при сгорании, вводится в компоненты, пронизываемые и/или обтекаемые газовым потоком.

Соответствующие способы и устройства находят широкое применение, в частности, при нагреве теплоносителей типа воды или воздуха в рамках отопительных систем для автомобилей, больших залов и т.п. а также для нагрева сотовых корпусов в системах отработанных газов автомобилей, оснащенных каталитическими активными покрытиями для превращения вредных отработанных веществ в безвредные реагенты.

Нагревательные устройства для автомобилей, в частности стационарные и вспомогательные нагреватели, известны в самых различных исполнениях, что, например, вытекает из заявок EP-A-O 287923 и DE-A-3716187. Такие нагреватели имеют универсальные устройства для получения тепла посредством сжигания жидкого топлива и, кроме того, оснащены теплообменниками, в которых тепло, созданное при сгорании, передается теплоносителям типа воздуха или воды. В EP-A-O 287923 предлагается пропускать отработанные газы, возникающие при обычном сгорании, для очистки перед выбросом в атмосферу через каталитически активную матрицу. В DE A-3716187 предлагается хотя бы частично сжигать топливо в каталитически обеспеченной беспламенной реакции, для чего топливо подмешивают к воздушному потоку и смесь пропускают через каталитически активную матрицу. За каталитически активной матрицей находится теплообменник, в котором полученное от сгорания тепло передается теплоносителю, после чего газовый поток покидает устройство.

В акцептованной заявке ФРГ N3835983 описан нагрев сотового корпуса для обработки отработанных газов в автомобиле, причем он подвергается воздействию горячего газового потока. Разогрев газового потока осуществляется посредством каталитического сгорания топлива, подмешиваемого в газовый поток прежде чем он пройдет через катализатор отработанных газов и соответственно еще один каталитически активный элемент. Предлагается, кроме того, пропускать газовый поток за катализатором отработанных газов через теплообменник, в котором отводимое от газового потока тепло может быть передано другому теплоносителю для нагревания внутреннего помещения автомобиля и/или воды охлаждения автомобиля.

Для того, чтобы каталитически активный элемент мог проявить свое каталитическое действие, его температура должны превышать определенную граничную температуру, так называемую "стартовую температуру". Обычно в качестве катализаторов используются благородные металлы типа пластины, родия или палладия, а также известные каталитически активные соединения, обладающие стартовой температурой порядка 200oC и выше. Соответственно надо подогревать каталитически активный элемент. В представленных устройствах сгорания это требует наличия нагревателей, обеспечивающих нагрев каталитически активных элементов до достаточно высоких температур. В качестве таких нагревающих устройств могут использоваться, например, электронагреватели различного типа, соответствующие предложения имеются в заявке DE-A-2251631. В патент ФРГ N563757 предлагается, кроме того, металлическую подложку с нанесением на нее каталитическим материалом нагревать электрическим способом.

О большей части подложек известно, что они оснащаются покрытиями из каталитически активных материалов и исключительно подходят в качестве каталитически активных элементов, это видно, например, из публикаций EP-B-0049489, EP-B-0121174, EP-B-W 121175, EP-A-0245737 и EP-A-0245738.

Наиболее близким к изобретению из предшествующего уровня техники являются описанные в патенте GB N 2074889 способ получения тепла при беспламенном сжигании топлива и устройство для его осуществления, включающие соответственно по способу пропуск газового потока по меньшей мере через одно нагреваемое устройство и по крайне мере один катализатор, подачу топлива в этот поток в количестве, исключающем самовоспламенение полученной смеси, пополнение содержания кислорода в указанном потоке, организацию петлевой зоны рециркуляции каталитически активным элементом и подачу в эту зону части газового потока с пропуском его через последний для обеспечения беспламенного сжигания, а по устройству газопровод подключенный с одного и другого конца к подводу и отводу газового потока и соединенный с образованием кругового контура циркуляции с по крайней мере одной петлевой зоной циркуляции, снабженной механизмом подачи топлива, причем в указанном круговом контуре установлены нагреватель и каталитический активный элемент, а также средство для поддержания циркуляции в этом контуре.

Всем предложениям на уровне техники по беспламенному сжиганию топлива в каталитически активном элементе присущ существенный недостаток: обычно при достижении каталитически активного элемента газовый поток обладает сравнительно низкой температурой, по существу равной температуре окружающей среды устройства, из которого она отбирается. Следовательно, существенная часть тепла сгорания, созданного в каталитически активном элементом, используется на то, чтобы подогревать холодный газовый поток до достаточно высокой температуры прежде, чем вообще может начаться реакция горения. Но это значит, что реакция в каталитически активном элементе нестабильна, поскольку расход воздуха газового потока превосходит определенный порог. В частности, возникает та опасность, что катализатор в своей области набегания, т.е. в области, которая контактирует с газовым потоком прежде всего охлаждается настолько, что каталитическая реакция прекращается. То есть может возникать определенная "мертвая зона", на которую распространяется весь каталитически активный элемент, так что реакция полностью прекращается. Подводя итоги, можно сказать, что известные до настоящего времени методы беспламенного сжигания топлива в газовом потоке пригодны лишь в сокращенном, в частности, сильно ограниченном сверху диапазоне мощности для получения тепла.

В соответствии с этим в основу изобретения положена задача несколько улучшить получение тепла посредством беспламенного сжигания топлива в газовом потоке, что реакция сгорания становится стабильной и имеется достаточно большой для практического применения диапазон регулирования тепловой мощности.

Согласно изобретению эта задача решается способом получения тепла посредством беспламенного сжигания топлива в газовом потоке, содержащем кислород, причем

a/ газовый поток проходит через по крайней мере один нагреватель, вдоль по крайней мере одного устройства подачи топлива и вдоль, по крайней мере одного первого каталитически активного элемента;

b/ газовый поток по крайней мере частично проводится петлей и при этом протекает через первое подающее устройство и вдоль первого каталитически активного элемента;

c/ в петлю может подводиться газ с содержанием кислорода и из петли может отводиться часть газового потока.

Существенным элементом изобретения является частичная проводка газового потока в петле, которая содержит каталитически активный элемент и, кроме того, подающее устройство для поддержания газового потока в петле. В петле по крайней мере часть обтекающего каталитически активный элемент газового потока снова подводится к стороне набегания каталитически активного элемента. Так как температура утекающего газового потока благодаря сгоранию еще сравнительно высока за счет части газового потока, отведенного в петлю, достигается повышение температуры газового потока, обтекающего каталитически активный элемент. Этим предотвращается слишком сильное охлаждение обтекаемой газовым потоком области каталитически активного элемента и исключается возникновение мертвых зон. Кроме того, за счет подходящего выбора возвратной доли можно достигать по существу равномерного использования каталитически активного элемента на всем его протекании. Серьезно сокращается такая доля тепла сгорания, которая должна использоваться для нагрева топливосодержащего газового потока и выше стартовой температуры катализатора. Вследствие этого обеспечивается значительное увеличение регулировочного диапазона созданной тепловой мощности без существенного сокращения термического КПД.

По сравнению с возможностями уровня техники согласно изобретению можно, во-первых, устанавливать рабочие условия способа без учета передачи тепла каталитически активному элементу. Массовый расход газового потока, находящегося при температуре окружающей среды и обтекающего каталитически активный элемент, должны оставаться ниже критической величины, которая определяется по величине теплопередачи стороне набегания каталитически активного элемента. При достаточном подогреве газового потока, набегающего на каталитически активный элемент, что возможно согласно изобретению, этот предел смещения к более высокому расходу при определенных обстоятельствах до величин практической применимости. При этом возможет тип работы, при котором отношение топливо-кислород в газовом потоке независимо переданной тепловой мощности удерживается на постоянном уровне, а тепловая мощность регулируется только массовым расходом газового потока. Температура газового потока при набегании на каталитически активный элемент благодаря возврату через петлю остается на достаточно высоком уровне, так что реакция сгорания проходит совершенно стабильно.

Целесообразная модификация предлагаемого способа отличается тем, что подавляющая часть газового потока, например доля примерно от 70 до 90% вводится в петлю. Таким образом создается по существу циркуляция газового потока, в которой по мере надобности могут участвовать добавленные топливо и воздух /или соответственно кислородосодержащий газ/ и откуда по мере надобности, например с целью ограничения давления, можно отводить газ. Следовательно, преимущества подачи тепла в газовый поток, в частности для поддержания достаточно высокой рабочей температуры каталитически активного элемента, используются полностью, во избежание избыточных термических нагрузок можно посредством отделения тепла в петлю удерживать температуру газового потока, в частности, на уровне температуры в области стартовой температуры каталитически активного элемента. Когда установка, служащая для реализации способа, достигает своей рабочей температуры, получение тепла для подержания этой рабочей температуры необходимо, поскольку надо компенсировать отвод тепла.

Благоприятная реализация предлагаемого способа осуществляется тем, что перед началом каталитической реакции газовый поток, подведенный в петлю от нагревателя, проводимого в действием электрически, нагревается до тех пор, пока его температура не достигнет стартовой температуры каталитически активного элемента и соответственно пока достаточно не нагревается каталитически активный элемент. Другие меры по инициированию сгорания, как, например, специальные горелки или электрические свечи, не нужны.

При реализации способа целесообразно вначале не обеспечивать ввод кислородсодержащего газа в циркулирующий газовый поток, после чего создается газовый поток с достаточным содержанием кислорода. И перед началом сгорания нет необходимости в длительной добавке топлива, совершенно достаточно поток запитать небольшой порцией топлива один раз, так как это при каталитическом сгорании не приводит к специальному смесевому отношению топлива и кислорода. Оснащенный топливом кислородсодержащий газовый поток нагревается от нагревателя, пока каталитически активный элемент посредством теплопередачи и/или непосредственного нагрева не достигнет температуры, при которой катализатор активизируется. Следовательно, ввод в действие предлагаемого способа полностью надежен в каждой фазе, так как избегается высокая концентрации топлива, с которой связана опасность непредусмотренных зажиганий.

Особенно предпочтительная модификация предлагаемого способа отличается тем, что подача топлива в газовый поток в каждый момент настолько мала, что создаваемая топливно-газовая смесь не является самовоспламеняющейся, в частности не взрывоопасна. Как сказано выше, температура газового потока при набегании на каталитически активный элемент посредством возврата в петлю по существу может не зависеть от скорости потока и, следовательно, от массового расхода и поддерживаться достаточно высокой.

Соответственно массовый расход газового потока может по существу свободно подгоняться к количеству вводимого топлива, определяющему термическую мощность, в частности смесевое отношение топлива и кислорода в газовом потоке может быть постоянным, преимущественно постоянно бедным. Следовательно, возможна практически полностью надежная работа.

Ввод свежего кислородсодержащего газа в петлю целесообразно ограничивать таким образом, чтобы температура газового потока при достижении каталитически активного элемента не падала ниже его стартовой температуры. В предлагаемом способе такая возможность всегда открыта, его преимущества проявляются естественно в первую очередь тогда, когда способ осуществляется с постоянно бедной топливно-воздушной смесью.

Вывод газа из газового потока, направленного в петлю, без ущерба для следующей модификации способа целесообразно регулировать таким образом, что ввод осуществляется только тогда, когда газовое давление в петле не снижается ниже определенного предела. Благодаря сгоранию при большом избытке кислорода возможна многократная рециркуляция газового потока без утраты положительных свойств способа, в том числе выраженная безвредность беспламенного сгорания. С нагревом газового потока связано повышение внутреннего давления, которое должно ограничиваться посредством отвода газа. При этом отвод может осуществляться с помощью пригодных клапанов, в частности с помощью автоматического предохранительного клапана избыточного давления, при определенных обстоятельствах регулирования давления можно осуществлять и число аэродинамическими мероприятиями, например, путем выполнения служащего для отвода выпуска газа в виде межсистемной магистрали достаточно малого гидравлического сечения.

Особой областью применения предлагаемого способа является создание тепловой энергии с целью обогрева, в частности изобретение касается портативных и мобильных нагревательных устройств типа нагревательных вентиляторов для хранилищ и т.п. и нагревателей для автомобилей. Соответственно предлагаемый способ рассчитан на создание тепловой энергии с максимальной термической мощностью порядка 10 кВт, в частности около 7 кВт, преимущественно в пределах 4 кВт.

Целесообразно применять предлагаемый способ в первую очередь для подачи тепла, созданного в газовом потоке, в пронизываемые и/или обтекаемые им компоненты, а именно в один или несколько теплообменников и/или один или несколько катализаторов отработанного газа.

Предметом изобретения является также устройство для подачи тепла, созданного посредством беспламенного сгорания топлива в газовом потоке, в компоненты, пронизываемые и/или обтекаемые газовым потоком, содержащее

a/ газопроводную систему для направления газового потока по крайней мере с одной петлей, подающим устройством для подачи топлива, газовпускном, газовыпускном и компонентом;

b/ в петле располагается первое подающее устройство для поддержания газового потока в петле, нагревательное устройство, а также первый каталитически активный элемент.

Устройство с этими признаками пригодно для использования в качестве портативной или мобильной нагревательной системы, например, в качестве стационарной или вспомогательной нагревательной установки для автомобилей или в качестве портативной нагревательной установки для обогрева больших помещения. Можно также благодаря сравнительно низким рабочим температурам за счет беспламенного сгорания применять для сооружений дешевые материалы без потерь в смысле срока службы и нагружаемости.

Расположение подающего устройства для топлива не ограничивается строгими требованиями; оно может располагаться в газовпуске, так что подача топлива в газовый поток возможна лишь вместе с определенным количеством свежего газа. Таким образом все-таки избегается недостаток кислорода в подведенном в петлю газовом потоке, который впоследствии при сгорании приводит к образованию вредных веществ, например окиси углерода. Однако может оказаться целесообразным такое расположение подающего устройства, что топливо инжектируется в петлю непосредственно. За счет этого в любом случае газовый поток можно по крайней мере длительное время пропускать без подпитки свежим газом в петле, что, в частности, заслуживает внимания при небольших тепловых мощностях в смысле избежания утечки тепла. Само собой разумеется, что в этом случае необходимо избегать появления недостачи кислорода при помощи соответствующих контрольных мероприятий.

По расположению компонентов, в которые вводится тепло сгорания, имеется также несколько возможностей: так этот компонент может быть составной частью петли и входить в уже упомянутую систему регулирования температур в газовом потоке. В любом случае компонент отбирают тепло у газового потока: поскольку он входит в петлю, его геометрия должна быть таковой, что температура газового потока, когда он пронизывает компонент, удерживается на уровне стартовой температуры каталитически активного элемента; таким образом предлагаемый способ может быть реализован практически с полным возвратом газового потока в петлю со всеми вытекающими отсюда преимуществами. Однако встраивание компонента в петлю совершенно не обязательно: при соответствующем расчете остальных составных частей петли компонент может располагаться и в газовыпуске, причем преимущество стабилизации беспламенного сгорания за счет частичного возврата газового потока остается прежним. Впрочем, весьма возможно представить и даже целесообразно, если расположить один компонент в петле, а другой компонент в газовыпуске: такое применение может дать дополнительные преимущества.

Модификация предлагаемого устройства, которую можно добавить к другим модификациям, отличается тем, что первый каталитически активный элемент, способствующий беспламенному сгоранию, является составной частью нагревательного устройства, т. е. устройство имеет по существу прямо и непосредственно нагреваемый первый каталитически активный элемент. При запуске этого устройства, осуществляемом в описанном способе путем подогрева газового потока с помощью нагревателя, первый каталитически активный элемент нагревается непосредственно и поэтому может быстро достигать своей стартовой температуры. Если это имеет место, то начинается беспламенное сгорание и дополнительная энергия поступает на нагрев газового потока и других составных частей устройства. Таким образом, подводимая извне нагревательная энергия, необходимая для инициирования способа, за счет этого может быть значительно уменьшена, что особенно важно в отношении возможного применения в автомобилях.

Само нагревательное устройство целесообразно создавать на базе электронагревательного элемента, питаемого электрическим током. Электронагрев является простым и чистым и, следовательно, отличается от других нагревательных устройств, например традиционных горелок.

Подпитка газом устройства осуществляется как правило не автоматически: предусматривается возможность подачи свежего газа. Эта возможность подачи может быть реализована подходящим образом выполненным первым подающим устройством в петле; в другом случае второе подающее устройство для подачи свежего газа в петлю может располагаться в газопуске.

Кроме того, целесообразно предусмотреть в предлагаемом устройстве сенсоры для рабочего контроля. Для этого используют специальные лямбда-зонды для определения состава циркулирующего газового потока, а также термоэлементы для контроля рабочих температур.

Существенной областью применения изобретения является нагрев каталитически активного элемента, в частности нагрев катализаторов отработанных газов в системах отработанных газов автомобилей перед запуском двигателей внутреннего сгорания. Известен электронагрев катализаторов отработанных газов с металлическими подложками, которые, однако, целесообразно применять лишь для специальных подложек, оптимизированных в отношении их электрического сопротивления. Чтобы добиться нужного нагрева, надо нагружать подложки мощностью 1 кВт и более; однако подготовка таких мощностей с использованием электроустановок автомобилей возможна лишь в ограниченном объеме. Кроме того, электрическое сопротивление металлической подложки обычного типа в зависимости от величины составляет лишь несколько сотых Ома, что для электрического нагрева, учитывая сопротивления потерь в подводящих проводах, не достаточно. Теперь же изобретение обеспечивает нагрев катализатора отработанных газов теплом из чистой и надежной реакции сгорания, причем нагревательные мощности можно доводить до нескольких киловатт. Вероятный электрический нагрев связан лишь с первым каталитическим элементом, который начинает теплопроизводящую реакцию горения. Однако этот каталитический первый элемент по всем правилам меньше катализатора отработанных газов, так что проблема малого электрического сопротивления существенно сокращается, если вообще не исчезает. Кроме того, первый каталитический элемент не подвергается термическим и механическим воздействиям катализатора отработанных газов, который нагружается пульсирующим потоком отработанных газов, соответственно можно настраиваться не на наибольшую нагружаемость и получить обилие конструктивных возможностей повышения электрического сопротивления.

Другой областью применения изобретения является подготовка тепла для нагревательных целей, в частности для нагрева автомобилей, причем в предлагаемом устройстве имеется по крайней мере служащий для приема тепла компонент в качестве теплообменника. При этом теплообменник имеет как систему каналов для направления газового потока, так и систему каналов для направления теплоносителя, в частности воздуха или воды. При работе устройств теплоноситель от внешнего или внутреннего подающего устройства транспортируется через теплообменник, при этом тот нагревается и затем служит в целях необходимого нагрева.

Теплоносителем может быть как воздух, так и вода. Именно в случае нагрева автомобилей можно вписаться в систему охлаждающей жидкости, причем в последнем случае одновременно с нагревом внутренней полости возможен подогрев двигателя внутреннего сгорания перед запуском.

Без ущерба для других исполнений особенно предпочтительная модификация предлагаемого устройства с теплообменником отличается тем, что теплообменник несет первый каталитически активный элемент, инициирующий реакцию сгорания, например таким образом, что пропускающая газовый поток проводная система теплообменника имеет стенки, несущие каталитически активные слои, по которым проходит газовый поток /наличие еще одного первого каталитически активного элемента не должно при этом исключаться/. Соответствующим образом укрепленное устройство имеет очень короткий путь передачи тепла сгорания; поэтому теплопередача осуществляется с высоким КПД, а также при предельно малых потерях, достигается особо компактная конструкция устройства.

Как уже упоминалось, в предлагаемом устройстве воспринимающие тепло компоненты могут располагаться как в газоводной системе, образующей петлю, так и в газовыпуске. В соответствии с этим особенно интересная модификация отличается расположением по одному теплообменнику в петле и в газовыпуске, при этом преимущественно проводящие теплоноситель канальные системы теплообменника связаны друг с другом, в частности соединены последовательно. Такое устройство поставляет из газовыпуска сравнительно сильно охлажденный отработанный газ и поэтому особенно целесообразно для применения в термочувствительном или защищенном от перегрева окружении, например во внутренних помещениях автомобилей.

Фиг. 1-3 представляют устройства для получением тепла посредством беспламенного сгорания топлива в направленном в петлю газовом потоке и подачу этого тепла в компоненты.

СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ТЕПЛА ПРИ БЕСПЛАМЕННОМ СЖИГАНИИ ТОПЛИВА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ТЕПЛА ПРИ БЕСПЛАМЕННОМ СЖИГАНИИ ТОПЛИВА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
 

На фиг.1 показано устройство для нагрева катализатора отработанных газов в автомобиле; на фиг.2 устройство для отвода тепла, полученного при сгорании с помощью теплообменника; на фиг.3 устройство того же типа, что представлено на фиг.2, которое особенно пригодно для использования в качестве стационарного или вспомогательного нагревателя в автомобиле.

Для пояснения существенных для изобретения подробностей сначала одновременно рассматриваются все три фигуры, для этого отмечается, что обозначения 101 117 относятся к фиг.1, обозначения 201 209 к фиг. 2, а обозначения 301 319 к фиг.3. В любом случае предлагаемое устройство имеет газоводную систему 102, 202, 302, которая состоит из трубопроводов или т.п. и служит для направления газового потока, причем газоводная система 102, 202, 302 имеет по крайней мере одну петлю 103, 203, 303, в которой газовый поток направляется в контур. В газовый поток, циркулирующий в петле 103, 203, 303, через газопуск 104, 204, 304 может вводится свежий газ, содержащий кислород, в частности воздух, через газовыпуск 105, 205, 305 определенная часть циркулирующего газового потока может выводиться. В то время как вывод газа может осуществляться по существу пассивно, например за счет того, что газовыпуск 105, 205, 305 выполняется в виде протяженной трубки аэродинамическим сечением, которое существенно меньше среднего аэродинамического сечения трубной системы, образующей петлю 103, 203, 303, ввода газа осуществляется активно через соответствующее средство подачи. Циркуляция газового потока в петле 103, 203, 303 осуществляется при помощи первого подающего устройства 106, 206, 306, в частности вентилятора, встроенного в часть газоводной системы 102, 202, 302, образующей петлю 103 (203, 303). Для впуска топлива в газовый поток в петле 103 (203, 303) содержится соответствующее впускное устройство 107(207,307), а именно сопло или сопловое устройство с соответствующей топливопроводящей системой. Согласно изобретению сгорание топлива осуществляется беспламенным, каталитически активным способом. Для этого в петле 103 (203, 303) имеется каталитически активный элемент 109(209,309), в частности пронизываемый газовым потоком сотовый корпус со множеством каналов, которые на своих стенках, обращенных к газовому потоку, имеют покрытие из каталитически активного материала /платина, родий и т.п./. Сгорание в каталитически активном элементе 109 (209, 309) как известно начинается тогда, когда температура газового потока, проходящего через каталитический материал, превышает стартовую температуру катализатора. В соответствии с этим в петле 103(203, 303 )предусматриваются нагревательные устройства 108, 209, 308. Такое нагревательное устройство 108(208, 308) может представлять собой питаемый электрическим током электронагреватель, но в зависимости от области применения может выполняться и в виде обычной горелки или теплообменника. Наконец, любое описанное устройство имеет по крайней мере один компонент 101 (201, 301, 318), к которому подводится тепло, выделившееся при беспламенном сгорании в циркулирующем потоке газа.

На фиг.1 схематически представлено применение изобретения в виде устройства для нагревания катализатора отработанных газов в системе отработанных газов автомобиля; при этом катализатор отработанных газов представляет собой компонент 101, который нагружается теплом, выделенным при беспламенном горении топлива в циркулирующем потоке газа, и этим теплом нагревается. Газопроводная система 102 образована патрубком 113 отработанного газа, в котором находится катализатор 101 отработанного газа в направлении отработанного газа, патрубок 113 отработанного газа перед и за катализатором 101 имеет соответственно вводы 114, 115. Они обходным трубопроводом соединены друг с другом, так что петля 103 образуется патрубком 113 отработанного газа, расположенным между вводами 114, 115, и обходным трубопроводом. Последний на вводах 114, 115 может перекрываться клапанами 116, 117, что может быть полезным в смысле нагрузки устройства при нагружении отработанным газом относительно защиты устройств, находящихся в обходном трубопроводе. Принципиально необходимости в клапанах 116, 117 нет, они меньше служат для обеспечения безупречного функционирования предлагаемого устройства, а больше для защиты находящихся в обходном трубопроводе устройств. В газоводную систему 102 встраиваются лямбда-зонд 111 и термоэлемент 112, в случае регулировки катализатору отработанных газов 101 непосредственно подчиняется лямбда-зонд 111, его используют и при работе устройства для регулирования беспламенного сгорания. Термоэлемент 112 при нагружении катализатора 101 отработанным газом также может служить для функционального контроля катализатора 101 отработанных газов, в рамках изобретения он может быть полезен для определения температуры нагреваемого катализатора 101 отработанных газов. Соединяющий вводы 114 115 обходной трубопровод, как уже отмечалось, включает первое подающее устройство 106, вводное устройство 107, нагревательное устройство 108 и первый каталитически активный элемент 109, кроме того, в обходной трубопровод введен газопуск 104. Газовыпуском 105 в представленном примере является непосредственно ведущий в атмосферу выход отработанных газов. В газопуске 104 предусмотрено, кроме того, второе подающее устройство 110 для ввода свежего воздуха. Кроме того, в рамках предпочтительной модификации изобретения нагревательное устройство 108 объединено с первым каталитическим активным элементом 109, конкретно это может осуществляться, например, тем, что в качестве носителя каталитически активного слоя устанавливается металлический сотовый корпус, который нагревается при протекании по нему электрического тока. Это особо хорошее решение, так как при этом уже через короткое время пуска предлагаемого устройства обеспечивается инициирование каталитической реакции, кроме того, нагрев первого каталитически активного элемента 109 имеет то преимущество, что каталитическая реакция может быть стабилизирована пока температура циркулирующего газового потока еще находится ниже необходимой стартовой температуры. В представленном примере устройство 107 для ввода топлива находится в обходном трубопроводе между газопуском 104 и нагревательным устройством 108. Расположение вводного устройства 107 в петле 103 не ограничено строгими правилами, в настоящем примере естественно следует избегать размещения вводного устройства 107 непосредственно в патрубке 113 отработанного газа.Средства подачи топлива, так как их использование известно специалистам, на фиг.1 не представлены.

На фиг.2 представлено устройство, в котором компонентом, нагружаемым теплом, выделенным при сгорании, является теплообменник 201 для нагревания теплоносителей типа воздуха или воды, например, для применения в рамках нагревательной установки, в частности портативной или мобильной нагревательной установки в виде стационарного или вспомогательного нагревателя для автомобилей. В качестве особенности на фиг.2 устройство 207 для ввода топлива размещается не непосредственно в петле 203, а в газопуске 204. В этом случае топливо в циркулирующей в петле 203 газовый поток может подаваться только вместе со свежим воздухом /для чего требуется непоказанное подающее устройство/; это дает то преимущество, что исключается наступление кислородного голодания в циркулирующем газовом потоке, что в противном случае было бы возможным лишь посредством тщательного контроля процесса сгорания. Газовыпуск 205 представлен как сравнительно длинный трубопровод малого аэродинамического сечения. За счет длины трубопровода предотвращается бесконтрольная турбулизация газа из газового потока через газовыпуск на свободу; однако рост давления в петле 203 надежно исключается, так как в газовыпуске 205 не имеется запирающих устройств. Предлагается, что в пределах соответствующих требований возможно наличие запирающих устройств типа вентилей или аналогичных устройств в газовыпуске 205.

На фиг.3 представлена еще одна модификация изобретения для передачи полученного в процессе сгорания тепла теплоносителю, причем передача в данном случае осуществляется в двух последовательно включенных теплообменниках 301, 318. При этом первый теплообменник 301 расположен непосредственно в петле 303, а второй теплообменник 318 находится в газовыпуске 305. Основной функцией второго теплообменника 318 является при этом охлаждение отведенного через газовыпуск 305 отработанного газа, что, например, может быть целесообразным в рамках автомобильного стационарного нагревателя, который должен быть расположен внутри автомобиля. Особенностью первого теплообменника 301 является определенное каталитическое действие, когда, например, каналы теплообменника 301, пронизываемые газовым потоком, имеют на своих стенках каталитически активный слой. По мере надобности первый теплообменник 301 полностью берет на себя функции первого каталитически активного элемента 309, что предпочтительно в смысле компактного использования устройства. Нагреватель 308 соответствующим образом обеспечивается электрическим током. Газопуск 304 имеет наряду со вторым подающим устройством 310, необходимым для подачи свежего газа, впускной клапан 319, служащий для точного регулирования расхода свежего газа, поступающего в петлю 303, представленное устройство представляет при этом множество возможностей исполнения.

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Способ получения тепла при беспламенном сжигании топлива, включающий пропуск газового потока по меньшей мере через одно нагревательное устройство и по крайней мере один катализатор, подачу топлива в этот поток в количестве, исключающем самовоспламенение полученной смеси, пополнение содержания кислорода в указанном потоке, организацию петлевой зоны рециркуляции с каталитически активным элементом и подачу в эту зону части газового потока с пропуском его через последний для обеспечения беспламенного сжигания, отличающийся тем, что пополнение кислорода осуществляют в петлевой зоне рециркуляции, в которую подают большую часть газового потока.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что часть газового потока, подаваемого в петлевую зону рециркуляции, составляет 70 90%

3. Способ по п. 1 или 2, отличающийся тем, что петлевую зону рециркуляции перед подачей в нее указанной части газового потока разогревают до температуры, обеспечивающей нагрев каталитически активного элемента до стартовой температуры.

4. Способ по п. 1 или 2, отличающийся тем, что температуру газового потока, пропускаемого через катализатор, поддерживают не ниже стартовой температуры последнего.

5. Способ по пп. 1 4, отличающийся тем, что часть газового потока выводят из петлевой зоны рециркуляции при превышении в ней давления предельного значения.

6. Способ по одному из пп. 1 5, отличающийся тем, что расход топлива в газовом потоке поддерживают в количестве, обеспечивающем получение тепла порядка 4 10 кВт.

7. Способ по одному из пп. 1 6, отличающийся тем, что часть тепла из газового потока отводят.

8. Устройство для получения тепла при беспламенном сжигании топлива, содержащее газопровод, подключенный с одного и другого конца к подводу и отводу газового потока и соединенный с образованием кругового контура циркуляции с по крайней мере одной петлевой зоной рециркуляции, снабженной механизмом подачи топлива, причем в указанном круговом контуре установлены нагреватель, каталитический активный элемент, а также средство для поддержания циркуляции в этом контуре, отличающееся тем, что оно снабжено первым и вторым устройствами для отбора тепла, первое из которых установлено в круговом контуре циркуляции, выполненном с возможностью пропуска большего количества газового потока, чем отвод или подвод последнего.

9. Устройство по п. 8, отличающееся тем, что каталитически активный элемент, а также первое устройство для отбора тепла установлены в петлевой зоне.

10. Устройство по п. 8 или 9, отличающееся тем, что второе устройство для отбора тепла установлено в отводе.

11. Устройство по пп. 8 10, отличающееся тем, что упомянутые каталитически активный элемент и нагреватель выполнены заодно.

12. Устройство по одному из пп. 8 11, отличающееся тем, что нагреватель выполнен в виде электронагревателя.

13. Устройство по одному из пп. 8 12, отличающееся тем, что подвод снабжен нагревателем потока.

14. Устройство по одному из пп. 1 13, отличающееся тем, что в круговом контуре установлен по меньшей мере один лямбда-зонд.

15. Устройство по одному из пп. 8 14, отличающееся тем, что в круговом контуре установлен по меньшей мере один термоэлемент.

16. Устройство по одному из пп. 8 15, отличающееся тем, что первое и второе устройства для отбора тепла выполнены каждое в виде катализатора.

17. Устройство по одному из пп. 8 16, отличающееся тем, что первое и второе устройства для отбора тепла снабжены каждый поверхностным теплообменником отвода тепла с помощью теплоносителя.

18. Устройство по п. 17, отличающееся тем, что теплоносителем является газ, в частности воздух.

19. Устройство по п. 17, отличающееся тем, что теплоносителем является жидкость, в частности вода.

Версия для печати
Дата публикации 27.01.2007гг


вверх