<Desc/Clms Page number 1>
POREUS MEMBRAAN VOOR OPPERVLAKTE STRALINGSBRANDER De vinding betreft een poreus membraan voor een oppervlakte stralingsbrander. Het membraan omvat een gesinterd vlies uit metaalvezels die bestand zijn tegen hoge temperaturen.
Dergelijke membranen zijn bekend uit de US-octrooien 4. 810. 587, 4. 597. 734 en 5. 088. 919. In het bijzonder is uit US 4810587 een laminaat bekend uit diverse vezellagen die aan elkaar gesinterd zijn. De vezelsamenstelling aan de ene zijde verschilt van deze aan de andere zijde. Tussen deze beide buitenlagen bevindt zich dan een mengvezelvlies dat vezels omvat zoals deze aanwezig in elke buitenlaag.
Hierdoor wordt een innige sinterverbinding mogelijk tussen de twee buitenlagen.
Deze opbouw heeft als nadeel dat ze voor bepaalde toepassingen nogal stijf is. Overigens is het moeilijk gebleken een voldoende gelijkmatige gaspermeabiliteit te realiseren over het gehele oppervlak van het aldus gelaagde en gesinterde membraan.
Volgens de vinding is men er nu in geslaagd deze nadelen op te heffen door een gesinterd vlies uit anorganische vezels, die bestand zijn tegen hoge temperaturen, te kombineren met een relatief soepel vel met gelijkmatige gasdoorlaatbaarheid over haar oppervlak. Het gesinterd vlies bevindt zich aan de branderzijde (gasuitlaatzijde) en staat aan de gastoevoerzijde in kontakt met het soepel vel. Tijdens gebruik, d. i. bij het doorsturen van een gasstroom zal de drukval over het soepel vel bij voorkeur groter zijn dan deze over het gesinterd vlies.
De anorganische vezels van het gesinterde vlies zijn bij voorkeur metaalvezels die Cr en Al bevatten en meer bepaald zoals beschreven in US-octrooien 4597734 en 5088919. De hier toegepaste vezels zijn de op zich bekende Fe-Cr-Al-Y houdende vezels met 15 - 22 % gew. Cr, 4 tot 5. 2 % gew. Al, 0. 05 tot
<Desc/Clms Page number 2>
0. 4 % Y, 0. 2 tot 0. 4 gew Si en ten hoogste 0. 03 % C. Ze hebben in het algemeen een diameter tussen 8 en 35 m. De vezels kunnen verkregen worden door een techniek van gebundeld trekken zoals bijv. bekend uit US-octrooi 3379000 en vermeld in US-octrooi 4094673. Ze worden verwerkt tot een niet geweven vezelvlies volgens een methode beschreven in, of analoog aan deze bekend uit de US-octrooien 3469297 of 3127668.
Deze vliezen worden achteraf verdicht door persen en verstevigd door sinteren tot een poreuze plaat met een dikte tussen 0, 9 mm en 2, 5 mm en een porositeit tussen 70 % en 90 % ; bij voorkeur tussen 78 % en 87 %.
Tegen dit gesinterd vlies ligt een soepel poreus (gasdoorlatend) vel aan, bijv. een niet geweven vlies uit temperatuurbestendige (bijv. keramische) vezels met porositeit tussen 70 % en 95 % (bij voorkeur tussen 80 % en 91 %) en een dikte tussen 1, 5 mm en 4 mm. Zijn gelijkmatige gasdoorlaatbaarheid kan bereikt worden door de inhomogeniteit (zoals gedefinieerd in het voorbeeld hierna) bij voorkeur niet hoger te laten uitstijgen dan 5 %.
Het gasdoorlatend vel zal bij voorkeur een relatief geringe warmtegeleidbaarheid bezitten ; d. w. z. een geleidbaarheid die gevoelig lager is dan deze van de vezels in het gesinterde vlies. Zoals verder zal blijken is dit kenmerk belangrijk gebleken om continu een afdoende koeling te verzekeren tijdens het branden en ten behoeve van een verhoogd stralingsrendement.
Een en ander zal thans toegelicht worden aan de hand van uitvoeringsvoorbeelden en bijgaande tekening. Bijkomende Figuur 1 toont in doorsnede een gasverbrandingsinrichting volgens de vinding.
De gasverbrandingsinrichting omvat een huis 3 met toevoermiddelen 4 voor het te verbranden gasmengsel.
<Desc/Clms Page number 3>
Stroomafwaarts van inlaat 4 naar het stralingsoppervlak 5 toe zijn opeenvolgend in het huis een aantal elementen gemonteerd : een verdeelorgaan 6 voor het toegevoerde gasmengsel en dwarse aandrukmiddelen 7, bijv. onder de vorm van een elastisch kussenvormend en gasdoorlatend lichaam 7.
Dit lichaam 7 drukt aan tegen de gastoevoerzijde van het oppervlaktestralingsmembraan dat aldaar een soepel gasdoorlatend vel 2 omvat. Dit vel 2 staat dus in innig kontakt met het gesinterd vezelvlies l onder invloed van de elastische druk van het lichaam 7.
Het gesinterd vlies 1 vormt het eigenlijke stralingsmembraan.
Teneinde de aandrukkracht op het gewenste niveau te houden kan men een eventueel regelbare aandrukbelasting toepassen met behulp van bv. veren 8 die geschikt aanliggen tegen het huis 3 en tegen de gastoevoerzijde van het verdeelorgaan 6.
Het verdeelorgaan 6 kan een geperforeerde plaat zijn of een stevig gaas. Als kussenvormend lichaam 7 kunnen bv. een of meer staalwolproppen toegepast worden. Tegelijk met hun aandrukfunctie kunnen ze eventueel ook bijdragen tot het homogeen vermengen van de lucht met de gasvormige brandstof (bv. aardgas).
Het permanent gelijkmatig aandrukken van het soepel vel en het hierdoor verkregen innig kontakt tussen vlies 1 en vel 2 waarborgt een afkoeling van het vlies 1 (tijdens het branden) door het koudere vel 2 en het daardoorheen aanstromende koude gasmengsel. Hoe lager de temperatuur in het gesinterde stralingsmembraan, hoe minder de vezels degraderen door oxydatie. Maatregelen voor een zo goed mogelijke afkoeling verhogen dus de levensduur van het membraan 1.
De toepassing van een behoorlijk warmteisolerend vel 2 in innig kontakt met vlies 1 laat dus toe het evenwicht tussen continue warmteafvoer door vel 2 en continue
<Desc/Clms Page number 4>
warmteontwikkeling aan het brandoppervlak bij het branden (in bedrijf) te verschruiven naar een hoger temperatuursniveau (dus ook een hoger vermogen).
Bij het toepassen van gesinterde metaalvezelmatten als steunlaag stroomopwaarts van het brandermembraan 1 is dit minder goed realiseerbaar daar de metaal veze 1 matten door warmtegeleiding zelf relatief snel opwarmen en de temperatuur van het geheel van steunlaag met membraan te snel (en te hoog) kan oplopen met het hieraan verbonden gevaar voor vlamterugslag. M. a. w. met metaalvezelmatten als steunlaag zal het evenwicht warmtetoevoer/warmteafvoer zieh enkel bij een lagere temperatuur kunnen instellen hetgeen in feite neerkomt op een lager toelaatbaar brandvermogen. Dit evenwichtseffekt bij een bepaalde temperatuur is vooral kritisch bij de toepassing van de stralingsbranders voor de opwarming van compacte gesloten ruimten zoals ovens waar de temperatuur al vlug kan oplopen tot boven 1000 C.
Er werd overigens via thermografische analyses vastgesteld dat een hogere (stabiele) temperatuur aan het branderoppervlak van het membraanvlies 1 resulteert in een hoger stralingsrendement. Het stralingsrendement (%) is gedefinieerd als de verhouding van het gegenereerde stralingsvermogen tot het totale kalorisch vermogen van het toegevoerde gasmengsel.
Door het gelijkmatig aandrukken van het soepel vel vermijdt men ook dat zich een gaslaag vormt tussen vlies 1 en vel 2.
Deze gasmengsellaag zou onder bepaalde omstandigheden kunnen ontbranden (vl amterugs 1 ag), in het bijzonder bij bepaalde toepassingen of brandregimes zoals in ovens waar de temperaturen tot boven 1000 C kunnen oplopen.
De lagenopbouw (1, 2,7, 6) volgens de vinding laat toe een zeer gelijkmatige gasuitstroming te realiseren. zelfs al is
<Desc/Clms Page number 5>
de inhomogeniteit over het oppervlak van het gesinterd vlies 1 aanzienlijk. Dit betekent dat een kombinatie van een aantal lagen met elk weinig homogene (d. i. inhomogene) gaspermeabiliteit de gelijkmatigheid van de gasdoorstroming niet sterk bevordert. Zolang er immers in de lagencombinatie niet tenminste een laag aanwezig is met een behoorlijk gelijkmatige gasdoorlaatbaarheid over haar oppervlak zal ook het gelijkmatige branden (als stralingsbrander) niet
EMI5.1
verzekerd zijn en zullen al vrij vroeg (d. lage optreden op de meest poreuze plaatsen.
Blauwe vlam verbranding resulteert dan vaak in hogere NOx-emissies (die om ecologische redenen vermeden moeten worden) terwijl de infraroodstraling over het oppervlak ongelijkmatig wordt. Deze blauwe-vlam propagatie kan overigens additioneel nog beperkt worden door het aanbrengen van een geschikt groevenraster in het branderoppervlak zoals beschreven in US-octrooi 5088919.
Voorbeeld In een gasverbrandingsinrichting zoals geschetst in Figuur 1 werd een gasdoorlatend membraan gemonteerd met volgende
EMI5.2
karakteristieken.
Het gesinterde vezelvlies 1 had een porositeit van 85 % en een dikte van 1 mm. De vezeldiameter bedroeg ongeveer 22 im. De inhomogeniteit bedroeg 30 % en werd als volgt bepaald. Op diverse begrensde cirkelvormige secties np in het plaatoppervlak, met elk een oppervlakte van 10 cm2 werd een koud gasdebiet van 3000 m3/h/m2 doorheen het vlies 1 gestuurd en de drukval AP gemeten. De inhomogeniteit (in %)
EMI5.3
beantwoordt dan aan (AP-APmin) x 100 waarin de maximaal genoteerde voorstelt (bijv. op plaats ni) en Apmin genoteerde drukval (bijv. op plaats ).
<Desc/Clms Page number 6>
apaxDe gemiddelde drukval AP over het vlies 1 bedroeg 100 Pa bij een debiet van 3000 m/h/rn.
De inhomogeniteit van diverse soepele vellen 2 werd op dezelfde manier gemeten en is vermeld in bijgaande tabel.
Vel A was een gasdoorlatend keramisch papier (type Kerlane 45) met een dikte van 2 mm (porositeit van 90, 8 %) en zeer fijne poriën. Vel B was een keramisch weefsel (type INSULCON), vel C een glasweefsel en vel D een ander type keramisch vezelvlies (Safil). De vermogens (BVG 5 %) waarbij blauwe vlam vlekjes verschenen over 5 % van het brandoppervlak, lagen telkens rond 500 KW/m2 voor een combinatie van vlies 1 met een vel B, C of D. De verbranding werd doorgevoerd met een mengsel aardgas/lucht en met een luchtoverschot van 10 %. De gemiddelde drukval (AP) over vel 2 werd eveneens koud bepaald bij het gasdebiet van 3000 m3jhjm2 ; de waarden zijn opgenomen in tabel 2.
Bij het inzetten van het hierboven omschreven gesinterd vlies l (dikte 1 mm) zonder toevoeging van een soepel vel traden de eerste blauwe vlam vlekjes (BVG 5 %) eveneens op bij 500 KW/nT\ De toevoeging van inhomogene vellen B, C of D draagt dus niet bij tot verhoging van het warmtestralingsvermogen.
EMI6.1
<tb>
<tb> veltype <SEP> A <SEP> B <SEP> C <SEP> D
<tb> inhomogeniteit <SEP> (%) <SEP> 3 <SEP> 15 <SEP> 22 <SEP> 30
<tb> gemidd. <SEP> AP <SEP> (Pa) <SEP> over <SEP> vel <SEP> 2 <SEP> 1000 <SEP> 1500 <SEP> 3700 <SEP> 625
<tb> BVG <SEP> 5 <SEP> % <SEP> bij <SEP> (KW/m2)-500 <SEP> 500 <SEP> 500
<tb>
Bij de combinatie van vlies 1 met soepel vel A bleef evenwel het membraan als rode oppervlaktestralingsbrander werken tot
EMI6.2
2 ongeveer 600 KWjm2.
Bij hogere vermogens ging dit rode stralingsregime gelijkmatig over het hele oppervlak over in een blauwe straler. Tot op heden was het niet mogelijk met dergelijke dunne poreuze membraanplaten (l) een homogene
EMI6.3
2 stralingsverbranding te bereiken tot tenminste 600 KW/m.
<Desc/Clms Page number 7>
Bij zowat 700 KW/m2 was de overgang naar een blauwe vlamverbranding volledig. In tegenstelling tot de combinaties van vlies 1 met vel B, C en D traden dus geen plaatselijke blauwe vlam vlekjes op in de combinatie van vlies 1 met vel A. Dit wijst dus op het voordelig effekt dat verkregen wordt door combinatie met een homogeen veltype A.
In de combinatie van vlies l met veltype A volgens het voorbeeld is bovendien de gemiddelde drukval AP over vel 2
EMI7.1
ongeveer tien maal groter dan over vlies 1 : 1000 Pa/100 Pa.
Wanneer een minder een dikker (bv. 2, mm ; 2 of 1, mm dik) gecombineerd wordt met een homogeen veltype A zal de drukval over vel 2 hetzij tenminste twee maal, of acht maal de drukval over vlies kunnen bedragen.
Het uitvindingsconcept biedt dus ook het economisch voordeel dat nu gevoelig dunnere metaalvezelmatten kunnen ingezet worden. De combinatie met een keramische papierlaag verhoogt nauwelijks de vervaardigingskost daar deze laag aanzienlijk goedkoper is dan een gesinterde metaalvezellaag met dezelfde dikte.
<Desc / Clms Page number 1>
POROUS MEMBRANE FOR SURFACE RADIANT BURNER The invention concerns a porous membrane for a surface radiant burner. The membrane comprises a sintered fleece of metal fibers that can withstand high temperatures.
Such membranes are known from US patents 4,810,587, 4,597,734 and 5,088,919. In particular, US 4810587 discloses a laminate of various fiber layers which are sintered together. The fiber composition on one side differs from that on the other. Between these two outer layers there is then a mixed fiber fleece which comprises fibers such as are present in each outer layer.
This enables an intimate sintering connection between the two outer layers.
The disadvantage of this construction is that it is rather rigid for certain applications. Incidentally, it has proved difficult to realize a sufficiently uniform gas permeability over the entire surface of the thus layered and sintered membrane.
The invention has now succeeded in overcoming these drawbacks by combining a sintered inorganic fiber fleece which is resistant to high temperatures with a relatively flexible sheet with uniform gas permeability across its surface. The sintered fleece is located on the burner side (gas outlet side) and is in contact with the flexible sheet on the gas supply side. During use, d. i. when passing a gas stream, the pressure drop across the flexible sheet will preferably be greater than that across the sintered web.
The inorganic fibers of the sintered fleece are preferably metal fibers containing Cr and Al and more particularly as described in US patents 4597734 and 5088919. The fibers used here are known per se fibers of Fe-Cr-Al-Y containing 15- 22% wt. Cr, 4 to 5.2% wt. Al. 0.05 to
<Desc / Clms Page number 2>
0. 4% Y, 0.2 to 0.4 wt Si and at most 0.03% C. They generally have a diameter between 8 and 35 m. The fibers can be obtained by a technique of bundled drawing such as eg known from US patent 3379000 and disclosed in US patent 4094673. They are processed into a non-woven fiber web according to a method described in, or analogous to, known from US patents 3469297 or 3127668.
These webs are subsequently compacted by pressing and reinforced by sintering to a porous plate with a thickness between 0.9 mm and 2.5 mm and a porosity between 70% and 90%; preferably between 78% and 87%.
A flexible porous (gas permeable) sheet, e.g. a non-woven web of temperature-resistant (e.g. ceramic) fibers with porosity between 70% and 95% (preferably between 80% and 91%) and a thickness between 1.5 mm and 4 mm. Its uniform gas permeability can be achieved by preferably allowing the inhomogeneity (as defined in the example below) to not exceed 5%.
The gas-permeable sheet will preferably have a relatively low heat conductivity; d. w. z. a conductivity that is significantly lower than that of the fibers in the sintered web. As will further be apparent, this feature has proven to be important to continuously ensure adequate cooling during burning and for increased radiation efficiency.
All this will now be elucidated on the basis of exemplary embodiments and the accompanying drawing. Additional Figure 1 shows in cross section a gas combustion device according to the invention.
The gas combustion device comprises a housing 3 with supply means 4 for the gas mixture to be burned.
<Desc / Clms Page number 3>
Downstream from inlet 4 to the radiation surface 5, a number of elements are successively mounted in the housing: a distribution member 6 for the supplied gas mixture and transverse pressing means 7, e.g. in the form of an elastic cushion-forming and gas-permeable body 7.
This body 7 presses against the gas supply side of the surface radiation membrane, which comprises a flexible gas-permeable sheet 2 there. Thus, this sheet 2 is in intimate contact with the sintered fiber web 1 under the influence of the elastic pressure of the body 7.
The sintered web 1 forms the actual radiation membrane.
In order to keep the contact pressure at the desired level, an optionally adjustable contact load can be applied with the aid of, for example, springs 8 which abut against the housing 3 and against the gas supply side of the distributor 6.
The distribution member 6 can be a perforated plate or a sturdy mesh. For example, one or more steel wool plugs can be used as the pillow-forming body 7. At the same time as their pressing function, they can also contribute to the homogeneous mixing of the air with the gaseous fuel (eg natural gas).
The permanent even pressing of the flexible sheet and the intimate contact thus obtained between the fleece 1 and the sheet 2 ensures a cooling of the fleece 1 (during burning) by the colder sheet 2 and the cold gas mixture flowing through it. The lower the temperature in the sintered radiation membrane, the less the fibers degrade by oxidation. Measures for the best possible cooling therefore increase the service life of the membrane 1.
The use of a properly heat-insulating sheet 2 in intimate contact with the fleece 1 thus permits the balance between continuous heat dissipation through sheet 2 and continuous
<Desc / Clms Page number 4>
shift heat development on the fire surface during burning (during operation) to a higher temperature level (so also a higher power).
When using sintered metal fiber mats as support layer upstream of the burner membrane 1, this is less feasible since the metal fiber mats heat up relatively quickly by heat conduction themselves and the temperature of the whole of support layer with membrane can rise too fast (and too high) with the associated risk of flashback. M. a. W. with metal fiber mats as a backing layer, the balance of heat supply / heat dissipation can only be set at a lower temperature, which in fact amounts to a lower permissible burning capacity. This equilibrium effect at a certain temperature is particularly critical in the application of the radiant burners for heating compact enclosed spaces such as ovens where the temperature can quickly rise to above 1000 C.
Incidentally, it was determined via thermographic analyzes that a higher (stable) temperature at the burner surface of the membrane membrane 1 results in a higher radiation efficiency. The radiation efficiency (%) is defined as the ratio of the generated radiation power to the total calorific power of the supplied gas mixture.
By uniformly pressing the flexible sheet, it is also avoided that a gas layer is formed between the fleece 1 and sheet 2.
This gas mixture layer could ignite under certain conditions (flame backs 1 ag), in particular in certain applications or fire regimes such as in ovens where temperatures can rise above 1000 ° C.
The layer structure (1, 2.7, 6) according to the invention makes it possible to realize a very even gas outflow. even though it is
<Desc / Clms Page number 5>
the inhomogeneity across the surface of the sintered web 1 is significant. This means that a combination of several layers, each with little homogeneous (i.e. inhomogeneous) gas permeability, does not greatly promote the uniformity of the gas flow. After all, as long as there is not at least one layer in the layer combination with a fairly even gas permeability over its surface, the even burning (as a radiation burner) will not
EMI5.1
are insured and will occur quite early (d. low performance in the most porous places.
Blue flame combustion then often results in higher NOx emissions (which must be avoided for ecological reasons) while the infrared radiation over the surface becomes uneven. Incidentally, this blue flame propagation can be additionally limited by arranging a suitable groove grid in the burner surface as described in US patent 5088919.
Example In a gas combustion device as outlined in Figure 1, a gas permeable membrane was mounted with the following
EMI5.2
characteristics.
The sintered fiber web 1 had a porosity of 85% and a thickness of 1 mm. The fiber diameter was about 22 µm. The inhomogeneity was 30% and was determined as follows. A cold gas flow rate of 3000 m3 / h / m2 was passed through the web 1 on various limited circular sections np in the plate surface, each with an area of 10 cm 2, and the pressure drop AP was measured. Inhomogeneity (in%)
EMI5.3
then corresponds to (AP-APmin) x 100 which represents the maximum noted pressure drop (e.g. at position ni) and Apmin noted pressure drop (e.g. at position ni).
<Desc / Clms Page number 6>
apax The mean pressure drop AP over the web 1 was 100 Pa at a flow rate of 3000 m / h / rn.
The inhomogeneity of various flexible sheets 2 was measured in the same manner and is shown in the accompanying table.
Sheet A was a gas permeable ceramic paper (type Kerlane 45) with a thickness of 2 mm (porosity of 90.8%) and very fine pores. Sheet B was a ceramic fabric (type INSULCON), sheet C was a glass fabric, and sheet D was another type of ceramic fiber web (Safil). The powers (BVG 5%) where blue flame spots appeared over 5% of the fire surface were always around 500 KW / m2 for a combination of fleece 1 with a sheet of B, C or D. The combustion was carried out with a mixture of natural gas / air and with an air surplus of 10%. The average pressure drop (AP) over sheet 2 was also determined cold at the gas flow rate of 3000 m3 / hm2; the values are shown in table 2.
When using the above-described sintered fleece l (thickness 1 mm) without adding a flexible sheet, the first blue flame spots (BVG 5%) also occurred at 500 KW / nT \ The addition of inhomogeneous sheets B, C or D therefore does not contribute to an increase in radiant heat output.
EMI6.1
<tb>
<tb> sheet type <SEP> A <SEP> B <SEP> C <SEP> D
<tb> inhomogeneity <SEP> (%) <SEP> 3 <SEP> 15 <SEP> 22 <SEP> 30
<tb> average. <SEP> AP <SEP> (Pa) <SEP> over <SEP> sheet <SEP> 2 <SEP> 1000 <SEP> 1500 <SEP> 3700 <SEP> 625
<tb> BVG <SEP> 5 <SEP>% <SEP> at <SEP> (KW / m2) -500 <SEP> 500 <SEP> 500
<tb>
With the combination of fleece 1 with flexible sheet A, however, the membrane continued to function as a red surface radiation burner until
EMI6.2
2 approximately 600 KWjm2.
At higher powers, this red radiation regime was uniformly transferred over the entire surface into a blue radiator. Until now it was not possible with such a thin porous membrane plates (1) a homogeneous one
EMI6.3
2 achieve radiation incineration up to at least 600 KW / m.
<Desc / Clms Page number 7>
At about 700 KW / m2, the transition to blue flame combustion was complete. In contrast to the combinations of fleece 1 with sheet B, C and D, therefore, no local blue flame spots occurred in the combination of fleece 1 with sheet A. This therefore indicates the advantageous effect obtained by combination with a homogeneous sheet type A .
In addition, in the combination of fleece 1 with sheet type A according to the example, the average pressure drop AP over sheet 2
EMI7.1
about ten times larger than over fleece 1: 1000 Pa / 100 Pa.
When a less and a thicker (e.g., 2, mm; 2 or 1, mm thick) is combined with a homogeneous sheet type A, the pressure drop across sheet 2 may be either at least twice, or eight times the pressure drop across fleece.
The inventive concept therefore also offers the economic advantage that sensibly thinner metal fiber mats can now be used. The combination with a ceramic paper layer hardly increases the manufacturing cost as this layer is considerably cheaper than a sintered metal fiber layer of the same thickness.