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Die
Erfindung betrifft einen als Flächenstrahler ausgebildeten
Infrarot-Strahler
- – mit einem Gehäuse,
in dem ein Strahlkörper, der an seiner Rückseite
im Inneren des Gehäuses von einem in einer Brennkammer
brennenden Fluid beheizt wird und dessen äußerlich
sichtbare Vorderfläche die Infrarot-Strahlung abgibt, angeordnet
ist,
- – mit einer dem Strahlkörper und dem Gehäuse benachbarten
thermischen Isolierung,
- – mit einem Anschluss für das brennbare Fluid und
- – mit mehreren Strömungspfaden für
das Fluid von einem Anschluss bis zum Boden der Brennkammer.
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Die
Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Betreiben des Infrarot-Strahlers.
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Als
Flächenstrahler ausgebildete Infrarot-Strahler werden bekannterweise
in Trocknersystemen eingesetzt, die zum Trocknen einer Materialbahn,
beispielsweise Papier- oder Kartonbahnen, dienen. In Abhängigkeit
von der Breite der zu trocknenden Materialbahn und der gewünschten
Heizleistung wird die erforderliche Anzahl von Strahlern mit in der
Regel untereinander fluchtenden Abstrahlflächen zu einer
Trocknungseinheit zusammengestellt.
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Aufgrund
ihrer Einsatzmöglichkeiten bei Temperaturen von oberhalb
1100°C, ihrer hohen spezifischen Leistungsdichte und ihrer
langen Standzeit sind die Infrarot-Strahler besonders zum Trocknen von
bahnförmigen Materialien bei hohen Geschwindigkeiten geeignet.
Ein bevorzugtes Anwendungsgebiet ist die Trocknung von laufenden
Papier- oder Kartonbahnen in Papierfabriken, beispielsweise hinter
Beschichtungsvorrichtungen.
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Die
Infrarot-Strahler nach der Erfindung werden bevorzugt mit Gas beheizt,
alternativ ist die Beheizung mit einem flüssigen Brennstoff
als Fluid möglich.
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Wie
der
DE 199 01 145
A1 als Stand der Technik entnommen werden kann, enthält
jeder Infrarot-Strahler ein Mischrohr, das mit Gas und Luft versorgt
wird und am hinteren Gehäuseteil eintritt. Von dort führen
die Strömungspfade des Fluids, in diesem Fall also der
Gasmoleküle, durch die Verteilkammer und durch Bohrungen
in einer Brennerplatte, um an der Bodenfläche des Brennraums
zu enden. Der Brennraum wird zwischen der Brennerplatte und einem
im Wesentlichen parallel zu dieser mit Abstand angeordneten Strahlkörper
gebildet. Die Brennerplatte kann z. B. aus einem porösen
Vliesmaterial, einer keramischen Lochplatte oder einer isolierten,
metallischen Düsenplatte bestehen. Sie und der Strahlkörper
sind in dem Gehäuse, das in der Regel aus einem metallischen
Halterahmen besteht, der sowohl die Brennerplatte als auch den Strahlkörper
umschließt, in umlaufende, feuerfeste, dichtende Isolierung
eingepasst, die den Brennraum seitlich abschließen.
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Aus
dem Stand der Technik ist es lediglich bekannt, dass die Brennerplatte
so ausgeführt wird, dass die Fluiddurchlässigkeit über
die gesamte Plattenfläche gleichmäßig
ist, also pro Flächeneinheit die gleiche Menge an Fluid,
beispielsweise einem Gas-/Luftgemisch, durchtritt. Da der Infrarot-Strahler eine
möglichst große Abstrahlfläche aufweisen
soll und in vielen Anwendungen, z. B. bei der Trocknung von gestrichenem
Papier, viele solcher Infrarot-Strahler in Feldern oder Reihen zusammengefasst
werden, kann die Isolierung nur sehr dünn ausgeführt
werden, wenn man eine insgesamt gleichmäßige Abstrahlung
erzielen will. Hieraus ergibt sich der Nachteil, dass bei gleicher
Fluidzuführungsmenge pro Flächeneinheit zwar auch
die aus der Verbrennung des Fluids resultierende Verbrennungswärme an
der Oberfläche der Brennerplatte pro Flächeneinheit
gleich ist, sich aber trotzdem im Brennraum ein Temperaturgradient
in der Weise einstellt, dass die Temperatur in der Mitte des Strahlkörpers
am höchsten, in der Nähe der Isolierung aber am
niedrigsten ist, da hier Energie durch die ungenügende
Stärke der Isolierung verloren geht. Ein besonderer Nachteil entsteht
dabei dann, wenn der Strahlkörper aus einem keramischen
Material besteht, in dem sich infolge von Temperaturgradienten thermische
Spannungen ausbilden können, die zu Rissbildung bzw. einer Zerstörung
des Strahlkörpers führen können.
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Eine
ungleichmäßige Erwärmung des Strahlkörpers
ergibt sich insbesondere bei einem nicht waagerechten Einbau des
Infrarot-Strahlers auch, wenn das aus der Brennplatte austretende
Fluid, aufgrund der Einbaulage des Strahlers, durch Thermik entgegen
der Schwerkraftrichtung abgelenkt wird, also eine Auftriebsströmung
im Brennraum entsteht.
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Diese
Temperaturunterschiede an der Strahlkörpervorderfläche
haben einen starken negativen Einfluss auf die gleichmäßige
Trocknung der Materialbahn.
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Es
ist die Aufgabe der Erfindung, einen als Flächenstrahler
ausgebildeten Infrarot-Strahler zu schaffen, dessen Vorderflächentemperatur
des Strahlkörpers über seine gesamte Fläche
im Wesentlichen konstant gehalten werden kann. Im Wesentlichen konstant
sei hier definiert als maximale Temperaturdifferenz an zwei Vorderflächenpunkten
von etwa 50°C. Es ist weiterhin eine Aufgabe der Erfindung,
ein Verfahren zum Betreiben eines erfindungsgemäßen
Infrarot-Strahlers anzugeben, mit dem diese maximale Temperatur
einhaltbar ist.
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Die
Aufgabe bezüglich des Vorrichtungsanspruches, also des
Infrarot-Strahlers, wird erfindungsgemäß dadurch
gelöst, dass die Strömungspfade so ausgestaltet
sind, dass gleich großen Bodenflächenausschnitten
unterschiedliche Strömungsmengen des Fluids in gleicher
Zeiteinheit zugeführt werden.
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Dazu
wird durch Versuche oder Berechnungen ermittelt, an welcher Stelle
des Brennraums welche Fluidmenge zugeführt werden muss,
um nach einer Verbrennung eine konstante Vorderflächentemperatur
des Strahlkörpers zu erzielen. Es ist beispielsweise davon
auszugehen, dass am Rand der Vorderfläche des Strahlkörpers
geringere Temperaturen herrschen, weil die seitliche Isolierung
nicht ausreicht. Demzufolge würde gemäß der
Erfindung vorgesehen, an den Rändern des Brennraumbodens für
mehr Zuführung des zu verbrennenden Fluids zu sorgen.
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Es
ist besonders bevorzugt, dass die Strömungspfade entlang
Durchtrittsöffnungen durch eine Brennerplatte verlaufen,
wobei die Durchtrittsöffnungen jeweils einen Strömungswiderstand
aufweisen. Durch Variation der Geometrie Durchtrittsöffnungen, beispielsweise
des Strömungswiderstandes, ist es besonders einfach, die
Fluidmengen pro Flächeneinheit der Brennplatte bei gleicher
Versorgungslage aus der Verteilkammer einzustellen.
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Um
die Temperaturen deutlich beeinflussen zu können, ist es
von Vorteil, wenn sich die Strömungswiderstände
von wenigstens zwei Strömungspfaden um wenigstens 2% vorzugsweise
wenigstens 10% unterscheiden.
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In
den Ansprüchen 4 bis 6 sind die bevorzugten Möglichkeiten
angegeben, die Strömungsmengen des Fluids anzupassen. Dazu
zählen:
- – die Veränderung
des Strömungswiderstandes aufgrund unterschiedlicher Durchmesser
der Durchgangsöffnungen,
- – die Veränderung des Strömungswiderstandes aufgrund
unterschiedlicher Längen der Durchgangsöffnungen
und
- – die Variation der Anzahl der Durchgangsöffnungen
pro Flächeneinheit.
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Vorzugsweise
ist die Brennplatte aus einem keramischen Werkstoff gebildet. Diese
hält den hohen Verbrennungstemperaturen Stand und ist in
Bezug auf die unterschiedlichen Durchgangsöffnungen leicht
zu bearbeiten und herzustellen.
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Als
ergänzende Möglichkeit sind zu der erfindungsgemäßen
Ausgestaltung des Infrarot-Strahlers bei starken Temperaturschwankungen über
die Strahlkörpervorderfläche zusätzliche
Leiteinrichtungen einsetzbar, die dafür sorgen, dass Fluid
in erster Linie zu den Brennraumbereichen geführt wird,
in denen die Verbrennungsenergie zum Erwärmen des Strahlkörpers
zu gering ist.
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Bezüglich
des erfindungsgemäßen Verfahrens mit dem Infrarot-Strahler
ist vorgesehen, dass über die Bodenfläche der
Brennkammer verteilt genau solche Strömungsmengen an Fluid über
die Strömungspfade zugeführt werden, dass die
Strahlplatte während der Verbrennung eine im Wesentlichen gleichmäßige
Temperatur über ihre gesamte Abstrahlfläche aufweist.
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Dies
führt zu einer besonders gleichmäßigen Trocknung
der an der in der Nähe der Vorderfläche des Strahlkörpers
vorbeigeführten Materialbahn.
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Dabei
wird bevorzugt, dass bezogen auf gleich große Bodenausschnittsflächen
die Randbereiche der Bodenfläche der Brennkammer mit einer größeren
Strömungsmenge an Fluid durchströmt werden als
der zentrale Bereich der Bodenfläche.
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Im
Folgenden soll die Erfindung anhand der Figuren näher erläutert
werden. Dabei zeigen
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1 eine
schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen
Infrarot-Strahlers im Schnitt
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2 und 3 Draufsichten
von erfindungsgemäß gestalteten Brennerplatten.
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Der
ungleichen Temperaturverteilung an der Vorderfläche eines
Infrarot-Strahlers wird mit der Ausgestaltung des Infrarot-Strahlers
nach 1 erfindungsgemäß entgegengetreten. 1 zeigte
einen Infrarot-Strahler 1 mit einem Gehäuse 2,
das in der Regel aus Metall besteht. An der Rückseite des Gehäuses
befindet sich ein Fluidanschluss 10, durch den ein Fluid,
beispielsweise ein Gas-/Luftgemisch, in die Verteilkammer 14 geführt
wird. Von der Verteilkammer 14 geht der Weg des Fluids über
verschiedene Strömungspfade, die beispielhaft strichpunktiert
mit den Bezeichnungen 11.1 und 11.2 dargestellt sind,
durch die Durchtrittsöffnungen 12 einer Brennerplatte 8 bis
zum Boden 7 der Brennkammer 6. Die Verbrennung
des Fluids in der Brennkammer 6 bewirkt eine Erwärmung
der Rückseite 4 des Strahlkörpers 3,
an dessen Vorderfläche 5 die thermische Energie
durch Infrarotstrahlung an eine vorbeilaufende Materialbahn 15 abgegeben
werden kann.
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Da
es trotz gleichmäßiger Verbrennung oft trotzdem
zu ungleichen Vorderflächentemperatur am Strahlkörper
kommt, werden in diesem bevorzugten Ausführungsbeispiel
die Strömungspfade 11.1 zu den Rändern
der Brennkammer mit einem geringeren Strömungswiderstand
versehen als die Strömungspfade 11.2, die im zentralen
Bereich der Brennkammer enden. Aufgrund der unzureichenden Isolierung 9 kommt
es nämlich am Rand häufig zu Wärmeverlusten.
Durch die unterschiedlichen Strömungswiderstände
wird nun sichergestellt, dass pro Flächeneinheit am Rand
der Brennkammer 6 mehr Fluid verbrannt wird als in der
Mitte und insofern die Temperatur der Strahlkörpers 3 am
Rand der der Mitte angepasst wird. In 1 wird der
unterschiedliche Strömungswiderstand dadurch realisiert,
dass die Durchtrittsöffnungen 12 im Randbereich
kürzer sind als im zentralen Bereich der Brennkammer, indem die
Brennerplatte 8 am Rand eine geringere Dicke aufweist.
Es ist angestrebt, dass sich der Strömungswiderstand von
Strömungspfad 11.1 von dem des Strömungspfades 11.2 um
mehr als 2% unterscheidet, vorzugsweise um mehr als 10%.
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2 zeigt
eine Alternative zu den unterschiedlichen Durchtrittsöffnungslängen,
um unterschiedliche Strömungswiderstände zu erwirken.
Betrachtet seien zwei gleich große Bodenausschnittsflächen 7.1 und 7.2,
eine davon im Randbereich und eine zentraler auf der Brennerplatte 8.
Die gewünschte Fluidmengenzufuhr wird nun dadurch erreicht, dass
die Durchtrittsöffnungen 12 im Randbereich in der
Bodenausschnittsfläche 7.1 in Summe einen größeren
Durchlassquerschnitt haben, als die aus der Bodenausschnittsfläche 7.2.
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Eine
weitere Variante ist in 3 gezeigt, wo überall
gleich große Durchmesser der Durchtrittsöffnungen
vorgesehen sind. Der gesamte Durchlassquerschnitt der Durchtrittsöffnungen
in der Bodenausschnittsfläche 7.1 ist in diesem
Fall dadurch größer als in der Bodenausschnittsfläche 7.2,
dass man mehr Durchtrittsöffnungen pro Flächeneinheit
vorgesehen hat. Auch in diesem Fall ist sichergestellt, dass dort
wo benötigt größere Fluidmengen den Brennraum
erreichen.
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- 1
- Infrarot-Strahler
- 2
- Gehäuse
- 3
- Strahlkörper
- 4
- Rückseite
des Strahlkörpers
- 5
- Vorderfläche
des Strahlkörpers
- 6
- Brennkammer
- 7
- Boden
der Brennkammer
- 7.1,
7.2
- Bodenausschnittsfläche
- 8
- Brennerplatte
- 9
- Isolierung
- 10
- Fluidanschluss
- 11.1,
11.2
- Strömungspfad
- 12
- Durchtrittsöffnung
- 13
- Leiteinrichtung
- 14
- Verteilkammer
- 15
- Materialbahn
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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