DE10222452A1

DE10222452A1 - Als Flächenstrahler ausgebildeter Infrarot-Strahler

Info

Publication number: DE10222452A1
Application number: DE10222452A
Authority: DE
Inventors: Richard Aust; Juan Paniagua
Original assignee: Voith Paper Patent GmbH
Current assignee: Voith Patent GmbH
Priority date: 2002-02-12
Filing date: 2002-05-22
Publication date: 2003-08-21

Abstract

Die Erfindung betrifft einen als Flächenstrahler ausgebildeter Infrarot-Strahler mit einem Feuerraum (14), der einerseits von einer gasdurchlässigen Barriere, andererseits von einem Strahlkörper (15) begrenzt wird, wobei der Strahler eine Vielzahl von Kanälen (21) enthält und an seiner Vorderfläche Infrarotstrahlung abgibt. Davon ausgehend soll ein verbesserter konvektiver Wärmeübergang bei hohen Standzeiten dadurch erreicht werden, dass die Barriere aus einer einzelne Düsen (29) aufweisende Düsenplatte (12) besteht und die Kanäle (21) des Strahlkörpers (15) an der Feuerraumseite zumindest im Bereich der Austrittsöffnungen der Düsen (29) geschlossen sind, wodurch Prallflächen (22) gebildet werden, gegen die die Austrittsöffnungen der Düsen (29) gerichtet sind.

Description

Die Erfindung betrifft einen als Flächenstrahler ausgebildeten Infrarot-Strahler mit einem Feuerraum, der einerseits von einer gasdurchlässigen Barriere, andererseits von einem Strahlkörper begrenzt wird, wobei der Strahlkörper eine Vielzahl von Kanälen enthält und an seiner Vorderfläche Infrarotstrahlung abgibt.
Als Flächenstrahler ausgebildete Infrarot-Strahler werden bekannterweise in Trocknersystemen eingesetzt, die zum Trocknen bahnförmiger Materialien, beispielsweise Papier- oder Kartonbahnen, dienen. In Abhängigkeit der Breite der zu trocknenden Bahn und der gewünschten Heizleistung wird die erforderliche Anzahl von Strahlern mit fluchtenden Abstrahlflächen zu einer Trocknungseinheit zusammengestellt.

Der prinzipielle Aufbau eines einzelnen, gattungsgemäßen Infrarot-Strahlers ist in Fig. 8 dargestellt und beispielsweise in der DE 199 01 145-A1 beschrieben.

Das für den Betrieb des Strahlers notwendige Brennstoff/Luft-Gemisch wird dem Strahler durch eine Öffnung (a) im Gehäuse (b) zugeführt und gelangt zunächst in eine Verteilkammer (c) in der das Gemisch gleichmäßig über die Strahlerfläche - senkrecht zur hier gezeigten Ansicht - verteilt wird. Anschließend treten die Gase durch eine durchlässig gestaltete Barriere (d). Hauptaufgabe der Barriere (d) ist es, den Feuerraum (e), in dem das Gas verbrannt wird, von der Verteilkammer (c), in der sich das unverbrannte Gasgemisch befindet, so zu trennen, daß kein Flammenrückschlag von dem Feuerraum (e) nach der Verteilkammer (c) erfolgen kann. Daneben ist die Barriere (d) sinnvoller Weise so auszuführen, daß eine möglichst gute Wärmeübertragung der heißen Verbrennungsabgase an die die Strahlung abgebenden festen Körper, also die Oberfläche der Barriere (d) selbst, ggf. die Wände des Feuerraumes (e) und den eigentlichen Strahlkörper (f) vorbereitet wird. Die geometrische/konstruktive Ausgestaltung von Feuerraum (e) und Strahlkörper (f) erfolgt ebenfalls unter den Gesichtspunkten

- optimierter Wärmeübertragung,
- maximierter Wärmeabstrahlung,
- minimaler Wärmeverluste zur Seite und in Richtung Verteilkammer

unter Berücksichtigung von auftretenden Wärmedehnungen und anwendungsspezifischen Besonderheiten, wie z. B. mögliche Verschmutzungen, auftretende Thermoschocks u. ä.

Aus der US 3,751,213 ist ein weiterer gattungsgemäßer Infrarot-Strahler bekannt, bei dem der Strahlkörper aus einem Wabenkörper mit durchgängigen Löchern zur Abführung der Verbrennungsgase besteht. Die Barriere ("gas injection block") ist als gelochte Keramikplatte ausgeführt. Der in der Patentschrift beschriebene Hauptvorteil des Wabenkörpers besteht darin, daß die darin enthaltenen Löcher als schwarze Strahler wirken, wenn ihr Verhältnis Länge/Durchmesser den Wert 5 überschreitet.

Bei der Zusammenstellung von einzelnen Strahlern zu Trocknungseinheiten werden diese üblicherweise von vorne durch den Strahlkörper gezündet. Dazu müssen die Öffnungen im Strahlkörper eine gewisse Mindestfläche aufweisen, um ein zügiges Durchzünden der gasbetriebenden Infrarot-Strahler der Trocknungseinheit zu gewährleisten. Bei kreisförmigen Querschnitten liegt der Mindestdurchmesser bei ca. 4 mm. Aus dieser Anforderung ergibt sich bei dem vorgegebenen Verhältnis Länge/Durchmesser eine Mindesthöhe der Wabenstruktur von 20 mm und damit eine vergleichsweise große, aufzuheizende Masse. Die relativ großen Öffnungen in dem Strahlkörper, die zum Zünden des Strahlers erforderlich sind, führen zu relativ kleinen Gasgeschwindigkeiten und damit zu einem vergleichsweise schlechten konvektiven Wärmeübergang von den Verbrennungsabgasen an den Strahlkörper. Weiterhin ist zur Zeit kein Material bekannt, daß die Konstruktion einer Barriere in der in der US 3,751,213 beschriebenen Form ermöglicht und zugleich die für diese Konstruktion typischen sehr hohen Feuerraumtemperaturen für eine längere Zeit stand hält.

Die Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen gattungsgemäßen Infrarot-Strahler zu schaffen, der einen verbesserten konvektiven Wärmeübergang bei hohen Standzeiten aufweist.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die Barriere aus einer einzelne Düsen aufweisende Düsenplatte besteht und die Kanäle des Strahlkörpers an der Feuerraumseite zumindest im Bereich der Austrittsöffnungen der Düsen geschlossen sind, wodurch Prallflächen gebildet werden, gegen die die Austrittsöffnungen der Düsen gerichtet sind.

Die Düsen als Durchtrittsöffnungen bewirken eine hohe Austrittsgeschwindigkeit, die Grundlage für einen effizienten, konvektiven Wärmeübergang ist. Die Prallflächen verhindern, daß sich die Flamme wegen der hohen Geschwindigkeit erst innerhalb des Strahlkörpers bildet und somit keine genügende Wärmeübertragung an diesen erfolgt. Die Prallflächen in Verbindung mit dem Düsenfeld der Düsenplatte bewirkt so einen maximalen konvektiven Wärmeübergang.

Die Unteransprüche enthalten bevorzugte, da besonders vorteilhafte Ausgestaltungen eines erfindungsgemäßen Infrarot-Strahlers.

Die Zeichnung dient zur Erläuterung der Erfindung anhand vereinfacht dargestellter Ausführungsbeispiele. Es zeigen
Fig. 1 einen Querschnitt durch den Aufbau eines Infrarot-Strahlers nach der Erfindung,
Fig. 2 eine Draufsicht auf die Feuerraumseite des Strahlkörpers nach Fig. 1,
Fig. 3 einen Querschnitt durch den Strahlkörper nach Fig. 2,
Fig. 4 und Fig. 5 jeweils eine Draufsicht auf die Feuerraumseite von zwei anderen Ausführungsformen eines Strahlkörpers,
Fig. 6 und Fig. 7 jeweils eine Ansicht auf die strahlende Vorderseite von aus einzelnen Leisten aufgebauten Strahlkörpern,
Fig. 8 zeigt in einem Querschnitt den prinzipiellen Aufbau eines Strahlergehäuses.
Die Infrarot-Strahler nach der Erfindung werden bevorzugt mit Gas beheizt, alternativ ist die Beheizung mit einem flüssigen Brennstoff als Heizfluid möglich.
Wie in Fig. 1 dargestellt, enthält jeder Strahler ein Mischrohr 1, in das an einem Ende eine Mischdüse 2 eingeschraubt ist. An die Mischdüse 2 ist eine Gaszuführleitung 3 angeschlossen, dis mit einer Sammelleitung 4 verbunden ist, aus der mehrere nebeneinander angeordnete Strahler mit Gas 5 versorgt werden. Die Versorgung mit Luft 6 erfolgt über eine Hohltraverse 7, an der das Mischrohr 1 befestigt ist. Die Verbindungsleitung 8 für die Luftzufuhr mündet im oberen Teil des Mischrohrs 1 in eine das Auslaßende der Mischdüse 2 umfassende, nach unten offene Luftkammer 9, so daß in den Mischraum 10 des Mischrohrs 1 von oben ein Gas-Luftgemisch eingeleitet wird.
Am unteren, offenen Ende des Mischrohrs 1 ist ein Gehäuse 11 befestigt, in dem als Barriere eine Düsenplatte 12 angeordnet ist. Die Düsenplatte 12 ist aus einem hitzebeständigen Metall gefertigt und enthält eine Reihe von rohrförmigen Düsen 29, die ebenfalls aus Metall gefertigt sind. Die Düsen 29 münden in einen Feuerraum 14, der einerseits von der Düsenplatte 12, andererseits von einem im wesentlichen parallel zu dieser mit Abstand angeordneten Strahlkörper 15 begrenzt wird. In dem Feuerraum 14 bilden sich Flammen, die den Strahlkörper 15 von der Rückseite her beheizen, so daß dieser Infrarot-Strahlung abgibt. Auf der Seite des Feuerraums 14 sind die Düsen 29 in einer vakuumgeformten Platte 30 eingebettet, das aus hochtemperaturbeständigen Keramikfasern gebildet wird. Alternativ kann die Platte durch mehrere Schichten Keramikpapier ersetzt werden. Die Platte 30 wirkt als Isolierschicht für die Düsenplatte 12 und verhindert so, außer Flammenrückschlägen, daß diese durch die hohen Temperaturen im Feuerraum 14 beschädigt wird. Diese kombinierte Konstruktion, aus metallischer Düsenplatte und Keramikfaserisolierung, ist gegen Rißbildung wesentlich beständiger als die bekannten keramischen Lochplatten, die vielfach als Barriere Verwendung finden. Der Durchmesser einer Düse 29 beträgt 1,5-4 mm, wobei die Düsenplatte 12 etwa 1500-2500 Düsen 29 pro m² ihrer Fläche enthält.
Für die Zufuhr des Gas-Luftgemisches mündet das Mischrohr 1 in eine von einer Haube 16 abgedichteten Verteilkammer 17, die an dem anderen Ende von der Düsenplatte 12 abgeschlossen wird. Damit das Gas-Luftgemisch gleichmäßig an der Rückseite der Düsenplatte 12 verteilt wird, ist in der Verteilkammer 17 eine Prallplatte 18 angeordnet, gegen die das zugeführte Gemisch strömt. Die Düsenplatte 12 ist in dem Gehäuse 11 in umlaufende, feuerfeste Dichtungen 19 eingepaßt. Der Strahlkörper 15 hängt in einem umlaufenden feuerfesten Rahmen 20, der an dem Gehäuse 11 befestigt oder ein Teil von diesem ist und gemeinsam mit den Dichtungen 19 den Feuerraum 14 seitlich gasdicht abschließt.
Der Strahlkörper 15 ist aus Keramik oder einem anderen hochhitzebeständigen Material gefertigt. Bevorzugt ist er aus einer geeigneten SiC-Modifikation oder einem Material gefertigt, das als Hauptbestandteil mehr als 50 Gewichts-Prozent eines Metallsilizids enthält. Als Metallsilizide werden bevorzugt Molybdändisilizid (MoSi₂) oder Wolframdisilizid (WSi₂) verwendet. Als weitere Bestandteile sind bevorzugt Siliziumoxid (SiO₂), Zirkoniumoxid (ZrO₂) oder Siliziumkarbid (SiC) enthalten. Diese Materialien sind extrem temperaturbeständig und standfest, so daß der Strahler - falls erforderlich - mit Flammentemperaturen von mehr als 1700°C bis zu 1850°C betrieben werden kann. Gegenüber einer ebenfalls hochtemperaturbeständigen Legierung, die ausschließlich aus Metallen besteht (beispielsweise einer metallischen Heizleiterlegierung), hat das Material den weiteren Vorteil, daß nahezu keine Verzunderung auftritt. Um eine extrem lange Standzeit des Strahlers zu erhalten, kann dieser mit einer Flammentemperatur etwas unterhalb der maximal möglichen Temperatur des Strahlkörpers 15 betrieben werden; beispielsweise zwischen 1100°C und 1400°C, wodurch die Bildung von thermischem NO_x in einem verträglichen Rahmen gehalten wird.
Bei allen Ausführungsformen enthält der Strahlkörper eine Vielzahl von Kanälen 21, die sich - wie in den Fig. 1 und 3 dargestellt - vom Feuerraum 14 nach außen erstrecken. Die Kanäle 21 werden an der den Feuerraum 14 begrenzenden Rückseite des Strahlkörpers 15 beheizt. An der Vorderseite des Strahlkörpers 15 sind die Kanäle 21 offen, dort geben sie die Infrarotstrahlung ab. Der Querschnitt der röhrenförmig gestalteten Kanäle 21 ist bevorzugt entweder kreisförmig oder in Form eines regelmäßigen Polygons ausgebildet, beispielsweise sind die Kanäle 21 wabenförmig nebeneinander angeordnet.
Wesentlich für die Erfindung ist, daß die Kanäle 21 des Strahlkörpers auf der Feuerraumseite zumindest im Bereich der Austrittsöffnungen der Düsen 29 geschlossen sind. Es werden so Prallflächen 22 gebildet, gegen die Austrittsöffnungen der Düsen 29 gerichtet sind. Die Prallflächen 22 gewährleisten, daß sich die Flammen bereits im Feuerraum 14 bilden und nicht erst innerhalb der Kanäle 21. Somit wird ein maximaler konvektiver Wärmeübergang bewirkt.
In den Fig. 2 bis 5 sind verschiedene Ausführungsformen eines aus einem Block hergestellten Strahlkörpers 15 dargestellt. Die Kanäle 21 weisen sehr geringe Durchmesser auf, so daß die erforderliche Mindesthöhe des Strahlkörpers 15 (= Länge der Kanäle 21) zum Erreichen eines hohen Emissionskoeffizienten reduziert wird. Hierdurch wird die insgesamt aufzuheizende Masse des Strahlkörpers verringert mit dem Vorteil, daß die Aufheiz- und Abkühlzeiten des Strahlers verkürzt werden. Auf der Feuerraumseite, die in den Fig. 2, 4 und 5 gezeigt wird, sind die Kanäle 21 im Bereich der Austrittsöffnungen der Düsen 29 verschlossen. Dazu sind in dem entsprechenden Bereichen streifenförmige (Fig. 2, Fig. 4) oder kreisförmige (Fig. 5) Platten 24 auf der Oberfläche des Strahlkörpers 15 aufgebracht oder in diese eingearbeitet. Bevorzugt bestehen die Platten aus demselben feuerfesten Material, aus dem der übrige Strahlkörper 15 gefertigt ist. So ist es möglich, bei der Herstellung des Strahlkörpers 15 aus einem einheitlichen Material in den entsprechenden Bereichen die Kanäle 21 geschlossen zu gestalten.
Bei den Ausführungsformen nach den Fig. 6 und 7 ist der Strahlkörper 15 aus einzelnen, nebeneinander angeordneten balkenförmigen Elementen 25 aufgebaut, die mit ihren Enden jeweils in den Rahmen 20 befestigt sind. Jedes der Elemente 25 enthält eine Vielzahl von Kanälen 21, die auf die vorstehend beschriebene Weise an der Feuerraumseite verschlossen und an der in den Fig. 6 und 7 dargestellten Vorderseite des Strahlers offen sind. Zwischen den einzelnen Elementen 25 sind Öffnungen 23, die eine Abfuhr der Verbrennungsabgase aus den Feuerraum 14 ermöglichen.
Bei der Ausführungsform nach Fig. 6 sind zwischen den einzelnen Elementen 25 als Öffnungen 23 schmale Schlitze vorhanden. Zumindest ein Schlitz 23a des Strahlers ist breiter ausgeführt, damit ein Zünden des Strahlers von außen ermöglicht wird. Dazu beträgt die lichte Weite des Schlitzes 23a zumindest 4 mm.
Bei der Ausführungsform nach Fig. 7 ist jeweils zwischen zwei balkenförmigen Elementen 25 ein weiteres balkenförmiges Element 26 angeordnet, das durchgehende Kanäle 27 mit vergrößertem Querschnitt aufweist. Durch die durchgehenden Kanäle 27 werden die Verbrennungsabgase aus dem Feuerraum 14 abgeführt. Der Durchmesser der Kanäle 27 beträgt zumindest 4 mm, so daß der Strahler durch diese Kanäle 27 auch von außen gezündet werden kann. Die Kanäle 21 der Elemente 25 weisen einen erheblich geringeren Durchmesser auf. Sie sind auf die vorstehend beschriebene Weise an der Feuerraumseite verschlossen.
Aufgrund ihrer Einsatzmöglichkeit bei sehr hohen Temperaturen von mehr als 1100°C, ihrer hohen spezifischen Leistungsdichte und ihrer langen Standzeit sind die erfindungsgemäßen Infrarot-Strahler besonders zum Trocknen von bahnförmigen Materialien bei hohen Bahngeschwindigkeiten geeignet. Ein bevorzugtes Anwendungsgebiet ist die Trocknung von laufenden Karton- oder Papierbahnen in Papierfabriken, beispielsweise hinter Beschichtungsvorrichtungen.

Claims

1. Als Flächenstrahler ausgebildeter Infrarot-Strahler mit einem Feuerraum (14), der einerseits von einer gasdurchlässigen Barriere, andererseits von einem Strahlkörper (15) begrenzt wird, wobei der Strahlkörper eine Vielzahl von Kanälen (21) enthält und an seiner Vorderfläche Infrarotstrahlung abgibt, dadurch gekennzeichnet, dass die Barriere aus einer einzelne Düsen (29) aufweisende Düsenplatte (12) besteht und die Kanäle (21) des Strahlkörpers (15) an der Feuerraumseite zumindest im Bereich der Austrittsöffnungen der Düsen (29) geschlossen sind, wodurch Prallflächen (22) gebildet werden, gegen die die Austrittsöffnungen der Düsen (29) gerichtet sind.

2. Infrarot-Strahler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahlkörper (15) aus einem Block gefertigt ist, wobei auf der Feuerraumseite die Kanäle (21) durch streifenförmige oder kreisförmige Platten (24) verschlossen sind.

3. Infrarot-Strahler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahlkörper (15) aus einzelnen, nebeneinander angeordneten balkenförmigen Elementen (25) aufgebaut ist, die eine Vielzahl von an der Feuerraumseite verschlossenen (Kanälen 21) enthalten.

4. Infrarot-Strahler nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den balkenförmigen Elementen (25) Schlitze als Öffnungen (23) vorhanden sind, wobei zumindest ein Schlitz (23a) eine Weite von zumindest 4 mm aufweist.

5. Infrarot-Strahler nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen zwei balkenförmigen Elementen (25) ein weiteres balkenförmiges Element (26) angeordnet ist, das durchgehende Kanäle (27) mit vergrößertem Querschnitt aufweist.

6. Infrarot-Strahler nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Düsenplatte (12) und die Düsen (29) aus einem hitzebeständigen Metall gefertigt sind, und daß die Düsen (29) auf der Feuerraumseite in einer vakuumgeformten, aus Keramikfasern gebildeten Platte (30) eingebettet sind.

7. Infrarot-Strahler nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolationsplatte (30) aus mehreren Lagen Keramikpapier gebildet wird.

8. Infrarot-Strahler nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahlkörper (15) aus einer geeigneten Siliziumkarbid(SiC)-Modifikation hergestellt ist.

9. Infrarot-Strahler nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahlkörper (15) aus einem hochhitzebeständigen Material hergestellt ist, das mehr als 50 Gewichtsprozent eines Metallsilizids enthält.

10. Infrarot-Strahler nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahlkörper (15) mehr als 50 Gewichtsprozent Molybdändisilizid (MoSi₂) enthält.

11. Infrarot-Strahler nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahlkörper (15) mehr als 50 Gewichtsprozent Wolframdisilizid (WSi₂) enthält.

12. Infrarot-Strahler nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Material des Strahlkörpers (15) als weiteren Bestandteil Siliziumoxid (SiO₂) enthält.

13. Infrarot-Strahler nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Material des Strahlkörpers (15) als weiteren Bestandteil Zirkoniumoxid (ZrO₂) enthält.

14. Infrarot-Strahler nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Material des Strahlkörpers (15) als weiteren Bestandteil Siliciumkarbid (SiC) enthält.