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Gasinfrarotstrahler Die Erfindung betrifft einen Gasinfrarotstrahler
mit einer Mischkammer, welche mit Vorrichtungen zur Einführung eines Brenngases
und der Verbrennungsluft versehen ist, wobei eine Wand dieser Mischkammer durch
eine Keramikplatte schlechterer Wärmeleitfähigkeit gebildet ist, die eine Vielzahl
von Kanälen aufweist, deren Durchmesser etwa ein Zehntel der Plattendicke oder weniger
beträgt, die Verbrennung in diesen Kanälen und in der Nähe der oder auf der äußeren
Oberfläche der Platte stattfindet, diese erhitzte Oberfläche Strahlungen aussendet,
und daß mindestens ein vor der perforierten Platte angeordneter Wärmereflektor vorgesehen
ist.
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Es sind bereits verschiedene Infrarotstrahler bekannt, bei denen ein
Schirm, der insbesondere die Form eines Gitters hat, vor der Strahlungsplatte angeordnet
ist, um die Wirksamkeit des Strahlers insgesamt zu verbessern. Die Wärmekapazität
solcher aus Metall bestehenden Gitter ist aber gering, so daß diese Gitter nicht
als Reflektoren anzusehen sind. Ferner ist es bekannt, seitlich neben der Strahlungsplatte
und dem Gitter einen schalenförmigen, sich nach außen verbreiternden Körper anzuordnen,
welcher als Reflektor dienen soll. Ein derartiger Reflektor gestattet aber nicht,
die von der Strahlungsplatte ausgehende Strahlung auf die Platte zurückzureflektieren,
so daß der Wirkungsgrad der Vorrichtung nur geringfügig erhöht werden kann.
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Bei einem anderen Infrarotstrahler sind vor der Brennerplatte aus
keramischem Werkstoff bestehende Röhren angeordnet, die waagerecht zueinander verlaufen,
jedoch auch einen beachtlichen Abstand von Röhre zu Röhre aufweisen. Dieser Brenner
gestattet wiederum nur einen Bruchteil der von der Strahlungsplatte ausgehenden
Wärme zu der Platte zurückzureflektieren. Auch ist es bekannt, bei einem Strahlungsbrenner
gruppenweise keramische Rohre vor die Brennerplatte zu setzen. Hier ist aber keine
im wesentlichen parallel zur Strahlungsplatte verlaufende Reflektorwand vorhanden,
so daß die reflektierte Strahlung nur auf Umwegen und somit zu einem Bruchteil zur
Strahlungsplatte reflektiert wird. Eine Vervielfachung der von der Strahlungsplatte
ausgehenden Wärmestrahlung ist mit diesem Brenner nicht möglich.
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Die erfindungsgemäße Verbesserung besteht im wesentlichen darin, daß
der Reflektor eine relativ dicke, aus feuerfestem Werkstoff bestehende, wärmeisolierende
Wand aufweist, um einen Teil der von der Platte ausgesandten Strahlung zu speichern
und zur Platte zu reflektieren, und umgekehrt, und daß die Reflektorwand, Strahlungsplatte
und die Seitenwände einen im wesentlichen geschlossenen Raum bilden, der mindestens
eine im Reflektor angeordnete, der perforierten Platte gegenüberliegende Öffnung
aufweist, um die Strahlung der Platte zu richten. Diese Ausführung gewährleistet,
daß ein großer Teil der von der Strahlungsplatte ausgehenden Wärmestrahlung zu ihr
zurückkehrt, so daß eine im Vergleich zu den bisherigen Infrarotstrahlern beachtlich
verstärkte, vervielfachte Strahlungsintensität die Strahlungsvorrichtung verlassen
kann.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung kann die Dichte der Kanäle
(d. h. die Gesamtquerschnittsfläche der in einer gegebenen Fläche angeordneten Perforierungen
im Verhätlnis zur Gesamtfläche) in dem Teil der Platte stärker sein, der den Öffnungen
des Reflektors gegenüberliegt. Diese Anordnung hat den Vorteil, daß in der Verbrennungskammer
eine höhere Temperatur aufrechterhalten und gleichzeitig eine weniger dichte Anordnung
der Kanäle auf dem nach außen strahlenden Teil ermöglicht wird, um eine größere
Abstrahlungsfläche zu erzielen. Hieraus ergibt sich der Vorteil, daß den Öffnungen
des Reflektors eine maximale Abstrahlungsfläche gegenüberliegt, da der Gasströmungsquerschnitt
keine eigentliche Abstrahlung aufweist. Für andere Verwendungszwecke kann die Dichte
der Kanäle in umgekehrter Weise festgelegt werden. Während der Wärmewirkungsgrad
am höchsten bei der Verbrennungskammer ist, die eine reflektierende Oberfläche von
50 bis 70 1/o der
Gesamtfläche der Heizplatte aufweisen, ist es
häufig notwendig, wie bereits vorstehend erwähnt, die Gesamtintensität der Wärmestrahlung
selbst auf Kosten des optimalen Wirkungsgrades zu erhöhen. In diesem Fall - vor
allem, wenn die Reflektoren wärmeisolierend sind - ist es vorteilhaft, die Oberfläche
der Reflektoren auf weniger als 50 % und sogar bis auf 35 % der Gesamtoberfläche
zu verringern. Die Verteilung der Gasaustrittsöffnungen kann also entsprechend dem
zu erreichenden Zweck unter Anpassung an die Stellung des verwendeten Reflektors
vorgenommen werden.
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Der Erfindungsgegenstand wird an Hand der nachfolgenden Zeichnungen
erläutert, die schematische Ausführungsbeispiele darstellen. Es zeigt Fig. 1 einen
axialen Schnitt durch eine Ausführungsform des Infrarotstrahlers gemäß der Erfindung,
Fig. 2 schematisch die Wirkungsweise des in Fig. 1 dargestellten Infrarotstrahlers,
Fig. 3 einen Teilschnitt durch eine Einzelheit der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform
der Vorrichtung, Fig. 4 einen Schnitt durch ein Detail einer anderen Ausführungsform,
der Erfindung, Fig. 5 und 6 einen Längsschnitt bzw. eine Draufsicht eines Teiles
einer Heizvorrichtung, deren Reflektor aus einem geformten Spezialglas besteht,
Fig. 7 eine Draufsicht auf ein Teilelement der in den Vorrichtungen von Fig. 5 und
6 verwendeten Strahlungsplatte, Fig. 8 eine Draufsicht auf einen Teil der
Vorrichtung, die mit einem Keramikreflektor in Gitterform versehen ist, Fig. 9 einen
Teilschnitt durch die in Fig. 8 dargestellte Vorrichtung, Fig. 10 einen Teilschnitt
durch eine Variante der in Fig. 8 dargestellten Vorrichtung.
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Gemäß der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform besteht der Infrarotstrahler
aus einer das Gas zuführenden Vorrichtung 1, die in den rückwärtigen Teil eines
Gehäuses 2 mündet, welches achssymmetisch ist und vorn teilweise durch eine Platte
3 geschlossen sein kann.
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Die Zuführungsvorrichtung besteht aus einem Brenngas-Eintrittsrohr
4, das mit einem Regelventil 5 versehen ist und in ein Venturirohr 6 mündet, welches
Luft in genügender Menge mitreißt, um eine vollständige Verbrennung des Gases sicherzustellen.
Dieses mit dem Gehäuse 2 verbundene Venturirohr mündet in der Mischkammer 7, in
der ein Prallteller 8 axial angeordnet ist. Nach vorn ist die Mischkammer durch
eine perforierte Strahlungsplatte9 aus isolierendem, bei hohen Temperaturen beständigem
Material, beispielsweise Keramik, begrenzt, welche von einer Vielzahl von Kanälen
sehr geringen Querschnitts durchsetzt ist, die dazu dienen, die Verbrennung über
die ganze Vorderfläche 10 dieser Platte zu verteilen. Diese Platte wird hinten durch
einen Bund 11 der Kammer 7 in ihrer Lage festgelegt. Von der Oberfläche 10 werden
die infratrotstrahlen emittiert.
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Vor der Platte 9 ist ein Reflektor 12 angebracht, der zwischen einem
an der Innenwand des Gehäuses 2 anliegenden ringförmigen Distanzstück 13 und einem
zweiten zwischen Reflektor und Platte 3 angeordneten Distanzstück 14 festgelegt
ist, welches mit dieser Platte aus einem Stück bestehen kann.
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Der Reflektor hat die Aufgabe, einen Teil der von der Oberfläche 10
abgegebenen Strahlen aufzufangen und sie auf diese Fläche 10 zurückzuwerfen, deren
Temperatur auf diese Weise erhöht wird. Dieser Reflektor wirkt also als Strahlenvervielfacher,
wodurch die Menge der durch die Verbrennung erzeugten Infrarotstrahlen im Verhältnis
zu den durch Konvektion und Entweichen der heißen Gase entstehenden Wärmeverluste
erhöht wird. Die Gase entweichen entweder durch die offene Vorderseite der Vorrichtung
oder durch die in der Platte 3 angebrachte öffnung 3 a - falls die Vorrichtung mit
einer solchen Platte versehen ist - oder schließlich durch seitliche Öffnungen 15
in der Außenwand.
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Der Reflektor 12 und die Vorderplatte 3 können verbunden werden oder
aus einem Stück bestehen. Die Oberfläche, die durch den Reflektor 12 zur Erzielung
der größten Menge an Infrarotstrahlen abgedeckt ist, beträgt vorzugsweise 50 bis
70 % der Oberfläche der perforierten Platte 9. Bei einer Platte, deren Kanäle einen
Durchmesser von etwa 1 mm haben, der je nach dem Druck des Gases am Ventil s um
20 % größer oder kleiner ist, beträgt der Abstand zwischen der Platte und dem Reflektor
5 bis 12 mm. Die Zuführungskanäle für das Gasgemisch verlaufen senkrecht zur Oberfläche
10 der Platte und sind so bemessen, daß der Druckverlust bei der vorgegebenen Dicke
der Platte minimal wird und kein Flammenrückschlag zur Mischkammer stattfinden kann.
In dem dargestellten Beispiel ist die Zahl dieser Kanäle je Flächeneinheit an den
Rändern der Platte 9, die den durch die Reflektoren abgedeckten Teilen entsprechen,
größer als in der Mitte der Platte, die der freien Öffnung zwischen den Reflektoren
gegenüberliegt. Die Gesamtfläche dieser Öffnungen muß so groß sein, daß keine Druckverluste
oder Widerstände für den Verbrennungsgasstrom entstehen. Jedoch ist die unregelmäßige
Verteilung der Kanäle in der Platte 9 nicht auf diese Anordnung beschränkt, sondern
sie könnte umgekehrt sein oder abgeändert werden, unter Berücksichtigung der Beziehung
zwischen Kanalverteilung und der Anordnung der Öffnung zwischen den Reflektorteilen.
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Die in geringem Abstand vor dem Reflektor angeordnete Platte 3 hat
die Aufgabe, diesen gegen den Einfluß der umgebenden Atmosphäre zu schützen und
seine Temperatur zu erhöhen.
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Für gewisse Verwendungszwecke kann es vorteilhaft sein, die abgestrahlte
Energie in bestimmten Abständen zur Strahlungsplatte 9 zu konzentrieren. Gemäß der
auch für Infrarotstrahlen geltenden Regeln der geometrischen Optik ist die überhitzte
Platte 9 ein Objekt, dessen Bild sich in einem bestimmten Abstand von der Platte
am stärksten konzentriert. Dieser Abstand ist durch die Stellung der Platte 3 bestimmt,
deren Öffnungen als Linsen wirken (s. Fig. 2). Eine vorteilhafte Konzentration der
Wärmestrahlung in einer Zone Z, die beispielsweise zwischen 20 und 40 cm liegen
kann, ist durch Ausnutzung der genannten »optischen« Eigenschaften der Infrarotstrahlen
und eine dem gewünschten Zweck entsprechende Konstruktion möglich.
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Werden andererseits parallel gerichtete Strahlen gewünscht, so kann
die strahlende Fläche leicht gewölbt werden, um sowohl die von dem Reflektor herrührenden
Strahlen als auch die eigentliche Strahlung der Keramikplatte nach außen zu werfen.
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Ebenso ist es gemäß Fig. 3 möglich, vor der Austrittsöffnung 3 a der
Strahlen eine Abschlußplatte 16
anzuordnen, die aus einem an sich bekannten,
lichtdurchlässigen
und gegen hohe Temperaturen beständigen Material
besteht, das die Infrarotstrahlen durchläßt. Diese Platte kann jede gewünschte Form
haben, die die Bündelung oder auch die Verteilung der Strahlen bewirkt.
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Soll der Strahler in einer explosionsgefährdeten Umgebung verwendet
werden, kann der vordere Teil der Verbrennungskammer so ausgebildet werden, daß
der mit den Öffnungen 15 für die Abführung der Verbrennungsgase versehene Teil mit
einem engmaschigen Drahtgewebe 17 umgeben werden kann. Auf diese Weise wird ein
Durchschlag der Flammen nach außen verhindert. Der Lufteintritt zum Venturirohr
kann ebenfalls in gleicher Weise geschützt werden.
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Es ist möglich, eine große Zahl einzelner Verbrennungskammern nebeneinander
anzuordnen. In diesem Fall können die Reflektorelemente und die Distanzstücke die
in Fig. 4 dargestellte Form .haben, wo zwei Reflektoren 12a, 12b, die mit zwei Distanzstücken
13a, 13b in einem Stück ausgebildet sind, sich auf die Ränder von zwei Strahlungsplatten
9 legen. Die Reflektoren und die Strahlungsplatten werden durch einen Metallstift
18 zusammengehalten.
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Wird der Durchgang einer größeren Menge Infrarotstrahlen und die Konzentration
der Strahlen in einem Bereich bestimmter Tiefe gewünscht, beispielsweise in einem
Abstand von 15 bis 40 cm, unter Anwendung des in Fig. 2 dargestellten Prinzips,
kann der Reflektor aus einem Glas der bereits genannten Art gebildet werden, dem
eine geeignete Form gegeben wird, wie sie beispielsweise in Fig. 14 und 15 dargestellt
ist. In diesen Figuren, in denen die Mischkammer nicht dargestellt ist, werden die
Strahlungsplatte und der Reflektor unter Zwischenlegen einer als Distanzstück dienenden
Einfassung 20 in einem Rahmen 21 mit den Vorsprüngen 22 und 23 gehalten. Die Strahlungsplatte
besteht aus mehreren Teilplatten 24 (Fig. 7) von im wesentlichen quadratischer Form,
in welchem Kanäle 25 für das Brenngasgemisch jeweils in vier quadratischen Gruppen
so angeordnet sind, daß die Zwischenräume der Gruppen ein Flächenkreuz 26 bilden.
Der Reflektor besteht aus einer Glasplatte 27, die so geformt ist, daß sie eine
Vielzahl nebeneinanderliegender linsenförmiger Flächen 28 aufweist, in deren Mitte
jeweils eine Öffnung 29 vorgesehen ist. Die Flächen 28 sind so angeordnet,
daß jeder Fläche eine Gruppe von Kanälen 25 in den Teilplatten 24 der Strahlungsplatte
gegenüberliegt. Um den Reflektor gegenüber der Platte in richtiger Stellung zu halten,
sind Distanzstücke 30 zwischen dem Reflektor und der Strahlungsplatte an
jeder Stelle, an der vier Teilplatten 24 zusammenlagen, angeordnet. Durch Löcher
im Reflektor, in jedem Distanzstück 30 und in der Fuge zwischen den Teilplatten
24 ist ein Metallstift 31 geführt, der das Ganze zusammenhält. Zu diesem Zweck ist
der Stift an einem Ende mit einem Kopf 32, welcher sich auf die Außenfläche des
Reflektors legt, und an dem anderen Ende mit einer Feder, zu der das freie Ende
des Stiftes gewunden ist und die sich auf die der Mischkammer zugewandte Fläche
der Teilplatten 24 legt, versehen.
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Nach einer weiteren Ausführungsform (Fig. 8 bis 1.0) kann der
Reflektor aus einem weitmaschigen Gitter, das aus einem Stück geformt ist, und zwar
aus einem Keramikmaterial bestehen, das in geeigneter Weise behandelt wurde, um
den sehr hohen Temperaturen zu widerstehen. In dem in Fig. 8 und 9 dargestellten
Beispiel besteht der Reflektor aus einem solchen Gitter 35, das gleichmäßig verteilte
quadratische Öffnungen 36 aufweist. Dieses Gitter ist mit den die Verbrennungskammer
abschließenden Seitenwänden 37 in einem Stück geformt und weist die Flansche 38
auf, die sich auf einen Flansch 38' der Mischkammer legen. Durch Klammern 39 wird
das Ganze zusammengehalten, wobei die Strahlungsplatte zwischen die Flansche 38'
der Mischkammer und eine Aussparung 40 in den Wänden 37 gelegt ist. Diese Platte
besteht wie bei der vorstehend beschriebenen Vorrichtung aus Teilplatten 24, wie
sie in Fig. 7 dargestellt sind. Das Gitter 35, dessen Öffnungen 36 dem durch die
Kanäle 25 in den Teilplatten 24 gebildeten Muster entsprechen, ist durch an der
Außenseite des Gitters herausragende Rippen 41 verstärkt. An der Innenseite trägt
das Gitter Stege, die längs der vollen Teile des Gitters verlaufen und in zwei verschiedenen
Formen vorliegen, nämlich einerseits .in Form der Stege 42, die ein dem Umriß der
Teilplatten 24 entsprechendes Muster bilden und mit seitlichen Vorsprüngen
43 versehen sind, gegen die sich die mit den Stegen 42 vergossenen Teilplatten
24 legen, und andererseits in Form zweiter Stege 44, die längs der vollen Teile
im Flächenkreuz 26 der Teilplatten 24 verlaufen und auf die letzteren gestellt sind.
Die Teilplatten 24 werden auf diese Weise völlig durch das Reflektorgitter gehalten.
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Gemäß Fig. 10 besteht der Reflektor aus einem Gitter 25, dessen Form
in. Draufsicht identisch mit der Form des Gitters 35 ist. Dieses Gitter hat jedoch
keine Seitenwände, sondern wird in einem mit dem Flansch 47 und dem Vorsprung
48 versehenen Rahmen gehalten. Ebenso wie bei den Ausführungsbeispielen in
Fig. 5 und 6 ermöglicht der Flansch 47 den Zusammenbau mit der Mischkammer, während
durch den Vorsprung 48 unter Einfügung eines Distanzrahmens 49 das Gitter und die
Strahlungsplatte in ihrer Lage zueinander gehalten werden. Die Strahlungsplatte
ist aus mehreren Teilplatten 24 (Fig. 7) zusammengesetzt, und die Öffnungen des
Gitters 46 entsprechen dem Muster, das durch die Gruppen von Kanälen 25 in den Platten
gebildet wird.
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Aus allen vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen ist ersichtlich,
d'aß die durch die Strahlungsplatte führenden Kanäle für die Zuführung des Brenngasgemisches
an der Oberfläche der Platte ein wiederkehrendes unregelmäßiges Muster bilden, und
daß ferner das Reflektorelement bzw. die Reflektorelemente ebenfalls ein wiederkehrendes
Muster bilden, das sich mit der gleichen Häufigkeit oder einem Bruchteil derselben
wiederholt wie das Muster, das durch die Kanäle gebildet wird. Eine solche Ausbildung
ermöglicht die Verwirklichung optimaler Bedingungen für das Zurückwerfen eines Teiles
der von der Strahlungsplatte abgegebenen Infrarotstrahlen zu dieser Platte zwecks
überhitzung der Platte und Vervielfachung der endgültig abgegebenen Wärmemenge,
und führt zu den besten Ergebnissen in bezug auf die Konzentrierung der Infrarotstrahlen,
ihre Abstrahlung nach vorn und ihre Menge.
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In der erfindungsgemäßen Vorrichtung, in der die Verbrennung des brennbaren
Gasgemisches im Innern der durch die Keramikplatte führenden Kanäle in der Nähe
der nach außen zeigenden Oberfläche der Platte beginnt und sich auf dieser Oberfläche
fortsetzt, muß die Platte an dieser Oberfläche auf eine Temperatur
zwischen
Kirschrotglut und Orangerotglut erhitzt werden, daß jedoch die Temperatur der Oberfläche,
an der das Gasgemisch in die Keramikplatte eintritt, so niedrig sein muß, daß ein
Flammenrückschlag verhindert wird.
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Um diese Ergebnisse zu erreichen, werden als Strahlungsplatte oder
Teile derselben Platten verwendet, die aus einem Keramikmaterial mit sehr schlechter
Wärmeleitfähigkeit bestehen und von Kanälen für das Gasgemisch durchsetzt sind.
Die Kanäle haben einen Durchmesser von etwa 1 mm, während die Dichte der Keramikplatte
wenigstens das 10fache dieses Durchmessers, d. h. etwa 10 bis 15 mm, beträgt, aber
auch etwa 30 mm betragen kann, wenn das Brenngasgemisch einen höheren Druck hat,
als er üblicherweise angewendet wird. Im letzteren Fall können noch höhere Temperaturen
erzielt werden, jedoch muß dann das feuerfeste Material der Strahlungsplatte diesen
Temperaturen angepaßt sein.
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Als keramisches Material mit schlechter Wärmeleitfähigkeit kann jedes
bekannte feuerfeste Material verwendet werden, daß diese Voraussetzung erfüllt.
Besonders geeignet ist Ton oder ein gleichwertiges Material, das bei einer Temperatur
gebrannt ist, die gerade zum Zusammensintern der Körner des Materials ausreicht,
wobei im Material kleine geschlossene, mit Gas oder Luft gefüllte Hohlräume gelassen
werden oder dem Grundmaterial, wie Ton, wie an sich gleichfalls bekannter Stoffe,
die während des Brennens der Platten verbrennen und unter Bildung der genannten
Hohlräume entweichen, oder auch Stoffe mit an sich sehr schlechter Wärmeleitfähigkeit,
wie leichte Kieselsäure, zugesetzt werden.