DE2205626A1

DE2205626A1 - Poroese keramische strahlungs-heizelemente und verfahren zu deren herstellung

Info

Publication number: DE2205626A1
Application number: DE19722205626
Authority: DE
Inventors: Kenneth Frederick Coles; Donald Westlake
Original assignee: Shell Internationale Research Maatschappij BV
Current assignee: Shell Internationale Research Maatschappij BV
Priority date: 1971-02-08
Filing date: 1972-02-07
Publication date: 1973-10-25
Anticipated expiration: 1998-02-19
Also published as: DE2205626C3; FR2126742A6; NL7201542A; DE2205626B2; NL172851C; NL172851B; GB1384873A

Description

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Beschreibung zu der Patentanmeldung

SHELL INTERNATIONALE RESEARCH MAATSCHAPPIJ, N.V.

Carel van Bylandtlaan 30 Den Haag 2076 / Niederlande

betreffend

"Poröse keramische Strahlungs-Heizelemente und Verfahren zu deren Herstellung" (Zusatz zu P 20 31 526)

. Die Erfindung betrifft poröse keramische Elemente, die sich für Strahlungsheizung anwenden lassen, sowie ein Verfahren zu deren Herstellung. Es sind verschiedene Konstruktionen für Strahlungsheizsysteme bekannt (U:S.A. Patentschrift 3,208,247).

Bei einem Verbrennungssystem mit porösem Medium wird ein Gasgemisch von Brennstoff und Oxidationsmittel der Eintrittsseite des porösen Mediums zugeführt, die Verbrennung oder Reaktion findet nun in der Nähe der Austrittsfläche des porösen Mediums" statt. Eine Vielfalt von porösen Strukturen und festen Werkstoffen bietet eine Vielzahl von Reaktionszonen für die Verbrennung in der Gasphase über dem porösen Medium, innerhalb der Poren selbst oder an der Porenfläche innerhalb des porösen Mediums dar, welches

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gegebenenfalls katalytisch wirksam sein kann.

Bei■Wärmebehandlungsverfahren besteht die Notwendigkeit, tiöhere Aufhe.izgeschwindigkeiten und eine genauere Dosierung des Wärmeangebots zu gewährleisten. Diese Forderungen werden erfüllt mit Hilfe von Materialien, die einen hohen Wärmeübergangskoeffizient besitzen und die möglicherweise verfügbar sind für Hochtemperatur-Strahlungsquellen.

In dieser Beziehung können poröse keramische Elemente angewandt werden aufgrund der hohen Wärmeübergangsgeschwindigkeit, dem ruhigen Betrieb, der sauberen Verbrennung über einen weiten Bereich des Mischungsverhältnisses von Gas und Oxidationsmittel und dergleichen. Eine Begrenzung der Bedingungen stellt praktisch nur die Beständigkeit der feuerfesten Materialien gegenüber sehr hohen Temperaturen und Belastungen dar, die merklich ihre Anwendbarkeit beeinflussen.· Darüberhinaus sollen die keramischen Elemente schockbeständig sein.

Die Hauptanmeldung P 20 31 526 betrifft ein poröses keramisches Element, welches sich als Strahlungsheizelement eignet, da es strengen Betriebsbedingungen zu widerstehen vermag und alle Anforderungen hinsichtlich Temperaturverteilung und Regelung erfüllt. Ein solches poröses keramisches Element umfaßt einen durchlässigen Kern aus einer oder mehreren Kornfraktionen eines feuerfesten Materials und eine äußere Schale aus einer dichten Kornfraktion des gleichen feuerfesten Materials wobei Kern und Schale gesintert sind. Der durchlässige Kern ist ein integraler Bestandteil des Elements zusammen mit der dichten Schale.

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Es wurde festgestellt, daß die Eigenschaften der porösen keramischen Elemente nach dem Hauptpatent verbessert werden können und damit deren Anwendungsbereich erweitert wird, wenn unterschiedliche feuerfeste Materialien, die miteinander verträglich und sinterfähig sind zur Anwendung gelangen, so daß sie einen integral verbundenen Körper bilden. ·

Die Erfindung betrifft nun eine Abwandlung des porösen keramischen Elements als Strahlungsheizelement nach dem Hauptpatent, aufgebaut aus einem durchlässigen Kern aus einer oder mehreren Fraktionen eines feuerfesten Materials mit einer äußeren Schale · aus zumindest einem anderen feuerfesten Material,wobei Kern und Schale gesintert sind und miteinander einen integral verbundenen Körper darstellen.

Bei den unterschiedlichen feuerfesten Materialien für Kern und Schale ist es nicht erforderlich, daß sie hinsichtlich ihrer Sinterbarkeit verträglich sind. Man kann eine Zwischenschicht, die Teil der Schale sein kann vorsehen, wobei die Zusammensetzung dieser Zwischenschicht hinsieht-

lieh des feuerfesten Materials so gewählt wird, daß dieses seinerseits beim Sintern eine integrale Verbindung sowohl mit dem Kernmaterial als auch mit Schalenmaterial zu bilden vermag.

Auf diese Weise lassen sich optimale Materialien herstellen und zwar mit optimalen Vorteilen hinsichtlich der Herstellungweise einerseits und der Anwendung als Heizelement andererseits. Was das Herstellungsverfahren anbelangt, so soll das für die Schale angewandte Material mechanisch

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fester sein als das Kernmaterial und/oder billiger sein. Hinsichtlich der Anwendung sollte ein.Schalenmaterial gewählt werden, welches eine geringere Leitfähigkeit als das Kernmaterial aufweist.

Die Erfindung betrifft weiter ein Verfahren zur Herstellung des obigen porösen keramischen Elements, in dem man aus einem feuerfesten Material eine Anzahl von Kornfraktionen aussiebt, einen durchlässigen Kern aus einer oder mehreren Kornfraktionen mit Hilfe einer vorbestimmten Menge an'Zement und Wasser formt, den grünen Formkörper an der Luft trocknet und sintert, woraufhin um diesen Kern zumindest eine Schicht aus einem im wesentlichen nicht durchlässigen feuerfesten Material als Schale geformt wird. Bei diesem feuerfesten Material handelt es sich um ein anderes als das Kernmaterial und um eine dichte Fraktion. Das Umformen geschieht wieder mit Zement und Wasser. Der grüne Körper kann an der Luft trocknen. Es wird jede Schicht, die die Schale aufbaut, gesintert und anschließend abgekühlt. Der Hinweis "zumindest eine Schicht" richtet sich auf die Möglichkeit, daß eine Zwischenschicht aus obigen Gründen vorgesehen werden kann.

Die Herstellung des Kerns als erste Verfahrensstufe für das Heizelement umfaßt auch die Möglichkeit der Herstellung eines großen Kernblocks,der nach dem Abkühlen in kleinere Stücke getrennt wird, diese können dann mit der Schale versehen werden. Diese Verfahrensweise kann wirtschaftliche Vorteile bieten, z.B. im Rahmen der großtechnischen Herstellung.

Die erfindungsgemäßen keramischen Elemente besitzen einen Kern mit relativ hoher Permeabilität, welcher umschlossen ist von einer Schicht im wesentlichen keiner Per-

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meabilität aus feuerfestem Material, unterschiedlicher Korngröße als der Kern. Die erfindungsgemäßen Elemente besitzen Vorteile,, da im wesentlichen keine äußere Durchlässigkeit (lateral leakage) herrscht und außerdem das Material temperatur- und temperaturwechserbeständig ist. Mit den erfindungsgemäßen Elementen sind alle Probleme in Zusammenhang mit metallischen Gehäusen, wie sie üblicherweise bei Strahlungselementen im Betrieb auftreten, vermieden. Ein Hauptvorteil der erfindungsgemäßen Produkte liegt in der vollständig vorherbestimmbaren Einstellung der Verbrennung ganz einfach durch Wahl der entsprechenden Kornfraktionen.

Geeignete feuerfeste Materialien sind die Oxide und Sili.cate von Zirkonium und/oder Aluminium wobei für den Kern Zirkoniumoxid besonders bevorzugt wird.

Die Wärmebehandlung des fertigen Elements kann innerhalb etwa 12 Stunden erfolgen einschließlich einer Rastzeit bis zu 3 Stunden bei einer Temperatur von etwa 16OO°C. Bei der Herstellung der erfindungsgemäßen porösen Kerne wird die Temperatur vorzugsw
zu 4 Stunden, gehalten.

die Temperatur vorzugsweise bei etwa 170O⁰C, während bis

Diese Temperaturen sind anwendbar für Zirkonium-und Aluminiumoxid. Die Sintertemperatur für Zirkon, als das Zirkoniumsili.cat, liegt bei etwa 155O°C und für Aluminiumsili.cat zwischen 1200 und 1500⁰C, je nach der Zusammensetzung.

Die Klassierung des feuerfesten Materials in verschiedenen Kornfraktionen wird im allgemeinen auf Siebsätzen durchgeführt, so daß sich Kornfraktionen zwischen 0,85-1,68 bzw. 0,6-0,85 bzw. 0,42-0,6 mm ergeben (10-18, 18-25, 25-36 BSS). Man kann aber auch breitere Kornfraktionen anwenden,

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z.B. zwischen 0,85 und 0,42 mm (18-36 BSS).

Das feuerfeste Material für den Kern kann auch feiner sein als entsprechend den oben angegebenen Fraktionen. Körnungen bis herunter auf Pulverfeinheit sind anwendbar. Bei Herstellung von Blöcken, bei der außerordentlich feine Kornfraktionen für den Aufbau der Kerne angewandt werden, sollte man zusammen mit dem Zement dem Kern noch ein zusätzliches Material einverleiben, welches während des Sinterns ausbrennt, um die erforderliche Permeabilität des Kerns zu gewährleisten.

Die erfindungsgemaßen porösen Elemente können als solche oder kombiniert mit mehreren Elementen Strahlungsbrenner bilden. Die Elemente müssen nicht eine ebene Form besitzen, sie können jede geeignete Form und Größe aufweisen, so können sie gekrümmte Konturen besitzen und in der Materialstärke variieren. Um verschiedene Formen zu erreichen, kann man ein Element oder eine Vielzahl von Elementen anwenden. Die Elemente können auch aus einem Block bestehen, der mehrere Kerne aufweist, die Kernteile können voneinander getrennt sein durch dichtere Verbindungs- oder Rahmenteile, die aus derselben Masse bestehen wie die äußere Schale. Diese Ausführungsform wird bevorzugt angewandt in Blöcken mit relativ großen Dimensionen; die Verbindungsteile wirken in diesem Fall auch zur Erhöhung der Steifigkeit und Festigkeit.

Strahlungsbrenner mit porösem Medium nach der Erfindung werden in großem Umfang für Wärmebehandlungen, Trocknungsprozesse und verschiedene Verfahrensmaßnahmen wie in der keramischen Industrie, als Raumbeheizung, zum Kochen, für

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die Straßenbeheizung, für chemische Verfahren, in der Textiltechnik, in der Anstrich-, Lebensmittel- oder Papierindustrxe, für die Verarbeitung von Eisenmetallen und Nicht-Eisenmetallen, von Gläsern, feuerfesten Materialien Zement und Kalk und dergleichen, angewandt.

Patentansprüche:

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Claims

Patentansprüche

Abwandlung des porösen keramischen Elements als Strahlungsheizelement, aufgebaut aus einem durchlässigen Kern aus einer oder mehreren Kornfraktionen eines feuerfesten Materials und einer äußeren Schale aus feuerfestem Material wobei Kern und Schale gesintert sind und der durchlässige Kern mit der Schale einen integralen Bestandteil darstellt, nach Patent (P 20 31 526),

dadurch gekennze ichnet , daß die Schale aus zumindest einem anderen feuerfesten Material aufgebaut ist, vorzugsweise einem dichten feuerfesten Material.
2. Poröses keramisches Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die feuerfesten Materialien ein Granulat in Form der Oxide und/oder Silicate von Zirkonium und/oder Aluminium sind.

3· Verfahren zur Herstellung der porösen keramischen Elemente nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß man aus einem feuerfesten Material eine Anzahl von Kornfraktionen aussiebt, einen durchlässigen Kern aus einer oder mehreren Kornfraktionen mit Hilfe einer vorbestimmten Menge an Zement und Wasser formt, den grünen Formkörper an der Luft trocknet und sintert, woraufhin um diesen Kern zumindest eine Schicht eines im wesentlichen nicht permeablen feuerfesten Materials anderer Zusammensetzung mit Hilfe von Zement und Wasser geformt, der grüne

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Formling an der Luft gehärtet und jede Schicht der Schale gesintert und das poröse keramische Element dann abgekühlt wird.

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