DE4041061A1

DE4041061A1 - Brennerplatte fuer einen flaechenbrenner

Info

Publication number: DE4041061A1
Application number: DE19904041061
Authority: DE
Inventors: Ulrike Follert; Jochen Jacobitz
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1989-12-22
Filing date: 1990-12-20
Publication date: 1991-06-27

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Brennerplatte für einen Flächenbrenner mit über der Fläche verteilten Durchlaßöffnungen für das Brenngas und ein Verfahren zu seiner Herstellung.

Es ist bereits ein Gasflächenbrenner mit einem metallischen topfförmigen Brennergehäuse bekannt (europäische Patentanmel dung 8 81 04 068.7). Am Boden des Gehäuses ist eine Zuleitung für das Brenngas-Luftgemisch angeschlossen. Auf der der Zu leitung für das Brenngas-Luftgemisch gegenüberliegenden Seite ist eine gleichmäßig mit feinen Durchlaßöffnungen durchsetzte metallische Brennerplatte eingebaut. Durch diese Brennerplatte wird das in das Brennergehäuse einströmende Brenngas-Luftgemisch über die Fläche der Brennerplatte gleichmäßig verteilt. Nach Durchtritt durch die Brennerplatte brennt es in einer Vielzahl von gleichmäßig über die Fläche der Brennerplatte verteilten und sich zu einer Flammenfront vereinigenden Flammen ab. Solche Gasflächenbrenner zeichnen sich dadurch aus, daß ein sehr gleichmäßiges Flammenbild erzeugt wird und auch die Verteilung von Brenngas und Luft über die Fläche der Brennerplatte hinweg extrem gleichmäßig ist. Hierdurch wird es möglich, die Flamm temperatur weiter abzusenken als es sonst möglich wäre. Mit solchen Flächenbrennern lassen sich Betriebstemperaturen unter 900°C einstellen. Auf diese Weise läßt sich die Erzeugung von Stickoxiden minimieren. Es ist jedoch eine Eigenart der bisher verwendeten metallischen Brennerplatten, daß sie einem Ver schleiß unterliegen. Dabei ist es offen, welche Rolle die im Verbrennungsgas enthaltenen Schadstoffe, insbesondere Halogen- Kohlenwasserstoffe, und welche Rolle Thermospannungen dabei spielen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die Standzeiten der Brennerplatten für Flächenbrenner zu erhöhen. Darüber hin aus sollten die Brennerplatten es ermöglichen, die untere Grenze für die Flammtemperatur noch weiter abzusenken.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Mit einer Al₂TiO₅-Keramik ist ein Werkstoff für die Brenner platte gefunden worden, der sich an die dort herrschenden Be triebsbedingungen besonders gut anpassen läßt.

Die durch höhere Temperaturen auslösbare Umwandlung der Al₂TiO₅- Keramik läßt sich in besonders vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung durch einen oder mehreren der Zusätze SiO₂, ZiO₂, MgO, Fe₂O₃, Na₂O und CaO behindern und bei den in Frage kommen den Betriebstemperaturen sogar ganz unterbinden. Dabei blockie ren die durch diese Zusätze ausgelösten Gitterfehlstellen diese Veränderungen im Kristallgefüge.

In besonders zweckmäßiger Weiterbildung der Erfindung läßt sich bei diesem Material der Wärmeausdehnungskoeffizient auch noch im Bereich von 0 ± 1×10^-6 Kelvin einstellen. Des hat zur Fol ge, daß bei Temperaturänderungen keine oder nur minimale Wärme spannungen erzeugt werden, wodurch eine sehr hohe Temperatur wechselbeständigkeit erreichbar ist. Plötzliche Temperaturände rungen können so keine mechanischen Spannungen im Gefüge mehr auslösen und daher auch keine feinen Mikrorisse im Gefüge bil den, die zum Bruch der Brennerplatte führen können.

Bei der Herstellung der Brennerplatte hat es sich als besonders vorteilhaft erwiesen, wenn das vorgemischte Al₂O₃- und TiO₂ haltige Material in einer entsprechenden Form eingebracht, verdichtet und gesintert wird. Hierdurch wird eine Minimierung der Arbeitsschritte möglich, weil durch das Vorpressen in der Form gleichzeitig eine Verdichtung und endgültige Formgebung möglich wird.

In besonders vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung kann ein Ausgangsmaterial verwendet werden, das 50 bis 55 Gew.-% Al₂O₃, 30 bis 35 Gew.-% TiO₂, 5 bis 10 Gew.-% SiO₂, 1 bis 5 Gew.-% ZrO₂, 0,5 bis 5 Gew.-% MgO, 0 bis 1 Gew.-% Fe₂O₃, 0 bis 1 Gew.-% Na₂O und 0 bis 0,2 Gew.-% CaO enthält. Hierdurch wird sowohl eine thermisch stabile Keramik als auch eine Einstellbarkeit des Temperaturausdehnungskoeffizienten erreicht.

Der thermische Ausdehnungskoeffizient läßt sich im Bereich von 0 ± 1×10^-6 Kelvin einstellen, wenn in Weiterbildung der Er findung das verdichtete, geformte Material 2 bis 3 Stunden lang bei einer Temperatur von 1450 bis 1550°C gesintert wird. Hier durch wird erreicht, daß der Anteil an Al₂TiO_5, der sich beim Sintern bildet, einen Wert erreicht, der in Verbindung mit den übrigen Bestandteilen der Keramik den gewünschten thermischen Ausdehnungskoeffizienten bewirkt.

Weitere Einzelheiten der Erfindung werden anhand zweier in den Figuren dargestellter Ausführungsbeispiele erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Querschnitt durch einen Flächenbrenner mit einer eingesetzten erfindungsgemäßen Brennerplatte,

Fig. 2 eine Aufsicht auf die Brennerplatte der Fig. 1,

Fig. 3 eine Aufsicht auf eine andere, rechteckige Brenner platte,

Fig. 4 eine vergrößerte Darstellung eines zylindrischen Gas durchgangsloches für die Brennerplatte und

Fig. 5 eine schematische Darstellung eines konischen Gasdurch gangsloches für die Brennerplatte der Fig. 3.

In der Fig. 1 erkennt man einen Gasflächen-Brenner 1 im Schnitt bestehend aus dem Brennergehäuse 2 mit einem angeform ten Gasanschlußstutzen 4, einer im inneren Randbereich des topfförmigen Brennergehäuses 2 eingeschweißten ringförmigen Auflagekante 6 für eine Brennerplatte 8 und einen die Brenner platte gegen Herausfallen sichernden Überwurfring 10. Der Über wurfring ist am Gehäuserand in hier nicht weiter dargestellter Weise verschraubt. Wie die Aufsicht auf die Bennerplatte 8 in der Fig. 2 zeigt, hat die Brennerplatte einen kreisscheiben förmigen Grundriß und ist über ihre gesamte Fläche gleichmäßig mit Gasauslaßbohrungen 12 versehen. In der Fig. 4 ist eine solche Gasauslaßbohrung 12 vergrößert aufgeschnitten darge stellt. Man erkennt in ihr, daß diese Bohrung einen zylindri schen Querschnitt hat. Dabei kann ihr Durchmesser im Bereich von 1 bis 4, vorzugsweise von 1,5 bis 2,5 mm, liegen.

Beim Betrieb des Gasflächenbrenners 1 strömt Brenngas, vor zugsweise ein Brenngas-Luftgemisch 14, durch den Gasanschluß stutzen 4 in das Brennergehäuse 2 unterhalb der Brennerplatte 8 ein und strömt aus dem Brennergehäuse gleichmäßig durch die verschiedenen Gasauslaßbohrungen 12 in der Brennerplatte 8 hindurch, um nach dem Durchtritt durch die Brennerplatte 8 in der Hitze der sich dort ausbildenden Flammenfront (nicht dar gestellt) zu verbrennen. Dabei bildet sich über der Brenner platte 8 durch das Ineinanderfließen der aus den einzelnen Gasauslaßbohrungen 12 auströmenden Brenngas-Luftgemische eine gleichmäßige, flächige Flammenfront aus. Diese Flammenfront hat eine geringe Tiefe senkrecht zur Ebene der Brennerplatte, was dazu führt, daß die Gasströmung durch die Flamme vom Weg her und von der Zeit her relativ kurz ist. Das führt dazu, daß die Flammtemperatur relativ kleingehalten werden kann, was wiederum eine verringerte Bildung von Stickoxiden zur Folge hat. Infolge der relativ geringen Wärmeleitfähigkeit der Al₂TiO₅-Keramik ist der Temperaturgradient durch die Wand der Brennerplatte hin durch relativ groß, so daß die Brennerplatte auf der der Flam me abgewandten Seite relativ kühl bleibt und das zuströmende Brenngas bei weitem nicht so stark aufgeheizt wird wie dies bei metallischen Brennerplatten sonst der Fall wäre. Dadurch strömt das Brenngas mit einer geringeren Temperatur in die Flamme ein, was zu einer weiteren Absenkung der Flammtemperatur und damit verbunden auch zu einer weiteren Verringerung der NO_x-Emission führt.

Ein Zurückschlagen der Flamme durch die Gasauslaßöffnungen 12 in der Brennerplatte hindurch und in das Brennergehäuse 2 hinein wird durch das Unterschreiten der Zündtemperatur des Brenngas- Luftgemisches in den dünnen Bohrungen der Keramikplatte verhin dert. Hier spielt es eine wesentliche Rolle, daß die Keramik platte eine geringe Leitfähigkeit hat und daher auf der der Flammenfront abgewandten Seite verhältnismäßig kühl bleibt.

Die Fig. 3 zeigt eine Brennerplatte 16 für einen rechteckigen Flächenbrenner. Die Fig. 6 zeigt einen Querschnitt durch eine der Gasdurchlaßöffnungen 8 der Brennerplatte 16. Man erkennt hier, daß die Gasdurchlaßöffnungen sich zur Flammenseite hin konisch verjüngen. Dies verringert den durchschnittlichen Strö mungswiderstand durch diese Gaszuführungsbohrungen 18 bei ge gebenem Auslaßquerschnitt, so daß bei einem vorgegebenen Strö mungswiderstand durch die Brennerplatte und einem gegebenen Austrittsquerschnitt stärkere Brennerplatten verwendbar sind. Das führt zu einer weiteren Verminderung der Oberflächentempe ratur der Brennerplatte auf der der Flammenseite abgewandten Seite.

Claims

1. Brennerplatte (12, 16) für einen Flächenbrenner (2) mit über der Fläche verteilten Durchlaßöffnungen (12, 18) für das Brenn gas (14) bestehend aus einer Al₂TiO₅-Keramik.

2. Brennerplatte nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet, daß die Al₂TiO₅-Keramik durch einen oder mehrere der Zusätze SiO₂, ZrO₂, MgO, Fe₂O₃, Na₂O und CaO stabilisiert ist.

3. Brennerplatte nach Anspruch 1 und/oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmeausdehnungskoeffi zient der Al₂TiO₅-Keramik in einem Bereich von 0 ± 1×10^-6 Kelvin eingestellt ist.

4. Brennerplatte nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Quer schnitt der Durchlaßöffnungen (12, 18) für das Brenngas (14) im Bereich zwischen 0,7 bis 7 mm² liegt.

5. Brennerplatte nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Quer schnitt der Durchlaßöffnunqen für das Brenngas (14) im Bereich zwischen 1,7 bis 5 mm² liegt.

6. Brennerplatte nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Durch laßöffnungen (12) für das Brenngas (14) einen zylindrischen Querschnitt haben.

7. Brennerplatte nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Durchlaßöffnungen entgegen der Strömungsrichtung der Brenngase (14) konisch verjüngen.

8. Brennerplatte nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch eine Plattenstärke im Be reich von 4 bis 10 mm.

9. Verfahren zur Herstellung einer Brennerplatte für einen Flä chenbrenner gemäß Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß das vorgemischte TiO₂- und Al₂O₃-haltige Material in einer entsprechenden Form eingebracht, verdichtet und gesintert wird.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekenn zeichnet, daß das Ausgangsmaterial 50 bis 55 Gew.-% Al₂O₃, 30 bis 35 Gew.-% TiO₂, 5 bis 10 Gew.-% SiO₂, 1 bis 5 Gew.-% ZrO₂, 0,5 bis 5 Gew.-% MgO, 0 bis 1 Gew.-% Fe₂O₃, 0 bis 1 Gew.-% Na₂O und 0 bis 0,2 Gew.-% CaO enthält.

11. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß das ver dichtete, geformte Material 2 bis 3 Stunden lang bei einer Temperatur von 1450 bis 1550°C gesintert wird.

12. Verfahren nach Anspruch 9 und/oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Verdichtung des Roh materials in der Form auf einen Wert von 1,9 bis 2,3 g pro cm³ erfolgt.

13. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß das vorge mischte Material in einer den äußeren Umfang bestimmenden, mit Zapfen für die Durchlaßöffnungen versehenen Topfform eingebracht und mittels einer mit Löchern in den Zapfen der Topfform geführ ten Druckplatte verdichtet wird.