DE69021609T2 - Brennermembran. - Google Patents

Description

• Die Erfindung betrifft eine poröse Brennermembran für Strahlungsbrenner, die Sintermetallfasermatten enthält.
• Derartige Brennermembranen sind aus der EP-A-0 157 432 bekannt. Die im Zusammenhang mit dieser Anmeldung verwendeten Metallfasern sind hochtemperaturbeständig.
• Das US-Patent 1 731 053 betrifft ein aus feuerfestem Pulver geformtes und anschließend gesintertes Diaphragma mit beschränkter Porosität zur Verwendung in Oberflächenbrennern. Das Diaphragma weist eine gitterförmige Anordnung von vorstehenden Rippen mit dazwischenliegenden Vertiefungen auf.
• Bei wiederholter Verwendung derartiger Membranen werden die Strahlungsseiten der Oberflächenschichten großen Temperaturschwankungen ausgesetzt, die von Raumtemperatur bis möglicherweise 1000 ºC variieren. Diese Oberflächenbereiche sind daher abwechselnd hohen Wärmedehnungen und Wärmeschrumpfungen ausgesetzt. Unregelmäßigkeiten in der Porosität dieser Oberfläche führen zu lokalen Temperaturunterschieden und damit zu mechanischen Spannungen. Die Zonen mit der geringsten Porosität erwärmen sich am stärksten. Im Verlauf der Zeit (d.h. nachdem die Membran einer beträchtlichen Anzahl von Kalt/Heiß-Temperaturwechseln ausgesetzt wurde) kann dies zur Bildung kleiner Risse (Sprünge), Brüchen oder Kratern in der Membranoberfläche führen.
• An diesen Rissen erhöht sich die Porosität, so daß bevorzugte Kanäle für die Brennstoffströmung gebildet werden. Dies führt zur Entstehung einer blauen Flamme, was im Falle eines Strahlungsbrenners vermieden werden muß (eine blaue Flamme führt zu einer höheren NOx-Emission). Eine blaue Flamme weist darüber hinaus die Tendenz zur weiteren Ausdehnung des Krater- oder Rißbereichs auf. Die äußerst hohe Flammentemperatur greift tatsächlich die kleinen Kraterwände an und wirkt tiefer unter die Membranoberfläche (in der entgegengesetzten Richtung der Gaszufuhr) ein, indem beispielsweise die Fasern der Kraterkante an dieser Stelle lokal miteinander verschmolzen werden.
• Im Hinblick auf die Vermeidung bestimmter Nachteile des Standes der Technik weist die Erfindung gemäß der Ansprüche eine Anzahl im folgenden aufgeführter Aufgaben auf.
• Die Aufgabe der Erfindung besteht in der Vermeidung dieser Nachteile und der Verhinderung von Schäden, d.h. der Erzeugung von kleinen Kratern oder Rissen während des Einsatzes der Membran.
• Es ist insbesondere die Aufgabe der Erfindung, diese Nachteile im Fall von Strahlungsmembranen zu verhindern, deren Porosität nicht vollständig gleichmäßig über deren Oberfläche und/oder über der Dicke ihrer Oberflächenschicht ist.
• Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, Brennermembranen für Strahlungsbrenner zu schaffen, die zumindest an ihrer Strahlungsfläche poröse gesinterte Fasermatten aus anorganischen Fasern aufweisen, die beständig gegen hohe Temperaturen sind und einen erhöhten Widerstand gegen Schäden aufgrund von Temperaturschwankungen, d.h. eine höhere Lebensdauer aufweisen.
• Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, Strahlungsbrennermembranen aus gesinterten Fasermatten zu schaffen, die trotz einer möglicherweise geringeren gleichförmigen Porosität in der Nähe ihrer Strahlungsfläche eine stark verringerte Tendenz zur Erzeugung blauer Flammen, insbesondere nach einer langen Einsatzdauer, aufweisen. Es ist ferner die Aufgabe der Erfindung Membranen zu schaffen, bei denen die Ausdehnung von entstehenden kleinen Kratern während der weiteren Verwendung stark eingedämmt wird, so daß eine weitere Beschädigung gestoppt wird.
• Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht in der Schaffung von Brennermembranen mit einer höheren, gleichmäßigeren und dauerhafteren Wärmestrahlungsleistung sowie geringerer NOx- Emission, indem die Bildung von Kratern und die Entstehung einer blauen Flamme eingedämmt wird.
• Eine weitere Aufgabe der Erfindung betrifft einen Oberflächenstrahlungsbrenner, der ein Gehäuse mit einer Einlaßeinrichtung für die Kraftstoffzufuhr und eine im folgenden beschriebene Brennermembran an seiner Brennerauslaßseite aufweist.
• Es ist schließlich eine Aufgabe der Erfindung, ein effizienteres Verfahren zur Erwärmung von Gegenständen mittels Strahlung zu schaffen, wobei die Gegenstände vor der Strahlungsseite einer erfindungsgemäßen Brennermembran angeordnet sind.
• In einer besonderen Ausführung sieht die Erfindung gesinterte Fasermatten-Membranen mit einer geringeren Degenerationsneigung auf, die eine Durchschnittsporosität zwischen 70 und 90 % und vorzugsweise zwischen 77 und 85 % aufweisen. Darüber hinaus beträgt die Schwankung in der Permeabilität P (wie im folgenden definiert) von einem Ort zum anderen über der gesinterten Platte vorzugsweise weniger als 25 % und insbesondere sogar weniger als 10 %. Diese Membranen können je nach Wunsch eine flache, gebogene oder zylindrische Form aufweisen.
• Diese Aufgaben werden erfindungsgemäß durch die Erzeugung von Nuten in Form eines Gitters zumindest in der der Kraftstoffzufuhrseite gegenüberliegenden Membranoberfläche, d.h. in der Oberfläche an der Strahlungsseite, gelöst. Dadurch wird eine unkontrollierte Entstehung und eine Ausdehnung eventuell auftretender lokaler Risse über der Oberfläche ausgeschlossen. Die Nuten bilden tatsächlich Barrieren gegen eine weitere Fortpflanzung von Rissen. Darüber hinaus teilen die Nuten die Oberfläche in eine Art schmaler Waffeln, die sich in beliebige Richtungen parallel zur Membranoberfläche ausdehnen (und zusammenziehen) können, wobei die schmalen Nuten mit ansteigender Temperatur enger bzw. bei einer Abkühlung der Membran breiter werden. Die Temperaturwechsel verursachen folglich geringere lokale mechanische Spannungen in der Membranoberfläche. Damit wird das Risiko erheblich reduziert, daß Risse im Laufe der Zeit gebildet werden.
• Eine gesinterte Fasermembranplatte gemäß der Erfindung hat im allgemeinen eine Dicke von etwa 2 bis 5 mm. Es befindet sich nur eine etwa 1 mm starke Grenzschicht an der Strahlungsseite, die sich bei der Verbrennung stark aufheizt. Es ist daher ausreichend und angezeigt, die Nuten nicht tiefer oder breiter als 1,5 mm zu machen und vorzugsweise sogar nicht tiefer oder breiter als 1 mm. Nuttiefen zwischen 7 und 15 % der Gesamtdicke der Platte, beispielsweise etwa 10 %, werden bevorzugt.
• Im Hinblick auf die beabsichtigte Gleichförmigkeit hat das Nutgitter vorzugsweise Maschen von etwa gleicher Oberfläche. Die Maschen sind vorzugsweise gleiche reguläre Polyone, wie z.B. gleichseitige Dreiecke, Quadrate, Rhomben oder reguläre Sechsecke. Ihre Oberfläche beträgt zwischen 4 mm² und 400 mm². Maschen, die kleiner als 4 mm² sind, verringern die nützliche Brenneroberfläche zu sehr, wohingegen es zu wenig Barrieren gegen Kraterausbreitung gibt, wenn die Maschen größer als 400 mm² sind. Die Maschenfläche liegt vorzugsweise zwischen 9 mm² und 250 mm² und insbesondere zwischen 20 mm² und 150 mm².
• Das Vorstehende wird im folgenden anhand der Zeichnungen weiter erläutert, wobei zusätzliche Vorteile angegeben werden.
• Fig. 1 ist eine perspektivische Ansicht einer flachen Membranplatte.
• Fig. 2 ist eine schematische Ansicht einer Einrichtung zum Eindrücken der Nuten in Verbindung mit isostatischem Druck.
• Fig. 3 ist ein Querschnitt durch eine zylindrisch gebogene Membranplatte.
• Fig. 4 zeigt eine Membranplatte mit einem Nutmuster auf beiden Seiten.
• Fig. 5, 6 und 7 zeigen die Wirkung des Nutmusters in der Strahlungsfläche der Membran auf die Entstehung einer blauen Flamme bei einer geringen und relativ hohen Wärmestrahlungsleistung.
• Fig. 8 und 9 zeigen die analoge Wirkung für den Fall von Membranen mit geringerer Permeabilitätsschwankung bei einer hohen bzw. sehr hohen Leistung.
• Die poröse Membranplatte 1 aus Sintermetallfasermatten weist an ihrer Oberfläche 3 ein Gitter auf, das aus mehreren Nuten 4 besteht, die mehrere quadratische Gittermaschen 5 begrenzen. Die sog. Maschen 5 sind in Wirklichkeit waffelförmige Erhöhungen in der Randschicht an der Strahlungsseite 3. Der Brennstoff wird an der Unterseite (oder Rückseite) der Platte 1 zugeführt, wie dies durch die Pfeile 2 dargestellt ist.
• Die Nuten können in die Oberfläche der Membran gefräst oder aus ihr berausgeätzt werden. Sie können jedoch auch in die Oberfläche geprägt oder durch eine scharfe Kante in diese eingedrückt werden. Die zuletzt genannten Verfahren haben den Vorteil, daß die Porosität der Membran in den Randzonen 6 der Nuten 4 geringer wird als außerhalb. Die Vertiefungen können durch Platten oder Rollen erzeugt werden, die geeignete Rippen mit einer zu den Nuten oder dem Nutgitter komplementären Gestalt aufweisen. Falls dies gewünscht ist, können die Vertiefungen auch durch Einbeziehung einer Zwischenschicht aus Filz erzeugt werden, um so gleichzeitig einen isostatischen Druckeffekt zu erreichen, wie dies in Fig. 2 gezeigt ist. Für das Eindrücken der Nuten können ferner parallel auf Wellen angeordnete runde Scheiben mit relativ scharfen Umfangskanten verwendet werden.
• Ein Verfahren und eine Einrichtung zum (kalten) isostatischen Pressen von Brennermembranen ist in der EP-A-329 863 des vorliegenden Anmelders beschrieben (und schematisch in deren Fig. 4 dargestellt). Analog zu diesem Verfahren und in Übereinstimmung mit der Erfindung (Fig. 2) wird die poröse Sinterfasermatte 1 auf eine starre Grundplatte 11 gelegt. Eine Platte 8 mit geeigneten erhöhten Rippen 9 entsprechend dem gewünschten Nutmuster bzw. -gitter wird auf die Oberfläche der Matte 1 gepreßt. Zur Erzeugung der Waffelstruktur 5 zwischen den Nuten an den Nuträndern 10, wurden jedoch kleine kompressible Filzklötze 7 einer gewünschten Dicke zwischen den Rippen 9 für die isostatische Kompression der Matte befestigt. Auch eine zweistufige Bearbeitung ist natürlich möglich, indem zunächst die gesamte Oberfläche isostatisch zusammengepreßt wird, bevor man die Nuten erzeugt. Es kann auch auf die kleinen Filzklötze und damit auf die bestimmte isostatische Druckbehandlung verzichtet werden, da dies die Herstellungskosten erhöht. Es ist auch wahrscheinlich, daß das Eindrücken (oder Ziehen) der Nuten selbst einen gewissen isostatischen Druckeffekt in der Membran erzeugt. Der an den Nuten wirkende Druck kann sich nach innen in die Membran fortpflanzen, wo er die meisten porösen Zonen weiter verdichtet. Dies führt dann zu einer einheitlicheren Porosität über dem Volumen der Membranwaffeln 5 zwischen den verdichteten Waffelwänden (Randzonen) 6 an den Nuten 4 (siehe auch Pfeile 17 in Fig. 4).
• Es wurde nun herausgefunden, daß die Nuten 4 und die angrenzenden verdichteten Zonen 6 in der Nähe der Membranoberfläche Barrieren gegenüber Rissen bilden, die noch gebildet werden und sich in einer Waffel 5 fortsetzen. Dies bedeutet, daß sich der Riß nicht weiter durch die verdichtete Zone 6 zu einer angrenzenden Waffel 5 ausbreitet.
• Die ungewebte Matte aus anorganischen Fasern, wie z.B. Metallfasern, kann in Übereinstimmung mit dein in der US-PS 3 505 038 oder US-PS 3 127 668 beschriebenen Verfahren (oder auf ähnliche Weise) hergestellt werden. Nachdem die Matte erzeugt wurde, wird sie verdichtet und in der bekannten Weise gesintert, wodurch die Fasern an ihren Kontaktpunkten miteinander verkleben und ein poröses und steifes Fasernetz bilden. Für Anwendungen wie Strahlungsbrennermembranen hat sich eine durchschnittliche Porosität zwischen 70 und 90 % und insbesondere zwischen 80 und 85 % als geeignet erwiesen. Die akzeptierte Toleranz des Durchschnittswerts beträgt vorzugsweise plus oder minus 2 %. Falls dies gewünscht ist, kann für die Membranplatte auch ein Sintergemisch aus Fasern und Metallpulver verwendet werden.
• Als Fasern mit einem guten Widerstand gegen hohe Temperaturen sind insbesondere Metallfasern geeignet, die Aluminium und Chrom enthalten, speziell solche gemäß EP-A- 157 432 oder US-PS 4 139 376 bzw. US-PS 4 094 673 oder entsprechende. Der Faserdurchmesser beträgt vorzugsweise weniger als 50 um und insbesondere zwischen 4 und 30 um.
• Es ist empfehlenswert, die Sinterfasermatte vor ihrem Einsatz als Brennermembran für Strahlungsbrenner zu oxidieren, damit sich eine (inerte) Al&sub2;O&sub3;-Schutzschicht auf der Faseroberfläche bildet. Dadurch wird verhindert, daß eventuell im Brennstoffstrom vorhandene Reduktionsbestandteile die Fasern angreifen oder korrodieren. Fasern aus einer Nickellegierung mit etwa 16 % Chrom, etwa 5 % Aluminium und vorzugsweise einer sehr geringen Menge an Seltenerdmetallen sind ebenfalls für die Brennermembranen geeignet. Auch die Beschichtung von einfacher zusammengesetzten Metalllegierungsfasern mit Aluminium oder Aluminiumgemischen kann im Hinblick auf die nachträgliche Erzeugung der Aluminiumoxid- Schutzschicht in Betracht gezogen werden. Die Beschichtung kann entweder im Faserzustand, im Mattenzustand oder im Zustand der gesinterten Matte durchgeführt werden.
• Die Permeabilitätsunterschiede zwischen unterschiedlichen Orten über der gesinterten Platte sind vorzugsweise unter 25 % und insbesondere sogar unter 10 %. Höhere Permeabilitätsschwankungen begünstigen die Bildung einer blauen Flamme. Die Permeabilität P wird in m³/h m² angegeben, d.h. die Strömungsrate des die Sinterfasermatte durchströmenden Gases mit einem Druckabfall von 1000 Pa über der Dicke der Matte. Diese Strömungsrate wird an unterschiedlichen Stellen (1 bis n) über der Oberfläche der Matte: P&sub1;, P&sub2; ... Pn bestimmt. Der maximale (Pmax) und der minimale (Pmin) Permeabilitätswert dieser Serie von P-Werten wird aufgezeichnet. Die Permeabilitätsschwankung wird anschließend bestimmt durch (Pmax - Pmin) : Pmax] 100 (%). Eine geringere Permeabilitätsschwankung, sowohl innerlich (d.h. als Ergebnis einer gleichmäßigeren Porosität über der Matte) als auch infolge der Verhinderung der Riß- und Kraterbildung gemäß der Erfindung, führt zu einer höheren Wärmestrahlungsleistung, da weniger die Leistung beschränkende blaue Flammen erzeugt werden. Auch die NOx-Emission, die mit einer Verbrennung mit blauer Flamme verbunden ist, wird erheblich verringert. Auf diese Weise können durch die Erfindung Strahlungsleistungen von 800 KW und mehr pro Quadratmeter an Strahlungsfläche auf dauerhafte und beständige Weise erreicht werden.
• Wenn die Membran in der Form eines Zylinders hergestellt wird, wie dies im Querschnitt in Fig. 3 dargestellt ist, sind an der konkaven Seite 12 der zylindrischen Membranwandung 1 vorzugsweise ebenfalls Nuten 13 angeordnet, die der Erzeugenden des Zylinders folgen. Diese Nuten 13 gewährleisten eine steuerbare Faltung der Membran, ohne daß dadurch deren Porosität willkürlich gestört wird. Zur Formung des Zylinders wird von einer flachen Platte ausgegangen, die auf einem Dorn mit gewünschtem Durchmesser in eine zylindrische Form gebracht wird. Die beiden Längskanten der Membranplatte, die zu einem Zylinder gebogen wurde, werden überlappend verbunden, sei es durch Schweißpunkte, Nähte oder hitzebeständige Klebepunkte. Die zylindrische Brennermembran kann natürlich auch derart verwendet werden, daß sich ihre Achse in einer vertikalen Lage befindet und eine Kraftstoffzufuhr zum Innenraum des Zylinders entweder in Abwärts- oder Aufwärtsrichtung erfolgt.
• Die Brennermembran kann darüber hinaus ein Nutgitter auf beiden Seiten aufweisen, wie dies z.B. in Fig. 4 dargestellt ist. Wenn das Nutmuster 4 auf der einen Seite dem Nutmuster 14 entspricht, das genau gegenüberliegend auf der anderen Seite angeordnet ist, wird dadurch ein klares Muster aus Zellen 16 zwischen gegenüberliegenden Oberflächenwaffeln 5 und 15 geschaffen und durch aufeinanderfolgende Zellen- oder Waffelbegrenzungen 6 eingegrenzt. Durch Förderung einer Druckausbreitung entlang der Pfeile 17 kommt bei dieser Ausführung darüber hinaus ein gewisser isostatischer Druckeffekt zustande, der zu einer homogeneren Porosität führt. Eine derartige Brennermembran kann ferner aufeinanderfolgend zunächst mit den Waffeln 5 und anschließend mit den Waffeln 15 an der Strahlungsseite verwendet werden.
• Es können auch Membranplatten einer Verbundstruktur aus Faserschichten unterschiedlicher Zusammensetzung verwendet werden. Die dünne Oberflächenschicht (Dicke weniger als 2,5 mm) der Membran besteht dann aus wärmebeständigen anorganischen Fasern (z.B. Fasern aus einer FeCr-Legierung). Die Trägerschicht an der Seite der Brennstoff zufuhr kann jedoch eine gesinterte Mattenschicht aus rostfreien Stahlfasern (Serien AISI-300 oder 400 - z.B. AISI 430) oder vom Typ Haynes, Inconel, Nimonic, Hastelloy und Nichrom sein. Falls gewünscht, kann auch eine gesinterte Schicht eines Gemischs aus Fasern einer FeCr-Legierung und den rostfreien Stahlfasern gemäß der EP-A-227 131 des Anmelders in Betracht gezogen werden.
• Die Brenner können ferner eine nach unten gerichtete Gaszufuhr durch eine im wesentlichen horizontale Membran aufweisen, deren Strahlungsfläche sich an der Unterseite der Membran befindet. Die Strahlungswirkung wird hier (im Gegensatz zu einer nach oben gerichteten Gasströmung) durch den Effekt einer gleichmäßigeren Temperaturverteilung über der Membranoberfläche und durch einen leichten Anstieg in der Membrantemperatur verbessert.
• Auch durch eine Vorheizung des Brenngasgemisches (oder dessen Luftbestandteile) kann der Strahlungswirkungsgrad erhöht werden. Durch eine Vorheizung auf etwa 200 ºC (und sogar auf 300 ºC) wird im allgemeinen der Wirkungsgrad um etwa 35 bis 70 % gegenüber dem mit einem kalten Gasgemisch erreichten Wirkungsgrad erhöht. Gleichzeitig steigen die NOx-Emissionen kaum an. In diesem Zusammenhang ist es zweckmäßig darauf hinzuweisen, daß eine derartige Vorheizung für Keramikbrenner nicht besonders vorteilhaft ist.
• Ein Strahlungsbrenner umfaßt im allgemeinen ein Gehäuse mit konventionellen Einlaßmitteln für die Zufuhr des zu verbrennenden Brenngasgemisches. Das Gemisch durchläuft das Gehäuse von der Einlaßseite in Richtung des Ausgangs oder der Auslaßseite, die durch die erfindungsgemäße poröse Brennermembran geschlossen ist. Die stromabwärtige Außenseite der Membrane ist die Strahlungsfläche. Die Membrane kann an dem Gehäuse durch Bolzen befestigt sein, wie dies in der EP-A-157 432 gezeigt ist. Auf den in Fig. 1 der EP- A-157 432 gezeigten Flansch (4) wird jedoch vorzugsweise verzichtet und die Membran wird direkt am Gehäuserahmen verschraubt, um so die effektive Strahlungsfläche auf ihr maximales Potential (einschließlich der Membrankanten) zu erhöhen.
Beispiel 1
• Eine Brennermembranplatte in Form eines Quadrats mit einer Seitenlänge von 20 cm und einer Dicke von 4 mm, die aus einem gesinterten Matte aus FeCr-Legierungsfasern (Durchmesser: 22 um) besteht und eine Porosität von 80,5 % aufweist, wurde in einem Strahlungsbrenner verwendet. Die gesinterte Matte wurde nicht isostatisch verdichtet und die Permeabilitätsschwankung betrug 27 %. Das Gasgemisch, das jedesmal ein stöchiometrisches Verbrennungsgemisch von Luft/Propangas umfaßte, wurde nacheinander bei einer Strömungsrate zugeführt, die zu einer Brennerleistung von 500 KW/m² bzw. 800 KW/m² geführt hat. In beiden Fällen entstand über der Membran eine blaue Flamme.
• In Fig. 5(a) zeigt die schwarze Begrenzungszone die Stelle, an der eine blaue Flamme bei 500 KW/m² auftrat. Wenn die Leistung auf 800 KW/m² gesteigert wurde, dehnte sich die Begrenzungszone auf das Gebiet (19) aus. Es trat ferner ein Fleck mit einer blauen Flamme im Bereich (20) auf (Fig. 5(b) ).
• Anschließend wurde ein Nutmuster mit quadratischen Maschen einer Fläche von jeweils 400 mm² in die Membranoberfläche an deren Strahlungsseite eingebracht. Die Nuttiefe betrug 0,3 mm. Die schwarzen Flecke in Fig. 6 entsprechen den Flecken der blauen Flamme, die bei 500 KW/m² (Fig. 6a) bzw. 800 KW/m² (Fig. 6(b) ) auftraten.
• Dieselbe Membran wurde anschließend mit zusätzlichen Nuten an derselben Strahlungsseite versehen, um so quadratische Maschen mit einer Fläche von jeweils 100 mm² zu bilden. Der schmale Grenzbereich 22 in Fig. 7(a) zeigt den Bereich der blauen Flamme bei 500 KW/m² und der Bereich 23 in Fig. 7(b) dessen Ausdehnung bei 800 KW/m². Wenn die Leistung gesteigert wird, dehnt sich auch im allgemeinen der Bereich der blauen Flamme aus, wie sich aus einem Vergleich der Figurenteile (a) mit den entsprechenden Figurenteilen (b) ergibt. Die Anwendung eines Nutgitters erweist sich jedoch als nützlich für die Eingrenzung oder Beschränkung der Entstehung einer blauen Flamme, wenn höhere Leistungen angelegt werden (Figurenteile b). Dies ergibt sich aus einem Vergleich der Muster 20, 21 und 24.
Beispiel 2
• Es wurde eine Brennermembran wie in Beispiel 1 getestet, die jedoch lediglich eine Permeabilitätsschwankung von 6 % aufwies. Diese Membranen erfüllen eine Untergrenze für die Erzeugung blauer Flammen von 800 KW/m², was bedeutet, daß bei Leistungen unterhalb 800 KW/m² keine blauen Flammen auftreten. Eine Ausführung ohne Nutgitter und eine mit Nutgitter (wieder an einer Seite und zwar der Strahlungsseite) und mit quadratischen Waffeln von 100 mm² wurden miteinander verglichen bei Leistungen von 1000 KW/m² bzw. 1100 KW/m². Bei 1000 KW/m² (Fig. 8) bzw. 1100 KW/m² traten deutlich weniger blaue Flammen in der mit Nuten versehenen Matte (Muster 25 bzw. 26) im Vergleich zu der ungenuteten Matte (schraffierte Muster 27 bzw. 28) auf.
• Diese Untersuchung zeigte deutlich, daß eine geringe Permeabilitätsschwankung eine äußerst vorteilhafte Wirkung erzielt.
Beispiel 3
• Zwei Brennermembranen, die jeweils eine Porosität von 80,5 % aufwiesen und isostatisch verdichtet waren, hatten eine Permeabilitätsschwankung von 7,6 %. Eine der Membranen wurde anschließend mit einem Nutgitter wie in Beispiel 2 versehen (Maschen/Waffeln von 100 mm²). Beide Membranen wurden einem langen Arbeitszyklus (Alterungsversuch) unterworfen, wobei sich aufeinanderfolgende Brennperioden von 8 min mit Kühlintervallen von 2 min abwechselten. Die Leistung wurde für beide Membranen auf 500 KW/m² eingestellt. Auf der gegenüberliegenden Seite der Strahlungsoberfläche wurde eine reflektierende Keramikfaserplatte mit einem Abstand von 4 cm angebracht, was dazu führte, daß die Membranoberflächentemperatur um 150 ºC auf etwa 1080 ºC anstieg. Dies zeigt die erhebliche Verbesserung von Brennermembranen unter praktischen Einsatzbedingungen aufgrund einer Rückstrahlung (Wärmereflexion) von der zu erwärmenden Oberfläche. Nachdem eine Woche lang durchgehend unter diesen Bedingungen gearbeitet wurde, zeigte die ungenutete Membran kleine verstreute Risse und Sprünge über nahezu der gesamten Membranoberfläche. Die Risse wuchsen weiter, wenn diese Verbrennungsbedingungen beibehalten wurden. In der genuteten Membran traten keine Risse oder Sprünge auf, auch wenn diese mehrere Wochen lang dem Alterungstest unterzogen wurde.
Beispiel 4
• Mehrere vorstehend beschriebene Brennermembranen mit einer Porosität von 80,5 % wurden zum Vergleich ihres Verhaltens im Hinblick auf einen Druckverlust ΔP während des Betriebs (Verbrennung) und im Hinblick auf die NOx-Emission getestet.
• Standardmembranen mit Dicken von 4 mm (A) bzw. 2 mm (B) ohne einem Nutgitter wurden mit den Membranen C und D gemäß der Erfindung verglichen. Die Membranen 10 wiesen ein Gitter mit quadratischen Maschen (2 cm auf 2 cm) auf, wohingegen die Membranen D mit demselben Gittermuster zusätzlich isostatisch verdichtet wurden (siehe Beispiel 3 und Fig. 2). Die Probe 3 betrifft eine Standardmembran mit einer Dicke von 4 mm ohne Nutmuster, die jedoch voroxidiert wurde.
• Die nachstehende Tabelle faßt die Ergebnisse der Dauer- oder Alterungsversuche nach einer Brenndauer von mehreren Monaten zusammen. Alterung: Brenndauer (Monate) NOx ppm (Durchschnitt) bei KW/m² ΔP mm WC (Durchschn.) bei KW/m² BFL* KW/m² nach einer Alterung von 4 Monaten Permeabilitätsschwankung (%) *BLF bedeutet Blue Flame Limit, d.h. die Leistung, bei der die Strahlungsheizung umschlägt und blaue Flammen auftreten.
• Aus dieser Tabelle ist ersichtlich, daß die NOx-Emission tatsächlich erheblich abnimmt, wenn sich in der Strahlungsoberfläche der Membrane ein Nutgitter befindet. (Die NOx- Emission ist mit ihren stöchiometrischen Werten angegeben.)
• Es wurde ferner mit Interesse festgestellt, daß die NOx- und ΔP-Werte bei erfindungsgemäßen Membranen (Proben C, D und E) mit der Alterungsdauer wesentlich konstanter blieben als bei den Standardmembranen A und B.
• Auch die drastische Senkung der Grenze für den Auftritt der blauen Flamme bei den Proben C, D und E bestätigt die verbesserte Wirkungsweise und Leistung der Brennermembran und des Strahlungsbrenners gemäß der Erfindung.
• Die Strahlungsbrennermembranen und die Brenner gemäß der Erfindung sind besonders geeignet für Heizanwendungen, in denen sowohl die Strahlungswärme als auch die Konvektionswärme eine Rolle spielen bzw. eine feine Temperatureinstellung erforderlich ist und kein Bedarf besteht, eine Temperaturgrenze von 800 ºC für die zu erhitzende Oberfläche zu überschreiten. Ein zweckmäßiges Anwendungsgebiet liegt in den Trockenbereichen bei den Papierherstellungsverfahren. Auch für die besondere Formgebung, z.B. Biegung von Glasscheiben für Kraftfahrzeug-Windschutzscheiben, wurde ein Vorheizen mit Strahlungsbrennern erfolgreich getestet. Die Anwendung in kommerziellen Kochsystemen für die Fast-Food- Industrie befindet sich ebenfalls in der Entwicklung.

Claims (19)

1. Brennermembran (1) für Strahlungsbrenner, mit einer gegen hohe Temperaturen beständigen porösen Sinterstruktur, dadurch gekennzeichnet, daß die poröse Struktur eine Sintermatte aus anorganischen Fasern ist und daß wenigstens die der Brennstoffzufuhrseite abgewandte Membranfläche (3) Nuten (4) in Form eines Gitters aufweist, wobei die Nuten die Maschen (5) des Gitters begrenzen und wobei die Maschen eine Oberfläche zwischen 20 mm² und 400 mm² aufweisen.

2. Brennermembran nach Anspruch 1, bei der die Nuten (4) eine Tiefe von weniger als 1 mm aufweisen.

3. Brennermembran nach Anspruch 1, bei der die Maschen eine nahezu gleiche Fläche aufweisen.

4. Brennermembran nach Anspruch 1, bei der die Maschen regelmäßige Vielecke sind.

5. Brennermembran nach Anspruch 1, bei der die Maschenfläche zwischen 20 mm² und 150 mm² ist.

6. Brennermembran nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Porosität der Membran in den Randzonen (6) der Nuten geringer ist als außerhalb dieser Randzonen.

7. Brennermembran nach Anspruch 1, bei der die anorganischen Fasern Metallfasern sind, die Aluminium und Chrom enthalten.

8. Brennermembran nach Anspruch 1, deren Durchschnittsporosität zwischen 70 % und 90 % liegt.

9. Brennermembran nach Anspruch 8, deren Durchschnittsporosität zwischen 77 % und 85 % liegt.

10. Brennermembran nach Anspruch 1, bei der die Permeabilitätsabweichung [Pmax - Pmin / Pmax] über der gesamten Fläche weniger als 25 % ist.

11. Brennermembran nach Anspruch 10, bei der die Permeabilitätsabweichung geringer als 10 % ist.

12. Brennermembran nach Anspruch 1, die eine Dicke zwischen 2 und 5 mm aufweist.

13. Brennermembran nach Anspruch 1, bei der die Membran vor ihrem Einsatz für Strahlungsverbrennung oxidiert worden ist.

14. Brennermembran nach Anspruch 1 in Form eines Zylinders, bei der die konkave Seite (12) der Membranwand (1) Nuten (13) aufweist, die der Erzeugenden des Zylinders folgen.

15. Brennermembran, die eine Verbundstruktur aus einer Sintergewebeschicht aus anorganischen Fasern nach Anspruch 1 an ihrer Strahlungsseite und eine Sintermatten-Tragschicht aus rostfreien Stahlfasern an ihrer Kraftstoffzufuhrseite aufweist.

16. Brennermembran nach Anspruch 15, bei der die Dicke der Sintermattenschicht aus anorganischen Fasern geringer als 2,5 mm ist.

17. Verfahren zum Aufheizen von Gegenständen durch Strahlung, bei dem die aufzuheizenden Gegenstände vor der Strahlungsseite einer Brennermembran nach Anspruch 1 angeordnet werden und ein Brennstoffgemisch durch die Membran geleitet wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Brennstoffgemisch oder dessen Luftanteil vor dem Durchleiten durch die Brennermembran vorgewärmt wird.

18. Verfahren nach Anspruch 17, bei dem die Vorwärmtemperatur zwischen 200 ºC und 300 ºC ist.

19. Strahlungsbrenner, der ein Gehäuse mit Einlaßmitteln für die Zufuhr eines Brenngasgemisches und Auslaßmittel für das zu verbrennende Gasgemisch in der Form einer porösen Brennermembran nach Anspruch 1 aufweist, die die Auslaßseite des Brennergehäuses verschließt.