DE69322622T2 - POROUS METAL FIBER PANEL - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine poröse Metallfaserplatte. Solche Platten, in denen die Fasern zusammengesintert werden, verwendet man unter anderen Dingen als Filtermedien.The invention relates to a porous metal fiber plate. Such plates, in which the fibers are sintered together, are used, among other things, as filter media.
Es ist weiter aus dem europäischen Patent 0 157 432 bekannt, diese Fasernetzwerke als eine Membran für Strahlungsoberflächenverbrennungs-Brenner für Gasmischungen zu verwenden, soweit Cr und Al enthaltende Stahlfasern verwendet werden, um sie gegen hohe Temperaturen beständig zu machen.It is further known from European Patent 0 157 432 to use these fiber networks as a membrane for radiant surface combustion burners for gas mixtures, as long as steel fibers containing Cr and Al are used to make them resistant to high temperatures.
Da die Porosität dieser nicht gewebten Stahlfasernetzwerke, Fasermatten oder gesinterten Faserplatten nicht immer vollkommen homogen ist, kann ein gleichmäßiger Quergasstrom über die gesamte Oberfläche der Platte nicht immer gewährleistet werden. Für eine Anzahl von Verwendungsfällen erwies sich dies als Nachteil, z. B. für Brennermembranen und für die gasdurchlässigen Trägerplatten für Wirbelschichtbehandlungen, bei denen ein gesteuerter gleichmäßiger Strom, in Verbindung mit einem geringen Druckabfall über die Dicke der Platte, erwünscht ist.Since the porosity of these non-woven steel fiber networks, fiber mats or sintered fiber boards is not always completely homogeneous, a uniform cross-gas flow over the entire surface of the board cannot always be guaranteed. This has proven to be a disadvantage for a number of applications, e.g. for burner membranes and for the gas-permeable carrier plates for fluidized bed treatments, where a controlled uniform flow, in conjunction with a low pressure drop across the thickness of the board, is desired.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, diesen Nachteil der bekannten gasdurchlässigen Metallfaserplatten zu vermeiden und so Platten mit einem gesteuerten gleichmäßigen Gasstrom vorzusehen. Gemäß der Erfindung wird dieses Ziel durch ein Verfahren gemäß dem Anspruch 1 erreicht.It is an object of the invention to avoid this disadvantage of the known gas-permeable metal fiber plates and thus to provide plates with a controlled uniform gas flow. According to the invention, this object is achieved by a method according to claim 1.
In einer Platte gemäß einem solchen Verfahren wird der Gasstrom hauptsächlich durch die Löcher getrieben. Dieses Merkmal ist u. a. im Hinblick auf die Erzielung eines geringen Druckabfalls durch die Platte günstig.In a plate according to such a method, the gas flow is mainly driven through the holes. This feature is advantageous, among other things, in terms of achieving a low pressure drop through the plate.
Soweit diese Platten bei sehr hohen Temperaturen verwendet werden müssen, ist es erforderlich, daß die Metallfasern, die verwendet werden, diesen Temperaturen widerstehen. Die äquivalenten Faserdurchmesser können im Bereich zwischen etwa 8 um und 150 um liegen. Mit einem äquivalenten Faserdurchmesser wird hier der Durchmesser einer fiktiven, völlig zylindrischen Faser gemeint, deren Querschnittsfläche der Durchschnittsquerschnittsfläche einer wirklichen Faser entspricht, die nicht völlig kreisförmig oder überhaupt nicht kreisförmig ist. Die Dicke der Platte ist vorzugsweise zwischen 0,8 mm und 4 mm, und die Platte ist steif und stark genug, um den gewählten Druckabfällen bei den gewünschten Porositäten zu widerstehen. Beispielsweise sind Plattendicken von 1, 2 und 3 mm geeignet. Die poröse Platte erfordert daher keinen Extraträger nahe ihrer Bodenfläche oder ihrer Oberseite (z. B. mit einer Stahlplatte). So bleiben die Boden und Oberseiten frei zugänglich.Insofar as these plates must be used at very high temperatures, it is necessary that the metal fibers used can withstand these temperatures. The equivalent fiber diameters can range between about 8 µm and 150 µm. By an equivalent fiber diameter is meant here the diameter of a fictitious, completely cylindrical fiber, the cross-sectional area of which corresponds to the average cross-sectional area of a real fiber that is not completely circular or not circular at all. The thickness of the plate is preferably between 0.8 mm and 4 mm, and the plate is stiff and strong enough to withstand the selected pressure drops at the desired porosities. For example, plate thicknesses of 1, 2 and 3 mm are suitable. The porous plate therefore does not require any extra support near its bottom surface or its top surface (e.g. with a steel plate). This leaves the bottom and top surfaces freely accessible.
Es ist eine andere Aufgabe der Erfindung, eine Gasbrennervorrichtung vorzusehen, die ein Gehäuse mit Zuführmitteln für das zu verbrennende Gas, ein Verteilungsbauelement für den Gasstrom und eine poröse Metallfaserplatte als eine Brennermembran aufweist, die einen steuerbaren und gleichmäßigen Gasstrom zur Brennermembranausgangsoberfläche und als Folge einen gleichmäßigen Verbrennungsprozeß über die gesamte Brenneroberfläche und mit einem geringen Druckabfall in dem die Membran durchströmenden Gasstrom ermöglicht.It is another object of the invention to provide a gas burner device comprising a housing with supply means for the gas to be burned, a distribution member for the gas flow and a porous metal fiber plate as a burner membrane, which enables a controllable and uniform gas flow to the burner membrane exit surface and as a result a uniform combustion process over the entire burner surface and with a low pressure drop in the gas flow passing through the membrane.
Als ein Ergebnis wird eine dauerhafte Brennermembran vorgesehen, worin sich keine bestimmten Oberflächenbereiche aufgrund einer Überlastung oder Überhitzung gegenüber anderen Bereichen aufgrund von Inhomogenitäten der Porosität vorzeitig verschlechtern, wodurch unsteuerbare Vorzugsgasstrombahnen und Brennbereiche verursacht werden.As a result, a durable burner membrane is provided wherein no particular surface areas deteriorate prematurely due to overloading or overheating relative to other areas due to inhomogeneities in the porosity, thereby causing uncontrollable preferential gas flow paths and combustion areas.
Das Verfahren der Erfindung ermöglicht die Schaffung einer porösen Metallfaserplatte, die als eine Brennermembran über einen enorm weiten Leistungsbereich brauchbar und daher sowohl für Oberflächenstrahlungs- als auch für Blauflammenarten geeignet ist.The method of the invention enables the creation of a porous metal fiber plate which can be used as a burner membrane over It can be used over an extremely wide power range and is therefore suitable for both surface radiation and blue flame types.
Als ein Ergebnis ermöglicht die Erfindung die Schaffung von Brennermembranplatten, die erheblich niedrige CO und NOX- Emissionen und hohe Ausbeuten bieten.As a result, the invention enables the creation of burner membrane plates that offer significantly low CO and NOX emissions and high yields.
Als ein weiteres Ergebnis ermöglicht die Erfindung die Schaffung eines Gasbrenners mit weniger Zwängen bezüglich einer Vorfiltrierung des einströmenden Gasstroms.As a further result, the invention enables the creation of a gas burner with fewer constraints regarding pre-filtration of the incoming gas stream.
Das Vorsehen einer Gasverbrennungsvorrichtung mit geringerer Gefahr eines Auftretens von Resonanzen im Gasstrom und damit zum Vermeiden von Pfeifeffekten während des Betriebs ist als ein weiteres Ziel der Erfindung zu betrachten.The provision of a gas combustion device with a lower risk of resonances occurring in the gas flow and thus avoiding whistling effects during operation is to be considered as a further object of the invention.
Auf der Basis mehrerer Ausführungsarten werden im folgenden weitere Einzelheiten erläutert. Zusätzliche Lösungen gemäß der Erfindung für besondere oder Teilprobleme oder Ziele und die Merkmale dieser Lösungen sowie die dadurch erzielten Vorteile werden ebenfalls erklärt werden.On the basis of several embodiments, further details are explained below. Additional solutions according to the invention for particular or partial problems or objectives and the characteristics of these solutions as well as the advantages achieved thereby will also be explained.
Fig. 1 ist eine Skizze einer porösen Platte mit kreisförmigen Löchern gemäß der Erfindung.Fig. 1 is a sketch of a porous plate with circular holes according to the invention.
Fig. 2 zeigt einen möglichen Weg des Einbaus dieser Platte in ein Gehäuse mit Zuführmittel für das Gas sowie Förder- und Strommitteln für dieses durch die Platte.Fig. 2 shows a possible way of installing this plate in a housing with supply means for the gas as well as conveying and flow means for this through the plate.
Fig. 3 zeigt schematisch eine rohrförmige Vorrichtung zum Durchlaß des Gasstroms.Fig. 3 shows schematically a tubular device for the passage of the gas flow.
Die Fig. 4 bis 7 betreffen Draufsichten mehrerer Muster von in den porösen Platten anzubringenden Querdurchlässen, die nicht unter den Bereich des unabhängigen Anspruchs fallen.Figures 4 to 7 relate to plan views of several patterns of transverse passages to be provided in the porous plates, which do not fall within the scope of the independent claim.
Fig. 8 zeigt einen Querschnitt einer Gasbrennervorrichtung gemäß der Erfindung, in der eine akustische Schalldämpfschicht zwischen der Brennermembran und dem Verteilungsbauelement befestigt ist.Fig. 8 shows a cross-section of a gas burner device according to the invention, in which an acoustic damping layer is attached between the burner membrane and the distribution component.
Fig. 9 zeigt einen Querschnitt einer Gasbrennervorrichtung, in der eine Anzahl von Schalldämpfschichten, möglicherweise zusammen mit leeren Zwischenräumen, enthalten sind.Fig. 9 shows a cross-section of a gas burner device, incorporating a number of sound-damping layers, possibly together with empty spaces.
Die poröse Metallfaserplatte 1 gemäß Fig. 1 weist Löcher 2 auf, die in regelmäßigen Abständen p (Lochabstand) voneinander beabstandet sind. Diese Löcher sind vorzugsweise von zylindrischer Form und insbesondere kreisförmig-zylindrisch. Vorzugsweise ist die Fläche jedes Lochs 2 die gleiche und liegt zwischen 0,03 und 3 mm², obwohl noch bevorzugter zwischen 0,4 und 1,5 mm bzw. zwischen 0,5 und 0,8 mm. Wie man unten sieht, sind diese Abmessungen u. a. in Abhängigkeit von der Dicke der Platte 1, ihrer Porosität und der beabsichtigten Verwendung zu wählen. Wenn das Loch 2 so einen kreisförmigen Querschnitt hat, ist der Durchmesser jedes Kreises 0,8 mm für eine Oberfläche von angenähert 0,5 mm. Die Löcher 2 werden vorzugsweise mit einem Stanzvorgang erzeugt, da dieser eine glatte Zylinderwand sichert. Falls so erwünscht, können Löcher auch mit dreieckigen, quadratischen, rechteckigen oder anderen Formen gestanzt werden. Die Löcher können auch mit Laserstrahlen erzeugt werden. So sind im Prinzip sehr kleine Löcher mit einem Durchmesser von wenigstens 0,2 mm für dünne Platten möglich.The porous metal fiber plate 1 according to Fig. 1 has holes 2 spaced apart from each other at regular intervals p (hole spacing). These holes are preferably of cylindrical shape and in particular circular-cylindrical. Preferably, the area of each hole 2 is the same and is between 0.03 and 3 mm², although more preferably between 0.4 and 1.5 mm or between 0.5 and 0.8 mm. As will be seen below, these dimensions are to be chosen depending, among other things, on the thickness of the plate 1, its porosity and the intended use. If the hole 2 thus has a circular cross-section, the diameter of each circle is 0.8 mm for a surface of approximately 0.5 mm. The holes 2 are preferably produced by a punching process, since this ensures a smooth cylinder wall. If so desired, holes can also be punched with triangular, square, rectangular or other shapes. The holes can also be created with laser beams. In principle, very small holes with a diameter of at least 0.2 mm are possible for thin plates.
Die Fig. 4 bis 7 veranschaulichen andere bevorzugte Formen von Durchlässen: Schlitze verschiedener Formen und ihre regelmäßige Verteilung über die Plattenoberfläche. Zwei Beispiele eines geeigneten regelmäßigen Musters von benachbarten rechteckigen Schlitzen 9 sind in Fig. 4 (rechte Seite bzw. linke Seite) gezeigt. Kreisförmige Durchlässe 2 und rechteckige Schlitze 9 können über die Oberfläche abwechseln, wie in Fig. 5 gezeigt ist. Ähnlich können ovale oder eliptische Schlitze 11 mit kreisförmigen Löchern 2 abwechseln, wie in Fig. 7 dargestellt ist. Ein Muster kreuzförmiger Schlitze 10 ist auch möglich, wie in Fig. 6 veranschaulicht ist. Eine große Anzahl von regelmäßigen Verteilungen von Durchlässen mit verschiedenen Formen ist im Hinblick u. a. auf eine Minimierung oder Vermeidung jeglicher Pfeifwirkung im Gasstrom denkbar, wie noch weiter erläutert werden wird.Figs. 4 to 7 illustrate other preferred forms of passages: slots of various shapes and their regular distribution over the plate surface. Two examples of a suitable regular pattern of adjacent rectangular slots 9 are shown in Fig. 4 (right side and left side respectively). Circular passages 2 and rectangular slots 9 may alternate over the surface as shown in Fig. 5. Similarly, oval or elliptical Slots 11 alternate with circular holes 2, as shown in Fig. 7. A pattern of cross-shaped slots 10 is also possible, as illustrated in Fig. 6. A large number of regular distributions of passages with different shapes are conceivable with a view to, among other things, minimizing or avoiding any whistling effect in the gas flow, as will be explained further.
Jeder der Schlitze 9, 10, 11 sollte vorzugsweise eine Oberfläche von zwischen 1 und 10 mm² haben. Rechteckige oder im wesentlichen rechteckige Schlitze haben eine Schlitzbreite "w" von zwischen 0,3 mm und 2 mm und einer Länge "l" von zwischen 3 mm und 20 mm. Vorzugsweise gelten die Beziehungen 0,5 mm ≤ w ≤ 1 mm und 5 mm ≤ l ≤ 10 mm. Jedenfalls nimmt in einer Platte mit rechteckigen Schlitzen 9 gemäß beispielsweise Fig. 4 oder 5 die gesamte freie Durchlaßfläche 20% bis 30% der Gesamtoberfläche der Platte ein.Each of the slots 9, 10, 11 should preferably have a surface area of between 1 and 10 mm². Rectangular or substantially rectangular slots have a slot width "w" of between 0.3 mm and 2 mm and a length "l" of between 3 mm and 20 mm. Preferably, the relationships 0.5 mm ≤ w ≤ 1 mm and 5 mm ≤ l ≤ 10 mm apply. In any case, in a plate with rectangular slots 9 according to, for example, Fig. 4 or 5, the total free passage area takes up 20% to 30% of the total surface area of the plate.
Der Abstand p zwischen benachbarten Löchern 2 wird so gewählt, daß ihre Gesamtoberfläche 5% bis 25% der Gesamtoberfläche der Platte und vorzugsweise 8% bis 16% einnimmt. Werte von 10%, 12% und 15% sind angemessen. Um einen gleichmäßigen Strom über die Oberfläche zu sichern, werden die aufeinanderfolgenden Löcher vorzugsweise in einem Muster von benachbarten, gleichseitigen Dreiecken geordnet, worin jedes Loch 2 eine Ecke des Dreiecks einnimmt.The distance p between adjacent holes 2 is chosen so that their total surface area occupies 5% to 25% of the total surface area of the plate and preferably 8% to 16%. Values of 10%, 12% and 15% are appropriate. In order to ensure a uniform flow over the surface, the successive holes are preferably arranged in a pattern of adjacent equilateral triangles, in which each hole 2 occupies one corner of the triangle.
Die Porosität der Platte (zwischen den Löchern 2) ist stets zwischen 60% und 95%, jedoch vorzugsweise zwischen 78% und 88%. Die Plattenoberflächen können flach sein, eine (hochgeprägte) Reliefform haben oder z. B. auch gekrümmt oder gewellt sein.The porosity of the plate (between the holes 2) is always between 60% and 95%, but preferably between 78% and 88%. The plate surfaces can be flat, have a (highly embossed) relief shape or be curved or corrugated, for example.
Die Metallfasern, die zur Herstellung der porösen Platten verwendet werden können, und die Herstellung der Platten selbst, und insbesondere solche, die gegen sehr hohe Temperaturen beständig sind, werden in der gleichen europäischen Patentanmeldung 390.255 beschrieben. Allgemein eignen sich nichtrostende Stahlfasern. Für die Hochtemperaturverwendungen, z. B. in Gasbrennern, sind Cr und Al enthaltende Stahlfasern, vorzugsweise die auch eine geringe Yttrium-Menge enthaltenden, zu verwenden.The metal fibres that can be used to produce the porous panels and the production of the panels themselves, and especially those that are resistant to very high temperatures, are carried out in the same European patent application 390.255. Stainless steel fibers are generally suitable. For high-temperature applications, e.g. in gas burners, steel fibers containing Cr and Al, preferably those containing a small amount of yttrium, should be used.
Wie in Fig. 2 dargestellt ist, kann die poröse Platte 1 gemäß der Erfindung in normaler Weise in ein Gehäuse 3 mit einem Zuführmittel 4 für das Gas eingebaut werden. Wenn diese Vorrichtung für die Funktion als ein Gasbrenner bestimmt ist, kann eine brennbare Gasmischung (z. B. Erdgas/Luft) zugeführt werden. Die so gebildete Vorrichtung kann außerdem ein Verteilungsbauelement 5 für den eintretenden Gasstrom aufweisen. Normalerweise ist dies eine Platte mit in dieser derart angeordneten geeigneten Löchern oder Durchlässen, daß ein gleichmäßiger Gasstrom mit einem geeigneten Druck die Einlaßseite der porösen Platte 1 erreicht. Die Oberfläche der freien Durchlässe in der Verteilungsplatte 5 kann zwischen 2 % und 10% betragen. Im Fall eines zylindrischen Brenners (Fig. 3) dient die Verteilungsplatte 5 auch als Trägerelement für die Endplatte 8. Das Verteilungsbauelement 5 kann möglicherweise gewellt sein und kann auch zum Neutralisieren möglicher Schallresonanzen im Gasstrom oder als eine Flammensperre oder -barriere wirken, falls sie in die Gaseinlaßseite der Platte 1, z. B. als Ergebnis eines Schadens (Risse) in der Brennerplatte, rückschlagen sollten. Falls erwünscht, können die Löcher einen konischen Eingang 6 und einen zylindrischen Ausgang 7 oder umgekehrt (umgekehrte Platte) einen zylindrischen Eingang und einen konischen Ausgang haben.As shown in Fig. 2, the porous plate 1 according to the invention can be installed in a normal manner in a housing 3 with a supply means 4 for the gas. If this device is intended to function as a gas burner, a combustible gas mixture (e.g. natural gas/air) can be supplied. The device thus formed can also have a distribution device 5 for the incoming gas flow. Normally this is a plate with suitable holes or passages arranged in it so that a uniform gas flow with a suitable pressure reaches the inlet side of the porous plate 1. The surface area of the free passages in the distribution plate 5 can be between 2% and 10%. In the case of a cylindrical burner (Fig. 3) the distribution plate 5 also serves as a supporting element for the end plate 8. The distribution element 5 may possibly be corrugated and may also act to neutralize possible sound resonances in the gas flow or as a flame arrester or barrier should they flash back into the gas inlet side of the plate 1, e.g. as a result of damage (cracks) in the burner plate. If desired, the holes may have a conical inlet 6 and a cylindrical outlet 7 or vice versa (inverted plate) a cylindrical inlet and a conical outlet.
Ein Verteilungsbauelement 5 ist vorzugsweise auch für die Gaszufuhr zusammen mit einer Endplatte 8 in der zylindrischen Vorrichtung gemäß Fig. 3 vorgesehen. Aufgrund der Flexibilität der Membranplatte 1 mit Lochmuster 2 können Zylinder relativ geringer Durchmesser aus flachen Platten gebogen werden.A distribution component 5 is preferably also provided for the gas supply together with an end plate 8 in the cylindrical device according to Fig. 3. Due to the flexibility of the membrane plate 1 with hole pattern 2, cylinders of relatively small diameters can be bent from flat plates.
Es wurde gefunden, daß mit bestimmten Formen von Brennergehäusen und Einbaukonstruktionen in den zu beheizenden Räumen (z. B. Kesseln) Resonanz bei verhältnismäßig hohen Leistungen, z. B. über 1000 kWJm², auftreten kann. Es scheint auch, daß Überschußluft in der Gasmischungszufuhr einen Einfluß auf die Resonanzneigung zusammen mit der Tatsache haben kann, ob das Gas entweder durch die Membran gezogen (gesaugt) oder durch sie geblasen wird. Schließlich kann auch das Muster von in der Membran selbst verwendeten Löchern eine Rolle bei der Resonanzerscheinung spielen.It has been found that with certain shapes of burner housings and built-in structures in the spaces to be heated (e.g. boilers), resonance can occur at relatively high powers, e.g. over 1000 kWJm². It also appears that excess air in the gas mixture supply can have an influence on the tendency to resonance together with whether the gas is either drawn (sucked) through the membrane or blown through it. Finally, the pattern of holes used in the membrane itself can also play a role in the resonance phenomenon.
Die Resonanzerscheinung steht vermutlich in Beziehung zum hohen Druckgradient der Gasmischung zwischen der relativ kalten Unterseite (Einlaßseite) der Brennermembran und der sehr heißen Oberseite (Ausgangsseite: Brennoberfläche). Durch Ändern der Strömungsdurchlaßvariablen, wie z. B. Überschußluft- und Gasmischungsströmungsgrad, tritt vermutlich eine Schwingungserscheinung zwischen der Flammenfront (d. h. dem Niveau der Flammenbasen) und der in die Löcher einströmenden Gasmischung auf. Die Flammenzungen können daher über der Brenneroberfläche auf- und abtanzen oder sogar mit ihren Flammenbasen zwischen einer Stellung in (oder sogar unter) den Löchern und einer Stellung über den Löchern (über der Brennoberfläche) schwingen. Dies kann durch lästige Pfeifgeräusche im Bereich von 1000 bis 1500 Hz begleitet werden. Dieser Nachteil kann auch angetroffen werden, wenn ein Brenner von einem Blasgas- zu einem Sauggassystem verändert wird.The resonance phenomenon is presumably related to the high pressure gradient of the gas mixture between the relatively cold lower surface (inlet side) of the burner diaphragm and the very hot upper surface (exit side: combustion surface). By changing the flow passage variables, such as excess air and gas mixture flow rate, an oscillation phenomenon probably occurs between the flame front (i.e. the level of the flame bases) and the gas mixture flowing into the holes. The flame tongues can therefore dance up and down over the burner surface or even oscillate with their flame bases between a position in (or even under) the holes and a position above the holes (above the combustion surface). This can be accompanied by annoying whistling noises in the range of 1000 to 1500 Hz. This disadvantage can also be encountered when a burner is changed from a blow-gas to a suction gas system.
Wie zuvor erwähnt, ist es eine Aufgabe der Erfindung, diesen Nachteil zu beseitigen und das Auftreten von Pfeifgeräuschen weniger kritisch zu machen. Die getroffene Maßnahme sollte jedoch keinen der anderen Vorteile des Konzepts mit der perforierten Brennermembran verringern. Insbesondere sollte die Maßnahme nicht zu einem drastischen Anstieg des gesamten Druckabfalls über den Brenner oder einer (örtlichen) Destabilisierung der Flammenfront führen.As previously mentioned, it is an object of the invention to eliminate this disadvantage and to make the occurrence of whistling noises less critical. However, the measure taken should not reduce any of the other advantages of the perforated burner membrane concept. In particular, the measure should not lead to a drastic increase in the total pressure drop across the burner or (local) destabilization of the flame front.
Die Lösung gemäß der Erfindung besteht darin, eine Gasbrennervorrichtung vorzusehen, die ein Gehäuse mit den folgenden, nacheinander stromab positionierten Bauelementen aufweist: Zuführmittel für das zu verbrennende Gas, ein Verteilungsbauelement, wenigstens eine akustische Schalldämpfsicht, die für Gas durchlässig ist, und eine poröse Platte als Brennermembran, die mit einem regelmäßigen Muster von Löchern versehen ist, die zusammen 5% bis 35% der Oberfläche der Platte ausmachen, wobei jedes Loch eine Oberfläche von zwischen 0,03 mm² und 10 mm² hat.The solution according to the invention consists in providing a gas burner device comprising a housing with the following components positioned successively downstream: feeding means for the gas to be burned, a distribution component, at least one acoustic silencer permeable to gas, and a porous plate as burner membrane provided with a regular pattern of holes which together represent 5% to 35% of the surface of the plate, each hole having a surface area of between 0.03 mm² and 10 mm².
Einzelheiten werden auf der Basis einer Anzahl von Ausführungsarten erläutert, wobei auf die Fig. 8 und 9 Bezug genommen wird. Die Ausführungsarten sind nur als Beispiele zu verstehen.Details are explained on the basis of a number of embodiments, with reference to Figs. 8 and 9. The embodiments are to be understood as examples only.
Die Gasbrennervorrichtung gemäß Fig. 8 enthält ein Gehäuse 16 mit den folgenden, nacheinander stromab voneinander positionierten Bauelementen: eine Zuführleitung 15 für die Gasmischung und ein Verteilungsbauelement 5 in der Form einer perforierten Metallplatte, die gegen die abgebogene Kante 22 der Zuführleitung 15 liegt. Das Gehäuse 16 ist an der Zuführleitung mit einer Schweißstelle 17 angebracht. Die Verteilungsplatte 5 ist beispielsweise 0,4 mm dick und mit Löchern 18 versehen, deren jedes einen Durchmesser von 0,4 mm hat. Die Löcher oder Kanäle 18 können in den Eckpunkten eines Musters von benachbarten gleichseitigen Dreiecken mit einer Dreieckseite (d. h. Abstand zwischen den Löchern) von 1,25 mm positioniert sein. Dies bedeutet eine freie Durchlaß oberfläche der Platte 5 von angenähert 10%. In Abhängigkeit von den Umständen könnte diese freie Oberfläche genauso gut zwischen 5% und 20% liegen. Unter 5% wird der Druckabfall zu hoch bei hohen Gasströmunggeschwindigkeiten; über 20% wird der Verteilungseffekt für die Gasmischung bei niedrigen Strömungsgeschwindigkeiten unzureichend.The gas burner device according to Fig. 8 comprises a housing 16 with the following components positioned sequentially downstream of each other: a supply line 15 for the gas mixture and a distribution component 5 in the form of a perforated metal plate lying against the bent edge 22 of the supply line 15. The housing 16 is attached to the supply line by a weld 17. The distribution plate 5 is, for example, 0.4 mm thick and provided with holes 18 each having a diameter of 0.4 mm. The holes or channels 18 may be positioned at the corners of a pattern of adjacent equilateral triangles with a triangle side (i.e. distance between the holes) of 1.25 mm. This means a free passage surface of the plate 5 of approximately 10%. Depending on the circumstances this free surface could equally well be between 5% and 20%. Below 5% the pressure drop becomes too high at high gas flow velocities; over 20% the distribution effect for the gas mixture becomes insufficient at low flow velocities.
Gegen die Auslaßseite des Verteilungsbauelements 5 liegt ein geschweißtes Drahtnetz 13 aus nichtrostendem Stahl mit einem Drahtdurchmesser von beispielsweise 0,125 mm und einer Gasdurchlässigkeit von 48 mesh (Maschen je Zoll). In Abhängigkeit von den Umständen kann eine Durchlässigkeit von zwischen 30 mesh und 60 mesh gewählt werden. Es können auch zwei oder mehr Netze 13 übereinander, vorzugsweise von unterschiedlichen Durchlässigkeiten, gestapelt werden.Against the outlet side of the distribution component 5 there is a welded wire net 13 made of stainless steel with a wire diameter of, for example, 0.125 mm and a gas permeability of 48 mesh (meshes per inch). Depending on the circumstances, a permeability of between 30 mesh and 60 mesh can be selected. Two or more nets 13 can also be stacked one on top of the other, preferably of different permeabilities.
Stromab des geschweißten Drahtnetzes (oder der geschweißten Drahtnetze) 13, das bzw. die als akustische Schalldämpfschicht(en) wirken, ist die poröse Membranplatte 1, die mit einem regelmäßigen Muster von Löchern 12 versehen ist. Diese poröse Platte ist wieder vorzugsweise eine gesinterte Metallfaserplatte, in der die Fasern hitzebeständig, d. h. beständig gegen die während des Betriebs auftretenden hohen Brennertemperaturen, und beständig gegen Wärmeschocks sind. Die Fasern sind daher vorzugsweise Stahlfasern mit einem geeigneten Cr- und Al-Gehalt: z. B. FeCr-Legierungsfasern, wie zuvor beschrieben.Downstream of the welded wire mesh (or meshes) 13, which act as acoustic sound-damping layer(s), is the porous membrane plate 1, which is provided with a regular pattern of holes 12. This porous plate is again preferably a sintered metal fibre plate in which the fibres are heat-resistant, i.e. resistant to the high burner temperatures encountered during operation, and resistant to thermal shocks. The fibres are therefore preferably steel fibres with a suitable Cr and Al content: e.g. FeCr alloy fibres, as previously described.
Die Platte 1 ist beispielsweise 2 mm dick und hat eine Porosität von 80,5% zwischen den Löchern. Der Faserdurchmesser im Beispiel 2 unten war 22 um, und der Durchmesser der zylinderförmigen gestanzten Löcher war 0,8 mm, während der Abstand zwischen den Mittelpunkten der Löcher (d. h. der Regelabstand) 1,5 mm war. Die Platte 1 wird am Gehäuse 16 mit einer zwischen den beiden eingefügten keramischen Matte 14 festgelegt.For example, the plate 1 is 2 mm thick and has a porosity of 80.5% between the holes. The fiber diameter in Example 2 below was 22 µm, and the diameter of the cylindrical punched holes was 0.8 mm, while the distance between the centers of the holes (i.e., the pitch) was 1.5 mm. The plate 1 is fixed to the housing 16 with a ceramic mat 14 inserted between the two.
Um die Resonanz mit besonderen Gasströmungsprofilen in speziell geformten Brennern für Sitationen, in denen die Gasmischung gezogen (gesaugt) wird, und/oder für besondere Konstruktionsparameter bezüglich des zu erhitzenden Verbrennungsraumes zu minimieren, kann in Betracht gezogen werden, einen Zwischenraum 23 oder 24 zwischen der akustischen Schalldämpfschicht 13 und dem Verteilungsbauelement 5 und/oder der Membran 1 vorzusehen, wie beispielsweise in Fig. 9 gezeigt ist. In dieser Weise werden so verschiedene Ausführungsarten der Vorrichtung geschaffen. Die Vorrichtung kann z. B. eine Schalldämpfschicht 13 enthalten, die im Oberflächenkontakt mit dem Verteilungsbauelement 5 ist. In einer anderen Ausführungsart kann die Schicht 13 im Oberflächenkontakt mit sowohl dem Bauelement 5 als auch der porösen Platte 1 sein.In order to minimize resonance with particular gas flow profiles in specially shaped burners for situations in which the gas mixture is drawn (sucked) and/or for particular design parameters relating to the combustion chamber to be heated, it may be considered to provide a gap 23 or 24 between the acoustic damping layer 13 and the distribution member 5 and/or the membrane 1, as shown for example in Fig. 9. In this way, various embodiments of the device are created. The device may, for example, comprise a damping layer 13 which is in surface contact with the distribution member 5. In another embodiment, the layer 13 may be in surface contact with both the member 5 and the porous plate 1.
Eine andere Möglichkeit ist, die Schalldämpfschicht 13 als ein Laminat zu fertigen, das aus zwei Drahtnetzen 25 und 26 mit einer zwischen diese eingefügten porösen Matte besteht. Wenn so erwünscht, kann die Porosität und daher auch der Druckabfall über dieses Laminat unter dem Einfluß des Gasdrucks der eintretenden Mischung oder über (nicht dargestellte) äußere Arbeitsmittel geändert werden. Die poröse Matte 27 kann beispielsweise eine elastische Matte von Fasern, z. B. Stahlwolle sein. Zusätzlich zu einem stärkeren Verteilungseffekt auf die Mischung kann diese Querkompression bzw. -entspannung des Laminats den Druckabfall über die Membran 1 bei hohen Strömungsgeschwindigkeiten senken, so daß wieder die Resonanzgefahr weniger kritisch wird.Another possibility is to manufacture the sound-damping layer 13 as a laminate consisting of two wire nets 25 and 26 with a porous mat inserted between them. If so desired, the porosity and hence also the pressure drop across this laminate can be changed under the influence of the gas pressure of the incoming mixture or via external working means (not shown). The porous mat 27 can, for example, be an elastic mat of fibers, e.g. steel wool. In addition to a stronger distribution effect on the mixture, this transverse compression or relaxation of the laminate can reduce the pressure drop across the membrane 1 at high flow velocities, so that again the danger of resonance becomes less critical.
Nach einer anderen Ausführungsart kann die Schalldämpfschicht 13 ganz oder teilweise aus einer porösen Masse von Fasern 27 bestehen. Wenn so gewünscht, kann diese Masse den gesamten Zwischenraum zwischen der Platte 1 und dem Bauelement 5 füllen. Vorzugsweise sind Mineralfasern (z. B. Steinwolle oder Stahlwolle) zu verwenden.According to another embodiment, the soundproofing layer 13 can consist entirely or partially of a porous mass of fibers 27. If so desired, this mass can fill the entire space between the plate 1 and the structural element 5. Preferably, mineral fibers (e.g. rock wool or steel wool) are to be used.
Schließlich kann die poröse Platte 1 auch ein Laminat von mit einander versinterten Drahtnetzen enthalten. Gewebte oder gewirkte Drahtnetze aus hitzebeständigen Drähten können für diesen Zweck verwendet werden. Eine geeignete Laminatstruktur wird im U. S. -Patent 3.780.872 beschrieben. Im ganzen sind diese Laminate steifer als die aus gesinterten Faserbahnen hergestellten. Daher werden sie vorzugsweise in flachen Brennern montiert. Ein Muster von Löchern wird natürlich auch durch diese Laminate gestanzt, wie oben beschrieben.Finally, the porous plate 1 may also contain a laminate of wire nets sintered together. Woven or knitted wire nets made of heat-resistant wires may be used for this purpose. A suitable laminate structure is described in U.S. Patent 3,780,872. On the whole, these laminates are stiffer than those made from sintered fiber webs. Therefore, they are preferably mounted in flat burners. A pattern of holes is of course also punched through these laminates, as described above.
Wenn die Gasbrennervorrichtungen nur für einen Betrieb bei verhältnismäßig niedrigen Leistungen geplant sind oder wenn die Resonanzneigung an sich nicht vermieden werden muß, dann können auch gesinterte poröse Platten 1 als solche - aus Spänen oder geschnittenen Fasern oder auch aus Drahtnetzen, wie oben beschrieben - verwendet werden. In diesem Fall wird eine Schalldämpfschicht 2 nicht benötigt, und es sind Ausführungsarten entsprechend oder analog denen, die in der belgischen Patentanmeldung 09200209 beschrieben sind, anwendbar. Anstelle von FeCr-Legierungsfasern können auch keramische Fasern oder Drähte verwendet werden.If the gas burner devices are only designed to operate at relatively low powers or if the tendency to resonance does not have to be avoided per se, then sintered porous plates 1 as such - made of chips or cut fibers or even of wire mesh, as described above - can also be used. In this case, a sound-absorbing layer 2 is not required and embodiments corresponding to or analogous to those described in Belgian patent application 09200209 can be used. Instead of FeCr alloy fibers, ceramic fibers or wires can also be used.
Eine flache gesinterte poröse Metallfaserplatte 1, die gemäß der Erfindung hergestellt wurde und die unten angegebenen Eigenschaften hat, kann als eine Membran für eine Gasbrennervorrichtung verwendet werden. Die Eigenschaften und Vorteile dieses Konzepts bezüglich früher angebotener Brennermembranen werden unten erläutert.A flat sintered porous metal fiber plate 1 made according to the invention and having the properties given below can be used as a membrane for a gas burner device. The properties and advantages of this concept with respect to previously offered burner membranes are explained below.
Die zu verwendenden Stahlfasern sind gegen hohe Temperaturen beständig und enthalten für diesen Zweck in Gew.-% beispielsweise 15 bis 22% Cr, 4 bis 5,2% Al, 0,05 bis 0,4% Y, 0,2 bis 0,4% Si und höchstens 0,03% C. Sie haben einen Durchmesser von zwischen 8 und 35 um, beispielsweise angenähert 22 um. Die Fasern können durch eine Technik des Bündelziehens erhalten werden, wie z. B. aus dem U. S. -Patent 3.379.000 bekannt ist und wie im U. S. -Patent 4.094.673 erwähnt wird. Sie werden zu einer nicht gewebten Faserbahn gemäß einem Verfahren oder ähnlich dem Verfahren verarbeitet, das aus den U. S. -Patenten 3.469.297 oder 3.127.668 bekannt ist. Danach werden diese Bahnen durch Pressen und Sintern zu einer porösen Platte 1 mit einer Porosität von zwischen 78% und 88% verdichtet. Porositäten von 80,5%, 83% und 85,5% sind sehr üblich.The steel fibres to be used are resistant to high temperatures and for this purpose contain, for example, in wt.%, 15 to 22% Cr, 4 to 5.2% Al, 0.05 to 0.4% Y, 0.2 to 0.4% Si and a maximum of 0.03% C. They have a diameter of between 8 and 35 µm, for example approximately 22 µm. The fibres can be obtained by a bundle drawing technique, as known for example from US patent 3,379,000 and as mentioned in US patent 4,094,673. They are processed into a non-woven fibre web according to a process or similar to the process known from US patents 3,469,297 or 3,127,668. Thereafter, these webs are compacted by pressing and sintering into a porous plate 1 with a porosity of between 78% and 88%. Porosities of 80.5%, 83% and 85.5% are very common.
Es ist auch möglich, dickere Metallfasern als hitzebeständige Fasern in der porösen Platte zu verwenden, z. B. Fasern mit äquivalenten Durchmessern von zwischen 35 und 150 um, die aus Drahtspänen oder Abschnitten aus einer Platte der gewünschten hitzebeständigen Legierung (z. B. FeCr-Legierung) bestehen. Diese Fasern sehen ziemlich wie Stahlwolle aus und können nach einem Spanverfahren hergestellt werden, wie es z. B. im U. S. -Patent 4.930.199 offenbart wurde.It is also possible to use thicker metal fibers as heat-resistant fibers in the porous plate, e.g. fibers with equivalent diameters of between 35 and 150 µm consisting of wire chips or sections from a plate of the desired heat-resistant alloy (e.g. FeCr alloy). These fibers look quite like steel wool and can be made by a chipping process, such as that disclosed in U.S. Patent 4,930,199.
Diese poröse Platte 1 wird nun in einer Form angebracht und mit einer geeigneten Stanzeinrichtung (Stempel mit Stanzstiften) mit einem regelmäßigen Muster von vollkommen begrenzten kreisförmigen zylindrischen Durchlässen oder Löchern 2 mit einem Durchmesser von beispielsweise 0,8 mm versehen. Bei einem Abstand von 2 mm zwischen jedem Paar benachbarter Löcher wird eine freie Oberfläche von nahezu 15% erhalten. Im Vergleich mit einer Platte ohne Löcher steigert diese Ausbildung die Flexibilität und erleichtert so gleichzeitig den Prozeß des Formens z. B. zu Zylindern. Die Löcher bilden auch Sperren gegen das Einreißen oder die Ausbreitung von Rissen, die sich in der Membranplatte als Ergebnis der fluktuierenden Wärmebelastung während des Betriebs bilden können. Falls so erwünscht, kann das Muster von Löchern durch ein Waffelmuster ergänzt werden, wie in EP 390.255 beschrieben wird.This porous plate 1 is now placed in a mould and provided with a suitable punching device (punch with punch pins) with a regular pattern of perfectly definite circular cylindrical passages or holes 2 with a diameter of, for example, 0.8 mm. With a distance of 2 mm between each pair of adjacent holes, a free surface of almost 15% is obtained. Compared to a plate without holes, this formation increases flexibility and at the same time facilitates the process of forming, for example, into cylinders. The holes also form barriers against the tearing or propagation of cracks that can form in the membrane plate as a result of the fluctuating heat load during operation. If so desired, the pattern of holes can be supplemented by a waffle pattern as described in EP 390.255.
Wann auch immer Löcher in einer festen Stahlplatte auszustanzen sind, muß die Dicke der Platte stets dünner als der Durchmesser der Löcher sein. Überraschenderweise wurde jedoch gefunden, daß dies für das Stanzen von Löchern in den porösen Platten gemäß der Erfindung nicht erforderlich ist. Daher gibt es einen weiten Bereich der Auswahl für das Verhältnis der Plattendicke zum Durchmesser oder zur Abmessung der Löcher oder Durchlässe.Whenever holes are to be punched in a solid steel plate, the thickness of the plate must always be thinner than the diameter of the holes. Surprisingly, however, it has been found that this is not necessary for punching holes in the porous plates according to the invention. Therefore, there is a wide range of choice for the ratio of plate thickness to the diameter or dimension of the holes or passages.
Die großen Vorteile der Erfindungsidee erscheinen jedoch, wenn die zu verbrennende Gasmischung durch die poröse Membranplatte 1 durchströmt. Tatsächlich strömt die Gasmischung nun hauptsächlich durch die Löcher 2, weshalb der Druckabfall über die Membran 1 beträchtlich niedriger (als für Platten ohne Löcher) für einen bestimmten Strömungsdurchsatz ist oder wodurch höhere Strömungsdurchsätze - und folglich größere Wärmeausgänge oder -leistungen - für einen bestimmten Druckabfallwert erzielt werden können. Der Leistungsbereich kann nun zwischen 150 und 900 kW/m² für eine Strahlungsoberflächenverbrennung gewählt und auf den eines Blauflammenoberflächenbrenners mit einem Ausgang oder einer Leistung von bis zu 4000 kW/m², in Abhängigkeit von Faktoren, wie z. B. dem Luftüberschuß in der Gasmischung bezüglich einer stöchiometrischen Gasverbrennungsmischung, gesteigert werden.The great advantages of the inventive idea, however, appear when the gas mixture to be burned passes through the porous membrane plate 1. In fact, the gas mixture now flows mainly through the holes 2, which is why the pressure drop across the membrane 1 is considerably lower (than for plates without holes) for a given flow rate, or whereby higher flow rates - and consequently higher heat outputs or powers - can be achieved for a given pressure drop value. The power range can now be chosen between 150 and 900 kW/m² for radiant surface combustion and increased to that of a blue flame surface burner with an output or power of up to 4000 kW/m², depending on factors such as the excess air in the gas mixture with respect to a stoichiometric gas combustion mixture.
Die Porosität der Platte 1 führt zu der Tatsache, daß ein kleiner Teil des Gases stets durch die Poren zwischen den Löchern 2 zur heißen Ausgangsoberfläche durchdringt. Wie unten erläutert, fördert dies erheblich ein gleichmäßiges und stabiles Verbrennen über einen weiten Last- oder Leistungsbereich. Besonders bei höheren Strömungsdurchsätzen wächst der Teil des Gases, der zwischen den Löchern durch die Platte durchdringt, proportional an. Es ist nun genau bei diesen höheren Strömungsdurchsätzen (und folglich höheren Leistungen, wenn der Prozentsatz der Überschußluft in der Gasmischung der gleiche bleibt), daß der Neigung, die blaue Flamme auf dem Niveau der Löcher wegzublasen, entgegengewirkt werden muß. Das Verbrennen des Gases an der Oberfläche der Platte zwischen den Löchern 2 bleibt, wie es war, eine stabile (blaue) Flammenfront über die gesamte Plattenoberfläche und verhindert, daß diese Front (oder die blauen Flammenzungen darin) von der Plattenoberfläche weggeblasen wird bzw. werden. Die zungenförmigen Flammen über jedem Loch bleiben, wie vorher, mit ihren Basen - oder Wurzeln - an der Plattenoberfläche verankert.The porosity of the plate 1 results in a small part of the gas always penetrating through the pores between the holes 2 to the hot exit surface. As explained below, this greatly promotes uniform and stable combustion over a wide load or power range. Particularly at higher flow rates, the part of the gas penetrating through the plate between the holes increases proportionally. It is now precisely at these higher flow rates (and consequently higher powers, if the percentage of excess air in the gas mixture remains the same) that the tendency to produce the blue The burning of the gas on the surface of the plate between the holes 2 remains, as it was, a stable (blue) flame front over the entire plate surface and prevents this front (or the blue flame tongues within it) from being blown away from the plate surface. The tongue-shaped flames above each hole remain, as before, with their bases - or roots - anchored to the plate surface.
Die weitgehend horizontale Ausrichtung der Fasern innerhalb der porösen Platte fördert auch den Isoliereffekt der Membran. Tatsächlich läuft die Wärmeleitung hauptsächlich in der Außenseitenoberfläche (strahlende Seite) der Platte und viel weniger in die Tiefe (durch die Dicke) der Platte. Außerdem gibt es den andauernden gleichmäßigen Kühleffekt der Kaltgaszufuhr in direktem Kontakt mit der Schicht von Fasern an der Gaseinlaßseite. Andererseits fördert diese gleichmäßige Wärmeverteilung auf dem Niveau der Plattenoberfläche die gleichmäßige Verbrennung der Gasschicht und einen stabilen Verbrennungszustand über einen weiten Last- oder Leistungsbereich an der Ausgangsseite der Platte zwischen den aufeinanderfolgenden Löchern 2. Mit einer porösen Membranschicht 1, die an ihrer Gaseintrittsseite beispielsweise an einer Trägerstahlplatte angebracht ist und wobei die poröse Schicht zusammen mit der Trägerplatte das gleiche Muster von Löchern haben, wird dieser Isoliereffekt insgesamt geringer, und die erreichbaren Leistungen werden niedriger sein. Andererseits bleibt bei einer anderen Ausführungsvariante, d. h. einer porösen Membran ohne Löcher, die an einem Gasverteilungsplattenträger mit einem regelmäßigen Muster vieler kleiner Löcher (z. B. Lochdurchmesser von 0,3 mm und Abstand oder Mitte-Mitte-Abstand benachbarter Löcher von 1,25 mm) angebracht ist, der erzielbare Gasströmungsdurchsatz für einen gegebenen Druckabfall mehr beschränkt als mit der Platte gemäß der Erfindung. Außerdem sind mit dieser An ordnung die hohen Leistungen je Brenneroberflächeneinheit nicht erreichbar.The largely horizontal orientation of the fibers within the porous plate also promotes the insulating effect of the membrane. In fact, the heat conduction runs mainly in the outside surface (radiating side) of the plate and much less in the depth (through the thickness) of the plate. In addition, there is the continuous uniform cooling effect of the cold gas supply in direct contact with the layer of fibers on the gas inlet side. On the other hand, this uniform heat distribution at the level of the plate surface promotes the uniform combustion of the gas layer and a stable combustion state over a wide load or power range on the output side of the plate between the successive holes 2. With a porous membrane layer 1 attached on its gas inlet side, for example, to a carrier steel plate and where the porous layer together with the carrier plate have the same pattern of holes, this insulating effect will be overall less and the achievable powers will be lower. On the other hand, in another embodiment, ie a porous membrane without holes attached to a gas distribution plate support with a regular pattern of many small holes (e.g. hole diameter of 0.3 mm and pitch or center-to-center distance of adjacent holes of 1.25 mm), the achievable gas flow rate for a given pressure drop remains more limited than with the plate according to the invention. In addition, with this approach order, the high performances per burner surface unit cannot be achieved.
Ein anderer Vorteil gegenüber den bekannten Plattenmembranen ohne Löcher bezieht sich auf die Tatsache, daß es nun viel weniger - wenn überhaupt - nötig ist, das zuzuführende Gas vorzufiltrieren, da es hauptsächlich durch die größeren Durchlässe (Löcher) 2 und nur in sehr begrenztem Ausmaß durch die kleinen Poren in der Platte 1 durchströmt. Die Membranplatten gemäß der Erfindung müssen auch mit einem Rückstrom viel weniger häufig gereinigt werden, als es bei porösen Platten ohne Löcher oder Durchlässe der Fall war.Another advantage over the known plate membranes without holes relates to the fact that it is now much less necessary - if at all - to pre-filter the gas to be supplied, since it flows mainly through the larger passages (holes) 2 and only to a very limited extent through the small pores in the plate 1. The membrane plates according to the invention also have to be cleaned with a backflow much less frequently than was the case with porous plates without holes or passages.
Die Plattendicke, ihre Porosität und die Abmessung der Durchlässe oder Löcher müssen natürlich alle miteinander so koordiniert werden, daß für keinen Brennerzustand ein Rückschlag zur Gaseinlaßseite auftritt.The plate thickness, its porosity and the dimensions of the passages or holes must of course all be coordinated so that no backflow to the gas inlet side occurs for any burner condition.
Bei einem Verbrennungstest wurden die folgenden Beobachtungen für eine gesinterte Faserplatte 1 aus den bekannten FECRALLOY-Fasern mit einem Durchmesser von 22 um festgestellt. Die Platte war 2 mm dick, hatte eine Porosität von 80,5% und wurde in eine Gasbrennervorrichtung des in Fig. 2 veranschaulichten Typs eingebaut. Ein Muster von Löchern wurde in die Membran 1, wie in Fig. 2 gezeigt, gestanzt: der Durchmesser der Zylinderlöcher war 0,8 mm, und es lag ein regelmäßiges geometrisches Muster von Löchern mit einem Abstand p = 2 mm in einem regelmäßigen Gitter benachbarter gleichseitiger Dreiecke vor. Die Verteilungsplatte 5 (0,4 mm dick) befand sich in einem Abstand von 5 mm von der Platte 1 und war mit Löchern von 0,4 mm Durchmesser und mit deren Abstand von 1,5 mm versehen. Dies ergab eine freie Durchlaßoberfläche von 6,5%. Es gab keine Geräuschresonanzen oder Pfeifgeräusche während des Betriebs.In a combustion test, the following observations were made for a sintered fiberboard 1 made of the known FECRALLOY fibers with a diameter of 22 µm. The board was 2 mm thick, had a porosity of 80.5% and was installed in a gas burner device of the type illustrated in Fig. 2. A pattern of holes was punched in the membrane 1 as shown in Fig. 2: the diameter of the cylinder holes was 0.8 mm and there was a regular geometric pattern of holes with a pitch p = 2 mm in a regular grid of adjacent equilateral triangles. The distribution plate 5 (0.4 mm thick) was located at a distance of 5 mm from the plate 1 and was provided with holes of 0.4 mm diameter and with their pitch of 1.5 mm. This gave a free passage surface of 6.5%. There were no noise resonances or whistling noises during operation.
Der Druckabfall in der Gasmischung durch die Platte (mbar) wächst etwas schneller als linear mit der erhaltenen Leistung (kW/m²). Bei einem Druckabfall von 0,05 mbar wurde eine Leistung von 150 kW/m² festgestellt, und bei einem Druckabfall von 3 mbar wurde eine Leistung von 3500 kW/m² erreicht. Die Gasmischung bestand aus 8,1% Erdgas und 91,9% Luft. Es wurde Erdgas mit einem verhältnismäßig niedrigen Wärmewert von 10 kWh/Nm³ verwendet, und man setzte 30% Überschußluft zu.The pressure drop in the gas mixture through the plate (mbar) grows slightly faster than linearly with the power received (kW/m²). At a pressure drop of 0.05 mbar, an output of 150 kW/m² was determined, and at a pressure drop of 3 mbar, an output of 3500 kW/m² was achieved. The gas mixture consisted of 8.1% natural gas and 91.9% air. Natural gas with a relatively low calorific value of 10 kWh/Nm³ was used, and 30% excess air was added.
Ein Strahlungsoberflächenbrennerzustand wurde bis etwa 800 kW/m² ermittelt. Bei höheren Leistungen ging das Verbrennen in eine Blauflammenart über. Die Temperatur der Membranoberfläche (Gasauslaßseite) wuchs auf angenähert 850ºC bei etwa 700 kW/m² und fiel allmählich beim Übergang zu höheren Leistungen (Blauflammenart) auf angenähert 600ºC. Die Membrantemperatur an der Gaseinlaßseite blieb unter 150ºC und sank bei der Blauflammenart sogar auf unter 100ºC. Die gemessene NOX-Emission (ppm) wuchs allmählich über den gesamten Leistungsbereich bis auf 2000 kW/m². Sie war jedoch nur etwa 10 ppm bei 700 kW/m² und stabilisierte sich für Leistungen bei 2000 kW/m² und darüber bei etwa 15 bis 20 ppm. Die gemessenen NOX-Werte sind tatsächlich die Daten, die auf ihren Wert bei 0,002% in den Verbrennungsgasen reduziert sind. Diese sehr niedrigen NOx -Werte lassen sich wahrscheinlich durch die Tatsache erklären, daß die Flammenzungen über den Löchern kleinbleiben, so daß die Temperatur in ihren Kernen relativ niedrig bleibt. Der CO-Gehalt war über den gesamten Leistungsbereich nahe Null.A radiant surface burner condition was observed up to about 800 kW/m². At higher powers, combustion changed to a blue flame mode. The temperature of the membrane surface (gas outlet side) increased to approximately 850ºC at about 700 kW/m² and gradually decreased to approximately 600ºC when moving to higher powers (blue flame mode). The membrane temperature on the gas inlet side remained below 150ºC and even decreased to below 100ºC in the blue flame mode. The measured NOX emission (ppm) increased gradually over the entire power range up to 2000 kW/m². However, it was only about 10 ppm at 700 kW/m² and stabilized at about 15 to 20 ppm for powers at 2000 kW/m² and above. The measured NOX values are actually the data reduced to their value at 0.002% in the combustion gases. These very low NOx values can probably be explained by the fact that the flame tongues above the holes remain small, so that the temperature in their cores remains relatively low. The CO content was close to zero over the entire power range.
Abschließend wurde daher gefunden, daß für Brennerverwendungsfälle mit der Erfindung zum ersten Mal die Idee einer porösen Platte verfügbar ist, die über einen enorm weiten Leistungsbereich verwendet werden kann und daher sowohl für die Oberflächenstrahlungs- als auch für die Blauflammenart geeignet ist. Außerdem bietet die Idee bedeutend niedrige CO und NOX-Emissionen und bietet auch hohe Ausbeuten.In conclusion, it was therefore found that for burner applications, the invention provides for the first time the idea of a porous plate that can be used over an enormously wide power range and is therefore suitable for both the surface radiation and blue flame types. In addition, the idea offers significantly low CO and NOX emissions and also offers high yields.
Bei der Ausführungsart der Fig. 8 ist die poröse Platte 1 im Oberflächenkontakt mit dem 48 mesh-Drahtnetz 13. Eine Gasmischung aus Erdgas und Luft wurde durch die kompakte Kombination dieses Drahtnetzes 13, das zwischen der 2 mm dicken porösen Platte 1 und dem Verteilungsbauelement 5 mit freier Durchlaßoberfläche von 10% (beide oben beschrieben) zusammengehalten wird, im Gehäuse 16 geleitet. Die Abmessung der quadratischen Brenneroberfläche war 150 mm · 150 mm. Es wurden verschiedene Anteile von Überschußluft verwendet (1,1 bis 1,3), und die Strömungsdurchsätze wurden so gesteigert, daß Leistungen im Bereich von 500 kW/m² bis 5000 kW/m² entwickelt wurden.In the embodiment of Fig. 8, the porous plate 1 is in surface contact with the 48 mesh wire mesh 13. A gas mixture of natural gas and air was passed through the compact combination of this wire mesh 13 held together between the 2 mm thick porous plate 1 and the distribution element 5 with a free passage surface of 10% (both described above) in the housing 16. The dimension of the square burner surface was 150 mm x 150 mm. Various proportions of excess air were used (1.1 to 1.3) and the flow rates were increased so that powers in the range of 500 kW/m² to 5000 kW/m² were developed.
In der folgenden Tabelle 1 werden die Resonanzergebnisse in der Spalte [1 + 2 + 3] angegeben. Zum Vergleich werden die Verbrennungstests in der Tabelle für Ausführungsarten mit einer Kombination von nur der Platte 1 und des Verteilungsbauelements 5: Spalte [1 + 3] und für die Ausführungsart ohne Drahtnetz 13 und ohne Platte 5: Spalte [1] wiederholt. Das Minuszeichen in der Tabelle gilt für die erwünschte Abwesenheit von Pfeifgeräuschen während des Brennens, während das Pluszeichen das Auftreten eines störenden Pfeifgeräusches andeutet. Pfeifgeräusche deuten darüber hinaus auf eine Schwingung der Flammenbasen 20 in den Löchern 12 hin, wie mit einem Pfeil 21 angedeutet wird. TABELLE 1 In Table 1 below, the resonance results are given in column [1 + 2 + 3]. For comparison, the combustion tests in the table are repeated for designs with a combination of only plate 1 and distribution component 5: column [1 + 3] and for the design without wire mesh 13 and without plate 5: column [1]. The minus sign in the table applies to the desired absence of whistling noises during combustion, while the plus sign indicates the occurrence of an annoying whistling noise. Whistling noises also indicate vibration of the flame bases 20 in the holes 12, as indicated by an arrow 21. TABLE 1
Wir können aus der Tabelle ableiten, daß ein geringerer Luftüberschuß (1, 1) leichter zu einer Resonanz führt, als es ein größerer Luftüberschuß (1, 2 oder 1,3) tut. Außerdem sieht man, daß sich die günstige Wirkung des Drahtnetzes 13 besonders bei den höheren Leistungslasten (über 1000 kW/m²) zeigt.We can deduce from the table that a smaller excess air (1, 1) leads to resonance more easily than a larger excess air (1, 2 or 1,3). In addition, one can see that the beneficial effect of the wire mesh 13 is particularly evident at higher power loads (over 1000 kW/m²).
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