DE69420410T2

DE69420410T2 - Heizgerät mit einem hochstrahlungsintensiven porös keramischen flammenhalter

Info

Publication number: DE69420410T2
Application number: DE69420410T
Authority: DE
Inventors: John Holowczak; Martin Zabielski
Original assignee: United Technologies Corp
Current assignee: RTX Corp
Priority date: 1993-06-21
Filing date: 1994-06-15
Publication date: 2000-04-06
Anticipated expiration: 2014-06-16
Also published as: ES2135588T3; US5470222A; JPH09500440A; WO1995000803A1; DE69420410D1; EP0705410A1; EP0705410B1

Description

Technisches Gebiet

Die vorliegende Erfindung ist auf eine Heizeinheit mit einem keramischen Flammenhalter gerichtet, welcher Brennstoffe mit geringen Schadstoffemissionen verbrennt.

Stand der Technik

Flammenhalter, ebenfalls als Brenner bekannt, werden in Heizeinheiten verwendet, um stabile, gleichmäßig verteilte Flammen ohne Flammenrückschlag oder Rückbrennen zu erzeugen (siehe z. B. JP 621 66 212A). Die Flammenhalterausgestaltung weist einen großen Einfluß auf die Leistungsfähigkeit der Heizeinheit auf. Seit Jahren sind viele verschiedene Flammenhalterausgestaltungen verwendet oder vorgeschlagen worden. Insbesondere bei Wohnungs-Heizeinheiten liegt der Schwerpunkt der Flammenhalterausgestaltung in typischer Weise bei geringen Herstellungskosten, Haltbarkeit und, im Falle von Induktionszugheizeinheiten, geringem Druckabfall.
Haltbarkeit ist wegen der rauhen Umgebung innerhalb einer Heizeinheit ein bedeutender Gesichtspunkt. Während seiner Lebensdauer ist ein Flammenhalter tausenden von thermischen Zyklen, hohen Temperaturen und den Korrosionswirkungen der Verbrennungsprodukte, z. B. Salpetersäure und Kohlensäure, ausgesetzt. Ein haltbarer Flammenhalter erlaubt es einer Heizeinheit, über lange Perioden bei geringen Wartungskosten zuverlässig zu arbeiten.
Bei Induktionszugheizeinheiten werden Brennstoff und Verbrennungsluft durch den Flammenhalter mittels eines Gebläses gezogen, das stromabwärts von der Verbrennungskammer angeordnet ist. Die Größe des Gebläses und des zugeordneten Motors, welche erforderlich sind, um den Brennstoff und die Luft zu bewegen, hängen zum großen Teil von dem Druckabfall im Bereich des Flammenhalters ab. Um die Größe von Gebläse und Motor zu minimieren, ist ein Flammenhalter mit geringem Druckabfall wünschenswert. Beispielsweise weist ein Flammenhalter, der in einer Wohnungs-Induktionszugheizeinheit mit Gasfeuerung verwendet wird, in typischer Weise einen Druckabfall weniger als 250 Pa (1 inch Wasser) auf.
Weil Umweltanforderungen erneut im Brennpunkt stehen, kommt dem Einfluß der Flammenhalterausführung auf Schadstoffemissionen eine erhebliche Bedeutung zu. Zukünftige Flammenhalter werden es erfordern, geringe Schadstoffpegel, z. B. CO und NOx, zu erzeugen, während diese Flammenhalter immer noch die erwünschte Haltbarkeit und den erwünschten geringen Druckabfall ergeben.
Daher besteht in der Industrie die Forderung nach einer Heizeinheit mit einem haltbaren, einen geringen Druckabfall aufweisenden Flammenhalter, welcher geringe Schadstoffemissionen erzeugt.

Offenbarung der Erfindung

Die vorliegende Erfindung ist auf eine Heizeinheit mit einem haltbaren, einen geringen Druckabfall aufweisenden Flammenhalter gerichtet, welcher geringe Schadstoffemissionen erzeugt.
Ein Gesichtspunkt der Erfindung beinhaltet eine Heizeinheit mit einem Flammenhalter, welcher eine Mehrzahl von regellos verteilten Poren aufweist und welcher wenigstens etwa 50 Gew.-% Keramikteilchen aufweist, welche ein Emissionsvermögen von wenigstens etwa 0,7 aufweisen. Die Keramikteilchen sind miteinander mit einer Keramikbindungsphase gebunden, welche aus der Gruppe ausgewählt ist, welche aufweist: Mullit, Cordierit, Lithiumalumosilikat, Titansilikate, Borsilikate, Yttriumalumosilikate, Bariumosumilit, Lithiumalumosilikatglas, Magnesiumalumosilikatglas, Alumosilikatglas, Titansilikatglas, Borsilikatglas, Yttriumalumosilikatglas und Mischungen hieraus. Die Heizein heit weist ferner auf: eine Einrichtung zum Fördern des Brennstoff/Luftgemisches zu dem Flammenhalter, eine Einrichtung zum Zünden des Brennstoff/Luft-Gemisches, so daß es eine Flamme in Nähe zu dem Flammenhalter bildet, eine Einrichtung zum Übertragen von Wärme von der Flamme zu einem Wärmeübertragungsmedium und eine Einrichtung zum Abführen von Verbrennungsprodukten von der Heizeinheit.
Ein anderer Gesichtspunkt der Erfindung enthält ein Verfahren zum Verbrennen eines Brennstoffs durch Leiten eines Brennstoff/Luft-Gemisches durch einen Flammenhalter entsprechend dem Anspruch 1. Der Flammenhalter weist wenigstens etwa 50 Gew.-% Keramikteilchen auf, welche ein Emissionsvermögen von wenigstens etwa 0,7 aufweisen. Das Brennstoff/Luft-Gemisch wird verbrannt, um eine Flamme in Nähe zu dem Flammenhalter in der Weise zu bilden, daß die Flamme und der Flammenhalter zusammenwirken, um Emissionen von weniger als etwa 10 ng/J NOx erzeugen.
Diese und andere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der nachfolgenden Beschreibung und der beigefügten Zeichnung noch offensichtlicher.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

Fig. 1 ist eine perspektivische Ansicht eines Flammenhalters der vorliegenden Erfindung.
Fig. 2 ist eine perspektivische Ansicht eines anderen Flammenhalters der vorliegenden Erfindung.
Fig. 3 ist eine teilweise weggeschnittene, perspektivische Ansicht einer Heizeinheit der vorliegenden Erfindung.

Beste Art zum Ausführen der Erfindung

Die Heizeinheit der vorliegenden Erfindung enthält einen Flammenhalter, der aus einem hochporösen keramischen Material hergestellt ist, welches wenigstens etwa 50 Gew.-% Keramikteilchen aufweist, welche ein Emissionsvermögen von wenigstens etwa 0,7 aufweisen. Vorzugsweise werden die Keramikteilchen in dem Flammenhalter ein Emissionsvermögen von wenigstens etwa 0, 8 und, noch mehr bevorzugt, von mindestens etwa 0,9 aufweisen. Zu geeigneten Keramikteilchen gehören SiC, Si&sub3;N&sub4;, SiO&sub2;, TiC, NiO, FeO, Fe&sub2;O&sub3; und Mischungen hieraus. SiC- Teilchen werden bevorzugt, weil sie dem Flammenhalter eine hervorragende Wärmeschockfestigkeit verleihen, was es dem Flammenhalter erlaubt, häufigen und wiederholten thermischen Wechselbeanspruchungen zu widerstehen. Die Keramikteilchen können irgendeine Korngröße aufweisen, die mit der durchschnittlichen Porengröße und der Porosität konsistent ist, wobei durchschnittliche Porengröße und Porosität unten erläutert werden. Beispielsweise können die Keramikteilchen eine Korngröße im Bereich von etwa 20 um bis etwa 300 um aufweisen.
Die Keramikteilchen in dem Flammenhalter sind miteinander mit anderen kristallinen Keramikphasen gebunden, zu welchen folgende gehören jedoch ohne auf diese beschränkt zu sein: Mullit, Cordierit, Lithiumalumosilikat, Titansilikate, Borsilikate, Yttriumalumosilikate oder Bariumosumilit; Gläser mit geringer thermischer Ausdehnung, die zu kristallinen Phasen ähnlich sind, z. B. Lithiumalumosilikat, Magnesiumalumosilikat, Alumosilikat, Titansilikate, Borsilikate oder Yttriumalumosilikate oder Mischungen hieraus. Beispielsweise können etwa 70% SiC mit etwa 30% Mullit gebunden sein. Zusätzlich können die Keramikteilchen "selbstgebunden" oder rekristallisiert sein. Selbstgebundene Materialien weisen Körner auf, welche durch Oberflächendiffusion, durch Vorsintern oder durch beides gebunden sind. SiC-Teilchen können durch Kompaktierung und Erwärmung dieser Teilchen bis zu einer Temperatur oberhalb 1600ºC selbstgebunden sein.
Der Flammenhalter kann eine oder mehrere Schichten aus porösem keramischen Material und eine Porosität von etwa 30% bis etwa 60% aufweisen. Vorzugsweise wird die Porosität im Bereich von etwa 40% bis etwa 55% liegen und sie wird beinahe vollständig untereinander verbunden sein. Die Poren sollen über die Fläche des Flammenhalters regellos verteilt sein. Ein Flammenhalter mit einer Schicht aus keramischem porösen Material kann eine durchschnittliche Porengröße von etwa 5 um bis etwa 300 um aufweisen. Die Porengröße für eine besondere Anwendung soll in Verbindung mit der Wanddicke des Flammenhalters ausgewählt sein, um einen annehmbaren Druckabfall und eine annehmbare strukturelle Festigkeit zu ergeben. Um einen Druckabfall geringer als 250 Pa zu ergeben, kann ein Einschicht-Flammenhalter eine durchschnittliche Porengröße von wenigstens etwa 30 um und eine Wanddicke von weniger als etwa 4 mm aufweisen. Hervorragende Ergebnisse sind mit einer durchschnittlichen Porengröße von etwa 50 um und einer Wanddicke geringer als 2,5 mm erhalten worden. Andere Kombinationen von Porengröße und Wanddicke können für eine Vielzahl von Konstruktionsbedingungen annehmbar sein. Ein Flammenhalter mit zwei Schichten aus keramischem Material kann eine grobe Innenschicht mit einer durchschnittlichen Porengröße von etwa 30 um bis etwa 300 um und eine feine Außenschicht mit einer durchschnittlichen Porengröße von etwa 2 um bis etwa 60 um aufweisen. Wie bei einem einschichtigen Flammenhalter soll die Porengröße jeder Schicht in Verbindung mit der Dicke jeder Schicht ausgewählt sein, um einen annehmbaren Druckabfall und eine annehmbare strukturelle Festigkeit zu ergeben.
Der Flammenhalter 2 der vorliegenden Erfindung kann irgendeine geeignete Gestalt aufweisen. Beispielsweise kann der Flammenhalter 2 ein Rohr 4 mit geschlossenem Ende sein, wie in Fig. 1 gezeigt. Vorzugsweise wird ein rohrförmiger Flammenhalter ein Verhältnis von Länge zu Durchmesser von wenigstens etwa 2 : 1 aufweisen, um die Verbrennung über einen größeren Bereich zu verteilen und um dazu beizutragen, Flammenrückschläge zu verhindern. In Abhängigkeit von der Anordnung des Flammenhalters 2 in einer Heizeinheit und von der Ausführung des Wärmeaustauschers der Heizeinheit kann das geschlossene Ende 6 des Rohres 4 mehr von der Bindungsphase als der Rest des Rohres auf weisen, um die Poren in dem geschlossenen Ende vollständig zu schließen. Das Rohr 4 kann einen Flansch 8 aufweisen, um das Anbringen des Flammenhalters 2 innerhalb einer Heizeinheit zu erleichtern. Alternativ hierzu kann der Flammenhalter 2 eine rechteckförmige, keramische Platte sein, die in einem Schrägbrenner angeordnet ist, wie in Fig. 2 gezeigt. Der Schrägbrenner weist einen metallischen Kanal 10, welcher ein Brennstoff/Luft-Gemisch zu dem Flammenhalter 2 fördert, und ein Rohranschlußstück 12 auf, um das Anbringen innerhalb einer Heizeinheit zu erleichtern. Wenn durch eine besondere Anwendung gefordert wird, kann der Flammenhalter 2 ebenfalls ein offenendiges Rohr, eine Platte oder eine Scheibe sein oder irgendeine andere Gestalt aufweisen. Der Flammenhalter soll für die Wärmelast und die Wärmeaustauscherausgestaltung bemessen sein, welche für eine besondere Anwendung vorweggenommen sind.
Der Flammenhalter 2 der vorliegenden Erfindung kann mittels wohlbekannter, herkömmlicher Keramikverfahren hergestellt oder er kann von einem geeigneten Hersteller gekauft werden. Beispielsweise können geeignete Materialien von der Industrial Ceramics Division of Refractron Corporation (Newark, N. Y.) gekauft werden. Wir haben festgestellt, daß der SiC-Filter Refractite ITM von Refractron Corporation (Newark, N. Y.), der ursprünglich dazu bestimmt ist, um Feststoffe aus Kohlengasen zu entfernen, ausnehmend gut als ein Flammenhalter arbeitet. Die Filter Refractite IM werden aus einer einzelnen Schicht aus auf SiC beruhendem keramischen Material hergestellt und sind mit durchschnittlichen Porengrößen im Bereich von 5 um bis 300 um erhältlich. Die SiC-Filter Refractite IITM von Refractron weisen zwei Schichtenstrukturen auf, welche eine feine Außenschicht (durchschnittliche Porengröße 3,5 um bis 50 Mm) aufweisen, welche eine gröbere Innenschicht umgibt (durchschnittliche Porengröße 50 um bis 140 Mm). Beide Filter Refractite ITM und Refractite IITM können in einer Vielfalt von Standardgrößen und -gestalten gekauft werden (einschließlich Rohren mit geschlossenen Enden, Rohren mit offenen Enden, Platten oder Scheiben). Die Filter können ferner in verschiedenen Größen mit verschiedenen Porengrößen auf Bestellung hergestellt werden. Das auf SiC beruhende Material in dem Refractron-Filter weist einen Bruchmodul von etwa 10 MPa (1,5 ksi) bis etwa 28 MPa (4 ksi), einen Wärmeausdehnungskoeffizient von 4,5 · 10&supmin;&sup6; ºC&supmin;¹ und eine hervorragende Wärmeschockfestigkeit auf. Die Wärmeschockfestigkeit des auf SiC beruhenden Materials wurde dadurch bewertet, daß das Material auf etwa 1000ºC erwärmt und unmittelbar Luftströmen bei Raumtemperatur ("Luftabschreckung") ausgesetzt wurde. Das auf SiC beruhende Material überlebte wenigstens zehn Zyklen dieses Tests ohne Rißbildung.
Der Flammenhalter 2 der vorliegenden Erfindung kann in einer Heizeinheit durch irgendeine geeignete Einrichtung angebracht sein. Die im einzelnen verwendete Einrichtung ist nicht kritisch. Beispielsweise kann ein geflanschter, rohrförmiger Flammenhalter 2 an der Heizeinheit befestigt sein. Wenn der Flammenhalter 2 eine Platte oder eine Scheibe ist, kann er mit Befestigungsklammern oder irgendwelchen anderen, in der Technik bekannten Befestigungseinrichtungen befestigt sein.
Fig. 3 zeigt, wie ein Flammenhalter 2 der vorliegenden Erfindung innerhalb einer Induktionszugheizeinheit 14 eingebaut sein könnte. Der Flammenhalter 2 kann so positioniert sein, daß er sich in den Feuerraum 16 der Heizeinheit erstreckt. Die Heizeinheit 14 kann eine Einrichtung zum Fördern eines Brennstoff/Luft-Gemisches zu dem Flammenhalter und eine Einrichtung zum Zünden des Brennstoff/Luft-Gemisches aufweisen, so daß er in irgendeiner herkömmlichen Art eine Flamme in Nähe zu dem Flammenhalter bildet. Beide Einrichtungen, die allgemein durch einen Kasten 18 veranschaulicht sind, können irgendwelche herkömmlichen Einrichtungen sein, z. B. ist die eine Einrichtung eine Kombination von Kanälen und die andere ein Funkenzünder, ein Pilotzünder oder ein Heißflächenzünder. Die Heizeinheit 14 soll ferner eine Einrichtung zum Übertragen der Wärme von einer Flamme in der Verbrennungskammer 16 zu einem Wänneübertragungsmedium aufweisen. Erneut können diese Einrichtungen herkömmlich sein, z. B. Leitungen 20, die zu einem und von einem (nicht gezeigten) Wärmeaustauscher innerhalb der Heizeinheit 14 führen. Ein Gebläse 22 und ein Gebläsemotor 24, welche in dem Rauchabzugkanal 26 angeordnet sind, erzeugen ein teilweises Vakuum innerhalb der Verbrennungskammer 16, welches das Brennstoff/Luft-Gemisch in die Heizeinheit 14 und Verbrennungsprodukte aus der Heizeinheit zieht. Eine ähnliche Anordnung mit einem in geeigneter Weise angeordneten Gebläse kann verwendet werden, um den Flammenhalter der vorliegenden Erfindung in einer Heizeinheit mit künstlichem Zug anzubringen.
Der Flammenhalter der vorliegenden Erfindung kann über einen Bereich von Verbrennungsbedingungen und in verschiedenen Arten von Heizeinheiten verwendet werden. Der Flammenhalter ist unter Blauflammen- und Infrarotverbrennungsbedingungen getestet worden. Blauflammenbedingungen sind durch eine sichtbare Flamme (CH-Emission bei 431 nm) mit einer Flammenhalterflächentemperatur charakterisiert, welche typischerweise etwa 260ºC oder weniger ist. Wenn der Flammenhalter in einem Blauflammenmodus arbeitet, befindet sich die Flamme oberhalb der Fläche des Flammenhalters. Infrarotbedingungen sind durch eine beinahe unsichtbare Flamme bei Flammenhalterflächentemperaturen von etwa 925ºC bis etwa 1150ºC gekennzeichnet. In dem Infrarotmodus befindet sich die Flamme an und unterhalb der Fläche des Flammenhalters. Die Keramikteilchen in dem Flammenhalter absorbieren die Wärme der Verbrennung und strahlen sie in dem Infrarotbereich ab. Der Modus des Betriebs ist durch die Stöchiometrie der Verbrennung bestimmt. Um in dem Blauflammenmodus zu arbeiten, soll der Brennstoff mit etwa 45% oder mehr Überschußluft verbrannt werden. Um in dem Infrarotmodus zu arbeiten, soll der Brennstoff mit bis zu etwa 40% Überschußluft verbrannt werden.
Vorzugsweise wird der Flammenhalter mit gasförmigen Brennstoffen verwendet, z. B. Wasserstoff, Erdgas, Methan, Propan, Butan, oder mit irgendeinem anderen gasförmigen Brennstoff. Wenn die Fläche des Flammenhalters erhitzt oder von Strahlung oder Konvektion/Leitung zurück zu der Fläche des Flammenhalters ausreichend heiß ist, kann der Flammenhalter mit vorverdampften flüssigen Brennstoffen kompatibel sein. Beispielsweise kann der Flammenhalter ferner mit vorverdampften flüssigen Brennstoffen, z. B. Heizölen Nr. 1 und Nr. 2, oder mit anderen flüssigen Brennstoffen verwendet werden, welche vorverdampft werden können.
Die folgenden Beispiele erläutern die vorliegende Erfindung, ohne den breiten Umfang der Erfindung zu beschränken.

Beispiel 1

Ein ein geschlossenes Ende aufweisendes, geflanschtes, rohrförmiges SiC-Kerzenfilter Refractite ITM (Gütegrad SF 42) wurde von der Industrial Ceramics Division von Refractron Corporation (Newark, NY) zur Verwendung als ein Flammenhalter gekauft. Der Flammenhalter war 36 cm lang und hatte einen Innendurchmesser von 12,5 mm (0,49 inch), eine Wanddicke von 3,9 mm (0,16 inch), eine durchschnittliche Porengröße von 30 um und eine Porosität von 46%. Der Flammenhalter wurde an einer Wendel aus Kupferrohr angebracht und innerhalb eines wassergekühlten Stahlstapels plaziert, um den Wärmeaustauscher in einer mit Gebläseluft arbeitenden Haushaltsheizeinheit zu simulieren. Ergas und komprimierte Luft wurden durch gedrosselte, kalibrierte Öffnungen in dem Kupferrohr bemessen, wo sie gemischt und in den Innendurchmesserbereich des Flammenhalters geströmt wurden. Anfänglich wurde der Flammenhalter unter Blauflammenbedingungen betrieben. Später wurde die Luftstromgeschwindigkeit herabgesetzt, um den Flammenhalter unter Infrarotbedingungen zu bringen. Unter Infrarotbedingungen war die Fläche des Flammenhalters, wie mit einem für SiC kalibrierten optischen Pyrometer gemessen, auf etwa 1120ºC (2050ºF). Diese Temperatur entsprach der thermischen Belastung von 1102 MJ/m²/hr (97.000 Btu/ft²/hr), einer Brennstoffstromgeschwindigkeit von 0,465 g-mol/min (0,365 Standard ft³/min (scfm)) und 27% Überschußluft. Kein Flammenrückschlag oder Rückbrennen traten während etwa 1,5 Stunden des Betriebs unter diesen Bedingungen auf. Emissionen von dem Flammenhalter wurden bei thermischen Belastungen von 1102 MJ/m²/hr und 700 MJ/m²/hr (62.000 Btu/ft²/hr) (entsprechend einer Brennstoffstromgeschwindigkeit von 0,294 g-mol/min (0,231 scfm)) bei angenommenen thermischen Effizienzen von 80% beobachtet. Bei jeder thermischen Belastung wurde die Brennstoffstromgeschwindigkeit konstant gehalten und die Luftstromgeschwindigkeit wurde variiert. Entsprechende Daten sind in Tabelle 1 angegeben. Druckabfälle für diesen Flammenhalter, welche bei Raumtemperatur und bei 700 MJ/m²/hr gemessen wurden, sind in Tabelle 3 angegeben. Tabelle 1
* aus CO&sub2;-Messung ermittelt

Beispiel 2

Ein zweites SiC-Kerzenfilter Refractite ITM (Sonderauftrag) wurde an dem in Beispiel 1 beschriebenen Prüfstand zur Verwendung als ein Flammenhalter angebracht. Der Flammenhalter war ein mit geschlossenem Ende versehenes Rohr, das 40 cm lang war und einen Innendurchmesser von 15,5 mm (0,610 inch), eine Wanddicke von 2,4 mm (0,09 inch), eine durchschnittliche Porengröße von 30 um und eine Porosität von etwa 46% aufwies. Emissionen und Druckabfall durch den Flammenhalter wurden bei 971 MJ/m²/hr (85.500 Btu/ft²/hr) unter Blauflammen- und Infrarotbedingungen gemessen. Der Druckabfall wurde ebenfalls bei Raumtemperatur gemessen. Die Emissionsdaten für angenommene thermische Effizienzen von 80% sind in Tabelle 2 angegeben. Die Druckabfalldaten sind in Tabelle 3 angegeben. Tabelle 2
* aus CO&sub2;-Messung ermittelt.

Beispiel 3

Ein drittes SiC-Kerzenfilter Refractite ITM (Gütegrad SF 65) wurde an dem in Beispiel 1 beschriebenen Prüfstand zur Verwendung als ein Flammenhalter angebracht. Der Flammenhalter war ein mit geschlossenem Ende versehenes Rohr, das 39 cm lang war und einen Innendurchmesser von 12,7 mm, eine Wanddicke von 2,3 mm (0,09 inch), eine durchschnittliche Porengröße von 45 um und eine Porosität im Bereich von 40% bis 50% aufwies. Der Druckabfall durch den Flammenhalter wurde bei Raumtemperatur und bei 998 MJ/m²/hr (88.000 Btu/ft²/hr) unter Blauflammen- und Infrarotbedingungen gemessen. Diese Daten sind in Tabelle 3 angegeben. Tabelle 4 gibt die Druckabfall- und Emissionsdaten an, die gemessen wurden, während der Flammenhalter bei 998 MJ/m²/hr und bei einer angenommenen thermischen Effizienz von 80% betrieben wurde. Tabelle 3 Tabelle 4
* aus CO&sub2;-Messung ermittelt.
Die Beispiele zeigen, daß Flammenhalter gemäß der vorliegenden Erfindung sehr geringe Schadstoffemissionen unter Blauflammen- und Infrarotbedingungen ergeben können. Beispielsweise zeigen die Daten, daß NOX Pegel von weniger als etwa 7,5 ppm leicht erreichbar sind. In manchen Fällen kann die NOx-Produktion bis zu 3 ppm klein sein. Diese NOX Pegel halten den Vergleich mit den 1996 in Kalifornien geplanten maximalen NOx-Pegeln von 10 ppm bis 15 ppm bei 3% O&sub2; aus. Zusätzlich kann die vorliegende Erfindung CO-Pegel von weniger als 10 ppm ergeben. Diese CO-Pegel halten den Vergleich mit geplanten CO-Grenzen von 58 ppm @ 0% O&sub2; aus. Diese geringen Emissionen können sich aufgrund des hohen Emissionsvermögens (> 0,9) und des Absorptionsvermögens des auf SiC beruhenden Materials ergeben, das dazu verwendet wird, um die Flammenhalter herzustellen, die in den Beispielen getestet wurden. Unter Infrarotbedingungen ergeben diese Eigenschaften eine schnelle Flammenlöschung, gefolgt von einer hocheffizienten Energieemission in dem Infrarotbereich. Dieser Effekt scheint die Bildung von Prompt-NOx (ausgelöst durch eine Reaktion zwischen atmosphärischem Stickstoff und Kohlenwasserstoff-Brennstoff-Fragmenten, insbesondere unter brennstoffreichen Bedingungen) und von thermischem NOx zu reduzieren (gebildet durch eine Reaktion zwischen atmosphärischem Sauerstoff und atmosphärischem Stickstoff, insbesondere bei Flammentemperaturen oberhalb 1500ºC - diese Reaktion ist als die Zeldovich-Reaktion bekannt).
Die in den Beispielen gewonnenen Daten zeigen ebenfalls, daß Flammenhalter der vorliegenden Erfindung mit genau gewählter Porengröße und Wanddicke Druckabfälle unterhalb 250 Pa erzeugen können. Solche Flammenhalter sind mit Induktionszugheizeinheiten leicht kompatibel, welche als Öfen für Wohnungen verbreitet sind. Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, welche höhere Druckabfälle erzeugen, sind mit Heizeinheiten mit künstlichem Zug kompatibel, in welchen Druckabfall im Bereich des Flammenhalters nicht von großem Belang ist.
Zusätzlich zu geringen Schadstoffemissionen und geringem Druckabfall ergibt das bevorzugte, auf SiC beruhende Material, das für Flammenhalter der vorliegenden Erfindung verwendet wird, weitere Vorteile. Beispielsweise trägt die mäßige Wärmeleitfähigkeit des Materials dazu bei, Flammenrückschläge zu verhindern. Diese Eigenschaft wurde in Beispiel 1 demonstriert. Zusätzlich weist das auf SiC beruhende Material eine hohe Wärmeschockfestigkeit auf. Infolgedessen können die Flammenhalter der vorliegenden Erfindung einer häufigen thermischen Wechselbeanspruchung standhalten.
Ein Nebenvorteil der Verwendung eines Flammenhalters der vorliegenden Erfindung ist Geräuschreduzierung. Die regellose Verteilung von Poren an der Fläche eines Flammenhalters verteilt das Brennstoff/Luft- Gemisch über eine große Fläche gleichmäßig. Dies reduziert die Geschwindigkeit von Gasen durch eine beliebige Pore und in einer beliebigen Richtung. Infolgedessen können Flammenhalter der vorliegenden Erfindung Brennstoff viel ruhiger als Flammenhalter nach dem Stand der Technik verbrennen.

Claims

1. Eine Heizeinheit (14), aufweisend:

(a) einen Flammenhalter (2) mit einer Mehrzahl von regellos verteilten Poren,

(b) eine Einrichtung (18) zum Fördern eines Brennstoff/Luft-Gemisches zu dem Flammenhalter (2),

(c) eine Einrichtung (18) zum Zünden des Brennstoff/Luft-Gemisches, so daß es eine Flamme in Nähe zu dem Flammenhalter (2) bildet,

(d) eine Einrichtung zum Übertragen von Wärme von der Flamme zu einem Wärmeübertragungsmedium und

(e) eine Einrichtung (26) zum Abführen von Verbrennungsprodukten von der Heizeinheit (14),

dadurch gekennzeichnet, daß

der Flammenhalter (2) wenigstens etwa 50 Gew.-% Keramikteilchen aufweist, welche ein Emissionsvermögen von wenigstens etwa 0,7 aufweisen und welche mit einer Keramikbindungsphase miteinander gebunden sind, wobei diese Keramikbindungsphase aus der Gruppe ausgewählt ist, welche aufweist: Mullit, Cordierit, Lithiumalumosilikat, Titansilikate, Borsilikate, Yttriumalumosilikate, Bariumosumilit, Lithiumalumosilikatglas, Magnesiumalumosilikatglas, Alumosilikatglas, Titansilikatglas, Borsilikatglas, Yttriumalumosilikatglas und Mischungen hieraus.

2. Die Heizeinheit (14) nach Anspruch 1, bei welcher die Keramikteilchen ein Emissionsvermögen von wenigstens etwa 0,8 aufweisen.

3. Die Heizeinheit (14) nach Anspruch 1 oder 2, bei welcher die Keramikteilchen aus der Gruppe ausgewählt sind, welche aufweist: SiC, Si&sub3;N&sub4;, SiO&sub2;, TiC, NiO, FeO, Fe&sub2;O&sub3; und Mischungen hieraus.

4. Die Heizeinheit (14) nach Anspruch 3, bei welcher die Keramikteilchen SiC sind.

5. Die Heizeinheit (14) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei welcher der Flammenhalter (2) eine Porosität im Bereich von etwa 30% bis etwa 50% und eine durchschnittliche Porengröße von wenigstens etwa 30 um aufweist.

6. Die Heizeinheit (14) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei welcher der Flammenhalter (2) eine Wanddicke aufweist, welche geringer als etwa 4 mm ist.

7. Die Heizeinheit (14) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei welcher der Flammenhalter (2) eine durchschnittliche Porengröße von wenigstens etwa 45 jim und eine Wanddicke aufweist, welche geringer als etwa 2,5 mm ist.

8. Ein Verfahren zum Verbrennen eines Brennstoffs, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist:

(a) Leiten eines Brennstoff/Luft-Gemisches durch einen Flammenhalter (2) der Heizeinheit (14) nach einem der Ansprüche 1 bis 7,

(b) Verbrennen des Brennstoff/Luft-Gemisches, um eine Flamme in Nähe zu dem Flammenhalter (2) zu bilden,

wodurch die Flamme und der Flammenhalter (2) zusammenwirken, um Emissionen von weniger als etwa 10 ng/J NOx zu erzeugen.

9. Das Verfahren nach Anspruch 8, bei welchem das Brennstoff/Luft-Gemisch unter Blauflammenbedingungen verbrannt wird.

10. Das Verfahren nach Anspruch 8, bei welchem das Brennstoff/Luft-Gemisch unter Infrarotbedingungen verbrannt wird.