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Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Membran für Gasstrahlungsbrenner
und auf ein Verfahren zum Erhöhen
der Strahlungsleistungsabgabe von Gasstrahlungsbrennern. Die Membran
umfaßt
ein Gewebe aus Metallfasern.
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Hintergrund der Erfindung
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Solche
Metallfasermembranen sind im Stand der Technik wohlbekannt. Sie
erlauben den Strahlungsbrennern, sich sehr schnell zu erhitzen und
abzukühlen.
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Beispielsweise
offenbart
WO-A-95/27871 eine
Metallfasermembran für
Gasstrahlungsbrenner, bei der die Membran in mehrere aufeinanderfolgende
quadratische poröse
Zonen unterteilt ist, um die Wärmeausdehnung
während
der Erwärmung
und die Wärmekontraktion
während
der Abkühlung
zu erleichtern.
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Ein
Gasbrenner, der einen wellenförmigen
Reflektorschirm umfaßt,
ist offenbart in
WO-A-98/33013 .
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Zusammenfassung der Erfindung
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Es
ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Strahlungsleistungsabgabe
eines Strahlungsbrenners zu erhöhen.
Es ist ferner eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Strahlungseffizienz
eines Strahlungsbrenners zu erhöhen.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein einfaches
Mittel zum Erhöhen
der Strahlungsleistungsabgabe und des Strahlungswirkungsgrades eines
Strahlungsbrenners ohne Verwendung eines Reflektors zu schaffen.
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Gemäß einem
ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Membran für Gasstrahlungsbrenner
geschaffen. Diese Membran umfaßt
ein Gewebe aus Metallfasern. Die Membran besitzt eine Oberfläche, die
eine permanente Welligkeit bis zu einem solchen Grad aufweist, daß deren
Oberfläche
wenigstens 5%, und vorzugsweise wenigstens 10%, größer ist
als die Oberfläche
einer vergleichbaren flachen Membran.
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Der
Ausdruck ”Metallfasern” bezieht
sich auf Fasern, die hergestellt werden können durch Abschaben der Oberkante
einer gewalzten Metallfolie, wie beschrieben ist in
US-A-4.930.199 , oder unter
Verwendung der Bündelziehtechnik,
wie beschrieben ist im Patent
US-A-3.379.000 . Die Metallfasern weisen einen äquivalenten Durchmesser
im Bereich zwischen 2 μm
und 150 μm,
vorzugsweise zwischen 40 μm
und 80 μm
auf. Der äquivalente
Durchmesser einer Faser ist der Durchmesser einer imaginären Rundfaser
mit dem gleichen Querschnitt wie derjenige der betreffenden realen
Faser. Die Metallfasern weisen vorzugsweise eine Zusammensetzung
auf, die gegen hohe Temperaturen und Wärmeschocks resistent ist. Zu
diesem Zweck umfassen sie minimale Mengen an Aluminium und Chrom.
Insbesondere sind FeCrAlY-Fasern besonders geeignet, wie beschrieben
ist in
EP-B1-0 157
432 .
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Die
Metallfasern werden weiter verarbeitet, um ein zusammenhängendes
poröses
Fasergewebe zu bilden, z. B. in Form eines ungewebten Stoffes, eines
gestrickten, gewebten oder gewickelten Gewebes oder Maschen, oder
in Form von gewendelten und diagonal kreuzgewickelten Metallfaser-Fäden.
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Der
Ausdruck ”permanent
wellig” bedeutet,
daß eine
betonte Welligkeit vorhanden ist, unabhängig von der Tatsache, ob der
Brenner in Betrieb ist. Mit anderen Worten, die permanente Welligkeit
ist kein Ergebnis der Wärmeausdehnung
oder Wärmekontraktion.
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Der
Ausdruck ”Welligkeit” bezieht
sich auf jeden Typ von Welligkeit oder Welle, unabhängig von
deren Form. Er bezieht sich sowohl auf eindimensionale Welligkeiten,
bei denen die Welligkeit in einer Richtung betont ist, was Scheitellinien
in einer Richtung und keine senkrecht zu dieser ergibt, und auf
2-dimensionale Welligkeiten, bei denen die Welligkeit in zwei verschiedenen
Richtungen betont ist, wodurch sich Scheitelflecken oder Scheitelpunkte
ergeben.
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Gasstrahlungsbrenner
weisen günstigerweise
eine Membran auf, die in einem Metallrahmen befestigt ist. Der Ausdruck ”vergleichbare
flache Membran” bezieht
sich auf eine Membran, die in einem Rahmen mit gleichen Abmessungen
befestigt ist und eine flache Oberfläche aufweist. Eine relativ
kleine Wölbung
der ”flachen” Membran
ist unter den Betriebsbedingungen zulässig. Trotz dieser kleinen
Wölbung
wird sie immer noch als eine flache Membran bezeichnet.
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Gasbrenner
mit einer Keramikmembran, die bestimmte Einkerbungen aufweist, sind
im Stand der Technik bekannt, wie z. B. aus
US-A-1.731.053 . Die Funktion
dieser Einkerbungen besteht jedoch darin, die Flammenstabilität zu verbessern
und eine rückläufige Bewegung
der Flamme zu verhindern. Ein großer Unterschied zwischen Gasbrennern
mit einer Keramikmembran und Gasbrennern mit einer Membran, die
ein Gewebe aus Metallfasern umfaßt, besteht darin, daß mit einem
Gewebe aus Metallfasern das Problem der Flammenstabilität bereits
gelöst
ist, unabhängig
von der allgemeinen Form der Membran. So treten auch mit einer flachen
Membran keine Probleme bezüglich
einer Flammeninstabilität
auf.
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Die
Welligkeit der Membran gemäß dem ersten
Aspekt der vorliegenden Erfindung hat eine solche Amplitude und
Teilung, daß im
Betrieb Wärme
von einer ersten Flanke zu einer benachbarten Flanke abgestrahlt
wird und von dieser Flanke erneut zur ersten Flanke reflektiert
wird usw., so daß die
Temperatur der Membran deutlich erhöht wird. Die Menge der von
einem Körper
ausgesendeten Strahlung ist proportional zur vierten Potenz der
Temperatur. Die Temperaturerhöhung
der Membran erhöht
somit deutlich die Strahlungsabgabe eines Brenners mit einer Membran
gemäß der vorliegen den
Erfindung. Folglich wird die Strahlungsleistungsabgabe des Gasbrenners
nicht nur durch die Erhöhung
der Membranoberfläche,
sondern auch aufgrund der Erhöhung
der Membrantemperatur gesteigert.
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Gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung umfaßt
die Brennermembran einen perforierten Metallschirm, der der Membran
die Welligkeit verleiht und das flexible Gewebe aus Metallfasern
unterstützt.
Dieses Gewebe ist vorzugsweise ein nicht gesintertes Gewebe, wobei
dieses Gewebe vorzugsweise eine gestrickte Struktur aufweist. Eine
solche gestrickte Struktur hat den Vorteil, daß sie sich sehr schnell erwärmt. Dieses
Gewebe kann z. B. mittels Schweißpunkten am Schirm befestigt
sein.
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Gemäß einem
zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum
Erhöhen
der Strahlungsleistungsabgabe und der Effizienz eines Gasstrahlungsbrenners
geschaffen. Das Verfahren umfaßt
die folgenden Schritte:
- (a) Bereitstellen einer
Membran mit einem Gewebe aus Metallfasern;
- (b) Wellen der Membran, so daß sie eine Oberfläche behält, die
wenigstens 5%, vorzugsweise wenigstens 10%, größer ist als die Oberfläche einer
vergleichbaren flachen Membran.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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Die
Erfindung wird im folgenden genauer mit Bezug auf die beigefügte Zeichnung
beschrieben, in welcher:
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1 einen
Strahlungsbrenner gemäß dem ersten
Aspekt der vorliegenden Erfindung schematisch darstellt.
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Beschreibung der bevorzugten
Ausführungsformen
der Erfindung
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1 zeigt
schematisch den Querschnitt eines Gasstrahlungsbrenners 10 gemäß einem
ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung. Eine Einlaßleitung 12 für das Gasgemisch
ist an einem Gehäuse 13 befestigt, welches
günstigerweise
aus rostfreiem Stahl oder Keramik gefertigt ist. Ein Verteilungsmittel 14 in
Form einer perforierten Stahlplatte verteilt das Gasgemisch so weit
wie möglich über die
aktive Oberfläche
des Brenners. Ein perforierter Schirm 16 mit Perforationen
(die nicht gezeigt sind) im rostfreien Stahl verleiht der Membran die
wellige Form. Eine gestrickte Struktur 18 aus FeCrAlY-Fasern
ist am Schirm 16 punktverschweißt und nimmt die wellige Form
des Schirms 16 an. Die Welligkeit hat die Form gleichmäßig beabstandeter
Täler 20 und
Scheitel 22, wobei Flanken 24 zwischen den Tälern 20 und
den Scheiteln 22 angeordnet sind. Beispielsweise kann die
Höhe der
Scheitel im Bereich zwischen 5 mm und 10 mm liegen, wobei der Abstand
zwischen den Scheiteln im Bereich zwischen 25 mm und 40 mm liegen
kann.
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Wie
durch die Pfeile 26 gezeigt ist, wird Wärme von einer linken Flanke 24' zu einer rechten
Flanke 24'' abgestrahlt,
und umgekehrt, wobei die Wärme,
die auf eine rechte Flanke 24'' trifft,
möglicherweise
wieder zu der benachbarten linken Flanke 24' zurückgeworfen wird. Durch diese
Hin- und Her-Reflexion
steigt die Temperatur der Membran an, was wiederum die Strahlungsbrennerausgangsleistung
erhöht.
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Vergleich
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Ein
Brenner mit einer welligen Membran gemäß dem ersten Aspekt der vorliegenden
Erfindung wurde mit einem vergleichbaren Brenner mit einer flachen
Membran verglichen. Der Rahmen sowohl des Brenners mit der welligen
Membran als auch des Brenners mit der flachen Membran war der gleiche
und wies eine Breite von 150 mm und eine Länge von 200 mm auf. Die Brenner
wurden mit Wärmeeingangsleistungen
von 6.740 Watt (23.000 Btu/h) und 8.499 Watt (29.000 Btu/h) mit
10% Luftüberschuß befeuert.
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Die
für den
Vergleich verwendete Installation umfaßte folgende Teile:
- – einen
tragbaren Gasanalysator der Serie TESTO-350;
- – eine
Temperaturmeßvorrichtung,
die ein K-Typ Thermoelement umfaßt, und einen kontinuierlichen
Temperaturrekorder der Serie YOKOGAWA LR 4110;
- – eine
flache Schwarzkörperplatte
(230 mm × 300
mm), die aus einem hochoxidierten Stahl (ε = 0,9) gefertigt ist und bei
genau 6 Zoll (etwa 150 mm) parallel zur Brenneroberfläche plaziert
ist;
- – eine
Reihe von Rotametern und Druckmessern, um die Brennstoff- und Luftströmungsraten
zu kontrollieren.
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Für diese
Versuche wurden Propan und komprimierte atmosphärische Luft verwendet.
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Das
K-Typ-Thermoelement wurde in der Mitte der schwarzen Seite der Schwarzkörperplatte
plaziert, um die Temperatur in der Mitte der Platte und die Temperatur,
die der Brennermitte entspricht, zu messen. Das Thermoelement wurde
durch eine Masse aus Stahl abgedeckt, eine Stange von 0,5 Zoll mal
0,5 Zoll mal 1 Zoll (= 12,75 mm × 12,75 mm × 25,5 mm), die an der Rückseite
der Platte angeschweißt
war, um die Wärmeverluste
durch Konvektion an die Atmosphäre
an dieser Stelle infolge der Temperatur der Luftstromschwankungen im
Raum zu minimieren. Es wurde speziell dafür gesorgt, perfekte Bedingungen
wie z. B. 10% Luftüberschuß zu erreichen.
Der schwarze Körper
wurde von der Strahlungswärme
isoliert durch eine 1 Zoll dicke (= 25,5 mm) Keramikplatte, bis
die Testbedingungen im Brenner erreicht wurden. Sobald die Testbedingungen
erreicht wurden, wurde die isolierende Keramikplatte weggezogen
und der Brenner sofort der Strahlungswärme ausgesetzt. Der Temperaturrekorder
zeichnete anschließend
kontinuierlich die Temperatur über
der Zeit auf. Sobald die Temperatur einen stationären Zustand
erreicht hatte, wurde der Durchfluß an Brennstoffpropan abgeschaltet,
wobei jedoch die Luft für
Kühlzwecke
des Brenners belassen wurde. Die Zeit zum Erreichen des stationären Zustands
und das Maximum der Stationärzustand-Temperatur
wurden aus den aufgezeichneten Daten extrahiert. Die Brennertemperaturen
wurden an zwei Stellen gemessen. Die erste bei 0,5 Zoll (= 12,75
mm) von der Brenneroberflächenmitte
unter Verwendung des tragbaren Gasanalysators der Serie TESTO 350.
Die zweite Temperatur wurde in der Mitte der Brenneroberfläche gemessen
unter Verwendung eines Infrarot-Thermometers der Serie MINOLTA-CYCLOPS
339.
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Die
Strahlungsabgabe und de Strahlungswirkungsgrad wurden aus den Versuchsdaten
unter Verwendung des folgenden theoretischen Modells abgeleitet:
wobei
- – q12 die Nettostrahlungsenergie ist, die zwischen
der Brenneroberfläche
und der Schwarzkörperplattenoberfläche ausgetauscht
wird;
- – ε1 das
Strahlungsvermögen
der Brenneroberfläche
ist und konstant zu 0,68 angenommen wird;
- – ε2 das
Strahlungsvermögen
des Schwarzkörpers
ist und gleich 0,90 ist;
- – σ die Stephan-Boltzman-Konstante
ist und gleich 5,67 × 10–8 W/m2K4 ist;
- – T1 und T2 die Temperaturen
der Oberfläche
der Membran bzw. des schwarzen Körpers
sind;
- – F12 der Formfaktor ist und definiert ist durch
die folgende Gleichung: wobei W1 =
L1/L und W2 = L2/L sind, und
- – L1 und L2 die Längen der
Oberflächen
sind und L der Abstand zwischen diesen ist.
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Der
Strahlungsbrennerwirkungsgrad wurde berechnet auf der Grundlage
der zwischen der Membranoberfläche
und der Oberfläche
des schwarzen Körpers
ausgetauschten Strahlungsenergie und der Wärmeeingangsleistung, unter
der Annahme, daß der
Gesamtbrennerwirkungsgrad etwa gleich 0,8 ist.
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Der
Strahlungswirkungsgrad ist definiert als: η = q12/(0,8 × qEingang)wobei qEingang die
Wärmeeingangsleistung
oder die Brennstoff-Brennwert-Eingangsleistung
ist.
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Die
Daten sind in der folgenden Tabelle zusammengefaßt. Tabelle:
| | Referenz:
flacher Brenner | Erfindung:
welliger Brenner |
| Membranoberfläche (m2) | 0,0225 | 0,0260 |
| Wärmeingangsleistung
(W) | 5.740 | 8.499 | 6.740 | 8.499 |
| Temperatur
bei 12,75 mm von der Brenneroberfläche (°C) | 871 | 921 | 902 | 942 |
| Brenneroberflächentemperatur (°C) | 960 | 985 | 1060 | 1147 |
| Endtemperatur
des schwarzen Körpers
(°C) | 275 | 290 | 298 | 342 |
| Zeit
bis zum Erreichen der max. Endtemperatur (min) | 21 | 19 | 19 | 19 |
| Strahlungsausgangsleistung
(W) | 1.675 | 1.983 | 2.544 | 3.167 |
| Strahlungswirkungsgrad | 31,06 | 29,16 | 47,17 | 46,57 |
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Die
wellige Konfiguration der Brennermembran gemäß der Erfindung bietet mehr
Membranoberfläche. Zusätzlich zur
Erhöhung
der Oberfläche
steigert die Welligkeit die Reflexion von Strahlung von der Membranoberfläche auf
sich selbst, was die Membranoberflächentemperatur erhöht, wodurch
mehr Energie vom Brenner abgestrahlt wird. Diese zwei synergetischen
Effekte führen
zu einer größeren Energieabgabe
und zu einem höheren
Brennerwirkungsgrad. Eine Erhöhung
von 30% oder mehr bezüglich
der Energieabgabe und des Wirkungsgrades wurde mit einer Erhöhung der
Oberfläche
von nur 15% erreicht.
