EP0536706A2 - Verfahren zum Herstellen eines Flammenhalters für einen Strahlungsbrenner und nach diesem Verfahren hergestellter Flammenhalter - Google Patents

Verfahren zum Herstellen eines Flammenhalters für einen Strahlungsbrenner und nach diesem Verfahren hergestellter Flammenhalter Download PDF

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EP0536706A2
EP0536706A2 EP92117066A EP92117066A EP0536706A2 EP 0536706 A2 EP0536706 A2 EP 0536706A2 EP 92117066 A EP92117066 A EP 92117066A EP 92117066 A EP92117066 A EP 92117066A EP 0536706 A2 EP0536706 A2 EP 0536706A2
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EP
European Patent Office
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flame holder
holder according
laser
shaped body
boreholes
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EP92117066A
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Siegfried W. Schilling
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Luedi Roger
Original Assignee
Luedi Roger
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Publication date
Application filed by Luedi Roger filed Critical Luedi Roger
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    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23D—BURNERS
    • F23D14/00—Burners for combustion of a gas, e.g. of a gas stored under pressure as a liquid
    • F23D14/46—Details, e.g. noise reduction means
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23D—BURNERS
    • F23D14/00—Burners for combustion of a gas, e.g. of a gas stored under pressure as a liquid
    • F23D14/12—Radiant burners
    • F23D14/14—Radiant burners using screens or perforated plates
    • F23D14/145—Radiant burners using screens or perforated plates combustion being stabilised at a screen or a perforated plate
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23D—BURNERS
    • F23D2203/00—Gaseous fuel burners
    • F23D2203/10—Flame diffusing means
    • F23D2203/102—Flame diffusing means using perforated plates
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23D—BURNERS
    • F23D2203/00—Gaseous fuel burners
    • F23D2203/10—Flame diffusing means
    • F23D2203/106—Assemblies of different layers

Definitions

  • the invention relates to a method for producing a flame holder for a radiation burner and to a flame holder produced by this method according to the preamble of claim 3.
  • the mixture of fuel and oxidizing agent passes through passage channels of the flame holder.
  • the combustion takes place in the wall structure of the flame holder in a relatively thin wall layer on the downstream surface of the flame holder.
  • the material of the flame holder takes on a temperature of around 600 to 1200 ° C depending on the power density. Accordingly, a considerable amount of heat is emitted by radiation to the environment, ie in particular to the combustion chamber walls.
  • the NO x emission is therefore a factor of 2 to 4 lower than that of free flame burners. Further advantages of the radiation burner compared to burners with a free flame are that no large-volume combustion chambers are required and that pulsations, which are difficult to control, especially in oil burners, do not occur.
  • Radiation burners with a generic flame holder are e.g. known from DE-OS 19 55 163 and US-PS 4,519,770.
  • the flame holder consists of a body made of ceramic fibers.
  • the felt of these ceramic fibers has sufficient porosity so that passage channels for the fuel-air mixture remain free.
  • the flame holders made of ceramic fibers can only be used to a limited extent in the temperature range.
  • the mechanical strength of the body made of ceramic fibers is not sufficient, so that in addition a supporting structure, e.g. in the form of a perforated plate is required.
  • the body of the radiation burner from metal fibers.
  • the metal fibers have a high thermal conductivity
  • the metal fibers must be stacked on one another in planes parallel to the surface of the flame holder in order to allow heat to spread in the surface of the flame holder, but to keep undesired heat propagation from the hot outlet surface to the upstream side of the flame holder as low as possible.
  • these flame holders can only be used in a limited temperature range and their mechanical strength is not sufficient for use without an additional support structure.
  • a sufficient mechanical inherent strength is finally achieved with flame holders that have a body made of porous sintered metal.
  • the sintering of the flame holder body results in insufficient dimensional accuracy, so that mechanical finishing is necessary.
  • the temperature range for the use of sintered metal flame holders is also limited.
  • the invention has for its object to provide a flame holder for radiant burners, which is not only suitable for gaseous fuels, but also in the same way for liquid fuels, which can be easily adapted to the particular burner configuration and has exactly reproducible burning properties.
  • the body with the passage channels is constructed from a ceramic powder using the plasma spraying technique.
  • the plasma spraying process provides moldings with high dimensional accuracy, so that post-processing is not necessary.
  • the plasma spraying process also gives great freedom in the design of the shaped body, so that it can be optimally adapted to the particular application and structural design of the radiation burner.
  • the shaped body can in particular be designed as a plate which can be used as a burner end wall.
  • the shaped body is preferably designed as a tube, the cross-sectional shape and size being freely selectable.
  • the molded body produced in the plasma spraying process has a high mechanical strength, so that it can be cantilevered mounted as a flame holder and an additional support structure is not required.
  • the plasma-ceramic molded body has a structure that ensures high dimensional stability under thermal alternating loads. The dimensional stability is therefore even at high point heat loads and the associated star ken temperature gradient is not affected.
  • the passage channels for the fuel-air mixture can therefore be drilled using a laser beam. Drilling with a laser beam allows the production of straight laser drill holes in precisely definable and reproducible size, shape, number and arrangement.
  • the straight through laser drill holes ensure an even and complete penetration of the fuel-air mixture.
  • the flame holder is therefore also and in particular suitable for liquid fuels, since the passage channels formed by the laser boreholes do not have any lateral branches and ramifications which can fill with liquid fuel as blind spaces. With the flame holder according to the invention, it has been possible for the first time to build a functional radiation burner for liquid fuels.
  • the generation of the passage channels by means of a laser beam has the further advantage that the diameter and the cross-sectional shape of the laser boreholes can be determined reproducibly, so that the optimal fuel passage can be achieved in coordination with the fuel composition and the desired burner output.
  • the areal density of the laser boreholes can also be freely selected and reproducibly maintained in order to obtain the desired power density.
  • the plasma-ceramic structure of the molded body also enables a higher limit temperature and thus a higher power density due to the high dimensional stability and the high thermal load capacity.
  • the arrangement of the laser boreholes can be freely chosen both in terms of their position and in terms of the areal density of the hole distribution. This enables a different distribution of the power density over the surface of the flame holder.
  • the power density can be optimally adapted to the structural design of the flame holder and the installation conditions in the burner.
  • the high mechanical strength and the low thermal conductivity of the plasma-ceramic material enable the shaped body to have a small wall thickness, which in turn has an advantageous effect on the production costs.
  • the plasma-ceramic molded body can consist of the same ceramic material.
  • the plasma spraying process also gives the possibility of varying the material composition of the plasma-ceramic molded body over its thickness.
  • the composition of the ceramic powder supplied in the plasma spraying process can be changed continuously, so that there is a continuously changing graduated composition of the shaped body. It can also be switched from a ceramic powder to a ceramic powder of a different type during the plasma spraying process, so that a two-layer, sandwich-like molded body results.
  • Such a changing composition of the ceramic material of the shaped body allows, for example, the outlet-side outer layer of the shaped body which has the highest temperature to be made of a ceramic material with a high melting temperature, e.g. To produce aluminum oxide, while the upstream layers of the molded body, which are not exposed to such high thermal loads, made of a ceramic material with a lower melting point, such as e.g. Aluminum titanate.
  • the thin wall thickness of the plasma-ceramic molded body is generally sufficient to maintain a sufficient temperature gradient between the hot outlet side of the molded body and the inlet side with a lower temperature.
  • a thermal insulation layer made of a porous material is attached to the inlet side of the plasma-ceramic molded body, which prevents flame flashback through the laser boreholes into the inlet-side space.
  • This porous thermal barrier layer can be made of a conventional material, e.g. made of a ceramic fiber material.
  • the plasma-ceramic molded body with its high mechanical stability can also serve as a support structure for the porous thermal insulation layer.
  • the flame holder for a radiation burner for liquid or gaseous fuels consists of a shaped body 10, in which laser boreholes 12 are drilled by means of a laser beam as passage channels.
  • the molded body 10 is produced by the plasma spraying process.
  • a hydrogen-oxygen plasma is generated in a plasma torch, which reaches a temperature of 15,000 ° C. in its center and leaves the torch housing at high speed as a jet.
  • a ceramic powder is injected into the plasma jet emerging from the burner housing.
  • the hot plasma jet melts this ceramic powder on the surface and hurls it at high speed layer by layer onto a metallic spray core.
  • the powder particles deform on impact, form a solid bond with each other and cool down quickly.
  • the finished plasma-ceramic molded body can be easily separated from the metallic injection core.
  • the plasma-ceramic molded body has high mechanical strength and dimensional stability and can be used as a dimensionally accurate, ready-to-install part without any finishing work.
  • the metallic spray core is retained and can be used again and again.
  • the plasma-ceramic molded body can thus be inexpensively manufactured in large numbers with reproducible high dimensional accuracy and dimensional accuracy.
  • moldings 10 can be produced in multiple shapes.
  • a shaped body 10 is shown in the form of a flat plate, as it e.g. can be used as the end wall of a burner.
  • FIGS. 4 and 5 show a tubular shaped body 10 which can be used as the jacket of a burner.
  • the laser boreholes 12 are drilled in the molded body 10 by means of a laser beam.
  • the extremely high thermal shock resistance of the plasma-ceramic material enables the high point thermal stress during laser beam drilling without this leading to damage or deformation of the molded body 10.
  • the laser boreholes 12 are designed with a circular cross section. It is also possible to make the laser drill holes with a different cross-sectional shape, for example slit-shaped, elliptical or polygonal. In addition to the advantage of simple manufacture, the circular cross section also has the most favorable flow properties.
  • the laser boreholes 12 run perpendicular to the surface of the shaped body 10. This is advantageous if the fuel flows to the shaped body 10 in gaseous form or as an aerosol in a uniform flow distribution. In the exemplary embodiment of FIGS. 1 and 2, this is the case when the volume flow of the fuel-air mixture occurs in the same distribution, perpendicular to the entire surface of the plate-shaped molded body 10. In the exemplary embodiment in FIGS. 4 and 5, this is the case when this volume flow strikes the tubular shaped body 10 radially and uniformly over the entire circumference.
  • the laser boreholes 12 do not run perpendicular to the surface of the shaped body 10, but are inclined at an angle to the normal to the surface. As a result, even with such an asymmetrical flow of the gaseous or aerosol fuel, the laser boreholes 12 can be substantially aligned with the direction of flow of the fuel-air mixture.
  • the laser boreholes 12 are formed continuously with a constant cross section.
  • a change in the cross-section e.g. a conical configuration of the laser boreholes 12 is advantageous.
  • the plasma-ceramic molded body 10 consists homogeneously of the same ceramic material, preferably aluminum oxide.
  • the molded body 10 is constructed in two layers from an outer layer S1 and an inner layer S2.
  • the outer layer S1 consists, for example, of aluminum oxide with a high melting temperature of 2050 ° C.
  • the inner layer S2 consists of aluminum titanate with the lower melting temperature of 1860 ° C.
  • the ceramic powder of the inner layer for example aluminum titanate
  • the ceramic powder for the outer layer for example aluminum oxide
  • the flame holder has the following typical data for use in an oil jet burner.
  • the laser boreholes 12 have a diameter D of 0.1 to 0.7 mm.
  • the best burner properties are obtained with a diameter D of 0.2 to 0.3 mm.
  • the length L of the laser drill holes 12, which corresponds to the material thickness of the molded body 10, is in the range from 1.0 to 4.0 mm.
  • the best burner values are obtained with a length L of 1.5 to 2.5 mm.
  • the ratio of the length L to the diameter D of the laser boreholes 12 is present partly in the range from 8 to 12.
  • the laser boreholes 12 are generally arranged in a uniform distribution with the same mutual distance, unless a different flow through the shaped body 10 in different areas of the flame holder is advantageous to adapt to the burner geometry. In such cases, a lower density of the laser boreholes 10, i.e. a larger mutual distance may be provided. It is also possible to reduce the diameter of the laser boreholes 12 in certain areas of the molded body 10 in order to reduce the flow through them in these areas of the molded body 10.
  • FIG 1 an embodiment of the molded body 10 is shown, in which the laser drill holes 12 are arranged in a regular grid with the same mutual distance.
  • the division of this grid, ie the hole center distance of the laser drill holes 12, is denoted by T.
  • the free passage area of the laser boreholes 12 is denoted by F f
  • F t the total area of the shaped body 10 assigned to the respective laser borehole 12
  • the dependency shown in FIG. 3 results from the ratio of the pitch T to the diameter D of the laser boreholes 10.
  • the area ratio F f / F t is between approximately 0.25 and 0.07, ie the free passage area F f of the laser boreholes 12 is between 7 and 25% of the total area of the molded body 10.
  • the ratio of division to diameter T / D can also vary within this advantageous range, in particular in the case of a tubular shaped body 10, as shown in FIGS. 4 and 5, the ratio T / D can change over the axial length of the flame holder in order to to obtain a different power density in individual axial areas.
  • the value of 3.5 shown in FIG. 3 as the upper range limit of the ratio T / D is obtained, for example, in the case of laser drill holes 12 arranged in a uniform grid with a diameter of 0.3 mm and a hole density of 104 holes per cm 2 .

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Abstract

Ein Flammenhalter für Strahlungsbrenner für flüssige oder gasförmige Brennstoffe besteht aus einem keramischen Formkörper (10), der im Plasmaspritzverfahren aufgebaut ist. In diesen plasmakeramischen Formkörper sind mittels Laserstrahl Durchtrittskanäle (12) für das Brennstoff-Luftgemisch gebohrt. <IMAGE>

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Flammenhalters für einen Strahlungsbrenner gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie einen nach diesem Verfahren hergestellten Flammenhalter gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 3.
  • Bei Flächen-Strahlungsbrennern tritt das Gemisch aus Brennstoff und Oxidationsmittel (vorzugsweise Luft) flächig durch Durchtrittskanäle des Flammenhalters. Die verbrennung läuft in der Wandstruktur des Flammenhalters in einer relativ dünnen Wandschicht an der abstromseitigen Oberfläche des Flammenhalters ab. Das Material des Flammenhalters nimmt dabei je nach Leistungsdichte eine Temperatur von etwa 600 bis 1200 ° C an. Dementsprechend wird eine erhebliche Wärmemenge durch Strahlung an die Umgebung, d.h. insbesondere an die Brennraumwände, abgegeben. Die NOx-Emission liegt dadurch um einen Faktor 2 bis 4 tiefer als bei Brennern mit freier Flamme. Weitere Vorteile der Strahlungsbrenner gegenüber Brennern mit freier Flamme bestehen darin, daß keine großvolumigen Feuerräume benötigt werden und die insbesondere bei Ölbrennern schwer beherrschbaren Pulsationen nicht auftreten.
  • Strahlungsbrenner mit einem gattungsgemäßen Flammenhalter sind z.B. aus DE-OS 19 55 163 und US-PS 4 519 770 bekannt. Bei diesen bekannten Strahlungsbrennern besteht der Flammenhalter aus einem Körper aus Keramikfasern. Der Filz dieser Keramikfasern weist eine ausreichende Porosität auf, so daß Durchtrittskanäle für das Brennstoff-Luftgemisch frei bleiben. Die Flammenhalter aus Keramikfasern sind im Temperaturbereich nur begrenzt einsetzbar. Die mechanische Festigkeit des Körpers aus Keramikfasern ist nicht ausreichend, so daß zusätzlich eine abstützende Struktur, z.B. in Form eines Lochbleches benötigt wird.
  • Weiter ist es bekannt, den Körper des Strahlungsbrenners aus Metallfasern aufzubauen. Da die Metallfasern jedoch eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweisen, müssen die Metallfasern in zur Oberfläche des Flammenhalters parallelen Ebenen aufeinandergeschichtet werden, um eine Wärmeausbreitung in der Oberfläche des Flammenhalters zu ermöglichen, jedoch die unerwünschte Wärmeausbreitung von der heißen Austrittsoberfläche zur Anströmseite des Flammenhalters möglichst gering zu halten. Dies macht die Herstellung des Flammenhalters aufwendig. Darüberhinaus sind auch diese Flammenhalter nur in begrenztem Temperaturbereich einsetzbar und ihre mechanische Festigkeit reicht nicht für eine Verwendung ohne eine zusätzliche Stützstruktur aus.
  • Eine ausreichende mechanische Eigenfestigkeit wird schließlich bei Flammenhaltern erreicht, die einen Körper aus porösem Sintermetall aufweisen. Das Sintern des Flammenhalter-Körpers ergibt nur eine unzureichende Maßhaltigkeit, so daß eine mechanische Nachbearbeitung notwendig ist. Auch der Temperaturbereich für den Einsatz der Flammenhalter aus Sintermetall ist begrenzt.
  • Schließlich eignen sich alle diese bekannten Flammenhalter praktisch nur für die Verwendung von gasförmigen Brennstoffen. Bei der Verwendung von flüssigen Brennstoffen treten Schwierigkeiten auf. Es wird angenommen, daß diese Schwierigkeiten dadurch verursacht werden, daß die Durchtrittskanäle der aus Keramikfasern oder Metallfasern hergestellten Körper oder die Durchtrittsporen der gesinterten Körper aufgrund ihrer unregelmäßigen Form und Struktur zahlreiche Toträume aufweisen, die sich in unkontrollierbarer Weise mit dem flüssigen Brennstoff füllen, so daß keine ausreichende Verdampfung des flüssigen Brennstoffes und ein Zusetzen der Durchtrittskanäle die Folge ist.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Flammenhalter für Strahlungsbrenner zu schaffen, der sich nicht nur für gasförmige Brennstoffe, sondern in gleicher Weise auch für flüssige Brennstoffe eignet, der einfach der jeweiligen Brennerkonfiguration angepaßt hergestellt werden kann und genau reproduzierbare Brenneigenschaften aufweist.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das Herstellungsverfahren nach Anspruch 1 sowie den Flammenhalter nach Anspruch 3 gelöst.
  • Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
  • Bei dem erfindungsgemäßen Flammenhalter wird der Körper mit den Durchtrittskanälen in Plasmaspritztechnik aus einem Keramikpulver aufgebaut. Das Plasmaspritzverfahren liefert Formkörper hoher Maßgenauigkeit, so daß eine Nachbearbeitung nicht notwendig ist. Das Plasmaspritzverfahren gibt darüber hinaus eine große Freiheit in der Gestaltung des Formkörpers, so daß dieser der jeweiligen Anwendung und konstruktiven Gestaltung des Strahlungsbrenners optimal angepaßt werden kann. Der Formkörper kann insbesondere als Platte ausgebildet sein, die als Brennerabschlußwand verwendbar ist. Vorzugsweise ist der Formkörper als Rohr ausgebildet, wobei Querschnittsform und - größe frei wählbar sind.
  • Der im Plasmaspritzverfahren hergestellte Formkörper weist eine hohe mechanische Festigkeit auf, so daß er freitragend als Flammenhalter montiert werden kann und eine zusätzliche Stützstruktur nicht erforderlich ist.
  • Aufgrund des Herstellungsverfahrens weist der plasmakeramische Formkörper eine Struktur auf, die eine hohe Formbeständigkeit bei thermischen Wechselbelastungen gewährleistet. Die Formbeständigkeit wird daher auch bei hoher punktueller Wärmebelastung und den damit verbundenen starken Temperaturgradienten nicht beeinträchtigt. Die Durchtrittskanäle für das Brennstoff-Luftgemisch können daher mittels Laserstrahl gebohrt werden. Das Bohren mittels Laserstrahl erlaubt die Herstellung von geradlinigen Laserbohrlöchern in genau definierbarer und genau reproduzierbarer Größe, Form, Anzahl und Anordnung.
  • Die geradlinig durchgehenden Laserbohrlöcher gewährleisten ein gleichmäßiges und vollständiges Durchdringen des Brennstoff-Luftgemisches. Der Flammenhalter eignet sich dadurch auch und insbesondere für flüssige Brennstoffe, da die durch die Laserbohrlöcher gebildeten Durchtrittskanäle keine seitlichen Verzweigungen und Verästelungen aufweisen, die sich als Blindräume mit flüssigem Brennstoff füllen können. Es ist mit dem erfindungsgemäßen Flammenhalter dadurch erstmalig gelungen, einen funktionsfähigen Strahlungsbrenner für flüssige Brennstoffe zu bauen.
  • Die Erzeugung der Durchtrittskanäle mittels Laserstrahl hat weiter den Vorteil, daß der Durchmesser und die Querschnittsform der Laserbohrlöcher reproduzierbar bestimmt werden können, so daß der optimale Brennstoffdurchtritt in Abstimmung mit der Brennstoffzusammensetzung und der gewünschten Brennerleistung erreicht werden kann. Die Flächendichte der Laserbohrlöcher kann ebenfalls frei gewählt und reproduzierbar eingehalten werden, um die gewünschte Leistungsdichte zu erhalten. Der plasmakeramische Aufbau des Formkörpers ermöglicht wegen der hohen Formbeständigkeit und der hohen thermischen Belastbarkeit außerdem auch eine höhere Grenztemperatur und damit eine höhere Leistungsdichte.
  • Weiter kann die Anordnung der Laserbohrlöcher sowohl bezüglich ihrer Lage als auch bezüglich der Flächendichte der Lochverteilung frei gewählt werden. Dadurch ist eine unterschiedliche Verteilung der Leistungsdichte über die Oberfläche des Flammenhalters möglich. Die Leistungsdichte kann der konstruktiven Gestaltung des Flammenhalters und den Einbaubedingungen in dem Brenner optimal angepaßt werden.
  • Die hohe mechanische Festigkeit und die geringe Wärmeleitfähigkeit des plasmakeramischen Materials ermöglichen eine geringe Wandstärke des Formkörpers, was sich wiederum auf die Herstellungskosten vorteilhaft auswirkt.
  • Der plasmakeramische Formkörper kann homogen aus demselben Keramikmaterial bestehen. Das Plasmaspritzverfahren gibt jedoch zusätzlich auch die Möglichkeit, die Materialzusammensetzung des plasmakeramischen Formkörpers über dessen Dicke zu variieren. Dazu kann die Zusammensetzung des beim Plasmaspritzverfahren zugeführten Keramikpulvers kontinuierlich geändert werden, so daß sich eine kontinuierlich ändernde graduierte Zusammensetzung des Formkörpers ergibt. Es kann auch während des Plasmaspritzverfahrens sprunghaft von einem Keramikpulver auf ein Keramikpulver anderer Art umgeschaltet werden, so daß sich ein zweischichtiger, sandwich-artiger Formkörper ergibt. Eine solche sich ändernde Zusammensetzung des Keramikmaterials des Formkörpers erlaubt es beispielsweise, die austrittsseitige äußere Schicht des Formkörpers, die die höchste Temperatur aufweist, aus einem Keramikmaterial mit hoher Schmelztemperatur wie z.B. Aluminiumoxid herzustellen, während die anströmseitigen Schichten des Formkörpers, die keinen so hohen thermischen Belastungen ausgesetzt sind, aus einem Keramikmaterial niedrigeren Schmelzpunktes, wie z.B. Aluminiumtitanat, hergestellt werden.
  • Wird der Flammenhalter für flüssige Brennstoffe verwendet, so reicht in aller Regel die dünne Wandstärke des plasmakeramischen Formkörpers, um einen ausreichenden Temperaturgradienten zwischen der heißen Austrittsseite des Formkörpers und der Eintrittsseite mit niedrigerer Temperatur aufrecht zu erhalten. Für die Verwendung von gasförmigen Brennstoffen wird aus Sicherheitsgründen an der Eintrittsseite des plasmakeramischen Formkörpers noch eine Wärmedämmschicht aus einem porösen Material angebracht, die einen Flammenrückschlag durch die Laserbohrlöcher in den eintrittsseitigen Raum verhindert. Diese poröse Wärmedämmschicht kann aus einem herkömmlichen Material bestehen, z.B. aus einem Keramikfaser-Material. Der plasmakeramische Formkörper mit seiner hohen mechanischen Stabilität kann dabei gleichzeitig als Stützstruktur für die poröse Wärmedämmschicht dienen.
  • Im folgenden wird die Erfindung anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen
    • Figur 1 im Ausschnitt eine Draufsicht auf die Oberfläche des Flammenhalters für einen Strahlungsbrenner,
    • Figur 2 einen Schnitt längs der Linie 11-11 in Figur 1,
    • Figur 3 das Flächenverhältnis von freier Fläche zur Gesamtfläche des Formkörpers in Abhängigkeit von dem Verhältnis von Teilung zu Durchmesser der Laserbohrlöcher,
    • Figur 4 einen Teilquerschnitt durch einen rohrförmigen homogenen Formkörper und
    • Figur 5 einen entsprechenden Teilquerschnitt durch einen rohrförmigen zweischichtigen Formkörper.
  • Der Flammenhalter für einen Strahlungsbrenner für flüssige oder gasförmige Brennstoffe besteht aus einem Formkörper 10, in welchen mittels Laserstrahl als Durchtrittskanäle Laserbohrlöcher 12 gebohrt sind.
  • Der Formkörper 10 wird im Plasmaspritzverfahren hergestellt. Hierzu wird in einem Plasmabrenner ein Wasserstoff-Sauerstoff-Plasma erzeugt, das in seinem Zentrum eine Temperatur von 15000 ° C erreicht und mit hoher Geschwindigkeit als Strahl das Brennergehäuse verläßt. In den aus dem Brennergehäuse austretenden Plasmastrahl wird ein Keramikpulver eingedüst. Der heiße Plasmastrahl schmilzt dieses Keramikpulver oberflächlich an und schleudert es mit hoher Geschwindigkeit Lage für Lage auf einen metallischen Spritzkern. Die Pulverpartikel verformen sich beim Aufprall, bilden untereinander einen festen Verbund und kühlen schnell ab. Der fertige plasmakeramische Formkörper läßt sich einfach von dem metallischen Spritzkern trennen. Der plasmakeramische Formkörper weist eine hohe mechanische Festigkeit und Formstabilität auf und kann ohne jede Nachbearbeitung als maßgenaues einbaufertiges Teil verwendet werden. Der metallische Spritzkern bleibt erhalten und kann immer wieder verwendet werden. Der plasmakeramische Formkörper läßt sich somit preisgünstig in großen Stückzahlen mit reproduzierbarer hoher Formgenauigkeit und Maßhaltigkeit herstellen.
  • Je nach der Gestalt des metallischen Spritzkernes lassen sich Formkörper 10 in vielfacher Gestalt herstellen. In den Figuren 1 und 2 ist beispielsweise ein Formkörper 10 in Form einer ebenen Platte dargestellt, wie er z.B. als Abschlußwand eines Brenners verwendet werden kann. In den Figuren 4 und 5 ist ein rohrförmiger Formkörper 10 dargestellt, der als Mantel eines Brenners verwendet werden kann.
  • Nach Fertigstellung des Formkörpers 10 im Plasmaspritzverfahren werden in den Formkörper 10 die Laserbohrlöcher 12 mittels Laserstrahl gebohrt. Die außerordentlich hohe Temperaturwechselbeständigkeit des plasmakeramischen Materials ermöglicht dabei die hohe punktuelle thermische Belastung beim Laserstrahlbohren, ohne daß dies zu einer Beschädigung oder Verformung des Formkörpers 10 führt.
  • In den dargestellten Ausführungsbeispielen der Figuren 1, 2, 4 und 5 sind die Laserbohrlöcher 12 mit kreisrundem Querschnitt ausgeführt. Es ist ebenso möglich, die Laserbohrlöcher mit anderer Querschnittsform auszuführen, beispielsweise schlitzförmig, elliptisch oder vieleckig. Der kreisrunde Querschnitt hat neben dem Vorteil der einfachen Herstellung auch die günstigsten Durchströmungseigenschaften.
  • In dem Ausführungsbeispiel der Figuren 1, 2, 4 und 5 verlaufen die Laserbohrlöcher 12 senkrecht zur Oberfläche des Formkörpers 10. Dies ist vorteilhaft, wenn der Brennstoff gasförmig oder als Aerosol in gleichmäßiger Strömungsverteilung den Formkörper 10 anströmt. Im Ausführungsbeispiel der Figuren 1 und 2 ist dies der Fall, wenn der Volumenstrom des Brennstoff-Luftgemischs in gleicher Verteilung senkrecht auf die gesamte Fläche des plattenförmigen Formkörpers 10 auftritt. Im Ausführungsbeispiel der Figuren 4 und 5 ist dies der Fall, wenn dieser Volumenstrom in gleichmäßiger Verteilung über den ganzen Umfang des rohrförmigen Formkörpers 10 radial auf diesen auftrifft.
  • Trifft der Volumenstrom des Brennstoff-Luftgemischs in asymmetrischer Verteilung auf den Formkörper 10, so kann es zweckmäßig sein, wenn die Laserbohrlöcher 12 nicht senkrecht zur Oberfläche des Formkörpers 10 verlaufen, sondern unter einem Winkel gegen die Normale zur Oberfläche geneigt sind. Dadurch kann auch bei einem solchen asymmetrischen Anströmen des gasförmigen oder aerosolförmigen Brennstoffes erreicht werden, daß die Laserbohrlöcher 12 im wesentlichen mit der Strömungsrichtung des Brennstoff-Luftgemischs fluchten.
  • Schließlich sind in den Ausführungsbeispielen der Figuren 1, 2, 4 und 5 die Laserbohrlöcher 12 durchgehend mit konstantem Querschnitt ausgebildet. Es kann auch Anwendungsfälle geben, bei welchen eine Änderung des Querschnitts, z.B. eine konische Ausbildung der Laserbohrlöcher 12, vorteilhaft ist.
  • Im Ausführungsbeispiel der Figuren 1, 2 und 4 besteht der plasmakeramische Formkörper 10 homogen aus demselben Keramikmaterial, vorzugsweise Aluminiumoxid. Im Ausführungsbeispiel der Figur 5 ist dagegen der Formkörper 10 zweischichtig aus einer äußeren Schicht S1 und einer inneren Schicht S2 aufgebaut. Die äußere Schicht S1 besteht beispielsweise aus Aluminiumoxid mit einer hohen Schmelztemperatur von 2050 ° C, während die innere Schicht S2 aus Aluminiumtitanat mit der niedrigeren Schmelztemperatur von 1860 ° C besteht. Ein solcher zweischichtiger Formkörper 10 gemäß Figur 5 wird im Plasmaspritzverfahren dadurch hergestellt, daß zunächst auf den Spritzkern das Keramikpulver der inneren Schicht (z.B. Aluminiumtitanat) aufgespritzt wird, bis die Schichtdicke L2 erreicht ist, worauf anschließend das Keramikpulver der Außenschicht (z.B. Aluminiumoxid) in eine Schichtdicke L1 aufgespritzt wird.
  • Für die Verwendung in einem Ölstrahlungsbrenner weist der Flammenhalter folgende typischen Daten auf.
  • Die Laserbohrlöcher 12 haben einen Durchmesser D von 0,1 bis 0,7 mm. Die günstigsten Brennereigenschaften ergeben sich bei einem Durchmesser D von 0,2 bis 0,3 mm.
  • Die Länge L der Laserbohrlöcher 12, die der Materialstärke des Formkörpers 10 entspricht, liegt im Bereich von 1,0 bis 4,0 mm. Die besten Brennerwerte ergeben sich bei einer Länge L von 1,5 bis 2,5 mm. Das Verhältnis der Länge L zu dem Durchmesser D der Laserbohrlöcher 12 liegt vorteilhafterweise im Bereich von 8 bis 12.
  • Die Laserbohrlöcher 12 sind in der Regel in gleichmäßiger Verteilung mit gleichem gegenseitigen Abstand angeordnet, sofern nicht zur Anpassung an die Brennergeometrie eine unterschiedliche Durchströmbarkeit des Formkörpers 10 in verschiedenen Bereichen des Flammenhalters vorteilhaft ist. In solchen Fällen kann in einzelnen Bereichen des Formkörpers 10 eine geringere Dichte der Laserbohrlöcher 10, d.h. ein größerer gegenseitiger Abstand, vorgesehen sein. Ebenso ist es auch möglich, den Durchmesser der Laserbohrlöcher 12 in bestimmten Bereichen des Formkörpers 10 zu verringern, um die Durchströmbarkeit in diesen Bereichen des Formkörpers 10 zu verkleinern.
  • In Figur 1 ist eine Ausbildung des Formkörpers 10 dargestellt, bei welcher die Laserbohrlöcher 12 in einem regelmäßigen Raster mit jeweils gleichem gegenseitigen Abstand angeordnet sind. Die Teilung dieses Rasters, d.h. der Lochmittenabstand der Laserbohrlöcher 12, ist mit T bezeichnet. Die freie Durchtrittsfläche der Laserbohrlöcher 12 ist mit Ff bezeichnet, während die dem jeweiligen Laserbohrloch 12 zugeordnete Gesamtfläche des Formkörpers 10 mit Ft bezeichnet ist.
  • Für das Flächenverhältnis der freien Durchtrittsfläche Ff zu der Gesamtfläche Ft ergibt sich die in Figur 3 gezeigte Abhängigkeit von dem Verhältnis der Teilung T zu dem Durchmesser D der Laserbohrlöcher 10. Als günstig hat sich dabei der in Figur 3 durch einen Doppelpfeil eingezeichnete Bereich des Verhältnisses Teilung zu Durchmesser von etwa 2 bis 3,5 erwiesen. In diesem Bereich des Verhältnisses T/D liegt das Flächenverhältnis Ff/Ft zwischen etwa 0,25 und 0,07, d.h. die freie Durchtrittsfläche Ff der Laserbohrlöcher 12 beträgt zwischen 7 und 25 % der Gesamtfläche des Formkörpers 10. Das Verhältnis Teilung zu Durchmesser T/D kann innerhalb dieses vorteilhaften Bereichs auch veränderlich sein, insbesondere kann sich bei einem rohrförmigen Formkörper 10, wie er in den Figuren 4 und 5 dargestellt ist, das Verhältnis T/D über die axiale Länge des Flammenhalters ändern, um in den einzelnen axialen Bereichen eine unterschiedliche Leistungsdichte zu erhalten.
  • Der in Figur 3 als obere Bereichsgrenze des Verhältnisses T/D eingezeichnete Wert von 3,5 ergibt sich beispielsweise bei in einem gleichmäßigen Raster angeordneten Laserbohrlöchern 12 mit einem Durchmesser von 0,3 mm bei einer Lochdichte von 104 Löchern pro cm2.

Claims (22)

1. Verfahren zum Herstellen eines Flammenhalters für einen Strahlungsbrenner, der aus einem Körper aus keramischen Material mit Durchtrittskanälen für das Brennstoff-Luftgemisch besteht, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper durch Plasmaspritzen aus einem Keramikpulver aufgebaut wird und daß die Durchtrittskanäle mittels Laserstrahl gebohrt werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zusammensetzung des Keramikpulvers beim Aufbau des Körpers kontinuierlich oder sprunghaft geändert wird.
3. Flammenhalter für Strahlungsbrenner für flüssige oder gasförmige Brennstoffe, mit einem Körper aus keramischem Material, der Durchtrittskanäle für das Brennstoff-Luftgemisch aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper ein plasmakeramischer Formkörper (10) ist und daß die Durchtrittskanäle Laserbohrlöcher (12) sind.
4. Flammenhalter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Formkörper (10) eine homogene Zusammensetzung des Keramikmaterials aufweist.
5. Flammenhalter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Formkörper (10) eine in Richtung der Laserbohrlöcher (12) sich ändernde Zusammensetzung des Keramikmaterials aufweist.
6. Flammenhalter nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Zusammensetzung des Keramikmaterials sprunghaft ändert.
7. Flammenhalter nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Zusammensetzung des Keramikmaterials kontinuierlich ändert.
8. Flammenhalter nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Laserbohrlöcher (12) einen Durchmesser (D) von 0,1 bis 0,7 mm, vorzugsweise von 0,2 bis 0,3 mm aufweisen.
9. Flammenhalter nach einem der Ansprüche 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Laserbohrlöcher (12) eine Länge L von 1,0 bis 4,0 mm, vorzugsweise von 1,5 bis 2,5 mm aufweisen.
10. Flammenhalter nach den Ansprüche 8 und 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Laserbohrlöcher (12) ein Verhältnis Länge zu Durchmesser (L/D) von 8 bis 12 aufweisen.
11. Flammenhalter nach einem der Ansprüche 3 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Laserbohrlöcher (12) in einem Raster mit konstanter Teilung (Lochmittenabstand T) angeordnet sind.
12. Flammenhalter nach einem der Anprüche 3 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß sich das Verhältnis Teilung zu Durchmesser (T/D) der Laserbohrlöcher (12) über die gesamte Ausdehnung des Formkörpers (10) ändert.
13. Flammenhalter nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis Teilung zu Durchmesser (T/D) der Laserbohrlöcher (12) zwischen 1,5 und 4, vorzugsweise zwischen 2 und 3,5, liegt.
14. Flammenhalter nach einem der Ansprüche 3 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Formkörper (10) ein Rohr ist.
15. Flammenhalter nach einem der Ansprüche 3 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Formkörper (10) eine Platte ist.
16. Flammenhalter nach einem der Ansprüche 3 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Laserbohrlöcher (12) senkrecht zur Oberfläche des Formkörpers (10) verlaufen.
17. Flammenhalter nach einem der Ansprüche 3 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Laserbohrlöcher (12) zumindest teilweise unter einem von der Normalen zur Oberfläche des Formkörpers (10) abweichenden Winkel verlaufen.
18. Flammenhalter nach einem der Ansprüche 3 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Laserbohrlöcher (12) einen auf ihrer gesamten Länge (L) konstanten Durchmesser (D) aufweisen oder daß sich ihr Durchmesser (D) über ihre Länge (L) ändert, insbesondere sich konisch erweitert.
19. Flammenhalter nach einem der Ansprüche 3 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Laserbohrlöcher (12) einen kreisförmigen oder einen von der Kreisform abweichenden Querschnitt aufweisen.
20. Flammenhalter nach einem der Ansprüche 3 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß das Keramikmaterial des Formkörpers (10) Aluminiumoxid (A12 03) und/oder Aluminiumtitanat (AI20a'Ti02) ist.
21. Flammenhalter nach Anspruch 6 oder 7 und Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß der Formkörper (10) auf der Brennstoff-Eintrittsseite vollständig oder überwiegend aus Aluminiumtitanat und auf der Brennstoff-Austrittsseite vollständig oder überwiegend aus Aluminiumoxid besteht.
22. Flammenhalter nach einem der Ansprüche 3 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß insbesondere zur Verwendung für gasförmige Brennstoffe auf der Brennstoff-Eintrittsseite des Formkörpers (10) eine Wärmedämmschicht aus einem porösen Material angeordnet ist.
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