EP2014980A1 - Keramische Brennerplatte - Google Patents
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- F23D2900/00—Special features of, or arrangements for burners using fluid fuels or solid fuels suspended in a carrier gas
- F23D2900/03082—Wick made of specific material, e.g. ceramic
Definitions
- the present invention relates to a ceramic burner plate for infrared radiators, which has as its main component a lithium silicate.
- Ceramic burner plates are used in infrared radiators in which a gas-oxygen mixture is burned on the surface of the ceramic plates for heat generation. This creates infrared radiation, which is used for heat generation.
- infrared heaters over conventional heating systems is, on the one hand, that infrared radiators can dissipate heat almost lossless, since no carrier medium is needed for energy transport, but the heat in the form of infrared radiation is emitted, on the other hand draft phenomena, as they occur in conventional combustion systems, can be avoided ,
- radiators are heated directly by an atmospheric burner and operated with a suitable fuel such as natural gas or LPG.
- a suitable fuel such as natural gas or LPG.
- they are installed on the wall or ceiling and are used primarily for heating high or poorly insulated rooms, their property as an infrared radiation source having an advantageous effect, since primarily the illuminated surfaces are heated and only secondarily, the ambient air is heated.
- the name Hellstrahler is attributed to the visible combustion of a fuel-air mixture on the ceramic burner plate, which thereby anneals.
- the ceramic burner plates can reach temperatures of 950 ° C and more.
- a dark radiator also generate the heat by burning an oxygen-fuel gas mixture, but in contrast to the light radiators in a closed jet pipe.
- the hot gases generated by the combustion heat the surface of the jet pipe, which emits the heat predominantly as radiation.
- a dark radiator consists essentially of a burner plate having a burner, a fan, a radiation tube and a reflector disposed above.
- the fan is arranged in front of the burner, so that air is pressed into the system. As a result, a laminar flame distribution is achieved, which leads to a more uniform heating of the jet pipe.
- the fan is not exposed to the hot exhaust gases in this construction, which significantly reduces the mechanical stress on the fan.
- the radiation yield of modern dark radiators can be up to 65%.
- Burner plates for infrared radiators are generally known in the art. So revealed the DE 21 63 498 a burner plate for infrared radiator with mounted on the radiation side wells and with for supplying the fuel-air mixture from the mixture side of the plate to the emission side extending, mutually parallel combustion channels, of which at least one concentrically arranged in the bottom of the recess and others on the Side of the recess and are distributed to the surfaces located between the wells, which is characterized in that the combustion channels are distributed over the recesses and the material webs therebetween such that the resulting flames so evenly on the side surfaces of the recess on the one hand and the intervening On the other hand material webs act, that the resulting temperature in the wells of the web surface resulting temperature is approximately equal.
- This embodiment of the burner plate represents the standard today used embodiment of the burner plate.
- the DE 94 02 556 U1 discloses a ceramic gas burner plate which is conventionally made of cordierite. It can be produced synthetically from clay, steatite and alumina or alumina as magnesium aluminum silicate become.
- German patent application DE 44 45 426 A1 discloses a radiant burner with a gas-permeable burner plate, which burner plate may be made of fiber materials such as silicon carbide fibers in the gas-permeable regions, whereas the gas-impermeable regions are formed of alumina or cordierite-based ceramics.
- the DE 40 41 061 A1 discloses a burner plate.
- the burner plate disclosed here is particularly suitable for flat burners and is based on an aluminum titanate ceramic.
- an Al 2 TiO 5 ceramic is disclosed as being suitable for the production of corresponding burner plates.
- the DE 91 16 829 discloses a burner plate for radiant burners, which consists predominantly of alumina.
- the aluminum silicates used to produce the burner plates known from the prior art have a relatively low firing temperature of at most 1000 ° C., which is in the range of the operating temperature of the infrared radiators. This leads to a heavy load on the burner plates.
- magnesium silicates such as cordierite have a significantly higher firing temperature of 1300 ° C, but these must either be fired from ground and mixed raw materials at high temperatures or burned masses must be ground, mixed into the burner plate mass and then at low temperature finished burned. In addition to a higher load on the material, this leads to a significantly higher outlay in the production of the burner plates.
- the object of the present invention is to specify a ceramic burner plate which is improved with respect to its material.
- a ceramic burner plate for infrared radiators which is characterized in that the burner plate has a lithium oxide content of between 0.63 wt .-% and 7.6 wt .-%.
- a lithium oxide content in the range between 0.63 wt .-% and 7.6 wt .-% corresponds to a content of lithium silicate in the ceramic composition for the production of the burner plate of 15% assuming a lithium oxide content in the lithium silicate of 4.2% and 100% of a lithium silicate with an assumed lithium oxide content of 7.6 wt .-%.
- lithium silicates such as silicates of the feldspar-type petalite the general formula Li 2 O * Al 2 O 3 * 2, or spodumene 8SiO the general formula Li 2 O * Al 2 O 3 4SiO 2 * can of course.
- lithium minerals such as lepidolite or synthetic lithium carbonates can be used.
- the burner plates according to the invention may contain as further constituents at least one oxide of the group consisting of Al 2 O 3 , SiO 2 , Fe 2 O 3 , TiO 2 , CaO, MgO, K 2 O, Na 2 O, Mn 3 O 4 , Cr 2 O 3 , P 2 O 5 or ZrO 2 .
- the ceramic burner plates according to the invention can have the abovementioned oxides in the amounts stated in Table 1 below.
- Table 1 Al 2 O 3 22.0-35.0% SiO 2 55.0-70.0% Fe 2 O 3 0,00-8,00% TiO 2 0,00-4,00% CaO 0,00-4,00% MgO 0,00-10,0% K 2 O 0,00-2,00% Na 2 O 0,00-2,00% Mn 3 O 4 0,00-8,00% Cr 2 O 3 0,00-2,00% P 2 O 3 0.00-1.00% ZrO 2 0.00-5.00% Li 2 O 1,00-7,60%
- these oxides are added to the material for producing the ceramic burner plate in the form of suitable minerals.
- Bindetones with a high plastic clay mineral content and a high Al 2 O 3 content can be used according to the invention. Bindetones with an Al 2 O 3 content> 30% by weight are preferably used.
- Bindetones having a low alkali content ⁇ 1.5% by weight are advantageously used in accordance with the invention.
- the proportion of free quartz in the advantageously used binding clays is ⁇ 8 wt .-%.
- magnesium silicates can be added to the material for producing the ceramic burner plate.
- a mixture of the aforementioned oxide-containing materials is added to the material for producing the ceramic burner plate.
- the ceramic burner plates according to the invention exhibit a continuous capacity at temperatures> 1100 ° C.
- the ceramic burner plates according to the invention are not brittle like the plates known from the prior art, but soft, which significantly simplifies their processing.
- the burner plates according to the invention exhibit an extremely low thermal expansion, which reduces their mechanical load and, moreover, simplifies the secure bonding of the plates at different temperatures to carrier systems.
- the plates of the invention show a high thermal shock resistance and are extremely durable.
- the mechanical hardness of the ceramic burner plates according to the invention can be controlled via the firing temperature in relatively large areas.
- the ceramic burner plates according to the invention show, for example, at a firing temperature ⁇ 1025 ° C, a standard breaking strength of 16 - 18 kg. An increase in the firing temperature increases the breaking strength.
- a ceramic burner plate according to the invention for example, at a firing temperature of 1100 ° C, a standard breaking strength of up to 22 kg. By increasing the firing temperature, the breaking strength can be further increased to well over 24 kg.
- a ceramic burner plate according to the invention with a density of 1.2 g / cm 3 and a porosity of 54% shows the following composition.
- ceramic plate Al 2 O 3 26,17 SiO 2 65.89 Fe 2 O 3 1.36 TiO 2 1.05 CaO 0.47 MgO 4.00 K 2 O 0.66 Na 2 O 0.29 Mn 3 O 4 0.03 Cr 2 O 3 ⁇ 0.01 P 2 O 5 0.08 ZrO 2 ⁇ 0.01 Li 2 O-dried sample 1.49 AAS Weight change d. Annealing (1025 ° C) -0.03
- the thermal shock resistance TWB (1-3) of the ceramic burner plate according to the invention was 1, wherein the thermal shock resistance is determined by means of a quenching test.
- a TWB value of 1 correlates with a thermal expansion of the ceramic plate of about 0.2 at 950 ° C.
Abstract
Description
- Die vorliegende Erfindung betrifft eine keramische Brennerplatte für Infrarotstrahler, welche als Hauptbestandteil ein Lithiumsilikat aufweist.
- Keramische Brennerplatten werden in Infrarotstrahlern eingesetzt, in welchen zur Wärmeerzeugung ein Gas-Sauerstoff-Gemisch an der Oberfläche der Keramikplatten verbrannt wird. Hierbei entsteht Infrarotstrahlung, welche zur Wärmeerzeugung genutzt wird. Der Vorteil von Infrarotstrahlern gegenüber herkömmlichen Heizungssystemen ist zum einen, dass Infrarotstrahler nahezu verlustfrei Wärme abgeben können, da kein Trägermedium zum Energietransport benötigt wird, sondern die Wärme in Form von Infrarotstrahlung abgegeben wird, zum anderen Zuglufterscheinungen, wie sie bei konventionellen Verbrennungssystemen auftreten, vermieden werden.
- Während früher die als Brennerplatten eingesetzten Keramikplatten relativ einfach aufgebaut waren, zeigen heutige keramische Brennerplatten komplexe Oberflächenstrukturen, durch welche sich die Leistungsausbeute und das Emissionsverhalten deutlich beeinflussen lassen. Heute befinden sich beispielsweise zwischen 3000 und 4000 Löcher mit einem Durchmesser von 1 bis 1,3 mm auf einer Brennerplatte. Die sogenannte Tiefeneffektstruktur der Brennerplatte ähnelt einer gleichmäßig angeordneten Bienenwabe. Hierdurch vergrößert sich die spezifische Oberfläche und damit die Wärmeübertragungsfläche und die Strahlungsausbeute.
- Im Bereich der Infrarotstrahler wird zwischen Hell- und Dunkelstrahlern unterschieden. Hellstrahler werden durch einen atmosphärischen Brenner direkt beheizt und mit einem geeigneten Brennstoff wie Erdgas oder Flüssiggas betrieben. Vielfach werden sie an Wand oder Decke installiert und dienen hauptsächlich zur Erwärmung hoher oder schlecht gedämmter Räume, wobei ihre Eigenschaft als Infrarotstrahlungsquelle sich vorteilhaft auswirkt, da primär die angestrahlten Oberflächen erwärmt werden und nur sekundär die Umgebungsluft aufgeheizt wird. Der Name Hellstrahler ist zurückgeführt auf die sichtbare Verbrennung eines Brennstoff-Luftgemisches auf der keramischen Brennerplatte, welche dabei aufglüht. Die keramischen Brennerplatten können hierbei Temperaturen von 950° C und mehr erreichen.
- Dunkelstrahler erzeugen die Wärme ebenfalls durch Verbrennung eines Sauerstoff-Brenngas-Gemisches, jedoch im Unterschied zu den Hellstrahlern in einem geschlossenen Strahlrohr. Die durch die Verbrennung erzeugten Heißgase erhitzen die Oberfläche des Strahlrohres, welches die Wärme überwiegend als Strahlung abgibt. Ein Dunkelstrahler besteht im wesentlichen aus einem eine Brennerplatte aufweisenden Brenner, einem Ventilator, einem Strahlungsrohr und einem darüber angeordneten Reflektor. In modernen Dunkelstrahlern ist der Ventilator vor dem Brenner angeordnet, so dass Luft in das System eingedrückt wird. Hierdurch wird eine laminare Flammenverteilung erreicht, welche zu einer gleichmäßigeren Erwärmung des Strahlrohres führt. Darüber hinaus ist der Ventilator bei dieser Konstruktionsweise nicht den heißen Abgasen ausgesetzt, was die mechanische Belastung des Ventilators deutlich reduziert.
- Die Strahlungsausbeute bei modernen Dunkelstrahlern kann bis zu 65 % betragen.
- Brennerplatten für Infrarotstrahler sind allgemein aus dem Stand der Technik bekannt. So offenbart die
DE 21 63 498 eine Brennerplatte für Infrarotstrahler mit auf der Abstrahlungsseite angebrachten Vertiefungen und mit zur Zuführung des Brennstoff-Luft-Gemisches von der Gemischseite der Platte nach der Abstrahlungsseite hin verlaufenden, parallel zueinander angeordneten Verbrennungskanälen, von denen mindestens einer konzentrisch im Grunde der Vertiefung angeordnet und weitere über die Seiten der Vertiefung und an die zwischen den Vertiefungen befindlichen Flächen verteilt sind, welcher dadurch gekennzeichnet ist, dass die Verbrennungskanäle über die Vertiefungen und die dazwischen stehenden Materialstege derart verteilt sind, dass die entstehenden Flammen so gleichmäßig auf die Seitenflächen der Vertiefung einerseits und die dazwischen befindlichen Materialstege andererseits einwirken, dass die in den Vertiefungen entstehende Temperatur der an der Stegoberfläche entstehenden Temperatur annähernd gleich ist. Diese Ausgestaltung der Brennerplatte stellt die heute standardmäßig genutzte Ausführungsform der Brennerplatte dar. - Die
DE 94 02 556 U1 offenbart eine keramische Gasbrennerplatte, welche in konventioneller Weise aus Cordierit besteht. Sie kann synthetisch aus Ton bzw. Lehm, Steatit und Aluminiumoxid bzw. Tonerde als Magnesiumaluminiumsilikat hergestellt werden. - Die deutsche Patentanmeldung
DE 44 45 426 A1 offenbart einen Strahlungsbrenner mit einer gasdurchlässigen Brennerplatte, wobei die Brennerplatte in den gasdurchlässigen Bereichen aus Faserwerkstoffen, wie beispielsweise Siliciumcarbidfasern, bestehen kann, wohingegen die gasundurchlässigen Bereiche aus auf Aluminiumoxid oder Cordierit basierenden Keramiken gebildet werden. - Auch die
DE 40 41 061 A1 offenbart eine Brennerplatte. Die hier offenbarte Brennerplatte ist insbesondere für Flachbrenner geeignet und beruht auf einer Aluminium-Titanat-Keramik. Insbesondere wird eine Al2TiO5 - Keramik als geeignet für die Herstellung entsprechender Brennerplatten offenbart. - Die
DE 91 16 829 offenbart eine Brennerplatte für Strahlungsbrenner, welche zum überwiegenden Anteil aus Aluminiumoxid besteht. - Die zur Herstellung der aus dem Stand der Technik bekannten Brennerplatten eingesetzten Aluminiumsilikate besitzen eine relativ niedrige Brenntemperatur von maximal 1000° C, was im Bereich der Arbeitstemperatur der Infrarotstrahler liegt. Dies führt zu einer starken Belastung der Brennerplatten.
- Die aus dem Stand der Technik bekannten Magnesiumsilikate wie Cordierit haben zwar eine deutlich höhere Brenntemperatur von 1300° C, jedoch müssen diese entweder aus gemahlenen und gemischten Rohstoffen bei hohen Temperaturen gebrannt werden oder vorgebrannte Massen müssen vermahlen, in die Brennerplatenmasse eingemischt und anschließend bei niedriger Temperatur fertiggebrannt werden. Dies führt neben einer höheren Belastung des Materials zu deutlich höherem Aufwand bei der Herstellung der Brennerplatten.
- Der vorliegenden Erfindung liegt unter Berücksichtigung des Standes der Technik die Aufgabe zugrunde, eine hinsichtlich ihres Materials verbesserte keramische Brennerplatte anzugeben.
- Gelöst wird diese Aufgabe durch eine keramische Brennerplatte für Infrarotstrahler, welche dadurch gekennzeichnet ist, dass die Brennerplatte einen Lithiumoxid-Gehalt zwischen 0,63 Gew.-% und 7,6 Gew.-% aufweist.
- Ein Lithiumoxid-Gehalt im Bereich zwischen 0,63 Gew.-% und 7,6 Gew.-% entspricht einem Gehalt an Lithium-Silikat in der Keramikmasse zur Herstellung der Brennerplatte von 15 % bei einem angenommenen Lithiumoxid-Gehalt im Lithium-Silikat von 4,2 % bzw. 100 % eines Lithium-Silikats mit einem angenommenen Lithiumoxid-Gehalt von 7,6 Gew.-%.
- Erfindungsgemäß können natürlich vorkommende Lithiumsilikate wie beispielsweise Silikate vom Feldspat-Typ Petalit der allgemeinen Formel Li2O*Al2O3* 8SiO2 oder Spodumen der allgemeinen Formel Li2O*Al2O3*4SiO2. Darüber hinaus können erfindungsgemäß Lithiumminerale wie Lepidolith oder auch synthetische Lithiumcarbonate eingesetzt werden.
- Neben dem oben genannten Gehalt an Lithiumoxid können die erfindungsgemäßen Brennerplatten als weitere Bestandteile wenigstens ein Oxid der Gruppe bestehend aus Al2O3, SiO2, Fe2O3, TiO2, CaO, MgO, K2O, Na2O, Mn3O4, Cr2O3, P2O5 oder ZrO2 aufweisen.
- Die erfindungsgemäßen keramischen Brennerplatten können die genannten Oxide in den in der nachfolgenden Tabelle 1 genannten Mengen aufweisen.
Tabelle 1 Al2O3 22,0-35,0 % SiO2 55,0-70,0 % Fe2O3 0,00-8,00 % TiO2 0,00-4,00 % CaO 0,00-4,00 % MgO 0,00-10,0 % K2O 0,00-2,00 % Na2O 0,00-2,00 % Mn3O4 0,00-8,00 % Cr2O3 0,00-2,00 % P2O3 0,00-1,00 % ZrO2 0,00-5,00 % Li2O 1,00-7,60 % - Vorteilhafter Weise werden diese Oxide dem Material zur Herstellung der keramischen Brennerplatte in Form geeigneter Mineralien zugegeben.
- Hierbei können erfindungsgemäß Bindetone mit einem hohen plastischen Tonmineralgehalt und einem hohen Al2O3-Gehalt verwendet werden. Bevorzugt werden Bindetone mit einem Al2O3-Gehalt > 30 Gew.-% verwendet.
- Vorteilhafter Weise werden erfindungsgemäß Bindetone mit einem geringen Alkaligehalt< 1,5 Gew.-% eingsetzt.
- Der Anteil an freiem Quarz in den vorteilhaft verwendeten Bindetonen beträgt < 8 Gew.-%. Darüber hinaus können erfindungsgemäß Magnesiumsilikate dem Material zur Herstellung der keramischen Brennerplatte zugegeben werden.
- In einer besonders bevorzugten Ausführung der Erfindung wird dem Material zur Herstellung der keramischen Brennerplatte eine Mischung der zuvor genannten oxidhaltigen Materialien zugegeben.
- Die erfindungsgemäßen keramischen Brennerplatten zeigen eine Dauerbelastbarkeit bei Temperaturen > 1100° C. Darüber hinaus sind die erfindungsgemäßen keramischen Brennerplatten nicht wie die aus dem Stand der Technik bekannten Platten spröde, sondern weich, was deren Bearbeitung deutlich vereinfacht.
- In vorteilhafter Weise zeigen die erfindungsgemäßen Brennerplatten eine äußerst geringe Wärmeexpansion, was deren mechanische Belastung verringert und darüber hinaus die sichere Bindung der Platten bei unterschiedlichen Temperaturen an Trägersysteme vereinfacht. Die erfindungsgemäßen Platten zeigen eine hohe Temperaturwechselbeständigkeit und sind äußerst langlebig.
- Die mechanische Härte der erfindungsgemäßen keramischen Brennerplatten lässt sich über die Brenntemperatur in relativ großen Bereichen steuern.
- Die erfindungsgemäßen keramischen Brennerplatten zeigen beispielsweise bei einer Brenntemperatur ≥ 1025° C eine Standard-Bruchfestigkeit von 16 - 18 kg. Eine Erhöhung der Brenntemperatur steigert die Bruchfestigkeit. So zeigt eine erfindungsgemäße keramische Brennerplatte beispielsweise bei einer Brenntemperatur von 1100°C eine Standard-Bruchfestigkeit von bis zu 22 kg. Durch Erhöhung der Brenntemperatur kann die Bruchfestigkeit weiter bis auf deutlich über 24 kg gesteigert werden.
- Darüber hinaus werden für die Herstellung der erfindungsgemäßen keramischen Brennerplatten keine vorgebrannten Rohstoffe benötigt, was zu deutlichen ökonomischen Vorteilen bei der Herstellung der Platten führt.
- Die nachfolgenden Beispiele stehen exemplarisch für die erfindungsgemäßen keramischen Brennerplatten, ohne dass sich die der Erfindung zugrundeliegende Idee jedoch auf diese Ausführungsbeispiele beschränken lässt.
- Eine erfindungsgemäße keramische Brennerplatte mit einem Raumgewicht von 1,2 g/cm3 und einer Porosität von 54 % zeigt die nachfolgende Zusammensetzung.
Keramikplatte Al2O3 26,17 SiO2 65,89 Fe2O3 1,36 TiO2 1,05 CaO 0,47 MgO 4,00 K2O 0,66 Na2O 0,29 Mn3O4 0,03 Cr2O3 < 0,01 P2O5 0,08 ZrO2 < 0,01 Li2O-getrocknete Probe 1,49 AAS Gewichtsänderung d. Glühen (1025° C) -0,03 - Die Temperaturwechselbeständigkeit TWB (1-3) der erfindungsgemäßen keramischen Brennerplatte lag bei 1, wobei die Temperaturwechselbeständigkeit mittels eines Abschreckungstest bestimmt wird.
- Eine TWB-Wert von 1 korreliert dabei mit einer Temperaturdehnung der Keramikplatte von ca. 0,2 bei 950°C.
Claims (2)
- Keramische Brennerplatte für Infrarotstrahler,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Brennerplatte einen Lithiumoxid-Gehalt zwischen 0,63 Gew.-% und 7,6 Gew.-% aufweist. - Keramische Brennerplatte nach Anspruch 1, wobei die Brennerplatte als weitere Bestandteile wenigstens ein Oxid der Gruppe bestehend aus Al2O3, SiO2, Fe2O3, TiO2, CaO, MgO, K2O, Na2O, Mn3O4, Cr2O3, P2O5 oder ZrO2 aufweist.
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