NL9101668A - Branderplaat en brander voor een gasmengsel met een hoge luchtfactor. - Google Patents

Description

korte aanduiding: Branderplaat en brander voor een gasmengsel met een hoge luchtfactor.

De uitvinding heeft betrekking op een branderplaat voor een gasbrander, omvattende een inlaatzijde en een uitlaatzijde voor een in hoofdzaak in een richting loodrecht op het vlak van de branderplaat doorstromend brandbaar gasmengsel, tussen welke zijden één of meerdere gebieden zijn gevormd met daarin een groot aantal nauwe kanalen voor de gasdoorvoer, welke gebieden een vooraf bepaalde lage stromingsweerstand hebben, gezien vanaf de inlaatzijde tot aan de uitlaatzijde van de branderplaat, en worden begrensd door gebieden met een hoge stromingsweerstand. De uitvinding heeft eveneens betrekking op een brander waarin een dergelijke branderplaat is opgenomen.

Een dergelijke branderplaat is bekend uit US-A-4 919 609. Hierin worden maatregelen beschreven om een hoog specifiek warmtevermogen op te wekken in een brander voor aardgas, waarbij gebruik wordt gemaakt van een branderplaat, die bestaat uit een hoog-poreus lichaam waarop op de uitlaatzijde van het poreuze lichaam een grofmazig dun gaas is aangebracht. Het poreuze lichaam dient om gas te verdelen, terugslag te voorkomen en de vlam te dragen. Het gaas dient door middel van gloeien als vlamstabilisator. Bij verbranding lopen de vlammen in elkaar over. Er kan een hoog specifiek vermogen worden verkregen en derhalve is een compacte brander mogelijk.

Teneinde aan de hedendaagse strengere milieueisen te kunnen blijven voldoen, is het noodzakelijk de vlamtempera-tuur in branders van de bovengenoemde soort te verlagen. Met name is een vlamtemperatuur gewenst, die op ieder willekeurig punt in de vlam tussen 600 °C en 800 °C ligt, aangezien enerzijds de N0X emissie beperkt kan worden gehouden indien de vlamtemperatuur lager is dan 800 °C en , anderzijds de uitstoot van koolmonoxide en koolwaterstoffen ; laag kan worden gehouden door een vlamtemperatuur hoger dan : i 600 °C te kiezen.

Voor het verkrijgen van een lagere vlamtemperatuur in een brander van de bovengenoemde soort zijn twee principes bekend.

Het eerste principe bestaat er uit dat warmte aan de vlam wordt onttrokken door een in of nabij de vlammen geplaatst oppervlak, dat daardoor gaat gloeien en de aan de vlam onttrokken warmte door middel van straling naar een te verwarmen element, bijvoorbeeld een warmtewisselaar, overdraagt. Op deze wijze kan echter slechts een beperkt vermogen per oppervlakte-eenheid worden verkregen, en kan derhalve geen kompakte brander worden gerealiseerd. Bovendien vormt in een brander volgens dit principe bij vermogensmo-dulatie de stabiliteit van de verbranding een probleem.

Het tweede principe voor het verkrijgen van een lagere vlamtemperatuur is het verhogen van de luchtfactor tot een waarde groter dan 1, dat wil zeggen dat het brandbare gasmengsel meer lucht bevat dan bij volledige verbranding met het gas kan reageren. Het toepassen van hoge luchtfactoren bij branders volgens de stand van de techniek is echter niet zonder meer mogelijk. Met name is het bij luchtfactoren groter dan 1,4 moeilijk een stabiele vlam te verkrijgen, doordat de uit de hoge luchtfactor resulterende lage vlamtemperatuur en lage temperatuur van het branderop-pervlak ontoereikend zijn om het gasmengsel stabiel te ontsteken en de eveneens uit de hoge luchtfactor resulterende hoge gassnelheid leidt tot afblazen van de vlam. Het doel van de uitvinding is nu een branderplaat te verschaffen, die verbranding van een gas/luchtmengsel mogelijk maakt bij een hoge luchtfactor, in het bijzonder een luchtfactor groter dan 1,4, onder behoud van een hoog specifiek vermogen en een stabiele, resonantievrije verbranding. Een ander doel van de uitvinding is het verschaffen van grote moduleerbaarheid van het vermogen over een groot bereik.

Deze doelen worden bereikt door toepassing van een branderplaat als hierboven omschreven, welke daardoor wordt gekenmerkt, dat daarin de gebieden met een lage stromings- weerstand ten minste op een zodanige afstand van elkaar liggen dat bij verbranding van het gasmengsel aan de uit-laatzijde van de branderplaat vlammen ontstaan, die althans nagenoeg geheel van elkaar gescheiden zijn.

In een brander met een branderplaat volgens de uitvinding bevinden zich tussen de vlammen en nabij de randen van de vlamvoeten gebieden met een beduidend lagere gasstroomsnelheid dan elders in de vlammen. Deze gebieden met lage stroomsnelheid blijven in tact tot op grote afstand van de brander en zorgen voor een stabiele ontsteking langs de vlamrand. Dergelijke gebieden ontbreken in een brander waarin de vlammen wel samensmelten, zodat daarin andere stabilisatiemiddelen nodig zijn. Daarnaast hebben in een brander met een branderplaat volgens de uitvinding de gebieden met een groot aantal kanalen voor de gasdoorvoer een lage, maar niet verwaarloosbare stromingsweer stand. Deze stromingsweerstand veroorzaakt een drukval in de gasstroming, waardoor drukfluctuaties over de branderplaat, die vooral in gesloten toestellen voorkomen, bij verbranding minder invloed hebben op de gasstroomsnelheid en gasverdeling door de branderplaat, en onderdrukt zo vlamre-sonanties. Derhalve maakt een branderplaat volgens de uitvinding een stabiele verbranding mogelijk, waarbij tevens het vermogen over een groot bereik kan worden gemoduleerd.

Ten gevolge van de toepassing van een hoge luchtfactor, waardoor de vlamtemperatuur relatief laag is, heeft de branderplaat volgens de uitvinding een lagere oppervlakte-temperatuur dan bestaande branders. De branderplaat kan derhalve een langere levensduur hebben of behoeft aan minder strenge eisen met betrekking tot mechanische eigenschappen te voldoen.

In een voordelige uitvoeringsvorm hebben de nauwe kanalen in de gebieden met een lage stromingsweerstand een labyrintvorm, dat wil zeggen dat de as van een kanaal in het algemeen geen rechte lijn vormt en kanalen onderling i verbonden kunnen zijn. Deze gebieden kunnen worden gevormd door een poreus materiaal, zoals keramiek.

In een andere uitvoeringsvorm zijn de nauwe kanalen recht en lopen deze evenwijdig aan elkaar in een richting loodrecht op het vlak van de branderplaat. Op deze wijze is het mogelijk de kanalen aan te brengen door middel van snijden met een laser- of waterstraal of dergelijke. Teneinde voldoende stromingsweerstand te verkrijgen wordt gedacht aan een hydraulische diameter van de kanalen die kleiner is dan 0,4 mm en bij voorkeur kleiner dan 0,2 mm.

Met voordeel is de branderplaat zodanig uitgevoerd dat van elk gebied met een lage stromingsweerstand tussen de in- en uitlaatzijde de kleinste dwarsdoorsnede gezien in het vlak van de branderplaat ten minste ca. 5 mm2 bedraagt, en de som van deze kleinste dwarsdoorsneden van alle gebieden met lage stromingsweerstand ten hoogste 70 % bedraagt van de branderplaatoppervlakte aan de uitlaatzijde.

In het bijzonder is de branderplaat zodanig uitgevoerd dat de genoemde som van de kleinste dwarsdoorsneden ten minste ca. 10 % en ten hoogste ca. 50 % bedraagt van de branderplaatoppervlakte aan de uitlaatzijde, en meer in het bijzonder kunnen deze laagste en hoogste percentages 20 resp. 40 bedragen.

Met voordeel hebben in de branderplaat de gebieden met een lage stromingsweerstand een in hoofdzaak ronde dwarsdoorsnede, gezien in het vlak van de branderplaat, waardoor vlammen met een natuurlijke vorm kunnen ontstaan.

Een zeer voordelige uitvoeringsvorm wordt verkregen, indien de plaat bestaat uit een basisplaat van een in hoofdzaak gasdicht materiaal, welke basisplaat is voorzien van gaten, waarvan de randen de begrenzingen bepalen van de gebieden met een lage stromingsweerstand, en tevens van een gasdoorlaatbare structuur, die zich uitstrekt over ten minste de dwarsdoorsnede van de gaten.

In het bijzonder kan de gasdoorlaatbare structuur zijn 1 uitgevoerd in de vorm van een hoofdzakelijk vlakke plaat, die de voornoemde basisplaat afdekt. De branderplaat kan zo op bijzonder eenvoudige wijze uit twee platen worden samen i gesteld.

Ook is het mogelijk de gaten in de basisplaat althans gedeeltelijk te vullen met de gasdoorlaatbare structuur. Dit maakt een dunne branderplaat mogelijk, met name als de gasdoorlaatbare structuur, die de dwarsdoorsnede van de gaten afdekt, zich geheel in deze gaten bevindt.

Met voordelen ten aanzien van prijs en levertijd kiest men als basisplaat een standaard geperforeerde metaalplaat.

Een andere mogelijke uitvoeringsvorm omvat een gasdoorlaatbare plaat, die plaatselijk is verdicht om aldaar de gebieden met een hoge stromingsweerstand te vormen. Dit biedt wederom de mogelijkheid een dunne branderplaat te vervaardigen en bovendien vormt de plaat één zelfdragend geheel.

De gasdoorlaatbare plaat kan eenvoudig plaatselijk zijn verdicht door deze te impregneren met een vulmateriaal. Verder kan de verdichting zijn verkregen door de plaat samen te drukken op de plaatsen waar gebieden met een hoge stromingsweerstand moeten worden gevormd.

De structuur van de gasdoorlaatbare plaat in deze uitvoeringsvorm kan een schuimstructuur zijn, zodat een eenvoudig fabricageproces mogelijk is. Ook kan de gasdoorlaatbare plaat uit twee schuimstructuren met verschillende gasdoorlaatbaarheden bestaan.

In genoemde uitvoeringsvormen kunnen de gebieden met een lage stromingsweerstand met voordeel bestaan uit me-taalvezels of aluminiumoxide vezels, vanwege de bestendigheid van deze materialen tegen de heersende temperaturen. Metaalvezels kunnen bovendien geïmpregneerd worden, hetgeen onder andere voordelig is in bovengenoemde uitvoeringsvorm, waarin de brander uit één plaatselijk door impregnatie verdichte plaat bestaat. Aluminiumoxide vezels kunnen uitstekend door opspuiten op een drager worden aangebracht, waardoor zij zeer geschikt zijn om in combinatie met een basisplaat volgens een eerder beschreven uit- ' voeringsvorm te worden toegepast. !

De beschermingsomvang strekt zich mede uit over een i brander, omvattende: een toevoerkanaal dat is voorzien van persmiddelen voor het toevoeren van een brandbaar gasmengsel aan een drukruimte, die wordt begrensd door een bran-derplaat, en ontsteekmiddelen die zijn aangebracht in een verbrandingsruimte, die is gelegen aan de van de drukkamer afgekeerde zijde van de branderplaat.

De uitvinding wordt toegelicht aan de hand van de tekening, waarin:

Fig. 1 een gedeeltelijk opengewerkt perspectivisch aanzicht toont van een eerste uitvoeringsvorm van een branderplaat volgens de uitvinding;

Fig. 2 een gedeeltelijk opengewerkt perspectivisch aanzicht toont van een tweede uitvoeringsvorm van een branderplaat volgens de uitvinding;

Fig. 3 een gedeeltelijk opengewerkt perspectivisch aanzicht toont van een derde uitvoeringsvorm van een branderplaat volgens de uitvinding;

Fig. 4 een dwarsdoorsnede toont van een vierde uitvoeringsvorm van een branderplaat volgens de uitvinding;

Fig. 5 een dwarsdoorsnede toont van een vijfde uitvoeringsvorm van een branderplaat volgens de uitvinding; en

Fig. 6 een schematische weergave toont van een uitvoeringsvorm van een ketel met brander volgens de uitvinding.

Fig. 1 toont een rechthoekige branderplaat 1 met een inlaatzijde 2 en een uitlaatzijde 3 voor een gasmengsel dat in de met pijl A aangeduide richting door de uit nauwe evenwijdige rechte kanalen gevormde gebieden met een lage stromingsweerstand 4 kan stromen. Het verwijzingscijfer 5 duidt de gebieden met een hoge stromingsweerstand aan. De branderplaat kan bestaan uit een metaalplaat, waarin de kanalen door middel van lasersnijden zijn aangebracht.

Fig. 2 toont een rechthoekige branderplaat 6, wederom voorzien van een inlaatzijde 7 en een uitlaatzijde 8, waardoorheen een gasmengsel in de met een pijl B aangeduide j richting kan stromen. Deze branderplaat is samengesteld uit ! een metaalplaat 9, welke is geperforeerd met vierkante gaten 10, en een poreuze plaat 11, die een gasdoorlaatbare ! i i i structuur vormt en is gemaakt van opgespoten aluminiumoxyde vezels. De gasstroomrichting kan ook tegengesteld aan de richting van pijl B worden gekozen. In dat geval duidt verwijzingscijfer 8 de inlaatzijde aan en duidt verwij-zingscijfer 7 de uitlaatzijde aan.

Fig. 3 toont een rechthoekige branderplaat 12, die bestaat uit een geperforeerde basisplaat 13, die is voorzien van een poreuze laag 14, die de boven- en onderzijde van de plaat bedekt en de perforaties in de basisplaat opvult.

Fig. 4 toont een branderplaat 15, gelijkend op de branderplaat 6 van fig. 2, en daarvan verschillend, doordat in de metaalplaat 16 ronde konische gaten 17 zijn aangebracht.

In fig. 5 is een branderplaat 18 zichtbaar, die bestaat uit een metaalvezelmat, welke is verdicht om gebieden met hoge stromingsweerstand 19 te vormen, die gebieden met lage stromingsweerstand 20 begrenzen.

Fig. 6 toont een ketel 21, omvattende een luchtinlaat-kanaal 22 en een gasinlaat 23, die uitmonden in een mengkamer 24. Deze mengkamer 24 is verbonden met een toevoerka-naal 25, waarin zich een ventilator 26 bevindt, die het brandbare gasmengsel onder druk kan brengen. Het toevoerka-naal 25 eindigt in drukruimte 27, die wordt begrensd door een branderplaat 6, die in fig. 2 is getoond. Aan de andere zijde van branderplaat 6 bevindt zich een gecombineerde ontsteker en temperatuuropnemer 28 in een verbrandingsruimte 29. Aan deze verbrandingsruimte 29 grenst een warmtewisselaar 30, waardoorheen de hete verbrandingsgassen kunnen stromen onder het overdragen van warmte aan een ander eveneens door de warmtewisselaar 30 stromend medium, waarna de verbrandingsgassen via een afvoerkanaal 31 kunnen wegstromen. Deze ketel 21 kan bijvoorbeeld worden toegepast als centrale verwarmingsketel en kan dan met aardgas worden gestookt.

Een branderplaat, opgebouwd uit een met ronde gaten geperforeerde metaalplaat, die is bedekt met een poreuze : plaat, is getest. De configuratie van deze plaat en de ! i testomstandigheden zijn vermeld in tabel 1, waarin tevens de uitstoot van schadelijke stoffen is genoteerd, voor een constant gehouden vermogen en als functie van de luchtfactor. Duidelijk zichtbaar is dat een aanzienlijke reductie van deze uitstoot kan worden bereikt ten opzichte van de voorheen toegepaste branderplaten, waarbij de luchtfactor doorgaans minder en nimmer meer dan 1,4 bedroeg.

Verder toont tabel 2 de invloed van het vermogen op de schadelijke uitstoot, voor een branderplaat volgens de uitvinding. Hieruit blijkt, dat het vermogen over een groot bereik kan worden gevarieerd, terwijl de schadelijke uitstoot laag en nagenoeg constant blijft.

De in de tekening getoonde branderplaten zijn allemaal vlak uitgevoerd. Natuurlijk kunnen de platen ook een andere vorm hebben, zoals een gebogen, geribbelde of geknikte vorm. Essentieel is echter dat de branderplaten volgens de uitvinding zo zijn ingericht dat bij gebruik in een brander aan de uitlaatzijde van de branderplaat vlammen ontstaan die althans nagenoeg geheel van elkaar gescheiden zijn.

Tabel 1: Testresultaten van een branderplaat, die is opgebouwd uit een met ronde gaten geperforeerde metaalplaat, die is bedekt met een poreuze plaat, waarbij de luchtfactor is gevarieerd.

configuratie breedte metaalplaat 160 mm lengte metaalplaat 200 mm dikte metaalplaat 2 mm aantal gaten 150 gatdiameter 8 mm opp met lage stromingsweerstand % totaaloppervlak 0,24 poreuziteit gasdoorlaatbare plaat 80 % poriegrootte in gasdoorlaatbare plaat 0,1-0,3 mm dikte gasdoorlaatbare plaat 1 mm testomstandigheden calorische bovenwaarde aardgas 33,56 MJ/m3

vermogen 24 kW

uitbrandhoogte 100 mm meetresultaten

lucht fact or C02 CO N0X

% ppm ppm 1,17 10,0 93,6 46,8 1,25 9,3 62,9 26,4 1,36 8,6 40,8 14,8 1,46 8,0 29,3 7,5 ! 1,54 7,6 15,4 5,1 1,60 7,3 16,0 4,2 i 1,64 7,1 16,5 2,8 1,74 6,7 8,7 2,3 i 1,82 6,4 9,1 1,6 i

Tabel 2: Testresultaten van een branderplaat, die is opgebouwd uit een met ronde gaten geperforeerde metaalplaat, die is bedekt met een poreuze plaat, waarbij het vermogen is gevarieerd.

configuratie breedte metaalplaat 160 mm lengte metaalplaat 200 mm dikte metaalplaat 2 mm aantal gaten 160 gatdiameter 6 mm opp met lage stromingsweerstand % totaaloppervlak 0,14 poreuziteit gasdoorlaatbare plaat 80 % poriegrootte in gasdoorlaatbare plaat 0,1-0,3 mm dikte gasdoorlaatbare plaat 1 mm testomstandigheden calorische bovenwaarde aardgas 33,56 MJ/m3 luchtfactor 1,82 uitbrandhoogte 150 mm meetresultaten

vermogen CO N0X

kW ppm ppm 4,7 9,0 4,0 8,1 9,0 2,8 11,6 9,0 1,9 14,5 9,0 1,7 17.3 9,0 1,7 29,9 9,0 1,5 22.3 9,0 1,8 23,8 9,0 1,8 ;

Claims (19)

1. Branderplaat voor een gasbrander, omvattende een inlaatzijde en een uitlaatzijde voor een in hoofdzaak in een richting loodrecht op het vlak van de branderplaat doorstromend brandbaar gasmengsel, tussen welke zijden één of meerdere gebieden zijn gevormd met daarin een groot aantal nauwe kanalen voor de gasdoorvoer, welke gebieden een vooraf bepaalde lage stromingsweerstand hebben, gezien vanaf de inlaatzijde tot aan de uitlaatzijde van de branderplaat, en worden begrensd door gebieden met een hoge stromingsweerstand, met het kenmerk, dat de gebieden met een lage stromingsweerstand (4; 20) ten minste op een zodanige afstand van elkaar liggen dat bij verbranding van het gasmengsel aan de uitlaatzijde van de branderplaat (1; 6; 12; 15; 18) vlammen ontstaan, die althans nagenoeg geheel onderling gescheiden zijn.

2. Branderplaat volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de nauwe kanalen een labyrint vormen.

3. Branderplaat volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de nauwe kanalen recht zijn en evenwijdig aan elkaar lopen, in een richting loodrecht op het vlak van de branderplaat (1; 6; 12; 15; 18).

4. Branderplaat volgens één van de conclusies 1-3, met het kenmerk, dat van elk gebied met een lage stromingsweerstand (4; 20) tussen de in- (2; 7) en uitlaatzijde (3; 8) de kleinste dwarsdoorsnede gezien in het vlak van de branderplaat (1; 6; 12; 15; 18) ten minste ca. 5 mm2 bedraagt, en de som van deze kleinste dwarsdoorsneden van alle gebieden met lage stromingsweerstand ten hoogste ca. 70 % bedraagt van de branderplaatoppervlakte aan de uitlaatzijde.

5. Branderplaat volgens één van de conclusies 1-3, met het kenmerk, dat van elk gebied met een lage stromingsweer- ; stand (4; 20) tussen de in- (2; 7) en uitlaatzijde (3; 8) de kleinste dwarsdoorsnede gezien in het vlak van de branderplaat (1; 6; 12; 15; 18) ten minste ca. 5 mm2 bedraagt, en de som van deze kleinste dwarsdoorsneden van alle gebie- den met lage stromingsweerstand ten minste ca. 10 % en ten hoogste ca. 50 % bedraagt van de branderplaatoppervlakte aan de uitlaatzijde.

6. Branderplaat volgens één van de conclusies 1-3, met het kenmerk, dat van elk gebied met een lage stromingsweer-stand (4; 20) tussen de in- (2; 7) en uitlaatzijde (3; 8) de kleinste dwarsdoorsnede gezien in het vlak van de branderplaat (1; 6; 12; 15; 18) ten minste ca. 5 mm2 bedraagt, en de som van deze kleinste dwarsdoorsneden van alle gebieden met lage stromingsweerstand ten minste ca. 20 % en ten hoogste ca. 40 % plaatoppervlakte aan de uitlaatzijde.

7. Branderplaat volgens één van de conclusies 1-6, met het kenmerk, dat de gebieden met een lage stromingsweerstand (4; 20) een in hoofdzaak ronde dwarsdoorsnede, gezien in het vlak van de branderplaat (1; 6; 12; 15; 18), hebben.

8. Branderplaat volgens één van de conclusies 1-7, met het kenmerk, dat deze bestaat uit een basisplaat (9; 13; 16) van een in hoofdzaak gasdicht materiaal, welke basisplaat is voorzien van gaten (10; 17), waarvan de randen de begrenzingen bepalen van de gebieden met een lage stromingsweerstand (4; 20), en tevens van een gasdoorlaatbare structuur (11; 14) , die zich uitstrekt over ten minste de dwarsdoorsnede van de gaten.

9. Branderplaat volgens conclusie 8, met het kenmerk, dat de gasdoorlaatbare structuur (11; 14) de vorm heeft van een in hoofdzaak vlakke plaat, die de basisplaat afdekt.

10. Branderplaat volgens conclusie 8 of 9, met het kenmerk, dat de gaten (10; 17) in de basisplaat (9; 13; 16) althans gedeeltelijk zijn gevuld met de gasdoorlaatbare structuur (11; 14).

11. Branderplaat volgens één van de conclusies 8-10, met het kenmerk, dat de basisplaat (9; 13; 16) bestaat uit een | geperforeerde metaalplaat. j

12. Branderplaat volgens één van de conclusies 1-7, met j het kenmerk, dat deze bestaat uit een gasdoorlaatbare ! i plaat, die plaatselijk is verdicht. j

13. Branderplaat volgens conclusie 12, met het kenmerk, dat deze bestaat uit een gasdoorlaatbare plaat, die plaatselijk is verdicht door impregnatie met een vulmateriaal.

14. Branderplaat volgens conclusie 12, met het kenmerk, dat deze bestaat uit een gasdoorlaatbare plaat, die plaatselijk is verdicht door de plaat gedeeltelijk samen te drukken.

15. Branderplaat volgens één of meer van de conclusies 12-14, met het kenmerk, dat de plaat een schuimstructuur heeft.

16. Branderplaat volgens één of meer van de conclusies 12-14, met het kenmerk, dat de plaat uit twee schuimstructuren met verschillende gasdoorlaatbaarheden bestaat.

17. Branderplaat volgens één van de conclusies 1-14, met het kenmerk, dat de gebieden met een lage stromingsweer- stand (4; 20) bestaan uit metaalvezels.

18. Branderplaat volgens één van de conclusies 1-14, met het kenmerk, dat de gebieden met een lage stromingsweer- stand (4; 20) bestaan uit aluminiumoxyde vezels.

19. Brander, omvattende: een toevoerkanaal dat is voorzien van persmiddelen voor het toevoeren van een brandbaar gasmengsel aan een drukruimte, die wordt begrensd door een branderplaat, en ontsteekmidde-len die zijn aangebracht in een verbrandingsruimte, die is gelegen aan de van de drukkamer afgekeerde zijde van de branderplaat, gekenmerkt door een branderplaat (6) volgens één of meer van de voorgaande conclusies. i j j | i