<Desc/Clms Page number 1>
POREUZE METAALVEZELPLAAT.
De vinding betreft een poreuze metaalvezelplaat. Dergelijke platen, waarin de vezels aan elkaar gesinterd zijn, worden gebruikt o. a. als filtermedia.
Uit het Europees octrooi 0157 432 is overigens bekend deze vezelvliezen aan te wenden als membraan voor oppervlaktestralingsbranders voor gasmengsels voor zover staalvezels gebruikt worden die Cr en Al bevatten zodat ze bestand zijn tegen hoge temperaturen.
Daar de porositeit van deze vezelvliezen, vezelmatten of gesinterde vezelplaten niet altijd volmaakt homogeen is kan een gelijkmatige dwarse gasdoorstroming over het plaatoppervlak niet altijd gewaarborgd worden. Voor een aantal toepassingen is dit hinderlijk gebleken, bv. voor brandermembranen en voor de gasdoorlatende steunplaten voor fluid bed behandelingen waar een gestuurde gelijkmatige doorstroming wenselijk is, gekoppeld aan een lage drukval over de plaatdikte.
De vinding heeft tot doel dit nadeel van de bekende gasdoorlatende metaalvezelplaten te vermijden en dus platen te verschaffen met een gestuurde gelijkmatige gasdoorstroming. Dit doel wordt volgens de uitvinding bereikt door een poreuze metaalvezelplaat te verschaffen waarin een regelmatig patroon van dwarse doorgangen is aangebracht die samen 5 % tot 25 % van het plaatoppervlak beslaan terwijl elke doorgang een oppervlakte bezit van ten hoogste 3 mm2 en bij voorkeur groter dan 0.03 mm2. De gasstroom wordt dus in hoofdzaak gestuurd doorheen deze doorgangen.
Voor zover genoemde platen ingezet moeten worden bij zeer hoge temperaturen zullen de gebruikte metaalvezels daartegen bestand moeten zijn. De plaatdikte ligt bij voorkeur tussen 0, 8 mm en 4 mm en de plaat is voldoende stijf en sterk om de gekozen drukvallen te weerstaan bij de gewenste porositeiten ;
<Desc/Clms Page number 2>
dikten van 1, 2 en 3 mm zijn bv. toepasbaar. De poreuze plaat behoeft dus geen extra ondersteuning nabij haar onder-of bovenvlak (bv. met een staalplaat). De onder- en bovenvlakken blijven aldus vrij toegankelijk.
Een en ander zal thans aan de hand van een aantal uitvoeringsvormen nader toegelicht worden. Bijkomende oplossingen voor specifieke of deelproblemen volgens de vinding en hun kenmerken alsook de daaraan verbonden voordelen zullen daarbij verduidelijkt worden.
Figuur 1 is een schets van een poreuze plaat met doorgangen volgens de uitvinding.
Figuur 2 toont een montagemogelijkheid van deze plaat in een huis met toe-en doorvoermiddelen voor het gas doorheen de plaat.
Figuur 3 geeft schematisch een buisvormige doorvoerinrichting weer voor het gas.
De poreuze metaalvezelplaat l volgens f-iguur l omvat op onderling regelmatige afstanden p doorgangen 2. Deze doorgangen zijn bij voorkeur cilindrisch van vorm en in het bijzonder cirkelcilindrisch. De oppervlakte van elke doorgang 2 is bij voorkeur dezelfde en ligt tussen 0, 03 en 3 mm2, liefst tussen 0, 4 en 1, 5 mm2, resp. tussen 0, 5 en 0, 8 mm2. Zoals hierna zal blijken zijn deze afmetingen te kiezen o. a. in functie van de dikte van de plaat 1, haar porositeit en de geplande toepassing. Wanneer de doorgang 2 dus een cirkeldoorsnede heeft zal de doormeter van elk cirkeltje 0, 8 mm zijn voor een oppervlakte van ongeveer 0, 5 mm2. De doorgangen 2 worden bij voorkeur aangebracht door een stansbewerking daar dit een gave cilinderwand verzekert.
Er kunnen desgewenst ook doorgangsopeningen gestanst worden met driehoekige,
<Desc/Clms Page number 3>
vierkante, rechthoekige of andere vormen. De doorgangen kunnen eventueel aangebracht worden met laserstralen. In principe zijn dus, o. a. voor dunne platen zeer kleine doorgangen mogelijk met een diameter van tenminste 0, 2 mm.
De steekafstand p tussen opeenvolgende doorgangen 2 is zo gekozen dat hun totale oppervlakte 5 % tot 25 % van het plaatoppervlak beslaat en bij voorkeur 8 % tot 16 %. Waarden van 10 %, 12 % en 15 % zijn goed geschikt. Teneinde een gelijkmatige doorstroming over het oppervlak te verzekeren zijn de opeenvolgende doorgangen bij voorkeur gerangschikt in een patroon van aaneensluitende gelijkzijdige driehoeken waarbij elke doorgang 2 een hoekpunt bezet van de driehoek.
De porositeit van de plaat (tussen de doorgangen 2) ligt steeds tussen 60 % en 95 % maar bij voorkeur tussen 78 % en 88 %. De plaatoppervlakken kunnen vlak zijn of een relief bezitten of bv. gebogen of gegolfd zijn.
De metaalvezels die ingezet kunnen worden voor vervaardiging van de poreuze platen en de vervaardiging van de platen zelf, in het bijzonder deze die bestand zijn tegen zeer hoge temperaturen, zijn beschreven in dezelfde Europese aanvrage 0390255. In het algemeen zijn roestvaste staalvezels geschikt. Voor de hoge temperatuurstoepassingen, zoals in gasbranders zijn staalvezels te gebruiken die Cr en Al bevatten.
Zoals weergegeven in figuur 2 kan de poreuze plaat 1 volgens de vinding op een gebruikelijke wijze gemonteerd worden in een huis 3 met toevoermiddelen 4 voor het gas. Indien deze inrichting bedoeld is als gasverbrandingsinrichting kan een brandbaar gasmengsel (bijv. aardgas/lucht) aangevoerd worden.
De aldus gevormde inrichting kan bovendien een verdeelorgaan
5 omvatten voor de inkomende gasstroom. Dit zal normaal een
<Desc/Clms Page number 4>
plaat zijn met geschikte doorboringen zodat een gelijkmatige gasstroom met een gepaste druk aankomt tegen de ingangszijde van de poreuze plaat 1. Het oppervlak van de vrije doorgangen in de verdeelplaat kan 2 % tot 10 % bedragen. In het geval van een cilindrische brander (figuur 3) dient de verdeelplaat 5 eveneens als steunelement voor de eindplaat 8. Het verdeelorgaan 5 kan eventueel gegolfd zijn en kan ook dienen om eventuele geluidsresonanties in de gasstroom te neutraliseren, of als vlambegrenzer bij eventuele vlamterugslag naar de gastoevoerzijde van plaat 1 bijv. als gevolg van beschadiging (scheuren) in de branderplaat.
De doorgangen 2 kunnen desgewenst een konische ingang 6 bezitten en een cilindrische uitgang 7.
In de cilindrische inrichting volgens figuur 3 is bij voorkeur eveneens een verdeelorgaan 5 voorzien voor de gastoevoer en een eindplaat 8. Door de soepelheid van de membraanplaat 1 met gaatjespatroon 2 kunnen uit vlakke platen cilinders gebogen worden met relatief kleine diameters.
VOORBEELD Een vlakke gesinterde poreuze metaalvezelplaat 1 vervaardigd volgens de vinding en met onderstaande karakteristieken kan ingezet worden als membraan voor een gasverbrandingsinrichting. De karakteristieken en voordelen van dit concept t. o. v. vroeger voorgestelde brandermembranen worden hieronder toegelicht.
De in te zetten staalvezels zijn bestand tegen hoge temperaturen en omvatten hiertoe in gewichtsprocent bijv. 15 tot
EMI4.1
22 Cr, 4 tot 5. % Al, 0. tot 0. Y, 0. tot 0. en ten hoogste 0. 03 % C. Ze hebben een doormeter tussen 8 en 35 11m, bijv. ongeveer 22 pm. De vezels kunnen verkregen worden door een techniek van gebundeld trekken zoals bijv. bekend uit U. S. octrooi 3 379 000 en vermeld in U. S. octrooi
<Desc/Clms Page number 5>
4 094 673. Ze worden verwerkt tot een niet geweven vezelvlies volgens een methode beschreven in, of analoog aan deze bekend uit de U. S.-octrooien 3 469 297 of 3 127 668. Deze vliezen worden achteraf geconsolideerd door persen en sinteren tot een poreuze plaat 1 met een porositeit tussen 78 % en 88 %. Porositeiten van 80, 5 %, 83 % en 85, 5 % zijn zeer gebruikelijk.
Deze poreuze plaat 1 wordt nu in een vorm door een geschikte stansinrichting (stempel met stanspennen) voorzien van een regelmatig patroon van gaaf afgelijnde cirkelcilindrische doorgangen of gaatjes 2 met een diameter van bijv. 0. 8 mm. Bij een steekafstand van 2 mm tussen elke twee naburige gaatjes verkrijgt men zodoende een vrij oppervlak van nagenoeg 15 %. Deze uitvoering verhoogt de flexibiliteit en dus tevens de omvorming tot bijv. cilinders t. o. v. een plaat zonder doorgangen. De doorgangen vormen ook grenzen tegen het doorlopen van barstjes die in de membraanplaat 1 kunnen optreden als gevolg van de wisselende thermische belasting door gebruik. Desgewenst kan men het gaatjespatroon nog aanvullen met een wafelingspatroon zoals beschreven in EP 390 255.
Wanneer men in volle staalplaten gaten wil stansen, dan moet de plaatdikte altijd dunner zijn dan de diameter van de gaatjes. Verrassenderwijze is echter gebleken dat dit niet vereist is voor het stansen van gaatjes in de poreuze platen volgens de vinding. Men heeft dus een ruime keuzevrijheid voor de verhouding plaatdikte tot diameter van de doorgangen.
De grote voordelen van het uitvindingsconcept komen echter tot uiting wanneer men het te verbranden gasmengsel stuurt doorheen de poreuze membraanplaat 1. Het gasmengsel gaat nu namelijk in hoofdzaak doorheen de gaatjes 2 stromen waardoor de drukval over het membraan 1 gevoelig lager is (dan bij platen zonder gaatjes) voor een bepaald debiet of waarbij
<Desc/Clms Page number 6>
grotere debieten - en bijgevolg grotere thermische vermogens - kunnen bereikt worden voor een bepaalde drukval.
Het vermogensgebied kan nu gekozen worden tussen 150 en 900 kW/m2 voor een oppervlaktestralingsverbranding en opgevoerd kunnen worden tot dat van een oppervlaktebrander met blauwe vlam met een vermogen tot bijv. 4000 kW/m2, afhankelijk o. m. van het luchtoverschot in het gasmengsel t. o. v. een stoechiometrisch verbrandingsmengsel.
De porositeit van de plaat 1 heeft voor gevolg dat steeds een gering gasaandeel tussen de gaatjes 2 doorheen de pori n naar het hete uitgangsoppervlak doordringt. Zoals hieronder toegelicht, bevordert dit ten zeerste een gelijkmatig en stabiel brandregime over een breed belastings- of vermogensgebied. Vooral bij grotere debieten neemt het gasaandeel dat naast de gaatjes doorheen de plaat doordringt proportioneel toe. Het is nu juist bij deze grotere debieten (en bijgevolg grotere vermogens indien het % luchtoverschot gelijk blijft in het gasmengsel) dat de neiging moet tegengegaan worden van het wegblazen van de blauwe vlam ter hoogte van de gaatjes.
De gasverbranding aan het plaatoppervlak tussen de gaatjes 2 onderhoudt als het ware een stabiel (blauw) vlamfront over het gehele plaatoppervlak en belet dat dit front (of de blauwe vlamtongen daarin) weggeblazen wordt van het plaatoppervlak. De tongvormige vl ammetjes boven el k gaatje bl ijven als het ware met hun voet of wortel verankerd aan het plaatoppervlak.
De overwegend horizontale gelaagdheid van de vezels in de poreuze plaat bevordert ook het isolerend effect van het membraan. De warmtespreiding verloopt namelijk overwegend in het bultenoppervlak (stralingszijde) van de plaat en veel minder in de diepte (doorheen de dikte) van de plaat. Bovendien is er de de voortdurende gelijkmatige afkoeling door de koude gasaanvoer in direct kontakt met de vezellaag aan de
<Desc/Clms Page number 7>
gastoevoerzijde. Op haar beurt bevordert die gelijkmatige warmtespreiding aan het plaatoppervlak de gelijkmatige ontbranding van de gaslaag en een stabiel brandregime over een breed belastings- of vermogensgebied aan de plaatuit- gangszijde tussen de opeenvolgende doorgangen 2.
Bij een poreuze membraanlaag 1 die aan haar gastoevoerzijde vastzit op bijv. een ondersteunende staalplaat en waarbij de poreuze laag samen met de steunplaat voorzien wordt van eenzelfde gaatjespatroon zal dit isolerend effect doorgaans kleiner zijn en de bereikbare vermogens lager. Anderzijds zal bij een andere variante uitvoering : een poreus membraan zonder gaatjes dat bevestigd is op een gasverdeelplaatondersteuning met een regelmatig patroon van veel kleine gaatjes (bijv. gaatjesdiameters van 0, 3 mm en steekafstand 1, 25 mm) het bereikbare gasdebiet voor een bepaalde drukval beperkter blijven dan met de plaat volgens de vinding. Ook zijn de hoge vermogens per eenheid van brandoppervlak hiermee niet haalbaar.
Een ander voordeel t. o. v. de bekende plaatmembranen zonder gaatjes betreft het feit dat men thans het toegevoerde gas veel minder of niet meer moet voorfilteren daar het hoofdzakelijk ontwijkt langs de grotere doorgangen 2 en slechts in zeer geringe mate langs de kleine pori n in de plaat 1. De membraanplaten volgens de vinding moeten ook veel minder frekwent door een tegenstroom gereinigd worden dan dat het geval was met poreuze platen zonder doorgangen.
De plaatdikte, porositeit en de gaatjesopeningen moeten natuurlijk op elkaar afgestemd zijn zodat bij geen enkel branderregime vlamterugslag kan optreden naar de gastoevoerzijde.
Bij een verbrandingsproef werden volgende bevindingen genoteerd voor een gesinterde vezelplaat 1 uit op zieh zelf
<Desc/Clms Page number 8>
bekende FECRALLOY-vezels met een diameter van 22 pm. De plaat was 2 mm dik, had een porositeit van 80, 5 % en werd ingebouwd in een gasverbrandingsinrichting van het type ge llustreerd in figuur 2. In het membraan 1 was een gaatjespatroon gestanst zoals getoond in figuur 2 : diameter van de cilindergaatjes 0, 8 mm en een regelmatig geometrisch gaatjespa- troon met steek-afstand p = 2 mm volgens een rooster van aaneensluitende gelijkzijdige driehoeken. De verdeelplaat 5 (0, 4 mm dik) bevond zich op 5 mm afstand van plaat 1 en was voorzien van gaatjes met doormeter 0, 4 mm en met een steekafstand van 1, 5 mm. Dit resulteerde in een vrije doorgangsoppervlakte van 6, 5 %.
Er traden geen geluidsresonanties of fluittonen op bij gebruik.
De drukval in het gasmengsel over de plaat (mbar) stijgt iets sneller dan lineair met het resulterende vermogen (kW/m).
Bij een drukval van 0. 05 mbar werd een vermogen van 150 kW/m2 genoteerd en bij een drukval van 3 mbar bereikte men een vermogen van 3500 kW/m2. Het gasmengsel was samengesteld uit 8. 1 % aardgas en 91. 9 % lucht. Er werd aardgas gebruikt met een relatief lage kalorische waarde van 10 kWh/Nm3 en er werd een overmaat lucht toegepast van 30 %.
Er werd een oppervlaktestralingsbranderregime genoteerd tot zowat 800 kW/m2. Bij de hogere vermogens ging de verbranding over in een regime met blauwe vlam. De temperatuur van het membraanoppervlak (gasuitgangszijde) liep op tot ongeveer 850 C bij zowat 700 kW/m2 en daalde geleidelijk bij overgang naar hogere vermogens (blauwe vlamregime) tot ongeveer 600 C.
De membraantemperatuur aan de gastoevoerzijde bleef beneden 1500C en daalde zelfs tot beneden 100'C in het blauwe vlamregime. De gemeten NOx-emissie (ppm) steeg geleidelijk over het hele vermogensgebied tot 2000 kW/m2. Ze bedroeg evenwel slechts ongeveer 10 ppm bij 700 kW/m2 en stabiliseerde bij ongeveer 15 tot 20 ppm vanaf de vermogens boven nagenoeg
<Desc/Clms Page number 9>
EMI9.1
L 2000 kW/m2. De gemeten NOx-waarden zijn in feite de gegevens herleid tot hun waarde bij 0 % 02 in de verbrandingsgassen. Deze zeer lage NOx-waarden zijn natuurlijk ook een belangrijk voordeel.
De lage NOx-waarden zijn wellicht te verklaren door het feit dat de vlamtongetjes boven de gaatjes klein blijven zodat de temperatuur in hun kern relatief laag blijft. Het CO-gehalte was nagenoeg nihil over het ganse vermogensgebied.
Als besluit kan dus vastgesteld worden dat voor brandertoepassingen met de uitvinding voor het eerst een poreuze plaatconcept voorligt dat inzetbaar is over een enorm breed vermogensgebied en dus zowel voor oppervlaktestralings- als blauwe vlamregimes geschikt is met bovendien een merkwaardig lage CO- en NOx-emissie en met hoge rendementen.
<Desc / Clms Page number 1>
POROUS METAL FIBER PLATE.
The invention concerns a porous metal fiber plate. Such plates, in which the fibers are sintered together, are used, inter alia, as filter media.
Moreover, it is known from European patent 0157 432 to use these fiber membranes as a membrane for surface radiation burners for gas mixtures, insofar as steel fibers containing Cr and Al are used so that they are resistant to high temperatures.
Since the porosity of these fiber webs, fiber mats or sintered fiber plates is not always perfectly homogeneous, a uniform transverse gas flow over the plate surface cannot always be guaranteed. This has proved to be a nuisance for a number of applications, eg for burner membranes and for the gas-permeable support plates for fluid bed treatments where a controlled uniform flow is desirable, coupled with a low pressure drop over the plate thickness.
The object of the invention is to avoid this drawback of the known gas-permeable metal fiber plates and thus to provide plates with a controlled uniform gas flow. This object is achieved according to the invention by providing a porous metal fiber sheet in which a regular pattern of transverse passages is arranged, which together cover 5% to 25% of the plate surface, while each passage has an area of at most 3 mm 2 and preferably greater than 0.03 mm2. The gas flow is thus mainly controlled through these passages.
Insofar as said plates have to be used at very high temperatures, the metal fibers used must be able to withstand them. The plate thickness is preferably between 0.8 mm and 4 mm and the plate is sufficiently rigid and strong to withstand the selected pressure drops at the desired porosities;
<Desc / Clms Page number 2>
thicknesses of 1, 2 and 3 mm are applicable, for example. The porous plate therefore does not need any additional support near its bottom or top surface (eg with a steel plate). The bottom and top surfaces thus remain freely accessible.
All this will now be further elucidated on the basis of a number of embodiments. Additional solutions for specific or partial problems according to the invention and their characteristics as well as the associated advantages will be clarified thereby.
Figure 1 is a sketch of a porous plate with passages according to the invention.
Figure 2 shows a mounting option of this plate in a housing with supply and transit means for the gas through the plate.
Figure 3 schematically depicts a tubular gas transfer device.
The porous metal fiber sheet 1 according to figure 1 comprises passages 2 at regular intervals. These passages are preferably cylindrical in shape and in particular circular cylindrical. The area of each passage 2 is preferably the same and is between 0.03 and 3 mm2, most preferably between 0.4 and 1.5 mm2, respectively. between 0.5 and 0.8 mm2. As will appear below, these dimensions can be chosen, among other things, in function of the thickness of the plate 1, its porosity and the intended application. Thus, if the passage 2 has a circle cross section, the diameter of each circle will be 0.8 mm for an area of approximately 0.5 mm2. The passages 2 are preferably made by a punching operation since this ensures a smooth cylinder wall.
If desired, passage openings can also be punched with triangular,
<Desc / Clms Page number 3>
square, rectangular or other shapes. The passages can optionally be applied with laser beams. In principle, for example, very small passages with a diameter of at least 0.2 mm are possible for thin plates.
The pitch distance p between successive passages 2 is chosen so that their total area covers 5% to 25% of the plate area and preferably 8% to 16%. Values of 10%, 12% and 15% are well suited. In order to ensure a smooth flow across the surface, the successive passages are preferably arranged in a pattern of contiguous equilateral triangles with each pass 2 occupying a vertex of the triangle.
The porosity of the plate (between the passages 2) is always between 60% and 95%, but preferably between 78% and 88%. The sheet surfaces can be flat or embossed or, for example, curved or corrugated.
The metal fibers which can be used for the manufacture of the porous plates and the manufacture of the plates themselves, in particular those which can withstand very high temperatures, are described in the same European application 0390255. Stainless steel fibers are generally suitable. Steel fibers containing Cr and Al can be used for high temperature applications, such as in gas burners.
As shown in figure 2, the porous plate 1 according to the invention can be mounted in a housing 3 in a usual manner with supply means 4 for the gas. If this device is intended as a gas combustion device, a flammable gas mixture (eg natural gas / air) can be supplied.
The device thus formed can moreover have a distributor
5 for the incoming gas flow. This will normally be one
<Desc / Clms Page number 4>
plate with suitable bores so that an even gas flow with an appropriate pressure arrives at the inlet side of the porous plate 1. The area of the free passages in the distribution plate can be from 2% to 10%. In the case of a cylindrical burner (figure 3), the distribution plate 5 also serves as a support element for the end plate 8. The distribution element 5 can optionally be corrugated and can also serve to neutralize any sound resonances in the gas flow, or as a flame limiter in the event of a flame return to the gas supply side of plate 1, e.g. due to damage (cracks) in the burner plate.
The passages 2 can optionally have a conical entrance 6 and a cylindrical exit 7.
In the cylindrical device according to figure 3, a distribution member 5 is preferably also provided for the gas supply and an end plate 8. Due to the flexibility of the membrane plate 1 with hole pattern 2, cylinders of relatively small diameters can be bent from flat plates.
EXAMPLE A flat sintered porous metal fiber sheet 1 manufactured according to the invention and having the characteristics below can be used as a membrane for a gas combustion device. The characteristics and advantages of this concept t. o. previously proposed burner membranes are explained below.
The steel fibers to be used are resistant to high temperatures and therefore comprise, for example, 15 to 15% by weight
EMI4.1
22 Cr, 4 to 5.% Al, 0. to 0. Y, 0. to 0. and at most 0.03% C. They have a diameter between 8 and 35 11m, eg about 22 pm. The fibers can be obtained by a bundled drawing technique such as known from, for example, U.S. Patent 3,379,000 and disclosed in U.S. Patent
<Desc / Clms Page number 5>
4 094 673. They are processed into a non-woven fiber web according to a method described in, or analogous to, known from US patents 3,469,297 or 3,167,668. These membranes are subsequently consolidated by pressing and sintering into a porous sheet 1 with a porosity between 78% and 88%. Porosities of 80.5%, 83% and 85.5% are very common.
This porous plate 1 is now in a shape provided by a suitable punching device (punch with punching pins) with a regular pattern of perfectly lined circular cylindrical passages or holes 2 with a diameter of e.g. 0.8 mm. Thus, at a pitch distance of 2 mm between every two adjacent holes, a free surface area of almost 15% is obtained. This design increases flexibility and thus also the conversion into, for example, cylinders t. o. v. a plate without passages. The passages also form limits against the passage of cracks that may occur in the membrane plate 1 due to the varying thermal load due to use. If desired, the hole pattern can be supplemented with a wafer pattern as described in EP 390 255.
If you want to punch holes in solid steel plates, the plate thickness must always be thinner than the diameter of the holes. Surprisingly, however, it has been found that this is not required for punching holes in the porous plates of the invention. There is thus a wide freedom of choice for the ratio of plate thickness to diameter of the passages.
However, the major advantages of the inventive concept are expressed when the gas mixture to be burnt is sent through the porous membrane plate 1. The gas mixture now mainly flows through the holes 2, so that the pressure drop across the membrane 1 is considerably lower (than with plates without holes) for a given flow rate or where
<Desc / Clms Page number 6>
higher flow rates - and therefore greater thermal powers - can be achieved for a given pressure drop.
The power range can now be selected between 150 and 900 kW / m2 for surface radiation combustion and can be increased to that of a surface burner with a blue flame with a power of, for example, 4000 kW / m2, depending on, among other things, the air surplus in the gas mixture t. o. v. a stoichiometric combustion mixture.
As a result of the porosity of the plate 1, a small amount of gas between the holes 2 penetrates through the pores to the hot starting surface. As explained below, this greatly promotes an even and stable fire regime over a wide load or power range. Especially at higher flow rates, the proportion of gas that penetrates the plate next to the holes increases proportionally. It is precisely at these larger flow rates (and consequently higher powers if the% air surplus remains the same in the gas mixture) that the tendency must be countered by blowing the blue flame away at the holes.
The gas combustion at the plate surface between the holes 2 maintains, as it were, a stable (blue) flame front over the entire plate surface and prevents this front (or the blue flame tongues therein) from being blown away from the plate surface. The tongue-shaped blades remain above each hole, as it were, with their feet or roots anchored to the plate surface.
The predominantly horizontal layering of the fibers in the porous plate also promotes the insulating effect of the membrane. Namely, the heat distribution mainly takes place in the bump surface (radiation side) of the plate and much less in the depth (through the thickness) of the plate. In addition, there is the continuous even cooling by the cold gas supply in direct contact with the fiber layer on the
<Desc / Clms Page number 7>
gas supply side. In turn, that uniform heat distribution on the plate surface promotes uniform combustion of the gas layer and a stable burning regime over a wide load or power range on the plate output side between successive passages 2.
In the case of a porous membrane layer 1 which, on its gas supply side, is attached to, for example, a supporting steel plate and where the porous layer is provided with the same hole pattern together with the supporting plate, this insulating effect will generally be smaller and the achievable powers lower. On the other hand, in another variant embodiment: a porous membrane without holes that is attached to a gas distribution plate support with a regular pattern of many small holes (e.g. hole diameters of 0.3 mm and pitch distance 1.25 mm), the achievable gas flow rate for a given pressure drop remain more limited than with the plate according to the invention. Also, the high powers per unit of fire surface are not feasible with this.
Another advantage t. The known plate membranes without holes concern the fact that now the gas supplied must be pre-filtered much less or no more, since it mainly escapes along the larger passages 2 and only to a very small extent along the small pores in the plate 1. The membrane plates according to the invention also has to be cleaned much less frequently by a countercurrent than was the case with porous plates without passages.
The plate thickness, porosity and the hole openings must of course be coordinated so that no flashback can occur to the gas supply side in any burner regime.
In a combustion test, the following findings were noted for a sintered fiber board 1 from itself
<Desc / Clms Page number 8>
known FECRALLOY fibers with a diameter of 22 µm. The plate was 2mm thick, had a porosity of 80.5%, and was built into a gas combustion device of the type illustrated in Figure 2. A hole pattern was punched into the membrane 1 as shown in Figure 2: diameter of the cylinder holes 0, 8 mm and a regular geometric hole pattern with pitch distance p = 2 mm according to a grid of contiguous equilateral triangles. The distribution plate 5 (0.4 mm thick) was 5 mm from plate 1 and was provided with holes with a diameter of 0.4 mm and with a pitch of 1.5 mm. This resulted in a free passage area of 6.5%.
No sound resonances or whistles occurred during use.
The pressure drop in the gas mixture across the plate (mbar) increases slightly faster than linear with the resulting power (kW / m).
At a pressure drop of 0.05 mbar, a power of 150 kW / m2 was noted and at a pressure drop of 3 mbar, a power of 3500 kW / m2 was achieved. The gas mixture was composed of 8.1% natural gas and 91.9% air. Natural gas was used with a relatively low calorific value of 10 kWh / Nm3 and an excess of air of 30% was used.
A surface radiation burner regime was noted up to about 800 kW / m2. At the higher powers, combustion turned into a blue flame regime. The temperature of the membrane surface (gas outlet side) rose to about 850 C at about 700 kW / m2 and gradually decreased to about 600 C at transition to higher powers (blue flame regime).
The membrane temperature on the gas supply side remained below 150 ° C and even dropped below 100 ° C in the blue flame regime. The measured NOx emissions (ppm) gradually increased over the entire power range to 2000 kW / m2. However, it was only about 10 ppm at 700 kW / m2 and stabilized at about 15 to 20 ppm from the above powers
<Desc / Clms Page number 9>
EMI9.1
L 2000 kW / m2. The measured NOx values are in fact the data converted to their value at 0% 02 in the combustion gases. These very low NOx values are of course also an important advantage.
The low NOx values may be explained by the fact that the flame tongues above the holes remain small, so that the temperature in their core remains relatively low. The CO content was virtually nil over the entire power range.
As a conclusion, it can therefore be concluded that for burner applications with the invention a porous plate concept is available for the first time, which can be used over an enormously wide power range and is therefore suitable for both surface radiation and blue flame regimes with, in addition, a remarkably low CO and NOx emission and with high returns.