DE10028670A1 - Brennerplatte für einen Flächenbrenner - Google Patents

Abstract

Die Brennerplatte (1) weist Durchtrittskanäle (2) für ein Brenngas-Luft-Gemisch auf, deren Durchmesser kleiner als der Löschabstand der Verbrennung ist. Die Durchtrittskanäle (2) gehen jeweils in eine austrittseitige Querschnittserweiterung (3) über, die eine Stufe (4) bildet und deren Durchmesser größer als der Löschabstand der Verbrennung ist. Bei hoher Wärmestromdichte sitzen die Flammen auf der austrittseitigen Fläche der Brennerplatte (1). Bei Verminderung der Wärmestromdichte wandern sie fortschreitend ins Innere der Querschnittserweiterung (3) hinein und sitzen schließlich auf der Stufe (4) am Übergang zu den Durchtrittskanälen (2). Bei minimaler Wärmestromdichte sind die Flammen hier so gut gegen Abkühlung und schädliche Einflüsse umgebener Gase geschützt, daß eine schadstoffarme Verbrennung möglich ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennerplatte für einen Flä­ chenbrenner zum Verbrennen eines Gemischs aus einem Brenngas und einem Sauerstoffträgergas, mit Gemisch-Durchtrittskanä­ len, deren Querschnittsmaße kleiner als der Löschabstand der Verbrennung sind.

Flächenbrenner weisen einen Gemischraum auf, der an die Brennerplatte anschließt und dazu dient, das Gemisch gleich­ mäßig auf die Brennerplatte zu verteilen. Die Gemisch-Durch­ trittskanäle sind so eng, daß die sich austrittseitig bil­ denden Einzelflammen nicht in den Gemischraum zurückschlagen können. Flächenbrenner eignen sich insbesondere dazu, die erzeugte thermische Leistung gleichmäßig auf eine große Flä­ che zu verteilen.

Allerdings bestand bisher nicht die Möglichkeit, niedri­ ge Wärmestromdichten zu erzielen, wie man sie beispielsweise zum Erwärmen von Kunststoffplatten oder -bahnen auf ihre Verformungstemperatur oder zum Trocknen empfindlicher Güter benötigt. Vielmehr lag die untere Grenze der mit Flächen­ brennern erzielbaren spezifischen thermischen Leistung bis­ her bei der Verbrennung von Erdgas bei 100 bis 200 kW/m². Niedrigere Wärmestromdichten konnten bisher nur mit, elektri­ schen Heizelementen oder katalytischer Verbrennung erzielt werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Brenner­ platte zu schaffen, die eine drastische Verminderung der spezifischen thermischen Leistung ermöglicht.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist die eingangs genannte Brennerplatte erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß sich an die Durchtrittskanäle austrittseitig jeweils eine Querschnittserweiterung anschließt, deren Querschnittsmaße größer als der Löschabstand der Verbrennung sind.

Bei hoher Wärmestromdichte brennen die Einzelflammen auf der austrittseitigen Fläche der Brennerplatte. Bei Verminde­ rung der Wärmestromdichte ziehen sie sich fortschreitend zurück und wandern in die Querschnittserweiterungen hinein, da deren Querschnittsmaße größer als der Löschabstand der Verbrennung sind. Bei minimaler Wärmestromdichte sitzen die Flammen am Übergang zwischen den Durchtrittskanälen und den Querschnittserweiterungen, da die Querschnittsmaße der Durchtrittskanäle kleiner als der Löschabstand der Verbren­ nung sind. Dadurch läßt sich die spezifische thermische Lei­ stung auf 10 bis 60 kW/m² reduzieren. Die Wärmeabstrahlung vermindert sich, da die Einzelflammen sich bei kleiner spez. Leistung in die Querschnittserweiterungen zurückziehen und sich die Fläche der Festkörper- und Gasstrahlung sowie der Winkel der Gasstrahlung verkleinern. Die geringe spezifische thermische Leistung ist ideal dazu geeignet, z. B. Kunst­ stoffmaterial indirekt großflächig auf eine Verformungstem­ peratur von 100 bis 300°C zu erwärmen. Hierzu ist es not­ wendig, daß die mittlere Oberflächentemperatur der Brenner­ platte deutlich unter 900°C abgesenkt wird, ohne daß es zu einer unvollkommenen Verbrennung kommt oder die Flamme erlischt. Für eine sauerstoffreiche vollkommene nichtkataly­ tische Verbrennung sind u. a. Flammentemperaturen oberhalb von 900°C erforderlich.

Daß die Mikro-Flammen brennen und niedrige Werte an unverbrannten Bestandteilen erzielen, obwohl die mittlere Oberflächentemperatur der Brennerplatte unterhalb der erfor­ derlichen Reaktionstemperatur liegt, ist darauf zurückzufüh­ ren, daß sie im Inneren der Querschnittserweiterungen durch das Material der Brennerplatte thermisch abgeschirmt und dadurch gegen eine Abkühlung geschützt sind. Auch besteht nicht die Gefahr, daß Abgas oder andere schädliche Gase in die Flammen eintritt bzw. eintreten. Abgas würde neben einer Kühlung der Flammen einen Verdünnungs- und Löscheffekt bewirken, da es im wesentlichen aus den inerten Bestandtei­ len CO₂ und N₂ besteht.

Auf diese Weise läßt sich die Flammentemperatur auch bei niedriger spez. Leistung der Brennerplatte auf einem Niveau in der Größenordnung oberhalb von 900°C halten, bei dem nicht nur ein Erlöschen der Flammen vermieden wird, sondern bei dem sich darüber hinaus eine schadstoffarme Verbrennung, insbesondere eine CO-arme Verbrennung einstellt.

Verbrennungstemperatur und Verweilzeit reichen für eine nahezu vollständige Umsetzung von CO in CO₂ aus.

Die Position der Flammen innerhalb der Hohlräume hängt von der Wärmestromdichte ab. Bei niedriger Wärmestromdichte befinden sich die Flammen innerhalb der Brennerplatte und werden vor Auskühlung geschützt. Bei hoher Wärmestromdichte ist die Temperatur der Brennerplatte ausreichend hoch, so daß die Flammen auf der außenseitigen Fläche der Brenner­ platte brennen können zwischen dieser Flammenposition und dem Beginn der Querschnittserweiterung am Übergang zu den Durchtrittskanälen ist jede Position möglich. Je tiefer die Flammen in die Querschnittserweiterungen hineinwandern, desto geringer wird die Oberflächentemperatur der Brenner­ plätte und desto stärker wirkt sich die Flammenabschirmung aus. Ein Hineinwandern der Flammen in die Durchtrittskanäle ist nicht möglich, da deren Querschnittsmaße kleiner als der Löschabstand der Verbrennung sind.

Die Querschnittserweiterungen können stetig vom aus­ trittseitigen Ende der Durchtrittskanäle zur Austrittsseite der Brennerplatte verlaufen. Die Querchnittserweiterungen sind dann trichterförmig ausgebildet. Bevorzugt wird man die Querschnittserweiterungen sprunghaft ausbilden. Auf diese Weise entsteht in jeder Querschnittserweiterung mindestens eine Stufe, die eine gewisse Flammenhaltewirkung erzeugt. Als besonders vorteilhaft hat sich eine achssenkrechte Stufe am Übergang zum jeweiligen Durchtrittskanal erwiesen. Daran können sich dann in Strömungsrichtung weitere Stufen anschließen, die durch zylindrische oder konische Flächenab­ schnitte miteinander verbunden sind. Im einfachsten Falle werden die Querschnittserweiterungen jeweils von einer einzigen zylindrischen Bohrung gebildet.

In wesentlicher Weiterbildung der Erfindung wird vorge­ schlagen, daß die Brennerplatte eine austrittseitige Abdeck­ platte mit den Querschnittserweiterungen zugeordneten Öff­ nungen trägt, deren Querschnittsmaße größer als der Löschab­ stand der Verbrennung und höchstens gleich denen der aus­ trittseitigen Enden der zugeordneten Querschnittserweiterun­ gen sind.

Bei hoher Wärmestromdichte brennen die Flammen auf der austrittseitigen Fläche der Abdeckplatte. Da die Quer­ schnittsmaße von deren Öffnungen größer als der Löschabstand der Verbrennung sind, können die Flammen bei Verminderung der Wärmestromdichte durch diese Öffnungen hindurchwandern und ins Innere der Querschnittserweiterungen der Brenner­ platte eintreten.

Sind die Öffnungen der Abdeckplatte enger als die aus­ trittseitigen Enden der Querschnittserweiterungen der Bren­ nerplatte, so verbessert sich die Flammenabschirmung. Bei gleichen Abmaßen besteht die Möglichkeit, die austrittseiti­ ge Wärmeleitfähigkeit der Brennerplatte zu reduzieren. In jedem Falle ist es vorteilhaft, die Brennerplatte oder die Abdeckplatte oder die Brennerplatte und die Abdeck­ platte aus einem Material mit niedriger Wärmeleitfähigkeit herzustellen. Insbesondere wird man die Wärmeleitfähigkeit der Abdeckplatte geringer als die der Brennerplatte wählen, vor allem dann, wenn geeignetes Material mit niedrigerer Wärmeleitfähigkeit kostengünstig verfügbar ist. Ferner wird vorgeschlagen, daß das Material mit niedriger Wärmeleitfä­ higkeit ein keramisches Material ist, vorzugsweise Cordierit oder Aluminiumtitanat.

Bei denn Durchtrittskanälen handelt es sich vorzugsweise um Bohrungen mit einem Durchmesser von ca. 0,6 bis 1,2 mm, wobei die Länge der Durchtrittskanäle ca. dem 4-fachen bis 15-fachen ihres Durchmessers entspricht.

Bei den Querschnittserweiterungen handelt es sich vor­ zugsweise um Bohrungen mit einem Durchmesser von ca. 1,5 bis 3 mm, wobei die Länge der Bohrungen ca. dem 1-fachen bis 3-fachen ihres Durchmessers entspricht.

Besteht die Brennerplatte aus keramischem Material, so können die Bohrungen bei der Herstellung der Brennerplatte eingepreßt werden. Sie verlaufen vorzugsweise senkrecht zur austrittseitigen Fläche der Brennerplatte.

In der Regel wird man die Durchtrittskanäle mit ihren Querschnittserweiterungen in einem regelmäßigen Muster auf der Brennerplatte verteilen. Der gegenseitige Abstand wird so gewählt, daß ein sicheres Überzünden der Verbrennung über die Fläche der Brennerplatte gewährleistet ist. Hierzu ent­ spricht der Abstand zwischen benachbarten Durchtrittskanälen vorzugsweise ca. dem 1,5-fachen bis 6-fachen ihres Durchmes­ sers. Die Abstände in Längsrichtung der Brennerplatte können kürzer oder länger sein als die Abstände in Querrichtung. Wie bereits erwähnt, wird man ein regelmäßiges Muster bevor­ zugen. Allerdings besteht auch die Möglichkeit, die Brenner­ platte mit Bereichen unterschiedlicher Flammendichte auszu­ statten.

Die Erfindung wird im folgenden anhand bevorzugter Aus­ führungsbeispiele im Zusammenhang mit der beiliegenden Zeichnung näher erläutert. Die Zeichnung zeigt in:

Fig. 1 einen schematischen Teilschnitt durch eine erste Ausführungsform;

Fig. 2 einen Schnitt entsprechend Fig. 1 durch eine zweite Ausführungsform.

Der Schnitt nach Fig. 1 zeigt einen Teil einer Brenner­ platte 1, und zwar am Ort eines Durchtrittskanals 2, in den vom unteren Ende her ein Erdgas-Luft-Gemisch eingeleitet wird. Die Brennerplatte 1 gehört zu einem Flächenbrenner und ist daher mit einer Vielzahl von Durchtrittskanäle 2 verse­ hen.

Wie dargestellt, geht der Durchtrittskanal 2 in eine sprunghafte Querschnittserweiterung 3 in Form eines zylindri­ schen Hohlraums über, und zwar unter Bildung einer Stufe 4, die eine Abrißkante darstellt.

Fig. 1 zeigt eine Flamme 5, die sich an der Stufe 4 ge­ bildet hat und völlig im Inneren des Hohlraums liegt. Dies entspricht der minimalen Wärmestromdichte der Verbrennung. Die Oberflächentemperatur auf der austrittseitigen Fläche der Brennerplatte 1 befindet sich auf ihrem Minimum. Dennoch kommt es im Inneren des Hohlraums zu einer schadstoffarmen Verbrennung, da die Flamme 5 entsprechend abgeschirmt ist.

Zum einen besitzt die Brennerplatte 1 eine geringe Wär­ meleitfähigkeit und verhindert daher eine Kühlung der Flamme 5. Zum anderen ist die Flamme 5 gegen den schädlichen Zutritt von Gasen, wie z. B. Abgas oder Luft geschützt. Die Gase können also keine auf Kühlung und Verdünnung zurückzu­ führende Löschwirkung ausüben.

Bei Erhöhung der spezifischen thermischen Leistung wan­ dert die Flamme 5 fortschreitend zur austrittsseitigen Flä­ che der Brennerplatte 1 und steht bei maximaler Wär­ mestromdichte auf dieser Fläche. Die Wärmeabstrahlung erreicht dabei ihr Maximum.

Der Durchmesser der Querschnittserweiterung 3 ist größer als der Löschabstand der Verbrennung, so daß die Flamme 5 im Hohlraum ungehindert aufwärts und abwärts wandern kann. Der Durchmesser des Durchtrittskanals 2 hingegen ist kleiner als der Löschabstand der Verbrennung. Die Stufe 4 bildet also die innere Endposition für die Flamme 5.

Die Brennerplatte 1 besteht aus keramischem Material niedriger Wärmeleitfähigkeit, wobei die Durchtrittskanäle 2 und die Hohlräume bei der Fertigung der Brennerplatte 1 in diese eingepreßt worden sind.

Die Ausführungsform nach Fig. 2 unterscheidet sich von der nach Fig. 1 dadurch, daß auf der austrittseitigen Flä­ che der Brennerplatte 1 eine Abdeckplatte 6 mit Öffnungen 7 angeordnet ist, wobei die Öffnungen 7 den Querschnittserwei­ terungen 3 und damit den Durchtrittskanälen 2 zugeordnet sind. Der Durchmesser der Öffnungen 7 ist kleiner als der der Querschnittserweiterungen 3, jedoch immer noch größer als der Löschabstand der Verbrennung. Die Flammen 5 können also durch die Öffnungen 7 hindurchwandern, wobei sie bei maximaler Wärmestromdichte auf der austrittseitigen Fläche der Abdeckplatte 6 sitzen. Ihre Rückkehr in die Hohlräume ist unbehindert möglich.

Die Abdeckplatte 6 schnürt also die Austrittsenden der Hohlräume ein und verbessert auf diese Weise die Abschirmung der Flammen 5. Auch kann die thermische Abschirmung verbes­ sert werden, und zwar insbesondere dann, wenn die Wärmeleit­ fähigkeit der Abdeckplatte 6 geringer als die der Brenner­ platte 1 ist.

Im Rahmen der Erfindung besteht durchaus die Möglichkeit zu Abwandlungen. So können die Öffnungen der Abdeckplatte an den Querschnitt der Hohlräume angepaßt sein. Auch besteht die Möglichkeit, andere als keramische Materialien für die Brennerplatte und die Abdeckplatte zu verwenden, wobei allerdings auf geringe Wärmeleitfähigkeit zu achten ist. Die Querschnittsformen der Durchtrittsöffnungen und der Quer­ schnittserweiterungen müssen nicht, wie angegeben, kreisför­ mig sein, sondern können beliebig gewählt werden (polygonal, schlitzförmig etc.) und können auch als poröses Material dargestellt sein, solange die jeweiligen Verhältnisse zum Löschabstand eingehalten werden. Anstelle der sprunghaften Querschnittserweiterungen sind auch stetige, also konische Querschnittserweiterungen denkbar. Ferner können mehrere Stufen gebildet werden, die durch konisch oder zylindrische Flächenabschnitte miteinander in Verbindung stehen.

Claims (10)

1. Brennerplatte (1) für einen Flächenbrenner zum Ver­ brennen eines Gemischs aus einem Brenngas und einem Sauer­ stoffträgergas, mit Gemisch-Durchtrittskanälen (2), deren Querschnittsmaße kleiner als der Löschabstand der Verbren­ nung sind, dadurch gekennzeichnet, daß sich an die Durchtrittskanäle (2) austrittseitig jeweils eine Querschnittserweiterung (3) anschließt, deren Querschnittsmaße größer als der Löschabstand der Verbrennung sind.

2. Brennerplatte nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die Querchnittserweiterungen (3) jeweils sprunghaft ausgebildet sind.

3. Brennerplatte nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine austrittseitige Abdeckplatte (6) mit den Quer­ schnittserweiterungen (3) zugeordneten Öffnungen (7), deren Querschnittsmaße größer als der Löschabstand der Verbrennung und höchstens gleich denen der austrittseitigen Enden der zugeordneten Querschnittserweiterungen (3) sind.

4. Brennerplatte nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennerplatte (1) oder die Abdeckplatte (6) oder die Brennerplatte und die Abdeckplatte aus einem Material mit niedriger Wärmeleitfähigkeit beste­ hen.

5. Brennerplatte nach Anspruch 4, dadurch gekennzeich­ net, daß die Wärmeleitfähigkeit der Abdeckplatte (6) gerin­ ger als die der Brennerplatte (1) ist.

6. Brennerplatte nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Material mit niedriger Wärmeleitfähigkeit ein keramisches Material ist, vorzugsweise Cordierit oder Aluminiumtitanat.

7. Brennerplatte nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchtrittskanäle (2) Boh­ rungen mit einem Durchmesser von ca. 0,6 bis 1,2 mm sind.

8. Brennerplatte nach Anspruch 7, dadurch gekennzeich­ net, daß die Länge der Durchtrittskanäle (2) dem 4-fachen bis 15-fachen ihres Durchmessers entspricht.

9. Brennerplatte nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Querschnittserweiterungen (3) Bohrungen mit einem Durchmesser von 1,5 bis 3 mm sind.

10. Brennerplatte nach Anspruch 9, dadurch gekennzeich­ net, daß die Länge der Bohrungen dem 1-fachen bis 3-fachen ihres Durchmessers entspricht.