DE69803085T2

DE69803085T2 - Brennermembrane, die eine genadelte metallfaserschicht beinhaltet

Info

Publication number: DE69803085T2
Application number: DE69803085T
Authority: DE
Inventors: Gabriel Dewaegheneire; Eddy Lambert
Original assignee: Bekaert NV SA
Current assignee: Bekaert NV SA
Priority date: 1997-10-02
Filing date: 1998-09-29
Publication date: 2002-07-04
Anticipated expiration: 2018-09-30
Also published as: WO1999018393A1; BE1011478A3; EP1019656B1; EP1019656A1; DE69803085D1; US6607998B1; ATE211236T1; JP2001519519A; JP3979785B2; US20040087234A1

Description

Gebiet der Erfindung.

Die Erfindung betrifft eine Brennermembrane, die wärmebeständige rostfreie Stahlfasern aufweist.

Hintergrund der Erfindung.

Es sind bereits eine Anzahl von Typen von Brennermembranen bekannt, die aus wärmebeständigen rostfreien Stahlfasern zusammengesetzt sind, die z. B. eine gesinterte Metallfaserbahn oder eine gestrickte Metallfaserstruktur aufweisen. Das europäische Patent EP 0 348 993 offenbart eine Brennermembrane, die durch Nadelstechen eines nicht gewebten Textils aus rostfreien Stahlfasern hergestellt ist.
Jedoch zeigt die Verwendung einer gesinterten Bahn als Brennermembrane, wie in dem europäischen Patent EP 0 157 432 (Prioritätsdatum: 1984) beschrieben, einige Nachteile.
Beispielsweise ist die Porosität einer gesinterten Metallfaserbahn als solcher häufig nicht ausreichend homogen, sodass der Gasfluss durch die Membrane nicht ausreichend gleichmäßig ist. Das axiale Temperaturgefälle, das sich während des Brennens durch die Brennermembrane hindurch einstellt, führt zu einer nicht homogenen thermischen Ausdehnung und mechanischen [Spannung]. Nach einer Anzahl von Heiz- und Kühlzyklen können diese Spannungen zu Brüchen oder Rissen in der Membrane führen. Diese Nachteile können teilweise überwunden werden, indem man die Oberfläche der Brennermembrane mit einem regelmäßigen Muster von Perforationen oder einem gitterartigen Muster von Nuten versieht, wie etwa in der PCT- Patentanmeldung W093/18342 (Prioritätsdatum: 1992) bzw. dem europäischen Patent EP 0 390 255 (Prioritätsdatum: 1989) beschrieben, die beide vom Anmelder eingereicht wurden.
Ferner ist eine Brennermembrane, die aus einer gesinterten Metallfaserbahn zusammengesetzt ist, nur in beschränktem Ausmaß verformbar, was auch einen signifikanten Nachteil darstellt.
Aus Metallfasern zusammengesetzte gestrickte Membranen, wie in der PCT- Patentanmeldung WO97/04152 (Prioritätsdatum: 1995) des Anmelders beschrieben, überwinden die vorgenannten Nachteile in signifikantem Ausmaß, wobei aber ihre Konstruktion relativ kompliziert ist.

Zusammenfassung der Erfindung.

Aufgabe der Erfindung ist es, die Nachteile der vorgenannten Typen von Brennermembranen zu überwinden und eine Metallfaser-Brennermembrane anzugeben, die eine hohe und nahezu homogene Porosität besitzt und die im großen Ausmaß verformbar ist. Ferner besitzt die Membrane eine beträchtliche mechanische Kohäsion und Festigkeit und kann in einer billigen und einfachen Weise hergestellt werden.
Hierzu sieht die Erfindung eine Brennermembrane vor, die zumindest eine Schicht aufweist, die aus einer komprimierten genadelten Faserbahn besteht, die aus hitzebeständigen rostfreien Stahlfasern zusammengesetzt ist. Die Porosität der Brennermembrane beträgt zwischen 60% und 95%.
Die hitzebeständigen rostfreien Stahlfaserbündel, die in der Faserbahn enthalten sind und die beispielsweise aus Fecralloy® zusammengesetzt sind, können mittels der Bündelziehtechnik erhalten werden, wie in dem U.S. Patent 3379000 beschrieben ist, oder durch Abschälen des gerollten Rands einer Metallfolienrolle, wie im U.S. Patent 4930199 beschrieben, oder direkt aus der Schmelze, beispielsweise durch Extrusion, wie im U.S. Patent 5524704 beschrieben.
In Bezug auf die vorliegende Erfindung sind die besseren Fasern jene, die durch Abschälen des gerollten Rands einer Metallfolienrolle erhalten werden, wie im U.S. Patent 4930199 beschrieben. Der Grund hierfür ist, dass sie keinen runden Transversalquerschnitt haben, was erlaubt, dass diese während des Nadelvorgangs zu einer noch kohärenteren Struktur verschlungen werden.
Die Stahlfasern haben einen äquivalenten Durchmesser von zwischen 5 um und 150 um, bevorzugt zwischen 10 um und 50 um. Der äquivalente Durchmesser ist hier definiert als der Durchmesser einer imaginären runden Faser mit dem gleichen Querschnitt wie dem de fraglichen realen Faser.
Abgesehen hiervon kann zur Herstellung der Faserbahn auch Stahlwolle verwendet werden.
Die erfindungsgemäße Brennermembrane kann erhalten und der Sinterschritt der Bahn kann vermieden werden durch:
a) Vorsehen einer Faserbahn, die aus hitzebeständigen rostfreien Stahlfasern zusammengesetzt ist, ob mehrlagig oder nicht;
b) Nadeln der Faserbahn;
c) Komprimieren der genadelten Faserbahn zu einer gewünschten Porosität, beispielsweise mittels eines Walz- oder Pressvorgangs.
Das Komprimieren erfolgt, um der Membrane die gewünschte Stabilität zu geben. Die genadelte-Faserbahn kann zu einem derartigen Grad komprimiert werden, dass Kaltschweißungen gerade vermieden werden.
Eine entsprechend gebildete Brennermembrane kann durch Nadeln einer flachen, rohrförmigen, zylindrischen oder konischen Metallfaserbahn erhalten werden.
Die erfindungsgemäße Brennermembrane hat eine nahezu homogene Porosität, die zwischen 60% und 95% liegt, und bevorzugt zwischen 80% und 95%. Dies macht es möglich, große und gleichmäßige Gasströmungen zu nutzen.
Das Gewicht der Brennermembrane beträgt zwischen 400 g/m² und 4000 g/m² und beträgt bevorzugt zwischen 1000 g/m² und 2500 g/m².
Das Nadeln oder Nadelstechen kann durch Stechen der Metallfaserbahn mittels eines Nadelbetts erfolgen. Aufgrund dieses Vorgangs werden die Metallfasern miteinander verschlungen, eine Tatsache, die eine beträchtliche mechanische Kohäsion und Festigkeit verleiht, jedoch die gute Verformbarkeit des genadelten Filzes noch nicht beeinträchtigt und noch nicht zu einer unakzeptablen Porositätsabnahme führt. Während des Nadelvorgangs muss darauf geachtet werden, die gleiche Stelle nicht zwei oder mehrere Male zu stechen, da dies die Homogenität der Bahn senken könnte. Ferner kann die thermische Ausdehnung der Brennermembran ungehindert stattfinden, und es besteht nahezu keine Gefahr, dass Brüche oder Risse auftreten.
Eine genadelte Bahn aus Keramikfasern für Brenner ist in der Technik bekannt, z. B. in der US-A-5,024,596 (Prioritätsdatum: 1985). Das Nadeln einer Bahn aus Keramikfasern erfolgt, um die Verwendung eines Bindemittels zu vermeiden und um die Keramikfaserbahn, infolge des Vermeidens des Bindemittels, biegsamer zu machen. Jedoch ist im Hinblick auf die Sprödigkeit der Keramikfasern der Kompressionsgrad der genadelten Faserbahn sehr beschränkt.
Um die Homogenität des Gasflusses noch weiter zu verbessern, kann die erfindungsgemäße Brennermembrane in einem regelmäßigen Muster über zumindest einen Teil ihrer Oberfläche perforiert werden, beispielsweise durch mechanische Mittel oder mit der Hilfe von Lasertechniken.
Die Bahnformung, Nadlung und Kompression und in einigen Fällen Perforation kann nacheinander auf einer einzigen Herstellungslinie durchgeführt werden, was die Herstellung der Brennermembrane relativ einfach und billig macht.
Die erfindungsgemäße Brennermembrane kann auch mit Substanzen beschichtet werden, die die Oxidation des Brennstoffgemisches aktivieren.
In einer alternativen Ausführung kann die genadelte Metallfaserbahn, ob mehrlagig oder nicht, kalt isostatisch gepresst werden, sodass an einer oder beiden Seiten der Bahn eine glatte Oberfläche erhalten wird. Das Prinzip des kalten isostatischen Pressens ist in dem europäischen Patent EP 0329863 des Anmelders beschrieben.
Ferner kann, zusätzlich zu der genadelten Faserbahn, ein anderes Metallfasernetzwerk, wie etwa ein gewobenes oder gestricktes Textil, in die erfindungsgemäße Brennermembrane eingebaut werden.

Beschreibung einer bevorzugten Ausführung der Erfindung.

Beispiel

Eine erfindungsgemäße Brennermembrane wurde aus Fecralloy® hitzebeständigen rostfreien Stahlfasern mit einem äquivalenten Durchmesser von 35 um hergestellt. Vier Metallfaserbahnen wurden aufeinandergestapelt und genadelt, um einen mehrlagigen genadelten Filz mit einem Gewicht von 1580 g/m² herzustellen. Dieser genadelte Filz wurde zwischen zwei rostfreien Stahlplatten angeordnet und mit einem Druck von 200 bar gewalzt, um eine Membrane mit einer Dicke von 1,5 mm und einer nahezu homogenen Porosität von 85,7% zu bilden.
Die so erhaltene (flache) Brennermembrane wurde als Teil eines Oberflächenbrenners für Gas verwendet und wurde in einem Bestrahlungssystem und einem Blauflammensystem bei Wärmeflüssen von 100 bis 5000 kW/m² getestet.
Die hohe homogene Porosität der Brennermembrane führt zu einer sehr homogenen Verbrennung und ermöglicht die Verwendung starker Gasflüsse.
Zusätzlich hat die Brennermembrane eine gute Verformbarkeit und eine substanzielle mechanische Haltbarkeit.
Ferner ist, als Folge der sehr offenen Struktur der Brennermembrane, für das zu verbrennende Gasgemisch kein Filter erforderlich.
Die Wahrscheinlichkeit von Flammenresonanz ist sehr klein, sodass u. a. die Störung von Pfeiftönen vermieden wird.
Ferner bietet die erfindungsgemäße Membrane eine gute Beständigkeit gegen Flammenrückschlag, sowohl bei unter- als auch überstöchiometrischer Verbrennung von (z. B.) Methan, Ethan, Propan und Butan oder von Gasen, die Wasserstoff und/oder Kohlenmonoxid enthalten.
Ferner bietet die erfindungsgemäße Membrane den Vorteil, dass die erforderliche Zeitspanne zum Aufwärmen oder Abkühlen extrem kurz ist, sodass eine sehr starke Wärmeflussänderung in einer sehr kurzen Zeit (in der Größenordnung von Sekunden) realisiert werden kann. Daher findet der Wechsel von einem Verbrennungssystem zu einem anderen sehr glatt statt, und die Abkühlzeit ist sehr kurz. Diese schnelle Reaktion ist aus dem Gesichtspunkt der Sicherheit sehr vorteilhaft.

Claims

1. Brennermembrane, die zumindest eine Schicht aufweist, die aus einer genadelten Faserbahn besteht, welche komprimiert ist und welche eine Porosität von zwischen 60% und 95% besitzt, und die aus hitzebeständigen rostfreien Stahlfasern aufgebaut ist.

2. Brennermembrane nach Anspruch 1, in der die Porosität der genadelten Faserbahn zwischen 80% und 95% beträgt.

3. Brennermembrane nach Anspruch 1, in der die Faserbahn aus Stahlfasern besteht, die einen äquivalenten Durchmesser von zwischen 5 um und 150 um aufweisen.

4. Brennermembrane nach Anspruch 3, in der die Faserbahn aus Stahlfasern besteht, die einen äquivalenten Durchmesser von zwischen 10 um und 50 um aufweisen.

5. Brennermembrane nach Anspruch 1, in der das Gewicht der Faserbahn zwischen 400 g/m² und 4000 g/m² beträgt.

6. Brennermembrane nach Anspruch 5, in der das Gewicht der Faserbahn zwischen 1000 g/m² und 2500 g/m² beträgt.

7. Brennermembrane nach Anspruch 1, die über zumindest einen Teil ihrer Oberfläche mit einem regelmäßigen Perforationsmuster versehen ist.

8. Brennermembrane nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin die Stahlfasern durch Abschälen des gerollten Rands einer Metallfolienrolle erhalten sind.

9. Verfahren zur Herstellung einer Brennermembrane nach Anspruch 1, das die folgenden Schritte aufweist:

(a) Vorsehen einer aus Metallfasern zusammengesetzten Faserbahn;

(b) Nadeln der Faserbahn;

(c) Komprimieren der genadelten Faserbahn auf die gewünschte Porosität.

10. Verfahren nach Anspruch 9, worin das Verfahren zum Vermeiden eines Sintervorgangs bei der Herstellung einer Brennermembrane benutzt wird.

11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, worin das Komprimieren der genadelten Faserbahn auf einen solchen Grad erfolgt, dass Kaltschweißungen zwischen den einzelnen Fasern vermieden werden.

12. Verwendung einer Brennermembrane nach Anspruch 1 oder 7 als Teil eines Oberflächenbrenners für Gas.