WO2009087126A2 - Plattenförmiger keramischer wärmestrahlkörper eines infrarot-flächenstrahlers - Google Patents

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heat radiating
ceramic heat
radiating body
ceramic
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Wieland Beckert
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    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23D—BURNERS
    • F23D14/00—Burners for combustion of a gas, e.g. of a gas stored under pressure as a liquid
    • F23D14/12—Radiant burners
    • F23D14/14—Radiant burners using screens or perforated plates
    • F23D14/147—Radiant burners using screens or perforated plates with perforated plates as radiation intensifying means
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23D—BURNERS
    • F23D2203/00—Gaseous fuel burners
    • F23D2203/10—Flame diffusing means
    • F23D2203/102—Flame diffusing means using perforated plates
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23D—BURNERS
    • F23D2212/00—Burner material specifications
    • F23D2212/10—Burner material specifications ceramic

Definitions

  • the invention relates to the field of materials science and relates to a plate-shaped ceramic heat radiating body of an infrared panel radiator, as it can be used for example in dry systems for drying paper or board webs or for the heating of buildings or halls.
  • infrared panel radiators consist essentially of a burner system with at least one burner plate which burns a fluid-air mixture with a variety of flames and thus heats a previously arranged heat radiating body, the energy as infrared radiation to the opposite Page yields. This infrared radiation then serves for drying or heating.
  • the heat radiating body a variety of contains continuous, acting as a cavity radiator channels, in which the ratio wall surface / cross-sectional area in the flame-free area greater than 10, preferably greater than / equal to 20, is.
  • the heat radiating body is advantageously formed of ceramic.
  • a plate is mounted in front of the combustion zone and heated by the rear side, wherein the exhaust gases are passed through the plate. Overall, this results in a very strong warming of this heat radiation body, which in turn can give off a high thermal radiation to the environment.
  • heat radiating plate different structured materials can be used, for example wire mesh, fiber felts or open-celled Foam ceramic, as described for example in US 3,912,443 A or EP 04 15 008 A1. In some cases, the combustion may still take place in the heat radiating body, as described in principle in EP 06 57 011 A1.
  • heat radiating bodies which are formed as a channel-shaped cavity radiators, i. plates are used which have a plurality of channels with a certain length to diameter ratio.
  • the channels are aligned parallel to the direction of radiation, i. perpendicular to the plate surface, thus acting as a nearly black radiator, i. with a very high emission coefficient.
  • ceramics are particularly suitable for these applications since others, e.g. Metallic materials do not have sufficient high temperature stability and durability.
  • non-oxide ceramics such as silicon nitride or silicon carbide ceramics
  • dense monolithic ceramics possess the highest rigidity (modulus of elasticity), which results in high thermal stresses as a result of locally different thermal expansions.
  • rigidity which is known to be possible through fine pores in the structure.
  • Fine porosity means pore sizes which are significantly smaller than the channel diameter of the heat radiating bodies.
  • the channel diameters of known heat radiating plates are in the mm range, while the fine porosity of ceramic materials is typically below 0.1 mm average pore size.
  • Carbon fiber reinforced SiC materials would have reduced strength after firing of the carbon fibers, but also reduced stiffness, as the burned fibers leave pore channels. Or, special porous nonoxide ceramics containing sufficiently fine porosity, such as recrystallized silicon carbide, could be used.
  • the object of the invention is therefore to provide a plate-shaped ceramic heat radiating body of an infrared panel radiator, which has a high emissivity and at the same time has a high resistance to cracking.
  • the edge sides of the plate which are subject to increased tension during heating, a macroscopic structure with structurings> 0.5 mm, through which the outer edge circumference of the plate relative to the edge circumference of the known plate-shaped ceramic heat radiating body is increased by at least 25%.
  • all four edge sides of the heat radiation body have a macroscopic structure.
  • edge sides have macroscopic structuring over their entire surface.
  • the macroscopic structuring partially correspond to the shape and size of the channels in longitudinal section in the heat radiation body.
  • the outer edge circumference of the plate is increased by 25 to 300%, more advantageously by 90 to 200%.
  • the plate consists of silicon carbide and / or silicon nitride ceramic.
  • the ceramic material of the heat radiating body has an overall porosity of 3-15% and an open porosity of ⁇ 10%. And it is also advantageous when the plate-shaped body is segmented, even more advantageously when the plate-shaped body is divided into half segments, in quarter or third segments.
  • the entire system consisting of gas supply / air mixture, burner plate, radiant heat body, frame / fasteners / brackets is to be understood by an infrared panel radiator.
  • a ceramic plate with channels or of a highly porous material which is heated on the back of the burner plate and emits heat radiation (infrared radiation) to the opposite environment on the front.
  • the high resistance to cracking is achieved by the edge sides of the plate, at least on the sides, which are subject to an increased tensile stress during heating, provided with a macroscopic structure that the outer edge circumference compared to a plate according to the state of the art with smooth edge increase by at least 25%. It should be understood under the edge sides of the plate, the four in terms of area smallest sides of the plate.
  • macroscopic structuring should be understood to mean a geometric design of the edge surfaces which has at least feature sizes of> 0.5 mm and thus differs from the surface enlargement due to roughness increase.
  • the outer peripheral edge of the plate is understood to be the length of the delimiting outer lines of the projection of the plate in the direction of radiation, that is to say the outer delimiting line of the plate.
  • the structuring can be parallel or run obliquely or tapering to the direction of radiation, that is, the extent of different plate sections may also be different.
  • a particular advantage of the solution according to the invention is that the heat radiation body according to the invention in addition to a high resistance to cracking also has a high oxidation stability.
  • the pores are contained in a total amount of 3-15% and the proportion of open pores is less than 10%, advantageously less than 8%.
  • Under total porosity is understood to mean the total volume of pores, which is determined from the ratio of the bulk density and the true density of the ceramic.
  • open porosity is meant the volume of pores accessible from the outside and e.g. is determined by weighing the water absorption. With this small amount of pores, it is ensured that the oxygen transport is so severely limited that the internal oxidation of the plates is very low and the plates achieve a long service life. At the same time, due to the low content, the strength of the plates is only slightly reduced while the elasticity is increased, ie the modulus of elasticity is reduced.
  • Silicon carbide and silicon nitride ceramics in particular, can be used to advantage as non-oxide ceramics, ie ceramics which consist predominantly of silicon carbide or silicon nitride.
  • heat radiating plates have lateral dimensions of about 150x200 mm or 130x180 mm and thicknesses of 5-25 mm. These are, as described in DE 199 01 145 A1, mounted in front of the burner plate or special burner nozzle assemblies and held at the edges of a metal frame, with intermediate strips of a thermal insulation material. Of the Frame is gas-tight connected to the back of the burner, which contains fasteners, gas mixture and gas supply connections.
  • the heat radiation body plates can therefore be segmented and the individual heat radiating body plate segments are used in a radiator.
  • too many and small partitions are counterproductive because they are more difficult to enclose in the support frame.
  • the plates are then placed side by side in the frame.
  • the segmentation reduces the thermo-mechanical stresses in the plates and reduces the susceptibility to cracking.
  • half-finished panels these often tear the two outer panels on the inner sides during heating or cooling on the inner sides and on the one-third or quarter panels.
  • the susceptibility to cracking completely disappears if at least one of the outer edge sides of the plates is geometrically designed such that they have a resistance to a smooth edge of the plate has at least 25% increased circumference and this edge side is used on the most crack-prone side.
  • all sides of the plates can be provided with a structured edge, since this avoids the risk of a wrong position when inserting the plates in the frame.
  • the structuring leads to a significantly further increase in the circumference, than 25%; e.g. has a 30, 50, 90%, up to 300% larger circumference than straight, unstructured plate sides.
  • the macroscopic structures are produced by guiding the channels or large pores of the heat radiation body beyond the edge of the plate, whereby, for example, channels with round cross sections and uniform arrangement, the channels each have semicircular recesses in cross section. If the channels have a different cross-sectional shape or arrangement, the recesses of the structuring also each have a different shape, wherein in these cases, the recesses of the structuring in cross-section always partially have the cross-sectional shape of the channels. When using a large pore ceramic material for the heat radiation body, the edges are completely irregular in cross-sectional and surface shape.
  • edges by special edge processing in each desired manner, on the one hand allows the largest possible increase in the edge circumference, on the other hand makes the plate still implementable in the existing brackets or devices.
  • Fig. 1 a heat radiation body plate (1) according to the prior art with 180x130x10 mm in plan view or as a projection in the emission direction of Surface 180x130 made of a ceramic (2) with continuous cylindrical channels (3) with diameters of 4 mm and lengths of 10 mm parallel to the direction of radiation.
  • Figure 2 in the projection of three identical heat radiating body panel segments (4) according to the prior art with dimensions of 60x130x10 mm and with straight edge circumference, which side by side arranged a heat radiating body plate 180x130x10 mm. (27) shows areas on the inner sides of the segments where cracking occurs during rapid heating.
  • Fig. 3 in the projection of an inventive heat radiating plate segment (5) with the dimensions 60x130x10 mm, in which all 4 sides (6) have a structured edge circumference, which is a total of 38% greater than that of the segments (4).
  • Fig. 4 in the projection of an inventive heat radiating plate segment (7) with the dimensions 60x130x10 mm, in which one side (9) has a structured edge circumference, which is compared to the unstructured edge periphery (8) increased by 30%.
  • Fig. 5 in the projection another possibility of embodiment of a heat radiating body panel segment (10) according to the invention with the dimensions 60x130x10 mm, in which one side (12) has a structured edge circumference, which is compared to the unstructured edge periphery (11) increased by 180%.
  • Fig. 6 in the projection another possibility of the embodiment of a primallöplattensegmentes (13) according to the invention with the dimensions 60x130x10 mm, in which one side (15) has a structured edge circumference, which is compared to the unstructured edge periphery (14) enlarged by 50%.
  • Fig. 7 in the projection another possibility of the embodiment of a heat radiating body panel segment (16) according to the invention with the Dimensions 60x130x10 mm, which contains prismatic channels, which form hexagons in cross section and in which one side (18) has a structured edge circumference, which is compared to the unstructured edge circumference increased by 28%.
  • Fig. 8 in the projection another possibility of the embodiment of a heat radiating body plate segment (19) according to the invention with the dimensions 60x130x10 mm, which contains prismatic channels which form in cross-section squares 4x4 mm and in which one side (21) has a structured edge circumference, the compared to the unstructured edge circumference (20) is increased by 95%.
  • Fig. 10 in the projection of a three segments (24) composite heat radiating plate according to the invention with the dimensions 180x130x10mm.
  • the segments (24) correspond to the variant (5) described in FIG.
  • 60x130x10 mm heat radiating plate segments with 372 continuous, uniformly arranged, parallel cylindrical channels with a diameter of 4 mm and a length of 10 mm, all perpendicular to the plate surface 60x130, are made by hot casting a suspension of silicon carbide ceramic powder and additives, with subsequent debinding and pressureless sintering.
  • the SiC ceramic is sintered to have a 7% open porosity determined by water uptake, which is formed from small, isolated pores having a mean size of 8 ⁇ m (Determination by image evaluation on the ceramographic grinding). The total porosity is 13%.
  • the outer 4 narrow sides of the plates are processed after sintering so that no smooth outer edges arise, but that these edge sides are provided with many repeated structuring, which in detail in the form of cutouts of cylindrical channels with diameters of 4 mm; the longitudinal sides have 16 such halved cylindrical recesses, while the shorter end faces each have 12.5 of these semi-cylindrical recesses.
  • the plan view that is, in the projection perpendicular to the surface 60x130 mm results in the image shown in Fig. 3, in which all 4 sides (6) have a structured edge circumference, which has a total circumference of 525 mm, which is 38% larger than a segment with smooth edges (circumference 380 mm).
  • Each of these three heat radiating plate segments according to the invention with the dimensions 60x130x10 mm are combined to a heat radiating plate 130x180x10 mm, as in the plan view, that is, as a projection on the surface 130x180 in Fig. 10.
  • This heat radiating plate is installed in an infrared surface radiator, as described in WO 0042356, Figure 1.
  • This burner is experimentally heated with propane gas-air mixture at a gas pressure of 190000 Pa and a total power of 11 kW. After ignition, the plates are heated within a few seconds to a temperature of 1200 0 C. By interrupting the gas supply, the burner extinguishes and the plates cool down within a few minutes. This start-stop cycle is repeated 10 times without cracks appearing on the heat radiating plate segments. In a continuous operation test of 1000 h at a constant temperature of 1200 0 C, a mass gain due to oxidation of 1, 2% is recorded, after 10,000 h of 3.9%. A critical loss of strength due to oxidation is expected only at a mass increase of 5%. Comparative Example 2:
  • Heat radiating plate segments with the dimensions 60x130x10 are prepared analogously to Example 1, with the difference that they have a smooth edge without the structuring according to the invention and thus correspond to the heat radiating body plate segments according to the prior art. Three of these heat radiating plate segments with the dimensions 60x130x10 mm are combined to a heat radiating plate 130x180x10 mm, as in the plan view, that is, as a projection on the surface 130x180 shown in Figure 2. This heat radiating body plate is tested analogously as in Example 1. Even at the first heating crack on the inner side of the two outer segments ((27) in Figure 2) are recorded, which continue to grow in further cycling and lead to the rupture of individual parts of the plates to the point of complete breakage.

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Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Materialwissenschaften und betrifft einen plattenförmigen keramischen Wärmestrahlkörper eines Infrarot- Flächenstrahlers, wie er beispielsweise in Trockensystemen zur Trocknung von Papier- oder Kartonbahnen oder auch für die Beheizung von Gebäuden oder Hallen eingesetzt werden kann. Die Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, einen plattenförmigen keramischen Wärmestrahlkörper eines Infrarot-Flächenstrahlers anzugeben, der eine hohe Emissivität aufweist und gleichzeitig einen hohen Widerstand gegen Rissbildung besitzt. Die Aufgabe wird gelöst durch einen plattenförmigen keramischen Wärmestrahlkörper eines Infrarot-Flächenstrahlers, bei dem mindestens die Randseiten der Platte, die beim Aufheizen einer erhöhten Zugspannung unterliegen, eine makroskopische Strukturierung mit Strukturierungen ≥ 0,5 mm aufweisen, durch die der äußere Randumfang der Platte gegenüber dem Randumfang der bekannten plattenförmigen keramischen Wärmestrahlkörper um mindestens 25 % vergrößert ist.

Description

Plattenförmiger keramischer Wärmestrahlkörper eines Infrarot-Flächenstrahlers
Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Materialwissenschaften und betrifft einen plattenförmigen keramischen Wärmestrahlkörper eines Infrarot- Flächenstrahlers, wie er beispielsweise in Trockensystemen zur Trocknung von Papier- oder Kartonbahnen oder auch für die Beheizung von Gebäuden oder Hallen eingesetzt werden kann.
Bekannt sind Infrarot-Flächenstrahler, die im Wesentlichen aus einem Brennersystem mit mindestens einer Brennerplatte bestehen, welches ein Fluid-Luft- Gemisch mit einer Vielzahl an Flammen verbrennt und damit einen davor angeordneten Wärmestrahl körper aufheizt, der die Energie als Infrarot-Strahlung an die gegenüberliegende Seite abgibt. Diese Infrarot-Strahlung dient dann zur Trocknung oder Heizung. Nach der WO 0042356 ist ein als Flächenstrahler ausgebildeter Infrarot-Strahler mit einem Wärmestrahlkörper bekannt, der an seiner Rückseite von einem brennenden Fluid-Luft-Gemisch aus einer Brennerplatte beheizt wird und dessen Vorderseite die Infrarot-Strahlung abgibt, wobei der Wärmestrahl körper eine Vielzahl von durchgehenden, als Hohlraumstrahler wirkende Kanäle enthält, bei denen das Verhältnis Wandfläche/Querschnittsfläche im flammenfreien Bereich größer als 10, bevorzugt größer/gleich 20, ist. Dabei ist der Wärmestrahlkörper vorteilhafterweise aus Keramik ausgebildet.
Ebenfalls ist schon sehr lange bekannt, dass mit einer Vielzahl von Löchern versehene Keramikplatten als Brennerplatten von einem Gas-Luftgemisch durchströmt werden und das Gasgemisch an der Oberfläche verbrennt (DE 46 46 92 C, US 2,103,365 A). Durch die Aufheizung der Keramikplatte wird von dieser Infrarotstrahlung emittiert, was besonders erwünscht ist, da Infrarotstrahlung am effektivsten zum Aufheizen der gegenüberliegenden Umgebung führt. Spezielle Ausgestaltungen der Löcher und der Oberfläche der Brennerplatte, wie in US 4,340,357 A beschrieben, soll eine hohe Verankerung der Flammen an der Oberfläche und eine intensive Wärmeabgabe an die Platte erzeugen, wodurch diese eine höhere Ausbeute an Infrarotstrahlung abgeben kann.
Zur Steigerung des Wirkungsgrades solcher Wärmestrahler werden verschiedene Mechanismen genutzt. Z.B. wird durch Einsatz von Brennerplatten mit hohem Emissionskoeffizienten die Ausbeute an Infrarotstrahlung erhöht. Oder die absolute Temperatur der Platten wird durch eine Erhöhung der Energiedichte erhöht, wodurch die Infrarotstrahlung gesteigert werden kann.
Bei anderen bekannten Ausführungen, z.B. DE 46 65 86 C oder GB1082823 A, wird eine Platte vor der Verbrennungszone angebracht und von dieser rückseitig beheizt, wobei auch die Abgase durch die Platte geführt werden. Insgesamt ergibt sich dadurch eine sehr starke Erwärmung dieses Wärmestrahl körpers, wodurch dieser wiederum eine hohe Wärmestrahlung an die Umgebung abgeben kann.
Für eine solche Wärmestrahlkörperplatte können verschieden strukturierte Materialien benutzt werden, z.B. Drahtgeflechte, Faserfilze oder offenzellige Schaumkeramik, wie z.B. in US 3,912443 A oder EP 04 15 008 A1 beschrieben. Auch kann die Verbrennung teilweise noch in dem Wärmestrahlkörper stattfinden, wie prinzipiell in EP 06 57 011 A1 beschrieben.
Oder es wird, wie in DE 199 01 145 A1 beschrieben, eine hohe Emission von Infrarotstrahlung dadurch erreicht, dass Wärmestrahl körper benutzt werden, die als kanalförmige Hohlraumstrahler ausgebildet sind, d.h. es werden Platten benutzt, die eine Vielzahl von Kanälen mit einem bestimmten Verhältnis von Länge zu Durchmesser aufweisen. Die Kanäle sind parallel zur Abstrahlungsrichtung ausgerichtet, d.h. senkrecht zur Plattenoberfläche und wirken so als nahezu schwarzer Strahler, d.h. mit einem sehr hohen Emissionskoeffizienten.
Durch die bevorzugt auftretenden hohen Temperaturen sind speziell Keramiken für diese Anwendungen geeignet, da andere, z.B. metallische Werkstoffe keine ausreichende Hochtemperaturstabilität und Lebensdauer besitzen.
Durch den speziellen Charakter keramischer Werkstoffe, d.h. hohe Steifigkeit/geringe Verformbarkeit in Verbindung mit geringer mechanischer Stabilität unter Zugspannungen ergeben sich aber eine Reihe von Problemen beim Einsatz solcher Wärmestrahl körper-Platten, vor allem beim Aufheizen und Abkühlen der Platten. Durch das Auftreten hoher thermischer Gradienten beim Aufheizen/Abkühlen entstehen infolge der unterschiedlichen Wärmedehnung in den Platten mechanische Spannungen, die die Eigenfestigkeit der Platten übersteigen und dann zum Bruch und Versagen der Platten führen. Insofern sind Keramiken mit hoher Festigkeit, geringer Wärmedehnung und guter Wärmeleitfähigkeit bevorzugt, weil dort die Auswirkungen dieser Effekte geringer sind als bei Keramiken, die entsprechend schlechtere Eigenschaften aufweisen. Als eine Keramik mit den bevorzugten Eigenschaften ist, wie auch in DE 199 01 145 A1 beschrieben, Siliciumcarbidkeramik geeignet.
In DE 199 01 145 A1 sind verschiedene Ausgestaltungen von Wärmestrahl körper- Platten beschrieben, die sich insbesondere in der Form und den Abmaßen der Kanäle innerhalb der Wärmestrahlkörperplatten unterscheiden. Allerdings hat der Einsatz der dort beschriebenen Platten Probleme gezeigt, dahingehend, dass die Platten bei hohen Belastungen beim Aufheizen und Abkühlen infolge hoher thermischer Gradienten reißen und versagen. Die beschriebene Verstärkung der Siliciumcarbidkeramik mit Kohlefasern schafft dabei nur kurzzeitig Entlastung, da die Verstärkungswirkung infolge Oxidation der Kohlefasern bei den hohen Anwendungstemperaturen sehr schnell nachlässt und bei einem erneuten Aufheiz- /Abkühlzyklus ebenfalls Risse auftreten.
Außerdem ist bekannt, dass Nichtoxidkeramiken, wie Siliciumnitrid- oder Siliciumcarbidkeramiken, eine hohe Oxidationsstabilität bei hohen Temperaturen dadurch aufweisen, dass sie eine oberflächliche Passivierungsschicht aus Siθ2 bilden. Allerdings besitzen dichte monolithische Keramiken die höchste Steifigkeit (E- Modul), wodurch infolge lokal unterschiedlicher Wärmedehnungen hohe thermische Spannungen auftreten. Zur Verminderung der Spannungen ist es daher vorteilhaft, die Steifigkeit zu verringern, was bekanntermaßen durch feine Poren im Gefüge möglich ist. Unter feiner Porosität werden hier Porengrößen verstanden, die deutlich kleiner als die Kanaldurchmesser der Wärmestrahlkörper sind. Die Kanaldurchmesser bekannter Wärmestrahlkörper-Platten liegen im mm-Bereich, während die feine Porosität von keramischen Werkstoffen typischerweise unter 0,1 mm mittlerer Porengröße liegt.
Kohlefaserverstärkte SiC-Werkstoffe würden nach dem Verbrennen der Kohlefasern über zwar verringerte Festigkeit, aber auch eine verringerte Steifigkeit verfügen, da die verbrannten Fasern Porenkanäle hinterlassen. Oder es könnten spezielle poröse Nichtoxidkeramiken eingesetzt werden, die ausreichend feine Porosität enthalten, wie rekristallisiertes Siliciumcarbid.
Es hat sich jedoch gezeigt, dass poröse Nichtoxidkeramiken auch in den Poren oxidieren und die langfristig auftretende Bildung der kristallinen Modifikation des SiO2, Cristobalit, dann durch ungünstige Wärmedehnungseffekte zu einer Zerrüttung des Gefüges und einer völligen Zerstörung der Platten bei längerem Gebrauch führt. Dagegen sind verschiedene Gegenmaßnahmen untersucht worden, wie Dotierungen, die die Kristallisation des SiO2 verzögern sollen, oder spezielle Schutzschichten, die das Eindringen von Sauerstoff in die Poren verhindern sollen. Diese Maßnahmen wirken jedoch ebenfalls nicht dauerhaft oder sind aufwändig herzustellen und anfällig gegen Beschädigungen. Die Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, einen plattenförmigen keramischen Wärmestrahlkörper eines Infrarot-Flächenstrahlers anzugeben, der eine hohe Emissivität aufweist und gleichzeitig einen hohen Widerstand gegen Rissbildung besitzt.
Die Aufgabe wird durch die in den Ansprüchen angegebene Erfindung gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Bei dem erfindungsgemäßen plattenförmigen keramischen Wärmestrahlkörper eines Infrarot-Flächenstrahlers weisen mindestens die Randseiten der Platte, die beim Aufheizen einer erhöhten Zugspannung unterliegen, eine makroskopische Strukturierung mit Strukturierungen > 0,5 mm auf, durch die der äußere Randumfang der Platte gegenüber dem Randumfang der bekannten plattenförmigen keramischen Wärmestrahlkörper um mindestens 25 % vergrößert ist.
Vorteilhafterweise weisen alle vier Randseiten des Wärmestrahl körpers eine makroskopische Strukturierung auf.
Ebenfalls vorteilhafterweise weisen die Randseiten über ihre gesamte Fläche makroskopische Strukturierungen auf.
Weiterhin vorteilhafterweise entsprechen die makroskopischen Strukturierungen teilweise der Form und Größe der Kanäle im Längsschnitt im Wärmestrahl körper.
Vorteilhaft ist es auch, wenn der äußere Randumfang der Platte um 25 bis 300 %, noch vorteilhafterweise um 90 bis 200 % vergrößert ist.
Und auch vorteilhaft ist es, wenn die Platte aus Siliciumcarbid- und/oder Siliciumnitridkeramik besteht.
Weiterhin von Vorteil ist es, wenn das keramische Material des Wärmestrahlkörpers eine Gesamtporosität von 3 - 15 % und eine offene Porosität von <10% aufweist. Und auch vorteilhaft ist es, wenn der plattenförmige Körper segmentiert ist, noch vorteilhafterweise wenn der plattenförmige Körper in hälftige Segmente, in Vierteloder Drittelsegmente unterteilt ist.
Im Rahmen der Erfindung soll unter einem Infrarot-Flächenstrahler das Gesamtsystem, bestehend aus Gaszuführung/Luftmischung, Brennerplatte, Wärmestrahlkörper, Rahmen/Befestigungen/Halterungen verstanden werden.
Weiterhin soll im Rahmen der Erfindung unter einer Brennerplatte eine Lochplatte mit feinen Kanälen oder eine Düsenplatte oder eine Platte aus porösem Material verstanden werden, an deren Rückseite das Gas/Luftgemisch zugeführt wird, und an deren Vorderseite das Gas flächig verbrennt.
Unter dem Wärmestrahlkörper soll im Rahmen der Erfindung eine keramische Platte mit Kanälen oder aus einem hochporösem Material verstanden werden, die auf der Rückseite von der Brennerplatte beheizt wird und an der Vorderseite Wärmestrahlung (Infrarotstrahlung) an die gegenüberliegende Umgebung abgibt.
Bei den erfindungsgemäßen plattenförmigen keramischen Wärmestrahl körpern wird der hohe Widerstand gegen Rissbildung erreicht, indem die Randseiten der Platte, mindestens an den Seiten, die beim Aufheizen einer erhöhten Zugspannung unterliegen, mit einer makroskopischen Strukturierung versehen sind, die den äußeren Randumfang im Vergleich zu einer Platte nach dem Stand der Technik mit glattem Rand um mindestens 25% vergrößern. Dabei soll unter den Randseiten der Platte die vier jeweils flächenmäßig kleinsten Seiten der Platte verstanden werden.
Unter makroskopischer Strukturierung soll im Rahmen der Erfindung eine geometrische Gestaltung der Randflächen verstanden werden, die mindestens Strukturgrößen von > 0,5 mm aufweist und sich dadurch von der Oberflächenvergrößerung durch Rauhigkeitserhöhung unterscheidet. Unter äußerem Randumfang der Platte wird die Länge der begrenzenden äußeren Linien der Projektion der Platte in Abstrahlungsrichtung verstanden, also die äußere begrenzende Linie der Platte. Dabei können die Strukturierungen parallel oder schräg oder verjüngend zur Abstrahlungsrichtung verlaufen, dass heißt, dass die Umfange von verschiedenen Plattenquerschnitten auch unterschiedlich sein können.
Ein besonderer Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung besteht darin, dass der erfindungsgemäße Wärmestrahlkörper neben einem hohen Widerstand gegen Rißbildung auch eine hohe Oxidationsstabilität aufweist.
Dies wird insbesondere dann erreicht, wenn die Platten aus Nichtoxidkeramik ausgeführt werden, die Poren (offene und geschlossene Poren) in einer Gesamtmenge von 3-15% enthalten sind und der Anteil der offenen Poren unter 10%, vorteilhafterweise unter 8% liegt. Unter Gesamtporosität wird dabei das gesamte Volumen an Poren verstanden, welches aus dem Verhältnis der Rohdichte und der Reindichte der Keramik ermittelt wird. Unter offener Porosität wird das Volumen an Poren verstanden, welches von außen zugänglich ist und z.B. über die Wägung der Wasseraufnahme ermittelt wird. Mit dieser geringen Menge von Poren ist sicher gestellt, dass der Sauerstofftransport so stark eingeschränkt ist, dass die innere Oxidation der Platten sehr gering ist und die Platten eine hohe Lebensdauer erreichen. Gleichzeitig wir durch den geringen Gehalt die Festigkeit der Platten nur geringfügig verringert, während die Elastizität erhöht, also der E-Modul verringert wird.
Bei einer Gesamtporosität von >15% und offener Porosität von >10% nimmt die Anzahl miteinander verbundener Poren stark zu, so dass die innere Oxidation stark zunimmt und die Lebensdauer begrenzt wird. Bei Porenanteilen <3% ist dagegen der E-Modul so hoch, dass die Spannungen bei thermischen Gradienten höher werden, so dass die Rissanfälligkeit der Platten zu hoch wird. Als Nichtoxidkeramik ist insbesondere Siliciumcarbid- und Siliciumnitridkeramik vorteilhaft einsetzbar, also Keramik, die zu einem überwiegenden Anteil aus Siliciumcarbid oder Siliciumnitrid besteht.
Bekanntermaßen besitzen Wärmestrahlkörperplatten laterale Abmessungen von ca. 150x200 mm oder 130x180 mm und Dicken von 5-25 mm. Diese werden, wie in DE 199 01 145 A1 beschrieben, vor die Brennerplatte oder spezielle Brennerdüsenanordnungen montiert und an den Rändern von einem Metallrahmen gehalten, mit zwischenliegenden Streifen eines thermischen Isolationsmaterials. Der Rahmen ist gasdicht mit der Rückseite des Brenners verbunden, der Befestigungseinrichtungen, Gasmischung und Gasversorgungsanschlüsse enthält.
Für technische Aufgaben, wie zur Trocknung von Papierbahnen oder Hallenheizungen, werden dann mehrere Wärmestrahler nebeneinander angeordnet, um eine gleichmäßige Wärmeabstrahlung in großer Breite zu ermöglichen. Die Abmaße der Wärmestrahlerfläche können prinzipiell zwar variiert werden; allerdings nimmt bei kleineren Strahlern die Strahlungsausbeute infolge der Randverluste zu und der Aufwand für die Herstellung des gesamten Strahlers wächst unverhältnismäßig. Bei einer Vergrößerung der Fläche der Strahler nehmen die mit der Wärmedehnung verbundenen Probleme der Materialien sehr stark zu.
Zur Verringerung der Spannungen können die Wärmestrahl körperplatten deshalb segmentiert werden und die einzelnen Wärmestrahlkörperplattensegmente in einem Strahler eingesetzt werden. Allerdings sind zu viele und kleinteilige Segmentierungen kontraproduktiv, weil diese schwieriger in dem Halterahmen einzufassen sind. Es hat sich als vorteilhaft herausgestellt, bei einer typischen lateralen Strahlerfläche von z.B. insgesamt 130x180 mm, hälftige Segmente mit Abmaßen von z.B. 90x130 mm oder Drittelsegmente mit Abmaßen von 60x130 mm oder Viertelsegmente mit Abmaßen von 45x130 mm einzusetzen, d.h. die Fläche an der Längsseite zu halbieren oder zu dritteln oder zu vierteln. Die Platten werden dann nebeneinander in den Rahmen eingesetzt. Durch die Segmentierungen werden die thermomechanischen Spannungen in den Platten geringer und die Rissanfälligkeit verringert sich. Allerdings zeigt sich auch hier, dass bei den hälftig ausgeführten Platten diese an den innenliegenden Seiten und bei den Drittel- oder Viertelplatten die beiden äußeren Platten an den innenliegenden Seiten beim Aufheizen oder Abkühlen häufig reißen.
Aus diesem Grund wurde versucht, die Festigkeit der Lochplatten durch eine Verdickung des Randes an diesen Innenseiten zu steigern, jedoch ohne Erfolg.
Überraschenderweise zeigte sich jedoch erfindungsgemäß, dass die Rissanfälligkeit völlig verschwindet, wenn mindestens eine der äußeren Randseite der Platten geometrisch so gestaltet wird, dass sie gegenüber einem glatten Plattenrand einen um mindestens 25% erhöhten Umfang besitzt und diese Randseite an der am stärksten rissanfälligen Seite eingesetzt wird.
Vorteilhafterweise können auch alle Seiten der Platten mit einem strukturierten Rand versehen werden, da hierdurch die Gefahr einer falschen Lage beim Einsetzen der Platten in den Rahmen vermieden wird.
Besonders vorteilhaft ist, wenn die Strukturierung zu einer deutlich weiteren Erhöhung des Umfanges führt, als 25%; z.B. einen um 30, 50, 90%, bis zu 300% größeren Umfang als gerade, unstrukturierte Plattenseiten aufweist.
Ebenfalls vorteilhaft ist es, wenn die makroskopischen Strukturierungen dadurch erzeugt werden, dass die Kanäle oder großen Poren des Wärmestrahlkörpers bis über den Rand der Platte hinaus geführt werden, wodurch bei beispielsweise Kanälen mit runden Querschnitten und gleichmäßiger Anordnung die Kanäle jeweils im Querschnitt halbkreisförmige Ausnehmungen aufweisen. Sofern die Kanäle eine andere Querschnittsform oder Anordnung aufweisen, weisen auch die Ausnehmungen der Strukturierungen jeweils eine andere Form auf, wobei in diesen Fällen, die Ausnehmungen der Strukturierungen im Querschnitt immer teilweise die Querschnittsform der Kanäle aufweisen. Beim Einsatz eines großporigen keramischen Materials für die Wärmestrahlungskörper sind die Ränder hinsichtlich Querschnitts- und Flächenform vollkommen unregelmäßig.
Es besteht aber auch die Möglichkeit, die Ränder durch spezielle Randbearbeitungen in jeweils gewünschter Art und Weise herzustellen, die einerseits eine möglichst große Vergrößerung des Randumfanges ermöglicht, andererseits die Platte aber noch in die vorhandenen Halterungen oder Vorrichtungen implementierbar macht.
Nachfolgend wird die Erfindung noch an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert.
Dabei zeigen
Fig. 1 : eine Wärmestrahl körperplatte (1 ) nach dem Stand der Technik mit 180x130x10 mm in Draufsicht oder auch als Projektion in Abstrahlungsrichtung der Fläche 180x130 aus einer Keramik (2) mit durchgehenden zylindrischen Kanälen (3) mit Durchmessern von 4 mm und Längen von 10 mm parallel zur Abstrahlungsrichtung.
Fig 2: in der Projektion drei identische Wärmestrahlkörperplattensegmente (4) nach dem Stand der Technik mit Abmessungen von 60x130x10 mm und mit geradlinigem Randumfang, die nebeneinander angeordnet eine Wärmestrahl körperplatte 180x130x10 mm ergeben. (27) zeigt Bereiche auf den innenliegenden Seiten der Segmente, in denen beim schnellen Aufheizen Rissbildung auftritt.
Fig. 3: in der Projektion ein erfindungsgemäßes Wärmestrahlkörperplattensegment (5) mit den Abmessungen 60x130x10 mm, bei dem alle 4 Seiten (6) einen strukturierten Randumfang aufweisen, der insgesamt um 38 % größer als der der Segmente (4) ist.
Fig. 4: in der Projektion ein erfindungsgemäßes Wärmestrahlkörperplattensegment (7) mit den Abmessungen 60x130x10 mm, bei dem eine Seite (9) einen strukturierten Randumfang aufweist, der gegenüber dem unstrukturierten Randumfang (8) um 30 % vergrößert ist.
Fig. 5: in der Projektion eine andere Möglichkeit der Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Wärmestrahlkörperplattensegmentes (10) mit den Abmessungen 60x130x10 mm, bei dem eine Seite (12) einen strukturierten Randumfang aufweist, der gegenüber dem unstrukturierten Randumfang (11 ) um 180% vergrößert ist.
Fig. 6: in der Projektion eine andere Möglichkeit der Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Wärmestrahlkörperplattensegmentes (13) mit den Abmessungen 60x130x10 mm, bei dem eine Seite (15) einen strukturierten Randumfang aufweist, der gegenüber dem unstrukturierten Randumfang (14) um 50% vergrößert ist.
Fig. 7: in der Projektion eine andere Möglichkeit der Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Wärmestrahlkörperplattensegmentes (16) mit den Abmessungen 60x130x10 mm, welches prismatische Kanäle enthält, die im Querschnitt Sechsecke bilden und bei dem eine Seite (18) einen strukturierten Randumfang aufweist, der gegenüber dem unstrukturierten Randumfang um 28 % vergrößert ist.
Fig, 8: in der Projektion eine andere Möglichkeit der Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Wärmestrahlkörperplattensegmentes (19) mit den Abmessungen 60x130x10 mm, welches prismatische Kanäle enthält, die im Querschnitt Quadrate 4x4 mm bilden und bei dem eine Seite (21 ) einen strukturierten Randumfang aufweist, der gegenüber dem unstrukturierten Randumfang (20) um 95% vergrößert ist.
Fig. 9: eine perspektivische Darstellung eines erfindungsgemäßen Wärmestrahlkörperplattensegmentes (22) mit den Abmessungen 60x130x10 mm, bei dem eine Seite (23) einen strukturierten Randumfang aufweist. Der angedeutete Flächenschnitt A-A ergibt die Fläche gem. Bild 4.
Fig. 10: in der Projektion eine aus drei Segmenten (24) zusammengesetzte erfindungsgemäße Wärmestrahlkörperplatte mit den Abmessungen 180x130x10mm. Die Segmente (24) entsprechen der in Fig. 3 beschriebenen Variante (5).
Beispiel 1 :
Wärmestrahlkörperplattensegmente mit den Abmessungen 60x130x10 mm mit 372 durchgängigen, gleichmäßig angeordneten, parallelen zylindrischen Kanälen mit einem Durchmesser von 4 mm und einer Länge von 10 mm, die alle senkrecht zur Plattenfläche 60x130 liegen, werden durch Heißgießen einer Suspension aus Siliziumcarbidkeramikpulver und Additiven, mit nachfolgender Entbinderung und druckloser Sinterung hergestellt. Die SiC-Keramik ist so gesintert, dass sie eine mittels Wasseraufnahme bestimmte offene Porosität von 7% aufweist, die aus kleinen, isolierten Poren mit einer mittlerer Größe von 8 μm gebildet wird (Bestimmung durch Bildauswertung am keramographischen Anschliff). Die Gesamtporosität beträgt 13%.
Die äußeren 4 schmalen Seiten der Platten sind nach der Sinterung so bearbeitet, dass keine glatten äußeren Ränder entstehen, sondern dass diese Randseiten mit vielen wiederholten Strukturierungen versehen sind, die im einzelnen die Form von Ausschnitten aus zylindrischen Kanälen mit Durchmessern von 4 mm aufweisen; die Längsseiten besitzen 16 solcher halbierten zylindrischen Aussparungen, während die kürzeren Stirnseiten jeweils 12,5 dieser halbzylinderförmigen Aussparungen besitzen. In der Draufsicht, dass heißt in der Projektion senkrecht zur Fläche 60x130 mm ergibt sich das in Fig. 3 dargestellte Bild, bei dem alle 4 Seiten (6) einen strukturierten Randumfang aufweisen, der insgesamt einen Umfang von 525 mm aufweist, was um 38 % größer ist als ein Segment mit glatten Kanten (Umfang 380 mm).
Jeweils drei dieser erfindungsgemäßen Wärmestrahlkörperplattensegmente mit den Abmessungen 60x130x10 mm werden zu einer Wärmestrahlkörperplatte 130x180x10 mm kombiniert, wie in der Draufsicht, dass heißt als Projektion auf die Fläche 130x180 in Fig. 10 dargestellt. Diese Wärmestrahlkörperplatte wird in einen Infrarot-Flächenstrahler, wie er in WO 0042356, Bild 1 beschrieben ist, eingebaut.
Dieser Brenner wird versuchsweise mit Propangas-Luftgemisch bei einem Gasdruck von 190000 Pa und einer Gesamtleistung von 11 kW beheizt. Nach dem Zünden werden die Platten innerhalb weniger Sekunden auf eine Temperatur von 12000C erhitzt. Durch Unterbrechung der Gaszufuhr verlöscht der Brenner und die Platten kühlen innerhalb weniger Minuten aus. Dieser Start-Stop-Zyklus wird 10-mal wiederholt, ohne dass Risse an den Wärmestrahlkörperplattensegmenten auftreten. Bei einem Dauerbetriebstest von 1000 h bei konstanter Temperatur von 12000C ist ein Massezuwachs infolge von Oxidation von 1 ,2 % zu verzeichnen, nach 10000 h von 3,9 %. Ein kritischer Festigkeitsverlust infolge von Oxidation wird erst bei einer Massezunahme von 5% erwartet. Vergleichsbeispiel 2:
Wärmestrahlkörperplattensegmente mit den Abmessungen 60x130x10 werden analog zu Beispiel 1 hergestellt, mit dem Unterschied, dass sie einen glatten Rand ohne die erfindungsgemäße Strukturierung aufweisen und entsprechen somit den Wärmestrahlkörperplattensegmenten gemäß dem Stand der Technik. Jeweils drei dieser Wärmestrahlkörperplattensegmente mit den Abmessungen 60x130x10 mm werden zu einer Wärmestrahlkörperplatte 130x180x10 mm kombiniert, wie in der Draufsicht, dass heißt als Projektion auf die Fläche 130x180 in Bild 2 dargestellt. Diese Wärmestrahl körperplatte wird analog wie in Beispiel 1 getestet. Schon beim ersten Aufheizen sind Risse auf der innenliegenden Seite der beiden äußeren Segmente ((27) in Bild 2) zu verzeichnen, die bei weiterer Zyklierung weiter wachsen und zum Ausplatzen einzelner Teile der Platten bis hin zum völligen Zerbrechen führen.

Claims

Patentansprüche
1. Plattenförmiger keramischer Wärmestrahlkörper eines Infrarot- Flächenstrahlers, bei dem mindestens die Randseiten der Platte, die beim Aufheizen einer erhöhten Zugspannung unterliegen, eine makroskopische Strukturierung mit Strukturierungen > 0,5 mm aufweisen, durch die der äußere Randumfang der Platte gegenüber dem Randumfang der bekannten plattenförmigen keramischen Wärmestrahl körper um mindestens 25 % vergrößert ist.
2. Keramischer Wärmestrahlkörper nach Anspruch 1 , bei dem alle vier Randseiten des Wärmestrahlkörpers eine makroskopische Strukturierung aufweisen.
3. Keramischer Wärmestrahlkörper nach Anspruch 1 , bei dem die Randseiten über ihre gesamte Fläche makroskopische Strukturierungen aufweisen.
4. Keramischer Wärmestrahl körper nach Anspruch 1 , bei dem die makroskopischen Strukturierungen teilweise der Form und Größe der Kanäle im Längsschnitt im Wärmestrahlkörper entsprechen.
5. Keramischer Wärmestrahl körper nach Anspruch 1 , bei dem der äußere Randumfang der Platte um 25 bis 300 % vergrößert ist.
6. Keramischer Wärmestrahlkörper nach Anspruch 5, bei dem der äußere Randumfang der Platte um 90 bis 200 % vergrößert ist.
7. Keramischer Wärmestrahlkörper nach Anspruch 1 , bei dem die Platte aus Siliciumcarbid- und/oder Siliciumnitridkeramik besteht.
8. Keramischer Wärmestrahlkörper nach Anspruch 1 , bei dem das keramische Material des Wärmestrahlkörpers eine Gesamtporosität von 3 - 15 % und eine offene Porosität von <10% aufweist.
9. Keramischer Wärmestrahlkörper nach Anspruch 1 , bei dem der plattenförmige Körper segmentiert ist.
10. Keramischer Wärmestrahlkörper nach Anspruch 9, bei dem der plattenförmige Körper in hälftige Segmente, in Viertel- oder Drittelsegmente unterteilt ist.
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