<Desc/Clms Page number 1>
METAALVEZELMEMBRAAN GASVERBRANDING De vinding betreft een poreus metaalvezelmembraan voor gasverbranding.
Uit het Europees octrooi 0157 432 is bekend gesinterde metaalvezelvliezen aan te wenden als membraan voor oppervlaktestralings-branders voor gasmengsels voor zover staalvezels gebruikt worden die Cr en Al bevatten zodat ze bestand zijn tegen hoge temperaturen.
Overigens is uit WO 93/18342 een poreuze metaalvezelplaat bekend die voorzien is van een regelmatig patroon van doorgangen die samen 5 % tot 35 % van het totale plaatoppervlak beslaan. Deze uitvoering waarborgt o. a. een gelijkmatiger dwarse gasdoorstroming over het plaatoppervlak.
Bij het gebruik moeten deze platen in alle richtingen kunnen uitzetten en weer inkrimpen overeenkomstig de gebruikscycli van verhitten en afkoelen van de branderplaten. Wanneer evenwel de platen een aanzienlijk oppervlak bezitten en in een vaste randarmatuur gevat zijn kan deze cyclische verandering van afmetingen zich niet altijd ongehinderd doorzetten. Men moet immers bedenken dat de uitzettingsgraad van deze platen tussen 200e en 10000C gemiddeld 15 x 10-6/*C bedraagt. Konkreet betekent dit b. v. dat een plaat van 1 m lang bij een opwarming tot 1000 C in deze lengterichting reeds 15 mm uitzet. De vaste randarmatuur zal echter maar opwarmen tot hooguit 3000e daar deze armatuur niet opgloeit tijdens de gasverbranding zoals het membraan.
Er is dus nagenoeg 10 mm plaatuitzetting die zich zal moeten ontwikkelen door opwelving van de plaat i. p. v. laterale uitzetting in haar vlak. Dit brengt het risico met zich dat deze opwelving zich zal realiseren via plaatselijk onkontroleerbare vervormingen (kreuken of nepen). Hierbij verliest de plaat dan aldaar haar oorspronkelijke vlakke vorm. Tegelijk loopt men het risico dat de vezellagen in de plaat plaatselijk transversaal van elkaar loskomen waardoor de porositeit ontoelaatbaar wijzigt.
<Desc/Clms Page number 2>
De vinding heeft nu tot doel deze onkontroleerbare vervormingsneiging te vermijden.
Dit doel wordt bereikt door een metaalvezelmembraan te verschaffen voor gasverbranding omvattende een gesinterd metaalvezelvlies voorzien van een regelmatig patroon van een aantal opeenvolgende poreuze zones met tussenliggende verdichte of afgedichte gebieden in de vorm van een regelmatig lijnenraster waarbij de grootste dwarsafstand D tussen elke twee tegenover elkaar liggende lijnen van het raster ligt tussen 100 en 300 mm terwijl de breedte B van elk verdicht gebied ligt tussen 5 en 20 mm.
Wanneer de afstand D kleiner is dan 100 mm blijft de uitzetting lager dan ongeveer 1 mm. Dit is toelaatbaar. Wanneer de afstand D groter wordt dan 300 mm dan riskeert men dat in de opeenvolgende poreuze zones toch ongewenste plaatselijke vervormingen optreden omdat dan de op te vangen uitzetting reeds nagenoeg 3 mm bedraagt.
De breedte B moet minimaal 5 mm bedragen teneinde een voldoende stijfheid te bereiken in de tussenliggende verdichte gebieden.
Bij het overschrijden van een breedte B van 20 mm verliest men evenwel een te groot deel van het effectief oppervlak van het membraan.
De poreuze zones kunnen een vierkante vorm bezitten of de vorm van een regelmatige zeshoek of gelijkzijdige driehoek. Het begrenzende lijnenraster van verdichte zones tussen de opeenvolgende poreuze zones kan gerealiseerd worden door de poriën van het metaalvezelskelet van het membraan in deze lijnen (of stroken) voor tenminste een deel, bijv. over tenminste de helft van de membraandikte op te vullen met hittebestendig, b. v. keramisch materiaal zodat het membraan aldaar afgedicht is. Dit betekent dat ter plaatse van het lijnenraster het membraan ondoordringbaar moet worden voor de dwars doorheen het membraan
<Desc/Clms Page number 3>
te sturen gasstroom. De termen"verdicht"of"afgedicht"zijn dus steeds te verstaan als behandeld zodat ondoordringbaarheid bewerkstelligd wordt voor een gasstroom.
De verdichte zones kunnen ook gerealiseerd worden door het metaalvezelskelet van het membraan plaatselijk gevat of samengedrukt te houden tussen evenwijdig verlopende metalen profielen. Deze profielen kunnen met het membraan door een uit te harden keramische lijm, door lassen of met bout/moer bevestigingen verbonden worden.
Overigens kunnen de poreuze zones voorzien zijn van niet cilindrisch gebogen deelzones met tegenover elkaar liggende concave en convexe oppervlakken zoals beschreven in de Belgische octrooiaanvrage Nr. 09301056 van aanvragers. Ook kan in de poreuze zones een regelmatig patroon van doorgangen aangebracht zijn die samen 5 % tot 35 % van het poreuze membraanoppervlak beslaan, terwijl elke doorgang een oppervlak bezit tussen 0, 03 mm2 en 10 mm2 zoals bekend uit WO 93/18342 van aanvragers.
De uitvinding betreft tenslotte ook een gasverbrandingsinrichting omvattende een huis met toevoermiddelen voor het te verbranden gasmengsel, eventueel een verdeelorgaan en een membraan zoals hiervoor omschreven.
Een en ander zal thans toegelicht worden aan de hand van een aantal uitvoeringsvormen onder verwijzing naar bijgaande figuren.
Figuur 1 toont in perspectief een vlak metaalvezelmembraan volgens de vinding.
Figuur 2 toont een doorsnede van een gasverbrandingsinrichting met een doorsnede van het membraan volgens I - I in figuur 1.
Het plaatvormig metaalvezelmembraan 1 getoond in figuur 1 omvat in wezen een poreus gesinterd metaalvezelvlies met een dikte tussen 0, 8 mm en 4 mm. Plaatdikten van 1 mm, 2 mm of 3 mm zijn
<Desc/Clms Page number 4>
goed geschikt. De opeenvolgende poreuze zones 2 bezitten daarbij een porositeit tussen 60 % en 95 %, en bij voorkeur tussen 78 % en 88 %. De metaalvezels zijn uiteraard bestand tegen hoge temperaturen (over 1000 C) en tegen thermische schokken. Daartoe bevatten ze b. v. op zichzelf gekende minimum hoeveelheden aluminium en chroom. In het bijzonder zijn de FeCrAlY-vezels beschreven in het Europees octrooi 0157 432 goed geschikt.
De equivalente vezeldiameter ligt tussen 8 Am en 150 Um, bij voorkeur tussen 15 Am en 50 Mm. De vezels kunnen vervaardigd zijn door een methode van gebundeld trekken zoals b. v. beschreven in U. S. octrooi 3. 379. 000 of door een schaafmethode zoals bekend uit U. S. octrooi 4. 930. 199. Het verwerken van de vezels tot vlies respectievelijk tot gesinterd vlies kan verlopen zoals beschreven in U. S. octrooien 3. 469. 297, resp. 3. 505. 038.
Wanneer het lijnenraster 3 tussen de poreuze zones 2 uitgevoerd is als een keramische opvulling 4 van het metaalvezelskelet van het membraan zal de hoeveelheid van dat materiaal (dikte en breedte B van de strook 4) en de afstand D mede de versteviging en weerstand tegen doorbuiging verhogen. Desgewenst kan het keramisch materiaal 4 afgedekt worden door b. v. op te kleven stroken keramisch papier 15, hetzij aan de gastoevoerzijde (zoals getoond in figuur 2) of aan beide zijden van het membraan l.
Voor de verdichte lijnzones 3 kunnen ook evenwijdige metaalprofielen 5 en 6 gebruikt worden waartussen het membraan 1 gevat zit. De profielen kunnen doorheen het metaalvezelskelet op elkaar door puntlassen bevestigd worden. De bevestiging kan ook gebeuren onder tussenvoegen van een keramische lijm 4. De profielen 4 aan de gastoevoerzijde kunnen voorzien zijn van opstaande randen 14 die dan fungeren als koelvinnen ; ze verhogen overigens de buigsterkte van het profiel. Het metaal-
EMI4.1
profiel 6 kan een lat zijn uit AISI 430 staal en het U-profiel 5 uit Ter hoogte van de kruisingspunten 7 van de profielen kan het lijnenraster desgewenst onderbroken zijn.
<Desc/Clms Page number 5>
Ter versteviging van relatief dunne vezelmembranen 1 kan een laag strekmetaal 17 aan de gastoevoerzijde het membraan 1 ondersteunen.
Deze laag heeft b. v. een dikte van ten hoogste 1 mm en opeenvolgende ruitvormige maasopeningen met asafmetingen van 2 mm en 4 mm en met 10 mazen per 6 cm in de asrichting van
EMI5.1
de grote (= mm) assen. Deze laag 17 wordt dan mede afgedicht ter hoogte van het lijnenraster 3. Vanzelfsprekend kunnen andere op zieh bekende gasdoorlatende verstevigingslagen 17 toegepast worden.
Teneinde de laterale uitzetting van de poreuze zones 2 niet te hinderen en te voorkomen dat ze onregelmatig opwelven kan overeenkomstig de leer van de Belgische octrooiaanvrage 09301056 van aanvragers een voorvervorming ingedrukt worden met de vorm van een bolschil 8 met schildiameter S en met een kromtestraal R waarbij S < R/2. De pijlhoogte van de bolschil zal ten hoogste 15 mm bedragen. Indien een verstevigingslaag 17 bevestigd is zal ze bij voorkeur de bolschil-voorvervorming mee ondergaan met het membraan.
Overeenkomstig de leer van de octrooiaanvrage WO 93/18342 kan het membraan in de poreuze zones 2 in vlakke vorm of in bolschilvorm voorzien zijn van een regelmatig patroon van doorgangen 9 ten behoeve van een homogene stralende verbranding of voor de eventuele realisatie van een blauwe vlamregime. De doorgangen 9 kunnen b. v. cirkelvormig zijn of rechthoekig. Voor cirkelvormige openingen zal de doorgangsoppervlakte per opening meestal lager gekozen worden dan 3 mm2 en bij voorkeur tussen 0, 4 en 1, 5 mm2 resp. tussen 0, 5 en 0, 8 mm2. De opeenvolgende cirkelvormige doorgangen zijn bij voorkeur geplaatst op de hoekpunten van tegen elkaar aansluitende gelijkzijdige driehoeken.
De lengte van de driehoekszijden is dan zo gekozen dat de totale vrije doorgang in de poreuze zones 5 tot 25 % bedraagt van hun oppervlak en bij voorkeur 8 tot 16 %, b. v. 10, 12 of 15 X.
<Desc/Clms Page number 6>
De gasverbrandingsinrichting volgens de vinding omvat een huis 11 met toevoerleiding 12 voor het te verbranden gasmengsel. Stroomopwaarts van het membraan 1 kan een verdeelorgaan 13 voorzien zijn, b. v. een geperforeerde plaat. Desgewenst zal aan de gastoevoerzijde van de poreuze zones 2 een drukveerbelasting 10 gemonteerd zijn. Deze veer 10 kan zodoende een geleide uitzettingsbeweging opdringen loodrecht op het membraanvlak. De veren 10 kunnen geplaatst worden tussen verdeelorgaan 10 en membraan l. De hoogte van de openstaande veer benadert dan de pijlhoogte van de opwelving van het membraan.
Voorbeeld Een rechthoekig metaalvezelmembraan van 90 cm bij 30 cm werd als volgt samengesteld. Het poreuze membraan l was opgebouwd uit een gesinterd vlies FeCralloy-vezels (met tenminste 0. 1 % Y en verkregen door gebundeld trekken). De equivalente vezeldiameter bedroeg 22 m. De porositeit van het membraan bedroeg 80 % en zijn dikte 2 mm. Het werd voorzien van een patroon van doorgangen 9 zoals beschreven in WO 93/18342. De ronde doorgangen hadden een diameter van 0. 8 mm. De steekafstand tussen de gaatjes bedroeg 2 mm waardoor een vrij doorgangsoppervlak bereikt werd van nagenoeg 15 %.
Het membraan werd onderverdeeld in 12 vierkante poreuze zones 2 van 14 x 14 cm. In elke zone werd een bolschilvormige voorvervorming 8 ingedrukt met een pijlhoogte van 5 mm en een schildiameter S van 12 cm. Aan de gastoevoerzijde werd in het midden van het membraan 1 een over de hele lengte doorlopende stalen lat 5 aangebracht (12 mm x 3 mm) en met behulp van een keramische lijm (Aremco) 4 bevestigd aan het membraan l. Dwars op deze langsverlopende lat werden om de 14 cm (= D) dwarsverlopende latsegmenten (12 mm x 3 mm) evenwijdig aangebracht en met Aremco-lijm bevestigd ter begrenzing van de vierkante poreuze zones.
Dit aldus met verdichte zones 3 verstevigd membraan werd ingezet in een brander met naar beneden gerichte straling (gastoe-
<Desc/Clms Page number 7>
voer van boven naar onder). Het membraan 1 werd geschikt ingeklemd aan de onderkant van een horizontaal metalen raam 11 als huis van de inrichting en waarbij de gastoevoer aansloot op de bovenkant van het raam 11. Het raam zelf was opgebouwd uit een buisprofiel waardoorheen een koelmedium kon circuleren. Door deze opbouw wordt vermeden dat het membraan onregelmatig gaat vervormen, zelfs na langdurig gebruik en bij een cyclisch verlopend brandregime met variërende vermogens.
In het algemeen zal men vermijden dat een reeks onderling evenwijdig verlopende verdichte lijnzones 3 ook evenwijdig verlopen aan de doorlooprichting van het te verhitten materiaal dat zich voorbij de brander verplaatst. Indien men immers deze lijnzones 3 en de doorlooprichting onderling evenwijdig houdt ontstaat het risico dat op regelmatige intervallen aan smalle langsstroken in het te verhitten materiaal (gericht volgens de doorlooporiëntatie) minder warmte overgedragen wordt, met name in deze smalle langsstroken die dan vlak tegenover de verdichte lijnzones 3 zouden lopen van het membraan.
<Desc / Clms Page number 1>
METAL FIBER MEMBRANE GAS BURNING The invention concerns a porous metal fiber membrane for gas combustion.
It is known from European patent 0157 432 to use sintered metal fiber fleeces as a membrane for surface radiant burners for gas mixtures insofar as steel fibers containing Cr and Al are used so that they are resistant to high temperatures.
Incidentally, from WO 93/18342 a porous metal fiber plate is known which is provided with a regular pattern of passages which together cover 5% to 35% of the total plate area. This design ensures, among other things, a more uniform transverse gas flow over the plate surface.
During use, these plates must be able to expand and contract in all directions in accordance with the use cycles of heating and cooling the burner plates. However, if the plates have a considerable surface area and are mounted in a fixed edge luminaire, this cyclic change of dimensions cannot always continue unhindered. After all, it must be remembered that the expansion degree of these plates between 200e and 10000C is on average 15 x 10-6 / * C. Concretely this means b. v. that a plate of 1 m long with a heating up to 1000 C already expands 15 mm in this longitudinal direction. However, the fixed edge fixture will only heat up to 3000th as this fixture does not glow during gas combustion like the membrane.
So there is almost 10 mm of plate expansion that will have to develop due to curvature of the plate i. p. v. lateral expansion in its plane. This entails the risk that this curvature will be realized through locally uncontrollable deformations (creases or cracks). The plate then loses its original flat shape there. At the same time, there is a risk that the fiber layers in the plate will loosen locally transversally from each other, as a result of which the porosity changes inadmissibly.
<Desc / Clms Page number 2>
The aim of the invention is now to avoid this uncontrollable deformation tendency.
This object is achieved by providing a metal fiber membrane for gas combustion comprising a sintered metal fiber fleece having a regular pattern of a number of successive porous zones with intermediate compacted or sealed areas in the form of a regular line grid with the greatest transverse distance D between each two opposing lines of the grid is between 100 and 300 mm while the width B of each compacted area is between 5 and 20 mm.
When the distance D is less than 100 mm, the expansion remains less than about 1 mm. This is permissible. When the distance D exceeds 300 mm, it is risked that undesired local deformations nevertheless occur in the successive porous zones, because the expansion to be accommodated is then already almost 3 mm.
The width B must be at least 5 mm in order to achieve sufficient rigidity in the intermediate compacted areas.
When a width B of 20 mm is exceeded, however, too much of the effective surface of the membrane is lost.
The porous zones can have a square shape or the shape of a regular hexagon or equilateral triangle. The boundary line grid of compacted zones between the successive porous zones can be realized by filling the pores of the metal fiber skeleton of the membrane in these lines (or strips) at least in part, e.g. over at least half of the membrane thickness with heat-resistant, b. v. ceramic material so that the membrane is sealed there. This means that at the location of the line grid the membrane must become impermeable to the cross-section of the membrane
<Desc / Clms Page number 3>
gas flow to be controlled. Thus, the terms "compacted" or "sealed" are always understood to be treated so as to achieve impermeability to a gas stream.
The densified zones can also be achieved by locally holding or compressing the metal fiber skeleton of the membrane between parallel metal profiles. These profiles can be bonded to the membrane by a curable ceramic adhesive, by welding or by bolt / nut fixings.
Incidentally, the porous zones can be provided with non-cylindrical curved sub-zones with opposing concave and convex surfaces as described in Belgian patent application no. 09301056 from applicants. Also, in the porous zones, a regular pattern of passages may be arranged which together cover 5% to 35% of the porous membrane area, while each passage has an area between 0.03mm2 and 10mm2 as known from WO 93/18342 of applicants.
Finally, the invention also relates to a gas combustion device comprising a housing with supply means for the gas mixture to be burned, optionally a distribution member and a membrane as described above.
All this will now be elucidated on the basis of a number of embodiments with reference to the accompanying figures.
Figure 1 shows in perspective a flat metal fiber membrane according to the invention.
Figure 2 shows a cross section of a gas combustion device with a cross section of the membrane according to I - I in figure 1.
The sheet metal fiber membrane 1 shown in Figure 1 essentially comprises a porous sintered metal fiber fleece with a thickness between 0.8 mm and 4 mm. Sheet thicknesses of 1 mm, 2 mm or 3 mm are
<Desc / Clms Page number 4>
well suited. The successive porous zones 2 have a porosity between 60% and 95%, and preferably between 78% and 88%. The metal fibers are of course resistant to high temperatures (over 1000 C) and to thermal shocks. To this end they contain b. v. known minimum quantities of aluminum and chromium. In particular, the FeCrAlY fibers described in European patent 0157 432 are well suited.
The equivalent fiber diameter is between 8 Am and 150 Um, preferably between 15 Am and 50 Mm. The fibers can be made by a method of bundled drawing such as b. v. described in US patent 3,479,000 or by a planing method as known from US patent 4,930,199. Processing the fibers into fleece or sintered fleece can proceed as described in US patents 3,469,297. resp. 3,505,038.
When the line grid 3 between the porous zones 2 is designed as a ceramic fill 4 of the metal fiber skeleton of the membrane, the amount of that material (thickness and width B of the strip 4) and the distance D will also increase the reinforcement and resistance to deflection. . If desired, the ceramic material 4 can be covered by b. v. strips of ceramic paper 15 to be glued, either on the gas supply side (as shown in figure 2) or on both sides of the membrane l.
For the compacted line zones 3, parallel metal profiles 5 and 6 between which the membrane 1 is located can also be used. The profiles can be secured to each other by spot welding throughout the metal fiber skeleton. The fixing can also be done by inserting a ceramic glue 4. The profiles 4 on the gas supply side can be provided with upright edges 14 which then function as cooling fins; they also increase the bending strength of the profile. The metal-
EMI4.1
profile 6 can be a lath of AISI 430 steel and the U-profile 5 of At the intersection points 7 of the profiles, the line grid can be interrupted if desired.
<Desc / Clms Page number 5>
To strengthen relatively thin fiber membranes 1, a layer of expanded metal 17 on the gas supply side can support the membrane 1.
This layer has b. v. a thickness of not more than 1 mm and consecutive diamond-shaped mesh openings with shaft dimensions of 2 mm and 4 mm and with 10 meshes per 6 cm in the axis direction of
EMI5.1
the large (= mm) axles. This layer 17 is then partly sealed at the level of the line grid 3. Naturally, other gas-permeable reinforcement layers 17 known in the art can be used.
In order not to hinder the lateral expansion of the porous zones 2 and to prevent them from irregularly curving, according to the teachings of the applicants' Belgian patent application 09301056, a pre-deformation can be pressed in the shape of a spherical shell 8 with a peeling diameter S and a radius of curvature R, whereby S <R / 2. The arrow height of the spherical shell will not exceed 15 mm. If a reinforcing layer 17 is attached, it will preferably undergo the convex shell deformation with the membrane.
In accordance with the teaching of the patent application WO 93/18342, the membrane in the porous zones 2 in flat form or in spherical shell form can be provided with a regular pattern of passages 9 for the purpose of a homogeneous radiant combustion or for the possible realization of a blue flame regime. The passages 9 can b. v. be circular or rectangular. For circular openings, the passage area per opening will usually be chosen to be less than 3 mm2 and preferably between 0.4 and 1.5 mm2, respectively. between 0.5 and 0.8 mm2. The successive circular passages are preferably placed at the vertices of adjacent equilateral triangles.
The length of the triangular sides is then chosen such that the total free passage in the porous zones is 5 to 25% of their surface area and preferably 8 to 16%, b. v. 10, 12 or 15 X.
<Desc / Clms Page number 6>
The gas combustion device according to the invention comprises a housing 11 with supply pipe 12 for the gas mixture to be burned. A distributor 13 may be provided upstream of the membrane 1, b. v. a perforated plate. If desired, a compression spring load 10 will be mounted on the gas supply side of the porous zones 2. This spring 10 can thus impose a guided expansion movement perpendicular to the membrane surface. The springs 10 can be placed between distributor 10 and membrane 1. The height of the open spring then approximates the arrow height of the curvature of the membrane.
Example A rectangular metal fiber membrane measuring 90 cm by 30 cm was composed as follows. The porous membrane 1 was composed of a sintered fleece of FeCralloy fibers (with at least 0.1% Y and obtained by bundled drawing). The equivalent fiber diameter was 22 m. The porosity of the membrane was 80% and its thickness was 2 mm. It was provided with a pattern of passages 9 as described in WO 93/18342. The round passages had a diameter of 0.8 mm. The pitch distance between the holes was 2 mm, so that a free passage surface of almost 15% was achieved.
The membrane was divided into 12 square porous zones 2 measuring 14 x 14 cm. In each zone, a spherical shell-shaped deformation 8 was depressed with an arrow height of 5 mm and a blade diameter S of 12 cm. On the gas supply side, a steel slat 5 (12 mm x 3 mm) running through the entire length was placed in the middle of the membrane 1 and attached to the membrane 1 with the aid of a ceramic adhesive (Aremco) 4. Every 14 cm (= D) transverse slat segments (12 mm x 3 mm) were applied parallel to this longitudinal slat and fixed with Aremco glue to define the square porous zones.
This membrane, thus reinforced with compacted zones 3, was used in a burner with downwardly directed radiation (gas
<Desc / Clms Page number 7>
enter from top to bottom). The membrane 1 was suitably clamped to the bottom of a horizontal metal window 11 as the housing of the device and the gas supply connected to the top of the window 11. The window itself was made up of a tubular profile through which a cooling medium could circulate. This construction prevents the membrane from deforming irregularly, even after prolonged use and with a cyclical fire regime with varying powers.
In general, it will be avoided that a series of mutually parallel compressed line zones 3 also run parallel to the direction of flow of the material to be heated moving past the burner. After all, if these line zones 3 and the direction of passage are kept parallel to each other, there is a risk that less heat is transferred at regular intervals to narrow longitudinal strips in the material to be heated (oriented according to the flow orientation), in particular in these narrow longitudinal strips which are then directly opposite the compacted line zones 3 would run from the membrane.