DE19901145A1 - Als Flächenstrahler ausgebildeter Infrarot-Strahler - Google Patents

Abstract

Es sind als Flächenstrahler ausgebildete Infrarot-Strahler bekannt, die einen Strahlkörper (15) aufweisen, der an seiner Rückseite von einem brennenden Fluid-Luftgemisch beheizt wird und dessen Vorderfläche die Infrarot-Strahlung abgibt. DOLLAR A Nach der Erfindung enthält der Strahlkörper (15) eine Vielzahl von durchgehenden, als Hohlraumstrahler wirkende Kanäle (20), bei denen das Verhältnis Wandfläche/Querschnittsfläche im flammenfreien Bereich größer ist als 10, bevorzugt größer/gleich 20.

Description

Die Erfindung betrifft einen als Flächenstrahler ausgebildeten Infrarot-Strahler mit einem Strahlkörper, der an seiner Rückseite von einem brennenden Fluid-Luftgemisch beheizt wird und dessen Vorderfläche die Infrarot-Strahlung abgibt.

Als Flächenstrahler ausgebildete Infrarot-Strahler werden bekannterweise in Trocknersystemen eingesetzt, die zum Trocknen bahnförmiger Materialien, beispielsweise Papier- oder Kartonbahnen, dienen. In Abhängigkeit von der Breite der zu trocknenden Bahn und der gewünschten Heizleistung wird die erforderliche Anzahl von Strahlern mit fluchtenden Abstrahlflächen zu einer Trocknungseinheit zusammengestellt.

In der Publikation "Radiant efficiencies and performance considerations of commercially manufactured gas radiant burners (Speyer et al., Exp. Heat Trans., 9, 213-245, 1996) werden verschiedene Arten gasbeheizter Infrarotstrahler einander vergleichend gegenübergestellt. Unter anderem wird ein Strahler vorgestellt, bei dem ein Gas/Luft- Gemisch durch eine mit Löchern versehene Keramikplatte strömt und an deren Oberfläche verbrennt. Um ein Abheben der Flamme zu vermeiden und den Strahlungswirkungsgrad zu erhöhen, ist vor der Keramikplatte ein Metallgitter angeordnet.

Dieses bekannte Prinzip, das von vielen Herstellern angewendet wird, hat den Nachteil, dass der Strahlungswirkungsgrad wegen des niedrigen Emissionskoeffizienten der Keramikplatte bei hohen Temperaturen vergleichsweise gering ist. Außerdem hat das metallische Gitter nur eine begrenzte Lebensdauer, wenn der Strahler mit hoher Leistung betrieben wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, einen als Flächenstrahler ausgebildeten Infrarot-Strahler zu schaffen, der bei Temperaturen oberhalb von 1100 C° einen hohen Wirkungsgrad und eine lange Standzeit aufweist. Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.

Die Erfindung macht sich den physikalischen Effekt zunutze, daß ein kanalförmiger Hohlraumstrahler an seiner Öffnung einen mit seinem Verhältnis Wandfläche/Querschnitts­ fläche steigenden Emissionsfaktor aufweist. Bei einem Verhältnis Wandfläche/Quer­ schnittsfläche größer/gleich 20 hat ein kanalförmiger Hohlraumstrahler einen Emissionsfaktor von annähernd 1, wenn er aus einer Keramik mit einem Emissionsfaktor von ca. 0,5 gefertigt ist.

Die Unteransprüche enthalten bevorzugte, da besonders vorteilhafte Ausgestaltungen eines erfindungsgemäßen Infrarot-Strahlers.

Die Zeichnung dient zur Erläuterung der Erfindung anhand vereinfacht dargestellter Ausführungsbeispiele. Es zeigen:

Fig. 1 in einem Querschnitt den prinzipiellen Aufbau eines Infrarot-Strahlers nach der Erfindung,

Fig. 2 eine Draufsicht auf die strahlende Vorderseite eines Strahlkörpers,

Fig. 3 einen Schnitt durch den Strahlkörper nach Fig. 2,

Fig. 4-7 jeweils als Draufsicht auf die strahlende Vorderseite verschiedener Ausgestaltungen eines Strahlkörpers mit röhrenförmigen Kanälen,

Fig. 8 und 9 einen Infrarot-Strahler mit schlitzförmigen Kanälen im Strahlkörper.

Die Infrarot-Strahler nach der Erfindung werden bevorzugt mit Gas beheizt, alternativ ist die Beheizung mit einem flüssigen Brennstoff als Heizfluid möglich.

Wie in Fig. 1 dargestellt, enthält jeder Strahler ein Mischrohr 1, in das an einem Ende eine Mischdüse 2 eingeschraubt ist. An die Mischdüse 2 ist eine Gaszuführleitung 3 angeschlossen, die mit einer Sammelleitung 4 verbunden ist, aus der mehrere, nebeneinander angeordnete Strahler mit Gas 5 versorgt werden.

Die Versorgung mit Luft 6 erfolgt über eine Hohltraverse 7, an der das Mischrohr 1 befestigt ist. Die Verbindungsleitung 8 für die Luftzufuhr mündet im oberen Teil des Mischrohrs 1 in eine das Auslaßende der Mischdüse 2 umfassende, nach unten offene Luftkammer 9, so daß in den Mischraum 10 des Mischrohrs 1 von oben ein Gas- Luftgemisch eingeleitet wird.

Am unteren, offenen Ende des Mischrohrs 1 ist ein Gehäuse 11 befestigt, in dem eine Brennerplatte 12 angeordnet ist. Die Brennerplatte 12 enthält eine Reihe von durchgehenden Bohrungen 13, die in einen Brennraum 14 münden, der zwischen der Brennerplatte 12 und einem im wesentlichen parallel zu dieser mit Abstand angeordnetem Strahlkörper 15 gebildet wird. Das Mischrohr 1 mündet in einem von einer Haube 16 abgedichteten Raum, der an dem anderen Ende von der Brennerplatte 12 abgeschlossen wird. Um das Gas-Luftgemisch gleichmäßig an der Rückseite der Brennerplatte 12 zu verteilen, ist in dem Gemischverteilraum 17 ein Prallplatte 18 angeordnet, gegen die das zugeführte Gemisch strömt. Die Brennerplatte 12 und der Strahlkörper 15 sind in dem Gehäuse 11 in umlaufende, feuerfeste Dichtungen 19 eingepaßt, die den Brennraum 14 seitlich abschließen.

Der Strahlkörper 15 ist bevorzugt aus Keramik gefertigt, beispielsweise aus Aluminium- oder Zirkoniumoxid, Aluminiumtitanat, Korund oder Mullit. Als besonders geeignet hat sich Siliziumkarbid gezeigt, insbesondere wenn es mit Karbonfasern verstärkt ist. Alternativ kann der Strahlkörper 15 auch aus einem hitzebeständigen Metall gefertigt sein.

Wesentlich für die Erfindung ist, daß der Strahlkörper 15 eine Vielzahl von durchgehenden Kanälen 20 enthält, die als Hohlraumstrahler wirken. Die Kanäle 20 werden an der den Brennraum 14 begrenzenden Rückseite des Strahlkörper 15 beheizt und sind im wesentlichen flammenfrei; das Gas-Luftgemisch brennt im wesentlichen nur im Brennraum 14. Damit die Kanäle 20 als Hohlraumstrahler einen hohen Emissionfaktor haben, ist in ihrem flammenfreien Bereich das Verhältnis ihrer Wandfläche zu ihrer Querschnittsfläche größer als 10, bevorzugt ≧ 20.

Die Kanäle 20 sind entweder röhrenförmig (Fig. 2 bis 7) oder schlitzförmig (Fig. 8) gestaltet. Der Querschnitt der röhrenförmig gestalteten Kanäle ist bevorzugt entweder kreisförmig oder in Form eines regelmäßigen Polygons ausgebildet. Bei den röhrenförmig ausgestalteten Kanälen 20 beträgt das Verhältnis Länge/maximaler Durchmesser im flammenfreien Bereich mehr als 3, bevorzugt ist es größer/gleich 5.

Alternativ können die Kanäle 20 auch schlitzförmig ausgebildet sein, wie in Fig. 8 dargestellt ist. Bevorzugt wird bei dieser Ausführungsform der Strahlkörper 15 aus einer Reihe von mit Abstand voneinander angeordneten Platten 21 aufgebaut, deren Zwischenräume die schlitzförmigen Kanäle 20 bilden. Das Verhältnis Abstand zweier benachbarter Platten 21/Länge der Platten 21 im flammenfreien Bereich beträgt bei dieser Ausführungsform mehr als 3, bevorzugt ist es größer/gleich 5. Die Länge der Kanäle 20 wird bei allen Ausführungsformen von der beheizten Rückseite des Strahlkörpers 15 in Richtung zur strahlenden Vorderfläche gemessen; in Fig. 1 von oben nach unten. Die Länge der Kanäle 20 beträgt weniger als 300 mm, bevorzugt 10 mm bis 100 mm. Bei den Ausführungsbeispielen beträgt die Länge ca. 40 mm.

Damit ein hoher Wirkungsgrad erreicht wird, beträgt an der in Fig. 1 unten dargestellten Vorderseite des Strahlkörpers 15 der Anteil der als Abstrahlfläche dienenden Öffnungsfläche der Kanäle 20 an der Gesamtfläche der Vorderseite mindestens 30%, bevorzugt beträgt der Anteil der Öffnungsfläche mehr als 50% der Gesamtfläche der Vorderseite.

Bevorzugt erweitern sich die Kanäle 20 zur abstrahlenden Vorderseite hin wie in Fig. 3 dargestellt ist. Eine diffusorartige Erweiterung der Kanäle 20 bewirkt eine gleichmäßigere Wärmeverteilung und verhindert somit Spannungen im Strahlkörper 15.

Der Brennraum 14 gewährleistet, daß die Verbrennung auf der gesamten Rückseitenfläche des Strahlkörpers 15 stattfindet. Die Flammen können sich seitlich fortpflanzen. Bei einer alternativen Ausführungsform ohne einen getrennten Brennraum 14 sind die Kanäle 20 an der Rückseite des Strahlkörpers 15 über querverlaufende Kanäle miteinander verbunden. Die Flammen brennen bei dieser Ausführungsform in den Eingangsteilen der Kanäle 20 an der Rückseite des Strahlkörpers 15, wobei die Querkanäle eine gleichmäßige Verteilung der Flammen auf der gesamten Rückseite des Strahlkörpers 15 gewährleisten. Bei dieser Ausführungsform beziehen sich die Angaben zu den Flächen- oder Längenverhältnissen der Kanäle auf deren flammenfreie Teile.

Bei allen in den Figuren dargestellten Strahlkörpern 15 ist die abstrahlende Vorderseite etwa 200 mm breit und etwa 150 mm hoch.

In den Fig. 2-7 sind verschiedene Ausführungsformen eines von röhrenförmigen Kanälen 20 durchzogenen Strahlkörpers 5 dargestellt: Der Querschnitt der Kanäle 20 ist entweder kreisförmig oder in Form eines regelmäßigen Polygons ausgebildet. Das Verhältnis der Länge zum maximalen Durchmesser der Kanäle im flammenfreien Bereich beträgt mehr als 3, bevorzugt ist es größer/gleich 5.

Bei der Ausführungsform nach den Fig. 2 und 3 sind die Kanäle so gestaltet, daß sie von einem kreisförmigen Querschnitt von ca. 4 mm Durchmesser sich auf eine quadratische Öffnungsfläche mit einer Seitenlänge von ca. 8 mm erweitern. Die Kanäle 20 sind in einem regelmäßigen Muster über- und nebeneinander so angeordnet, daß an der Vorderseite Stege von ca. 2 mm Breite verbleiben.

Bei der Ausführungsform nach Fig. 4 sind die Mündungsöffnungen der Kanäle 20 kreisförmig mit einem Durchmesser von ca. 5 mm. Die Wandung um die Mündungsöffnungen der Kanäle 20 ist kreisförmig. Um die Kanäle 20 möglichst dicht packen zu können, sind diese flächenzentriert angeordnet.

Bei der Ausführungsform nach Fig. 5 erweitern sich die über ihre gesamte Länge im Querschnitt kreisförmigen Kanäle von einem Durchmesser von ca. 4 mm zu einem Mündungsdurchmesser von ca. 15 mm. Es sind somit weniger Kanäle 20 mit einem größeren Mündungsdurchmesser als bei der Ausführungsform nach Fig. 4 vorhanden.

Die Fig. 6 und 7 zeigen Strahlkörper, bei denen die Kanäle im Querschnitt quadratisch (Fig. 6) oder sechseckig sind. Der gesamte Strahlkörper 15 ist wabenförmig mit durchgehenden Kanälen 20 aufgebaut.

Die Fig. 8 und 9 zeigen einen Strahlkörper 15, der eine Reihe von schlitzförmigen Kanälen 20 aufweist. Die schlitzförmigen Kanäle 20 erstrecken sich bevorzugt über die gesamte Breite des Strahlkörpers 15. Sie werden bevorzugt so erzeugt, indem eine Reihe von Platten 21 aus Keramik mit Abstand voneinander angeordnet werden. Die Zwischenräume zwischen den Platten 21 bilden so die Kanäle 20. Bei dieser Ausführungsform sind die Platten 21 so angeordnet, dass das Verhältnis der Höhe der Platten 21 zum Abstand zweier benachbarter Platten 21 im flammenfreien Bereich größer ist als 3, bevorzugt ist es größer/gleich 5. Die Höhe der Platten 21 ist dabei in Strahlungsrichtung definiert, also in Fig. 1 von oben nach unten.

Der Aufbau eines Infrarot-Strahlers mit einem derartigen Strahlkörper 15 ist ausschnittsweise in Fig. 9 dargestellt:
Das Gehäuse 11 besteht aus einem metallischen Halterahmen, der an jeder Längsseite jeweils eine Keramikleiste 22 hält. Jeweils an der Innenseite enthält jede Keramikleiste 22 schlitzförmige Öffnungen, in die jeweils eine Keramikplatte 21 mit ihrem seitlichen Ende eingesteckt ist und so gehalten wird. In der Ansicht nach Fig. 9 sind die den Strahlkörper 15 bildenden Platten 21 über- und untereinander angeordnet. Der Strahlkörper 15 gibt die Infrarotstrahlung nach unten ab. Ein zweiter metallischer Halterahmen 23 hält die Brennerplatte 12, die in Fig. 9 nur andeutungsweise gezeichnet ist. Die Brennerplatte 12 enthält eine Reihe von Bohrungen 13, die in einen Brennraum 14 münden, wie bei der Erläuterung der Fig. 1 beschrieben.

Die Ausführungsform nach den Fig. 8 und 9 hat den Vorteil, dass die Kanäle von einfach gestalteten Platten 21 gebildet werden. Sie können so aus einem temperaturbe­ ständigen und standfesten Material gefertigt werden, selbst wenn dieses schwer zu formen und/oder zu bearbeiten ist. Als besonders geeignetes Material für die Platten 21 hat sich Siliziumkarbid gezeigt, das mit Karbonfasern verstärkt ist.

Aufgrund ihrer Einsatzmöglichkeiten bei Temperaturen von oberhalb 1100°, ihrer hohen spezifischen Leistungsdichte und ihrer langen Standzeit sind die erfindungsgemäßen Infrarot-Strahler besonders zum Trocknen von bahnförmigen Materialien bei hohen Geschwindigkeiten geeignet. Ein bevorzugtes Anwendungsgebiet ist die Trocknung von laufenden Papier- oder Kartonbahnen in Papierfabriken, beispielsweise hinter Beschichtungsvorrichtungen.

Claims (10)

1. Als Flächenstrahler ausgebildeter Infrarot-Strahler mit einem Strahlkörper (15), der an seiner Rückseite von einem brennenden Fluid-Luftgemisch beheizt wird und dessen Vorderfläche die Infrarot-Strahlung abgibt, dadurch gekennzeichnet, dass der Strahlkörper (15) eine Vielzahl von durchgehenden, als Hohlraumstrahler wirkenden Kanälen (20) enthält, bei denen das Verhältnis Wandfläche/Querschnittsfläche im flammenfreien Bereich größer als 10, bevorzugt größer/gleich 20, ist.

2. Infrarot-Strahler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kanäle (20) im Querschnitt kreisförmig oder in Form eines regelmäßigen Polygons ausgebildet sind, wobei das Verhältnis Länge/maximaler Durchmesser im flammenfreien Bereich größer als 3, bevorzugt größer/gleich 5, ist.

3. Infrarot-Strahler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Strahlkörper (15) aus einer Reihe von mit Abstand voneinander angeordneten Platten (21) aufgebaut ist, deren Zwischenräume die Kanäle (20) bilden, wobei das Verhältnis Höhe der Platten (21)/Abstand zweier benachbarter Platten (21) im flammenfreien Bereich größer als 3, bevorzugt größer/gleich 5, ist.

4. Infrarot-Strahler nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil der Öffnungsfläche der Kanäle (20) an der Gesamtfläche der Vorderseite des Strahlkörpers (15) mindestens 30% bevorzugt mehr als 50%, beträgt.

5. Infrarot-Strahler nach einem der Ansprüche 3 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Strahlkörper (15) aus Keramik gefertigt ist.

6. Infrarot-Strahler nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Kanäle (20) eine Tiefe von weniger als 300 mm bevorzugt zwischen 10 mm und 100 mm aufweisen.

7. Infrarot-Strahler nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Kanäle (20) mit einem sich zur Vorderseite hin erweiternden Querschnitt ausgebildet sind.

8. Infrarot-Strahler nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bildung eines Brennraumes (14) mit Abstand von dem Strahlkörper (15) eine Brennerplatte (12) angeordnet ist.

9. Infrarot-Strahler nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Strahlkörper (15) aus mit Karbonfasern verstärktem Siliziumkarbid gefertigt ist.

10. Verwendung eines Infrarot-Strahlers gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9 zur Trocknung von bahnförmigen Materialien, insbesondere von Papier- oder Kartonbahnen.