Keramische Brennerplatte

Beschreibung

[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft eine keramische Brennerplatte für Infrarotstrahler, welche als Hauptbestandteil ein Lithiumsilikat aufweist.

[0002] Keramische Brennerplatten werden in Infrarotstrahlern eingesetzt, in welchen zur Wärmeerzeugung ein Gas-Sauerstoff-Gemisch an der Oberfläche der Keramikplatten verbrannt wird. Hierbei entsteht Infrarotstrahlung, welche zur Wärmeerzeugung genutzt wird. Der Vorteil von Infrarotstrahlern gegenüber herkömmlichen Heizungssystemen ist zum einen, dass Infrarotstrahler nahezu verlustfrei Wärme abgeben können, da kein Trägermedium zum Energietransport benötigt wird, sondern die Wärme in Form von Infrarotstrahlung abgegeben wird, zum anderen Zuglufterscheinungen, wie sie bei konventionellen Verbrennungssystemen auftreten, vermieden werden.

[0003] Während früher die als Brennerplatten eingesetzten Keramikplatten relativ einfach aufgebaut waren, zeigen heutige keramische Brennerplatten komplexe Oberflächenstrukturen, durch welche sich die Leistungsausbeute und das Emissionsverhalten deutlich beeinflussen lassen. Heute befinden sich beispielsweise zwischen 3000 und 4000 Löcher mit einem Durchmesser von 1 bis 1,3 mm auf einer Brennerplatte. Die sogenannte Tiefeneffektstruktur der Brennerplatte ähnelt einer gleichmäßig angeordneten Bienenwabe. Hierdurch vergrößert sich die spezifische Oberfläche und damit die Wärmeübertragungsfläche und die Strahlungsausbeute.

[0004] Im Bereich der Infrarotstrahler wird zwischen Hell- und Dunkelstrahlern unterschieden. Hellstrahler werden durch einen atmosphärischen Brenner direkt beheizt und mit einem geeigneten Brennstoff wie Erdgas oder Flüssiggas betrieben. Vielfach werden sie an Wand oder Decke installiert und dienen hauptsächlich zur Erwärmung hoher oder schlecht gedämmter Räume, wobei ihre Eigenschaft als Infrarotstrahlungsquelle sich vorteilhaft auswirkt, da primär die angestrahlten Oberflächen erwärmt werden und nur sekundär die Umgebungsluft aufgeheizt wird. Der Name Hellstrahler ist zurückgeführt auf die sichtbare Verbrennung eines Brennstoff-Luftgemisches auf der keramischen Brennerplatte, welche dabei aufglüht. Die keramischen Brennerplatten können hierbei Temperaturen von 950° C und mehr erreichen.

[0005] Dunkelstrahler erzeugen die Wärme ebenfalls durch Verbrennung eines Sauerstoff-Brenngas-Gemisches, jedoch im Unterschied zu den Hellstrahlern in einem geschlossenen Strahlrohr. Die durch die Verbrennung erzeugten Heißgase erhitzen die Oberfläche des Strahlrohres, welches die Wärme überwiegend als Strahlung abgibt. Ein Dunkelstrahler besteht im wesentlichen aus einem eine Brennerplatte aufweisenden Brenner, einem Ventilator, einem Strahlungsrohr und einem darüber angeordneten Reflektor. In modernen Dunkelstrahlern ist der Ventilator vor dem Brenner angeordnet, so dass Luft in das System eingedrückt wird. Hierdurch wird eine laminare Flammenverteilung erreicht, welche zu einer gleichmäßigeren Erwärmung des Strahlrohres führt. Darüber hinaus ist der Ventilator bei dieser Konstruktionsweise nicht den heißen Abgasen ausgesetzt, was die mechanische Belastung des Ventilators deutlich reduziert.

[0006] Die Strahlungsausbeute bei modernen Dunkelstrahlern kann bis zu 65 % betragen.

[0007] Brennerplatten für Infrarotstrahler sind allgemein aus dem Stand der Technik bekannt. So offenbart die DE 21 63 498 eine Brennerplatte für Infrarotstrahler mit auf der Abstrahlungsseite angebrachten Vertiefungen und mit zur Zuführung des Brennstoff-Luft-Gemisches von der Gemischseite der Platte nach der Abstrahlungsseite hin verlaufenden, parallel zueinander angeordneten Verbrennungskanälen, von denen mindestens einer konzentrisch im Grunde der Vertiefung angeordnet und weitere über die Seiten der Vertiefung und an die zwischen den Vertiefungen befindlichen Flächen verteilt sind, welcher dadurch gekennzeichnet ist, dass die Verbrennungskanäle über die Vertiefungen und die dazwischen stehenden Materialstege derart verteilt sind, dass die entstehenden Flammen so gleichmäßig auf die Seitenflächen der Vertiefung einerseits und die dazwischen befindlichen Materialstege andererseits einwirken, dass die in den Vertiefungen entstehende Temperatur der an der Stegoberfläche entstehenden Temperatur annähernd gleich ist. Diese Ausgestaltung der Brennerplatte stellt die heute standardmäßig genutzte Ausführungsform der Brennerplatte dar.

[0008] Die DE 94 02 556 U1 offenbart eine keramische Gasbrennerplatte, welche in konventioneller Weise aus Cordierit besteht. Sie kann synthetisch aus Ton bzw. Lehm, Steatit und Aluminiumoxid bzw. Tonerde als Magnesiumaluminiumsilikat hergestellt werden.

[0009] Die deutsche Patentanmeldung DE 44 45 426 A1 offenbart einen Strahlungsbrenner mit einer gasdurchlässigen Brennerplatte, wobei die Brennerplatte in den gasdurchlässigen Bereichen aus Faserwerkstoffen, wie beispielsweise Siliciumcarbidfasern, bestehen kann, wohingegen die gasundurchlässigen Bereiche aus auf Aluminiumoxid oder Cordierit basierenden Keramiken gebildet werden.

[0010] Auch die DE 40 41 061 A1 offenbart eine Brennerplatte. Die hier offenbarte Brennerplatte ist insbesondere für Flachbrenner geeignet und beruht auf einer Aluminium-Titanat-Keramik. Insbesondere wird eine Al₂TiO₅ - Keramik als geeignet für die Herstellung entsprechender Brennerplatten offenbart.

[0011] Die DE 91 16 829 offenbart eine Brennerplatte für Strahlungsbrenner, welche zum überwiegenden Anteil aus Aluminiumoxid besteht.

[0012] Die zur Herstellung der aus dem Stand der Technik bekannten Brennerplatten eingesetzten Aluminiumsilikate besitzen eine relativ niedrige Brenntemperatur von maximal 1000° C, was im Bereich der Arbeitstemperatur der Infrarotstrahler liegt. Dies führt zu einer starken Belastung der Brennerplatten.

[0013] Die aus dem Stand der Technik bekannten Magnesiumsilikate wie Cordierit haben zwar eine deutlich höhere Brenntemperatur von 1300° C, jedoch müssen diese entweder aus gemahlenen und gemischten Rohstoffen bei hohen Temperaturen gebrannt werden oder vorgebrannte Massen müssen vermahlen, in die Brennerplatenmasse eingemischt und anschließend bei niedriger Temperatur fertiggebrannt werden. Dies führt neben einer höheren Belastung des Materials zu deutlich höherem Aufwand bei der Herstellung der Brennerplatten.

[0014] Der vorliegenden Erfindung liegt unter Berücksichtigung des Standes der Technik die Aufgabe zugrunde, eine hinsichtlich ihres Materials verbesserte keramische Brennerplatte anzugeben.

[0015] Gelöst wird diese Aufgabe durch eine keramische Brennerplatte für Infrarotstrahler, welche dadurch gekennzeichnet ist, dass die Brennerplatte einen Lithiumoxid-Gehalt zwischen 0,63 Gew.-% und 7,6 Gew.-% aufweist.

[0016] Ein Lithiumoxid-Gehalt im Bereich zwischen 0,63 Gew.-% und 7,6 Gew.-% entspricht einem Gehalt an Lithium-Silikat in der Keramikmasse zur Herstellung der Brennerplatte von 15 % bei einem angenommenen Lithiumoxid-Gehalt im Lithium-Silikat von 4,2 % bzw. 100 % eines Lithium-Silikats mit einem angenommenen Lithiumoxid-Gehalt von 7,6 Gew.-%.

[0017] Erfindungsgemäß können natürlich vorkommende Lithiumsilikate wie beispielsweise Silikate vom Feldspat-Typ Petalit der allgemeinen Formel Li₂O*Al₂O₃* 8SiO₂ oder Spodumen der allgemeinen Formel Li₂O*Al₂O₃*4SiO₂. Darüber hinaus können erfindungsgemäß Lithiumminerale wie Lepidolith oder auch synthetische Lithiumcarbonate eingesetzt werden.

[0018] Neben dem oben genannten Gehalt an Lithiumoxid können die erfindungsgemäßen Brennerplatten als weitere Bestandteile wenigstens ein Oxid der Gruppe bestehend aus Al₂O₃, SiO₂, Fe₂O₃, TiO₂, CaO, MgO, K₂O, Na₂O, Mn₃O₄, Cr₂O₃, P₂O₅ oder ZrO₂ aufweisen.

[0019] Die erfindungsgemäßen keramischen Brennerplatten können die genannten Oxide in den in der nachfolgenden Tabelle 1 genannten Mengen aufweisen.

Tabelle 1

Al2O3	22,0-35,0 %
SiO2	55,0-70,0 %
Fe2O3	0,00-8,00 %
TiO2	0,00-4,00 %
CaO	0,00-4,00 %
MgO	0,00-10,0 %
K2O	0,00-2,00 %
Na2O	0,00-2,00 %
Mn3O4	0,00-8,00 %
Cr2O3	0,00-2,00 %
P2O3	0,00-1,00 %
ZrO2	0,00-5,00 %
Li2O	1,00-7,60 %

[0020] Vorteilhafter Weise werden diese Oxide dem Material zur Herstellung der keramischen Brennerplatte in Form geeigneter Mineralien zugegeben.

[0021] Hierbei können erfindungsgemäß Bindetone mit einem hohen plastischen Tonmineralgehalt und einem hohen Al₂O₃-Gehalt verwendet werden. Bevorzugt werden Bindetone mit einem Al₂O₃-Gehalt > 30 Gew.-% verwendet.

[0022] Vorteilhafter Weise werden erfindungsgemäß Bindetone mit einem geringen Alkaligehalt< 1,5 Gew.-% eingsetzt.

[0023] Der Anteil an freiem Quarz in den vorteilhaft verwendeten Bindetonen beträgt < 8 Gew.-%. Darüber hinaus können erfindungsgemäß Magnesiumsilikate dem Material zur Herstellung der keramischen Brennerplatte zugegeben werden.

[0024] In einer besonders bevorzugten Ausführung der Erfindung wird dem Material zur Herstellung der keramischen Brennerplatte eine Mischung der zuvor genannten oxidhaltigen Materialien zugegeben.

[0025] Die erfindungsgemäßen keramischen Brennerplatten zeigen eine Dauerbelastbarkeit bei Temperaturen > 1100° C. Darüber hinaus sind die erfindungsgemäßen keramischen Brennerplatten nicht wie die aus dem Stand der Technik bekannten Platten spröde, sondern weich, was deren Bearbeitung deutlich vereinfacht.

[0026] In vorteilhafter Weise zeigen die erfindungsgemäßen Brennerplatten eine äußerst geringe Wärmeexpansion, was deren mechanische Belastung verringert und darüber hinaus die sichere Bindung der Platten bei unterschiedlichen Temperaturen an Trägersysteme vereinfacht. Die erfindungsgemäßen Platten zeigen eine hohe Temperaturwechselbeständigkeit und sind äußerst langlebig.

[0027] Die mechanische Härte der erfindungsgemäßen keramischen Brennerplatten lässt sich über die Brenntemperatur in relativ großen Bereichen steuern.

[0028] Die erfindungsgemäßen keramischen Brennerplatten zeigen beispielsweise bei einer Brenntemperatur ≥ 1025° C eine Standard-Bruchfestigkeit von 16 - 18 kg. Eine Erhöhung der Brenntemperatur steigert die Bruchfestigkeit. So zeigt eine erfindungsgemäße keramische Brennerplatte beispielsweise bei einer Brenntemperatur von 1100°C eine Standard-Bruchfestigkeit von bis zu 22 kg. Durch Erhöhung der Brenntemperatur kann die Bruchfestigkeit weiter bis auf deutlich über 24 kg gesteigert werden.

[0029] Darüber hinaus werden für die Herstellung der erfindungsgemäßen keramischen Brennerplatten keine vorgebrannten Rohstoffe benötigt, was zu deutlichen ökonomischen Vorteilen bei der Herstellung der Platten führt.

[0030] Die nachfolgenden Beispiele stehen exemplarisch für die erfindungsgemäßen keramischen Brennerplatten, ohne dass sich die der Erfindung zugrundeliegende Idee jedoch auf diese Ausführungsbeispiele beschränken lässt.

Beispiel 1

[0031] Eine erfindungsgemäße keramische Brennerplatte mit einem Raumgewicht von 1,2 g/cm³ und einer Porosität von 54 % zeigt die nachfolgende Zusammensetzung.

	Keramikplatte
Al2O3	26,17
SiO2	65,89
Fe2O3	1,36
TiO2	1,05
CaO	0,47
MgO	4,00
K2O	0,66
Na2O	0,29
Mn3O4	0,03
Cr2O3	< 0,01
P2O5	0,08
ZrO2	< 0,01
Li2O-getrocknete Probe	1,49	AAS
Gewichtsänderung d. Glühen (1025° C)	-0,03

[0032] Die Temperaturwechselbeständigkeit TWB (1-3) der erfindungsgemäßen keramischen Brennerplatte lag bei 1, wobei die Temperaturwechselbeständigkeit mittels eines Abschreckungstest bestimmt wird.

[0033] Eine TWB-Wert von 1 korreliert dabei mit einer Temperaturdehnung der Keramikplatte von ca. 0,2 bei 950°C.

Ansprüche

1. Keramische Brennerplatte für Infrarotstrahler,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Brennerplatte einen Lithiumoxid-Gehalt zwischen 0,63 Gew.-% und 7,6 Gew.-% aufweist.

2. Keramische Brennerplatte nach Anspruch 1, wobei die Brennerplatte als weitere Bestandteile wenigstens ein Oxid der Gruppe bestehend aus Al₂O₃, SiO₂, Fe₂O₃, TiO₂, CaO, MgO, K₂O, Na₂O, Mn₃O₄, Cr₂O₃, P₂O₅ oder ZrO₂ aufweist.