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rocknungsprozesse, speziell in derPapierindustrie, sind oft eine Kombi-

nation zwischen Infrarot und konvekti-ver Trocknung. Üblicherweise ist dieTrocknung der Engpass in industriellenProzessen. Diese Überlegungen sindrichtig, wenn wir davon ausgehen, dassder Infrarotstrahler im Trocknungspro-zess bei der gleichen Energiedichtebleibt. Die Porenbrenntechnologie zeigtuns einen Weg auf, durch die Energie-dichte einen zusätzlichen Freiheitsgradzu erlangen.

Die Situation vor der Poren-brenntechnologieAlle bestehenden Infrarotbrenner basie-ren auf einer Oberflächenverbrennung,die physikalisch begrenzt ist auf unge-fähr 1 000 °C und einer Energiedichtevon 250 kW/m2.

Höhere Temperaturen oder höhere Ener-giedichten können mit der Oberflächen-verbrennung nicht erreicht werden. DerGrund liegt darin, dass höhere Tempera-

turen mehr Gas und somit mehr Strö-mungsgeschwindigkeiten und dadurcheinen höheren Druck auf der Flammeverursachen. Schließlich verliert dieFlamme den Kontakt mit der strahlen-den Oberfläche, der Wärmeübergang istgestört und dadurch geht der Strah-lungsanteil zurück und der konvektiveAnteil nimmt überhand (Bild 1).

Die PorenbrenntechnologieIn der Porenbrenntechnologie gibt es ei-nen vollkommen neuen Ansatz. In demBereich, in dem die Verbrennung statt-

Hohe Energiedichte für Trocknungs-und Anwärmprozesse durch den Einsatz innovativer Porenbrenner-technologieInnovative porous burner technology achieves high energy density for dryingand heating processes

Von Heiko Schneider, Reinhold Krieger

Bestehende, gasbetriebene Infrarotstrahler arbeiten im mittleren Wellenlängen-bereich bei ungefähr 1 000 °C und einer Energiedichte von ca. 200 kW/m2. Diepatentierte Porenbrenntechnologie erreicht das kurzwellige Infrarotspektrum(1 450 °C) und kommt auf Energiedichten bis zu 1 000 kW pro m2. Diese neueTechnologie ist für Trocknungs- und Anwärmprozesse von größtem Interesse.Bestehende Prozesse zu beschleunigen, das kann durch die neue Technologiejetzt realisiert werden, ohne große Umbautätigkeiten am Prozess. Die wesentli-chen Punkte dieser neuen Technologie machen es möglich, die Regelung deut-lich zu verbessern.

Existing gas-fueled infrared heaters operate in the medium wavelength range ataround 1,000° C, with an energy density of some 200 kW/m2. Patented porousburner technology reaches the short-wave infrared spectrum (1,450° C) andachieves energy densities of up to 1,000 kW per m2. This new technology is ofthe greatest interest for use in drying and initial heating processes. Accelerationof existing processes can now also be implemented using this new technology,without major modifications to the existing equipment. In addition, the maincharacteristics of the new technology make it possible to improve control signif-icantly.

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Bild 1: Prinzip der Oberflächenverbrennung

Fig. 1: The principle of surface combustion

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findet, wird eine poröse Matrix instal-liert. Durch diese poröse Matrix wird derAbgasstrom immer und immer wiedergeteilt und wieder vereint. Zu allererstverbessert sich dadurch der Wärmeüber-gang von der Flamme an die feste Kera-mikoberfläche gravierend. Die poröseMatrix besteht aus einem Keramikmate-rial, welches ganz spezielle Eigenschaf-ten besitzt, was Strahlungsauskopplungund thermische Leitfähigkeit betrifft. DieEmissivität für alle Keramiken ist sehrhoch. Die thermische Leitfähigkeit ist100 Mal höher als diejenige von Gasen.Diese guten Wärmeübertragungseigen-schaften vermeiden irgendwelche hei-ßen Punkte innerhalb der Matrix undsind letztendlich messbar in einem ho-mogenen Temperaturprofil. Durch dieguten Wärmeübertragungseigenschaf-ten kann die Leistung über einen weitenBereich variiert werden [1]. Um eine sta-bile Verbrennung zu jeder Zeit sicherzu-stellen, wird der Brenner aus mindestens2 unterschiedlichen keramischen Zonenhergestellt (Bild 2).

Die Gas-/Luftmischung strömt zuerst ineine feinporige Region. Diese wirkt alsFlammensperre und wärmt das einkom-

mende Gas-/Luftgemisch vor. In derzweiten Zone, der eigentlichen Verbren-nungsregion, ist der Porendurchmesserviel größer (5 – 10 mm). Durch die zahl-reichen Vorteile, die die Porenbrenntech-nologie mit sich bringt, kann diese in vie-len unterschiedlichen Anwendungeneingesetzt werden.

Als Beispiel dienen Haushaltsbrennerzum Erwärmen von Einfamilienhäusern.In der Industrie gibt es unterschiedlicheAnwendungen als Strahlungsbrenner fürÖfen, als Brenner für die Dampferzeu-gung für Gasturbinen oder Solaranlagen[2-4].

Porenbrenner RADIMAXNach dem Planck’schen Strahlungsge-setz werden von einer Oberfläche mit ei-ner höheren Temperatur T1 elektromag-netische Wellen ausgesendet, hin zurniedriger temperierten Umgebung T2.

Nach dem Wien’schen Verschiebungs-gesetz (1) bewegt sich das Maximum derStrahlungsintensität hin zu kurzen Wel-lenlängen, je höher die Temperatur deremittierenden Oberfläche ist.

� max.T = 2,8979 . 10–3 [mK] (1)

Lambda max ist die Wellenlänge dermax. Emission

T = ist die Temperatur der emittierendenOberfläche in Kelvin.

Nach dem Boltzmann Gesetz (2) kanndie Strahlungsemission eines schwarzenKörpers wie folgt beschrieben werden:

E = �. T4 (2)

� = 5,6697 10 – 8 [W/m2K4].

Für nicht schwarze Körper reduziert sichdie Strahlungsemission durch den Emis-sionskoeffizienten (�< 1)

E = � . � . T4.

Wenn wir davon ausgehen, dass derEmissionskoeffizient in dem betreffen-den Temperaturbereich unabhängig vonder Temperatur ist, wird die Gleichungeinfacher:

E – T4

Das bedeutet, die emittierte Strahlungs-intensität hängt einzig und allein von derTemperatur des emittierenden Körpersab. Wenn wir die Intensität bei 800 °Cnormieren und gleich 1 setzen, gibt esfolgende, in Tabelle 1 gezeigte Zusam-menhänge:

Erhöhen wir die Temperatur von1 000 °C auf 1 400 °C ergibt sich eineungefähr 3 Mal höhere Strahlungsemis-sion.

Basierend auf der Steigung der relativenIntensität wurde ein Infrarotstrahler mit dem Porenbrennprinzip entwickelt(Bild 3).

Dieser hier gezeigte Porenstrahler RADI-MAX ist der erste gasbetriebene Infrarot-strahler, der mit 1,7 µm Wellenlänge imMaximum in den kurzwelligen Infrarot-bereich eindringt.

Um die unterschiedlichen Energiedichtenvon Strahlern zu vergleichen, wurde einganz einfacher Test (Bild 4) durchge-führt.

Bild 2:Prinzip Porenstrahler

Fig. 2: The principle of theporous radiant burner

Tabelle 1: Relativer Emissionsgrad bei unterschiedlichen Oberflächentemperaturen

Table 1: Relative emissivity at various surface temperatures

Temperatur Temperatur relative Intensitäten

(°C) (°K) (1)

800 1 073 1

900 1 173 1,42

1 000 1 273 1,98

1 100 1 373 2,68

1 400 1 673 5,91Bild 3: Porenstrahler RADIMAX

Fig. 3: The RADIMAX porous radiant burner

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Die Oberflächentemperatur eines Stahl-blechs wurde gemessen. Zum Vergleichwurde ein Oberflächenstrahler herange-zogen. Der Oberflächenstrahler lag beieiner Betriebstemperatur von ungefähr950 °C. Ferner kam ein Katalytstrahlerzum Einsatz. Dieser Strahler verbrenntGas in einer katalytischen Reaktion. Dasbedeutet, die Temperatur ist niedrigerund liegt bei ca. 600 °C. Der Porenstrah-ler RADIMAX war der dritte Strahler, dergemessen wurde (Bild 5).

Wo der bisher handelsüblich erhältlicheOberflächenstrahler das Metallblech aufca. 100 °C innerhalb von 20 sec. erhitzt,schafft es der Porenstrahler RADMIMAX

in derselben Zeit, eine Temperatur von400 °C am Blech zu erreichen. Der Wär-meübergang an eine feste Oberflächewurde dramatisch vergrößert.

Beim Anwenden der Porenbrenntechno-logie wurde ein anderer wesentlicherFaktor beobachtet. Die Oberflächenver-brennung kann in einem Bereich zwi-schen 50 und 100 % geregelt werden.Geht man bei der Regelung unter 50 %Gasdurchsatz, beginnen die Oberflä-chenbrenner ungleich zu werden unddie Verbrennung kann nicht mehr stabili-siert werden. Im Vergleich dazu ist diePorenbrenntechnologie für derartige In-stabilitäten weitaus weniger anfällig. Inden Versuchen hat der Porenstrahler RA-DIMAX ein Regelverhältnis von 1 : 6 ge-zeigt.

Abgasmessung

Ein wesentlicher Punkt zur Beurteilungvon Verbrennungsprozessen ist selbst-verständlich die Schadstoffemission. Ausdiesem Grund wurden Oberflächen-strahler und Porenstrahler im Vergleichgemessen. Der Versuchsaufbau ist Bild 6zu entnehmen.

Die Oberflächenverbrennung erreichtebei der Kohlenmonoxidemission fast70 ppm wohin gegen die Porenbrenn-technologie deutlich unter 20 ppmbleibt. D.h. die Porenbrenntechnologieemittiert 75 % weniger Schadstoffe. ImBereich NOX, gemessen als NO, ist derWert sogar noch höher. Hier stellt sichdie Porenbrenntechnologie um 78 %besser dar.

Erfahrungen in der Papier-industrieUm die Zuverlässigkeit der RADIMAX-Strahler für die Papierindustrie nachzu-weisen, wurden die Strahler in eine be-stehende Papiermaschine eingebaut.Technische Daten wie folgt:

Papiergewicht vor Coater: 40 – 45 gr/m2

Streichgewicht: 40 gr/m2 (4 Striche)

Feuchte nach Coater: ca. 4,5 %

Insgesamt sind 8 Reihen Infrarotstrahlerin der Anlage nach dem Coaterbereichinstalliert. In den Reihen 3 und 4 wurdendie bestehenden Oberflächenstrahlerdurch RADIMAX-Strahler ausgetauscht.

Versuchsaufbau und Ergebnisse

Bild 7 zeigt das Prinzip einer Coaterlinie.

Eine Reihe RADIMAX-Strahler kann zweiReihen herkömmlicher Infrarotstrahlermit Oberflächenverbrennung ersetzen.Oder mit anderen Worten: Die Verbren-nung im Volumen beim RADIMAX-

Bild 4: Testanordnung

Fig. 4: Test installation

Bild 5: Versuchsergebnisse

Fig. 5: Test results

Bild 6:Versuchsaufbau

Fig. 6: Test apparatus

Bild 7: Prinzip einer Coaterlinie

Fig. 7: The principle of the CoaterLine

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Strahler ist 2 Mal intensiver als die beste-hende Oberflächenverbrennung.

Als Ergebnis der Tests wurde herausgear-beitet, dass der RADIMAX-Strahler dengleichen Wirkungsgrad aufweist wie dieherkömmlichen konventionellen Strah-ler. Das bedeutet, dass RADIMAX nichtnur eine höhere Energiedichte anbietet.Der Wärmeübergang in die Warenbahnist ebenfalls beschleunigt und, das wich-tigste, ohne die Produktqualität zu be-einträchtigen.

FazitDurch die ausgezeichneten Eigenschaf-ten ist die Porenbrenntechnologie fürunterschiedliche Anwendungen in derIndustrie geeignet. Die Trocknung vongestrichenen Papieren, die Lacktrock-nung, die Glasverformung, unterschied-lichste Anwärmprozesse oder aber auchdie Pulverbeschichtung genauso wie dasCoil Coating sind Anwendungsmöglich-keiten, wo der Porenstrahler seine Vor-teile zeigen kann.

Ein neuer Infrarotstrahler wurde entwi-ckelt und bringt hervorstechende Eigen-

schaften mit. In der Papierindustrie wur-de, verglichen zu existierenden Lösun-gen, die Energiedichte verdreifacht. Ver-gleicht man die Oberflächenverbren-nung mit der Porenstrahltechnologie, sokann man sagen, dass der Regelbereich,in welchem die Verbrennung stabil statt-findet, ebenso durch einen Faktor 3 er-höht wurde.

In Feldversuchen wurde nachgewiesen,dass der Wärmeübergang mindestensverdoppelt werden kann, bei gleicherEnergieeffizienz ohne die Papierqualitätzu beeinträchtigen.

Mehrere Langzeitanwendungen sindnicht nur in der Papierindustrie im Ein-satz, um mehr Kenntnis über die Lang-zeitstabilität der Brenner zu erlangen.

Literatur

[1] Pickenäcker, O., Pickenäcker K., WawrzinekK., Trimis D., Pritzkow W. E. C., Müller C.,Goedtke P., Papenburg U., Adler J., StandkeG., Heymer H., Tauscher W., Jansen F.,: Inno-vative Ceramic Materials for Porous-MediumBurners, Interceram, 48, 1999 [5] + [6]

[2] Durst, F., Pickenäcker K., Trimis D.: Poren-brenner – kompakte, emissionsarme Brenner

mit großem Leistungsmodulationsbereich,gwf-Gas/Erdgas, 138, 1997 [2] 116-123

[3] Durst F., Kesting A., Mößbauer S., Picken-äcker K., Pickenäcker O., Trimis D.: Der Po-renbrenner – Konzept, Technik und Anwen-dungsgebiete, Gaswärme International 46,1997, [6] 300-307

[4] Durst F., Keppler M., Trimis D., Weclas M.:Neue Verbrennungstechnik: Der Porenbren-ner in der Ölheizung. Wärmetechnik – Ver-sorgungstechnik, 43, 1998 [1] 28-32 y

Dipl.-Ing. Heiko SchneiderGoGaS Goch GmbH & Co. KG,Dortmund

Tel. 02 31/4 65 05 81E-Mail: heiko.schneider@gogas.com

Dipl.-Ing. Reinhold KriegerGoGaS Goch GmbH & Co. KG,Dortmund

Tel. 02 31/4 65 05 70E-Mail: reinhold.krieger@gogas.com