Mantelstrahlheizrohr

Abstract

 Ein Mantelstrahlheizrohr, insbesondere zur Beheizung von Ofenräumen von Industrieöfen, weist ein in einem Mantellrohr (1) angeordnetes Flammrohr (4) auf, das aus stumpf aneinandergereihten Rohrstücken (16) zusammengesetzt ist, die durch Klammern (19) miteinander verbunden sind.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft ein Mantelstrahlheizrohr, insbesondere zur Beheizung von Ofenräumen von Industrieöfen, mit einem Mantelrohr und einem in diesem angeordneten Flammrohr, dem einenends ein Brenner zugeordnet ist, und das aus stumpf aneinandergereihten Rohrstücken zusammengesetzt ist sowie durchgehende Abgaskanäle aufweist, die in einen zwischen dem Mantelrohr und dem Flammrohr ausgebildeten Ringkanal münden, wobei das Flammrohr durch zugeordnete Abstandsmittel bezüglich des Mantelrohres zentriert ist.

[0002] Es ist bekannt (GB-PS 716 579), bei Strahlheizrohren das Flammrohr aus mehreren hintereinander angeordneten hohlzylindrischen Keramikteilen zusammenzusetzen, die formschlüssig ineinandergreifen und miteinander verkittet sind. Solche Flammrohre sind schwierig herzustellen und gegen die im Betrieb unvermeidlich auftretenden Durchbiegungen empfindlich. Bei einem aus der US-PS 2478 732 bekannten Mantelstrahlheizrohr ist das keramische Flammrohr ebenfalls aus Rohrstücken oder Kreisringteilen zusammengesetzt, von denen das an die Mantelrohrstirnwand angrenzende Abschluß-Ringteil mit radialen Abgasdurchlässen und ebenso wie die anderen Kreisringteile an der Außenfläche mit radialen Abstandsrippen versehen ist. Diese Abstandsrippen bewirken die Zentrierung des Flammrohrs in dem Mantelrohr und sind zu diesem Zwecke radial außen an der Innenwand des Mantelrohres abgestützt. Die Kreisringteile sind im übrigen stumpf aneinandergereiht; sie sind durch eine auf das freie Ende der gegen die Mantelrohrstirnwand abgestützten Säule von Kreisringteilen einwirkende Feder stirnseitig dicht aneinanderliegend gegeneinander verspannt. Bei diesem Flammrohr besteht die Gefahr einer örtlichen Überhitzung des Mantelrohrs im Bereiche der lediglich in der unmittelbaren Nähe der Mantelrohrstirnwand mündenden Abgaskanäle, während andererseits es schwierig ist, an den Trennfugen der nur elastisch gegeneinander gedrückten Kreisringteile definierte Strömungsverhältnisse sicherzustellen und zu vermeiden, daß bei einer Durchbiegung des Flammrohrs sich Trennfugen in unkontrollierter Weise öffnen und damit Anlaß zu örtlichen Überhitzungen in dem Mantelrohr geben.

[0003] Um die in Mantelstrahlrohren angeordneten Flammrohre mit Rücksicht auf die betriebsmäßig auftretende Durchbiegung flexibel zu gestalten, ist es auch bekannt (DE-PS 1551 762, DE-PS 23 14 118), die Flammrohre jeweils aus ganz oder teilweise aus keramischen Werkstoffen bestehenden Segmenten zusammenzusetzen. In diese Segmente können durchgehende Abgaskanäle bildende Öffnungen oder Schlitze eingebracht sein; es ist aber auch bekannt, die Abgaskanäle an den achsparallelen Stoßstellen der Kreisringsegmente vorzusehen und diese derart zu gestalten, daß sie eine tangentiale Richtungskomponente aufweisen (DE-PS 23 14 118). Zur Verbindung der so gebildeten Rohrabschnitte miteinander können überlappende Muffenverbindungen (DE-PS 34 47 603) oder Bajonettverschlüsse verwendet werden.

[0004] Zur Erhöhung der Lebensdauer der Mantelstrahlrohre wie auch mit Rücksicht auf NO_x-mindernde Maßnahmen, ist ein hoher Umwälzgrad der den Ringkanal zwischen dem Flammrohr und dem Mantelrohr durchströmenden heißen Abgase erforderlich, wobei gleichzeitig eine definierte Wärmeabgabe des Strahlrohrs bei gleichmäßiger Temperaturverteilung über dessen wärmeabgebende Oberfläche zu gewährleisten ist. Bei den bekannten keramischen Strahlrohren, die mit Rücksicht auf die erforderliche Flexibilität aus einzelnen Rohrstücken oder Kreisringteilen bzw. -segmenten zusammengesetzt sind, sind entweder keine definierten Strömungsverhältnisse im Bereiche der Trennfugen zwischen aneinanderstoßenden Teilen gegeben, oder die verwendeten Verbindungsmittel der keramischen Teile engen den an sich schon knappen Strömungsquerschnitt des Ringkanals ein, wobei sie obendrein häufig zusätzliches Material und aufwendige Herstellungsmethoden erforderlich machen.

[0005] Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, hier abzuhelfen und ein Mantelstrahlheizrohr zu schaffen, bei dem bei einfacher Formgestaltung des Flammrohrs und dessen Teile maximale Strömungsquerschnitte für die Abgasumwälzung gegeben sind und sich durch einfache Maßnahmen eine jeweils zweckentsprechende Strömungsführung der Gasumwälzung erzielen läßt.

[0006] Zur Lösung dieser Aufgabe ist das eingangs genannte Mantelstrahlheizrohr erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß die aneinandergereihten Rohrstücke durch Klammern miteinander verbunden sind.

[0007] Diese Klammern gewährleisten zum einen eine exakte gegenseitige Zuordnung der Rohrstücke, die auch unter Betriebsbedingungen erhalten bleibt. Die Klammern sind durchweg außen an den Rohrstücken angebracht, wenngleich für spezielle Ausführungsformen es auch denkbar wäre, innenliegende Klammern zu verwenden.

[0008] In jedem Falle können die Klammern als Abstandsmittel wirkend ausgebildet sein, womit sich eine optimale Anpassungsmöglichkeit an veränderliche Mantelrohrdurchmesser bei unveränderten Flammrohrabmessungen bietet. Außerdem können zumindest zwei Rohrstücke unter Ausbildung eines als Abgaskanal wirkenden Schlitzes im axialen Abstand voneinander angeordnet sein. Durch entsprechende Bemessung der Weite dieser Schlitze und durch entsprechende Wahl deren Verteilung über die Länge des Flammrohres eröffnet sich damit die Möglichkeit, mit sehr einfachen Mitteln eine genau vorherbestimmte Abgas-Strömungsführung durch definierte Schlitze herzustellen und Zonen verbesserten Wärmeübergangs vorzusehen.

[0009] Solche durch entsprechende Anordnungen der Ausbildung der Klammern bewußt gewählte Schlitze größerer Weite erlauben es somit, die Temperaturverteilung und die Umwälzströmung günstig zu beeinflussen. Die bei geschlossenem Flammrohr am Flammrohrende im Bereiche der Strömungsumkehr in der Regel auftretenden Übertemperaturbereiche lassen sich auf diese Weise weitgehend vermeiden.

[0010] Als zweckmäßig hat es sich auch herausgestellt, wenn die Wandung der Rohrstücke stirnseitig abgeschrägt ist, wobei die Abschrägungen benachbarter Rohrstücke etwa gleichgerichtet ausgebildet sein können. Es wurde nämlich gefunden, daß insbesondere bei abgeschrägten Rohrenden keine Überhitzung im Bereiche des zur Flexibilität notwendigen kleinen Schlitzes (mit einer Weite im Bereiche eines mm) zwischen zwei benachbarten Rohrstücken auftreten, wobei dieser kleine Schlitz keinen Einfluß auf die Umwälzströmung hat.

[0011] Wenigstens ein Teil der Rohrstücke kann auf seiner Außenseite die wärmeabführende Fläche vergrößernde Vorsprünge tragen, die bspw. rippenartig ausgebildet sein können. Durch diese Vergrößerung der wärmeübertragenden Fläche und die sich ergebende verstärkte Turbulenz der Abgasströmung kann der Wärmeübergang in bestimmten Bereichen verbessert werden.

[0012] In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Klammern nach Art von Laschen ausgebildet, die mittels formschlüssiger Halterungsmittel mit den Rohrstücken verbunden sind. Diese Halterungsmittel können bolzenartige Halterungselemente aufweisen, die in entsprechende Löcher in der Wandung der Rohrstücke und/oder der Laschen eingesteckt sind. Dabei hat es sich als günstig erwiesen, wenn die bolzenförmigen Halterungselemente jeweils einen verbreiterten Kopfteil aufweisen, wobei sie gleichzeitig zur Zentrierung des Flammrohres in dem Mantelrohr dienen können. So kann bspw. durch entsprechende Bemessung des Kopfteils auch eine Anpassung an den Innendurchmesser des jeweiligen Mantelrohres geschehen.

[0013] Die Rohrstücke, die Klammern und deren Halterungsmittel können zumindest teilweise aus keramischem Material bestehen. Sie können in einfacher Form hergestellt werden, was auch dann gilt, wenn die Rohrstücke und/oder die Klammern und/oder-deren Halterungsmittel aus einem hitzebeständigen Metall, bspw. in Gestalt einer Sonderlegierung, hergestellt sind.

[0014] Schließlich können nicht nur die Rohrstücke des Flammrohres miteinandern, sondern auch das ganze Flammrohr selbst mit dem Brenner mittels der erwähnten Klammern verbunden sein.

[0015] In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel des Gegenstandes der Erfindung dargestellt. Es zeigen:

Fig. 1

ein Mantelstrahlheizrohr gemäß der Erfindung, in einer Seitenansicht, teilweise aufgeschnitten längs der Linie I-I der Fig. 3,

Fig. 2

einen Ausschnitt des Mantelstrahlheizrohres nach Fig. 1, in einer entsprechenden Darstellung sowie in einem anderen Maßstab, und

Fig. 3

das Mantelstrahlheizrohr nach Fig. 2, geschnitten längs der Linie III-III der Fig. 2, in einer Draufsicht.

[0016] Das in der Zeichnung dargestellte Mantelstrahlheizrohr dient insbesondere zur Beheizung von Ofenräumen in Industrieöfen. Es weist ein zylindrisches Hantelrohr 1 auf,
das einenends stirnseitig bei 2 verschlossen ist und das im Bereiche seines anderen Endes abgedichtet in die bei 3 angedeutete Wandung einer nicht weiter dargestellten Ofenkammer eingesetzt ist. In dem Mantelrohr ist ein zylindrisches koaxiales Flammrohr 4 angeordnet, das mit der Innenwand des Mantelrohres 1 einen über die axiale Länge durchgehenden Ringkanal 5 begrenzt, der in einen Abgassammelraum 6 (Fig.1) mündet, welcher im Bereiche eines das Mantelrohr 1 verschließenden Verschlußstückes 7 angeordnet ist. Von dem Abgassammelraum 6 geht ein Abgasstutzen 8 ab, über den das bei der Verbrennung anfallende Abgas abgeführt wird.

[0017] Koaxial zu dem Flammrohr 4 ist in dem Mantelrohr 1 ein allgemein mit 9 bezeichneter Brenner angeordnet, der eine in das Flammrohr 4 ragende Brennkammer 10 aufweist, die mit einer bei 11 angedeuteten Brennerdüse versehen ist, durch welche die Flamme in das Flammrohr 4 eintritt. An die Brennkammer 10 schließt sich ein Luftleitzylinder für die Verbrennungsluft an, die über einen Zuleitungsstutzen 13 in den Luftleitzylinder 12 eingeleitet wird. Die Brennstoffzufuhr schließlich erfolgt durch eine koaxiale, in die Brennkammer mündende Brennstofflanze 14, die mit einem Brennstoffzufuhrstutzen 15 verbunden ist.

[0018] Das zylindrische Flammrohr 4, das in einigem Abstand von der Mantelrohrstirnwand 2 mündet, ist aus einzelnen zylindrischen, vorzugsweise keramischen Rohrstücken 16 zusammengesetzt, die stumpf aneinandergereiht sind. Die Rohrstücke 16 haben gleiche Innen- und Außendurchmesser; ihre axiale Länge kann unterschiedlich sein. Im Bereiche ihrer Stirnflächen sind die Rohrstücke 16 jeweils mit einer Anfasung oder Abschrägung 17 bzw. 18 versehen, die ringsumlaufend ausgebildet und jeweils an einem Rohrstückende - bei 17 - außenliegend und an dem anderen Rohrstückende - bei 18 - innenliegend angeordnet sind. Jeweils benachbarte Abschrägungen 17,18, sind - wie aus Fig. 2 zu entnehmen - im wesentlichen gleichgerichtet.

[0019] Die koaxial aneinandergereihten Rohrstücke 16 sind durch Klammern 19 miteinander verbunden, die außen an den Rohrstücken 16 angebracht sind und in dem Ringkanal 5 liegen. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind pro Verbindungsstelle vier Klammern 19 vorgesehen, die gleichmäßig rings um den Umfang der miteinander verbundenen Rohrstücke 16 verteilt angeordnet sind. Dies bedeutet natürlich keine Beschränkung; grundsätzlich können, abhängig von den Bedingungen des Einzelfalles, auch mehr oder weniger Klammern 19 vorgesehen werden.

[0020] Jede der Klammern 19 weist eine schmale, längliche, leistenartige Lasche verhältnismäßig geringer Dicke auf, die im Bereiche ihrer beiden Enden mit zwei durchgehenden Löchern 21 (Fig. 3) ausgebildet ist, durch welche Halterungsbolzen 22 ragen, die in entsprechende Löcher 23 in der Wandung der Rohrstücke 16 eingesteckt sind. Fig. 3 zeigt, daß die Laschen 20 eben und parallelflankig begrenzt gestaltet sind, wie dies für größere Außendurchmesser der Rohrstücke 16 ausreichend ist. Insbesondere bei kleineren Außendurchmessern kann es aber auch zweckmäßig sein, die Laschen 20 nach Art von Ausschnitten aus einem Kreisringsegment gekrümmt herzustellen, um sie damit dem Außenumriß der Rohrstücke 16 anzupassen. Sie sind mit ihrer Längserstreckung im wesentlichen parallel zu der Längsachse des Flammrohres 4 ausgerichtet, um einen möglichst geringen Strömungswiderstand für die den Ringkanal 5 durchströmenden Abgase zu bilden. Ihre Anordnung und Ausbildung kann aber auch derart getroffen sein, daß sie als Leiteinrichtungen für diese Abgasströmung wirken, etwa im Sinne der Erzeugung eines spiraligen Strömungsbildes.

[0021] Jeder der Bolzen 22 ist mit einem verbreiterten Kopfteil 24 ausgebildet, das auf der zugeordneten Lasche 20 außen aufliegt und dessen axiale Höhe derart gewählt ist, daß die Bolzen 22 unmittelbar als Abstandsmittel wirken, die das Flammrohr 4 in dem umgebenden Mantelrohr 1 zentrieren. Durch die Wahl von Bolzen 22 mit entsprechender Höhe des Kopfteils 24 kann auf diese Weise,bspw. bei unverändertem Flammrohrdurchmesser, eine Anpassung an unterschiedliche Durchmesser des Mantelrohrs 1 erzielt werden. Da die Bolzen 22 mit den Laschen 20 und den Rohrstücken 16 einfach zusammengesteckt sind, wobei das Ganze im montierten Zustand durch das es umschließende Mantelrohr 1 unlösbar zusammengehalten ist, ergeben sich sehr einfache Herstellungs- und Montageverhältnisse für das Flammrohr 4, dessen einzelne Rohrstücke 16 im Bedarfsfall auch einfach ausgetauscht werden können. Gleichzeitig gewährleisten die Klammern 19 wegen ihrer starren formschlüssigen Befestigung an den miteinander zu verbindenden Rohrstücken 16 eine einwandfreie, genau lagerichtige gegenseitige Fixierung der miteinander verbundenen Rohrstücke 16.

[0022] Benachbarte Rohrstücke 16 können durch entsprechende Anordnung der für die Aufnahme der Bolzen 22 bestimmten Löcher 23 im wesentlichen unmittelbar aneinanderstoßend angeordnet sein, derart, daß die benachbarten Abschrägungen 17,18 ineinandergreifen und an der Trennstelle lediglich ein kleiner, zur Gewährleistung der erforderlichen Flexibilität des Flammrohres 4 erforderlicher Schlitz 25 (Fig.1) verbleibt, dessen Weite etwa im Bereiche eines mm liegen kann. Dieser kleine Schlitz 25 hat insbesondere auch wegen der Abschrägungen 17,18 keinen Einfluß auf die sich in dem Ringkanal 5 ausbildende Umwälzströmung; er gibt auch nicht zu örtlichen Überhitzungen des Mantelrohres 1 in seiner Nähe Anlaß.

[0023] Die Klammern 19 erlauben es aber auch, durch einfache Veränderung der Anordnung der Löcher 23 der Rohrstücke 16 zwischen benachbarten Rohrstücken bewußt einen größeren Schlitz 26 einzustellen, der eine genau definierte Weite aufweist und als Abgaskanal wirkt. Durch entsprechende Anordnung und Bemessung dieser Schlitze 26, durch die bei 27 in Fig. 2 angedeutete Abgasströme nach außen treten, lassen sich die Temperaturverteilung über die Länge des Mantelrohrs 1 und die in dem Ringkanal 5 aufrecht erhaltene Abgas-Umwälzströmung günstig beeinflussen. Dazu tragen auch die den jeweiligen Schlitz 26 begrenzenden gleichgerichteten Abschrägungen 17, 18 bei, die entsprechend Fig. 2 so gerichtet sind, daß aus dem Inneren des Flammrohrs 4 austretenden Abgasströme eine in Fig. 2 nach oben, d.h. in der durch Pfeile 28 angedeuteten Richtung der Umwälzströmung gerichtete Strömungskomponente erhalten.

[0024] Die Rohrstücke 16, Laschen 20 und/oder die Bolzen 22 können wegen ihrer einfachen Form aus Keramik und/oder hitzebeständigen Sonderlegierungen hergestellt werden, d.h. aus Materialien, deren Formgestaltungsmöglichkeiten wegen der Materialeigenschaften an sich beschränkt sind.

[0025] Die keramischen Rohrstücke 16, die z. B. aus SiC bestehen, können - wie aus Fig.1 zu entnehmen - außen glattwandig ausgebildet sein. Es können an geeigneter Stelle des Flammrohres 4 aber auch Rohrstücke 16a (Fig. 1) eingesetzt sein, die an ihrem Außenumfang angeformte Vorsprünge, bspw. in Gestalt von parallelen Längsrippen 29,tragen, die durch Vergrößerung der wärmeübertragenden Fläche und durch eine verstärkte Turbulenz den Wärmeübergang mit den außen entlangströmenden Abgasen verbessern.

[0026] Das aus den Rohrstücken 16 in der beschriebenen Weise zusammengefügte flexible Flammrohr 4 ist mit dem Brenner 9 ebenfalls mittels Klammern 19 verbunden, deren Laschen 20 und Bolzen 22 aus Fig. 1 zu ersehen sind. Die Klammern 19 halten das endständige Rohrstück 16a in einem solchen axialen Abstand von der Brennerdüse 11, daß durch den verhältnismäßig großen, so freibleibenden Ringspalt 30 die durch Pfeile 31 angedeuteten, über den Ringkanal 5 umgewälzten Abgase in das Flammrohr 4 durch Injektorwirkung eingesaugt werden können.

[0027] Bei der beschriebenen Ausführungsform bilden, wie erläutert, die in ihrer axialen Höhe entsprechend gewählten Kopfteile 24 der Bolzen 23 die Abstandsmittel, die das Flammrohr 4 in dem Mantelrohr 1 zentrieren. Grundsätzlich sind aber auch Ausführungsformen denkbar, bei denen die Laschen 20 solche Abstandselemente, bspw. in Gestalt angeformter Höcker oder Rippen, tragen, die die Zentrierungsaufgabe übernehmen.

[0028] Das Mantelrohr 1 kann im übrigen aus Stahl, aus Keramik (bspw. SiC) oder aus hitzebeständigen Sonderlegierungen (einschl. Sintermaterialien) bestehen.

Ansprüche

1. Mantelstrahlheizrohr, insbesondere zur Beheizung von Ofenräumen von Industrieöfen, mit einem Mantelrohr und einem in diesem angeordneten Flammrohr, dem einenends ein Brenner zugeordnet ist und das aus stumpf aneinandergereihten Rohrstücken zusammengesetzt ist sowie durchgehende Abgaskanäle aufweist, die in einen zwischen dem Mantelrohr und dem Flammrohr ausgebildeten Ringkanal münden, wobei das Flammrohr durch zugeordnete Abstandsmittel bezüglich des Mantelrohres zentriert ist, dadurch gekennzeichnet, daß die aneinandergereihten Rohrstücke (16) durch Klammern (19) miteinander verbunden sind.

2. Mantelstrahlheizrohr nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Klammern (19) außen an den Rohrstücken (16) angebracht sind.

3. Mantelstrahlheizrohr nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Klammern (19) als Abstandsmittel wirkend ausgebildet sind.

4. Mantelstrahlheizrohr nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest zwei Rohrstücke (16) unter Ausbildung eines als Abgaskanal wirkenden Schlitzes (26) in definiertem axialem Abstand voneinander angeordnet sind.

5. Mantelstrahlheizrohr nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandung der Rohrstücke (16) stirnseitig abgeschrägt (17,18) ist.

6. Mantelstrahlheizrohr nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Abschrägungen (17,18) benachbarter Rohrstücke (16) etwa gleichgerichtet ausgebildet sind.

7. Mantelstrahlheizrohr nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Teil der Rohrstücke (16) auf seiner Außenseite die wärmeabführende Fläche vergrößernde Vorsprünge (29) trägt.

8. Mantelstrahlheizrohr nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorsprünge (29) rippenartig ausgebildet sind.

9. Mantelstrahlheizrohr nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Klammern (19) nach Art von Laschen (20) ausgebildet sind, die mittels formschlüssiger Halterungsmittel (22) mit den Rohrstücken (16) verbunden sind.

10. Mantelstrahlheizrohr nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Halterungsmittel bolzenartige Halterungselemente (22) aufweisen, die in entsprechende Löcher (21; 23) in der Wandung der Rohrstücke (16) und/oder der Laschen (20) eingesteckt sind.

11. Mantelstrahlheizrohr nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die bolzenartigen Halterungselemente (22) jeweils einen verbreiterten Kopfteil (24) aufweisen.

12. Mantelstrahlheizrohr nach Anspruch 3 und nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstandsmittel durch die Halterungsmittel (23) gebildet sind.

13. Mantelstrahlheizrohr nach den Ansprüchen 11 und 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstandsmittel jeweils durch den Kopfteil (24) der Halterungselemente (23) gebildet sind.

14. Mantelstrahlheizrohr nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Klammern (19) zumindest teilweise aus keramischem Material bestehen.

15. Mantelstrahlheizrohr nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Klammern zumindest teilweise aus einem hitzebeständigen Metall bestehen.

16. Mantelstrahlheizrohr nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Flammrohr (4) mit dem Brenner (9) ebenfalls mittels Klammern (19) verbunden ist.

Zeichnung