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Die
Erfindung betrifft einen monolithischen, zylinderförmigen,
feuerfesten Hohlstein, wie er beispielsweise für den Gitterbesatz von Kammern
eines Glasschmelzofens Verwendung findet.
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Üblicherweise
besteht ein Hohlstein aus vier, paarweise gegenüberliegenden Wänden, wobei
ein erstes Wandpaar im rechten Winkel zu einem zweiten Wandpaar
verläuft,
und vier, paarweise gegenüberliegenden
Eckabschnitten, wobei jeder Eckabschnitt zwei benachbarte Wände miteinander
verbindet. Die Wände
und Eckabschnitte schließen
einen koaxial zur Längsachse
des Hohlsteins verlaufenden durchgehenden Kanal ein.
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Eine
Gitterung besteht aus mehreren Ebenen, die jeweils von mehreren,
zueinander im Abstand angeordneten Hohlsteinen gebildet werden. Die
Hohlsteine benachbarter Ebenen sind versetzt zueinander angeordnet.
Dabei stehen die Wände und
Eckbereiche der Gittersteine einer Ebene auf den Wänden und
Eckbereichen der Gittersteine der darunter angeordneten Ebene auf.
Insgesamt ergibt sich so eine hohe Stabilität und labyrinthartige Anordnung
der Hohlsteine innerhalb der Gitterung.
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Gemäß
EP 0 093 472 A1 weisen
die Wände des
Hohlsteins Ausnehmungen auf, die sich von einer unteren Stirnfläche des
Hohlsteins in Richtung auf eine obere Stirnfläche des Hohlsteins erstrecken. Hierdurch
wird zwar die Standfläche
des Hohlsteins verringert; gleichzeitig ermöglichen die Ausnehmungen jedoch
die Durchleitung und Verwirbelung von Heißgas, welches die Gitterung
durchströmt.
Durch diese Gasführung
wird der Wärmeübergang
vom Gas auf die Steine verbessert. Außerdem kommt es zu einem Strömungsausgleich
zwischen den einzelnen Kanälen
der Gitterung.
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In
der
DE 44 17 526 C1 wird
vorgeschlagen, die Eckabschnitte des Hohlsteins mit geringerer Wandstärke auszubilden
als die benachbarten Wände.
Auch hierbei ergibt sich – absolut
betrachtet – eine
Verringerung der Steinoberfläche
und der Standfläche
des Hohlsteins. Auf die gesamte Gitterung bezogen wird die wärmetechnisch
nutzbare Steinoberfläche
allerdings vergrößert, weil
nun auch die Außenflächen im
Eckbereich wärmetechnisch mitgenutzt
werden können,
da in der Gitterung die verjüngten
Eckbereiche der einzelnen Hohlsteine im Abstand zueinander stehen.
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Die
Weiterentwicklung gemäß
DE 101 58 193 A1 weicht
von den vorgenannten Ausführungsformen
dadurch ab, dass jeder Gitterstein eine Länge aufweist, die einem ganzzahligem
Vielfachen seiner Breite entspricht, abzüglich einer Wandstärke. Bei den
Ausführungsformen
gemäß
EP 0 093 472 A1 und
DE 44 17 526 C1 ist
die Dimensionierung der Wände
und Eckbereiche demgegenüber
so, dass bei einer Drehung um 90° um
die Mittenlängsachse
die ursprüngliche
Geometrie wieder erreicht wird.
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Ein
gewisser Nachteil bei allen Ausführungsformen
ist das Gewicht der Steine. Durch die reduzierte Wandstärke der
Eckbereiche gemäß
DE 44 17 526 C1 wird
zwar eine gewisse Gewichtsreduzierung erreicht, gleichzeitig aber
auch ein gewisser Stabilitätsverlust
in Bezug auf die gesamte Gitterung in Kauf genommen.
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Aus
der Praxis sind Hohlsteine der genannten Art bekannt, deren Wandstärke sowohl
im Bereich der genannten Wände
als auch im Bereich der genannten Eckabschnitte gegenüber bekannten Ausführungsformen
verringert ist. Üblicherweise
beträgt
die Wandstärke
circa 38mm, die teilweise auf 30mm reduziert wurde. Diese Reduzierung
der Wandstärke
des gesamten Steins führt
jedoch zu Einbußen
in der Stabilität
der Gitterungssysteme und damit auch zu einer verringerten Standzeit.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, einen Hohlstein der genannten Art anzubieten,
der gegenüber
den eingangs genannten bekannten Hohlsteinen ein geringeres Gewicht
aufweist, gleichzeitig aber eine optimierte spezifische Heizfläche zur
Verfügung
stellt und bei dem die Stabilität
innerhalb der Gitterung weitestgehend der Stabilität der Steine
entspricht, wie sie aus den vorgenannten Druckschriften bekannt
ist.
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Zur
Lösung
dieser Aufgabe liegt der Erfindung folgende Erkenntnis zugrunde:
Eine Gewichtsreduzierung lässt
sich durch Ausnehmungen in den Wandbereichen erreichen, wie dies
prinzipiell aus der
EP
0 093 472 A1 bekannt ist. Im Stand der Technik erstrecken
sich die Ausnehmungen jedoch ausschließlich von der unteren Stirnfläche der
Hohlsteine nach oben. Um möglichst
große
Durchströmöffnungen
für das
Heißgas
zur Verfügung
zu stellen müssen
die Ausnehmungen entsprechend groß sein. Dies korreliert mit
einer entsprechenden Verringerung der Standfläche und damit einer Verringerung der
Stabilität
des Hohlsteins insgesamt.
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Gleichgroße Durchströmungskanäle für das Heißgas lassen
sich aber auch dann bereitstellen, wenn nicht nur von der unteren
Stirnfläche
eines Hohlsteins Ausnehmungen verlaufen, sondern auch von der jeweils
oberen Stirnfläche.
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Im
Gegensatz zu Lehre der
EP
0 093 472 A1 wird jede Wandfläche des Hohlsteins also nicht
mit einer Ausnehmung, sondern mit zwei Ausnehmungen ausgebildet.
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Geht
man von einer identischen Querschnittsfläche der Ausnehmung(en) einer
Wand des Hohlsteins aus, so ergibt sich, dass erfindungsgemäß die beiden
Ausnehmungen jeweils nur etwa die halbe Querschnittsfläche aufweisen
müssen
als eine Ausnehmung gemäß Stand
der Technik.
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Die
genannte konstruktive Gestaltung führt zu einer Reduzierung des
Gewichtes des Hohlsteins, wobei zwischen den genannten Größen (Querschnittsfläche der
Ausnehmung, Standfläche
des Steins, Gewicht des Steins) eine Wechselwirkung besteht, die
in Bezug auf den Wärmeaustausch
innerhalb der Gitterung und die entsprechende Gasführung anwendungsspezifisch
optimiert werden kann.
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In
ihrer allgemeinsten Ausführungsform
betrifft die Erfindung danach einen monolithischen zylinderförmigen feuerfesten
Hohlstein mit folgenden Merkmalen:
- – vier,
paarweise gegenüberliegenden
Wänden, wobei
ein erstes Wandpaar im rechten Winkel zu einem zweiten Wandpaar
verläuft,
- – vier,
paarweise gegenüberliegenden
Eckabschnitten, wobei jeder Eckabschnitt zwei benachbarte Wände miteinander
verbindet, wobei
- – jede
Wand, ausgehend von ihrer unteren Stirnfläche, eine erste untere Ausnehmung
aufweist, die sich in Richtung auf ihre obere Stirnfläche erstreckt,
und
- – jede
Wand, ausgehend von ihrer oberen Stirnfläche, eine zweite obere Ausnehmung
aufweist, die sich in Richtung auf ihre untere Stirnfläche erstreckt.
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Nach
einer Ausführungsform
sind die Wände und
Eckbereiche so angeordnet und ausgebildet, dass sie einen koaxial
zur Mittenlängsachse
des Hohlkörpers
verlaufenden Kanal umfangsseitig begrenzen und der Hohlstein nach
Drehung von 90° oder
180° um
die Mittenlängsachse
seine ursprüngliche
Geometrie wieder erreicht. Bei dieser Ausführungsform ist der Hohlstein
spiegelbildlich zu Ebenen gestaltet, die durch die Mitte gegenüberliegender Wände oder
durch die Mitte gegenüberliegender Eckbereiche
verläuft.
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In
einer weiteren Ausführungsform
ist mindestens eine der beiden Ausnehmungen jeder Wand in einer
Ebene parallel zur Wand im Wesentlichen halbkreisförmig. Werden
beide Ausnehmungen einer Wand halbkreisförmig ausgeführt und mit gleichem Durchmesser,
so ergänzt
sich die obere Ausnehmung eines ersten Steins mit der unteren Ausnehmung
eines darüber
angeordneten weiteren Steins zu einem Vollkreis. Der dadurch ausgebildete
horizontale Strömungskanal
für das
Abgas/den Verbrennungsluftstrom weist einen besonders niedrigen Strömungswiderstand
auf, wodurch sich der Wirkungsgrad des Regenerators (der Gitterung)
erhöht.
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Ebenso
kann die erste, untere Ausnehmung jeder Wand in ihrem, der unteren
Stirnfläche
der Wand benachbarten Abschnitt beidseitig Erweiterungen aufweisen.
Eine solche Ausführungsform,
die in der nachfolgenden Figurenbeschreibung auch dargstellt ist,
ergibt eine Querschnittsgeometrie für die Ausnehmung, die einem „Hut mit
Krempe" entspricht.
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Die
stirnseitigen Erweiterungen können
zur Aufnahme, insbesondere zur formschlüssigen Aufnahme von korrespondierenden
Erhebungen dienen, die dann entsprechend beidseitig der korrespondierenden
zweiten, oberen Ausnehmung angeordnet werden.
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Diese
Erhebungen können
als Stege ausgebildet sein, die in Richtung der jeweils gegenüberliegenden
Wand verlaufen.
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Für eine formschlüssige Verbindung übereinander
liegender Gitterungssteine ist es ebenso möglich, benachbart oder mit
Abstand zur unteren Ausnehmung in der korrespondierenden Stirnfläche diskrete
Vertiefungen anzuordnen, beispielsweise nach Art von Sicken, die
mit korrespondierenden, noppenartigen Erhöhungen benachbart oder mit
Abstand zu der Ausnehmung im Bereich der oberen Stirnfläche zusammenwirken.
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In
beiden Fällen
wird die Standfläche
des Hohlsteins nicht verändert.
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Die
Stabilität
der Gitterung wird optimiert, wenn die erste, untere Ausnehmung
jeder Wand im Bereich der korrespondierenden unteren Stirnfläche eine
Breite aufweist, die gleich oder geringfügig größer als der Außenabstand
der Erhebungen im Bereich der korrespondierenden oberen Stirnfläche ist. Auf
diese Weise lässt
sich eine formschlüssige
Verbindung benachbarter Hohlsteine auch im Randbereich korrespondierender
Ausnehmungen (Öffnungen)
erreichen.
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Die
vorgenannten Ausführungsformen schließen solche
Gestaltungen ein, bei denen die beiden Ausnehmungen jeder Wand symmetrisch
zu einer gemeinsamen Symmetrieebene gestaltet sind. Diese Symmetrieebene
ist bevorzugt eine Symmetrieebene, die die zugehörige Wand vertikal, senkrecht
zu ihren Hauptflächen
und mittig durchschneidet.
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Die
Dimensionierung der Ausnehmungen kann grundsätzlich anwendungsspezifisch
erfolgen. Üblicherweise
wird jede Ausnehmung eine Höhe,
in Richtung der Mittenlängsachse
des Hohlsteins, aufweisen, die 15–45 % der Gesamthöhe des Hohlsteins beträgt. Die
besten Ergebnisse werden erzielt, wenn die genannte Höhe jeder
Ausnehmung 15–25
% der Gesamthöhe
des Hohlsteins nicht überschreitet.
Daraus ergibt sich, bei einem Verhältnis zwischen Breite und Höhe jeder
Wand von 3:4 bis 1:1, dass die Öffnungsweite
jeder Ausnehmung im Bereich der korrespondierenden Stirnfläche etwa
3,5–45
% der theoretischen Stirnfläche
jeder Wand insbesondere 5–35
% beträgt.
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Ausgehend
von der Herstellung erfindungsgemäßer prismatischer Hohlsteine
aus üblichem
feuerfesten Material, beispielsweise auf Basis MgO, sollte die Wandstärke der
Wände und/oder
Eckbereiche > 35mm
betragen, beispielsweise 38mm. Aufgrund der optimierten wärmetechnischen
Eigenschaften erfindungsgemäßer Topfsteine
können
diese auch im Eckbereich mit einer gleichen Wandstärke ausgebildet
werden, sodass auf eine Wandstärkenreduzierung,
wie in der
DE 44 17
526 C1 vorgeschlagen, verzichtet werden kann, wenngleich
diese Ausführungsform
möglich
ist. Wandstärken
von < 35mm sind
aber ebenso möglich.
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Die
erfindungsgemäßen Steine
entsprechen den stetig wachsenden Anforderungen an die physikalischen
und chemischen Eigenschaften von Gitterungen der genannten Art,
erlauben die Einführung NOx-mindernder Verbrennungstechniken und führen zu
einer Erhöhung
der Standzeit der Gitterung und damit auch zu einer Erhöhung der
Laufzeit einer zugehörigen
Glasschmelzwanne. Durch die beschriebene Verstärkung und Optimierung der Querströmung der
Gase durch die Gitterung wird eine Erhöhung der Konvektion im Abgas-
und Verbrennungsluftstrom erreicht, wodurch die Effektivität des Wärmeaustausches
zwischen den Gittersteinen und dem Abgas oder der Verbrennungsluft
erhöht
wird.
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Verglichen
mit einer bewährten
Topfsteinzustellung gemäß Stand
der Technik haben Vergleichsuntersuchungen eine Effektivitätssteigerung
(Verbesserung der Energieausnutzung der Abgase) des mit erfindungsgemäßen Steinen
ausgerüsteten
Regenerators um 1,4 % ergeben, bei gleichzeitiger Reduzierung des
Steingewichts um etwa 6 % und unveränderter Stabilität der Gitterung.
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Die
Erfindung wird nachstehend anhand von 2 Ausführungsbeispielen näher erläutert. Dabei
zeigen die Figuren – jeweils
in schematisierter Darstellung
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1:
Eine Seitenansicht eines erfindungsgemäßen Hohlsteins,
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2:
Eine Aufsicht auf den Hohlstein nach 1
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3:
Eine perspektivische Ansicht des Hohlsteins nach den 1, 2
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4:
Zwei übereinander
angeordnete Hohlsteine gemäß den 1–3
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5:
Eine zweite Ausführungsform
eines Hohlsteins in einer Seitenansicht,
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6:
Eine Aufsicht auf den Hohlstein nach 5
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7:
Eine perspektivische Ansicht des Hohlsteins nach den 5, 6
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8:
Eine Seitenansicht zweier übereinander
angeordneter Hohlsteine gemäß den 5–7.
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In
den Figuren sind gleiche oder gleichwirkende Bauteile mit gleichen
Bezugsziffern dargstellt.
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Der
Hohlstein gemäß den 1–4 besteht
aus vier Wänden 10, 12, 14, 16,
wobei benachbarte Wände,
beispielsweise 10, 12, jeweils unter einem Winkel
von 90° zueinander
verlaufen. Entsprechend verlaufen die Wände 10, 14 beziehungsweise 12, 16 parallel
zueinander.
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Benachbarte
Wände,
beispielsweise 10, 12, sind durch Eckabschnitte 18 miteinander
verbunden. Gemeinsam umschließen
die Wände 10, 12, 14, 16 und
die dazwischen liegenden Eckbereiche 18 einen konzentrisch
zur Mittenlängsachse
M verlaufenden Kanal 20 mit angenähert quadratischer Querschnittsfläche, wobei
die „Ecken" des Kanals 20 aufgrund
der Eckbereiche 18 abgewinkelt sind.
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Die
weitere Ausbildung der Wände 10, 12, 14, 16 wird
beispielhaft anhand der Wand 12 dargestellt, die in 1 gut
erkennbar ist.
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Symmetrisch
zu einer Symmetrieebene, die durch die Mittenlängsachse M des Hohlsteins verläuft und
die Wand 12 senkrecht schneidet erstreckt sich von einer
unteren Stirnfläche 12u der
Wand 12 eine Ausnehmung 22 mit einem Durchmesser
d. Unmittelbar benachbart der unteren Stirnfläche 12u ist die Ausnehmung 22 in
Richtung auf die benachbarten Eckbereiche 18 erweitert,
wie durch das Bezugszeichen 24 dargestellt. Die Ausnehmung
erstreckt sich über
die gesamte Dicke der Wand 12.
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Parallel
zur unteren, ebenen Stirnfläche 12u verläuft eine
obere Stirnfläche 12o,
in der eine weitere, obere Ausnehmung 26 mit halbkreisförmigem Querschnitt
in Richtung auf die untere Stirnfläche 12u ausgebildet
ist. Der Durchmesser dieser Ausnehmung 26 beträgt wieder
d. Im Übergangsbereich zur
oberen Stirnfläche 12o befinden
sich stegartige Erhebungen 28, die korrespondierend zu
den Erweiterungen 24 im Bereich der unteren ersten Ausnehmung 22 ausgebildet
sind.
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Werden
zwei Hohlsteine der dargstellten Art zumindest im Bereich einer
Wand aufeinander gestellt, so ergänzen sich die untere Ausnehmung 22 und
die obere Ausnehmung 26 zu einer kreisförmigen Ausnehmung K, wie 4 zeigt.
Dabei greifen die Erhebungen/Stege 28 in die Erweiterungen 24 formschlüssig ein.
Die Dimensionierung der Ausnehmungen 22, 26 ist
bevorzugt so, dass der Querschnitt sämtlicher Ausnehmungen 22, 26 eines
Hohlsteins das 0,4 bis 0,8-fache der Querschnittsfläche des
Kanals 20 beträgt,
wobei ein Verhältnis > 0,5 beziehungsweise > 0,6 oder > 0,7 Optimierungen
darstellt.
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Im
dargstellten Ausführungsbeispiel
entspricht der Durchmesser d etwa 40 % der Breite D der zugehörigen Wand.
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Der
Hohlstein ist insgesamt so ausgebildet, dass sich bei einer Drehung
des Hohlsteins um 90°, ausgehend
von der in 2 dargestellten Position, eine
identische Aufsicht (Geometrie) ergibt.
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Das
Ausführungsbeispiel
nach den 5–8 unterscheidet
sich von dem Ausführungsbeispiel
nach den 1–4 lediglich
durch die Ausbildung der jeweils unteren Ausnehmung 22 im
Bereich jeder Wand 10, 12, 14, 16.
Bei diesem Ausführungsbeispiel
wurde auf die Erweiterungen 24 beidseitig der Ausnehmung 22 verzichtet
und die Ausnehmung 22 mit einem entsprechend größeren Öffnungsmund
im Bereich der unteren Stirnfläche 12u ausgebildet,
wie durch die Angabe x dargestellt. Dabei entspricht die Breite
x dem Außenabstand
der stegartigen Erhebungen 28 im Bereich der oberen Stirnfläche 12o,
sodass sich beim Aufeinanderstellen baugleicher Hohlsteine wiederum
ein Formschluss zwischen dem inneren Wandbereich der unteren Ausnehmung 22 und
den äußeren Flächenabschnitten
der stegartigen Erhebungen 28 ergibt, wie 8 zeigt.
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Die
Dicke der Wände 10, 12, 14, 16 sowie der
Eckbereiche 18 (y) beträgt
beim Ausführungsbeispiel
nach den 5–8: 38mm.