DE102008048972B4

DE102008048972B4 - Strahlrohranordnung mit einer Verbindungseinrichtung

Info

Publication number: DE102008048972B4
Application number: DE200810048972
Authority: DE
Inventors: Graf von Dr. Schweinitz Horst
Original assignee: IBS IND BRENNER SYSTEME GmbH; IBS INDUSTRIE-BRENNER-SYSTEME GmbH
Current assignee: IBS IND BRENNER SYSTEME GmbH; IBS INDUSTRIE-BRENNER-SYSTEME GmbH
Priority date: 2008-09-25
Filing date: 2008-09-25
Publication date: 2012-07-12
Anticipated expiration: 2028-09-26
Also published as: DE102008048972A1; WO2010034823A1

Abstract

Strahlrohranordnung mit einem Strahlrohr (1) für einen mit einem Brennstoff betreibbaren Ofen, mit einem Flansch (2) zur Anordnung des Strahlrohres (1) an einer Wand (17) des Ofens, wobei ein Ringkörper (3) vorgesehen ist, der endseitig am Strahlrohr (1) angeordnet ist, über den das Strahlrohr (1) mit einer Verbindungseinrichtung mit dem Flansch (2) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungseinrichtung wenigstens eine Federscheibe (4) mit federelastischen Bereichen (6) aufweist, über die der Flansch (2) mit der Federscheibe (4) verbunden ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Strahlrohranordnung mit einem Strahlrohr für einen mit einem Brennstoff betreibbaren Ofen gemäß des Oberbegriffes von Anspruch 1 mit einem Flansch zur Anordnung des Strahlrohres an einer Wand des Ofens, wobei ein Ringkörper vorgesehen ist, der endseitig auf dem Strahlrohr angeordnet ist und über den das Strahlrohr mit einer Verbindungseinrichtung mit dem Flansch verbunden wird.
Derartige Strahlrohranordnungen werden beispielsweise zur indirekten Beheizung von Öfen mit zumindest einem Rekuperatorbrenner verwendet. Hierzu müssen die Strahlrohre in den Ofen eingehängt werden, und der Brennstoff muss von außerhalb zugeführt werden können. Daher ist eine mechanische Aufnahme und eine gasdichte Anordnung des Strahlrohres in der Wand des Ofens erforderlich, wobei ein Ringkörper vorgesehen sein kann, der endseitig auf dem Strahlrohr angeordnet ist, um dieses gegen den Flansch zu verspannen. Folglich wird das Strahlrohr über den Ringkörper mit einer Verbindungseinrichtung verbunden. Um zu vermeiden, dass Abgase in den Innenraum des Ofens einströmen, ist ein Abdichten gegen die Brenngase sowie die entstehenden Abgase in der Verbindungsanordnung erforderlich. Ferner muss eine Wärmeausdehnung in der Verbindungseinrichtung zwischen dem Strahlrohr und der Wand des Ofens ermöglicht sein, ohne dass es zu erhöhten mechanischen Spannungen kommt, die die Verbindungseinrichtung im langfristigen Betrieb beschädigen können. Zudem dürfen keine Abgase in den Außenbereich des Ofens gelangen, sodass ein Abdichten gegen die Brenngase sowie die entstehenden Abgase in der Verbindungsanordnung auch nach außen erforderlich ist.
Werden Strahlrohre aus einem metallischen Werkstoff im Ofen angeordnet, sind diese häufig über ein endseitiges Gegenlager abgestützt, wobei Strahlrohre aus seinem keramischen Werkstoff ohne ein Gegenlager an nur einer Wand des Ofens angeordnet werden, und frei in den Innenraum des Ofens hineinragen. Folglich muss die Verbindungseinrichtung über den Flansch das Eigengewicht des Strahlrohres aufnehmen, wodurch neben der thermischen Belastung auch eine mechanische Belastung hinzukommt.
Aus der EP 0 939 270 B1 ist die Anordnung eines Strahlrohres an der Wand eines Ofens bekannt. Hierin wird eine Flanschanordnung vorgeschlagen, über die das Strahlrohr an der Wand des Ofens befestigt wird und dieses trägt. Am Ende des Strahlrohres ist ein Ringkörper vorgesehen, der außenseitig auf dem Strahlrohr aufsitzt und mit diesem fest und abgedichtet verbunden ist. Ferner ist eine Dichtungseinrichtung vorgesehen, die mit einem Dichtelement die Verbindung zwischen dem Strahlrohr und dem Flansch abdichtet. Über ein starres Ringelement, das gegen den Ringkörper zur Anlage kommt, wird das Strahlrohr gegen den Flansch verspannt, wobei der Flansch selbst an der Ofenwand gasdicht befestigt wird. Sowohl flanschseitig als auch strahlrohrseitig ist vor dem Ringkörper eine Dichtung vorgesehen, und die Verspannung des Ringkörpers gegen den Flansch erfolgt über mehrfach auf dem Umfang verteilte Schrauben. Die Schrauben sind über Federanordnungen im Flansch eingesetzt, um dem System hinsichtlich der Verspannung eine Nachgiebigkeit zu verleihen. Insgesamt ergibt sich jedoch eine sehr aufwendige Verbindungseinrichtung aus einer großen Anzahl von Einzelteilen, die zu dem aufwendig montiert werden müssen. Eine Traghülse dient zum Abstützen des Strahlrohes, wobei diese geschlitzt ausgeführt und federnd um das Strahlrohr verspannt ist. Nur dadurch können Längenausdehnungen im Verbund, die durch Temperaturschwankungen verursacht werden, ausgeglichen werden, wobei ferner ein Isoliermaterial zwischen dem Strahlrohr und der Traghülse erforderlich ist, um die Unterschiede der jeweiligen temperaturbedingten Dehnungen auszugleichen.
In der weiteren Druckschrift DE 195 04 401 C1 ist ebenfalls eine Strahlrohranordnung dargestellt, die über einen Flansch mit einer Ofenwand befestigbar ist. Zur axialen Fixierung des Strahlrohrs ist bei dieser Flanschanordnung eine elastische Hülse vorgesehen, die mit einem der Flanschteile verschweißt ist und die Verbindung zwischen Flansch und Strahlrohr abdichtet. Die elastische Hülse, die selbst auf das Strahlrohr aufgeschrumpft wird, stellt jedoch nur ein zusätzliches Hilfselement dar und dient nicht selbst als mechanisch tragendes Flanschteil. Außerdem ragt die Hülse horizontal genauso wie das weitere Flanschteil, an dem die Hülse befestigt ist, in den Ofenraum hinein, wodurch die gesamte Flanschanordnung eine große geometrische Dimension beansprucht. Insgesamt handelt es sich auch bei dieser Strahlrohranordnung um eine aufwendige Konstruktion, wobei der relevante Flansch aus einer Vielzahl von Einzelteilen besteht, die sogar teilweise miteinander verschweißt werden müssen.
Es ist somit die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Strahlrohranordnung für einen mit einem Brennstoff betreibbaren Ofen zu schaffen, das mit einer Verbindungseinrichtung an der Wand eines Ofens angeordnet ist, wobei die Verbindungseinrichtung einerseits eine Abdichtung und andererseits eine Aufnahme des Eigengewichtes des Strahlrohres ermöglicht und welches eine einfache konstruktive Ausgestaltung mit einer geringen Anzahl von Teilen und mit einer einfachen Montage aufweist.
Diese Aufgabe wird ausgehend von einer Strahlrohranordnung für einen mit einem Brennstoff betreibbaren Ofen gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 in Verbindung mit den kennzeichnenden Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Die Erfindung schließt die technische Lehre ein, dass die Verbindungseinrichtung wenigstens eine Federscheibe mit federelastischen Bereichen aufweist, über die der Flansch mit der Federscheibe verbunden ist. Das Strahlrohr mit der Verbindungseinrichtung kann insbesondere bei einem Ofen mit einem Rekuperatorbrenner verwendet werden, wobei das Strahlrohr ein inneres und äußeres Rohrteil aufweist, die auch als Flammenrohr und Mantelrohr bezeichnet werden. Zur Erwärmung des Ofens werden die heißen Abgase des Brenners an einem ersten Ende in das innere Rohrteil (Flammenrohr) des Strahlrohr eingeleitet und am gegenüberliegenden Ende, dem zweiten Ende, ausgeleitet. Anschließend werden die Abgase durch das äußere Rohrteil (Mantelrohr), welches das innere Rohrteil umhüllt, zurück zum ersten Ende geleitet. Dabei dienen die zurückgeleiteten Abgase zur Vorwärmung der Brennerluft für den Rekuperatorbrenner. Schließlich werden die Abgase aus dem Ofen insbesondere über ein Rohrleitungssystem ins Freie geführt.
Die erfindungsgemäße Verbindungseinrichtung mit der Federscheibe geht von dem Gedanken aus, die wesentlichen Anforderungen der Verbindungseinrichtung über ein einzelnes Bauteil oder miteinander verbundenen Bauteilen zu erfüllen. Die Federscheibe kann gegen die rohrseitige Anschlagfläche des Ringkörpers zur Anlage gebracht werden, wobei diese über den Ringkörper gegen den Flansch verspannt werden kann. Die Verspannung kann über die federelastischen Bereiche erfolgen, da erfindungsgemäß die Federscheibe über die federelastischen Bereiche mit dem Flansch verbunden wird. Die federelastischen Bereiche liefern folglich eine Nachgiebigkeit in der Verbindungseinrichtung zwischen dem Strahlrohr und dem Flansch, so dass hierüber Wärmeausdehnungen sowie Setzbeträge in der Anordnung des Strahlrohres an der Wand ausgeglichen werden können.
Die Dimensionierung der Federscheibe kann derart ausgelegt sein, dass ein Strahlrohr auch frei in den Innenraum des Ofens hineinragen kann, und das Eigengewicht des Strahlrohres über die Verbindungseinrichtung getragen wird. Der Ringkörper erstreckt sich um den Umfang des Strahlrohres herum und sitzt am flanschseitigen Ende des Strahlrohres auf. Folglich kann der Ringkörper des Strahlrohres zwischen Federscheibe und Flansch eingespannt werden, wobei durch die radial umlaufende Einspannung zugleich eine Dichtwirkung zur gasdichten Anordnung des Strahlrohres am Flansch ermöglicht wird. Die Federscheibe weist eine Ringform auf, wobei die federelastischen Bereiche gleichverteilt auf dem Umfang der ringförmigen Federscheibe angeordnet sein können. Jedoch besteht ferner die Möglichkeit einer mehrteiligen Federscheibe, die aus Segmenten zusammengesetzt werden kann, um das Strahlrohr über seinen gesamten Umfang mit dem Flansch zu verspannen. Bei einer mehrteiligen Federscheibe, die beispielsweise aus zwei halbmondförmigen bzw. vier viertelmondförmigen Elementen oder dergleichen besteht, muss diese nicht über der gesamten Länge über das Strahlrohr geführt werden, um dieses mit dem Flansch zu verspannen.
Eine vorteilhafte Ausführungsform der Federscheibe weist federelastische Bereiche auf, die an der Federscheibe angeformt und einteilig mit dieser ausgebildet sind. Durch die einteilige Ausbildung der federelastischen Bereiche mit der Federscheibe wird die Anzahl der an der Verbindungseinrichtung beteiligten Komponenten weiter reduziert. Die Federscheibe kann dabei einteilig ausgeführt sein, so dass eine Verbindung des Strahlrohres mit dem Flansch lediglich über ein Bauteil erfolgt, zu dem nur Dicht- und Schraubelemente hinzugefügt werden müssen. Außerdem verhindern die federelastischen Bereiche an der Federscheibe, dass ein zu großer Anpressdruck, verursacht durch die Befestigung der Verbindungseinrichtung an dem Flansch, z. B. durch zu große Anzugsmomente an den Schraubelementen, zu einer Beschädigung des Ringkörpers am Strahlrohr führen.
Eine weitere Ausführungsform der Federscheibe sieht einen ringförmigen Grundkörper vor, der sich in einer Grundebene um das Strahlrohr herum erstreckt. Die federelastischen Bereiche weisen gegenüber der Grundebene eine Schränkung auf, durch die sich diese aus der Grundebene heraus in Richtung zum Flansch erstrecken. Die Federscheibe wird gegen die rohrseitige Anschlagfläche des Ringkörpers zur Anlage gebracht, wobei die Ebene der Anschlagfläche oberhalb der Ebene des Flansches liegt. Erstrecken sich die federelastischen Bereiche durch ihre Schränkung in Richtung zur Oberfläche des Flansches, kann die Wegstrecke zwischen der rohrseitigen Anschlagfläche des Ringkörpers, in der die Grundebene der Federscheibe liegt, und der Oberfläche des Flansches überwunden werden.
Im nicht eingesetzten Zustand der Federscheibe kann diese mit den federelastischen Bereichen in einer Ebene ausgebildet sein, wobei die Schränkung der federelastischen Bereiche in Richtung zum Flansch erst durch die Verbindung mit dem Flansch durch eine elastische Verformung erzeugt wird. Durch die Größe der elastischen Verformung wird die Andruckkraft der Federscheibe gegen die Anschlagfläche des Ringkörpers und folglich gegen den Flansch bestimmt. Je größer die durch die elastische Verformung der federelastischen Bereiche erzeugte Schränkung ist, desto größer ist die Vorspannung der Federscheibe gegen den Flansch. Die federelastischen Bereiche können eine Länge aufweisen, die ein Mehrfaches der Breite der Bereiche und der Breite des ringförmigen Grundkörpers der Federscheibe ist. Damit wird ermöglicht, dass die Federkennlinie des federnden Verhaltens der federelastischen Bereiche vergleichsweise flach ausfällt, so dass eventuelle Setzbeträge in der Fügeverbindung zwischen dem Strahlrohr und dem Flansch nicht zu einer übermäßigen Herabsetzung der Vorspannung in der Flanschverbindung führt.
Der Grundkörper der Federscheibe besitzt eine Ringform, wobei die federelastischen Bereiche durch Vorsprünge am Grundkörper angeordnet sind, und die Vorsprünge sowohl mit dem Grundkörper als auch mit den federelastischen Bereichen einteilig und materialeinheitlich ausgebildet sind. Die federelastischen Bereiche bilden mit den Vorsprüngen eine L-Form, und die Vorsprünge bilden den kurzen Schenkel der L-Form, dessen Ende in den Grundkörper übergeht.
Die federelastischen Bereiche sind aufgrund ihrer länglichen Erstreckung stegartig ausgebildet und endseitig über Verbindungsmittel mit dem Flansch verbunden. An den freien Enden weisen die federelastischen Bereiche Verbindungsfüße auf, die zur Anlagen gegen die Oberfläche des Flansches ausgebildet sind. Die Schränkung im Übergang zwischen dem Vorsprung und dem federelastischen Bereich wiederholt sich im Übergang zwischen dem federelastischen Bereich und dem jeweiligen Verbindungsfuß in entgegengesetzter Richtung, so dass sich die Ebene des Verbindungsfußes parallel zur Oberfläche des Flansches erstreckt.
Eine mögliche Ausführungsform der Verbindungsmittel zwischen den Verbindungsfüßen und dem Flansch können Schraubenelemente betreffen, wobei in den Verbindungsfüßen Schraubenlöcher vorgesehen sind. Durch die Schraubenlöcher in den Verbindungsfüßen können die Schraubenelemente hindurchgeführt werden und in Gewindebohrungen, die im Flansch vorgesehen sind, eingeschraubt werden. Die Schraubenelemente können Zylinderkopfschrauben, Senkkopfschrauben oder jede weitere Art von bekannten Verbindungsschrauben betreffen, die in die Gewindebohrungen des Flansches einschraubbar sind. Die Gewindebohrungen können als Sacklochbohrungen oder als Durchgangsbohrungen ausgebildet sein, wobei die Schraubenelemente auch in Gestalt von Gewindestangen ausgeführt sein können, die zunächst in die Gewindebohrung eingeschraubt werden, und anschließend mit einer Schraubenmutter gesichert werden können. Alternativ zu den Schraubenelementen in den Gewindebohrungen können auch Bolzenelemente vorgesehen sein, die nach jeder bekannten Art ausgestaltet sein können, um eine vorzugsweise wiederlösbare Verbindung der Federscheibe mit dem Flansch zu schaffen. Anstelle von Schraubenelementen können auch Bajonettverschlussbolzen verwendet werden, die mit entsprechenden Gegenelementen bzw. Aufnahmegeometrien im Flansch zusammenwirken können.
Ein weiterer Vorteil zur Verbindung der Federscheibe mit dem Flansch wird durch Aufnahmevertiefungen erreicht, die im Flansch im Bereich der Gewindebohrungen vorgesehen sind. In die Aufnahmevertiefungen können die Verbindungsfüße eingebracht werden, um den Abstand der Kontaktebenen zwischen den Verbindungsfüßen und dem Flansch bezogen auf die Grundebene des ringförmigen Grundkörpers der Federscheibe zu vergrößern. Die Aufnahmevertiefungen für die Vielzahl der Verbindungsfüße können auch als eine einzige Aufnahmevertiefung ausgebildet sein, die in Form einer Nut radial umlaufend im Flansch eingebracht ist. Die Tiefe der Aufnahmevertiefung kann derart bemessen sein, dass diese der Dicke der Federscheibe und folglich der Dicke der federelastischen Bereiche sowie der Verbindungsfüße entspricht.
Gemäß einer möglichen vorteilhaften Ausführungsform der Federscheibe sind auf deren Umfang 2 bis 20, vorzugsweise 4 bis 12 und besonders bevorzugt 8 federelastische Bereiche gleich verteilt angeordnet. Folglich sind den acht federelastischen Bereichen acht Verbindungsfüße mit ebenso acht Schraubenlöchern zugeordnet, um insgesamt acht Schraubenelemente vorzusehen, wobei im Flansch acht Gewindebohrungen gleichverteilt auf dem Umfang angeordnet sind, in die die Schraubenelemente eingeschraubt werden. Die Auswahl von acht federelastischen Bereichen ist zur Anpassung des Ringkörpers an den Flansch und die Geometrie des Strahlrohres vorgesehen, sodass auch mehr oder weniger federelastische Bereiche vorgesehen sein können.
Die Verbindung zwischen dem Strahlrohr und dem Ringkörper kann eine formschlüssige und bevorzugt eine reibschlüssige oder stoffschlüssige Verbindung darstellen. Es besteht die Möglichkeit, den Ringkörper an einem Ende des Strahlrohres aufzuschrumpfen und/oder der Ringkörper wird auf das Strahlrohr aufsiliziert. Ein Aufsilizieren kann insbesondere dann vorgesehen sein, wenn das Strahlrohr und auch der Ringkörper aus einer Siliziumkeramik bestehen. Eine weitere Ausführungsform des Strahlrohres kann jedoch auch einen einteilig mit diesem ausgebildeten Ringkörper umfassen, so dass der Ringkörper nicht zwangsläufig mit dem Strahlrohr über eine form-, reib- oder stoffsschlüssige Verbindung verbunden werden muss. Somit ist es denkbar, dass der Ringköper mit dem Strahlrohr einteilig ausgestaltet ist und hergestellt wird. Ist der Ringkörper mit dem Strahlrohr zu verbinden, muss sichergestellt sein, dass die Verbindung derart belastbar ist, dass das Eigengewicht des Strahlrohres über die Verbindung zum Ringkörper getragen werden kann. Der Ringkörper weist vorzugsweise eine rechteckige Querschnittsform auf, die radialsymmetrisch umlaufend um die Erstreckungsrichtung des Strahlrohres ausgebildet ist, wobei auch nicht kreisrund ausgebildete Strahlrohre bekannt sind, sodass der Ringkörper beispielsweise auch eine elliptische oder rechteckige Gestalt aufweisen kann und nicht als auf eine Ringform beschränkt zu verstehen ist.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist der Flansch eine Nabengeometrie auf, in die das Strahlrohr über den Ringkörper zur Bildung einer radialen Zentrierung und eines axialen Anschlages gegen den Flansch aufgenommen ist. Die Nabengeometrie im Flansch wird durch eine Vertiefung bestimmt, in die das Strahlrohr mit dem endseitig aufgebrachten Ringkörper eingepasst werden kann. Der Durchmesser der Vertiefung im Flansch kann dem Außendurchmesser des Ringkörpers entsprechen, wobei die Vertiefung eine plane Grundebene umfasst, die mit der außenseitigen Anschlagfläche des Ringkörpers zur Anlage kommt.
Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der Nabengeometrie ermöglicht die Anordnung sowohl eines ersten als auch optional eines zweiten Dichtelementes. Das erste Dichtelement kann zwischen dem Ringkörper und der Federscheibe angeordnet werden, wohingegen das zweite Dichtelement zwischen der flanschseitigen Anschlagfläche des Ringkörpers und der Nabengeometrie einsetzbar ist. Die Dichtelemente sind als Ringdichtungen ausgeführt und können aus einem temperaturbeständigen Material bestehen. Durch das Dichtelement zwischen dem Ringkörper und der Grundfläche der Nabe im Flansch wird eine gasdichte Verbindung zwischen dem Flansch und dem Strahlrohr erzeugt, um sicher zu stellen, dass keine Brenngase oder Abgase in den Innenraum des Ofens gelangen können.
Die Federscheibe kann aus einem Federstahlmaterial hergestellt sein, um insbesondere in den federelastischen Bereichen einen großen Federweg zu schaffen. Das Stahlmaterial kann in der ursprünglichen Form ein Bandmaterial sein, aus dem die Geometrie der Federscheibe beispielsweise mittels eines Laserschneidverfahren, eines Wasserstrahlschneidverfahrens oder eines Stanzverfahrens ausgeschnitten wird. Das Ausgangsmaterial des Federstahles kann der Dicke der Federscheibe entsprechen, wobei auch eine Vielzahl von Federscheiben in einer gestapelten Anordnung zur Bildung der Verbindungseinrichtung vorgesehen sein können. Eine Anordnung mehrerer Federscheiben im Federpaket ermöglicht eine einfache Variation der Verbindungsvorspannung zwischen dem Strahlrohr und dem Flansch, in dem die Anzahl der einzelnen Federscheiben variiert wird.
Gemäß eines weiteren Ausführungsbeispiels kann die Federscheibe einen ringförmigen Grundkörper aufweisen, der gegen den Flansch anliegt, wobei sich aus der Federscheibe die federelastischen Bereiche radial nach innen erstrecken und eine elastische Verbindung zum Ringkörper bilden. Damit ist eine gegenüber der ersten Ausführungsform umgekehrte Anordnung des ringförmigen Grundkörpers vorgesehen, der nicht gegen den Ringkörper anliegt sondern gegen den Flansch. Die federelastischen Bereiche können dabei radial nach innen weisende Endbereiche besitzen, die unter axialer Vorspannung gegen den Ringkörper drücken. Die axiale Vorspannrichtung entspricht dabei der Erstreckungsrichtung des Strahlrohres.
Der ringförmige Grundköper der Federscheibe kann über Verbindungsmittel mit dem Flansch verbunden sein, die gleich verteilt auf dem Umfang vorgesehene Schrauben darstellen können. Ferner kann der ringförmige Grundkörper Öffnungen aufweisen, die mit den Schraubenlöchern im Flansch fluchten, um ein Hindurchführen der Schrauben zum Verschrauben des Flansches an der Ofenwand zu ermöglichen.
Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt.
Es zeigen:
1 eine perspektivische Ansicht eines ersten Ausführungsbeispiels einer Verbindungseinrichtung zwischen einem Strahlrohr und einem Flansch, wobei ein Bereich des Flansches geschnitten dargestellt ist;
2 eine perspektivische Ansicht der Verbindungseinrichtung zwischen dem Strahlrohr und dem Flansch aus 1 aus einer weiteren Blickrichtung der Federscheibe;
3 eine isometrische Ansicht der Verbindungseinrichtung zwischen dem Strahlrohr und dem Flansch gemäß 1 und 2, wobei der Flansch geschnitten dargestellt ist,
4 eine isometrische Ansicht der Anordnung der Federscheiben aus der Richtung der Erstreckung des Strahlrohres und
5 eine perspektivische Ansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels einer Verbindungseinrichtung zwischen dem Strahlrohr und dem Flansch.
1 zeigt eine perspektivische Ansicht der Verbindungseinrichtung zwischen einem Strahlrohr 1 und einem Flansch 2. Das Strahlrohr 1 ist für einen mit einem Brennstoff betreibbaren Ofen vorgesehen, welches über den Flansch 2 von außen an einer Wand des Ofens angeordnet wird und durch die Wand in einen Innenraum des Ofens ragt, um diesen zu erwärmen. Außenseitig an der Wand des Ofens befindet sich eine Anordnung zur Bereitstellung und Zündung des Brennstoffes, insbesondere in Form eine Rekuperatorbrenners, wobei das Strahlrohr ein inneres und einen äußeres Rohrteil aufweist. Somit können die Brenngase innenseitig in einer ersten Richtung in das Strahlrohr 1 vom Flansch weg eingeleitet werden, die endseitig über das Strahlrohr wieder in Richtung zum Flansch zurückgeleitet werden, um einen Mantelstrom zu bilden.
Ist das Strahlrohr 1 aus einem keramischen Werkstoff hergestellt, so wird dieses lediglich über den Flansch 2, der selber an einer Außenseite der Wand des Ofens mittels der Schraubenlöcher 15 befestigbar ist, in den Ofen eingehängt, und ragt frei in den Innenraum des Ofens hinein. Zum Betrieb eines Ofens können mehrere Strahlrohre 1 an einer oder mehreren Wänden des Ofens angeordnet werden. Derartige Strahlrohre 1 dienen zu indirekten Erwärmung des Ofens und damit auch der Werkstücke in dem Ofen, so dass die Verbrennungsgase nicht direkt in den Innenraum des Ofens gelangen.
Das Strahlrohr 1 besitzt einen endseitigen Ringkörper 3, der an dem Strahlrohr 1 beispielsweise aufgeschrumpft oder aufsiliziert ist und der beispielsweise aus dem gleichen Werkstoff wie das Strahlrohr 1 besteht. Der Flansch 2 weist eine Nabengeometrie 12 auf, in die das Strahlrohr 1 über den Ringkörper 3 zur Bildung einer radialen Zentrierung und eines axialen Anschlages gegen den Flansch 2 aufgenommen ist. Um das Strahlrohr 1 über den Ringkörper 3 in der Nabengeometrie 12 des Flansches 2 zu halten, ist erfindungsgemäß eine Federscheibe 4 vorgesehen, die das wesentliche Bauteil der Verbindungseinrichtung bildet. Die Federscheibe 4 liegt plan an der rohrseitigen, insbesondere ebenen Anschlagfläche 5 des Ringkörpers 3 an, wobei die Anschlagfläche 5 lediglich im aufgebrochenen Abschnitt des Flansches 2 erkennbar ist. Bei einer beispielsweise bogenförmigen Anschlagfläche 5 ist die Anlagefläche der Federscheibe 4 komplementär ausgestaltet, sodass auch in diesem Fall die Federscheibe 4 plan an der Anschlagfläche 5 des Ringkörpers 3 anliegt. Zur Bildung einer Verbindung zwischen der Federscheibe 4 und dem Flansch 2 weist die Federscheibe 4 eine Anzahl federelastischer Bereiche 6 auf, die in ihrem freien Ende in Verbindungsfüße 7 übergehen, wobei die Verbindungsfüße 7 Schraubenlöcher 9 aufweisen, durch die Schraubenelemente 8, vorzugsweise mit einem Innensechskant, hindurchgeführt und in Gewindebohrungen 10 im Flansch 2 eingeschraubt sind. Folglich weist jeder federelastische Bereich 6 über die jeweiligen Verbindungsfüße 7 und die Schraubenelemente 8 eine Einzelverbindung mit dem Flansch 2 auf. Zur Abdichtung kann zwischen der Federscheibe 4 und der rohrseitigen Anschlagfläche 5 des Ringkörpers 3 ein Dichtelement 11 vorgesehen sein, um eine Abdichtung zwischen der Federscheibe 4 und dem Ringkörper 3 zu schaffen.
In der 2 ist eine weitere perspektivische Ansicht der Verbindungseinrichtung zwischen dem Strahlrohr 1 und dem Flansch 2 gezeigt. Wie in der Darstellung erkennbar, weist die Federscheibe 4 eine Vielzahl von federelastischen Bereichen 6 auf, die über jeweilige Vorsprünge 16 mit dem Grundkörper der Federscheibe 4 verbunden sind. Der Grundkörper, die federelastischen Bereiche 6 sowie die Verbindungsfüße 7 der Federscheibe 4 sind einteilig ausgeführt, wobei die Vorsprünge 16 und die federelastischen Bereiche 6 eine L-Form besitzen, und der Vorsprung 16 den kurzen Schenkel und der federelastische Bereich 6 den langen Schenkel der L-Form bildet. Die Erstreckungsrichtung der federelastischen Bereiche 6 verläuft etwa tangential auf die Richtung des Grundkörpers der Federscheibe 4, wobei die federelastischen Bereiche eine Schränkung zur Grundebene des Grundkörpers der Federscheibe 4 aufweisen, durch die sich diese aus der Grundebene hinaus erstrecken und in Richtung zum Flansch 2 weisen. Über diese Schränkung, die durch eine federelastische Verformung der federelastischen Bereiche 6 der Federscheibe 4 hervorgerufen wird, wird die Vorspannung erzeugt, die zwischen dem Ringkörper und dem Flansch 2 vorherrscht.
Durch die Vielzahl der federelastischen Bereiche und der jeweiligen federelastischen Vorspannung kann eine hinreichend große Gesamtvorspannung zwischen dem Strahlrohr 1 mit dem Flansch 2 erzeugt werden, wobei die Verbindungseinrichtung dennoch eine Nachgiebigkeit ermöglicht, um beispielsweise Setzbeträge aufgrund von Temperaturausdehnungen in der Verbindungseinrichtung auszugleichen.
Es ist weiterhin erkennbar, dass im Flansch 2 wenigstens im Kontaktbereich zwischen den Verbindungsfüßen 7 und dem Flansch 2 Aufnahmevertiefungen 14 zur Aufnahme der Verbindungsfüße 7 im Flansch eingebracht sind. Die Verbindungsfüße 7 tauchen daher wenigstens teilweise in die Oberfläche des Flansches 2 ein, um die Federscheibe 4 insgesamt über dem Flansch 2 zu positionieren. Die Aufnahmevertiefung 14 kann auch als umlaufende Nut ausgebildet sein, die in der Darstellung nicht näher gezeigt ist.
3 zeigt eine weitere Ansicht der Verbindungseinrichtung zwischen dem Strahlrohr 1 und dem Flansch 2 zur Anordnung des Strahlrohres 1 an der Außenseite der Wand 17 des Ofens, der teilweise geschnitten dargestellt ist. Zwischen dem Ringkörper 3 und der Nabengeometrie 12 im Flansch 2 ist ein Dichtelement 13 eingebracht, um eine gasdichte Verbindung zwischen dem Ringkörper 3 bzw. dem Strahlrohr 1 und dem Flansch 2 zu schaffen. Der Ringkörper 3 ist ausschnittsweise gezeigt, wobei ein federelastischer Bereich mit dem endseitig angeordneten Verbindungsfuß 7 dargestellt ist.
Die Schränkung im Übergang zwischen dem Vorsprung 16 und dem federelastischen Bereich 6 sowie zwischen diesem und dem Verbindungsfuß 7 kann in die Federscheibe 4 eingeprägt sein, wobei diese auch vollständig durch die Verschraubung der Verbindungsfüße 7 mit dem Flansch 2 hervorgerufen werden kann, um die gewünschte Vorspannung einzubringen. Gemäß der Darstellung ist wiederum die Aufnahmevertiefung 14 erkennbar, in die die Verbindungsfüße 7 eingesetzt sind, wobei ein Schraubenelement 8 dargestellt ist, das in eine Gewindebohrung 10 im Flansch 2 eingeschraubt ist.
4 zeigt eine Ansicht der Verbindungseinrichtung zwischen dem Strahlrohr 1 und dem Flansch 2 aus orthogonaler Richtung des Strahlrohres 1. Gemäß der Darstellung weist die Federscheibe 4 acht federelastische Bereiche 6 mit acht zugeordneten Schraubenelementen 8 auf. Um den Flansch 2 mit der Wand des Ofens zu verschrauben, sind vier Schraubenlöcher 15 vorgesehen, durch die Schraubenelemente zur Verschraubung in der Wand des Ofens hindurchgeführt werden können.
5 zeigt eine perspektivische Ansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels einer Verbindungseinrichtung zwischen dem Strahlrohr 1 und dem Flansch 2. Die Federscheibe 4 besitzt hiernach einen ringförmigen Grundkörper, der gegen den Flansch 2 anliegt, wobei sich aus der Federscheibe 4 eine Vielzahl von federelastischen Bereichen 6 radial nach innen erstrecken und somit eine elastische Verbindung zum Ringkörper 3 bilden. Die federelastischen Bereiche 6 weisen radial nach innen verlaufende oder auslaufende Endbereiche auf, die unter axialer Vorspannung aus Richtung des Strahlrohres gegen den Ringkörper 3 drücken. Der Ringkörper 3 wird folglich durch die Vorspannung in die im Flansch 2 eingebrachte Nabengeometrie gedrückt, wobei die Vorspannung durch entsprechende Steifigkeit der federelastischen Bereiche so groß gewählt werden kann, dass das Strahlrohr 1 auch in einer aus der Ofenwand 17 auskragenden Anordnung gehalten werden kann.
Ferner ist der ringförmige Grundköper der Federscheibe 4 über als Schrauben dargestellte Verbindungsmittel 18 mit dem Flansch 2 verbunden und weist Öffnungen 19 auf, die mit den Schraubenlöchern 15 im Flansch 2 fluchten. Damit können Schrauben trotz der Anordnung der Federscheibe 4 auf dem Flansch 2 durch die Schraubenlöcher 15 hindurchgeführt werden.
Die vorliegende Erfindung beschränkt sich. in ihrer Ausführung nicht auf das vorstehend angegebene bevorzugte Ausführungsbeispiel. Vielmehr ist eine Anzahl von Varianten denkbar, welche von der dargestellten Lösung auch bei grundsätzlich anders gearteten Ausführungen gebrauch macht. Insbesondere ist die Federscheibe 4 als einteiliger Körper dargestellt, wobei diese auch zweigeteilt oder mit noch mehreren Teilen ausgeführt sein kann. Ferner ist die Nabengeometrie 12 in den Flansch 2 eingebracht, wobei die Zentrierung des Ringkörpers 3 bzw. des Strahlrohres 1 im Flansch 2 auch über andere geometrische Mittel ermöglicht sein kann. Insbesondere kann die Federscheibe 4 einen Innendurchmesser aufweisen, der mit dem Strahlrohr 1 eine Passung bildet. Ferner können die Verbindungsfüße 7 Mittel zu Ausrichtung auf der Oberfläche des Flansches 2 aufweisen, so dass eine Zentrierung des Strahlrohres 1 im Flansch 2 auch über die Federscheibe 4 erfolgen kann. Die Federscheibe 4 kann aus einem metallischen Werkstoff bestehen, wobei auch keramische Werkstoffe bekannt sind, die einen großen federelastischen Bereich aufweisen, so dass die Federscheibe 4 auch aus einem keramischen Werkstoff bestehen kann.
Bezugszeichenliste

1: Strahlrohr
2: Flansch
3: Ringkörper
4: Federscheibe
5: Anschlagfläche
6: federelastische Bereich
7: Verbindungsfuß
8: Schraubenelement
9: Schraubenloch
10: Gewindebohrung
11: Dichtelement
12: Nabengeometrie
13: Dichtelement
14: Aufnahmevertiefung
15: Schraubenloch
16: Vorsprung
17: Wand
18: Verbindungsmittel
19: Öffnung

Claims

Strahlrohranordnung mit einem Strahlrohr (1) für einen mit einem Brennstoff betreibbaren Ofen, mit einem Flansch (2) zur Anordnung des Strahlrohres (1) an einer Wand (17) des Ofens, wobei ein Ringkörper (3) vorgesehen ist, der endseitig am Strahlrohr (1) angeordnet ist, über den das Strahlrohr (1) mit einer Verbindungseinrichtung mit dem Flansch (2) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungseinrichtung wenigstens eine Federscheibe (4) mit federelastischen Bereichen (6) aufweist, über die der Flansch (2) mit der Federscheibe (4) verbunden ist.
Strahlrohranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Federscheibe (4) gegen die rohrseitige Anschlagfläche (5) des Ringkörpers (3) anliegt, wobei die federelastischen Bereiche (6) an der Federscheibe (4) angeformt und einteilig mit dieser ausgebildet sind.
Strahlrohranordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Federscheibe (4) einen sich um das Strahlrohr (1) herum erstrechenden ringförmigen Grundkörper aufweist, der sich in einer Grundebene erstreckt, wobei die federelastischen Bereiche (6) eine Schränkung zur Grundebene aufweisen, durch die sich diese aus der Grundebene hinaus erstrecken und in Richtung zum Flansch (2) weisen.
Strahlrohranordnung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die federelastischen Bereiche (6) stegartig ausgebildet sind und endseitig über Verbindungsmittel mit dem Flansch (2) verbunden sind.
Strahlrohranordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die federelastischen Bereiche (6) in Verbindungsfüßen (7) enden, die zur Anlage gegen den Flansch (2) ausgebildet sind.
Strahlrohranordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungsmittel als Schraubenelemente (8) ausgebildet sind und durch Schraubenlöcher (9) in den Verbindungsfüßen (7) hindurchgeführt sind.
Strahlrohranordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass im Flansch (2) Gewindebohrungen (10) angeordnet sind, in die die Schraubenelemente (8) eingeschraubt sind.
Strahlrohranordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass im Flansch (2) im Bereich der Gewindebohrungen (10) Aufnahmevertiefungen (14) zur Aufnahme der Verbindungsfüße (7) eingebracht sind.
Strahlrohranordnung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass gleich verteilt auf dem Umfang der Federscheibe (4) 2 bis 20, vorzugsweise 4 bis 12 und besonders bevorzugt 8 federelastische Bereiche (6) angeordnet sind.
Strahlrohranordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass den acht federelastischen Beriechen (6) acht Verbindungsfüße (7) mit acht Schraubenlöchern (9) zugeordnet sind, in denen acht Schraubenelemente (8) eingeschraubt sind.
Strahlrohranordnung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ringkörper (3) auf dem Strahlrohr (1) aufgeschrumpft und/oder aufsiliziert ist.
Strahlrohranordnung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Flansch (2) eine Nabengeometrie (12) aufweist, in die das Strahlrohr (1) über den Ringkörper (3) zur Bildung einer radialen Zentrierung und eines axialen Anschlages gegen den Flansch (2) aufgenommen ist.
Strahlrohranordnung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Ringkörper (3) und der Federscheibe (4) ein erstes Dichtelement (11) und zwischen der flanschseitigen Anschlagfläche des Ringkörpers (3) und der Nabengeometrie (12) des Flansches (2) ein zweites Dichtelement (13) angeordnet ist.
Strahlrohranordnung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Federscheibe (4) aus einem Federstahlmaterial hergestellt ist, wobei das Verfahren zur Herstellung der Federscheibe (4) wenigstens ein Laserschneidverfahren, ein Wasserstrahlschneidverfahren und/oder ein Stanzverfahren umfasst.
Strahlrohranordnung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungseinrichtung mehrere Federscheiben (4) in einer aufeinander gestapelten Anordnung aufweist.
Strahlrohranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Federscheibe (4) einen ringförmigen Grundkörper aufweist, der gegen den Flansch (2) anliegt, wobei sich aus der Federscheibe (4) die federelastischen Bereiche (6) radial nach innen erstrecken und eine elastische Verbindung zum Ringkörper (3) bilden.
Strahlrohranordnung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die federelastischen Bereiche (6) radial nach innen weisende Endbereiche besitzen, die unter axialer Vorspannung gegen den Ringkörper (3) drücken.
Strahlrohranordnung nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass sich der ringförmige Grundköper der Federscheibe (4) um das Strahlrohr (1) herum erstreckt und über Verbindungsmittel (18) mit dem Flansch (2) verbunden ist und Öffnungen (19) aufweist, die mit den Schraubenlöchern (15) im Flansch (2) fluchten.