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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Begasen von porösen Gusskernen in einem Kernformkasten, aufweisend eine Begasungshaube, die auf den Kernformkasten aufsetzbar ist. Die Begasungshaube dient der Verteilung von Gas und der Einleitung des Gases in Einschusslöcher des Kernformkastens zur Aushärtung der Gusskerne in dem Kernformkasten.
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Derartige poröse Gusskerne werden in Metallgießereien in Gussformen eingesetzt, um in Gussteilen Hohlräume auszubilden zu können. Die Gusskerne bestehen üblicherweise aus Sand, dem ein Bindemittel zugesetzt ist, um den Kernen nach einem Aushärteprozess eine geeignete Formstabilität und Festigkeit zu verleihen. Die Festigkeit muss dergestalt sein, dass die Kerne im Gießprozess formstabil sind, danach jedoch einfach aus dem Gussteil entfernt werden können. Es sind zu diesem Zweck organische Bindemittel, beispielsweise auf Polyurethan- oder Alkydharz-Basis, oder anorganische Bindemittel, beispielsweise auf Wasserglas-Basis, bekannt.
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Die Gusskerne werden üblicherweise in einer sogenannten Kernschießmaschine in einem Kernformkasten geformt, in den die Mischung aus Sand und Bindemittel mittels Druckluft durch Einschusslöcher eingebracht („eingeschossen”) wird. Danach wird, häufig noch innerhalb der Kernschießmaschine, der Aushärteprozess der Kerne im Kernformkasten vorgenommen. Abhängig von dem eingesetzten Bindemittel sind unterschiedliche Aushärteprozesse bekannt. In der Mehrzahl umfassen diese Aushärteprozesse eine Temperaturbehandlung der Kerne, gegebenenfalls unter Zufuhr eines den Aushärteprozess beschleunigenden Katalysators.
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Zum Aushärten ist bekannt, Luft oder ein anderes Gas durch die porösen Gusskerne strömen zu lassen. Das Gas kann dabei selbst ein mit dem Bindemittel reagierendes Edukt des Aushärteprozesses sein oder mit dem genannten Katalysator zur Beschleunigung des Aushärteprozesses versetzt sein. Alternativ oder zusätzlich kann es dazu dienen, Feuchtigkeit oder Reaktionsprodukte des Aushärteprozesses auszuleiten. Das Gas wird typischerweise mittels einer Begasungshaube, die abdichtend auf dem Kernformkasten aufgesetzt ist, durch die Einschusslöcher des Kernformkastens eingebracht.
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Dabei ist weiter bekannt, das Gas erwärmt in den Kernformkasten einströmen zu lassen. Dabei sind Gastemperaturen im Bereich von bis zu 250°C üblich. Zu diesem Zweck wird Gas vornehmlich in einem Vorratsbehälter erwärmt und über isolierte und ggf. geheizte Leitungen der Begasungshaube zugeführt. Ein Katalysator wird bei einer solchen Vorrichtung entweder innerhalb des Vorratsbehälters zugemischt, oder in einer separatern Katalysatorkammer, die zwischen dem Vorratsbehälter und der Begasungshaube angeordnet ist.
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Das Erwärmen des Gases in einem Vorratsbehälter ist im Hinblick auf den notwendigen Energieeinsatz jedoch ineffektiv, da bis typischerweise 20–25% der in den Vorratsbehälter und die Zuleitungen eingebrachten Wärmeenergie auch bei guter Isolation an die Umgebung abgegeben wird und nicht dem Aushärteprozess zukommen. Zudem ist es aufwändig, insbesondere bei größeren Anlagen, gegebenenfalls lange Leitungsstrecken vom Vorratsbehälter zu den Begasungshauben adäquat zu isolieren oder sogar zu heizen.
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Als eine alternative Methode zur Wärmebehandlung der Gusskerne beim Aushärten ist aus der Druckschrift
DE 102 00 927 A1 bekannt, die Kerne durch Mikrowellenstrahler, die im oder außerhalb des Kernformkastens angeordnet sind, unmittelbar zu erwärmen. Zusätzlich oder alternativ ist offenbart, im Kernformkasten Infrarotheizelemente zum Aufheizen des Kernkastens und somit zum indirekten Aufheizen der Kerne einzusetzen. Parallel dazu ist vorgesehen, die von einem Gas durchströmen zu lassen, um Feuchtigkeit oder Reaktionsprodukte auszutreiben.
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Ein Aufheizen des Gases in dem Vorratsbehälter kann dabei entfallen, das Heizen der Kerne durch Mikrowellen ist jedoch technisch aufwändig und aufheizbare Kernformkästen sind Gießereiprozess umständlicher zu handhaben. Zudem ist ein Umrüsten bestehender Anlagen mit großem Materialaufwand möglich.
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Aus den Druckschriften
DE 20 2006 018 044 U1 und
JP S59-206 140 A sind Begasungshauben bekannt. Eine gattungsgemäße Begasungshaube ist in der der Patentschrift
DE 43 18 153 C1 offenbart.
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Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art anzugeben, bei der den Gusskernen effektiv und ohne große Energieverluste Wärmeenergie zugeführt werden kann.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung zum Begasen von porösen Gusskernen der eingangs genannten Art mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs.
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Weiterbildungen und vorteilhafte Ausgestaltungen der Vorrichtung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen mit Hilfe von vier Figuren näher erläutert. Die Figuren zeigen:
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1 eine Vorrichtung zum Begasen von porösen Gusskernen in einer schematischen Übersichtsdarstellung nach dem Stand der Technik,
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2 ein erstes Ausführungsbeispiel einer Begasungshaube einer Vorrichtung zum Begasen von porösen Gusskernen in einer Draufsicht,
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3 eine schematische geschnittene Seitenansicht der Begasungshaube des ersten Ausführungsbeispiels und
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4 eine schematische geschnittene Seitenansicht einer Begasungshaube in einem zweiten Ausführungsbeispiel.
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In 1 sind wesentliche Komponenten einer Vorrichtung zum Begasen von porösen Gusskernen während des Aushärteprozesses in einer schematischen Übersichtszeichnung dem Stand der Technik dargestellt.
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Gusskerne 1, im Folgenden auch abgekürzt als Kerne 1 bezeichnet, befinden sich in einem Kernformkasten 2, als Kernkasten 2 bezeichnet, der ein Unterteil 3 und ein Oberteil 4 aufweist. Die Kerne 1 bestehen aus einer Mischung aus einem Kernsand, beispielsweise einem feinen Quarzsand, und einem Bindemittel, beispielsweise einem anorganischen Bindemittel wie Wasserglas.
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Der Kernsand wird durch eine hier nicht gezeigte Kernschießmaschine mit Druckluft durch Einschussöffnungen 5 im Oberteil 4 des Kernkastens 2 in diesen eingebracht. In der Kernschießmaschine wird zu diesem Zweck üblicherweise eine Platte mit Einschussdüsen auf das Oberteil 4 des Kernformkastens 2 gepresst. In einem nachfolgenden Schritt, der beispielsweise ebenfalls innerhalb der Kernschießmaschine ausgeführt werden kann, wird statt der Platte mit den Einschussdüsen eine Begasungshaube 10 auf den Kernformkasten 2 aufgesetzt und aufgedrückt. Der Anpressdruck ist in der 1 durch den Pfeil 7 symbolisiert.
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Zum Aushärten der Kerne 1 wird die Begasungshaube 10 mit unter Druck stehendem Gas 6 beaufschlagt. In der Begasungshaube 10 ist eine Heizeinrichtung 20 vorgesehen, die das zugeführte Gas 6 beim Durchströmen durch die Begasungshaube 10 erwärmt. Das erwärmte Gas strömt durch die Einschussöffnungen 5 in den Kernkasten 2, durchströmt die Kerne 1 und verlässt den Kernformkasten 2 durch Auslassöffnungen, die im Unterteil 3 angeordnet sind. Das strömende Gas ist in der 1 durch Strömungspfeile symbolisiert.
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Das Gas 6 wird von einer in der 1 nicht dargestellten Gasversorgungsanlage bereitgestellt. Um einen für eine schnelle Aushärtung der Kerne 1 erforderlichen hohen Gasdurchsatz durch die Kerne 1 zu ermöglichen, werden Drücke des Gases 6 im Bereich von einigen Bar benötigt. Das Gas 6 selbst wird von der Gasversorgungsanlage mit dem benötigten Druck bereitgestellt. Diese Gasversorgungsanlage kann Filter und/oder Entfeuchtungseinrichtungen aufweisen. Wenn es sich bei dem eingesetzten Gas 6 um Luft handelt, kann diese beispielsweise von der in Firmen üblicherweise vorhandenen Druckluftanlage bereitgestellt werden. Während des Aushärtens der Kerne 1 wird ein hoher Volumenstrom des Gases 6 bei dem angegebenen Druck benötigt. Um diesen bereitstellen zu können, kann ein Pufferbehälter extern von der Begasungshaube 10 vorgesehen sein.
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Die Heizeinrichtung 20 ist bevorzugt eine elektrische Heizung. Diese kann beispielsweise als elektrische Widerstandheizung oder als Induktionsheizung ausgeführt sein. Sie ist so innerhalb der Begasungshaube 10 angeordnet, dass das Gas 6 in alle Einschussöffnungen 5 mit der gewünschten Begasungstemperatur einströmt. Die elektrische Leistung der Heizeinrichtung 20 muss so bemessen sein, dass sie in der Lage ist, den durchgesetzten Gasvolumenstrom von im Wesentlichen der Raumtemperatur, mit dem das Gas aus der Gasversorgungsanlage oder dem Pufferbehälter in die Begasungshaube 10 einströmt, auf die gewünschte Gastemperatur zu bringen. Insbesondere für anorganische Bindemittel liegt diese Temperatur im Bereich von bis zu 250°C.
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Im Zusammenhang mit den 2 bis 4 werden im Folgenden Ausführungsbeispiele einer solchen Begasungshaube 10 detaillierter dargestellt. Gleiche oder gleich wirkende Elemente sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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2 und 3 zeigen eine Begasungshaube 10 in einem ersten Ausführungsbeispiel, wobei 2 eine Draufsicht und 3 eine Seiten-Schnittansicht ist. Die Begasungshaube 10 umfasst eine obere Grundeinheit 11, und eine untere Düsenplatte 16, die miteinander lösbar verbunden sind, beispielsweise über Befestigungsschrauben 17. Im Betrieb der Begasungshaube 10 wird diese mit der untere Düsenplatte 16 auf einen Kernkasten 2 aufgesetzt, wobei hier nicht dargestellte Zentriermittel, beispielsweise Zentrierdorne, vorgesehen sein können. Ebenfalls nicht dargestellt ist eine Dichtung, die zumindest im Randbereich umlaufend zwischen der Begasungshaube 10 und dem Kernkasten 2 verläuft und die Verbindung der beiden gegenüber der Umgebung abdichtet.
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Die obere Grundeinheit 11 weist einen hohlen Innenraum auf, in den seitlich Gasanschlüsse 12 führen. Vorliegend sind zwei Gasanschlüsse 12 an gegenüberliegenden Seiten im Bereich von diagonal gegenüberliegenden Ecken vorgesehen, so dass bei einem Einströmen von Gas 6 durch die Gasanschlüsse 12 eine Wirbelbewegung des Gases 6 im Hohlraum einsetzt. Die den Hohlraum nach oben zu den Seiten abgrenzenden Wandungen der oberen Grundeinheit 11 sind den relativ hohen Gasdrücke von einigen Bar im Zusammenhang mit Seitenlängen der Begasungshaube 10 von durchaus einigen 10 cm in ihrer Dicke angepasst. Auch können außen oder innen eingearbeitete Stege zur Versteifung der Wandungen vorgesehen sein. Bevorzugt sind die Grundeinheit 11 und auch die Düsenplatte 16 vorwiegend aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung gefertigt. Auch eine Anfertigung der gesamten Begasungshaube 10 oder eines Teils davon, z. B. der Düsenplatte 16, aus einem hitzebeständigen Kunststoff ist möglich. Dadurch kann das Gewicht der Begasungshaube 10 gegenüber einer Ausführung in Aluminium reduziert werden. Zudem weist Kunststoff eine geringere Wärmeleitfähigkeit als Aluminium auf, wodurch eine Wärmeabgabe an die Umgebung und damit Wärmeverluste vermindert werden können.
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Im Bereich der Längs- und/oder Querseiten der oberen Grundeinheit 11 ist ein Strömungsprofil 13 vorgesehen, derart, dass sich der Hohlraum nach unten hin verjüngt. Dieses Strömungsprofil 13 kann in die Wandung der oberen Grundeinheit 11 eingearbeitet sein, oder durch eingesetzte Strömungsbleche gebildet werden. Das Strömungsprofil 13 leitet das Gas 6 in einen zentralen Bereich der Begasungshaube 10, in der sich die Einschussöffnungen des Kernkastens 2 befinden. Durch das Strömungsprofil 13 wird ein strömungsgünstiges Verhalten des Gases 6 erreicht, wodurch Druckverluste innerhalb der Begasungshaube 10 verringert werden. Dadurch bedingt können geringere Gasdrücke an den Gasanschlüssen 12 eingesetzt werden, wodurch Energie eingespart wird.
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In der Düsenplatte 16 befinden sich mit den Einschussöffnungen des Kernkastens 2 korrespondierende Düsen 18. Im gezeigten Beispiel sind die Düsen 18 runde Öffnungen mit einem über die Höhe der Düsenplatte 16 gleichbleibenden Querschnitt. Das in dem Hohlraum der obere Grundeinheit 11 eingebrachte und sich im Uhrzeigersinn in einem wirbelartig Strömungsfeld drehende Gas 6 bewegt sich in der Begasungshaube 10 strudelartig nach unten und wird, geleitet vom Strömungsprofil 13 und den Düsen 18, in den Kernkasten 2 geführt.
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Seitlich ragen in die obere Grundeinheit 11 durch entsprechende Bohrungen Heizstäbe 21 einer Heizeinrichtung 20 in den Hohlraum hinein. Die Heizstäbe 21 sind in einer außen verlaufenden Anschlussleiste 22 angeschlossen. Bei Bedarf können die Heizstäbe 21 einzeln leicht ausgetauscht werden. Die Anschlussleiste 22 ist dabei durch einen Spalt 23 von der Außenseite der Grundeinheit beabstandet, der als Kühlstrecke fungiert. Die Kühlstrecke stellt sicher, dass die Anschlussleiste 22 sich nicht zu sehr erwärmt und schützt so beispielsweise Stromkabel zur Versorgung der Heizstäbe 21. Zudem werden Wartungsarbeiten an den Anschlüssen der Heizstäbe ohne lange Abkühlzeiten ermöglicht. Die in den 2 und 3 gezeigte Anzahl von 7 Heizstäben 21 ist lediglich beispielhaft und nicht einschränkend. Es kann, je nach gewünschter Temperatur des Gases 6 beim Übergang in den Kernkasten 2 und geplantem Volumenstrom, eine größere oder kleinere Anzahl von Heizstäben 21 eingesetzt werden. Die insgesamt vorhandene Heizleistung kann dabei im Bereich von einigen Kilowatt (kW) bis zu einigen zehn kW liegen. Bevorzugt ist die zugeführte elektrische Leistung der Heizstäbe 21 einstellbar, um sie dem Volumenstrom des Gases 6, der von dem zu begasenden Volumen der Gusskerne abhängt, anzupassen. Auf diese Weise kann Heizenergie eingespart werden. Zudem kann durch eine vorgewählte Heizleistung der Heizstäbe 21 erreicht werden, dass sich bei gegebenem Volumenstrom eine gewünschte Gastemperatur einstellt. Darüber hinaus ist es vorteilhaft, im ausströmenden Gas 6, z. B. im Bereich der Düsenplatte 16, ein Temperatursensor vorzusehen, der mit einer Regelschaltung verbunden ist, die die Heizleistung der Heizstäbe 21 so regelt, dass eine vorgegebene Gastemperatur eingehalten wird. Aus Sicherheitsgründen sollte die Regelschaltung mit einem Gasflussmesser verbunden sein, über den beispielsweise an der Gaszuleitung im Bereich der Gasanschlüsse 12 überwacht wird, ob ein ausreichender Gasfluss vorliegt. Nur wenn ein solcher gegeben ist, werden die Heizstäbe 21 auf die gewünschte Temperatur des ausströmenden Gases 6 geregelt. Zudem ist bevorzugt ein von dieser Regelung unabhängiger Übertemperaturschalter vorhanden.
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In den Innenraum der Begasungshaube 10 führt eine Katalysatordüse 14, über die von einer Katalysatordosiereinheit 15 ein Katalysatormaterial in das Gas 6 eingemischt werden kann. Die Katalysatordosiereinheit 15 kann dabei eine Dosierpumpe aufweisen, über die der Katalysator im flüssigen Zustand aktiv in die Katalysatordüse 14 gepumpt wird. Alternativ kann die Katalysatordüse auch als Venturi-Düse ausgeführt sein, wobei der Katalysator durch einen von der Strömung des Gases 6 an der Düse erzeugten Unterdruck in das Gas 6 abgegeben wird. Der Katalysator hat üblicherweise einen niedrigen Siedepunkt und geht beim Austritt in das Gas 6 in einen gasförmigen Zustand über. Die beim Übergang in den gasförmigen Zustand erfolgende Volumenexpansion führt bereits zu einer Vermischung des gasförmigen Katalysators mit dem Gas 6. Die Katalysatordüse 14 endet bevorzugt in einem Bereich des Strömungsfeldes, in dem eine hohe Gasgeschwindigkeit vorliegt, um die Vermischung des Katalysators im Gas 6 weiter zu fördern.
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Bevorzugt sind die Heizstäbe 21 gleichmäßig im Strömungsfeld des Gases 6 verteilt, so dass sie ihre Wärme gut und gleichmäßig abgeben können. Dieses ist insbesondere wichtig, wenn dem Gas 6 ein Katalysator beigemischt werden soll, der in hoher Konzentration brennbar und/oder explosionsgefährdet ist. Das Gas 6 soll auf eine Temperatur gebracht werden, die ggf. bei 200°C und höher liegt, wobei die Heizstäbe 21 möglichst an keiner Stelle eine Oberflächentemperatur aufweisen, die eine Entzündung oder Explosion des Katalysators auslösen könnte. Diesbezüglich besonders geeignete Heizstäbe 21 weisen beispielsweise in Edelstahlrohre einzementierte Widerstandsheizungsdrähte auf.
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Es wird dabei eine relativ große, und gleichmäßig heiße Wärmeabgabefläche erreicht.
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Weiterhin ist die Katalysatordüse 14 so angeordnet und ausgerichtet, dass der Katalysator nicht auf die Heizstäbe 21 trifft, um die Entzündungs- oder Explosionsgefahr zu mindern. Wie in der 3 gut sichtbar ist, ist die Katalysatordüse 14 beispielsweise unterhalb der Heizstäbe 21 positioniert, wodurch der Katalysator in dem strudelförmigen nach unten verlaufenden Strömungsfeld von den Heizstäben weggeleitet wird.
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4 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel einer Begasungshaube 10 in einer seitlichen Schnittansicht. Die Begasungshaube 10 weist eine Grundeinheit 11 auf, die baugleich der im ersten Ausführungsbeispiel gezeigten ist. Auch die Heizeinrichtung 20 und die Mittel zum Zuführen des Katalysators sind gleich. Die Grundeinheit 11 ist jedoch mit einer von dem Beispiel der 2 und 3 abweichenden Düsenplatte 16 verbunden. In diese sind Düsen 18 eingearbeitet, die abschnittsweise konisch sind, wodurch sich die Strömungsgeschwindigkeit beim Durchströmen durch die Düsen 18 ändert. Damit kann eine Druckänderung als auch, über adiabatische Effekte, eine Temperaturänderung verbunden sein.
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Wie zuvor ausgeführt, ist die Düsenplatte 16 lösbar mit der Grundeinheit 11 verbunden. Dieses modulare Konzept erlaubt, die Grundeinheit 11 unverändert mit einer Vielzahl verschiedener Kernkästen 2 zu verwenden. Zur Anpassung an Kernkästen 2 mit unterschiedlich positionierten oder geformten Einschussöffnungen braucht nur eine entsprechende Düsenplatte 16 gefertigt werden, was mit weniger Materialeinsatz und geringeren Kosten verbunden ist, als wenn für jeden unterschiedlichen Kernkasten eine komplette Begasungshaube vorgehalten werden müsste.
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In einer alternativen Ausgestaltung einer Begasungshaube ist der Innenraum zumindest teilweise mit einer gasdurchlässigen und wärmespeichernden Füllung gefüllt. Die Füllung weist bevorzugt eine große (innere) Oberfläche auf, über die sie Wärme schnell aufnehmen und abgeben kann. Beispielsweise kann Wärme von der Füllung aufgenommen werden, während kein Gas durch die Begasungshaube strömt. Beim Begasen wird die gespeicherte Wärme dann an das durchströmende Gas abgegeben. Eine solche Füllung kann zudem eine homogene Temperaturverteilung im Gas begünstigen. Die Füllung kann beispielsweise aus massiven Metallkugeln bestehen. Alternativ oder zusätzlich ist eine Verwendung von mit Flüssigkeit gefüllten Hohlkugeln für die Füllung möglich. Als Flüssigkeit wird dabei bevorzugt eine Flüssigkeit mit einer hohen spezifischen Wärmekapazität verwendet, zum Beispiel – falls es die Temperatur in der Begasungshaube zulässt – Wasser.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Gusskern
- 2
- Kernkasten
- 3
- Unterteil
- 4
- Oberteil
- 5
- Einschussöffnung
- 6
- Druckluft
- 7
- Anpresskraft
- 10
- Begasungshaube
- 11
- Grundeinheit
- 12
- Gaseinlaß
- 13
- Strömungsprofil
- 14
- Katalysatordüse
- 15
- Katalysatordosiereinheit
- 16
- Düsenplatte
- 17
- Befestigungsschrauben
- 18
- Düsen
- 20
- Heizeinrichtung
- 21
- Heizstäbe
- 22
- Anschlussleiste
- 23
- Kühlstrecke
