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Die Erfindung betrifft eine Düsenvorrichtung mit einem Düsenkopf zur Verdüsung eines Fluids und mit einer Rohrleitung zum Zuführen des Fluids zu dem Düsenkopf. In das Innere der Rohrleitung ist ein auswechselbarer rohrförmiger Einsatz eingesetzt.
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In der Strangführungsvorrichtung einer Brammen- oder Dünnbrammenstranggießanlage kommen Einstoff- und/oder Mehrstoffdüsen, insbesondere Zweistoffdüsen, zur Kühlung des Strangs zum Einsatz. Die Strangführungsvorrichtung besteht aus einer Reihe von Segmenten, deren Anzahl von den jeweiligen Anforderungen an den Strang bestimmt wird. Sie kann aus bis zu 20 Segmenten (mit entsprechender Rollenbahn) bestehen. In einem Segment der Strangführungsvorrichtung sind zwischen 2 bis 10 Rollen, bzw. Teilrollen (Rollen mit entsprechender Teilung) je Segmentrahmen (Ober- und Unterseite) vorhanden.
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Vorzugsweise zwischen jedem Segment und jeder Rolle, also in jedem Zwischenraum, werden die Düsen zur Kühlung des Strangs eingesetzt. In der Regel werden Einstoffdüsen mit Wasser und Zweistoffdüsen mit einem Gemisch aus komprimierter Luft und Wasser betrieben. Je nach Breite der Strangführungsvorrichtung kommen bis zu 12 Düsen je Zwischenraum zum Einsatz. Es kommen somit je nach Anlagentyp bis zu 10 Rollen x 20 Segmente x 12 Düsen = 2.400 Düsen zum Einsatz. Bei einem angenommenen Durchsatz je Düse von 15l/min Wasser summiert sich die Gesamtwassermenge auf bis zu 36.0001/min (2.160 m3/h). Der Luftdurchsatz beläuft sich je Düse auf bis zu 25Nm3/h, was zu einem Gesamtverbrauch von bis zu 60.000Nm3/h führt. Die Höhe des möglichen Einsparpotentials wird bei diesen Verbrauchswerten sehr deutlich.
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Zweistoffdüsen sind zwischen Mischkörper und Düsenkopf mit einer Rohrleitung versehen, die je nach Anforderung unterschiedlich lang sein kann. Im Grenzfall kann der Mischkörper auch direkt mit dem Düsenkopf bzw. Mundstück verbunden sein; in diesem Fall ist keine verbindende Rohrleitung erforderlich. Allerdings sind dann typischerweise Rohrleitungen vorhanden zum separaten Zuführen der beiden Fluide zu dem Mischkörper.
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Einstoffdüsen hingegen zeichnen sich dadurch aus, dass sie im Wesentlichen durch einen Düsenkopf, das heißt ein Mundstück, dargestellt werden, welches am Ende einer Sekundärwasser führenden Rohrleitung aufgebracht ist. Wie bei der Zweistoffdüse kann die Länge der Rohrleitung jener Anforderung unterschiedlich sein.
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Allen Düsenvariationen ist gemeinsam, dass ein Fluid- bzw. ein Fluidgemisch durch den Düsenkopf geführt wird. In dem Düsenkopf wird das Fluid bzw. werden die Fluide oder das Fluidgemisch derart aufbereitet, dass ein definierter Sprühstrahl entsteht, der dann dem zu kühlenden Strang in der Strangführungsvorrichtung zugeführt wird.
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Aus der Druckschrift
DE 103 33 477 A1 ist ein Strömungskanal für Flüssigkeiten bekannt, bei dem eine den Strömungskanal begrenzende Wand derart ausgebildet ist, dass sich bei Durchströmen einer Flüssigkeit mindestens ein Strömungsbereich ausbildet, der eine axiale und gleichzeitig tangentiale Strömungskomponente hat. Es wird ein Strömungskanal für Flüssigkeiten oder auch Gase bereitgestellt, der so gestaltet ist, dass möglichst geringe Verluste bei der Strömung, insbesondere geringe Reibungsverluste auftreten.
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Aus der Druckschrift
DE 12 61 634 A ist ein Verfahren zum Kühlen beim Stranggießen durch unmittelbares Aufbringen von Kühlmittel auf den aus der Stranggiesskokille austretenden Strang, bei dem der Kühlmittelstrom in seiner Stärke verändert wird, bekannt. Die Veränderung der Stärke, das Pulsieren, erfolgt derart, dass der Kühlmittelstrom in bestimmten, verhältnismäßig kurzen Zeitintervallen ein- und ausgeschaltet wird, jedoch auch dadurch, dass die Intensität des Kühlmittelstroms periodisch verändert wird. Das Kühlwasser wird dabei durch Öffnen und Schließen eines Ventils in der Zuleitung oder durch bewegliche Ablenkbleche, die den Wasserstrahl je nach ihrer Stellung auf die Oberfläche des Stranges auftreffen lassen, oder davon ablenken. In den Zuleitungen müssen für dieses Verfahren Ventile oder bewegliche Ablenkbleche, also aktive Elemente, eingebracht werden.
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Die
DE 102 00 662 B4 offenbart eine Zweistoff-Schaftdüse und eine Stranggießanlage mit einer Anordnung von entsprechenden Zweistoff-Schaftdüsen. Die dort offenbarten Zweistoff-Schaftdüsen bestehen aus einem Anbaublock der über einen Düsenschaft mit einem Mischkopf verbunden ist und wobei der Mischkopf unmittelbar mit einem Mundstück verbunden ist. Der Düsenschaft ist von zwei konzentrischen Rohren gebildet, wobei das Innere des Innenrohres den Transportkanal für das Kühlmedium und der Ringraum zwischen dem Innenrohr und dem Außenrohr den Transportkanal für das Zerstäubermedium bildet. Sowohl das Innenrohr wie auch das Außenrohr sind mit einer Schraubverbindung leicht lösbar im Anbaublock fixiert.
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Die
DE 35 29 337 A1 offenbart eine Düsenvorrichtung zum Kühlen eines Gießstrangs in einer Stranggießanlage, wobei eine Druckwasserleitung mit einer seitlichen Lufteintrittsöffnung und am Ende mit einer Flachstrahldüse versehen ist. Die Druckwasserleitung weist nach dem Prinzip der Wasserstrahl-Luftpumpe eine Einschnürung auf und in einem unmittelbar nachgeordneten Erweiterungsabschnitt sind eine oder mehrere freie Lufteinlassöffnungen angeordnet. Zwischen der Druckwasserleitung und der Flachstrahldüse kann ein Mischrohr mit einer Einschnürung und einer Lufteinlassöffnung vorgesehen sein. Das Mischrohr ist über einen Anschlussstutzen mit der Druckwasserleitung lösbar verbunden. In dem Mischrohr erfolgt eine erste Vermischung von Luft und Wasser.
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Die nicht vorveröfffentlichte deutsche Patentanmeldung
DE 10 2009 058 198 A1 betrifft eine Düsenvorrichtung mit einem Düsenkopf zur Verdüsung eines Fluids und mit einer Rohrleitung zum Zuführen des Fluids zu dem Düsenkopf. Zur kostengünstigen und wartungsarmen Erzeugung einer Pulsation des strömenden Fluids weist die Rohrleitung in ihrem Innern eine Mehrzahl von Querschnittsverengungen auf, die über die Länge der Rohrleitung verteilt angeordnet sind.
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Schließlich offenbart die Europäische Patentschrift
EP 1 356 868 B1 eine Zweistoffsprühdüse mit wechselbarem Einsatz. Um die für die Vermischung und für die Leistung der Zweistoffdüse zuständigen Einbauten leicht zugänglich zu machen sieht die Erfindung vor, dass die Mischkammer und die in diese führenden Zuflussöffnungen Teile eines Einsatzes sind, der von der dem Düsenmundstück abgewandten Seite her in das Gehäuse einschiebbar und dort befestigbar ist. Durch diese Ausgestaltung kann der Einsatz aus dem Gehäuse entfernt, gewartet, gereinigt oder auch durch einen anderen Einsatz ersetzt werden, ohne dass die Druckluft- oder Wasseranschlüsse am Gehäuse gelöst werden müssen. Der Einsatz ist als Rotationskörper ausgebildet und kann zumindest gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung mit einer koaxial verlaufenden Bohrung versehen sein. Die Länge des Einsatzes ist abgestimmt auf die Rohrlänge der Zweistoffsprühdüse.
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Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine bekannte Düsenvorrichtung und eine bekannte Strangführungsvorrichtung mit der Düsenvorrichtung dahingehend weiterzubilden, dass eine gezielte Verwirbelung des Fluids bzw. der Fluide vor Erreichen des Düsenkopfes ermöglicht wird.
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Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand des Anspruchs 1 gelöst. Dieser Gegenstand ist dadurch gekennzeichnet, dass der rohrförmige Einsatz in seinem Innern mindestens eine lokale Querschnittsverengung aufweist zum Verwirbeln des Fluids.
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Der Begriff „Düsen kopf“ ist gleichbedeutend mit dem Begriff „Mundstück“. Der Begriff „Einsatz“ ist gleichbedeutend mit dem Begriff „Wechselkartusche“ oder nur „Kartusche“.
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Ein Fluid im Sinne der vorliegenden Erfindung kann sowohl flüssig wie auch gasförmig ausgebildet sein. Bei einer Einstoffdüse handelt es sich bei dem Fluid beispielsweise um Wasser als Kühlmedium. Bei einer Zweistoffdüse kann ein erstes Fluid in Form von Wasser als Kühlmedium und ein zweites Fluid zum Beispiel in Form von Luft als Zerstäubermedium verwendet werden.
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Die beanspruchte mindestens eine lokale Querschnittsverengung in dem rohrförmigen Einsatz ermöglicht eine gezielte Verwirbelung des Fluids oder des Fluidgemisches vor seiner Verdüsung in dem Düsenkopf. Vorzugsweise sind eine Mehrzahl unterschiedlicher Einsätze verfügbar insbesondere mit unterschiedlich gestalteten lokalen Querschnittsverengungen über ihre Länge. Das Bereithalten dieser unterschiedlichen Einsätze ermöglicht eine Variation und/oder eine gezielte Einstellung der Strömungsverhältnisse des Fluids oder Fluide angepasst an die jeweiligen Anforderungen des Gießprozesses. Die schnelle Auswechselbarkeit des Einsatzes ermöglicht vorteilhafterweise ebenfalls eine schnelle Reaktion auf geänderte Betriebsbedingungen, insbesondere Gießbedingungen. Aufgrund der Auswechselbarkeit des Einsatzes können alle anderen Bauteile der Düsenvorrichtung unverändert erhalten bleiben und es bedarf, wie gesagt, lediglich eines Austausches des Einsatzes. Dies ist nicht nur bei veränderten Betriebs- oder Gießbedingungen vorteilhaft, sondern auch in den Fällen von Verschmutzung oder Verschleiß des Einsatzes.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist der Außenquerschnitt des Einsatzes komplementär zu dem Innenquerschnitt der Rohrleitung ausgebildet und bemessen. Auf diese Weise wird erreicht, dass der Einsatz passgenau und abgedichtet in die Rohrleitung eingesetzt werden kann, so dass das Fluid vorzugsweise ausschließlich durch das Innere des rohrförmigen Einsatzes, nicht aber zwischen der Außenseite des Einsatzes und der Innenseite der Rohrleitung hindurchfließt.
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Das Vorsehen einer Mehrzahl von ringförmigen Querschnittsverengungen über die Länge des rohrförmigen Einsatzes verteilt bewirkt, dass der Fluidstrom in Pulsation versetzt wird.
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Aufgrund der Pulsation werden die strömungsmechanischen Gesamteigenschaften der Düsenvorrichtung und die Düsenkennwerte verbessert. Es ergibt sich eine Steigerung der Kühlungseffektivität und somit ergibt sich ein hohes Einsparpotenzial der Verbrauchswerte von Wasser und Luft. Da die Querschnittsverengungen rein passive Elemente sind, kann erfindungsgemäß auf den Einsatz von aktiven Elementen, wie zum Beispiel angesteuerte Ventile, verzichtet werden. Der Verzicht auf aktive Elemente, also bewegte Bauteile, minimiert die Kosten, führt zu einer erheblichen Verschleißminderung, erhöht die Abstände der Wartungsintervalle und führt somit zu höheren Standzeiten der erfindungsgemäßen Düsenvorrichtung.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Düsenvorrichtung ist dieses dadurch gekennzeichnet, dass die Querschnittsverengungen vorzugsweise äquidistant angeordnet sind. Durch diese äquidistante Anordnung kann vorteilhafterweise die Pulsationsfrequenz eingestellt werden, über die die Kühlwirkung beeinflussbar ist. Die Pulsationsfrequenz muss dabei einen so hohen Wert erreichen, dass Kühlungsunterbrechungen auszuschließen sind.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel ist die Düsenvorrichtung dadurch gekennzeichnet, dass die Rohrleitung über ihre Länge verteilt eine Mehrzahl verjüngender Abschnitte aufweist, deren verjüngte Enden jeweils die Querschnittsverengungen repräsentieren. Durch die Verjüngung erfährt das Fluid in Strömungsrichtung vorteilhafterweise eine laminare widerstandsarme Hinführung zu den Querschnittsverengungen, ohne das die strömungsmechanischen Gesamteigenschaften des Systems negativ beeinflusst werden.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel ist die Düsenvorrichtung dadurch gekennzeichnet, dass die Querschnittsverengungen zumindest teilweise auf ihrer der Strömungsrichtung des Fluids abgewandten Seite eine Abrisskante aufweisen. An der Abrisskante stellt sich eine Randverwirbelung, die so genannte Strömungswalze, ein, die vorteilhafterweise dafür sorgt, dass der Hauptfluidstrom nicht mehr direkt mit der Innenseite der Rohrwandung in Kontakt kommt. Somit erfährt der Hauptfluidstrom eine geringere Reibung, was zu einer Laminarisierung führt und die Effektivität der Düsenvorrichtung erhöht.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel ist das Innere des Einsatzes beschichtet, um den Strömungswiderstand des Fluids durch den Einsatz und unerwünschte Ablagerungen aus dem Fluid an der Innenseite des Einsatzes zu reduzieren.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Vorrichtung der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Die oben genannte Aufgabe wird weiterhin durch eine Strangführungsvorrichtung gemäß Anspruch 13 gelöst. Die Vorteile dieser Lösung entsprechen dem oben, mit Bezug auf die Düsenvorrichtung, genannten Vorteilen.
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Der Beschreibung sind insgesamt drei Figuren beigefügt, wobei
- 1 eine Zweistoffdüse gemäß der Erfindung in einem Zustand während des Zusammenbaus;
- 2 die Zweistoffdüse in zusammengebautem Zustand während des Betriebs;
- 3 ein erstes Ausführungsbeispiel für den erfindungsgemäßen Einsatz; und
- 4 ein zweites Ausführungsbeispiel für den erfindungsgemäßen Einsatz
zeigt.
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In allen Figuren sind gleiche technische Merkmale mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet.
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Die erfindungsgemäße Düsenvorrichtung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren detailliert beschrieben.
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1 zeigt die erfindungsgemäße Düsenvorrichtung beispielhaft in Form einer Zweistoff-Düse. Die Zweistoff-Düse umfasst einen Mischkörper 1, welcher über eine Rohrleitung 2 mit einem Düsenkopf, dass heißt einem Mundstück verbunden ist. 1 zeigt die Zweistoff-Düse in noch nicht fertig montiertem Zustand. Konkret ist gezeigt, dass der Düsenkopf 4 noch nicht mit dem düsenkopfseitigen Ende der Rohrleitung 2 verbunden ist; das heißt dieses Ende ist noch offen. In dieses offene Ende wird der erfindungsgemäße rohrförmige Einsatz 3 in Pfeilrichtung eingeschoben und optional dort auch lösbar befestigt. Anschließend wird dann der Düsenkopf 4 lösbar mit dem düsenkopfseitigen Ende der Rohrleitung 2 verbunden, zum Beispiel angeschraubt. Der Einsatz ist dann an einem Herausfallen aus der Rohrleitung 2 gehindert.
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2 zeigt die fertig montierte Zweistoff-Düse mit in der Rohrleitung 2 integrierten rohrförmigen Einsatz 3. Zum Betrieb der Düsenvorrichtung wird dem Mischkörper 1 ein erstes Fluid, zum Beispiel Wasser als Kühlmedium und ein zweites Fluid, zum Beispiel Luft als Zerstäubermedium über separate Zuleitungen 6 zugeführt. In dem Mischkörper 1 werden die beiden separat zugeführten Fluide zu einem Fluidgemisch miteinander vermischt. Das Fluidgemisch wird dann durch eine Bohrung in dem rohrförmigen Einsatz 3, welcher in der Rohrleitung 2 lösbar integriert ist, dem Düsenkopf 4 zugeführt. Der Düsenkopf 4 spritzt das Fluid mit einem gewünschten Spritzbild 7 zum Beispiel auf den zu kühlenden Strang in einer Strangführungseinrichtung einer Stranggießanlage.
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3 zeigt ein erstes Beispiel für den konstruktiven Aufbau des erfindungsgemäßen rohrförmigen Einsatzes. Es ist zu erkennen, dass der Einsatz gemäß 3 über seine Länge verteilt beispielhaft äquidistant angeordnete Querschnittsverengungen 5 aufweist, welche vorteilhafterweise zu einer Pulsation des Fluids oder Fluidgemisch beim Durchfließen führen können.
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4 zeigt ein zweites Beispiel für den konstruktiven Aufbau des Einsatzes. Konkret weist der Einsatz über seine Länge verteilt eine Mehrzahl sich verjüngender Abschnitte auf, deren Enden jeweils ringsförmig Querschnittsverengungen repräsentieren.
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Weitere Ausführungsbeispiele:
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Der Einsatz ist vorzugsweise in zylindrischer Form ausgebildet und so bemessen, dass er passgenau in die Rohrleitung eingesetzt werden kann.
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Beispiele für die Einsatzgeometrie Außen:
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Länge 5 mm bis 2000 mm, Außendurchmesser bei rohrförmigem Einsatz 1 mm bis 50 mm.
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Außenprofile des Einsatzes:
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Rund, kantig oder exzentrisch, jeweils unabhängig vom Innenprofil.
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Mögliche Einsatzgeometrien Innen:
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Länge 5 mm bis 2000 mm, Innendurchmesser bei rohrförmigen Einsätze 0,5 mm bis 49,5 mm, Innenprofile bzw. Geometrien der Einsätze: Rund, kantig oder profiliert, jeweils vorzugsweise unabhängig vom Außenprofil.
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Druckbereich der Düsenvorrichtung bzw. der Düsenköpfe: 0,2 bis 20 bar Wasserdruck und 0 bis 10 bar Luftdruck (0 bar Luftdruck gilt für Einstoffdüsen).
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Die erfindungsgemäße Düsenvorrichtung ermöglicht vorteilhafterweise eine gezielte Veränderung der Strömungsverhältnisse in der Rohrleitung zum Zuführen eines Fluids oder eines Fluidgemisches zu dem Düsenkopf. Dabei kann alleine schon die durch die Verwendung des Einsatzes bewirkte Verringerung des Strömungsquerschnittes in der Rohrleitung die Strömungsverhältnisse vor dem Düsenkopf optimieren bzw. verbessern. Eine weitergehende Verbesserung der Strömungsverhältnisse kann durch eine Profilierung der rohrförmigen Bohrung im Einsatz erfolgen, indem dort die beanspruchten lokalen Querschnittsverengungen vorgesehen werden.
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Konkret wird ein Einsatz mit einer inneren Profilierung, das heißt mit den lokal vorgesehenen Querschittsverengungen verwendet zur Verbesserung der Spritzeigenschaften der Düse bei kleinen Durchflussmengen in den Düsenrohren. Weiterhin kann die Profilierung dazu dienen, die Eigenfrequenz der Strömung des Fluids im Innern des Einsatzes zu verändern, insbesondere zu steigern oder die Vermischung der einzelnen Komponenten eines durch den Einsatz fließenden Fluidgemisches zu verbessern zur Verhinderung von Ringspaltströmungen.
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Der durch die Verwendung des rohrförmigen Einsatzes inhärent reduzierte Innendurchmesser ist vorzugsweise bei langen Rohrleitungen an die Länge dieser Rohrleitungen angepasst. Insbesondere erstreckt sich die Länge des Einsatzes über die gesamte Länge der Rohrleitung, dass heißt bei Zweistoffdüsen vom Mischkörper bis hin zum Düsenkopf 4. Grundsätzlich muss der Einsatz selber nicht mechanisch stabil sein, Stabilität kann das Außenrohr bringen, indem dieses erforderlichenfalls einen entsprechend großen Außendurchmesser aufweist. Das Innenrohr bzw. der Einsatz kann vielmehr als Anpassungskomponente bzw. Stellglied für eine erforderliche Regelaufgabe verwendet werden. Der Einsatz kann auch als Ersatz für eine fehlende Beschichtung der Rohrleitung 2 auf ihrer Innenseite dienen. Wenn sich zum Beispiel auf der Innenseite der Rohrleitung 2 keine Beschichtung aufbringen lässt, kann statt dessen die Innenseite der rohrförmigen Bohrung in dem Einsatz 3 mit dem gewünschten Besichtungsmaterial beschichtet sein. Das Beschichtungsmaterial kann für verbesserte Strömungseigenschaften sorgen oder Ablagerungen verhindern (Selbstreinigungseffekt). Beispielsweise wird als Beschichtungsmaterial Epoxidharz für die innere Beschichtung des Einsatzes verwendet zum Schutz gegen Rost und Verkalkung. Die Beschichtungsstärke liegt vorzugsweise zwischen 50 und 500 µm. Der rohrförmige Einsatz verhält sich dann wie ein Kunststoffrohr.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Mischkörper
- 2
- Rohrleitung
- 3
- rohrförmiger Einsatz
- 4
- Düsenkopf, Mundstück
- 5
- Querschnittsverengungen
- 6
- Zuleitung für Fluide
- 7
- Spritzbild
- 100
- Zweistoffdüse
