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Die Erfindung betrifft einen Industrieofen mit mehreren Kammern. Die Kammern werden von einem heißen Verbrennungsgas durchströmt und sind in Strömungsrichtung des Verbrennungsgases hintereinander angeordnet. Jede Kammer ist in mehrere Kassetten unterteilt. Jede Kassette ist von mindestens zwei gegenüberliegenden Kassettenwänden begrenzt, wobei die Kassettenwände Strömungskanäle mit einem Eintrittsbereich und einem Austrittsbereich für das Verbrennungsgas aufweisen. Die Kassetten dienen der Aufnahme von Brenngut, wobei ein Räume zwischen den beheizten Kassettenwänden und dem Brenngut mit einem Füllmaterial ausgefüllt ist.
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Ein solcher Industrieofen wird auch als Kassettenofen bezeichnet und kann die spezielle Bauform eines Kassetten-Ringtiefofens aufweisen. Der Ofen wird beispielsweise zum Brennen von Kohle- oder Graphitelektroden benutzt.
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Kassetten-Ringtieföfen der genannten Art sind in so genannte offener Bauform und geschlossener Bauform bekannt. Die
WO 92/22780 A1 und
DE 200 21 089 U1 beziehen sich ebenso wie die Erfindung auf die geschlossene Bauform. Wegen der grundsätzlichen Bauform dieses Ofentyps wird auf die genannten Dokumente Bezug genommen.
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Generell gilt: benachbarte Kammern sind untereinander derart verbunden, dass die Verbrennungsgase (Rauchgase) von einer Kammer zur nächsten geführt werden. Typischerweise geschieht dies dadurch, dass die Rauchgase in so genannten Feuerschächten von unten nach oben strömen, anschließend die Kassettenwände entlang der Strömungskanäle von oben nach unten durchströmen und anschließend über einen strömungstechnisch angeschlossenen Hohlraum im Bodenbereich einer Kammer zur nächsten Kammer geführt werden.
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Es ist offensichtlich, dass die Verbrennungsgase, wenn sie in eine Kassettenwand eintreten (im Eintrittsbereich der Kassettenwand) eine höhere Temperatur aufweisen als beim Verlassen dieser Kassettenwand über den korrespondierenden Austrittsbereich der Strömungskanäle, weil die Wärmeenergie der Verbrennungsgase über die Kassettenwand in das Brenngut geführt wird, gegebenenfalls über ein dazwischen angeordnetes Füllmaterial.
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Dies führt im Ergebnis zur Ausbildung eines Temperaturgradienten zwischen Rauchgaseinlass und Rauchgasauslass einer Kassettenwand, wobei sich dieser Temperaturgradient analog auf das benachbarte Brenngut auswirkt, also auch im Brenngut ein Temperaturgradient entsteht, der sich negativ auf die Gleichmäßigkeit der Qualität des gebrannten Materials auswirken kann.
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Obwohl sich Industrieöfen der genannten Art in den vergangenen Jahrzehnten bewährt haben und zahlreiche solcher Anlagen in Betrieb sind, besteht grundsätzlich das Bedürfnis einer Optimierung in Bezug auf den Energiebedarf, die Wärmeübertragung und die Qualität des Brenngutes.
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Ausgehend von einem Industrieofen, dessen grundsätzlicher konstruktiver Aufbau dem Stand der Technik entspricht und einleitend dargestellt wurde, lässt sich der Erfindungsgedanke wie folgt zusammenfassen: Der erfindungsgemäße Ofen kompensiert die Temperaturunterschiede im Rauchgas (Verbrennungsgas), wenn dieses durch eine Kassettenwand strömt, indem die Kassettenwand und/oder ein zwischen Kassettenwand und Brenngut befindliches Füllmaterial bezüglich Materialstärke und/oder Materialauswahl korrespondierend zum Temperaturgradienten so angepasst wird, dass sich ein weitestgehend konstanter Wärmeübergang vom Rauchgas auf das Brenngut zwischen Einlassbereich und Auslassbereich des Verbrennungsgases einer Kassettenwand ergibt.
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Mit anderen Worten: sinkende Rauchgastemperaturen werden durch entsprechende Materialauswahl und/oder Materialdicke verschiedener Abschnitte der Kassettenwand und/oder ein korrespondierendes Füllmaterial kompensiert.
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Im einfachsten Fall kann dies durch eine Veränderung der Wandstärke (der Dicke) der Kassettenwand zwischen Strömungskanälen und Oberfläche der Kassettenwand erfolgen. Analog gilt dies für die Ausbildung einer Füllschicht (Packschicht) zwischen Kassettenwand und Brenngut.
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Alternativ und/oder kumulativ kann die Anpassung über eine entsprechende Materialauswahl erfolgen, indem beispielsweise die Abschnitte der Kassettenwand, die im Austrittsbereich der Strömungskanäle liegen, aus einem Werkstoff gebildet werden, der eine höhere Wärmeleitfähigkeit aufweist als die Abschnitte der Kassettenwand, die am Eintrittsbereich für das Rauchgas liegen.
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Auch hier gilt wieder: analog lassen sich diese Gedanken auf das erwähnte Füllmaterial übertragen.
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Ein Beispiel soll dies ergänzen: Es wird der obere Abschnitt und der untere Abschnitt einer Kassettenwand betrachtet, und zwar hier der obere Eintrittsbereich für das heiße Rauchgas und der untere Austrittsbereich für das bereits etwas abgekühlte Rauchgas. Dabei wird davon ausgegangen, dass die Gesamtdicke (Kassettenwand plus Füllschicht bis zum nächstliegenden Brenngut) gleich bleiben soll und der Querschnitt der Strömungskanäle konstant ist. Wenn beispielsweise das Füllmaterial eine geringere Wärmeleitfähigkeit aufweist als der Werkstoff der Kassettenwand soll die Füllschicht im oberen Bereich erfindungsgemäß dicker sein als im unteren Bereich (jeweils in horizontaler Richtung). Entsprechend ist die Wanddicke der Kassettenwand oben kleiner als unten. Die Temperaturunterschiede des Rauchgases können so kompensiert werden. Im Ergebnis ergibt sich eine gleichmäßige Wärmeübertragung vom Rauchgas auf das Brenngut über die gesamte Höhe der Kassettenwand.
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Unter Berücksichtigung der Rauchgastemperatur, der Materialien für die Kassettenwand und die Füllschicht lassen sich für alle Anwendungsfälle die entsprechende Parameter berechnen. Das gilt analog für den Fall, dass der Querschnitt der Strömungskanäle oder die Anordnung der Strömungskanäle verändert wird. Das gilt ebenso für Ausführungsformen, bei denen keine Füllschicht verwendet wird oder bei denen mehrschichtige Kassettenwände (aus unterschiedlichen Werkstoffen) eingesetzt werden.
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In ihrer allgemeinsten Ausführungsform betrifft die Erfindung einen Industrieofen mit den Merkmalen des Hauptanspruchs.
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Mit dem Merkmal „weitestgehend konstanter Wärmeübergang” ist gemeint, dass die Temperaturverteilung über die gesamte relevante Oberfläche einer Kassettenwand im technischen Maßstab so konstant wie möglich ist. Technisch betrachtet wird es immer Toleranzbereiche geben, die aber durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen gegenüber dem Stand der Technik deutlich verringert werden können.
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Wie bereits erwähnt können einzelne Ausführungsformen dieses Industrieofens, die nachstehend dargestellt werden, individuell aber auch kumulativ in beliebigen Kombinationen verwirklicht werden, sofern dies nicht ausdrücklich ausgeschlossen ist.
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Nach einer Ausführungsform ist der Industrieofen dadurch gekennzeichnet, dass er mindestens eine Kassettenwand aufweist, deren horizontale Wandstärke sich zwischen Eintrittsbereich und Austrittsbereich der Strömungskanäle verändert.
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Bei einem konkreten Beispiel kann die horizontale Wandstärke der Kassettenwand am Eintrittsbereich der Strömungskanäle geringer sein als beim Austrittsbereich der Strömungskanäle.
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Eine Ausführungsform dazu sieht mindestens eine Kassettenwand vor, deren horizontale Wandstärke sich zwischen Eintrittsbereich und Austrittsbereich der Strömungskanäle abgestuft vergrößert. Mit anderen Worten: die korrespondierende Außenfläche der Kassettenwand ist stufenartig gestaltet. Um das gewünschte Ziel eines weitestgehend konstanten Wärmeübergangs entlang der gesamten Kassettenwand zu erreichen ist es vorteilhaft, mehrere solcher Stufen vorzusehen.
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In einer Alternative wird die Kassettenwand so ausgebildet, dass sich ihre horizontale Wandstärke zwischen Eintrittsbereich und Austrittsbereich der Strömungskanäle kontinuierlich vergrößert. Dies führt für die korrespondierende Außenfläche zu einer Orientierung, die unter einem Winkel zur Vertikalen verläuft, beispielsweise unter einem Winkel von 1 bis 5 Grad zwischen Eintritts- und Austrittsbereich.
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Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel ist die Wärmeleitfähigkeit der Kassettenwand zwischen Eintrittsbereich und Austrittsbereich für das Verbrennungsgas, also zwischen Eintrittsbereich und Austrittsbereich der Strömungskanäle unterschiedlich. Dort, wo die Temperatur des Rauchgases am höchsten ist, kann die Wärmeleitfähigkeit geringer sein als in den Abschnitten, wo die Temperatur des Rauchgases bereits durch Wärmeverluste geringer ist.
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Insoweit sieht eine Ausführungsform einen Industrieofen mit mindestens einer Kassettenwand vor, die am Eintrittsbereich der Strömungskanäle eine geringere Wärmeleitfähigkeit aufweist als am Austrittsbereich der Strömungskanäle.
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Grundsätzlich gilt, dass vorzugsweise alle Kassettenwände und/oder Füllschichten in erfindungsgemäßer Weise gestaltet sind.
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Üblicherweise verlaufen die Strömungskanäle vertikal, wobei das Rauchgas die Strömungskanäle üblicherweise von oben nach unten durchströmt. Bei dieser Ausführung wäre die Kassettenwand also so aufgebaut, dass sie oben aus Abschnitten mit einer geringeren Wärmeleitfähigkeit im Verhältnis zu den unteren Abschnitten besteht. Die Abschnitte unterschiedlicher Wärmeleitfähigkeit können mehr oder weniger kontinuierlich aneinander anschließen, entsprechend dem mehr oder weniger kontinuierlichen Temperaturverlust des Rauchgases auf dem Weg durch die Strömungskanäle.
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Das Brenngut, beispielsweise Kohle-Kathoden, wird üblicherweise innerhalb einer Kassette in einem Füllmaterial (Füllpulver) konfektioniert. Mit anderen Worten: das Volumen einer Kassette ist mit dem genannten Füllmaterial ausgefüllt, in dem sich wiederum das Brenngut befindet. Daraus folgt, dass zwischen Kassettenwand und Brenngut regelmäßig eine Zwischenschicht aus diesem Füllmaterial vorhanden ist. Entsprechend beeinflusst auch das Füllmaterial den Wärmeübergang vom Verbrennungsgas auf das Brenngut ganz wesentlich. Das Füllmaterial kann beispielsweise Kokspulver sein, welches eine schlechte Wärmeleitung aufweist.
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Insoweit sieht die Erfindung vor, dass das dem Eintrittsbereich der Strömungskanäle benachbarte Füllmaterial eine unterschiedliche Dicke in horizontaler Richtung aufweisen kann als das dem Austrittsbereich der Strömungskanäle benachbarte Füllmaterial.
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Dabei kann das dem Eintrittsbereich der Strömungskanäle benachbarte Füllmaterial in horizontaler Richtung dicker sein als das Füllmaterial, das nahe dem (unteren) Austrittsbereich der Strömungskanäle angeordnet ist. Bei einem Füllmaterial mit schlechter Wärmeleitung wird der Wärmeübergang auf das Brenngut also im Eingangsbereich des Rauchgases gedrosselt. Stufenweise oder kontinuierlich wird die Dicke der Füllschicht nach unten verringert, damit die Wärmeleitfähigkeit in horizontaler Richtung erhöht und im Ergebnis eine gleichmäßige Beheizung des Brennguts durch das Verbrennungsgas erreicht.
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Eine weitere Alternative sieht vor, dass das Füllmaterial, welches dem Eintrittsbereich der Strömungskanäle benachbart angeordnet ist, eine unterschiedliche Wärmeleitfähigkeit aufweist als das Füllmaterial, welches dem Austrittsbereich der Strömungskanäle benachbart ist. Soweit es sich um ein Füllmaterial handelt, welches in unterschiedlichen Richtungen des Koordinatensystems eine unterschiedliche Wärmeleitfähigkeit aufweist, kommt es für den Erfindungsgedanken vor allem auf die Wärmeleitfähigkeit in horizontaler Richtung an.
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Auch hier gilt, dass an dem Abschnitt der Kassettenwand, an dem das Verbrennungsgas einströmt, also eine relativ hohe Temperatur besitzt, das Füllmaterial entsprechend eine geringere Wärmeleitfähigkeit aufweisen kann als in den Bereichen, die am gasauslassseitigen Ende der Strömungskanäle liegen.
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Zur Optimierung der Strömung des Verbrennungsgases durch die Strömungskanäle sieht eine Ausführungsform der Erfindung vor, dass die Strömungskanäle jeweils einen konstanten Innenquerschnitt aufweisen.
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Wie ausgeführt sind die Wandstärken der Kassettenwand (das sind die Bereiche außerhalb der Strömungskanäle) jedoch gegebenenfalls unterschiedlich in horizontaler und/oder vertikaler Richtung. Wie ausgeführt erfolgt die Gasführung üblicherweise vertikal von oben nach unten durch die Kassettenwände.
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Bei einer solchen Konstruktion eines Industrieofens kann die Kassettenwand aus übereinander gestapelten Segmenten gebildet werden, wobei einzelne Segmente entsprechend den vorstehenden Erläuterungen unterschiedliche Formen (Querschnitte) aufweisen können.
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Um eine zumindest relative Gasdichtigkeit der Kassettenwand zu erreichen wird weiter vorgeschlagen, die Segmente dann über Nut-/Federelemente formschlüssig miteinander zu verbinden.
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Selbstverständlich kann eine Kassettenwand aber auch monolithisch ausgeführt sein beziehungsweise aus Fertigbauteilen unterschiedlichster Geometrie zusammengesetzt werden. Üblicherweise ist das Material der Kassettenwand ein feuerfestes keramisches Material.
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Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Merkmalen der Unteransprüche sowie den sonstigen Anmeldungsunterlagen.
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Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungsbeispieles naher erläutert. Dabei zeigen – jeweils in schematisierter Darstellung –
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1: eine perspektivische Ansicht einer Kammer eines erfindungsgemäßen Industrieofens
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2: einen Längsschnitt durch eine Kassette der Kammer gemäß
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1, wobei links der Aufbau gemäß Stand der Technik und rechts ein erfindungsgemäßer Aufbau dargestellt sind.
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Von der dargestellten Kammer sind ein Kammerboden 1, eine Stirnwand 5, eine Außenwand 6 und eine Endwand 7 zu erkennen.
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Auf dem Kammerboden 1 sind Bodensäulen 3 zu erkennen, die im Abstand zueinander verlaufen und auf denen ein Kassettenboden 2 liegt.
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Zwischen Stirnwand 5 und Endwand 7, der Stirnwand 5 benachbart, verlaufen Feuerschächte 9, wobei das entsprechende Verbrennungsgas zwischen den Bodensäulen 3 im Raum zwischen Kammerboden 1 und Kassettenboden 2 zuströmt. Das heißt, die heißen Verbrennungsgase steigen von unten nach oben durch die Feuerschächte 9 auf.
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Zwischen der Endwand 7 und den Feuerschächten 9 verlaufen Kassettenwände 8, und zwar parallel zur Außenwand 6.
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Jede Kassettenwand 8 weist eine Vielzahl von Strömungskanälen 10 auf, die sich vertikal entlang der gesamten Kassettenwand 8 erstrecken. Die Strömungskanäle 10 werden also von oben nach unten vom Verbrennungsgas durchströmt, bevor sie wieder in den Raum zwischen Kammerboden 1 und Kassettenboden 2 eintreten.
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Ein Eintrittsbereich der Strömungskanäle 10 und damit ein Eintrittsbereich für das Rauchgas ist mit 10e gekennzeichnet, der korrespondierende Austrittsbereich mit 10a.
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Zwischen benachbarten Kassettenwänden 8 sind die so genannten Kassetten 4 ausgebildet, in denen ein Brenngut 20 in einem Füllmaterial 30 konfektioniert wird.
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2 zeigt den erfindungsgemäßen Aufbau der Kassettenwände 8 (rechter Teil von 2) im Verhältnis zum Stand der Technik (linker Teil von 2).
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Im Stand der Technik ist die Kassettenwand W mit konstantem Querschnitt über die gesamte Höhe gebildet. Die Kassettenwand W besteht aus einem einheitlichen Material (Werkstoff). Das Gleiche gilt für das davor (in 2: rechts, in Richtung auf das Brenngut 20) angeordnete Füllmaterial F.
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Da die Temperatur des Rauchgases im Eintrittsbereich Ka höher ist als im Austrittsbereich Ka ergibt sich ein mehr oder weniger kontinuierlich abfallender Wärmeübergang vom Verbrennungsgas zum Brenngut 20, was im linken Teil der 2 durch drei unterschiedlich große Pfeile L1, L2, L3 symbolisiert ist.
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Die sich daraus ergebenden Nachteile sind eingangs erläutert worden.
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Die erfindungsgemäße Ausführung unterscheidet sich vom Stand der Technik dadurch, dass die Kassettenwand 8 im unteren Teil dicker (mit größerer Wandstärke D) ausgebildet ist und entsprechend am oberen Ende (am gaseinlassseitigen Ende) 8e eine geringere Wandstärke d aufweist (jeweils auf der dem Brenngut 20 zugewandten Seite).
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Da die Temperatur des Rauchgases im Eintrittsbereich 10e größer ist als im Austrittsbereich 10a, ergibt sich zusammen mit der geringeren Wandstärke der Kassettenwand im Bereich 8e ein überproportionaler Wärmeübergang vom Rauchgas durch die Kassettenwand 8 in Richtung auf das Brenngut 20.
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Dies wird erfindungsgemäß kompensiert durch die davor (in Richtung auf das Brenngut 20) angeordnete Füllschicht 30, die dem Abschnitt 10a benachbart sehr viel dicker ausgeführt ist als im Bereich des Abschnittes 10a. Da die Füllschicht 30, hier: Petrolkoks) eine sehr viel geringere Wärmeleitfähigkeit aufweist als das Feuerfestmaterial der Kassettenwand 8, folgt daraus, über die Höhe (H) der Kassettenwand 8 betrachtet, dass sich ein mehr oder weniger konstanter Wärmeübergang vom Verbrennungsgas auf das Brenngut 20 ergibt, was durch drei im Wesentlichen gleich große Pfeile L2 symbolisiert ist.
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Mit anderen Worten: die Wärmeleitfähigkeit in horizontaler Richtung verringert sich bei dem erfindungsgemäßen Aufbau von unten (vom Bereich 10a) nach oben (in den Bereich 10e). Dadurch wird die höhere Wärmekapazität des Rauchgases am oberen Abschnitt 10e im Vergleich mit dem unteren Abschnitt 10a entsprechend kompensiert.
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Beim dargestellten Ausführungsbeispiel ist zwischen den Abschnitten 10a, 10e ein mittlerer Abschnitt 10m angeordnet, der eine Zwischenposition einnimmt, das heißt, hier ist die Wandstärke der Kassettenwand 8 geringer als im Abschnitt 10a, aber größer als im Abschnitt 10e, während die benachbarte Füllschicht 30 in diesem Bereich dicker ist als neben Abschnitt 10a, aber dünner als neben Abschnitt 10e.
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Die Kassettenwand 8 weist außen korrespondierende Stufen 8s auf.
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Da sich die Temperatur des Rauchgases zwischen Einlassbereich 10e und Auslassbereich 10a weitestgehend kontinuierlich verringert, lässt sich die erwünschte gleichmäßige Wärmeleitfähigkeit über den gesamten Bereich der Kassettenwand 8 optimieren, indem mehr Stufen 8s als dargestellt ausgebildet werden. Alternativ wäre eine kontinuierliche Verringerung des Wandquerschnitts beziehungsweise eine kontinuierliche korrespondierende Vergrößerung der Wandstärke der Füllschicht (von unten nach oben betrachtet) möglich. Beide Maßnahmen können auch kombiniert werden.
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Die Kassettenwand 8 gemäß 2 besteht aus Segmenten, von denen das unterste mit 8u und das oberste mit 8o bezeichnet sind. Benachbarte Segmente sind über Nut-/Feder-Verbindungen 10f formschlüssig und gasdicht verbunden.
