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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Ofenwandanordnung eines industriellen Feuerungsofens mit einer Ofenwand und mit wenigstens einem einseitig an einer Innenseite der Ofenwand befestigten Schutzelement aus feuerfestem Material.
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In einer solchen Ofenwandanordnung werden die Ofenwände durch die Schutzelemente vor Hitze und Rauchgas geschützt, die in dem in dem Ofen oder Kessel innen liegenden Brennraum entstehen. Die Ofenwand ist beispielsweise als geschlossene Kesselrohrwand oder als ein durch Lüftungsschlitze durchbrochener Rost ausgebildet. Die Kesselrohrwand besteht dabei beispielsweise aus parallelen miteinander über Rohrflossen verbundenen Rohren. Die Rohre sind üblicherweise von einem Kühlfluid durchströmbar. Als Kühlfluid wird vorzugsweise Wasser verwendet, dessen Siedetemperatur durch einen entsprechend hohen Druck auf über 250°C eingestellt werden kann.
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Die aus einem feuerfesten Material bestehenden Schutzelemente werden beispielsweise durch mechanische Haltevorrichtungen, wie z.B. Haken, und/oder durch Mörtel mit der Ofenwandanordnung verbunden.
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Eine unter die oben genannte Gattung fallende Ofenwandanordnung ist aus
DE 102 04 240 A1 bekannt. In der dort vorgestellten Lösung weist die Kesselrohrwand Halteelemente auf und die Schutzelemente weisen Ausnehmungen auf, in denen die Halteelemente vorgesehen sind. Über Bohrungen in den Schutzelementen können Verankerungselemente durch Löcher der Halteelemente geschoben werden, um die Schutzelemente an den Halteelementen zu verankern.
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Der Spalt zwischen Ofenwand und Schutzelement wird im Stand der Technik beim Betrieb des Feuerungsofens teilweise von einem Spülgas bzw. einem Spaltmedium, als sogenanntes hinterlüftetes System, etwa Luft, durchströmt, um korrosive Gase, die im Brennraum entstehen, von der Ofenwand möglichst gut zu trennen. An dieser Lösung ist ein schlechter Wärmeübergang zwischen Schutzelement und Ofenwand nachteilig, da Wärme fast nur durch Wärmestrahlung und kaum durch Wärmeleitung transportiert wird. In der Folge haben die Schutzelemente auf der Brennraumseite eine hohe Oberflächentemperatur, die zu einem vorzeitigen Verschleiß der Schutzelemente und zu einer geringen Wärmeentnahme aus der jeweiligen Zone des Kessels führt.
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Ein besserer Wärmeübergang zwischen dem Schutzelement und der Ofenwand wird durch das Auffüllen des Zwischenraumes mit Mörtel oder durch das Ausgießen des Zwischenraums mit Zement erreicht. In
DE 20 2004 020 448 U1 wird der Zwischenraum mit einem Kleber ausgefüllt, der gleichzeitig der Befestigung der Schutzelemente an den Ofenwänden dient. Nachteilig an dieser Lösung ist ein relativ hoher Montage- und Demontageaufwand bei Reparaturarbeiten.
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Im Stand der Technik sind nur einige Ofenwände nämlich die Seitenwände und Decken mit Schutzelementen verkleidet. Die untere Ofenwand, der Rost, auf dem feste Brennstoffe aufliegen, ist hingegen nicht verkleidet, da feuerfeste Schutzelemente auf dem Rost wegen erforderlicher Lufteintrittsschlitze eine zu geringe Lebensdauer hätten. Entsprechend ist der Rost ein hoch belastetes und schnell verschleißendes Bauteil.
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Aus
EP 1 310 731 A1 und
GB 338,684 A sind Ofenwandanordnungen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bekannt.
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Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Kesselwandanordnung vorzuschlagen, die sich durch einen guten Wärmeübergang zwischen Schutzelement und Ofenwand auszeichnet.
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Die Aufgabe wird durch eine Ofenwandanordnung der eingangs definierten Gattung gelöst, die zwischen der Innenseite der Ofenwand und einer Außenseite des Schutzelements angeordnete Kühlrippen aufweist, wobei die Kühlrippen eine spezifische Wärmeleitfähigkeit besitzen, die größer als eine spezifische Wärmeleitfähigkeit der Ofenwand (2) ist, und insbesondere die größer als spezifische Wärmeleitfähigkeiten eines zwischen der Ofenwand (2) und dem Schutzelement (3) befindlichen Spaltmediums, eines zwischen zwei Schutzelementen angeordneten Mörtels oder Zements sowie des Schutzelements (3) ist.
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Die Kühlrippen sorgen für eine gute Wärmeableitung von den Schutzelementen in die Ofenwand. Dadurch sind die Schutzelemente von ihren Rückseiten her gekühlt, was sich vorteilhaft auf die Lebensdauer der Schutzelemente auswirkt.
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Zumindest bei einer geeigneten Vormontage der Kühlrippen an der Ofenwand oder an den Schutzelementen ist die Ofenwandanordnung zudem einfach montierbar und demontierbar.
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Bei der erfindungsgemäßen Ofenwandanordnung sind die Kühlrippen langgestreckte Profilstangen, die zumindest teilweise form- und/oder kraftschlüssig in zu den Kühlrippen passenden Nuten, die in dem Schutzelement ausgebildet sind, angeordnet sind.
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Die Profilstangen sind in einem zweckmäßigen Ausführungsbeispiel lange quaderförmige Vollprofile, insbesondere in form von Streifen. In anderen Ausführungsbeispielen haben die Profilstangen keinen gefüllten Querschnitt, sondern ihr Querschnitt belegt nur Teile einer Fläche, beispielsweise belegt ein U-förmiges Profil drei Ränder einer Fläche. Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel ist die Kühlrippe lagenweise aus einer Grafitfolie bis zur gewünschten Stärke aufgebaut. Hierbei werden Streifen aus Graphitfolie mit einer Dicke insbesondere im Bereich von 0,4 bis 1 mm lageweise aufeinandergelegt und gegebenenfalls miteinander verklebt. Die stangenförmige Ausgestaltung der Kühlrippen ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn auch die Ofenwand linear verlaufende Strukturen, beispielsweise Rohre, aufweist. Die Kühlrippen werden in diesem Fall vorzugsweise parallel zu den linear verlaufenden Strukturen der Ofenwand angeordnet, so dass sich große Kontaktflächen zwischen der Ofenwand und den Kühlrippen ergeben, die wiederum eine gute Wärmeleitung von den Kühlrippen in die Ofenwand bewirken. Die Nuten in den Schutzelementen gewährleisen große Kontaktflächen zwischen den Schutzelementen und den Kühlrippen und somit eine gute Wärmeleitung aus den Schutzelementen in die Kühlrippen. Außerdem können die Kühlrippen in den Nuten vorteilhaft mechanisch befestigt werden. Zwischen benachbarten sich linear erstreckenden Kühlrippen kann ein Spülgas geleitet werden, wobei die Kühlrippen als Kanalwände eines Spülgaskanals dienen. An Spülgaszuführungen und Spülgasableitungen des Feuerungsofens sind dabei üblicherweise keinerlei Anpassungen erforderlich. In einigen Ausführungsbeispielen, beispielsweise bei flächigen Ofenwänden, haben die Kühlrippen andere als langgestreckte Formen, beispielsweise kreisförmige.
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Gemäß bevorzugten Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Ofenwandanordnung haben die die Profilstangen einen I-förmigen Querschnitt oder einen Querschnitt in Form eines trapezförmig verjüngten „I“s , wobei die breitere Seite des Trapezes in Anlage an der Ofenwand und die schmalere Seite des Trapezes in der Nut des Schutzelements vorgesehen ist. In diesen Ausgestaltungen haben die Kühlrippen besonders einfache geometrische Formen, die eine besonders einfache Herstellung und Bearbeitung der Kühlrippen ermöglichen. Die Kühlrippen mit dem Querschnitt in Form eines trapezförmig verjüngten „I“s, also leicht angespitzte Kühlrippen, erleichtern teilweise ein vollständiges Einführen der Kühlrippen in die Nuten. Alternativ werden andere Profilstangen verwendet, beispielsweise solche, deren Querschnitt sich aus einem Kreisbogen und von dem Kreisbogen radial abstehenden geraden Rippen zusammensetzt oder aus lagenweise aufgebauter Graphitfolie.
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In einigen vorteilhaften Varianten erfindungsgemäßer Ofenwandanordnungen sind die Kühlrippen in dem Schutzelement eingeklebt. Der Kleber sorgt dabei für einen guten thermischen Kontakt, für eine gasdichte Verbindung und außerdem für eine mechanische Vormontage, die letztlich zu einer einfachen Montierbarkeit und Demontierbarkeit der Ofenwandanordnung beiträt. In alternativen Ausführungsbeispielen der Erfindung sind Kühlrippen an der Ofenwand befestigt, beispielsweise geklebt, verschraubt, geklemmt oder gelötet.
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Bei weiteren erfindungsgemäßen Ofenwandanordnungen bestehen die Kühlrippen aus einem hitzebeständigen elastischen Material. Durch die auch bei Temperaturwechselbelastungen vorhandene Elastizität bleiben solche Kühlrippen, wenn sie im montierten Zustand zwischen der Ofenwand und dem Schutzelemente eingespannt sind, dauerhaft in einer mechanischen Anlage an der Ofenwand und an dem Schutzelement. Das Kühlrippenmaterial ist weich und übt bei einer elastischen Deformation nur kleine Kräfte auf die einspannenden Bauteile aus. Von den an die Ofenwand angepressten Kühlrippen werden nur zulässige kleine Druckkräfte auf die Schutzelemente ausgeübt, so dass die Schutzelemente nicht beschädigt werden.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Ofenwandanordnung ist das hitzebeständige elastische Dichtungsmaterial expandierter Graphit. Dieser Werkstoff zeichnet sich durch eine gute Wärmeleitfähigkeit, Elastizität und eine gute chemische Beständigkeit gegen Korrosion durch Rauchgas aus. Die spezifische Wärmeleitfähigkeit des verwendeten Werkstoffes ist vorzugsweise 100 W m-1 K-1 groß oder größer. Folglich ist dieser Werkstoff besonders gut zur Ausbildung der Kühlrippen geeignet. In alternativen Ausbildungen kommen andere Werkstoffe, beispielsweise Metallbalgen oder Metallschäume zum Einsatz.
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In einer anderen vorteilhaften Variante der erfindungsgemäßen Ofenwandanordnung sind die Kühlrippen lagenweise aus einer Graphitfolie aufgebaut. Graphitfolie ist wegen ihrer geringen Dicke flexibel. Mehrlagige Anordnungen der Graphitfolie sind in Ausgestaltungen der Erfindung, beispielsweise als lamellenförmiger Stapel oder als eine Einrollung, insbesondere zu einer flexiblen Dichtung verarbeitet.
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Vorzugsweise ist die erfindungsgemäße Ofenwandanordnung derart dimensioniert, dass die auftretenden Temperaturen der Kühlrippen immer unter 600°C bleiben. Die Innenseiten der Schutzelemente sind dem Brennraum zugewandt in dem hohe Temperaturen von beispielsweise 1150°C herrschen. Dadurch erwärmt sich die innere Oberfläche der Schutzelemente. Bei herkömmlichen Ofenwandanordnungen nach dem Stand der Technik wurden an den Oberflächen der Innenseite der Schutzelemente Temperaturen bis zu 850°C gemessen. Die Außenseiten der Schutzelemente sind gekühlt, so dass diese eine geringere Oberflächentemperatur aufweisen. Entsprechend werden die Schutzelement in der erfindungsgemäßen Ofenwandanordnung insgesamt gut gekühlt, so dass auftretende Temperaturen gering und die Haltbarkeit der Schutzelemente hoch ist. Die Kühlrippen sind wärmeleitend mit den Außenseiten der Schutzelemente verbunden, so dass diese zumindest in der Nähe der Grenzflächen mit den Schutzelementen nahezu die gleichen Temperaturen annehmen. Zu hohe Temperaturen können die Kühlrippen schädigen, beispielsweise kann Sauerstoff Graphit bei Temperaturen über 600°C oxidieren. Dementsprechend werden Materialstärken und andere Parameter, die die auftretenden Temperaturen beeinflussen, so eingestellt, dass vorgegebene Temperaturgrenzwerte nicht überschritten werden.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Ofenwandanordnung ist an der Ofenwand wenigstens eine Graphitfolie angeordnet, wobei die Graphitfolie zwischen benachbarte Kühlrippen geklemmt ist. In dieser Weiterbildung wird die gute chemische Beständigkeit von Graphit ausgenutzt, um korrosionsgefährdete Bereiche der Ofenwand abzudecken und vor chemischer Belastung durch Rauchgas zu schützen.
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In zwei Varianten der erfindungsgemäßen Ofenwandanordnung ist die Ofenwand als Kesselrohrwand, in der parallele Rohre über Rohrflossen miteinander verbunden sind, oder als Rost ausgebildet. Seitenwände und Decken von Industrieöfen sind häufig als Kesselrohrwände ausgebildet. Die Kesselrohrwände sind durch plattenförmige Schutzelemente verkleidet, deren Rückseiten teilweise invers zu den Kesselrohrwänden profiliert sind, um konstante Abstände zwischen der Ofenwand und dem Schutzelement sicherzustellen.
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Überraschenderweise wurde gefunden, dass in erfindungsgemäßen Ofenwandanordnungen durch die Kühlrippen nur so geringe Kräfte auf die Schutzelemente übertragen werden, dass auch der Rost des Kessels mit passenden Schutzelementen verkleidet werden kann. In einer solchen Anordnung ist also auch der Rost als eine Ofenwand zu verstehen, der Bestandteil einer erfindungsgemäßen Ofenwandanordnung ist ebenso wie das Schutzelement als solches.
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Die vorliegende Erfindung soll im Folgenden an Hand von Figuren näher erläutert werden, wobei,
- 1 einen Querschnitt durch eine erfindungsgemäße Wandanordnung und
- 2 ein Schutzelement in einer perspektivischen Ansicht auf seine Rückseite zeigt.
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1 zeigt schematisch ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Ofenwandanordnung 1 im Querschnitt. Dargestellte Komponenten der Ofenwandanordnung 1 sind eine Ofenwand 2, Schutzelemente 3 und zwischen einer Innenseite 4 der Ofenwand 2 und Außenseiten 5 der Schutzelementen 3 eingespannte Kühlrippen 6.
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Die Ofenwand 2 ist in der dargestellten Variante eine Kesselrohrwand, welche Rohre 12 und Rohrflossen 13 aufweist. Durch die Rohre 12 wird beim Betrieb des Ofens Wasser geleitet, über welches Wärme aus der Ofenwand 2 abgeführt wird.
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In den Schutzelementen 3 sind Aufhängausnehmungen 11 ausgebildet, mit denen die Schutzelemente 3 an Halteelementen 10 aufgehängt sind, wobei die Halteelemente 10 an der Ofenwand 3 befestigt sind. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Schutzelemente 3 aus Siliziumcarbid hergestellte Platten. In anderen Ausführungsbeispielen sind die Schutzelemente 3 aus anderen feuerfesten Materialien ausgebildet. Zwischen benachbarten Schutzelementen 3 befinden sich Fugen 8, die mit geeignetem Mörtel 9, beispielsweise einem SiC-Mörtel oder auch Zement, verfugt sind.
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Zwischen die Ofenwand 2 und die Schutzelemente 3 sind Kühlrippen 6 eingespannt, die in dem dargestellten Ausführungsbeispiel vorzugsweise elastische und aus expandiertem Graphit gebildete Stangen bzw. Streifen, hier beispielsweise und bevorzugt quaderförmige Stangen mit einem I-förmigen Querschnitt sind. In der räumlichen Dimension senkrecht zu der dargestellten Ebene haben die Kühlrippen 6 und die Nuten 7 deutlich größere lineare Längenausdehnungen als die dargestellten Querschnittskanten. Die Kühlrippen 6 liegen geeignet an der Ofenwand 2 und an den Wandelementen an, so dass eine gute Wärmeleitung aus den Wandelementen 3 über die Kühlrippen 6 in die Ofenwand 2 gewährleistet ist.
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2 zeigt schematisch eine perspektivische Ansicht auf die Außenseite 5 eines Wandelements 3. Die vorn dargestellte Kante des Wandelements 3 ist eine Schnittkante, an der gut die Struktur der Fugen 6 und der Aufhängausnehmung 11 zu erkennen sind.
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In die Fugen 6 sind in einem bevorzugten nicht dargestellten Ausführungsbeispiel als Kühlrippen Streifen mit einem trapezförmigen Querschnitt eingesetzt, wobei eine zwischen den parallelen Seiten des Trapezes gemessene Breite 10 mm, eine an der breiten Seite des Trapezes gemessene Länge 8 mm und eine an der schmalen Seite des Trapezes gemessene Länge 7 mm beträgt. Die Kühlrippen bestehen in Ausführungsbeispielen aus dem expandierten Graphitwerkstoff „Ecophit L“.
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Vorteilhafte Eigenschaften von Graphit sind eine hohe Wärmeleitfähigkeit und eine hohe chemische Beständigkeit gegen in dem Feuerungsofen freigesetzte aggressive Gase. Die Hitzebeständigkeit von Graphit an Luft ist für die beschriebene Anwendung ausreichend groß, da das Graphit durch die Rohrwand gekühlt wird. Durch die Ausrichtung der Kühlrippen, bei denen es sich insbesondere um Graphitstreifen handelt, entlang der Rohre der Rohrwand und entlang der sich entlang der Rohre ersteckenden Schutzelemente wird eine hohe Wärmeübertragung aus dem Schutzelement in die Ofenwand gewährleistet. Dies trägt zu einer erheblich höheren Effektivität der Feuerungsöfen, im Vergleich zu Feuerungsöfen mit hinterlüfteten Schutzelementen, bei. Darüber hinaus ist die Oberflächentemperatur an der Heißseite des Schutzelements kleiner als im Stand der Technik. In der Folge haben die Schutzelemente eine erhöhte Lebensdauer. Außerdem ist das Anhaften von Flugaschen und Schlacken schwächer ausgeprägt als im Stand der Technik.
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Die beschriebene Ofenwandanordnung ist in weiteren nicht dargestellten Ausführungsbeispielen an Ofenrosten umgesetzt, was durch kleine auftretende mechanische Kräfte erstmals möglich ist.
