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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 und gegebenenfalls am Boden als ein durch Lüftungsschlitze durchbrochener Rost ausgebildet. Die Kesselrohrwand ist dabei beispielsweise aus parallelen miteinander über Rohrflossen verbundenen Rohre oder einzeln stehenden, teilweise rückseitig fixierten Rohren ausgebildet. 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. 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 im allgemeinen nur einige Ofenwände nämlich die Seitenwände und Decken mit Schutzelementen verkleidet.
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Es ist daher 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, insbesondere 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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In einer vorteilhaften Ausgestaltung 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 oder eingeklebt 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 Wm–1K–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 Ofenwandanordnungen nach dem Stand der Technik wurden an den Oberflächen der Innenseite der Schutzelemente Temperaturen bis zu größer als 1000°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 Seiten 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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Bei einzeln stehenden Rohren einer Ofenwandanordnung sind die Schutzelemente vorzugsweise als taillierte Platten ausgebildet, das heißt als Platten, die an zwei gegenüberliegenden Enden mit Ausnehmungen, insbesondere solche mit teilkreisförmigem Querschnitt ausgebildet sind, wobei die Ausnehmungen die Rohre der Ofenwand mit Abstand umgreifen. Die Kühlrippen sind vorzugsweise im Bereich dieser Ausnehmungen aufgenommen und durchgreifen den spaltförmigen Ringraum zwischen Ausnehmung und Rohr. Die Platten werden über- und nebeneinander zur Bildung der Ofenwandanordnung angeordnet und sind lose geführt, so dass eine Befestigung an der Ofenwand entfallen kann.
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Vorzugsweise durchgreifen diese Platten den Freiraum zwischen benachbarten Rohren und stehen beidseits der Rohrebene vor. Im Übrigen sind die Platten aus demselben Material aufgebaut, wie vorstehend beschrieben ist, was auch auf die Kühlrippen zutrifft.
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Schließlich ist auszuführen, dass das Material der Kühlrippen geeignet gewählt werden kann, wobei bevorzugt jedoch Graphit verwendet wird.
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Der Vorteil der beschriebenen Ausführungsform besteht in einer sehr guten Schutzfunktion. Ferner werden die Rohre mehr oder weniger insgesamt von den Kühlrippen umgeben. Auch die Montage ist denkbar einfach und gesonderte Befestigungsmittel gegenüber der Ofenwand sind entbehrlich.
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Die vorliegende Erfindung soll im Folgenden an Hand von Figuren rein schematisch näher erläutert werden, wobei,
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1 einen Querschnitt durch eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Wandanordnung,
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2 ein Schutzelement der Anordnung nach 1 in einer perspektivischen Ansicht auf seine Rückseite zeigt, sowie
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3 eine weitere Ausführungsform einer Ofenanordnung in Perspektive 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 angeordnet, insbesondere 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 insbesondere 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 Nuten 7 und der Aufhängausnehmung 11 zu erkennen sind.
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In die Nuten bzw. Fugen 7 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, was bevorzugt, aber nur exemplarisch ist. Die Kühlrippen bestehen in Ausführungsbeispielen bevorzugt aus dem expandierten Graphitwerkstoff „Ecophit L”.
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3 zeigt wiederum rein schematisch und in perspektivischer Darstellung einen Teil einer weiteren Ausführungsform einer Ofenwandanordnung nach der Erfindung. Hierbei sind gleiche Bauelemente mit denselben Bezugszeichen wie in den 1 und 2 bezeichnet. Dabei ist die Ofenwand durch beabstandete Rohre 12 gebildet, die sozusagen eine Kesselrohrwand aufspannen, wobei im Betrieb des Ofens durch die Rohre Kühlwasser geleitet wird, um Wärme abzuführen. Anstelle der Schutzelemente 3 nach der Ausführungsform in den 1 und 2 werden nunmehr Schutzelemente in Form von Taillensteinen 20 verwendet, die anders als bei der vorhergehenden Ausführungsform nicht mehr unmittelbar an der Ofenwand befestigt sind, sondern gegenüber bzw. an den Rohren 12 lose geführt sind. Diese Taillensteine 20 sind zur Bildung der Ofenwandanordnung über- und nebeneinander angeordnet, also in Art einer Ziegelwand.
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Wie 3 zeigt, sind die als Taillensteine ausgebildeten Schutzelemente 3 an zwei gegenüberliegenden Seiten, die den Rohren 12 zugewandt sind, mit Ausnehmungen 22 versehen, ähnlich dem ersten Ausführungsbeispiel, die hier bevorzugt halbkreisförmigen Querschnitt aufweisen. In diesen Ausnehmungen 22 sind analog dem ersten Ausführungsbeispiel auch die entsprechenden Kühlrippen 6 aufgenommen. Diese Kühlrippen stehen wiederum in Kontakt mit dem Rohr 12 und dem Taillenstein und sind ebenso ausgebildet, insbesondere materialmäßig entsprechend der ersten Ausführungsform ausgelegt, das heißt vorzugsweise aus hitzebeständigem Material, insbesondere expandiertem Graphit mit insbesondere elastischen Materialeigenschaften ausgebildet.
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Die Taillensteine sind plattenförmig ausgebildet und – wie weiter oben bereits ausgeführt wurde, sind entsprechend der Höhe der Ofenwandordnung entsprechend viele Steine übereinander stapelweise sowie auch nebeneinander angeordnet, so dass gegenüber der Ausbildung der Schutzelemente in den 1 und 2 die Schutzelemente auch den Freiraum zwischen den Rohren 12 durchgreifen und darüber hinaus ebenfalls beidseitig vorstehen und überdies im Verbund mit den nebeneinander angeordneten Taillensteinen 20 das Rohr 12 im wesentlichen vollumfänglich umschließen, so dass die Kühlrippen 6 sozusagen über den gesamten Umfang der Rohre 12 verteilt angeordnet sind. Dadurch erhöht sich der Wirkungsgrad bei dieser Ausführungsform. Die Taillensteine 20 sind materialmäßig entsprechend den im Zusammenhang mit der ersten Ausführungsform erläuterten Stützelementen 3 ausgebildet. Vorteil dieser Ausführungsform ist, dass die Platten nicht mehr einseitig an der Ofenwand befestigt werden müssen, vielmehr lose längs der Rohre 12 geführt und angeordnet sind.
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In einer bevorzugten, nicht zwingenden Ausgestaltung haben die Taillenplatten Abmessungen von 147 × 176 mm in Länge und Breite und eine Dicke von 100 mn. Der Rohrabstand kann 150 mm bei einem Rohrdurchmesser von 57 mm sein. Bei einem Rohrabstand von 225 mm und Rohrdurchmessern von 57 mm sind die Taillensteine bevorzugt mit 223 × 187 × 64 mm bemessen.
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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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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10204240 A1 [0003]
- DE 202004020448 U1 [0005]
