DE3321697A1

DE3321697A1 - Sauerstoff-schneidbrenner

Info

Publication number: DE3321697A1
Application number: DE3321697A
Authority: DE
Inventors: Nicholas Thomas Edw. Magill South Australia Dillon
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1982-06-15
Filing date: 1983-06-15
Publication date: 1983-12-15
Also published as: ZA834401B; FR2528341A1; SE8303434D0; IT8321629A0; KR890004944B1; DE3321697C2; NZ204545A; GB2121949B; SE453574B; GB2121949A; IT1169733B; KR840005034A; US4468007A; GB8316173D0; CA1216509A; BE897057A; AU1572183A; IT8321629A1; JPS597812A; SE8303434L

Description

3321637

NICHOLAS T.E. DILLON A 37 683

10 East Street
Magill / Australien

SAUERSTOFF-SCHNEIDBRENNER

Die Erfindung betrifft einen Brenner, der zum Sauerstoff-Sohneiden von Metall verwendbar ist. Ein Sauerstoff-Schneidbrenner dieser Art ist im Oberbegriff des Anspruchs 1 umrissen.

Bei dem üblichen Sauerstoff-Schneidbrenner, der heutzutage in der Industrie angewandt wird, ist eine Düse vorgesehen, die eine Mittelöffnung hat, durch die Sauerstoff geht. Die Mittelöffnung ist von einer ersten Reihe von Öffnungen umgeben, durch die ein brennbares Gemisch aus Sauerstoff und Acetylengas strömt. Diese öffnungen selbst sind ferner von

i einer weiteren Reihe von äußeren öffnungen umgeben, die noch-!

mais Sauerstoff enthalten können. Die Brenngase werden im Inneren des Brenners mit großer Turbulenz vermischt, um eine innige Vermischung zu gewährleisten und dieses turbulente Gas tritt in kleinen parallelen Strahlen aus. Dieses Gas wirkt mit einem turbulenten Sauerstoffstrom zusammen, der aus einem zentralen Sauerstoffstrahl innerhalb der Brenngas-

flamme austritt. Wenn übermäßig viel Sauerstoff vorhanden ist, wird das zu schneidende Metall verbrannt.

Wesentlich bei dieser Bauart des Schneidbrenners ist, daß ein sehr turbulentes Gas an der Schneidzone vorhanden ist. Hieraus resultiert eine grobe Schneidfläche und ferner wird auch hierdurch viel ursprüngliches Metall verbrannt. Dies ist aber sehr unerwünscht, da es häufig sehr wichtig ist, daß der Rand bzw. die Kante so glatt bzw. sauber wie möglich sein sollte.

In der AU-PS 460 066 der Anmelderin ist eine Schweißbrennerauslegung beschrieben, die eine Mischkammer hat, deren Mischkammerlänge wenigstens gleich dem Achtfachen ihres Durchmessers ist, wobei der Durchmesser wenigstens das Dreifache des Düsenöffnungsdurchmessers beträgt. Diese Auslegung hat sich als wirtschaftlich zweckmäßig insbesondere aus dem Grund erwiesen, daß die Flamme nicht turbulente Gase verbrennt, was dazu führt, daß man eine hohe Temperatur über einen kleinen Flächenbereich erhält. Hierdurch wurde es möglich, Metalle zu schweißen, die ansonsten nicht leicht schweißbar sind.

Die Erfindung zielt darauf ab, einen Sauerstoff-Schneidbrenner der gattungsgemäßen Art derart weiterzubilden, daß das Verbrennen des ursprünglichen Metalls bei einem Sauerstoff-Schneidbrenner reduziert wird und daß man den Vorteil der

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durch hohe Temperatur konzentrierten Wärme nutzt, die man durch das Verbrennen von nicht turbulenten Gasen erhält.

Erfindungsgemäß zeichnet sich ein Sauerstoff-Schneidbrenner durch die Merkmale des Anspruchs 1 aus.

Bei der Erfindung werden Sauerstoff und Acetylen in einer Mischkammer mit einer relativ großen Querschnittsfläche gemischt und dann durch einen länglichen Durchgang geleitet, in dem sich Fluß-Stromlinien bilden. Das Gemisch geht dann durch eine Vielzahl von länglichen Düsenöffnungen, die in einer Kreisform um eine Mittel-SauerstoffÖffnung in der Düse angeordnet sind. Die Düsenöffnungen konvergieren in einer stromabwärtigen Richtung derart, daß ihre Projektionen alle die Projektion der Mittel-SauerstoffÖffnung an einem einzigen Konvergenzpunkt schneiden.

Insbesondere weist nach der Erfindung ein Sauerstoff-Schneid brenner einen Körper, Sauerstoff- und Acetylen-Anschlüsse, die bezüglich des Körpers fest sind, und eine Düse an dem stromabwärtigen Ende des Körpers auf. Wandungen begrenzen im Inneren des Körpers einen länglichen Durchgang, durch den Sauerstoff und Acetylen gehen. Weitere Wandungen begrenzen einen Mitteldurchgang, durch den Sauerstoff im Arbeitszustand des Schneidbrenners geht. Dieser Mitteldurchgang mün det in eine mittig liegende Sauerstoff-Austrittsöffnung in

* mm?

der Düse. Der längliche Durchgang mündet in eine Vielzahl von länglichen Brenngas-Ausgabeöffnungen in der Düse. Diese Brenngas-Ausgabeöffnungen konvergieren in einer stromabwärtigen Richtung derart, daß die Projektionen der Mittelachsen alle die Projektion der Mittelachse der mittig angeordneten Sauerstoff-Austrittsöffnung an einem einzigen Konvergenzpunkt schneiden.

Bei der Anwendung einer derartigen Auslegung eines Sauerstoff-Schneidbrenners wird die Wärme zum Schneiden stärker als bei< einer turbulenten Flamme konzentriert. Beispielsweise wurde ein niedrig gekohlter Stahl bzw. Weichstahl von 500 mm und einer Stärke von 12 mm innerhalb eines Zeitraums von 1 Minute durchgeschnitten. Hierbei erhält man eine sehr saubere Schnittfläche und scharfe Kanten sowohl an der Oberseite als auch an der Unterseite der Platte. Das Brennen war so geringfügig, daß man die Schlacke leicht entfernen konnte. Die auf die Platte einwirkende Wärme war wesentlich geringer als bei üblichen Brennern. Auch war der Gasverbrauch beträchtlich geringer. Bei dem oben genannten Beispiel erfolgte der Schnitt mit 0,05 m³ (2 cubic feet) Acetylengas bei 14 kPa (2 psi) im Vergleich zu dem Gasverbrauch bei einem üblichen Schneidbrenner, der sich hierbei auf 0,28 m³ (10 cubic feet) bei 105 kPa (15 psi) belief. Der Sauerstoffverbrauch lag bei 0,50 m³ (18 cubic feet) mit 140 kPa (20 psi) im Vergleich zu der üblichen Schneidbrenner-

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auslegung, bei der man 2,26 m³ {80 cubic feet) Gas bei

280 kPa (40 psi) benötigte. Trotz einer hohen Schneidge- ^;

i schwindigkeit beläuft sich der Gasverbrauch auf weniger , als ein Viertel des Verbrauches bei einem Sauerstoff-Schneidbrenner mit einer turbulenten Flamme.

Ein weiterer Vorteil hat sich bei der zuvor beschriebenen Auslegung ergeben, der darin zu sehen ist, daß so viel weniger zum Schneiden dienender Sauerstoff in dem Brenngemisch vorhanden war, daß nach der einmaligen Einstellung einer neutralen Flamme die Zugabe von zu Schneidzwecken dienenden Sauerstoffs nur zu einer minimalen Differenz bei dem Gasgleichgewicht der Flamme führte. Hierdurch ergibt sich der zusätzliche Vorteil, daß das Metall gleichförmig erwärmt wird, ohne daß übergroße Mengen an Sauerstoff auf die Oberfläche einwirken. Das Kohlendioxid und der Wasserdampf, die bei der Verbrennung freigesetzt werden, bilden eine einhüllende Gasfläche, die vermutlich dafür verantwortlich ist, daß eine übermäßige Oxidation, abgesehen von der Schnittstelle selbst, verhindert wird.

j Weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den ^:

Unteransprüchen.

Die Erfindung wird anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung nachstehend näher erläutert. Darin zeigt: COPV

Figur 1 eine Mittelschnittansicht durch einen Brenner, und

Figur 2 eine Figur 1 ähnliche Ansicht, jedoch im Ausschnitt und in vergrößertem Maßstab, um die näheren Einzelheiten hinsichtlich der Formgebung besser verdeutlichen zu können.

Ein Sauerstoff-Schneidbrenner 10 weist einen äußeren Körper

11 auf, auf dessen stromabwärtiges Ende eine überwurfmutter

12 aufgeschraubt ist. Die Überwurfmutter 12 hält eine Schneiddüse 13 in festem Eingriffszustand mit dem Ende des Körpers 11. Das stromabwärtige Ende des Körpers 11 ist mit zwei Ringrippen 16, 17 versehen, die einen Abstand voneinander haben und eine Ringnut 18 begrenzen, in die eine Anzahl von öffnungen 19 mündet. Die öffnungen 19 sind stromaufwärtig im Durchmesser relativ große Bohrungen, die in Düsenöffnungen 20 mit relativ kleinem Durchmesser übergehen, aus de.nen die brennbaren Gasgemische austreten. Der Körper 11 ist auch ir-iit einer inneren -Ringnut versehen. Die innere Ringnut hat eine solche Form und solche Abmessungen, daß ihre Wandungen einen O-Ring 21 um die Außenfläche eines paralielwandigen Rohrs 22 drücken, das einen Mitteldurchgang begrenzt, der sich durch den Mittelteil des Körpers 11 erstreckt und bis in den Mittelteil der Düse 13 geht.

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Das Mittelrohr 22 ist an Ort und Stelle durch ein mit Außengewinde versehenes endseitiges Element 2 4 gehalten, das in Gewindeeingriff mit einem Innengewinde in dem Körper 11 ist, das ausgehend von dem stromaufwärtigen Ende des Körpers nach innen geht. Das stromaufwärtige Ende des Körpers liegt der Düse 13 gegenüber. Ein Distanzstück 25 stößt an das endseitige Element 24 an und ist mit einem Vorsprung 26 an seinem stromabwärtigen Ende versehen, das passend in eine komplementäre Ausnehmung in dem Körper 11 eingreift, um ein Rückströmen des Gases an den Gewindegängen vorbei zu verhindern. Obgleich in der Zeichnung nicht dargestellt, kann das Distanz i stück 25 in Gewindeeingriff mit dem Körper 11 sein. Es hat

eine das Distanzstück 25 durchsetzende Mittelöffnung 27, die einen größeren Durchmesser als das Mittelrohr 22 hat, um im Zusammenwirken mit demselben einen Ringraum zu begrenzen, der die Aufgabe hat, einen Strömungsdurchgang zu bilden und die brennbaren Gase zu vermischen. Das stromaufwärtige Ende des Distanzstückes 25 ist mit einer Senkbohrung 28 ausgehend von der Mittelöffnung 27 versehen. An dieser Stelle wird ein in Vorwärtsrichtung konisch ausgebildetes, hohles Zentrieransatzteil 29 des mit Gewinde versehenen endseitigen Elements 24 aufgenommen. Dieses Zentrieransatzteil 29 und die Wandungen des Senkbohrungsabschnitts 2 8 begrenzen zwischeneinander einen dazwischenliegenden Ringraum 30, dessen Querschnittsfläche in einer stromabwärtigen Richtung größer wird. Dieser nimmt teilweise längs seiner Länge über eine Vielzahl

von radial verlaufenden kleinen öffnungen 32 durch das ringförmige stromaufwärtige Ende des Distanzstücks 25 von dem Acetylen-EinlaBanschluß 33 auf.

Das Zentrieransatzteil 29 ist hohl und die Mittelöffnung durch das Zentrieransatzteil 29 hat ebenfalls einen größeren Durchmesser als das Mittelrohr 22, so daß sich ein innerer Ringraum 35 bildet, der zu dem Ringraum zwischen dem Rohr 22 und der Wandung der Öffnung 2 7 verläuft. An dem Distanzstück 25 ist ein im Durchmesser vermindertes Endstück 36 vorgesehen, das das Zentrieransatzteil 29 umgibt und einen dritten bzw. äußeren konzentrischen Ringraum 37 bildet, durch den Acetylen von dem Anschluß 33 zu den öffnungen 32 strömt.

Der Körper 11 ist mit einem nach außen verlaufenden Gewindeschiauchanschluß 40 versehen, an den ein Sauerstoffschlauch anschließbar ist und zwischen seinen Enden ist ein hexagonaler Abschnitt 41 vorgesehen, an den man einen Mutterschlüssel ansetzen kann. Innerhalb des hexagonalen Abschnitts ist ein mit Gewinde versehener Abschnitt 42 vorgesehen, der in Eingriff mit dem Gewindeende des Körpers 11 ist. Der mit Gewinde versehene Abschnitt wird teilweise längs seiner Längserstreckung durch eine Ringnut 43 unterbrochen, die öffnungen 44 hat, die radial nach innen zu dem inneren Ringraum 35 verlaufen. Der innere Ringraum 35 jedoch endet in einem koaxialen, mit Gewinde versehenen Schlauchanschluß 46, der einen zweiten

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Sauerstoffanschluß darstellt. Das stromaufwärtige Ende des Rohrs 22 ist dicht von diesem Anschluß getrennt.

Sauerstoff, der von dem Anschluß 40 über die radialen Öffnungen 44 in das endseitige Element 24 und in den inneren Ringraum 35 eingeleitet wird, strömt im allgemeinen in nicht: turbulenter Weise durch den inneren Ringraum 35 in Richtung zu der Düse 13. Acetylen wird in den Sauerstoffstrom, ausgehend von dem Anschluß 33 über den äußeren Ringraum 37 und die Öffnungen 32 durch den dazwischenliegenden Ringraum 30 an dem Ende des Zentrieransatzteiles 29 vorbei und in den stromabwärtigen Ringraum der Senkbohrung 28 in die Mittelöffnung 27 mitgenommen, die das Rohr 22 umgibt. An dem strom abwärtigen Ende des Rohrs 22 ist das Rohr durch den O-Ring 21 in dem Ringraum an dem düsenseitigen Ende des Körpers 11 dicht verschlossen. Die Öffnungen 48 verlaufen jedoch sowohl in Längsrichtung als auch in radialer Richtung nach außen und enden in der äußeren stromabwärtigen Ringnut 18 am Ende des Körpers 11. Diese sind in Gasströmungsverbindung mit den koaxialen Öffnungen 19 und 20, die die Sauerstoffaustrittsöffnung 50 umgeben und die in der Düse schräg verlaufen und derart aufeinander gerichtet sind, daß die Projektion dieser Öffnungen in einem Konvergenzpunkt C außerhalb der Düse ende Da jede dieser Öffnungen an ihrem stromaufwärtigen Ende eine Abschnitt mit einem relativ großen Durchmesser und an ihrem stror.abwärtigen Ende einen langen Abschnitt mit einem relati ■kleinen Durchmesser aufweist, wird ein nicht turbulenter Str'

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« W V ν *

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aus der Düse 13 ausgegeben. Die mittig liegende Sauerstoffaustrittsöffnung 50 der Düse 13 ist koaxial zu der Mittelachse des Rohrs und erstreckt sich von einer konischen endseitigen Wandung 51 in der Düse zu dem äußeren Ende der Düse. Der Konuswinkel der Wandung 51 liegt zwischen 150 und 170°. Es hat sich herausgestellt, daß dieser Konuswinkel nur einen sehr geringen Einfluß auf die im allgemeinen nicht turbulente Strömung des Sauerstoffs durch das mittlere Rohr hat. Das Rohr 22 und der längliche Durchgang, der zwischen demselben und den Wandungen der öffnung 27 gebildet wird, sind im Vergleich zu ihrer Querschnittsfläche beide derart lang bemessen, daß der Gasstrom darin stromlinienförmig ausgebildet wird, Die Düsenöffnungen 20 und die mittig liegende Sauerstoffaustrittsöffnung 50 sind aus demselben Grunde ebenfalls lang bemessen, wobei in jedem Fall die Länge größer als das Dreihundertfache des Durchmessers ist. Durch diese Auslegung wird gewährleistet, daß die ausgegebenen Gase nicht turbulent strömen (vorausgesetzt, daß der Druck niedrig ist).

Gesonderte Regelungen (nicht gezeigt) sind für den Flammensauerstoff, den Schneidsauerstoff und das Acetylen vorgesehen. Die Auslegung ist derart getroffen, daß eine neutrale Flamme zuerst durch entsprechende Abstimmung des Flammensauerstoffs und des Acetylens eingestellt werden kann und daß Sauerstoff mit nur sehr geringfügiger Beeinflussung des Gemisches der Flammenstrahlen eingeleitet werden kann. Hierdurch läßt sich

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auf einfache Weise erreichen, daß das die heißere Zone umgebende Gas ganz neutral ist, so daß die Oberfläche des zu schneidenden Metalls nicht übermäßig oxidiert wird.

Aufgrund der ausgezeichneten Verbrennungsbedingungen, die man bei diesem Brenner erhält, und aufgrund der relativ nicht turbulenten Strömung sowohl der Flammengase als auch des Schneidsauerstoffs ist es raölich, daß die Schneidsauerstoff-Auslaßöffnung im Durchmesser sehr klein bemessen ist (bei dieser Ausfuhrungsform beläuft sich der Durchmesser auf etwa 1,1 mm (0,050 inch)). Hierdurch erhält man eine hoch konzentrierte Wärme auf einem kleinen Durchmesserbereic für die Durchführung des Schneidvorganges.

COPV

NICHOLAS T.E. DILLON 10 East Street Magill / Australien

OOL I

A 37 683

SAUERSTOFF-SCHNEIDBRENNER

Bezugszeichenliste

10 Sauerstoff-Schneidbrenner

11 Körper

12 Überwurfmutter

13 Düse

16 Ringrippe

17 Ringrippe

18 Ringnut

19 öffnungen

20 längliche Düsenöffnungen

21 O-Ring

22 Rohr

24 endseitiges Element

25 Distanzstück

26 Vorsprung

27 Mittelöffnung

28 Senkbohrung-Abschnitt

29 hohles Zentrieransatzteil

30 Zwischen-Ringraum

32 Acetylenöffnungen

33 Acetyleneinlaßanschluß

35 innerer Ringraum

36 Endstück

37 äußerer konzentrischer Ringraum

40 Sauerstoffanschluß

41 hexagonaler Abschnitt

42 Gewindeabschnitt

43 Ringnut

44 öffnungen

46 zweiter Sauerstoffanschluß 48 öffnungen

50 Sauerstoff-Austrittsöffnung

51 konische endseitige Wandung

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Claims

NICHOLAS T.E. DILLON A 37 683

East Street
Magill / Australien

SAUERSTOFF-SCHNEIDBRENNER

Patentansprüche

J Sauerstoff-Schneidbrenner mit einem Körper, Sauerstoff- und Acetylen-Anschlüssen, die bezüglich des Körpers festgelegt sind, und mit einer Düse an dem stromabwärtigen Ende des Körpers, wobei Wandungen einen länglichen Durchgang in dem Körper begrenzen, durch den Sauerstoff und Acetylen gehen, und wobei weitere Wandungen einen Mitteldurchgang begrenzen, durch den Sauerstoff im Gebrauchszustand des Brenners geht, dadurch gekennze ichnet, daß der Mitteldurchgang in eine Mittel-Sauerstoffaustrittsöffnung (50) in der Düse (13) mündet, der längliche Durchgang (27) in eine Vielzahl von länglichen Brenngas-Austrittsöffnungen (20) in der Düse (13) mündet, und daß die Brenngas-Austrittsöffnungen (20) in einer stromabwärtigen Richtung derart konvergierend verlaufen, daß die Projektionen ihrer Mittelachsen alle die Projektion der Mittelachse der Mittel-Sauerstoffaustrittsöffnung (50) an einem einzigen

COf=V

Konvergenzpunkt (C) schneiden.
2. Sauerstoff-Schneidbrenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis von Querschnittsfläche zu Länge der Durchgänge und der Gasaustrittsöffnungen (22, 27, 20, 50) derart klein ist, daß das Gas in einer Fluß-Stromlinie aus den öffnungen austritt.
3. Sauerstoff-Schneidbrenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein endseitiges Element (24) an dem stromaufwärtigen Ende des Körpers (11) vorgesehen ist, ein solcher Sauerstoffanschluß (46) an dem endseitigen Element (24) vorhanden ist und daß der Mitteldurchgang der Durchgang eines Rohrs (22) ist, das sich von dem endseitigen Element (24) durch den Körper (11) zu der Düse (13) erstreckt.
4. Sauerstoff-Schneidbrenner nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Distanzstück (25) in dem Körper (11) zwischen dem endseitigen Element (24) und der Düse (13) vorgesehen ist, und daß der längliche Durchgang ein Ringraum zwischen der äußeren Fläche des Rohrs (22) und der Wandung einer Mittelöffnung (27) ist, die sich durch das Distanzstück (25) und teilweise sowohl

durch das endseitige Element (24) als auch durch den Körper (11) erstreckt und das Rohr (22) umgibt.
5. Sauerstoff-Schneidbrenner nach Anspruch 4, dadurch gekennze ichnet, daß die Anschlüsse einen zweiten Sauerstoff-Anschluß (40) und einen Acetylen-Anschluß (33) umfassen, die sich beide von dem Körper (11 weg erstrecken, und daß öffnungen (44, 32) jeweils in dem endseitigen Element (24) und dem Distanzstück (25) Teile j von Leitungsräumen zwischen den Anschlüssen und dem länglichen Ringdurchgang bilden.
6. Sauerstoff-Schneidbrenner mit einem Körper, einer Düse am stromabwärtigen Ende des Körpers, einem endseitigen Element an dem stromaufwartigen Ende des Körpers und mit einem Distanzstück, das an eine innere Wandung des endseitigen Elements anstößt und in dem Körper untergebracht ist, gekennzeichnet durch:

einen ersten Sauerstoffanschluß (46) an dem endseitigen Element (24) , der in Gasströmungsverbindung mit einem länglichen Rohr (22) ist, das sich durch den Körper (11) zu der Düse (13) erstreckt und einen Mitteldurchgang und eine Sauerstoff-Austrittsöffnung (50) begrenzt, die in der Düse koaxial zum Mitteldurchgang angeordnet ist und in Gasströmungsverbindung mit demselben steht,

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eine Mittelöffnung (27), die durch das Distanzstück (25), teilweise durch das endseitige Element (24) und teilweise durch den Körper (11) geht und einen länglichen Durchgang begrenzt, wobei öffnungen (24) durch das endseitige Element (24) den zweiten SauerStoffanschluß (23) in Gasströmungsverbindung mit dem länglichen Durchgang und Öffnungen (32) durch das Distanzstück (25) den Acetylen-Anschluß in Gasströmungsverbindung mit dem länglichen Durchgang bringen, und

eine Vielzahl von Düsenöffnungen (20) mit kleinem Durchmesser, die die Sauerstoff-Austrittsöffnung (50) umgeben und in eine Ringnut (18) zwischen der Düse (13) und dem Körper (11) münden, wobei weitere Öffnungen (48) den länglichen Durchgang (27) in eine Gasströmungsverbindung mit der Ringnut (18) bringen.
7. Sauerstoff-Schneidbrenner nach Anspruch 6, dadurch gekennze ichnet, daß die Düsenöffnungen (20) an ihren stromaufwärtigen Enden jeweils in stromaufwärtige öffnungen (i9).-mit relativ großem Durchmesser münden, die ihrerseits in Ringnuten (18) münden.