DE4132235C1 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Mantelstrahlheizrohr, ins­ besondere zur Beheizung von Ofenräumen von Industrie­ öfen, mit einem Mantelrohr und einem in diesem angeordneten Flammrohr, dem einenends ein Brenner zugeordnet ist, und das aus stumpf aneinander­ gereihten Rohrstücken zusammengesetzt ist sowie durchgehende Abgaskanäle aufweist, die in einen zwi­ schen dem Mantelrohr und dem Flammrohr ausgebildeten Ringkanal münden, wobei das Flammrohr durch zugeord­ nete Abstandsmittel bezüglich des Mantelrohres zen­ triert ist.

Es ist bekannt (GB-PS 7 16 579), bei Strahlheizrohren das Flammrohr aus mehreren hintereinander angeordneten hohlzylindrischen Keramikteilen zu­ sammenzusetzen, die formschlüssig ineinandergrei­ fen und miteinander verkittet sind. Solche Flamm­ rohre sind schwierig herzustellen und gegen die im Betrieb unvermeidlich auftretenden Durchbiegungen empfindlich. Bei einem aus der US-PS 24 78 732 be­ kannten Mantelstrahlheizrohr ist das keramische Flammrohr ebenfalls aus Rohrstücken oder Kreisring­ teilen zusammengesetzt, von denen das an die Mantel­ rohrstirnwand angrenzende Abschluß-Ringteil mit radialen Abgasdurchlässen und ebenso wie die anderen Kreisringteile an der Außenfläche mit radialen Ab­ standsrippen versehen ist. Diese Abstandsrippen bewirken die Zentrierung des Flammrohrs in dem Mantelrohr und sind zu diesem Zwecke radial außen an der Innenwand des Mantelrohres abgestützt. Die Kreisringteile sind im übrigen stumpf aneinander­ gereiht; sie sind durch eine auf das freie Ende der gegen die Mantelrohrstirnwand abgestützten Säule von Kreisringteilen einwirkende Feder stirn­ seitig dicht aneinanderliegend gegeneinander ver­ spannt. Bei diesem Flammrohr besteht die Gefahr einer örtlichen Überhitzung des Mantelrohrs im Be­ reiche der lediglich in der unmittelbaren Nähe der Mantelrohrstirnwand mündenden Abgaskanäle, während andererseits es schwierig ist, an den Trennfugen der nur elastisch gegeneinander gedrückten Kreis­ ringteile definierte Strömungsverhältnisse sicher­ zustellen und zu vermeiden, daß bei einer Durch­ biegung des Flammrohrs sich Trennfugen in unkon­ trollierter Weise öffnen und damit Anlaß zu ört­ lichen Überhitzungen in dem Mantelrohr geben.

Um die in Mantelstrahlrohren angeordneten Flamm­ rohre mit Rücksicht auf die betriebsmäßig auftretende Durchbiegung flexibel zu gestalten, ist es auch bekannt (DE-PS 15 51 762, DE-PS 23 14 118), die Flammrohre jeweils aus ganz oder teilweise aus kerami­ schen Werkstoffen bestehenden Segmenten zusammenzu­ setzen. In diese Segmente können durchgehende Abgas­ kanäle bildende Öffnungen oder Schlitze eingebracht sein; es ist aber auch bekannt, die Abgaskanäle an den achsparallelen Stoßstellen der Kreisringsegmente vorzusehen und diese derart zu gestalten, daß sie eine tangentiale Richtungskomponente aufweisen (DE-PS 23 14 118). Zur Verbindung der so gebildeten Rohr­ abschnitte miteinander können überlappende Muffen­ verbindungen (DE-PS 34 47 603) oder Bajonettverschlüsse verwendet werden.

Zur Erhöhung der Lebensdauer der Mantelstrahlrohre wie auch mit Rücksicht auf NO_x-mindernde Maßnahmen, ist ein hoher Umwälzgrad der den Ringkanal zwischen dem Flammrohr und dem Mantelrohr durchströmenden heißen Abgase erforderlich, wobei gleichzeitig eine definierte Wärmeabgabe des Strahlrohrs bei gleich­ mäßiger Temperaturverteilung über dessen wärmeab­ gebende Oberfläche zu gewährleisten ist. Bei den bekannten keramischen Strahlrohren, die mit Rück­ sicht auf die erforderliche Flexibilität aus einzel­ nen Rohrstücken oder Kreisringteilen bzw. -segmenten zusammengesetzt sind, sind entweder keine definierten Strömungsverhältnisse im Bereiche der Trennfugen zwischen aneinanderstoßenden Teilen gegeben, oder die verwendeten Verbindungsmittel der keramischen Teile engen den an sich schon knappen Strömungs­ querschnitt des Ringkanals ein, wobei sie obendrein häufig zusätzliches Material und aufwendige Her­ stellungsmethoden erforderlich machen.

Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, ein Mantelstrahlheizrohr zu schaffen, bei dem bei einfacher Formgestaltung des Flammrohrs und dessen Teile maximale Strömungsquerschnitte für die Abgasumwälzung gegeben sind und sich durch einfache Maß­ nahmen eine jeweils zweckentsprechende Strömungsführung der Gasumwälzung erzielen läßt.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist das eingangs genannte Mantelstrahlheizrohr erfindungsgemäß dadurch gekenn­ zeichnet, daß die aneinandergereihten Rohrstücke durch Klammern miteinander verbunden sind.

Diese Klammern gewährleisten zum einen eine exakte gegenseitige Zuordnung der Rohrstücke, die auch unter Betriebsbedingungen erhalten bleibt. Die Klammern sind durchweg außen an den Rohrstücken angebracht, wenn­ gleich für spezielle Ausführungsformen es auch denk­ bar wäre, innenliegende Klammern zu verwenden.

In jedem Falle können die Klammern als Abstandsmittel wirkend ausgebildet sein, womit sich eine optimale Anpassungsmöglichkeit an veränderliche Mantelrohr­ durchmesser bei unveränderten Flammrohrabmessungen bietet. Außerdem können zumindest zwei Rohrstücke unter Ausbildung eines als Abgaskanal wirkenden Schlitzes im axialen Abstand voneinander angeordnet sein. Durch entsprechende Bemessung der Weite dieser Schlitze und durch entsprechende Wahl deren Ver­ teilung über die Länge des Flammrohres eröffnet sich damit die Möglichkeit, mit sehr einfachen Mitteln eine genau vorherbestimmte Abgas-Strömungs­ führung durch definierte Schlitze herzustellen und Zonen verbesserten Wärmeübergangs vorzusehen.

Solche durch entsprechende Anordnungen der Ausbildung der Klammern bewußt gewählte Schlitze größerer Weite erlauben es somit, die Temperaturverteilung und die Umwälzströmung günstig zu beeinflussen. Die bei ge­ schlossenem Flammrohr am Flammrohrende im Bereiche der Strömungsumkehr in der Regel auftretenden Über­ temperaturbereiche lassen sich auf diese Weise weit­ gehend vermeiden.

Als zweckmäßig hat es sich auch herausgestellt, wenn die Wandung der Rohrstücke stirnseitig abgeschrägt ist, wobei die Abschrägungen benachbarter Rohrstücke etwa gleichgerichtet ausgebildet sein können. Es wurde nämlich gefunden, daß insbesondere bei abge­ schrägten Rohrenden keine Überhitzung im Bereiche des zur Flexibilität notwendigen kleinen Schlitzes (mit einer Weite im Bereiche eines mm) zwischen zwei benachbarten Rohrstücken auftreten, wobei dieser kleine Schlitz keinen Einfluß auf die Umwälzströmung hat.

Wenigstens ein Teil der Rohrstücke kann auf seiner Außenseite die wärmeabführende Fläche vergrößernde Vorsprünge tragen, die bspw. rippenartig ausgebildet sein können. Durch diese Vergrößerung der wärmeüber­ tragenden Fläche und die sich ergebende verstärkte Turbulenz der Abgasströmung kann der Wärmeübergang in bestimmten Bereichen verbessert werden.

In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Klammern nach Art von Laschen ausgebildet, die mittels formschlüssiger Halterungsmittel mit den Rohrstücken verbunden sind. Diese Halterungsmittel können bolzenartige Halterungselemente aufweisen, die in entsprechende Löcher in der Wandung der Rohrstücke und/oder der Laschen eingesteckt sind. Dabei hat es sich als günstig erwiesen, wenn die bolzenförmigen Halterungselemente jeweils einen verbreiterten Kopfteil aufweisen, wobei sie gleich­ zeitig zur Zentrierung des Flammrohres in dem Mantel­ rohr dienen können. So kann bspw. durch entsprechende Bemessung des Kopfteils auch eine Anpassung an den Innendurchmesser des jeweiligen Mantelrohres ge­ schehen.

Die Rohrstücke, die Klammern und deren Halterungs­ mittel können zumindest teilweise aus keramischem Material bestehen. Sie können in einfacher Form hergestellt werden, was auch dann gilt, wenn die Rohr­ stücke und/oder die Klammern und/oder deren Halterungs­ mittel aus einem hitzebeständigen Metall, bspw. in Ge­ stalt einer Sonderlegierung, hergestellt sind.

Schließlich können nicht nur die Rohrstücke des Flammrohres miteinandern, sondern auch das ganze Flammrohr selbst mit dem Brenner mittels der er­ wähnten Klammern verbunden sein.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel des Gegenstandes der Erfindung dargestellt. Es zeigen:

Fig. 1 ein Mantelstrahlheizrohr gemäß der Erfindung, in einer Seitenansicht, teilweise aufgeschnitten längs der Linie I-I der Fig. 3,

Fig. 2 einen Ausschnitt des Mantelstrahlheiz­ rohres nach Fig. 1, in einer entsprechen­ den Darstellung sowie in einem anderen Maßstab, und

Fig. 3 das Mantelstrahlheizrohr nach Fig. 2, ge­ schnitten längs der Linie III-III der Fig. 2, in einer Draufsicht.

Das in der Zeichnung dargestellte Mantelstrahl­ heizrohr dient insbesondere zur Beheizung von Ofenräumen in Industrieöfen. Es weist ein zylindrisches Mantelrohr 1 auf, das einenends stirnseitig bei 2 verschlossen ist und das im Bereiche seines anderen Endes abge­ dichtet in die bei 3 angedeutete Wandung einer nicht weiter dargestellten Ofenkammer eingesetzt ist. In dem Mantelrohr ist ein zylindrisches ko­ axiales Flammrohr 4 angeordnet, das mit der Innen­ wand des Mantelrohres 1 einen über die axiale Länge durchgehenden Ringkanal 5 begrenzt, der in einen Abgassammelraum 6 (Fig. 1) mündet, welcher im Be­ reiche eines das Mantelrohr 1 verschließenden Ver­ schlußstückes 7 angeordnet ist. Von dem Abgassammel­ raum 6 geht ein Abgasstutzen 8 ab, über den das bei der Verbrennung anfallende Abgas abgeführt wird.

Koaxial zu dem Flammrohr 4 ist in dem Mantelrohr 1 ein allgemein mit 9 bezeichneter Brenner angeordnet, der eine in das Flammrohr 4 ragende Brennkammer 10 aufweist, die mit einer bei 11 angedeuteten Brenner­ düse versehen ist, durch welche die Flamme in das Flammrohr 4 eintritt. An die Brennkammer 10 schließt sich ein Luftleitzylinder für die Verbrennungsluft an, die über einen Zuleitungsstutzen 13 in den Luftleit­ zylinder 12 eingeleitet wird. Die Brennstoffzufuhr schließlich erfolgt durch eine koaxiale, in die Brennkammer mündende Brennstofflanze 14, die mit einem Brennstoffzufuhrstutzen 15 verbunden ist.

Das zylindrische Flammrohr 4, das in einigem Abstand von der Mantelrohrstirnwand 2 mündet, ist aus einzelnen zylindrischen, vorzugsweise keramischen Rohrstücken 16 zusammengesetzt, die stumpf aneinandergereiht sind. Die Rohrstücke 16 haben gleiche Innen- und Außen­ durchmesser; ihre axiale Länge kann unterschiedlich sein. Im Bereiche ihrer Stirnflächen sind die Rohr­ stücke 16 jeweils mit einer Anfasung oder Abschrägung 17 bzw. 18 versehen, die ringsumlaufend ausgebildet und jeweils an einem Rohrstückende - bei 17 - außen­ liegend und an dem anderen Rohrstückende - bei 18 - innenliegend angeordnet sind. Jeweils benachbarte Abschrägungen 17, 18 sind - wie aus Fig. 2 zu ent­ nehmen - im wesentlichen gleichgerichtet.

Die koaxial aneinandergereihten Rohrstücke 16 sind durch Klammern 19 miteinander verbunden, die außen an den Rohrstücken 16 angebracht sind und in dem Ringkanal 5 liegen. Bei dem dargestellten Ausführungs­ beispiel sind pro Verbindungsstelle vier Klammern 19 vorgesehen, die gleichmäßig rings um den Umfang der miteinander verbundenen Rohrstücke 16 verteilt ange­ ordnet sind. Dies bedeutet natürlich keine Beschränkung; grundsätzlich können, abhängig von den Bedingungen des Einzelfalles, auch mehr oder weniger Klammern 19 vor­ gesehen werden.

Jede der Klammern 19 weist eine schmale, längliche, leistenartige Lasche verhältnismäßig geringer Dicke auf, die im Bereiche ihrer beiden Enden mit zwei durchgehenden Löchern 21 (Fig. 3) ausgebildet ist, durch welche Halterungsbolzen 22 ragen, die in ent­ sprechende Löcher 23 in der Wandung der Rohrstücke 16 eingesteckt sind. Fig. 3 zeigt, daß die Laschen 20 eben und parallelflankig begrenzt gestaltet sind, wie dies für größere Außendurchmesser der Rohr­ stücke 16 ausreichend ist. Insbesondere bei kleineren Außendurchmessern kann es aber auch zweckmäßig sein, die Laschen 20 nach Art von Ausschnitten aus einem Kreisringsegment gekrümmt herzustellen, um sie damit dem Außenumriß der Rohrstücke 16 anzupassen. Sie sind mit ihrer Längs­ erstreckung im wesentlichen parallel zu der Längs­ achse des Flammrohres 4 ausgerichtet, um einen möglichst geringen Strömungswiderstand für die den Ringkanal 5 durchströmenden Abgase zu bilden. Ihre Anordnung und Ausbildung kann aber auch derart getroffen sein, daß sie als Leiteinrichtungen für diese Abgasströmung wirken, etwa im Sinne der Er­ zeugung eines spiraligen Strömungsbildes.

Jeder der Bolzen 22 ist mit einem verbreiterten Kopfteil 24 ausgebildet, das auf der zugeordneten Lasche 20 außen aufliegt und dessen axiale Höhe derart gewählt ist, daß die Bolzen 22 unmittelbar als Abstandsmittel wirken, die das Flammrohr 4 in dem umgebenden Mantelrohr 1 zentrieren. Durch die Wahl von Bolzen 22 mit entsprechender Höhe des Kopfteils 24 kann auf diese Weise, bspw. bei unver­ ändertem Flammrohrdurchmesser, eine Anpassung an unterschiedliche Durchmesser des Mantelrohrs 1 erzielt werden. Da die Bolzen 22 mit den Laschen 20 und den Rohrstücken 16 einfach zusammengesteckt sind, wobei das Ganze im montierten Zustand durch das es umschließende Mantelrohr 1 unlösbar zusammen­ gehalten ist, ergeben sich sehr einfache Herstellungs- und Montageverhältnisse für das Flammrohr 4, dessen einzelne Rohrstücke 16 im Bedarfsfall auch einfach ausgetauscht werden können. Gleichzeitig gewähr­ leisten die Klammern 19 wegen ihrer starren formschlüssigen Befestigung an den miteinander zu verbindenden Rohrstücken 16 eine einwandfreie, genau lagerichtige gegenseitige Fixierung der mit­ einander verbundenen Rohrstücke 16.

Benachbarte Rohrstücke 16 können durch entsprechende Anordnung der für die Aufnahme der Bolzen 22 be­ stimmten Löcher 23 im wesentlichen unmittelbar aneinanderstoßend angeordnet sein, derart, daß die benachbarten Abschrägungen 17, 18 ineinander­ greifen und an der Trennstelle lediglich ein kleiner, zur Gewährleistung der erforderlichen Flexibilität des Flammrohres 4 erforderlicher Schlitz 25 (Fig. 1) verbleibt, dessen Weite etwa im Bereiche eines mm liegen kann. Dieser kleine Schlitz 25 hat insbesondere auch wegen der Abschrägungen 17, 18 keinen Einfluß auf die sich in dem Ringkanal 5 ausbildende Umwälzströmung; er gibt auch nicht zu örtlichen Überhitzungen des Mantelrohres 1 in seiner Nähe Anlaß.

Die Klammern 19 erlauben es aber auch, durch einfache Veränderung der Anordnung der Löcher 23 der Rohrstücke 16 zwischen benachbarten Rohrstücken bewußt einen größeren Schlitz 26 einzustellen, der eine genau de­ finierte Weite aufweist und als Abgaskanal wirkt. Durch entsprechende Anordnung und Bemessung dieser Schlitze 26, durch die bei 27 in Fig. 2 angedeutete Abgasströme nach außen treten, lassen sich die Temperaturverteilung über die Länge des Mantelrohrs 1 und die in dem Ringkanal 5 aufrecht erhaltene Abgas-Umwälzströmung günstig beeinflussen. Dazu tragen auch die den jeweiligen Schlitz 26 begrenzen­ den gleichgerichteten Abschrägungen 17, 18 bei, die entsprechend Fig. 2 so gerichtet sind, daß aus dem Inneren des Flammrohrs 4 austretenden Abgas­ ströme eine in Fig. 2 nach oben, d. h. in der durch Pfeile 28 angedeuteten Richtung der Umwälz­ strömung gerichtete Strömungskomponente erhalten.

Die Rohrstücke 16, Laschen 20 und/oder die Bolzen 22 können wegen ihrer einfachen Form aus Keramik und/oder hitze­ beständigen Sonderlegierungen hergestellt werden, d. h. aus Materialien, deren Formgestaltungsmöglich­ keiten wegen der Materialeigenschaften an sich be­ schränkt sind.

Die keramischen Rohrstücke 16, die z. B. aus SiC bestehen, können - wie aus Fig. 1 zu entnehmen - außen glattwandig ausgebildet sein. Es konnen an geeigneter Stelle des Flammrohres 4 aber auch Rohr­ stücke 16a (Fig. 1) eingesetzt sein, die an ihrem Außenumfang angeformte Vorsprünge, bspw. in Gestalt von parallelen Längsrippen 29, tragen, die durch Vergrößerung der wärmeübertragenden Fläche und durch eine verstärkte Turbulenz den Wärmeübergang mit den außen entlangströmenden Abgasen verbessern.

Das aus den Rohrstücken 16 in der beschriebenen Weise zusammengefügte flexible Flammrohr 4 ist mit dem Brenner 9 ebenfalls mittels Klammern 19 verbunden, deren Laschen 20 und Bolzen 22 aus Fig. 1 zu ersehen sind. Die Klammern 19 halten das endständige Rohr­ stück 16a in einem solchen axialen Abstand von der Brennerdüse 11, daß durch den verhältnismäßig großen, so freibleibenden Ringspalt 30 die durch Pfeile 31 angedeuteten, über den Ringkanal 5 um­ gewälzten Abgase in das Flammrohr 4 durch Injektor­ wirkung eingesaugt werden können.

Bei der beschriebenen Ausführungsform bilden, wie erläutert, die in ihrer axialen Höhe entsprechend gewählten Kopfteile 24 der Bolzen 23 die Abstands­ mittel, die das Flammrohr 4 in dem Mantelrohr 1 zentrieren. Grundsätzlich sind aber auch Ausführungs­ formen denkbar, bei denen die Laschen 20 solche Ab­ standselemente, bspw. in Gestalt angeformter Höcker oder Rippen, tragen, die die Zentrierungsaufgabe übernehmen.

Das Mantelrohr 1 kann im übrigen aus Stahl, aus Keramik (bspw. SiC) oder aus hitzebeständigen Sonderlegierungen (einschl. Sintermaterialien) bestehen.

Claims (16)

1. Mantelstrahlheizrohr, insbesondere zur Beheizung von Ofenräumen von Industrieöfen, mit einem Mantel­ rohr und einem in diesem angeordneten Flammrohr, dem einenends ein Brenner zugeordnet ist und das aus stumpf aneinandergereihten Rohr­ stücken zusammengesetzt ist sowie durchgehende Abgaskanäle aufweist, die in einen zwischen dem Mantelrohr und dem Flammrohr ausgebildeten Ring­ kanal münden, wobei das Flammrohr durch zugeordnete Abstandsmittel bezüglich des Mantelrohres zentriert ist, dadurch gekennzeichnet, daß die aneinanderge­ reihten Rohrstücke (16) durch Klammern (19) mit­ einander verbunden sind.

2. Mantelstrahlheizrohr nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Klammern (19) außen an den Rohrstücken (16) angebracht sind.

3. Mantelstrahlheizrohr nach Anspruch 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Klammern (19) als Abstandsmittel wirkend ausgebildet sind.

4. Mantelstrahlheizrohr nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest zwei Rohrstücke (16) unter Ausbildung eines als Abgaskanal wirkenden Schlitzes (26) in definiertem axialem Abstand voneinander angeordnet sind.

5. Mantelstrahlheizrohr nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandung der Rohrstücke (16) stirnseitig abgeschrägt (17, 18) ist.

6. Mantelstrahlheizrohr nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Abschrägungen (17, 18) benachbarter Rohrstücke (16) etwa gleichgerichtet ausgebildet sind.

7. Mantelstrahlheizrohr nach einem der vorhergehen­ den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Teil der Rohrstücke (16) auf seiner Außenseite die wärmeabführende Fläche vergrößernde Vorsprünge (29) trägt.

8. Mantelstrahlheizrohr nach Anspruch 7, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Vorsprünge (29) rippenartig ausgebildet sind.

9. Mantelstrahlheizrohr nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Klammern (19) nach Art von Laschen (20) ausgebildet sind, die mittels formschlüssiger Halterungsmittel (22) mit den Rohrstücken (16) verbunden sind.

10. Mantelstrahlheizrohr nach Anspruch 9, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Halterungsmittel (22) bolzenartige Halterungselemente aufweisen, die in entsprechen­ de Löcher (21; 23) in der Wandung der Rohrstücke (16) und/oder der Laschen (20) eingesteckt sind.

11. Mantelstrahlheizrohr nach Anspruch 10, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die bolzenartigen Halterungsele­ mente jeweils einen verbreiterten Kopfteil (24) aufweisen.

12. Mantelstrahlheizrohr nach Anspruch 3 und nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstandsmittel durch die Halterungsmittel (22) gebildet sind.

13. Mantelstrahlheizrohr nach den Ansprüchen 11 und 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstandsmittel je­ weils durch den Kopfteil (24) der Halterungsele­ mente (22) gebildet sind.

14. Mantelstrahlheizrohr nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Klammern (19) zumindest teilweise aus keramischem Material bestehen.

15. Mantelstrahlheizrohr nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Klammern zu­ mindest teilweise aus einem hitzebeständigen Metall bestehen.

16. Mantelstrahlheizrohr nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Flammrohr (4) mit dem Brenner (9) ebenfalls mittels Klammern (19) verbunden ist.