DE19505401C1 - Strahlrohr für Industrieöfen - Google Patents
Strahlrohr für IndustrieöfenInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein keramisches Strahlrohr, insbesondere für Industrieöfen,
das endseitig über eine Dichtungseinrichtung an einem Flanschteil abgedichtet
gehalten ist.
Für die indirekte Beheizung oder Kühlung von Indu
strieöfen werden häufig sogenannte Strahlrohre benutzt,
die durch Öffnungen in der Ofenwand eingebaut und dort
abgedichtet werden. Zur Wärmezufuhr dienen Brenner oder
Elektroheizungen, zur Wärmeabfuhr Kühlsysteme, die in das
Strahlrohr eingesetzt werden. Als Werkstoff für die
Strahlrohre wird vielfach hitzebeständiger Stahl verwen
det, in zunehmendem Maße aber auch Keramik, wegen der
höheren Temperaturgrenze.
Zur Befestigung und Abdichtung keramischer Strahlroh
re in der Ofenwand wird ein keramischer Flanschansatz am
Strahlrohr zwischen zwei metallischen Flanschen einge
klemmt, wovon einer gasdicht mit dem Ofengehäuse verbunden
ist. Bis zu Temperaturen von etwa 250°C sind elastische
Dichtungen verfügbar, die die unterschiedliche Ausdehnung
der Flansche aus Metall- und Keramik auffangen. Die An
preßkraft wird häufig durch Federelemente aufgebracht.
Bei Temperaturen über 250°C an den Flanschen müssen
Dichtungen aus relativ steifem Material, z. Bsp. Metall
ringe, eingesetzt werden. Sie erfordern definierte Ober
flächen am keramischen Flanschansatz, d. h. eine teure
Schleifoperation bei dessen Herstellung. Außerdem besteht
die Gefahr von Spannungsrissen in der Keramik, weil die
Anpreßkräfte bei steifen Dichtungen hoch sein müssen.
Bei der für Strahlrohre besonders geeigneten SIC-Keramik
mit einer Wärmeleitfähigkeit von über 50 W/mK
steigen die Temperaturen am Flansch in der Regel über
250°C, insbesondere dann, wenn an dieser Stelle heiße Gase
vom Brenner oder Kühlsystem vorbeiströmen.
Aus der DE 41 32 236 C1 ist ein Industriebrenner mit
einem keramischen Strahlrohr bekannt, bei dem das betref
fende Rohr mit einem keramischen Flanschansatz unter Zwi
schenlage eines Dichtungsringes an eine Innenschulter ei
nes rohrförmigen Gehäuseteiles angedrückt ist. Zur Fixie
rung und weiteren Abdichtung ist ein zweiter Dichtungsring
vorgesehen, der in einem von dem rohrförmigen Gehäuseteil
und dem keramischen Strahlrohr begrenzten Ringspalt ange
ordnet ist. Innerhalb des Brennerkopfes angeordnete Federn
drücken das keramische Strahlrohr mit seinem Flanschansatz
zur Abdichtung gegen den sich an der Innenschulter abstüt
zenden Dichtungsring.
Als Dichtungsringe werden bei Wärmebelastung von über
250°C Metallringe verwendet, die einen geschliffenen
Flanschansatz erfordern.
Daraus ergibt sich die Aufgabe, ein robustes Strahl
rohr für Industrieöfen, mit verbesserter und vereinfachter
Abdichtung zu schaffen.
Diese Aufgabe wird durch ein Strahlrohr mit den Merk
malen des Patentanspruchs 1 gelöst.
Das keramische Strahlrohr weist einen metallischen
Flanschteil auf, der problemlos mit einem an einer Ofen
wand vorgesehenen Flansch verschraubt werden kann. Die
zwischen dem Flanschteil und dem Strahlrohr angeordnete
metallische Hülse wirkt sowohl als Dichtungseinrichtung,
als auch als Halteeinrichtung in Bezug auf Axialkräfte.
Der auf das betreffende Ende des keramischen Strahlrohres
aufgeschrumpfte Abschnitt bildet mit dem Strahlrohr eine
im wesentlichen gasdichte Verbindung. Die Hülse ist dünn
wandig, d. h. sie weist eine wesentlich geringere Wanddicke
auf als das Strahlrohr. Das Strahlrohr, dessen Wanddicke
zwischen 4 und 10 mm liegt, ist demgegenüber steif. Die
Hülse paßt sich deshalb beim Aufschrumpfen der äußeren
Form des Strahlrohres an, so daß eine Schleifbearbeitung
des Strahlrohres entfallen kann. Kleinere Oberflächenunre
gelmäßigkeiten des Strahlrohres werden toleriert, denn die
Hülse paßt sich an diese an. Auch können
Durchmessertoleranzen oder Abweichungen von der Rundheit
des Strahlrohres bis zu einem gewissen Grad ausgeglichen
werden. Die beim Schrumpfen entstehenden Druckspannungen
verträgt die Keramik bei entsprechender Wanddicke gut.
Die Hülse schafft eine robuste Verbindung zu dem
Flanschteil. Die Verbindung ist außerdem bis zu einem ge
wissen Grade nachgiebig, so daß unterschiedliche thermi
sche Ausdehnungen des Strahlrohres und des Flanschteiles
nicht zu Spannungsrissen oder Undichtigkeiten führen. Ins
besondere wird das Strahlrohr bei allen auftretenden Tem
peraturdifferenzen von größeren Zugspannungen frei gehal
ten.
Die Hülse ist mit ihrem ersten und ihrem zweiten Ab
schnitt jeweils rohrförmig ausgebildet, wobei sich der
zweite Abschnitt ausgehend von dem ersten Abschnitt erwei
tert. Der zweite Abschnitt stellt mit seinem sich vergrö
ßernden Durchmesser ein Übergangsglied zu dem Flanschteil
mit größerem Innendurchmesser dar. Unterschiede der Aus
dehnungskoeffizienten des Strahlrohres und des Flanschtei
les werden von dem zweiten Abschnitt der Hülse besonders
gut ausgeglichen, wenn der zweite Abschnitt wenigstens
bereichsweise konisch ausgebildet ist.
Eine einfache Anordnung ergibt sich, wenn die Hülse
mit ihrem zweiten Abschnitt von dem Flanschteil abliegt.
Zur Verkürzung der Baulänge ist es auch möglich, den zwei
ten, mit dem Flanschteil verbundenen Abschnitt der Hülse
um den ersten, auf das Strahlrohr aufgeschrumpften Ab
schnitt der Hülse zu stülpen. Der zweite Abschnitt liegt
dann im wesentlichen konzentrisch zu dem ersten Abschnitt
der Hülse.
Für die meisten Anwendungsfälle ist es vorteilhaft,
wenn das Strahlrohr aus Siliziumkarbid-Keramik besteht.
Diese ist hochgradig wärmefest. Allerdings weist sie eine
relativ hohe Wärmeleitfähigkeit auf, so daß sich das in
der Hülse gefaßte Ende relativ stark erwärmt. Dieser Er
wärmung hält die Schrumpfverbindung zwischen der Hülse und
dem Strahlrohr jedoch ohne weiteres stand. Das üblicher
weise einen Durchmesser zwischen 50 und 250 mm aufweisende
Strahlrohr hat eine Wanddicke von 4 bis 7 mm. Demgegenüber
liegt die Wanddicke der Hülse bei weniger als 1 mm, so daß
diese im Vergleich zu dem Strahlrohr elastisch ausgebildet
ist und als Federelement wirkt.
Es ist vorteilhaft, wenn die Hülse einen Ausdehnungs
koeffizienten aufweist, der im betreffenden Temperaturbe
reich kleiner oder gleich dem der verwendeten Keramik ist.
In diesem Fall ist die Schrumpfverbindung bei allen Tempe
raturen gleich fest, bzw. nimmt in ihrer Festigkeit zu
höheren Temperaturen hin noch zu. Besonders vorteilhaft
sind Eisen-Nickel-Legierungen mit geringem Ausdehnungsko
effizienten.
Um die Gasdichtigkeit zwischen der Hülse und dem
Strahlrohr noch zu erhöhen, kann ein Dichtmittel zwischen
den zweiten Abschnitt und das Strahlrohr eingebracht wer
den. Dazu eignet sich insbesondere ein Dichtmittel für
erhöhte Temperaturen, wie Graphit, oder ein Lötmittel.
Die Hülse fixiert das Strahlrohr in axialer Richtung.
Zum Schutz vor Biegebeanspruchungen, die insbesondere bei
von der Vertikalen abweichender Anordnung des Strahlrohres
auftreten, kann zusätzlich ein Stützrohr vorgesehen sein,
das von dem mit der Hülse verschweißten bzw. anderweitig
verbundenen Flanschteil ausgeht und koaxial zu dem Stütz
rohr angeordnet ist. Dabei ist es vorteilhaft, wenn das
Stützrohr mit dem Strahlrohr einen Ringspalt begrenzt, so
daß ein gewisses radiales Spiel vorhanden ist. Dieses
Spiel verhindert das Einleiten von Spannungen in das
Strahlrohr, die zur Zerstörung desselben führen könnten.
Dabei ist es vorteilhaft, wenn sich der Ringspalt von der
Hülse weg verengt, so daß das Stützrohr einen im Bereich
seiner Mündung liegenden Anlagebereich für das Strahlrohr
aufweist. Damit wird ein auf das Strahlrohr einwirkendes
Biegemoment zwischen der Mündung des Stützrohres und der
Hülse abgeleitet. Als Hebelarm steht dann nahezu die ge
samte Länge des Stützrohres zur Verfügung, wodurch die
resultierenden, auf das Strahlrohr einwirkenden Kräfte er
träglich bleiben. Insbesondere sind sie kleiner als Reak
tionskräfte, die bei Einspannung des keramischen Strahl
rohres allein bei seiner Mündung auftreten.
Das Strahlrohr ist vorteilhaft zur Beheizung eines
Ofenraumes mit Schutzgasatmosphäre verwendbar. Es dient
mir seinem Flanschteil der Trennung zweier Gasräume, dem
Ofenraum und der Umgebung. Dazu ist das Strahlrohr mit
seinem Flanschteil mit einem Flansch verschraubt, der an
einer in einer entsprechenden Ofenwand vorgesehenen, von
dem Strahlrohr durchgriffenen Öffnung angeordnet ist.
In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Er
findung dargestellt. Es zeigen:
Fig. 1 einen Industrieofen, an dessen Ofenwand ein
mittels eines Industriebrenners beheiztes Strahlrohr abge
dichtet gehalten ist, in einer schematischen und aus
schnittsweisen Schnittdarstellung, und
Fig. 2 die Ofenwand mit dem Strahlrohr nach Fig. 1 in
einer vergrößerten, ausschnittsweisen und schematischen
Schnittdarstellung.
In Fig. 1 ist ein Industrieofen 1 dargestellt, dessen
Ofenraum 2 durch an seiner Ofenwand 3 in einer entspre
chenden Öffnung 5 vorgesehene Strahlrohre 7 indirekt be
heizt ist. Das Strahlrohr 7 durchgreift die in der Ofen
wand 3 vorgesehene Öffnung 5 und ist an einem an der Ofen
wand vorgesehenen Flansch 8 befestigt. Das an seinem in
den Ofenraum 2 ragenden Ende geschlossene Strahlrohr 7 ist
an seinem offenen Ende 9 mit einem Brenner 11 verbunden,
der Anschlüsse 13, 15 zur Zuführung von Brenngas und Luft,
sowie einen Anschluß 17 zur Ausleitung von Rauchgas auf
weist. Der Anschluß 17 steht mit einer ringförmigen Abgas
kammer 19 eines rohrförmigen Gehäuseteils 21 in
Verbindung, so daß ein von dem Strahlrohr 7 begrenzter Ab
gaskanal in die in dem Gehäuseteil 21 befindliche Abgas
kammer 19 mündet. Erwärmt wird das Strahlrohr 7 durch Ver
brennung des zugeführten Brenngases bei 22, wodurch heiße,
an dem Ende 9 aus dem Strahlrohr 7 austretende Abgase ent
stehen.
Zur Verbindung des Strahlrohres 7 mit der Ofenwand 3
bzw. dem Flansch 8 ist eine mit einem Flanschteil 23 ver
sehene dünnwandige Hülse 25 vorgesehen, die im einzelnen
aus Fig. 2 ersichtlich ist. Der Flanschteil 23 sitzt kon
zentrisch zu dem rotationssymmetrisch bezüglich einer
Längsmittelachse 27 ausgebildeten Strahlrohr 7. Der
Flanschteil 23 weist die Form einer Ringscheibe auf und
geht bei 29 in ein sich koaxial zu der Längsmittelachse 27
erstreckendes Stützrohr 30 über. Das Stützrohr 30 ist aus
gehend von dem Flanschteil 23 zunächst hohlzylindrisch mit
einem den Durchmesser des Strahlrohres 7 deutlich über
steigenden Durchmesser ausgebildet. Es verläuft von dem
Ende 9 des Strahlrohres 7 weg, und geht dann über einen
konischen Abschnitt 32 in einen engeren hohlzylindrischen
Abschnitt 33 über, der mit dem Strahlrohr einen engen
Ringspalt 35 begrenzt. Während das aus Keramik bestehende
Strahlrohr 7 einen Durchmesser von 50 bis 250 mm und eine
Wanddicke von 3 bis 10 mm, meist 4 bis 7 mm, aufweist,
weist das aus einem Metall wie bspw. Stahl hergestellte
Stützrohr 30 eine vergleichbare Wanddicke, dabei jedoch
einen um einige Millimeter größeren Durchmesser auf.
Die zur Verbindung des Strahlrohres 7 mit dem
Flanschteil 23 vorgesehene Hülse 25 hingegen weist durch
gehend eine Wanddicke auf, die kleiner als 1 mm ist. Das
Verhältnis der Wanddicke der Hülse 25 zu der des Strahl
rohres 7 liegt bei 1/10. Deshalb ist die Hülse 25 in Bezug
auf das dickwandige, steife Strahlrohr 7 elastisch. Zur
Verbindung mit dem Strahlrohr 7 ist die Hülse 25 mit einem
ersten, hohlzylindrisch ausgebildeten Abschnitt 40 verse
hen, der auf das Strahlrohr 7 aufgeschrumpft ist. Dies
bedeutet, daß der Innendurchmesser des Abschnittes 40 ge
ringer ist, als der Außendurchmesser des Strahlrohres 7.
An seiner dem Ende 9 des Strahlrohres 7 zugewandten Seite
geht der Abschnitt 40 der Hülse 25 in einen konischen Ab
schnitt 42 über, an den ein hohlzylindrischer Abschnitt 44
und ein weiterer konischer Abschnitt 46 anschließen. Die
Hülse 25 ist an ihrem Abschnitt 46 mit dem Flanschteil 23
bei einer Schweißnaht 48 verschweißt. Diese führt entlang
des gesamten inneren Umfanges der von dem Flanschteil 23
begrenzten Öffnung, so daß die Hülse 25 das Strahlrohr 7
gasdicht gegen den Flanschteil 23 abdichtet.
Der Flanschteil 23 weist in unmittelbarer Nachbar
schaft der Schweißnaht 46 eine axiale Ringnut 47 auf, die
das Anschweißen der Hülse 25 an den Flanschteil 23 er
leichtert.
Die im Vergleich zu dem Strahlrohr federnd ausgebil
dete Hülse 25 besteht aus einer Nickel-Eisen-Legierung,
deren Temperaturausdehnungskoeffizient gleich oder kleiner
ist als der Temperaturausdehnungskoeffizient des Strahl
rohres 7. Dadurch bleibt die gasdichte durch Aufschrumpfen
hergestellte Verbindung zwischen dem Abschnitt 40 der Hül
se 25 und dem Strahlrohr 7 auch bei einer Erwärmung des
Endes 9 des Strahlrohres 7 auf Temperaturen erhalten, die
größer als 300 °C sind. Unabhängig von der Temperatur des
Strahlrohres 7 übt der elastisch gedehnte Abschnitt 40 der
Hülse 25 eine radial nach innen gerichtete Druckkraft auf
das Strahlrohr 7 aus, die von diesem ohne weiteres aufge
nommen wird.
Zur Verbesserung der Abdichtung zwischen dem Ab
schnitt 40 der Hülse 25 und dem Strahlrohr 7 kann, insbe
sondere wenn dieses eine rauhere Oberfläche aufweist, ein
zusätzliches Dichtmittel zwischen dem Abschnitt 40 und dem
Strahlrohr 7 vorgesehen werden. Als Dichtmittel dient Gra
phitpulver oder ein Lötmittel.
Der Flanschteil 23 ist zwischen dem ortsfest mit der
Ofenwand 3 verbundenen Flansch 8 und einem an dem Gehäu
seteil 21 vorgesehenen Flansch 52 gehalten. Zur Verbindung
des Flanschteiles 23 mit den Flanschen 8, 52 dienen in
Fig. 2 lediglich schematisch angedeutete Schrauben 55.
Die Abdichtung des Strahlrohres 7 gegen den Ofenraum
6 wird durch die Hülse 25 auf einfache Weise erbracht,
ohne daß das Strahlrohr 7 besonderer Feinbearbeitung be
dürfte, und ohne daß dieses bruchgefährdet wäre. Die Ab
dichtung ist zuverlässig und sicher, so daß bei keiner
Betriebstemperatur Abgase oder Gase der Ofenatmosphäre
nach außen dringen können. Unterschiede der temperaturab
hängigen Ausdehnungen zwischen dem ringförmigen Flansch
teil 23 und dem Strahlrohr 7 werden von der Hülse 7 ausge
glichen. Diese nicht starre Einspannung bietet einen guten
Schutz gegen Spannungsrisse des Strahlrohres 7. Das
Flanschteil 23 besteht aus Metall, bspw. Stahl, und läßt
sich unter Zwischenlage temperaturfester Dichtungen 56, 57
problemlos gegen die benachbarten, ebenfalls aus Metall
bestehenden Flansche 56, 57 abdichten.
Während die Hülse 25 das Strahlrohr 7 in axialer und
radialer Richtung hält, dient das Stützrohr 30 mit seinem
hohlzylindrischen Abschnitt 33 der Aufnahme von Biegemo
menten. Aufgrund der Bemessung des Abschnittes 33 derart,
daß dieser bei jeder Temperatur, für die das Strahlrohr 7
vorgesehen ist, das Strahlrohr 7 mit Spiel hält, erzeugt
der Abschnitt 33 keine thermischen Spannungen für das
Strahlrohr 7.
Claims (10)
1. Keramisches Strahlrohr (7), insbesondere für Industrieöfen,
das endseitig über eine Dichtungseinrichtung an einem
Flanschteil abgedichtet gehalten ist, dadurch gekennzeich
net, daß die Dichtungseinrichtung eine dünnwandige metal
lische Hülse (25) ist, die einen ersten, auf das kerami
sche Strahlrohr (7) aufgeschrumpften Abschnitt (40) auf
weist, der über einen zweiten Abschnitt (42, 44, 46) mit
dem Flanschteil (23) größeren Durchmessers abgedichtet
verbunden ist.
2. Keramisches Stahlrohr nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich
net, daß der zweite Abschnitt (42, 44, 46) wenigstens be
reichsweise konisch ausgebildet ist.
3. Keramisches Strahlrohr nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich
net, daß die Hülse (25) mit dem Flanschteil (23) ver
schweißt ist.
4. Keramisches Stahlrohr nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich
net, daß die Hülse (25) derart auf das Strahlrohr (7) auf
geschrumpft ist, daß der erste Abschnitt (40) von dem
Flanschteil (23) abliegt.
5. Keramisches Stahlrohr nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich
net, daß das Strahlrohr (7) aus einer Siliziumkarbid-Kera
mik besteht.
6. Keramisches Stahlrohr nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich
net, daß die Hülse (25) eine Wanddicke aufweist, die klei
ner als 1 mm ist.
7. Keramisches Stahlrohr nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich
net, daß die Hülse (25) einen Ausdehnungskoeffizienten
aufweist, der wenigstens in dem Temperaturintervall von
Umgebungstemperatur bis zur Betriebstemperatur kleiner
oder gleich dem Ausdehnungskoeffizienten der verwendeten
Keramik ist.
8. Keramisches Stahlrohr nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich
net, daß zwischen dem ersten Abschnitt (40) und dem
Strahlrohr (7) ein Dichtmittel eingebracht ist.
9. Keramisches Stahlrohr nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich
net, daß die Hülse (25) mit einem Stützrohr (30) verbunden
ist, das mit dem Flanschteil (23) verbunden ist und das
sich von der Hülse (25) weg das Strahlrohr (7) umgebend
erstreckt.
10. Keramisches Stahlrohr nach einem der vorhergehenden Ansprü
che, dadurch gekennzeichnet, daß das Strahlrohr (7) zur
Beheizung eines Ofenraumes (6) des Industrieofens (1) ver
wendet und mit einem Brenner (11) beheizt wird, wobei das
Strahlrohr (7) mit seinem Flanschteil (23) mit einem
Flansch (8) verschraubt ist, der an einer in einer ent
sprechenden Ofenwand (3) vorgesehenen, von dem Strahlrohr
(7) durchgriffenen Öffnung (5) angeordnet ist.
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