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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum indirekten Heizen
durch Strahlung von durchlaufenden Produkten durch Verbrennung von
gasförmigen
oder flüssigen
Brennstoffen fossilen Ursprungs.
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Die
vorliegende Erfindung ist spezieller für Öfen für die Wärmebehandlung bestimmt, in
denen die Produkte (wie insbesondere Stangen, Rohre, Bänder, Einzelstücke) im
Durchlauf aufgeheizt werden, in einer Umgebung, die vorzugsweise
von bestimmten gasförmigen
Komponenten frei sein muss, die bei der Verbrennung entstehen. Die
Erfindung kann insbesondere für
die Beheizung von Stahlbändern
verwendet werden, die in Öfen
für die
Wärmebehandlung
durchlaufen, welche mit fossilem Brennstoff beheizt werden und in
denen die Bänder
unter Schutzatmosphäre
gehalten werden.
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Beim
aktuellen Stand der Technik wird die indirekte Beheizung mit fossilen
Brennstoffen von durchlaufenden Produkten in einer Schutzatmosphäre im Allgemeinen
mithilfe von Strahlrohren verwirklicht. In der 1 der
beigefügten
Zeichnungen wurde in schematischer Weise im Schnitt durch eine vertikale
Ebene ein Ausführungsbeispiel
von Strahlrohren dargestellt, die als „Handschuhfinger" bezeichnet werden
und die in Anlagen mit geringer Wärmekapazität benutzt werden. Das zylindrisch
geformte Rohr wird zwischen den Wänden des Ofens mit einer Breite
L angeordnet. Im inneren Hohlraum des Rohres ist ein konzentrisches
Brennrohr montiert, in dessen Innenraum ein Brenner eingesetzt ist
und stromauf dessen ein Wärmetauscher
angeordnet ist. Die Brennstoffeinspritzung erfolgt in Richtung des
Pfeils G, die Einspritzung des Sauerstoffträgers in Richtung des Pfeils
A, und die Rauchgase werden in Richtung des Pfeils F abgeführt.
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Dieses
Ausführungsbeispiel
von Strahlrohren zeichnet sich durch ein kleines Volumen aus, in
dem sich die Verbrennung abspielt, was den Nachteil der Bildung
von Stickoxiden (NOx) in großer Menge
und einer beträchtlichen
thermischen Belastung des Brennrohrs wegen der bedeutenden Änderung
der Temperatur über dessen
Länge hat.
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In
Industrieanlagen, die die Anwendung von bedeutenden Heizleistungen
erfordern, kann diese Lösung
nicht aufgegriffen werden angesichts dessen, dass die benötigte Anzahl
von Handschuhfinger-Strahlrohren und ihrer zugeordneten Brenner
sehr hoch und ihre Kosten übermäßig wären.
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Dies
ist der Grund, aus dem für
Anlagen mit hoher Kapazität
Strahlrohre mit mehrfachen (2 bis 4) Strängen verwendet werden. In der 2 der
beigefügten
Zeichnungen ist in schematischer Weise ein Ausführungsbeispiel eines Strahlrohrs
mit vier Strängen
dargestellt, das auch als „W-Rohr" bezeichnet wird,
wobei dieses Rohr mit kreisförmigem
Querschnitt zwischen den Wänden
des Ofens mit der Breite L angeordnet ist. Die Brennstoffeinspritzung
erfolgt in Richtung des Pfeils G, die Einspritzung des Sauerstoffträgers entlang
dem Pfeil A, und die Rauchgase werden in Richtung des Pfeils F abgeführt.
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Der
Brenner ist in dem Strahlrohr in dessen Eingangsstrang angeordnet,
und der Wärmetauscher
oder Wärme-Rückgewinner
ist in dem Strang des Austritts der Verbrennungsprodukte angeordnet.
Die Verbrennung läuft
in einem größeren Querschnitt
und Volumen ab als im Fall eines Handschuhfinger-Strahlrohrs wie
in 1 gezeigt, und das Fehlen des inneren Brennrohres
macht die Vorrichtung weniger aufwändig bei gleicher globaler
thermischer Leistung. Allerdings bringen die große Länge eines solchen Strahlrohrs
und die unvermeidlichen Temperaturdifferenzen zwischen den verschiedenen
Strängen
eine Tendenz zu Verformungen mit sich, die durch die thermischen
Spannungen und die Mittel zum Abstützen der Zwischenstränge hervorgerufen werden.
Die Stützsysteme
solcher Strahlrohre sind aufwändig
auszuführen,
und in dieser Hinsicht kann man sich auf EP-A-0 383 687 beziehen,
die ein Ausführungsbeispiel
für solche
Stützmittel
beschreibt.
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Die
Differenzen der Oberflächentemperaturen
des Rohrs über
seine gesamte Länge
bringen generell Differenzen der Beheizung über die Breite des zu beheizenden
Produktes, insbesondere eines Bandes, mit sich, insbesondere zwischen
seiner (Längs-)Mitte
und seinen Kanten, was Probleme bei der Einstellung der Spannung über die
Breite eines solchen Bandes bereiten kann.
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Im
speziellen Fall eines Ofen für
die vertikale Behandlung eines Bandes, wie in 3 gezeigt,
in dem die Rohre zwischen den Strängen des Bandes platziert sind,
haben diese Strahlrohre nach dem früheren Stand der Technik noch
einen weiteren Nachteil, nämlich
den Faktor einer für
die Strahlungs-Beheizung nicht optimalen Form, der durch das Vorhandensein
von Freiräumen
zwischen den verschiedenen Rohren oder zwischen den verschiedenen
Strängen
desselben Rohres verursacht wird.
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Die
vorliegende Erfindung setzt sich zum Ziel, eine Vorrichtung zum
indirekten Heizen durch Strahlung zu schaffen, die nicht die Nachteile
der hiervor überprüften Lösungen nach
dem früheren
Stand der Technik hat. Diese Vorrichtung wurde so konzipiert, dass
sie zugleich die verschiedenen hiernach genannten technischen Probleme
löst:
- – Reduzierung
der Stickoxid-Emissionen;
- – Verbesserung
der Gleichmäßigkeit
der Temperatur der zu den zu beheizenden Produkten abstrahlenden Oberfläche;
- – Erhalt
eines optimalen Form-Faktors für
die Strahlungsheizung auf die zu beheizenden Produkte.
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Folglich
betrifft diese Erfindung eine Vorrichtung zum indirekten Beheizen
von durchlaufenden Produkten, wie insbesondere Stangen, Rohren,
Bändern,
Stücken,
die unter einer Schutzatmosphäre
gehalten werden, durch von der Verbrennung gasförmiger oder flüssiger fossiler
Brennstoffe ausgehende Strahlung, dadurch ge kennzeichnet, dass sie
in Form eines strahlenden Brennkastens ausgeführt wird, der eine im wesentlichen
parallelepipedische Form aufweist, mit einer strahlenden durchgehenden
Oberfläche,
deren Querschnitt quer zur Achse des besagten Brennkastens durch
eine durchgehende Linie begrenzt wird, die ein Rechteck mit einem
Höhen-Breiten-Verhältnis größer als
1,5 umschreibt, wobei der besagte strahlende Brennkasten einen Verbrennungstunnel
mit einem im Innenraum des besagten Brennkastens angeordneten Brenner
umfasst, und dass der Brenner mindestens zwei Injektoren für Brennstoff
fossilen Ursprungs umfasst, die parallel zur Ebene der Hauptseite
des Brennkastens derart angeordnet sind, dass eine Ausbreitung der
Flamme parallel zu besagter Seite erreicht wird, wodurch eine homogene
Verteilung der Flammentemperatur parallel zu besagter Ebene hergestellt
wird.
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Nach
anderen Ausführungsformen
der Erfindung kann der besagte Brennkasten so konzipiert werden, dass
er nach dem Prinzip von so genannten Handschuhfinger-Strahlrohren und
von U-, W- oder E-Strahlrohren arbeitet.
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Gemäß der Erfindung
kann die Vorrichtung mit einem Wärmetauscher
auf mindestens zwei Seiten des Brennkastens ausgestattet werden
und auf einem Teil der Länge
dieser Seiten, wobei dieser Wärmetauscher vom
Rohr- oder Flügeltyp
sein kann und zum Vorheizen des Brennstoffs oder des Sauerstoffträgers verwendet werden
kann.
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Andere
Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden sich aus
der hiernach gegebenen Beschreibung unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen
ergeben, die verschiedene Ausführungsbeispiele davon
ohne einschränkenden
Charakter darstellen.
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In
den Zeichnungen:
- – ist die 4 eine
schematische perspektivische Ansicht, die ein erstes Ausführungsbeispiel
der Vorrichtung gemäß der Erfindung
zeigt;
- – ist
die 5 eine schematische und perspektivische Teilansicht,
die eine Ausführungsvariante
der in 4 gezeigten Vorrichtung zeigt;
- – zeigen
die 6 und 7 in axialem vertikalem Schnitt
zwei Varianten der Vorrichtung gemäß der Erfindung;
- – sind
die 8 und 9 ähnliche Ansichten wie 6 und 7 und
zeigen zwei weitere Ausführungsvarianten
der Vorrichtung gemäß der Erfindung:
die Variante gemäß 8 wendet
ein Funktionsprinzip an, das demjenigen der W-Strahlrohre nach dem früheren Stand
der Technik entspricht, und die Variante gemäß 9 wendet
ein Funktionsprinzip an, das demjenigen der E-Strahlrohre nach dem früheren Stand der
Technik entspricht, und
- – die 10 ist
eine perspektivische Teilschnitt-Ansicht, die ein weiteres Ausführungsbeispiel
der Erfindung zeigt.
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Zunächst bezieht
man sich auf 4, die ein erstes Ausführungsbeispiel
der Vorrichtung gemäß der Erfindung
darstellt. Man sieht, dass diese Vorrichtung in Form eines Brennkastens
ausgeführt
ist, der insgesamt durch das Bezugszeichen 1 bezeichnet
ist und der so ausgelegt ist, dass er die Hitze durch Strahlung
zu den zu beheizenden Produkten überträgt. Der
umlaufende äußere Umfang
dieses Brennkastens 1 passt sich in ein Rechteck ein, das
ein Höhen-Breiten-Verhältnis von
mehr als 1,5 hat, und im Inneren dieses besagten Brennkastens ist
ein Verbrennungstunnel 2 angeordnet, in dem ein Brenner 3 für fossile
Brennstoffe angeordnet ist. In diesem nicht einschränkenden
Ausführungsbeispiel
hat der Querschnitt des Verbrennungstunnels 2 eine einem
Rechteck angenäherte
Form.
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Der
Brenner dieses Ausführungsbeispiels
arbeitet mit einem gasförmigen
Brennstoff, der durch eine Zufuhr 4 eingespeist wird, die
ihrerseits einen Verteiler 5 speist, der in einer Mehrzahl
von Gasinjektoren oder -düsen 6 mündet. Diese
Düsen sind
parallel zur Ebene der Hauptfläche
des Kastens angeordnet, um eine Ausbreitung der Flamme parallel
zu der besagten Fläche
zu erreichen und eine homogene Verteilung der Temperatur der besagten
Flamme parallel zu besagter Ebene zu erzeugen.
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Die
Verbrennungsluft wird dem Brenner mithilfe eines Luftverteilers 7 zugeführt. Wohlgemerkt
ist der Brenner mit Elementen zum Einsehen des Inneren des Verbrennungstunnels 2 ausgestattet
und mit Mitteln zum Zünden
und Regeln der Flamme, die in klassischer Weise ausgeführt und
deshalb in der Zeichnung nicht dargestellt sind.
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Die
Gesamtheit der aus den verschiedenen Düsen austretenden Flammen entwickelt
sich im Inneren des Verbrennungstunnels 2 in einer Ebene
parallel zur Hauptfläche
des Kastens 1, und die Verbrennungsprodukte strömen zum
Auslass zwischen dem Verbrennungstunnel 2 und dem Kasten 2 entlang
den Pfeilen B. In diesem Ausführungsbeispiel
hat man einen Wärmetauscher
vorgesehen, der zwischen dem Brennkasten und dem Verbrennungstunnel
angeordnet ist, im Wesentlichen in Höhe des Einbauortes des Brenners 3.
Dieser Wärmetauscher
wird hier von zwei Sammlern 9 gebildet, die durch Rohrbündel 10 miteinander
verbunden sind, welche den Verbrennungstunnel umgeben, und von Kollektoren 11a und 11b jeweils
zum Zuführen
kalter Luft und zum Aufnehmen der heißen Luft. Die kalte Luft wird
also durch den Kollektor 11a entlang dem Pfeil A zugeführt, wird
durch die Verbrennungsprodukte im Wärmetauscher 9, 10 erhitzt,
und die so erzeugte heiße
Luft wird in dem zweiten Kollektor 11b gesammelt, um in
den Raum stromauf des Luftverteilers 7 geleitet zu werden,
so dass sie die Verbrennungsluft erwärmt. Die Verbrennungsgase werden,
nachdem sie den Wärmetauscher
durchströmt
haben, durch einen Auslass 12 (Pfeil F) zu einem nicht
dargestellten Auslasssystem abgeführt.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung sieht man Mittel vor, die es erlauben, eine Rückführung eines
Teiles der Rauchgase in den Brennstoff oder den Sauerstoffträger sicherzustellen,
um die Flamme auszubreiten und noch mehr deren Homogenität zu verbessern
und/ oder die Emission von Schadstoffen wie z. B. Stickoxide zu
vermindern. Es ist so, dass in der durch die 5 dargestellten
Variante die Abfuhr 12 der Verbrennungsgase mit einem Abzweig 13 ausgestattet
ist, der an einen Ejektor 14 angeschlossen ist, der auf
dem Einlass des gasförmigen
Brennstoffs montiert ist, derart, dass er eine Vermischung des Brenngases
mit den Produkten der Verbrennung sicherstellt, um eine zusätzliche
Reduzierung der bei der Verbrennung produzierten Stickoxide zu erhalten.
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Man
kann wohlgemerkt zahlreiche Ausführungsvarianten
für den
Brennkasten vorsehen, ohne insoweit die grundsätzlichen Merkmale der Erfindung
zu verändern.
So kann dieser Brennkasten abgerundete obere und untere Wände aufweisen,
die Seitenwände
können
mit sinus-, trapez- oder anderen Formen gewellt sein, um deren Oberfläche, die
auf das zu beheizende Produkt abstrahlen und den Konvektions-Wärmetausch zu vergrößern. Der
Boden dieses Brennkastens kann flach oder gewölbt sein, wobei die Krümmung der
Wölbung
konkav oder konvex sein kann.
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Der
Brenner 3 kann mit Injektoren für flüssige Brennstoffe ausgestattet
sein, die mit jedem beliebigen mechanischen oder pneumatischen Mittel
zerstäubt
werden. Der Verteiler 7 für die Verbrennungsluft kann Öffnungen
oder Düsen
zum Durchführen
von Luft umfassen, die konzentrisch zu den Brennstoff-Injektoren
sind, oder auch entlang von Kreisen oder auch in von geraden Linien
gebildeten Reihen oder Maschen angeordnete und die Injektoren umgebende Öffnungen.
Die Öffnungen
zum Verteilen von Verbrennungsluft können durch Bleche aus Stahl
oder anderen Materialien gebohrt sein, wobei diese Bleche eben,
gewölbt
oder in V-Form sein können.
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Der
Wärmetauscher 10 kann
vom Flügeltyp
sein, oder in Gestalt jeder anderen ähnlichen Vorrichtung, die durch
Formgebung oder Blechkonstruktion erhalten wird, auf mindestens
Seiten des Verbrennungstunnels vorgesehen werden.
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Schließlich kann
man zahlreiche Ausführungsformen
der Zufuhr- und Abfuhrmittel von Luft des Wärmetauschers vorsehen, sowie
der Mittel zum Einspeisen von Heiß luft in den Brenner. Die 6 und 7 stellen
zwei Ausführungsvarianten
des Heißluft-Kreislaufes
zwischen dem Abfuhr-Sammler 11b der Heißluft, die vom Wärmetauscher 10 kommt,
und dem Verteiler 7 für
die Verbrennungsluft.
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Man
wird auch bemerken, dass Mittel zum Sammeln und zur Abfuhr der Verbrennungsgase
in eine der Seiten des Strahl-Brennkastens 1 eingesetzt
werden können.
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Wohlgemerkt
kann die erfindungsgemäße Vorrichtung
ohne inneren Wärmetauscher
ausgeführt
werden, sie kann z. B. an einen äußeren Wärmetauscher
angeschlossen werden.
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Man
bezieht sich nun auf 8 und 9, die zwei
Ausführungsvarianten
der Vorrichtung nach der vorliegenden Erfindung darstellen.
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Die 8 zeigt
einen Strahl-Brennkasten 1, dessen äußere Form zusammenhängend ist
und die in ein Rechteck mit einem Höhen-Breiten-Verhältnis von
größer als
1,5 eingeschrieben ist, und deren Arbeitsprinzip demjenigen der
W-Strahlrohre gemäß dem früheren Stand
der Technik entspricht. Die Einspritzung der Brennstoffe erfolgt
in Richtung des Pfeils G, die Einspritzung der Sauerstoffträger entlang
dem Pfeil A, und die Verbrennungsprodukte werden entlang dem Pfeil
F abgeführt.
Der Brenner dieses Brennkastens kann von einem achsensymmetrischen
Typ sein. Der Innenraum des Brennkastens 1 ist mit Trennwänden 14 derart
ausgestattet, dass eine Strömung
der Verbrennungsgase entlang dem Pfeil 8 sichergestellt
ist. Man sieht einen Wärmetauscher 15 vor,
der es erlaubt, den Sauerstoffträger
vorzuwärmen,
der entlang dem Pfeil A eingeführt wird.
Wohlgemerkt kann diese Variante an Strahlrohre in U- oder jeder
anderen Form angepasst werden.
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Die 10 zeigt
eine oder mehrere der Innen-Trennwände 14, die in Form
eines prismatischen Behälters
ausgeführt
werden können,
der ggf. mit Trennwänden
un terteilt ist, oder in Form eines rohrförmigen Kreislaufs, der die
Gesamtheit oder einen Teil dieser Trennwand einnimmt, und in dessen
Innerem eine Kühlflüssigkeit
oder ein Teil des Brennstoffs oder des Sauerstoffträgers fließt, um ihre
mechanische oder thermische Widerstandsfähigkeit zu verbessern, abhängig von
den Temperaturniveaus, die besagte Trennwände erreichen; besagter Kreislauf
kann allein oder in Kombination mit den Wärmetauschern angewendet werden.
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Die 9 stellt
eine andere Ausführungsvariante
dar, deren Arbeitsprinzip dem eines E-Rohrs entspricht. Der Strahl-Brennkasten 1 hat
die gleichen Merkmale wie der in 8 dargestellte
Strahl-Brennkasten. Die Einspritzung des Brennstoffs erfolgt in
Richtung des Pfeils G, die Einspritzung von Sauerstoffträgern entlang
dem Pfeil A, und die Verbrennungsprodukte werden entlang dem Pfeil
F abgeführt.
Der Brenner kann ebenfalls vom achsensymmetrischen Typ sein. Der
Innenraum des Brennkastens 1 ist mittels Trennwänden 14 unterteilt,
um einen Strömung
der Verbrennungsgase, die aus dem im zentralen Zweig installierten
Brenner kommen, zu den beiden seitlichen Zweigen entlang den Pfeilen 8 zu
schaffen. Man sieht Wärmetauscher
15 zum Vorheizen der Verbrennungsluft vor, die entlang dem Pfeil
A zugeführt
wird. Auch hier, wie in 10 dargestellt,
können
eine oder mehrere Trennwände 14 in
Form eines prismatischen Behälters
oder eines Rohrkreislaufs ausgeführt
werden, der die Gesamtheit oder einen Teil dieser Trennwand einnimmt,
und in dessen Innenraum eine Kühlflüssigkeit
oder ein Teil des Brennstoffs oder des Sauerstoffträgers fließt, um ihre
mechanische oder thermische Widerstandsfähigkeit zu verbessern, abhängig von
den Temperaturniveaus, die besagte Trennwände erreichen; besagter Kreislauf
kann allein oder in Kombination mit den Wärmetauschern angewendet werden.
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Gemäß der Erfindung
können
eine oder mehrere Seiten des Strahl-Brennkastens nach dem in 10 dargestellten
Prinzip ausgeführt
werden, in Form eines prismatischen Behälters oder eines Rohrkreislaufs,
der die Gesamtheit oder einen Teil dieser Trennwand einnimmt, und
in dessen Innenraum eine Kühlflüssigkeit
oder ein Teil des Brennstoffs fließt, um die Strahlung der besagten
Wand zu vermindern, insbesondere in der Nähe einer Rolle oder einer Wand
des Ofens; besagter Kreislauf kann allein oder in Kombination mit
den Wärmetauschern
angewendet werden, um den Brennstoff oder den Sauerstoffträger zu beheizen.
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Die
hiernach angegebene Tabelle gibt als Orientierung einen Vergleich
zwischen den Eigenschaften der nach dem früheren Stand der Technik ausgeführten Strahlrohre
und den durch die Verwendung eines Strahl-Brennkastens nach der
bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung erreichten an. In allen Fällen wurde die gleiche Ofenbreite
verwendet: 2 Meter, und derselbe Außendurchmesser der Rohre: 164
mm für
die nach dem früheren
Stand der Technik ausgeführten
Strahlrohre.
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Diese
Tabelle zeigt, dass die Leistung pro Kubikmeter des Volumens und
die Leistung pro Quadratmeter Durchtrittsquerschnitt der Flamme
geringer sind als die der konventionellen Strahlrohre, was eine
bessere Entwicklung der Flamme sicherstellt, was es wiederum erlaubt,
die Produktion von NOx zu begrenzen und
die Homogenität
der Temperatur der Flamme, und somit der Strahlwände zu verbessern.
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Im
Vergleich mit der Vorrichtung zum indirekten Heizen durch Strahlung
nach der früheren
Technik, die Strahlrohre anwendet, leistet die vorliegende Erfindung
insbesondere folgende Vorteile:
- – Der Querschnitt
des Tunnels, in dem sich die Verbrennung vollzieht, hat beträchtlich
zugenommen: dies trägt
zugleich zum Reduzieren der NOx-Emissionen und zum
Verbessern der Gleichmäßigkeit
der Temperatur der zu den zu beheizenden Produkten abstrahlenden
Oberfläche
bei.
- – Der
Faktor der Form für
die Strahlung zu den zu beheizenden Produkten ist verbessert: dies
erlaubt eine Reduzierung der Ofen-Heizlänge und/oder die Reduzierung
der Arbeitstemperatur der Brennkästen
im Vergleich mit den Strahlrohren.
- – Die
Verbesserung der Gleichmäßigkeit
der Temperatur reduziert die Bedeutung der thermischen Spannungen
in den Strahlwänden
des Brennkastens und somit deren Verformungen.
- – Die
Verbesserung der Gleichmäßigkeit
der Oberflächen-Temperatur
des Strahl-Brennkastens erlaubt die Reduzierung des Temperaturgradienten über die
Breite des Bandes, und somit die Einstellung seiner Spannung zu
verbessern.
- – Die
Verbesserung der Gleichmäßigkeit
der Oberflächen-Temperatur
des Strahl-Brennkastens erlaubt die Arbeitsweise des besagten Brennkastens
bei einer höheren
mittleren Temperatur, und folglich eine Reduzierung der Anzahl der
Strahl-Brennkästen
bei identischem übertragenem
Wärmefluss,
und dadurch auch eine Reduzierung der Ofenlänge.
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Es
bleibt wohlverstanden, dass die vorliegende Erfindung nicht auf
die hiervor beschriebenen und/oder erwähnten Ausführungsformen beschränkt ist,
sondern dass sie alle Varianten davon umfasst.
