CH474733A - Wärmeaustauscher - Google Patents

Wärmeaustauscher

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CH474733A
CH474733A CH701666A CH701666A CH474733A CH 474733 A CH474733 A CH 474733A CH 701666 A CH701666 A CH 701666A CH 701666 A CH701666 A CH 701666A CH 474733 A CH474733 A CH 474733A
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tube
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metal
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Application number
CH701666A
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Harriman Kydd Paul
Joseph Mullaney George
Original Assignee
Gen Electric
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28FDETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F19/00Preventing the formation of deposits or corrosion, e.g. by using filters or scrapers
    • F28F19/02Preventing the formation of deposits or corrosion, e.g. by using filters or scrapers by using coatings, e.g. vitreous or enamel coatings
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F22STEAM GENERATION
    • F22BMETHODS OF STEAM GENERATION; STEAM BOILERS
    • F22B37/00Component parts or details of steam boilers
    • F22B37/02Component parts or details of steam boilers applicable to more than one kind or type of steam boiler
    • F22B37/10Water tubes; Accessories therefor
    • F22B37/14Supply mains, e.g. rising mains, down-comers, in connection with water tubes

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Description


      Wärmeaustauscher       Die vorliegende Erfindung betrifft einen     Wärmeaus-          tauscher    für Wärmequellen mit Temperaturen, oberhalb  von 650  C.  



  Der Bedarf an solchen     Wärmeaustauschern,    welche  in der Lage sind, sehr hohen Temperaturen und     Drük-          ken    standzuhalten, steigt mit der     Forderung    nach ver  mehrter Ausnutzung von     Wärmekraftmaschinen.    Gerade  aber die hohen Temperaturen und Drücke konnten bis  her mit den herkömmlichen     Wärmeaustauschern    nicht  beherrscht werden.  



  Die Erfindung stellt eine wesentliche Verbesserung  dar und ist durch die Kombination folgender Merkmale  gekennzeichnet:  a) ein     Metallrohr,    durch welches ein Medium strömt;  b) mehrere aus keramischem Material bestehende  längliche Umhüllungsteile zum Schützen des Rohres  vor der Wärmequelle;

    c) das Rohr und die Umhüllungsteile haben ver  schiedene     Wärmeausdehnungskoeffizienten,    wobei das  Rohr mit dem höheren     Wärmeausdehnungskoeffizien-          ten    innerhalb der Umhüllungsteile mit dem niedrigeren       Wärmeausdehnungskoeffizienten    angeordnet ist und im  kalten Zustand ein Zwischenraum zwischen dem Rohr  und den Umhüllungsteilen besteht, so dass bei Errei  chen der Betriebstemperatur das Rohr eng an den Um  hüllungsteilen anliegt.  



  Beispielsweise Ausführungsformen des Erfindungs  gegenstandes sollen anhand der Zeichnungen nachfol  gend näher erläutert werden. Es zeigen:       Fig.    1 einen Querschnitt durch     einen    Wärmeaus  tauscherabschnitt,       Fig.    2 den Abschnitt gemäss     Fig.    1 bei Betriebs  temperatur,       Fig.    3 den Abschnitt gemäss     Fig.    1 in kaltem Zu  stand,       Fig.    4 einen Querschnitt durch eine Ausführungs  variante eines     Wärmeaustauscherabschnittes,          Fig.    5 einen Querschnitt durch eine weitere Aus  führungsvariante eines     Wärmeaustauscherabschnittes,

              Fig.    6 einen Querschnitt durch eine weitere Aus  führungsvariante eines     Wärmeaustauscherabschnittes,          Fig.    7 einen Querschnitt durch eine weitere Aus  führungsvariante eines     Wärmeaustauscherabschnittes,          Fig.    8 einen Querschnitt durch eine weitere Aus  führungsvariante eines     Wärmeaustauscherabschnittes,          Fig.    9 einen Querschnitt durch eine weitere Ausfüh  rungsvariante eines     Wärmeaustauscherabschnittes,

            Fig.    10 eine schematische Darstellung einer Gas  turbine als Anwendungsgegenstand für einen     Wärme-          austauscher,          Fig.    11 eine Vertikalanordnung     eines        Wärmeaustau-          schers,          Fig.    12 eine Variante des     Austauschers    gemäss       Fig.    11,       Fig.    13 eine Variante des     Austauschers    gemäss       Fig.    12,

         Fig.    14 einen weiteren Ausschnitt eines     Wärme-          austauschers    und       Fig.    15 einen Schnitt durch den     Austauscher    entlang  der Schnittlinie 15-15     in        Fig.    14.  



  Zum besseren Verständnis der mit dem Erfindungs  gegenstand zu lösenden Probleme sei zunächst auf ein  Anwendungsgebiet näher eingegangen, das in der Kom  bination einer Gasturbine mit einer     Abdampfturbine    in  einem Kraftwerk besteht.  



  Eine solche Gasturbine ist eine besonders erwünschte       Vorschaltmaschine,    da sie sich als besonders bewährt  zeigt. Ein Hindernis für die vorstehend angedeutete Ver  wendung besteht aber in dem Problem der Befeuerung  der Turbine mit Kohle oder mit     Rückstand-Brennöl.     Bei der     Kohlebefeuerung    besteht das Problem in der  Vermeidung von Beschädigungen des Turbinenrades  und ähnlicher Teile infolge Erosion oder Ablagerung  feuerflüssiger Asche, welche     Alkalisulfate    und etwas       Vanadiumoxyd    enthält. Bei der Ölfeuerung     hingegen     verursachen komplexe     Vanadium    enthaltende Rück  stände bei hohen Temperaturen eine starke Korrosion.

    Eine Lösung dieser Probleme besteht in der Verwen  dung von     Wärmeaustauschern    - des Strahlentypus zur      Übertragung der Hitze aus der unter atmosphärischem  Druck stehenden Flamme der Kohle- oder     ölverbren-          nung    in unter Überdruck stehende Luft, welche     in    der  Gasturbine verwendet wird. Der     Wärmeaustauscher     kann als Heizquelle für einen     Wärmeprozess    dienen oder  als     Abgaswärmeaustauscher.    Die Verwendung eines       Wärmeaustauschers    erlaubt ferner die vorteilhafte Kon  struktion einer Gasturbine mit geschlossenem Umlauf.  



  Bei einem solchen     Wärmeaustauscher    ist eine Aus  gangstemperatur von ungefähr 850  C erforderlich für  eine Anpassung an übliche Turbinen und sollte 1000  C  oder höher sein. Herkömmliche     Austauscher    aus rost  freiem Stahl sind aber auf Temperaturen um 650  C  beschränkt. Nur die sogenannten      Superlegierungen ,     mit grossen Anteilen kritischer Komponenten, wie Ko  balt und     Niob,    widerstehen dem Kriechen bei solch  hohen Temperaturen. Solche Materialien sind aber für       Wärmeaustauscher    nicht ökonomisch. Da wegen der  Kosten die Grösse der     Austauscher    klein gehalten wer  den muss, muss die Temperaturdifferenz zwischen Wan  dung und Luft sehr gross sein.

   Deshalb sind     Wandungs-          temperaturen    von 1100 C bis 1250 C erwünscht. In  bezug auf die Widerstandsfähigkeit bei solchen hohen  Temperaturen kommt an sich als ökonomisches Mate  rial, welches nicht kriecht und welches einer Oxydation  widersteht, nur besonders feuerfeste Werkstoffe in Frage,  wie Aluminiumoxyd,     Magnesiumoxyd,        Mullit    und     Sili-          ciumcarbid,    welche aber porös und sehr schwer zu ver  arbeiten sind.  



  Diese Probleme sollen die nachfolgend zu beschrei  benden Ausführungsformen eines     Wärmeaustauschers     lösen.  



  Gemäss     Fig.    1 ist mit 10 ein Kanalabschnitt eines       Wärmeaustauschers    bezeichnet, welche Anordnung ein  rohrförmiges Gehäuse 11 aus beispielsweise rostfreiem  Stahl oder aus     Inconel-Legierung    umfasst. Konzentrisch  um die Röhre 11 sind ein oder mehrere Umhüllungs  teile 12, 12' angeordnet, für welche Keramikmaterial,  etwa die verschiedensten Formen von     Silikonkarbiden,     wie tongebundene,     nitritgebundene    oder selbstbindende       Silikonkarbide,    Verwendung findet.  



  Das Umhüllungsteil 12 dient der Festigkeit auch  bei hohen Temperaturen, um zu verhindern, dass die  innere Röhre 11 infolge Kriechbrüche zerreisst. Die in  nere Röhre 11 dient als dichte Führungsröhre, welche  leicht an herkömmliche     Leitungsysteme        anschliessbar     ist. Die beschriebene Anordnung macht sich die kom  plementären Eigenschaften von Metall und     Keramik    zu  nutze, indem Metall leicht     bearbeitbar    und     leckdicht          verschweissbar,    aber relativ schwach bei hohen Tem  peraturen, Keramik, aber schwer     bearbeitbar    und schwer  dichtzuhalten, dagegen aber sehr widerstandsfähig gegen  Hitze ist.

   Ein anderer Vorteil dieser Kombination einer  inneren Metallröhre mit einem äusseren Keramikbehälter  besteht in der Möglichkeit, verschiedene Metalle zu  verwenden unter Bedingungen, die sonst ohne Abstüt  zung zu Kriechrissen führen würden. Die beschriebene  Kombination dient dem Zweck, durch Verwendung der  Keramikumhüllung 12 das Metallrohr 11 gegen Innen  druck abzustützen und vor den Verbrennungsprodukten  zu schützen. Zusätzlich lässt sich die     Wandungsdicke     des Rohres 11 gegenüber jener notwendigen ohne Ver  wendung der Keramikummantelung verringern.  



  Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird für  das Rohr 11 eine     Inconel-Metall-Legierung    und für das  Gehäuse 12     Silikonkarbid    verwendet.     Inconel-Metall    ist  eine Legierung aus 77 % Nickel, 15 % Chrom, 7 % Eisen    und geringe Anteile Kupfer, Zink, Mangan und Koh  lenstoff.     Inconel-Metall    hat eine     Kurzzeitdehnungsfe-          stigkeit    von etwa 773     kg/cm2    und eine Längendehnung  von 67 % bei 1100  C. Dieses Metall kann in     einer        nicht-          sulfidizierten    Atmosphäre bei Temperaturen von 1100  bis l250  C verwendet werden.

   Andere geeignete Le  gierungen sind     Nickel-Chrom-Legierungen    mit 80 %     Nik-          kel    und 20% Chrom,      310-nichtrostender-Stahl     mit  <B>25%</B> Nickel, 20% Chrom und     55%    Eisen und      446-          nichtrostender    Stahl  mit 27 % Chrom und 63 % Eisen.  Die     Wandungsdicke    der Röhre 11 kann etwa 1,6 mm  betragen. Bei dieser bevorzugten Ausführungsform  wurde für das Gehäuse 12 ein tongebundenes     Silikon-          karbid    mit einer Wandstärke von etwa 12,7 mm ver  wendet.  



  Um ein Zusammenwirken der Röhre 11 mit der  Keramikröhre 12 zu erreichen, muss eine bestimmte  Beziehung zwischen deren     Temperaturexpansionscharak-          teristiken    aufgestellt werden. Der Ausdehnungskoeffi  zient des     Keramiks    ist 2,6 - 10-6 pro     5/9     C und der  des hier verwendeten Metalls 8,4 - 10-6 pro     5/9     C.  Hieraus ergibt sich die Notwendigkeit eines Radial  spaltes zwischen den beiden Teilen 11 und 12. Der  Spalt ist hierbei von den unterschiedlichen Koeffizien  ten abhängig und muss so gross sein, dass das ausdeh  nende Metall nicht die Keramikumhüllung sprengt, son  dern nur an dieser anliegt.

   Somit stützt die Hülle 12  das Rohr 11 bei den Betriebstemperaturen ab, wobei  sich bei Abkühlung das Rohr 11 zusammenzieht, ohne  dass eine bleibende Verformung     eintritt.    Bei Spitzen  temperaturen um l100  C beträgt die relative Expansion  der Metallröhre 1,2 % des Radius der letzteren, was ein  Mass für den minimalsten Abstand zwischen Teilen 11  und 12 darstellt.  



  Ohne Rücksicht darauf, ob das Gehäuse aus Metall  und die Umhüllungsteile aus keramischem Material be  stehen oder ob es umgekehrt ist, muss in jedem Falle  das Gehäuse einen höheren     Wärmeausdehnungskoeffi-          zienten    aufweisen als der Umhüllungsteil. Auf diese  Weise ergibt sich, dass der Zwischenraum zwischen den  Umhüllungsteilen und dem inneren Gehäuse bei Errei  chen der Betriebstemperaturen nicht mehr vorhanden  ist. Hierdurch ergibt sich eine sehr enge und vor allen  Dingen gleichmässige Kontaktgabe zwischen dem Ge  häuse und den Umhüllungsteilen.

   Sie bilden also eine  feste Einheit, wobei die Eigenschaften beider Materia  lien sich in     vorteilhafter    Weise ergänzen, indem das  eine Material für die     Leckdichtigkeit    und das andere  Material für die Festigkeit der gesamten Einheit ver  antwortlich ist.

   Es sind, wie vorstehend schon angedeu  tet, auch Anwendungen denkbar, bei welchen der grö  ssere Druck des     fluiden    Mediums von aussen auf die  Rohranordnung des     Austauschers    einwirkt.     In    einem  solchen Falle müsste das innere Rohr aus Keramik       (Magnesit    mit einem     Wärmeausdehnungskoeffizienten     von<B>7,2-</B> 10-6 bei 22 bis 1000  C) und das äussere  Rohr aus     ferritischem    rostfreiem Stahl (Typ     446-rost-          freier    Stahl) mit einem     Wärmeausdehnungskoeffizienten     von 6,6     .10    -6 bei 22 bis 650  C bestehen.  



  Die Umhüllungsteile 12, welche im nachfolgenden  der Einfachheit halber mit  Keramikgehäuse  bezeich  net werden, werden mit entsprechend innerer     axialer     Verjüngung gegossen, um den     Gusskern    leicht entfernen  zu können. Diese Verjüngung kann etwa 1,6 mm in  bezug auf den Durchmesser bei einer Länge von etwa  762 mm betragen. Hierfür sollte das     Maximalspiel    am  weitesten Ende der Verjüngung 2,5 % nicht übersteigen,      um eine übermässige Dehnung des Metalls zu vermei  den. Dies bringt einen Minimalspalt von etwa 8 mm  und, als Beispiel, eine Verjüngung von 8 mm pro  0,3 m für 63 mm Bohrung.  



  In Anbetracht der schwierigen Verhältnisse bei ho  hen Betriebstemperaturen und der begrenzten Länge der       Silikonkarbid-Röhren    muss zwischen den einzelnen Röh  renabschnitten eine Verbindungsstelle geschaffen wer  den, dergestalt, dass das umhüllte Metallrohr ausreichend  geschützt ist und Innen- wie Aussenrohr die Möglichkeit  haben, axial zu expandieren. Gleichzeitig soll die Ver  bindungsstelle unzulässige Abnutzungen am     Metallrohr     vermeiden.  



  Gemäss     Fig.    1 ist zwischen den einzelnen Keramik  rohrabschnitten 12, 12' usw. eine Stossverbindung 13  vorgesehen, wobei die Abschnitte kontinuierlich aufein  anderfolgen. Nachdem nun das Metallrohr 11     eine    grö  ssere Dehnung als die einzelnen     Keramikrohrabschnitte     aufweist, wird sich bei Betriebstemperatur ein Spalt  zwischen den Abschnitten einstellen. Dieser Spalt soll  möglichst schmal gehalten werden, so dass die dünne  Wandung des Rohres 11 den Spalt unter mässiger Span  nung überbrückt.

   Es wurde gefunden, dass der genannte  Spalt bei einer Abschnittslänge von 30 cm ungefähr  3,9 mm     beträgt.        Wandungsteile    des Rohres 11 über  brücken die einzelnen     Spälte    mit einem inneren Druck  von etwa 20,5     kg/cm2.     



  Die Verwendung einer grossen Anzahl von Keramik  rohrstücken 12 macht den Bedarf einer komplizierten  Verbindung zwischen den     einzelnen    Stücken unnötig  und reduziert das axiale Anfressen. Hierbei muss ver  hindert werden, dass die Abschnitte auf dem Rohr 11  gleiten, um gleichmässige     Spälte    an allen Verbindungs  stellen zu erzielen. Unzulässige Spaltöffnungen, insbe  sondere zu weite     Spälte,    würden einer ausreichend fe  sten Überbrückung durch das Rohr 11 entgegenstehen.  In der Praxis wird die Gleichmässigkeit der     Spälte    durch  den Vorteil der inneren Verjüngung der Stücke 12, 12'  im Zusammenwirken mit dem Rohr 11 gewährleistet.  



  Während des Betriebes wird sich nun bei hoher       Temperatur    die Anordnung gemäss     Fig.    1 in eine An  ordnung gemäss     Fig.    2 verändern, wobei ein Spalt 14  erscheint, indem sich     das    Metallrohr 11 entsprechend  ausgedehnt hat. Wie ersichtlich, nimmt das Rohr 11  hierbei eine mit der     Verjüngung    des betreffenden Ab  schnittes 12 übereinstimmende Form an, wobei ein ge  krümmter Abschnitt 15 den Spalt überbrückt. Nach Ab  kühlung nimmt dann die Anordnung eine Gestalt gemäss       Fig.    3 an. Wie ersichtlich, behält das Rohr 11 dabei  die durch die Hitze     bewirkte    Deformation bei, was ein  gegenseitiges Verschieben verhindert.  



  Selbstverständlich sind auch noch andere Verbin  dungen zwischen den     einzelnen    Stücken 12, 12' usw.  denkbar, wie nachstehend anhand einiger Ausführungs  formen näher erläutert werden soll.  



  Gemäss     Fig.    4 ist zwischen benachbarten Keramik  rohrstücken 12 und 12' eine Verbindungsanordnung 16  vorgesehen, bei welcher eine Stossfuge 17 von einem  dünnen Metallzylinder 18 umgeben wird. Dieser Metall  zylinder besteht aus dem gleichen Material wie das  Rohr 11 und soll das Eindringen von Verbrennungs  rückständen in die Stossfuge verhindern sowie die kor  rosiven Partikeln in den Gasen neutralisieren. Der Me  tallzylinder 18 ist ferner noch vom einen Zylinder 19  umgeben, der aus dem     gleichen    Material wie die Stücke  12 besteht. Zwischen beiden Zylindern ist hierbei ein  Spalt vorgesehen.

      Wo der axiale Spalt zwischen benachbarten Kera  mikstücken gross sein kann oder wo der Teil des Me  tallrohres, welcher den Spalt überbrückt, noch zusätz  lich abgestützt werden soll, kann eine Verbindungsan  ordnung 20 gemäss     Fig.    5 vorgesehen werden. Hier weist  das Element 18' eine innere Ringschulter auf, so dass  sich für den Zylinder eine     T-förmige        Querschnittsform     ergibt. Hierbei teilt der Steg den Spalt in zwei     Teil-          spälte    auf.  



  Wie     Fig.    6 näher veranschaulicht, kann der den  Zylinder 18 umgebende Ring 19 .auch als Teil des       Keramikrohrstückes        angeformt    sein. Wie die Ausfüh  rungsform zeigt, befindet sich am einen Ende eines  Keramikstückes 22 eine Lippe 23, welche das Ende  des benachbarten Keramikstückes 22' überlappt. Zwi  schen beiden sich überlappenden Enden befindet sich  der Metallring 18.  



  Bei der Verbindungsanordnung 24 gemäss     Fig.    7  sind die beiden benachbarten Keramikstücke 25 bzw.  25' stufenförmig abgesetzt, wobei sich die Lippen 26  und 27 derart mit radialem Abstand überlappen, dass  zwischen diesen noch der Metallring 18 Platz hat.  



  Bei der Verbindungsanordnung 28 zweier Keramik  rohrstücke 29 und 30 gemäss     Fig.    8 weist das Keramik  stück 29 eine Absetzung 31 und das Keramikteil eine  Absetzung 31' auf, derart, dass von beiden Teilen eine  zylinderförmige Kammer 32 begrenzt wird, welche der       Aufnahme    eines Keramikringes 33 und des konzen  trisch zu letzterem angeordneten Ringes 18 dient. Der  von den Körpern 33 und 18 überbrückte Spalt 34 wird  hierbei wieder in zwei kleinere Teilspalte aufgeteilt.  



       Eine    alternative Lösung zur Verstärkung der Wan  dung im Bereich des Spaltes zeigt     Fig.    9. Die Ver  bindungsanordnung 35 zwischen zwei Keramikteilen 36  und 36' wird durch eine Lippe 37 hergestellt, welche  .am Teil 36'     angeformt    ist und welche den Teil 36  gleitend oder mit einem Abstand 38 zur Einfügung des  Zylinders 18 übergreift. Ferner befindet sich zwischen  Rohr 11 und Röhre 36 zur Überbrückung des Stosses  40 ein kurzer Metall- oder Keramikzylinder 39, der auf  seiner Innenseite     bombiert    ist. Im Betrieb wird sich, wie  beschrieben, das Rohr 11 ausdehnen und sich aus sei  ner gezeigten Lage in die gestrichelt eingezeichnete Lage  11' verformen.

   Die Vertiefung im Rohr 11 im Bereich  des Ringes 39 kann auch durch     Wirbelung    oder     Ge-          senkarbeit    vorgeformt werden. In diesem Falle kann  der Ring 39 zweigeteilt sein, welcher dann von der  Vertiefung und den     darüberliegenden    Abschnitten 36  und 36' festgehalten wird. Der Zweck des Ringes 39  besteht in der     überbrückung    der Stossfuge bei gleich  zeitiger Verstärkung der Rohrwandung an dieser Stelle.  Diese Konstruktion kann verwendet werden, wenn die  Keramikabschnitte länger sind, was grössere     Spälte    er  gibt, oder wenn ein grösserer Druck herrscht als bei  den Ausführungsformen gemäss     Fig.    1 bis 6.

   Das Prin  zip aller in     Fig.    4 bis 9 dargestellten Verbindungsan  ordnungen besteht in der Herstellung einer gekrümmten  Bahn zwischen der korrodierenden Atmosphäre und  dem Rohr 11, in welcher zweckmässig     ein        Metallring     einbezogen ist zum Abfangen der korrodierenden Par  tikeln.  



       Fig.    10 zeigt nun     eine    der Anwendungsformen des       Wärmeaustauschers    von der     vorbeschriebenen    Konstruk  tion, und zwar anhand     einer        Gasturbinenkraftanlage    41.  Der Kreis 41 stellt eine     kohlegefeuerte    Anlage dar, bei  welcher die Kohle im Brennraum 42 verbrannt wird.      Die Verbrennungsprodukte gelangen dann durch einen       Wärmeaustauscher    43 zu einem Abgaskessel oder ähn  lichen Apparat.

   Ein     fluides    Medium, etwa Luft, gelangt  durch einen Kompressor 44 in den     Wärmeaustauscher     43, in welchem die Temperatur des Mediums stark an  steigt. Vom     Wärmeaustauscher    43 wird das Medium  durch eine Turbine 45 geführt. Der     Auslass    der Turbine  45 wird dann dem Brennraum 42 zugeführt. Bei einer  solchen Anlage betragen die Abmessungen des Wärme  austauscherrohres 11 etwa 12 m und die der Keramik  abschnitte 12 30-60 cm.

   Es wurde gefunden, dass bei  einer solchen Anlage vorteilhaft eine grosse Anzahl  Keramikabschnitte Verwendung finden mit einer Stoss  verbindung an den Verbindungsstellen, etwa gemäss der  in     Fig.    1 gezeigten     Ausführungsform.    Werden Keramik  teile von 91 cm bis 1,52 m verwendet, sollten Stoss  verbindungen gemäss     Fig.    5, 8 oder 9 verwendet wer  den.  



  Die     Austauscherröhrenanordnung    kann horizontal  verlaufend montiert werden, wobei alle 91 bis 152 cm  eine Abstützung erfolgen muss, oder vertikal verlaufend  montiert werden, wie in einem herkömmlichen Boiler.  Bei der     Vertikalmontage    müssen aber Massnahmen ge  troffen werden, durch welche das Gewicht der Umhül  lungsteile im wesentlichen aufgenommen wird, um ein  Strecken oder Drücken des     Metallrohres    am heissen  Ende zu vermeiden. Eine solche Anordnung 50 ist in       Fig.    11 dargestellt. Gemäss     Fig.    11 umfasst die Anord  nung eine Heissleitung 51 und eine Kaltleitung 52 sowie  eine verbindende Rohranordnung 53, welche der Ver  brennungshitze in einem Feuerraum ausgesetzt ist.

   Die  Austauschluft strömt von der Kaltleitung durch die  Rohranordnung zur Heissleitung. Die genannte Rohr  anordnung 53 ist, wie anhand der     Fig.    1 beschrieben,  ausgebildet. An der Rohranordnung 53 ist eine Expan  sionsschleife 54 angeschlossen, welche neben dem Ex  pansionsausgleich gleichzeitig noch den Zweck erfüllt,  das Gewicht der Rohranordnung 53 elastisch aufzuneh  men. Die Schleife 54 kann ferner als     Vorhitzer    Ver  wendung finden, wofür Abgase aus dem Verbrennungs  raum direkt an die Schleife geführt werden.  



  Anstelle der Expansionsschleife     kann    zur Kompen  sation der Expansion und als Tragmittel auch ein Balg  55 gemäss     Fig.    12 verwendet werden, welcher am Rohr  52 anschliesst, wobei für eine Ausdehnung das Rohr 11  in Gleitverbindung 56 mit dem Rohr 52 steht. Alter  nativ     hierzu    kann aber auch gemäss     Fig.    13 anstelle  des Balges eine Feder 58 verwendet werden, wobei sich  das Rohr 11 über eine Packung 57 in das Kaltrohr  52 erstreckt.  



  Anordnungen gemäss den     Fig.    12 und 13 erfordern  bei grösserer Länge eine Verspannung zwischen den ein  zelnen Rohren wie Klemmen und dergleichen, um ihr  Ausbiegen zu vermeiden. Die     Fig.    14 zeigt Massnahmen  hierfür bei einer Anordnung von mehreren parallel ver  laufenden Rohren 60 und 61 usw. Die     einzelnen        Kera-          mikumhüllungsteile    62, 63, 64 und 65 sind mittels  glockenförmig oder hülsenförmig ausgebildeter Verbin  dungen, ähnlich der in     Fig.    6 beschriebenen Verbin  dung, miteinander vereinigt.

   Zur Vermeidung von     Aus-          biegung    oder     Knickung    der parallelen Rohre werden in  einandergreifende Ansätze als Verbindung     verwendet.     Das Glockengehäuse oder die Hülse 66 des Rohres 62  hat z. B. seitlich herausragende Ansätze 67 und 68,  welche je einen konkaven Einschnitt 71 zur Aufnahme  des benachbarten Rohres 64 bilden. Der Hülsenteil 6.9    des     Keramikrohres    64 ist bei 70     hinterschnitten    zur  Aufnahme des Ansatzes 68. Dieses     Ineinandergreifen     der     einzelnen    Teile, welches. auch als Verriegelung be  zeichnet wird, ist in der     Fig.    15 besser gezeigt.

   Diese  Figur stellt einen Querschnitt entsprechend den     Schnitt-          linien    15 der     Fig.    14 dar. Die Ansätze 68, 68' zeigen  diesen konkaven Einschnitt 71. Die Hülse 69 des Kera  mikrohres 64 ist ebenfalls     hinterschnitten    und weist die  beiden seitlich herausragenden Ansätze 72, 73 auf. Wie  dargestellt, sind diese beiden Ansätze 72, 73 in einer  Linie     angeordnet;    welche zu der Richtung um 45' ver  schoben ist, in welcher die anderen Ansätze 67, 67',  68, 68' angeordnet sind.  



  Es wurden in Versuchen Rohranordnungen der vor  beschriebenen Art mit einer Länge von 60 bis 122 cm  unter Druck in einem elektrischen Ofen erhitzt. Hierbei  wurden     Inconel-Metallrohre    von 41,3 bis 62,5 mm  Durchmesser und tongebundene     Silikonkarbid-Mantel-          rohrabschnitte    verwendet. Der Druck betrug für die  grösseren Rohre 3,15     kg/em2    und für die kleineren  Rohre 5,25     kg/cm2.    Der Versuch erstreckte sich über  1500 Std. bei einer Temperatur von etwa 1100  C.

   Zu  sätzlich wurden Rohranordnungen der     vorbeschriebenen     Art in     kohlebefeuerten    Öfen bei     einem    Druck von  7,03     kg/cm2    getestet. An keinem der getesteten Stücke  konnten nachfolgend Korrosionserscheinungen festgestellt  werden.  



  Bei     einem    anderen Versuch mit gleichen Rohran  ordnungen wurde bei einer Temperatur von 1150  C  Luft mit atmosphärischem Druck und einer Temperatur  von 27  C von 19,76 m pro Sekunde durchgeblasen.  Die Temperatur des     Metallrohres    wurde dort mit  1050  C gemessen und die austretende Luft mit 138  C  bei einer Länge von 914 mm.  



  Es wurde ferner festgestellt, dass zwischen     Innen-          und    Aussenrohren keine chemische Reaktion stattfindet.       Wärmeaustauscher    der vorstehend ausführlich be  schriebenen Art können für alle erdenklichen Anlagen  der Industrie verwendet werden.     Insbesondere    lässt sich  ein solcher     Wärmeaustauscher    in Maschinen verwenden,  deren Arbeitsmedium ein Metalldampf, wie Quecksilber,       Zäsium,    Zink usw. ist, wo die Korrosion bisher ein  besonderes Problem darstellte. Weitere Anwendungsge  biete sind beispielsweise die bereits genannten Gastur  binen, Generatoren, Dampferhitzer oder aber Erhitzer  für Chemikalien.  



  Als Material für das innere Rohr können ferner  auch andere als die vorgenannten Verwendung finden,  etwa Quarz oder     Siliziumglas,    welche bei entsprechen  der Abstützung noch höhere Temperaturen erlauben als  Metall. Bei der Verwendung von reduzierenden Gasen  wie Wasserstoff oder     Kohlenwasserstoffen    ist es erstre  benswert, das     Innenrohr    aus doppeltem Metall herzustel  len. Das sogenannte     Innenrohr    besteht aus einem Me  tall, welches von der reduzierenden Atmosphäre nicht  angegriffen wird. Das sogenannte äussere Rohr besteht  aus einem weiteren Metall, welches von der oxydieren  den Atmosphäre nicht     angegriffen    wird. Beide werden  von einem     Hartmetallmantelumhüllt.  

Claims (1)

  1. PATENTANSPRUCH Wärmeaustauscher für Wärmequellen mit Tempera turen oberhalb von 650 C, gekennzeichnet durch die Kombination folgender Merkmale: a) ein Metallrohr (11), durch welches ein Medium strömt; b) mehrere aus keramischem Material bestehende längliche Umhüllungsteile (12, 12', 62, 63, 64, 65) zum Schützen des Rohres (11) vor der Wärmequelle;
    c) das Rohr und die Umhüllungsteile haben ver schiedene Wärmeausdehnungskoeffizienten, wobei das Rohr mit dem höheren Wärmeausdehnungskoeffizienten innerhalb der Umhüllungsteile mit dem niedrigeren Wärmeausdehnungskoeffizienten angeordnet ist und im kalten Zustand ein Zwischenraum zwischen dem Rohr und den Umhüllungsteilen besteht, so dass bei Errei chen der Betriebstemperatur das Rohr eng an den Um hüllungsteilen anliegt. UNTERANSPRüCHE 1. Austauscher nach Patentanspruch, dadurch ge kennzeichnet, dass das Rohr (11) und die Umhüllungs teile (12, 12', 62, 63, 64, 65) im Querschnitt kreisförmig ausgebildet sind.
    2. Austauscher nach Patentanspruch, dadurch ge kennzeichnet, dass die Umhüllungsteile aus Silikonkarbid bestehen. 3. Austauscher nach Patentanspruch, dadurch ge kennzeichnet, dass der Zwischenraum eine Stärke von 1,2 bis 1,4 ö des Radius des Rohres (11) aufweist. 4. Austauscher nach Patentanspruch, dadurch ge kennzeichnet, dass das Rohr (11) aus einer Inconel-Le- gierung und die Umhüllungsteile aus Silikonkarbid be stehen.
    5. Austauscher nach Patentanspruch, dadurch ge kennzeichnet, dass mehrere Umhüllungsteile auf der Rohrlänge angeordnet sind und an ihren Enden Ein- richtungen aufweisen zum Verbinden der benachbar ten Umhüllungsteile. 6. Austauscher nach Patentanspruch, dadurch ge kennzeichnet, dass die dem Rohr (11) zugekehrten In nenflächen der Umhüllungsteile konisch ausgebildet sind und das Rohr an den Verbindungsstellen der Um hüllungsteile eine bleibende konische Verjüngung bei den hohen Betriebstemperaturen einnimmt, so dass das Gleiten der Umhüllungsteile entlang des Rohres verrin gert wird.
    7. Austauscher nach Patentanspruch, dadurch ge kennzeichnet, dass sich die benachbarten Umhüllungs teile mit Abstand überlappen, und in dem durch die überlappung hergestellten Ringraum ein Metallring an geordnet ist. B. Austauscher nach Patentanspruch, dadurch ge kennzeichnet, dass an den Enden einzelner Umhüllungs teile vorspringende Ansätze (67, 67', 68, 68', 72, 73) vorgesehen sind, welche in Gegenstücke benachbarter Umhüllungsteile eingreifen. 9. Austauscher nach Patentanspruch, dadurch ge kennzeichnet, dass das Rohr (11) ein gerader Zylinder ist.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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DE102012108821A1 (de) * 2012-09-19 2014-03-20 Benteler Automobiltechnik Gmbh Verfahren zur Herstellung eines Wärmetauschers
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