DE19531330C2 - Verbindung eines ungekühlten Rohres mit einem gekühlten Rohr - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft die Verbindung eines heißen, ungekühlten Rohres mit einem gekühlten Rohr mit den Merkmalen des Oberbegriffes des Patentanspruches 1.

Eine solche Verbindung ist aus der DE-PS 39 10 630 bekannt. Bei dieser Verbindung läßt das Spiel zwischen dem gekühlten Rohr und dem inneren Rohrabschnitt des ungekühlten Rohres eine temperaturbedingte Deh­ nung zwischen den beiden im übrigen fest miteinander verbundenen Rohren zu. Die eingebrachte Wärmeiso­ lierung bewirkt, daß der äußere Rohrabschnitt des un­ gekühlten Rohres, der fest mit dem gekühlten Rohr ver­ bunden ist, eine Wandtemperatur annimmt, die unter­ halb der Temperatur des durch das ungekühlte Rohr strömenden Gases liegt. Die Wandtemperaturen, die die Rohre an der Verbindungsstelle erreichen, gleichen sich auf diese Weise aneinander an, so daß die Wärmespan­ nungen an der Verbindungsstelle minimiert werden.

Die aus der DE-PS 39 10 630 bekannte Rohrverbin­ dung hat sich bewährt. Jedoch zeigte sich im Betrieb, daß Gas aus dem ungekühlten Rohr über das Spiel zwi­ schen den Rohren in die Wärmeisolierung dringen kann. Dabei kann sich Feststoff aus dem Gas abscheiden, auf dem wärmeisolierenden Material ablagern und dessen Isolierwirkung beeinträchtigen. Außerdem kann je nach der Isolierwirkung und den herrschenden Temperatu­ ren im Gas und im Kühlmedium die Wandtemperatur in dem äußeren Rohrabschnitt über dessen Länge in einer solchen Weise abnehmen, daß Wärmespannungen auf­ treten können.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die gat­ tungsgemäße Rohrverbindung so zu gestalten, daß die Wärmeisolierung kontrollierbaren Bedingungen unter­ liegt.

Diese Aufgabe wird bei einer gattungsgemäßen Rohrverbindung erfindungsgemäß durch die kennzeich­ nenden Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst Vor­ teilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegen­ stand der Unteransprüche.

Das flexible, vorzugsweise als O-Ring ausgebildete Element zwischen den Stirnflächen des gekühlten Roh­ res und des inneren Rohrabschnittes des ungekühlten Rohres läßt einerseits eine Wärmedehnung zu. Ande­ rerseits verhindert aber dieses flexible Element den Ein­ tritt von Gas in die Wärmeisolierung und dadurch eine Ablagerung von Feststoffen aus dem Gas auf dem wär­ meisolierenden Material, die die Isolierwirkung beein­ trächtigen könnten. Die Isolierwirkung bleibt daher in der voraus berechneten Größe. Durch die sich ändern­ den Wärmeleitkoeffizienten der einzelnen Isolierschich­ ten wird eine in Richtung auf das gekühlte Rohr hin steigende Isolierwirkung erzielt, durch die die Wand­ temperatur des äußeren Rohrabschnittes des ungekühl­ ten Rohres allmählich und kontrolliert abnimmt und an der Verbindungsstelle mit dem gekühlten Rohr dessen Wandtemperatur erreicht oder nahezu erreicht.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher er­ läutert. Die Zeichnung stellt den Längsschnitt durch ei­ ne Verbindung zwischen zwei Rohren dar.

Das Rohr 1 ist ungekühlt und wird von einem heißen Gas durchströmt. Vorzugsweise handelt es sich bei dem ungekühlten Rohr 1 um ein Spaltrohr eines Spaltgas­ ofens zur Erzeugung von Spaltgas, das unmittelbar nach dem Austritt aus dem Spaltrohr schroff abgekühlt wer­ den muß. Das ungekühlte Rohr 1 ist daher mit einem gekühlten Rohr 2 verbunden, in dem das Gas gekühlt wird. Die Rohre 1, 2 fluchten miteinander und weisen vorzugsweise den gleichen Innendurchmesser auf. Das gekühlte Rohr 2 ist als Doppelrohr mit einem Innenrohr 3 und einem Mantelrohr 4 ausgebildet. Der Ringraum zwischen dem Innenrohr 3 und dem Mantelrohr 4 ist von einem Kühlmittel, z. B. von verdampfendem Was­ ser, durchflossen.

Um das ungekühlte Rohr 1 mit dem gekühlten Rohr 2 spannungsfrei zu verbinden, ist das an das gekühlte Rohr 2 angrenzende Ende des ungekühlten Rohres 1 als ein im Querschnitt gabelförmiger Eintrittskopf 7 ausge­ bildet. Dieser Eintrittskopf 7 enthält einen inneren Rohrabschnitt 5 und einen äußeren Rohrabschnitt 6, die an einer ihrer Stirnseiten miteinander verbunden sind.

Der äußere Rohrabschnitt 6 ist mit dem Mantelrohr 4 des gekühlten Rohres 2 fest verbunden. Diese feste Ver­ bindung besteht aus einer Schweißverbindung, die in der Zeichnung durch die ringförmige Schweißnaht 8 angedeutet ist. Dabei ist zur Bildung der Schweißfuge an das Mantelrohr 4 ein ringförmiger Ansatz 9 geformt, dessen Dicke der Wanddicke des äußeren Rohrab­ schnittes 6 entspricht.

Der innere Rohrabschnitt 5 des ungekühlten Rohres 1 ragt in das Innenrohr 3 des gekühlten Rohres 2 hinein. Dabei ist zwischen dem inneren Rohrabschnitt 5 und dem Innenrohr 3 in radialer und axialer Richtung ein Spiel vorgesehen. Über dieses Spiel, das in der Zeich­ nung übertrieben groß dargestellt ist, werden Wärme­ dehnungen des ungekühlten Rohres 1 gegenüber dem gekühlten Rohr 2 ohne Zwang aufgefangen.

In den Ringraum, der zwischen dem inneren und dem äußeren Rohrabschnitt 5, 6 des Eintrittskopfes 7 des ungekühlten Rohres 1 gebildet ist, ist eine Wärmeisolie­ rung eingebracht. Diese Wärmeisolierung besteht aus mehreren, im dargestellten Fall aus drei, Schichten 10, 11, 12 eines wärmeisolierenden Materials, die in axialer Richtung hintereinander liegen. Die Schichten 10, 11, 12 unterscheiden sich in ihrer Wärmeleitfähigkeit. Dabei sind die Schichten 10, 11, 12 so in dem Ringraum einge­ bracht, daß die dem gekühlten Rohr 2 zugewandte Schicht 10 den geringsten und die dem ungekühlten Rohr 1 zugewandte Schicht 12 den höchsten Wärmeleit­ koeffizienten aufweist. Die dazwischen liegende Schicht 11 hat einen mittleren Wärmeleitkoeffizienten. Die Iso­ lierwirkung der Schichten 10, 11, 12 nimmt daher in Richtung auf das gekühlte Rohr 2 zu bzw. in Richtung auf das ungekühlte Rohr 1 ab. Die unterschiedlichen Wärmeleitkoeffizienten lassen sich durch die Auswahl der Werkstoffe oder die Dichte oder die Dicke der Schichten variieren. Die Höhe der einzelnen Schichten 10, 11, 12 in axialer Richtung kann unterschiedlich sein und bestimmt sich nach der gewünschten Änderung der Isolierwirkung.

Die Unterschiede in den Wärmeleitkoeffizienten lie­ gen zwischen 10 W/m.K auf der dem ungekühlten Rohr 1 zugewandten Seite und 0,2 bis 0,6 W/m.K auf der dem gekühlten Rohr 2 zugewandten Seite. Die Wärmeisolie­ rung kann aus einem mineralischen oder einem faseri­ gen Werkstoff bestehen und in den Ringraum als gegos­ sene und aushärtbare Masse oder als Formstück einge­ bracht werden.

Wenn der Ringraum zwischen dem Innenrohr 3 und dem Mantelrohr 4 des gekühlten Rohres 2 von dem Kühlmittel durchströmt wird, nimmt die Rohrwandung des Mantelrohres 4 eine Temperatur an, die nahezu der Kühlmitteltemperatur entspricht. Das Innenrohr 3, das das von dem ungekühlten Rohr 1 zuströmende, heiße Gas führt, wird außen wirkungsvoll durch das Kühlmittel gekühlt. Dadurch stellt sich eine Wandtemperatur ein, die deutlich unter der Temperatur des Gases, und zwar nahe an der Kühlmitteltemperatur, liegt. Die Tem­ peratur an der Innenwand des ungekühlten Rohres 1 und des inneren Rohrabschnittes 5 liegt nahe an der Temperatur des heißen Gases.

Durch die Wärmeisolierung in dem Ringraum des Eintrittskopfes 7 des ungekühlten Rohres 1 nimmt die Rohrwandung des äußeren Rohrabschnittes 6 eine Temperatur an, die unterhalb der Wandtemperatur des ungekühltes Rohres 1 liegt und die abhängig von der Temperatur des heißen Gases und des Kühlmittels so­ wie von der Isolierwirkung ist. Da die Isolierwirkung aufgrund der unterschiedlichen Wärmeleitfähigkeit der Schichten 10, 11, 12 nahe dem ungekühlten Rohr 1 am geringsten ist, nimmt die Wandtemperatur in dem äuße­ ren Rohrabschnitt 6 in Richtung auf die durch die Schweißnaht 8 gegebene Verbindungsstelle der Rohre 1, 2 allmählich und weniger schroff als bei einer einheitli­ chen Wärmeisolierung ab und erreicht an der Schweiß­ naht 8 nahezu die Wandtemperatur des Mantelrohres 4 des gekühlten Rohres 2. Auf diese Weise werden Wär­ mespannungen sowohl in dem äußeren Rohrabschnitt 6 als auch in der Schweißnaht 8 ausgeschlossen oder zu­ mindest weitgehend vermieden.

Im Bereich des Spiels zwischen den Rohren 1, 2 ist zwischen der Stirnfläche des Innenrohres 3 des gekühl­ ten Rohres 2 und der Stirnfläche des inneren Rohrab­ schnittes 5 des ungekühlten Rohres 1 ein flexibles Ele­ ment in Form eines O-Ringes 13 angeordnet. Dieser O-Ring 13 liegt dicht an beiden Stirnflächen an und verhindert, daß heißes Gas aus dem ungekühlten Rohr 1 in den Ringraum zwischen den Rohrabschnitten 5, 6 dringen kann. Damit ist der Gefahr begegnet, daß Fest­ stoff aus dem Gas sich auf den Schichten 10, 11, 12 der Wärmeisolierung niederschlagen und die Isolierwirkung beeinträchtigen kann. Diese Gefahr ist besonders groß, wenn das Gas ein frisch erzeugtes Spaltgas ist, aus dem sich bei einer unkontrollierten Abkühlung feiner Koh­ lenstoff in Form von Ruß ausscheidet.

Claims (3)

1. Verbindung eines heißen, ungekühlten Rohres (1) mit einem gekühlten Rohr (2), bei der das Ende des ungekühlten Rohres (1) im Querschnitt gabelförmig unter Bildung von zwei an einer Stirnseite miteinander verbundenen Rohrabschnitten (5, 6) ausgebildet ist, bei der der äußere Rohrabschnitt (6) des ungekühlten Rohres (1) fest mit dem gekühlten Rohr (2) verbunden ist, bei der der innere Rohrabschnitt (5) des ungekühlten Rohres (1) in das gekühlte Rohr (2) hineinragt und gegenüber diesem ein radiales und axiales Spiel aufweist und bei der der Ringraum zwischen dem inneren und dem äußeren Rohrabschnitt (5, 6) des ungekühlten Rohres (1) mit einem wärmeisolierenden Material gefüllt ist, wobei zwischen den Stirnflächen des gekühlten Rohres (2) und des inneren Rohrabschnittes (5) des ungekühlten Rohres (1) ein flexibles Element angeordnet ist, das dicht an den Stirnflächen anliegt, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeisolierung aus mehreren in axialer Richtung hintereinander liegenden Schichten (10, 11, 12) mit unterschiedlicher Wärmeleitfähigkeit aufgebaut ist.

2. Verbindung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das flexible Element als O-Ring (13) ausgebildet ist.

3. Verbindung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die dem gekühlten Rohr (2) zugewandte Schicht (10) den geringsten Wärmeleitkoeffizienten aufweist und daß die Wärmeleitkoeffizienten der Schichten (10, 11, 12) mit der Entfernung von dem gekühlten Rohr (2) ansteigen.