DE19707915A1 - Verbindung eines heißen, 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 Anspruches 1.

Bei einer solchen Verbindung weisen die Wandungen der einander angrenzenden Rohre voneinander abweichende Temperaturen auf. Dieser Temperaturunterschied führt infolge der unterschiedlichen thermischen Dehnung der Rohre zu unzulässig hohen Spannungen an der Verbindungsstelle. Darüber hinaus kann es erforderlich sein, für die Rohre Materialien mit unterschiedlichen spezifischen Wärmedehnungskoeffizienten zu verwenden, wodurch sich die Spannungen im Verbindungsbereich weiter erhöhen.

Es sind Verbindungsstücke bekannt (DE-PS 39 10 630), bei denen das Ende des heißen, ungekühlten Rohres gabelförmig aufgeweitet ist, und der dadurch entstandene Zwischenraum innerhalb der Aufweitung mit einer wärmeisolierenden Masse ausgefüllt ist. Bei dieser Verbindung ragt der innere Rohrabschnitt des gabelförmigen Kopfes mit axialem und radialem Spiel in das gekühlte Rohr hinein, während äußere Rohrabschnitt mit dem gekühlten Rohr verschweißt ist. Diese Rohrverbindung hat sich im Betrieb bewährt. Jedoch bedingt die gabelförmige Aufweitung eine Vergrößerung der Werkstoffmasse, die eine erhöhte Wärmeaufnahme mit sich bringt und dadurch erhöhte thermische Spannungen zur Folge hat.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die gattungsgemäße Rohrverbindung derart zu gestalten, daß an der Verbindungsstelle die thermischen Spannungen und die Temperatur erniedrigt werden und daß die Herstellung der Rohrverbindung vereinfacht werden kann.

Diese Aufgabe wird bei einer gattungsgemäße Rohrverbindung erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der anhängigen Ansprüche.

Bei der erfindungsgemäßen Rohrverbindung ist der verbindende Querschnitt zwischen dem heißen, ungekühlten Rohr und dem inneren Rohr des Anschlußstückes gering, wodurch der Wärmestrom durch das innere Rohr zu der Verbindungsstelle mit dem gekühlten Rohr gering ist. Dadurch wird an dieser Verbindungsstelle eine im Vergleich zu der bekannten Rohrverbindung geringere Temperatur erreicht.

Da das ungekühlte Rohr aufgrund der höheren Temperatur eine größere axiale Wärmedehnung als das innere Rohr des Anschlußstückes erfährt, kann das U-förmig gestaltete Anschlußstück als Dehnungsausgleicher wirken. Die dabei insbesondere im U-Bogen auftretenden Spannungen können je nach den konstruktiven und verfahrenstechnischen Bedingungen durch eine geeignete Wahl der Länge des Anschlußstückes gering gehalten werden.

Aufgrund der U-förmigen Gestaltung des Anschlußstückes ist - trotz dessen geringer Baulänge - der Weg, den die Wärme von der Anschlußstelle des ungekühlten Rohres zu der Anschlußstelle des gekühlten Rohre zurücklegen muß, lang. Dadurch ist der Wärmetransport zu der Verbindungsstelle zwischen und ungekühlten und dem gekühlten Rohr gering.

Das erfindungsgemäße, aus zwei miteinander verbundenen Rohren gebildete Anschlußstück kann mit geringen Wandungsquerschnitten gefertigt werden. Dadurch ist die Herstellung des Anschlußstückes einfacher und kostengünstiger.

Der Einfluß des verringerten Wärmestromes zwischen dem ungekühlten und dem gekühlten Rohr aufgrund der Gestaltung des Anschlußstückes wird dadurch verbessert, daß der Innenraum des Anschlußstückes mit einem wärmeisolierenden Material ausgefüllt ist. In der gleichen Richtung wirkt sich eine Vergrößerung oder eine konische Erweiterung des Spaltes zwischen dem ungekühlten Rohr und dem inneren Rohr des Anschlußstückes oder eine Ausfüllung dieses Spaltes mit wärmeisolierendem Material aus. Andererseits kann es auch sinnvoll sein, zur Vergleichmäßigung von Temperaturspannungen den Spalt mit Wärmebrücken zu versehen, indem das innere Rohr des Anschlußstückes vollständig oder nur auf einem Teil seiner Länge spaltfrei auf das ungekühlte Rohr aufgeschrumpft ist.

Mehrere Ausführungsbeispiele sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 bis 3 jeweils den Längsschnitt durch eine Verbindung zwischen zwei Rohren und

Fig. 4 den Längsschnitt durch eine Verbindung zwischen zwei Rohren, die an eine Wasserkammer angeschlossen sind.

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 Spaltgasofens zur Erzeugung von Spaltgas, das unmittelbar nach dem Austritt aus dem Spaltrohr schroff abgekühlt werden muß. Das ungekühlte Rohr 1 ist daher auf die später beschriebene Weise 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 des gekühlten Rohres 2 ist von einem Kühlmittel, z. B. von verdampfendem Wasser, durchflossen. Zu diesem Zweck sind in dem Mantelrohr 4 an beiden Enden des gekühlten Rohres 2 Durchtritte 5 vorgesehen, an die eine Zuführung und eine Abführung für das Kühlmittel angeschlossen ist. Eine besondere Zuführung, als eine für mehrere gekühlte Rohre 2 gemeinsame Wasserkammer 6 ausgebildet ist, ist in Fig. 4 gezeigt. Diese Wasserkammer 6 besteht aus einem massiven, nahtlosen, streifenförmigen Stück. In dieses Stück sind in einem Abstand voneinander kreisförmige Vertiefungen eingearbeitet, deren Anzahl der Anzahl der gekühlten Rohre 2 entspricht. Das Mantelrohr 4 ist so an die Wand der Wasserkammer 6 angeschweißt, daß an der Einschweißstelle der Innendurchmesser des Mantelrohres mit dem Durchmesser der Vertiefung 7 übereinstimmt. Die Vertiefung 7 ist so tief in das die Wasserkammer 6 bildende Stück eingearbeitet, daß ein ringförmiger Boden 8 mit einer geringen Restwanddicke verbleibt, in den das Innenrohr 3 des gekühlten Rohres 2 eingeschweißt ist. In jede Vertiefung 7 mündet in der Höhe des Bodens 8 ein Bohrung 9 hinein. Die Bohrungen sind über einen Verbindungsstutzen 10 mit einer Zuführungsleitung 11 für das Kühlmittel verbunden.

An der Verbindungsstelle 17 steht das ungekühlte Rohr 1 dem gekühlten Rohr 2 in einem Abstand gegenüber, so daß ein axiales Spiel zwischen den beiden Rohren besteht. Zwischen den Stirnflächen des ungekühlten Rohres 1 und des gekühlten Rohres 2 ist zur Abdichtung ein O-Ring 12 eingesetzt.

Um das ungekühlte Rohr 1 spannungsfrei mit dem gekühlten Rohr 2 verbinden zu können, ist der Endabschnitt des ungekühlten Rohres 1 von zwei konzentrisch und mit Abstand voneinander angeordneten Rohren umgeben, die ein Anschlußstück 15 bilden. Die beiden Rohre sind an einem Ende durch einen U-Bogen 16 miteinander verbunden. Das freie Ende des inneren Rohres 13 des Anschlußstückes 15 ist mit dem ungekühlten Rohr 1 fest und dicht z. B. durch Verschweißen verbunden. Die Verbindungsstelle 17 liegt vorzugsweise in der Austrittsebene des ungekühlten Rohres 1. Auf diese Weise entsteht eine Verbindung von vergleichsweise geringem Querschnitt.

Das freie Ende des äußeren Rohres 14 des Anschlußstückes 15 ist fest und dicht z. B. durch Verschweißen mit dem gekühlten Rohr 2 verbunden. Gemäß Fig. 1 erfolgt diese Verbindung über einen T-förmigen Ring 18, der einerseits mit dem Innenrohr 3 und andererseits mit dem Mantelrohr 4 des gekühlten Rohres 2 verschweißt ist. An den Steg dieses T-förmigen Ringes 18 ist das äußere Rohr 14 des Anschlußstückes 15 befestigt. In der Fig. 2 ist eine Flanschverbindung gezeigt, bei der ein Flansch 19 mit dem gekühlten Rohr 2 verbunden ist, während an den Gegenflansch 20 das freie Ende des äußeren Rohres 14 des Anschlußstückes 15 angeschweißt ist. Flansch 19 und Gegenflansch 20 sind über Schrauben miteinander verbunden. Sind mehrere gekühlte, jeweils mit einem ungekühlten Rohr 1 fluchtende Rohre 2 in eine Wasserkammer 6 eingesetzt (Fig. 4), so ist das freie Ende des äußeren Rohres 14 des Anschlußstückes 15 an eine Wand der Wasserkammer 6 angeschweißt.

Das innere und das äußere Rohr 13, 14 des Anschlußstückes 15 begrenzen zusammen mit dem sie verbindenden U-Bogen 16 einen Innenraum. Wenn auch dieser Innenraum leer sein kann, so ist er vorzugsweise mit einem wärmeisolierenden Material 21 ausgefüllt. Die Wärmeisolierung kann aus einem mineralischen oder faserigen Werkstoff bestehen und als gegossene und aushärtende Masse oder als Formstück in den Innenraum eingebracht werden. Gegenüber der Gasatmosphäre im Inneren des ungekühlten Rohres 1 ist die Wärmeisolierung durch den O-Ring 12 zwischen den Stirnflächen der Rohre 1, 2 abgedichtet.

Das aus dem inneren und dem äußeren Rohr 13, 14 bestehende Anschlußstück 15 macht es möglich, daß der Weg, den die Wärme von der Verbindungsstelle 17 des ungekühlten Rohres 1 zu der Verbindungsstelle 22 des gekühlten Rohres 2 zurücklegen muß, lang ist, wodurch der Wärmetransport zwischen den Verbindungsstellen 17, 22 gering wird. Dieser Effekt wird durch die Ausfüllung des Innenraumes innerhalb des Anschlußstückes 15 mit wärmeisolierendem Material 21 verstärkt.

Bei den bisher beschriebenen Ausführungsformen der Rohrverbindung ist der Endabschnitt des ungekühlten Rohres 1 von dem Anschlußstück 15 in einem Abstand umgeben, so daß zwischen dem ungekühlten Rohr 1 und dem inneren Rohr 13 des Anschlußstückes 15 ein Spalt 23 besteht. Dieser Spalt 23 kann, wie in den Fig. 1, 2, 4 gezeigt ist, einen gleichbleibenden Querschnitt aufweisen. Der Spalt 23 kann sich auch in Richtung auf den U-Bogen 16 konisch erweitern. Der Spalt 23 kann leer bleiben, oder er kann mit einem wärmeisolierenden Material ausgefüllt werden. Unter Umständen kann das innere Rohr 13 spaltfrei auf dem Endabschnitt des ungekühlten Rohres 1 aufliegen (Fig. 3). In diesem Fall ist das ungekühlte Rohr 1 mit dem inneren Rohr 13 des Anschlußstückes 15 durch eine Schrumpfverbindung verbunden. Durch alle diese Maßnahmen wird der Wärmetransport zwischen den Verbindungsstellen 17, 22 mehr oder weniger stark verringert und läßt sich so an den Einzelfall anpassen.

Claims (7)

1. Verbindung eines heißen, ungekühlten Rohres (1) mit einem gekühlten Rohr (2), bei der zwischen den ungekühlten Rohr (1) und dem gekühlten Rohr (2) ein axiales Spiel besteht, dadurch gekennzeichnet, daß der Endabschnitt des ungekühlten Rohres (1) von einem aus zwei konzentrisch angeordneten Rohren (13, 14) gebildeten Anschlußstück (15) umgeben ist, daß die beiden Rohre (13, 14) des Anschlußstückes (15) an einem Ende durch einen U-Bogen (16) miteinander verbunden sind, daß das freie Ende des inneren Rohres (13) des Anschlußstückes (15) mit dem ungekühlten Rohr (1) und das freie Ende des äußeren Rohres (14) des Anschlußstückes (15) mit dem gekühlten Rohr (2) fest und dicht verbunden ist.

2. Verbindung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Zwischenraum zwischen dem inneren und dem äußeren Rohr (13, 14) des Anschlußstückes (15) mit einem wärmeisolierenden Material (21) ausgefüllt ist.

3. Verbindung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Endabschnitt des ungekühlten Rohres (1) und dem inneren Rohr (13) des Anschlußstückes (15) ein Spalt (23) besteht.

4. Verbindung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Spalt (23) konisch ausgebildet ist.

5. Verbindung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Spalt (23) mit einem wärmeisolierendem Material ausgefüllt ist.

6. Verbindung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das innere Rohr (13) des Anschlußstückes (15) zumindest auf einem Teil seiner Länge spaltfrei an dem Endabschnitt des ungekühlten Rohres (1) anliegt.

7. Verbindung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere gekühlte Rohre (2) in eine Wasserkammer (6) einsetzt sind und daß das äußere Rohr (14) des Anschlußstückes (15) koaxial zu dem ungekühlten und dem gekühlten Rohr (1, 2) mit einer die Wasserkammer (6) begrenzenden Wand verbunden ist.