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Thermisch isolierte Rohrleitung
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine thermisch isolierte Rohrleitung
für Gase von hoher Temperatur nach dem 1. Anspruch, insbesondere als gerade waagerechte
Verbindungsleitung zwischen einem gasgekühlten Hochtemperaturreaktor und einem Wärmeverbraucher,
kann aber in ähnlicher Art auch für nicht waagerechte Leitungen verwendet werden.
Das als Wärmeübertragungsmedium verwendete Helium soll Temperaturen von 0 ca. 1.000
C und einen Druck von beispielsweise 40 bar haben und kann Strömungsgeschwindigkeiten
von 60 m/sec aufweisen, Rohrleitungen dieser Art bestehen zweckmäßigerweise aus
einem temperaturbeständigen Innenrohr, das nicht ganz dicht sein muß und einem gasdichten
bzw. druckfesten Außenrohr, das aber nicht den hohen Temperaturen des Gases standhalten
muß, weil es innen isoliert ist und von außen gekühlt werden kann, Bei Rohrleitungen
für diese hohe Temperatur müssen die einzelnen Bauteile sehr unterschiedliche Anfor#erungen
erfüllen
und bestehen daher aus sehr unterschiedlichen Materialien. Das Innenrohr muß nicht
nur hohe dem peraturen sondern auch die Geschwindigkeit des strömenden Mediums vertragen
und darf nicht durch Wärmespannungen gefährdet werden. Die dafür geeigneten Materialien
wie z. B. Keramik oder Graphit lassen sich nur zu Werkstücken von begrenzten Abmessungen
verarbeiten, die kaum gasdicht miteinander verbunden werden können. Daher werden
diese Innenrohre aus einzelnen Rohrschüssen von begrenzter Länge zusammengesetzt
mit unvermeidbaren radialen Spalten dazwischen.
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Das Außenrohr soll nicht nur gasdicht sondern auch druckfest sein
und muß äußere Kräfte aufnehmen können, die aus dem Gewicht der Rohrleitung und
ihrer Einspannung resultier#n. Daher werden für das Außenrohr metallische Werkstoffe
verwendet, die sich gut verschweißen lassen, aber nur eine begrenzte Temperaturbeständigkeit
aufweisen. Bei den vorgesehenen großen Durchmessern soll das Außenrohr aus Blechen
gewalzt und verschweißt werden und hat dementsprechend nur grobe Toleranzen. Die
zwischen Außenrohr und Innenrohr angeordnete Isolierung muß einerseits die hohen
Temperaturen am Innenrohr vertragen und soll andererseits örtlich eng begrenzte
heiße Gassträhnen vom Außenrohr fernhalten. Hier werden elastische Fasermaterialien
oder auch gestapelte feste Körper aus keramischen Materialien verwendet. Da die
elastischen Materialien für statische Aufgaben nicht geeignet sind und die festen
Isolierkörper die unvermeidbaren Relativbewegungen zwischen Innenrohr und Außenrohr
stören, sind bei Rohrleitungen dieser Art zwischen Außenrohr und Innenrohr weitere
Elemente notwendig, die das Innenrohr tragen und zentrieren, aber seine temperaturabhängige
Ausdehnung in Axial- und Umfangsrichtung gestatten. Ein wesentliches Problem dieser
Rohrleitungen
ist daher die Lagerung und Befestigung des Innenrohres am Außenrohr. Elastische
metallische Elemente vertragen die hohen Temperaturen nicht und leiten in unerwünschter
Weise örtlich zu viel Wärme in das Außenrohr.- Keramische und daher starre Elemente
sind zwar nicht durch hohe Temperaturen aber durch hohe Temperaturdifferenzen gefährdet
und können nicht die durch unterschiedliche Temperaturen verursachten Längenänderungen
von Innenrohr und Außenrohr aufnehmen. Elemente, die Wälzlager enthalten, waren
bisher nicht geeignet, weil sie die unvermeidlich groben Toleranzen zwischen Innenrohr
und Außenrohr und die unterschiedlichen radialen Ausdehnungen der beiden Rohre nicht
überbrücken konnten. Dabei ist zu beachten, daß das Außenrohr mit einem Durchmesser
von beispielsweise 1 m bei wirtschaftlicher Fertigung aus Blechen gewalzt und zusammengeschweißt
werden muß und daher keine exakte Zylinderform aufweisen kann. Eine spanabhebende
Bearbeitung der Innenwand des Außenrohres beispielsweise auf einer Drehbank trifft
bei den gewünschten Durchmessern und Längen auf erhebliche Schwierigkeiten und Kosten.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist eine thermisch isolierte Rohrleitung
nach dem Oberbegriff des 1. Anspruchs, die die erwähnten Nachteile vermeidet.
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Zur Lösung dieser Aufgabe wird eine Rohrleitung nach dem 1. Anspruch
vorgeschlagen. Die vorgeschlagene Lagerung des Innenrohres auf mehreren Kugeln,
deren radiale Lage bei der Montage veränderbar ist, gestattet es, die einzelnen
Rohrschüsse des Innenrohres bei der Montage sowohl gegenüber dem vorhergehenden
Rohrschuß als auch gegenüber dem Außenrohr auszurichten und die geringe Kontaktfläche
zwischen der Kugel und dem
Innen- bzw. Außenrohr vermindert erheblich
den Wärmeübergang durch Leitung.
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Außerdem kann man diese Kugeln aus einem Material von hoher Temperaturbeständigkeit,
beispielsweise aus Aluminiumoxyd herstellen. Die Halterung dieser Kugel in Käfigen,
die am Außenrohr befestigt sind, bewirkt, daß diese Halterung im wesentlichen die
Temperatur des Außenrohres annimmt und daher nicht durch die hohe Temperatur des
Innenrohres gefährdet ist. Selbstverständlich ist es zweckmäßig, dieser Halterung
eine geringe und daher schlecht wärmeleitende Querschnittfläche in der Nähe des
Innenrohres zu geben, damit nicht erhebliche Wärmemengen vom Innen- zum Außenrohr
transportiert werden. Das vorgeschlagene dünnwandige bzw. aus einem Material von
guter Wärmeleitfähigkeit bestehende Innenrohr ist für die vorliegende Erfindung
von wesentlicher Bedeutung. Während es dem Fachmann bisher selbstverständlich schien,
ein solches Innenrohr dickwandig und aus einem Material von geringer Wärmeleitfähigkeit
herzustellen, um Isolierung und Halterungselemente zwischen dem Innen- und dem Außenrohr
vor den höchsten Temperaturen zu schützen, schlägt die vorliegende Erfindung einen
ganz anderen Weg vor Das hier vorgesehene Innenrohr kann nur geringe Temperaturdifferenzen
zwischen seiner Innen- und Außenwand haben und ist dementsprechend nicht durch Wärmespannungen,
auch nicht bei schnellen Temperaturänderungen gefährdet.
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Es hat nur ein geringes Gewicht und verringert dementsprechend die
statischen und dynamischen Belastungen seiner Halterung. Die zwischen dem Innen-
und Außenrohr angeordneten und auf dem Innenrohr gleitenden Abstützungen werden
zweckmäßigerweise oben und zwar gegenüber den bereits erwähnten Kugeln angeordnet
Sie sollen in radialer Richtung nachgiebig sein, damit sie einerseits die bei hohen
Temperaturen unvermeidbare
Vergrößerung des innenrohrdurchmessers
gestatten und andererseits bei Erschütterungen oder Schwingungen unzulässige Bewegungen
des Innenrohres vermeiden. Da auch diese gleitenden Abstützungen gegenüber dem Innenrohr
nur geringe Kontaktflächen aufweisen und ebenfalls am Außenrohr gut wärmeleitend
befestigt sind, können sie weder große Wärmemengen vom Innen- zum Außenrohr leiten
noch in ihren metallischen Bestandteilen durch hohe Temperaturen gefährdet werden.
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Die im 2., 3. und 4. Anspruch vorgeschlagene axiale Fixierung soll
bei einer langen Rohrleitung, die mehrere, mit Spalt dazwischen angeordnete Innenrohrschüsse
enthält, vermeiden, daß mehrere Rohrschüsse in eine Richtung wandern und dadurch
am anderen Ende ein unzulässig großer Spalt entsteht. Die vorgeschlagenen exzentrischen
Zapfen haben an einem Ende eine leicht kugelige Form,die in einer zylindrischen
Bohrung oder Buchse im Innenrohr geführt ist, und werden am Außenrohr exzentrisch
verstellbar befestigt. Somit kann dieser Zapfen in bezug auf das Außenrohr in axialer
Richtung verstellt werden. Daß durch diese exzentrische Verstellung das Innenrohr
auch etwas in Umfangsrichtung um seine Achse verdreht wird, stört nicht, da es im
wesentlichen rotationssymmetrisch gestaltet ist.
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Die im 5. Anspruch vorgeschlagene Anordnung der Rohrschüsse des Innenrohres
sorgt einerseits für eine exakte Einstellbarkeit jedes einzelnen Rohrschusses und
vermeidet Zwangskräfte durch evtl. unterschiedliche Einstellung benachbarter Rohrschüsse.
Da jeder einzelne Rohrschuß nur in einer Ebene an seinem einen Ende am Außenrohr
gelagert ist, kann er sich an seinem anderen Ende den Bewegungen des benachbarten
Rohrschusses anpassen. Auf diese Weise ist jeder Rohrschuß nur an
zwei
Punkten, nämlich den Kugeln in radialer Richtung festgelegt und gegenüber diesen
Kugeln in axialer Richtung fixiert.
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Die im 6. Anspruch vorgeschlagenen Laufflächen zwischen dem Innen-
bzw. Außenrohr und den Kugeln vermeiden eine aufwendige Bearbeitung der gesamten
Oberfläche des Innen- bzw. Außenrohres. Im Innenrohr können diese besonderen Laufflächen
in Form einer Scheibe in eine entsprechende radiale Bohrung im Innenrohr eingesetzt
werden. Am Außenrohr werden diese Laufflächen zweckmäßigerweise von dem für die
Kugeln vorgesehenen Käfig gehalten. Mit Hilfe dieser Laufflächen kann die im 1.
Anspruch bereits vorgeschlagene radial veränderbare Lage der Kugeln besonders günstig
realisiert werden.
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Diese Laufflächen können mit geringem Aufwand in mehreren unterschiedlichen
radialen Höhen hergestellt werden und am Außenrohr außerdem durch Unterlegen von
Blechen verschiedener Wandstärke angehoben werden.
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Die vorliegende Erfindung hat besondere Vorteile, wenn man, gemäß
einem bisher unveröffentlichten Vorschlag, zwischen dem Innenrohr und der Isolierung
einen über die ganze Länge der Rohrleitung durchlaufenden Spalt oder entsprechende
Kanäle vorsieht, die in Richtung eines im Innenrohr gegebenen Druckgefälles verlaufen.
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Dieser Vorschlag ging aus von der Erkenntnis, daß man bei einem aus
mehreren Rohrschüssen zusammengesetzten Innenrohr eine Gasströmung innerhalb der
Isolierung zwischen dem Innenrohr und dem Außenrohr nicht vermeiden kann. Wenn man
aber in der Nähe der heißen Innenwand Kanäle von ausreichendem Querschnitt vorsieht,
in denen sich ein in der Rohrleitung gegebenes Druckgefälle ausgleichen kann, dann
ist die weiter außen angeordnete Isolierung praktisch frei von Druckdifferenzen
und
wird daher auch nicht mehr von einem Teilstrom des heißen Gases durchströmt. Von
wesentlicher Bedeutung ist, daß die vorgeschlagenen Kanäle tatsächlich ungestört
über die gesamte Länge der Rohrleitung durchlaufen und alle im Innenrohr zwangsläufig
vorhandenen Spalte oder öffnungen miteinander verbinden. Der Querschnitt dieser
Kanäle muß so groß bemessen sein, daß der in ihnen zwangsläufig fließende Teilstrom
nur eine so geringe Geschwindigkeit hat, daß nur ein vernachlässigbares zweites
Druckgefälle in der angrenzenden Isolierung entsteht. Die zwangsläufig vorhandenen
radialen Spalte oder öffnungen im Innenrohr sollten einen möglichst geringen Querschnitt
aufweisen, um den in die Kanäle eindringenden Teilstrom zu begrenzen.
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Die Figuren 1 - 8 zeigen mögliche Ausführungsbeispiele der Erfindung.
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Figur 1 zeigt einen Längsschnitt durch eine waagerechte Rohrleitung
entsprechend Schnitt B-B in Figur 2.
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Figur 2 zeigt einen senkrechten Querschnitt entsprechend Schnitt A-A
in Figur 1.
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Figur 3 zeigt in einem gegenüber Figur 1 vergrößerten Maßstab ein
dort bereits dargestelltes Kugellager und zwar zur Hälfte als Schnitt und zur Hälfte
als Ansicht.
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Figur 4 zeigt eine Ansicht des in Figur 3 dargestellten Kugellagers
und zwar in radialer Richtung von innen nach außen betrachtet.
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Figur 5 zeigt ebenfalls in einem gegenüber Figur 2 vergröI3erten Maßstab
ein dort bereits dargestelltes
Gleitlager und zwar ebenfalls zur
Hälfte als Schnitt und zur Hälfte als Ansicht in Umfangsrichtung.' Figur 6 zeigt
das in Figur 5 dargestellte Gleitlager und zwar als Ansicht in radialer Richtung
von innen nach außen betrachtet.
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Figur 7 zeigt ebenfalls in einem gegenüber Figur 1 vergrößerten Maßstab
einen dort bereits dargestellten Zapfen zur axialen Fixierung des Innenrohres als
Schnitt.
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Figur 8 zeigt den in Figur 7 dargestellten Zapfen mit seiner Befestigung
am Außenrohr und als Ansicht in radialer Richtung von innen nach außen betrachtet.
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Die zwischen Außen- und Innenrohr vorgesehene Isolierung ist in allen
Figuren weggelassen.
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In den Figuren 1 und 2 ruht das Innenrohr 1, beispielsweise aus Graphit,an
seinem einen Ende auf zwei Kugeln 2, die von einem am Außenrohr 3 befestigten Käfig
4 gehalten werden. Am anderen Ende ruht das Innenrohr 1 in einer Ausdrehung des
benachbarten Innenrohres 1 oder am Ende der Rohrleitung in einem entsprechend geformten,
aber hier nicht näher beschriebenen Anschluß. An seinem oberen Umfang und zwar diametral
gegenüber den Kugeln 2 wird das Innenrohr 1 von zwei in radialer Richtung nachgiebigen
und in Längs- und Umfangsrichtung auf dem Innenrohr 1 gleitfXhigen Klötzen 5 gehalten,
die in am Außenrohr 3 befestigten Käfigen 6 geführt sind. In dem die Kugeln 2 schneidenden
Querschnitt ist außerdem für jedes Innenrohr 1 ein Zapfen 7 angeordnet, der, wie
in Figur 7 und 8 näher dargestellt, am Außenrohr 3
befestigt ist
und das Innenrohr 1 in axialer Richtung fixieren soll. Um das Material des Innenrohres
1 vor zu hohen örtlichen Belastungen zu schützen, kann zwischen dem Bolzen 7 und
der im Innenrohr 1 angeordneten Bohrung ein Druckring 8, beispielsweise aus Aluminiumoxyd
angeordnet werden. Damit das Innenrohr 1 nicht auf seinem ganzen Umfang bearbeitet
werden muß, ist sowohl zwischen den Kugeln 2 und dem Innenrohr 1 als auch zwischen
den Klötzen 5 und dem Innenrohr 1 jeweils eine Lauffläche 9 angeordnet, die in einer
entsprechenden flachen Bohrung im Innenrohr 1 angeordnet ist.
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Die Figuren 3 und 4 zeigen, wie die Kugel 2 zwischen dem Innenrohr
1 und dem Außenrohr 3 in einem Käfig 4 gehalten ist. Zwischen der Kugel 2 und dem
Innenrohr 1 ist eine beispielsweise aus Aluminiumoxyd hergestellte Lauffläche 9
und zwischen der Kugel 2 und dem Außenrohr 3 eine auch aus Metall herstellbare Lauffläche
10 angeordnet. Diese Laufflächen sollen in mehreren unterschiedlichen Stärken geliefert
werden, damit man mit ihrer Hilfe den radialen Abstand zwischen dem Innenrohr 1
und dem Außenrohr 3 bei der Montage verändern kann und damit das Innenrohr 1 gegenüber
dem Außenrohr 3 und gegenüber den benachbarten Innenrohren 1 ausrichten kann. Selbstverständlich
kann man den Abstand zwischen der Kugel 2 und dem Außenrohr 3 auch noch durch nicht
näher dargestellte Blechscheiben verändern, die ebenfalls von dem Käfig 4 gehalten
werden.
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Der Käfig 4 ist am Außenrohr 3 mit drei Schrauben 11 befestigt, die
in bekannter Weise durch ein umgebogenes Blech 12 gegen Verdrehung gesichert werden
können.
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Selbstverständlich sind an dieser Stelle auch Schweißkonstruktionen
möglich, die ein Anbohren des Außenrohres 3 vermeiden.
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Die Figuren 5 und 6 zeigen die Anordnung der Klötze 5, die in einem
am Außenrohr 3 befestigten Käfig 6 geführt sind und auf einer im Innenrohr 1 angeordneten
Lauffläche 9 in radialer und Umfangsrichtung gleiten können.
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Der Käfig 6 ist ebenfalls mit Schrauben 11, die durch umgebogene Bleche
12 gegen Verdrehen gesichert werden können, am Außenrohr 3 befestigt. Auch hier
sind selbstverständlich Schweißkonstruktionen möglich. Der rotationssymmetrische
Klotz 5 hat an seinem der Lauffläche 9 zugewandten Ende eine kugelige Fläche von
großem Radius und stützt sich über ein Paket von Tellerfedern 13 auf das Außenrohr
3 ab. Die Temperatur dieser Tellerfedern wird im wesentlichen durch die Temperatur
des gekühlten Außenrohres 3 bestimmt, Damit sie insbesondere bei der Montage nicht
in einem unzulässigen Maß zusammengedrückt werden können, hat der Klotz 5 an seinem
oberen Ende einen Absatz, mit dem er sich auf den Käfig 6 abstützen kann.
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Die Figuren 7 und 8 zeigen einen exzentrischen Zapfen 7, der an seinem
in das Innenrohr 1 ragenden Ende eine kugelige Form hat, soweit er mit einem, in
das Innenrohr 1 eingelegten Druckring 8 in Berührung kommen kann.
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An seinem anderen Ende hat dieser Zapfen die Form eines Kegelstumpfes,
dessen Mitte aber exzentrisch versetzt ist. Dieser Kegelstumpf wird durch qine am
Außenrohr 3 zu befestigende Halterung 14 zentrißrt und durch eine Halteplatte 15
von entsprechender konischer Ausdrehung festgehalten. Halterung 14 und Halteplatte
15 werden durch drei kurze Schrauben 16 zusammengehalten und mit drei langen Schrauben
17 am Außenrohr 3 befestigt.
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Alle Schrauben werden in bekannter Weise durch umgebogene Bleche 12
gegen Verdrehung gesichert wenn die Schrauben 16 und 17 nicht fest angezogen sind,
läßt sich der exzentrische Zapfen 7 drehen. Dabei beschreibt
die
Mitte des kugeligen Endes eine Kreisbahn und gestattet auf diese Weise, das Innenrohr
1 in axialer Richtung einzustellen. Die dabei gleichzeitig erfolgende Lageveränderung
des Innenrohres 1 in Umfangsrichtung ist ohne Bedeutung, da das Innenrohr 1 im wesentlichen
rotationssymmetrisch ausgeführt ist. In einer in bezug auf die Rohrleitung radialen
Richtung hat der Zapfen 7 genügend Abstand vom Innenrohr 1, da sich das Innenrohr
in dieser Richtung frei ausdehnen soll. Der Zapfen 7 ist aus einem Material von
hoher Temperaturbeständigkeit, wie z. B. Aluminiumoxyd hergestellt und hat zwischen
dem kegeligen und dem kugeligen Ende abgerundete Übergänge, so daß dort keine Spannungsspitzen
auftreten können. Der in Figur 7 dargestellte Druckring 8 ist vor allem dann von
Bedeutung, wenn das Material des Innenrohres 1 nur eine geringe zulässige Flächenpressung
aufweist, wie beispielsweise bei Graphit. Wenn das Innenrohr 1 aus einem keramischen
Material von höherer mechanischer Belastbarkeit besteht, kann man diesen Druckring
8 auch weglassen.