DD254056A5 - Schichtenweise aufgebaute auskleidung - Google Patents

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine schichtenweise aufgebaute Auskleidung zur Waermeisolierung von Kanal-, Rohr- und Behaelterwandungen, insbesondere zur Waermeisolierung der Abgaskanaele von Brennkraftmaschinen. Das Wesen der Erfindung besteht darin, dass mindestens eine Begrenzungswand mindestens einer Waermeisolationsschicht, insbesondere eines Luftspaltes (2), einer an der Innenwand (3) des zu waermeisolierenden Kanals angeordneten Auskleidung aus mindestens einer Stachelplatte (1) besteht, die mindestens einseitig mit von der Plattenoberflaeche abstehenden, nadelartigen abstandhaltenden Oberflaechenelementen versehen und entsprechend der jeweiligen geometrischen Ausbildung der zu isolierenden Kanalwand 3 als raeumliches Gebilde vorgeformt ist. Fig. 1

Description

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung bezieht sich auf eine schichtenweise aufgebaute Auskleidung zur Wärmeisolierung von Kanal-, Rohr- und Behälterwandungen, insbesondere zur Isolierung der Abgaskanäle von Brennkraftmaschinen, wie beispielsweise Dieselmotore.

Charakteristik des bekannten Standes der Technik

Es ist bekannt, daß bei Brennkraftmaschinen, insbesondere bei Dieselmotoren mit Aufladung, die den Verbrennungsraum verlassenden Abgase eine bedeutende Wärmeenergiemenge besitzen. Um die Wärmebelastung der Abgaskanäle des Zylinderkopfes und der Auspuffanlage auf ein vertretbares Niveau zu halten, werden diese Konstruktionsteile intensiv mit Wasser gekühlt und den Abgasen gleichzeitig eine bestimmte Wärmemenge entzogen. Bei Motoren mit Turboaufladung sind zwar die Abgasanlagen nur geringfügig wärmeisoliert, wogegen die Abgaskanäle des Zylinderkopfes und das Gasturbinengehäuse jedoch intensiv mit Wasser gekühlt werden. Durch diese Kühlprozesse werden den Abgasen hohe Wärmeenergiemengen, die einer nachfolgenden Nutzung verlorengehen, entzogen. Um Wärmeverluste zu vermeiden, sind bereits Isolierungen in Form von schichtenweise aufgebauten Wärmedämmen bekannt. Die HU-PS 99721 beschreibt zum Beispiel eine mit einer Luftschicht versehene Wärme- und Schallisolation, die aus zellenartigen Baueinheiten aufgebaut ist. Die einzelnen Baugruppen sind mit mindestens einer Wand in Richtung der Schichtendicke der Lufthülle versehen, wobei die Dicke der Luftschicht durch Abstandshalter gesichert wird. Mit dieser Lösung kann um ein mediumleitendes Rohr sogar eine mehrschichtige Wärme- und/oder Schallisolation aufgebracht werden.

Aus der DE-PS 2361036 ist ein schichtenweise ausgebildetes Wärmeisolationselement aus einer Kombination konzentrischer Rohrelemente bekannt, die um die mediumleitende Rohrleitung angeordnet werden. In den·zylinderringförmigen Zwischenräumen zwischen den einzelnen Rohrelementen befinden sich angestaute Luftschichten. Die Rohrelemente werden mittels Abstandshalter in ihrer radialen Lage festgehalten. Die Möglichkeit der Anordnung der in bestimmten Längen vorgefertigten Wärmeisolationselemente um verschieden lange Rohre und die erforderliche Dilatationsbewegungsfreiheit werden dadurch gesichert, daß das Längenmaß der Wärmeisolationselemente durch eine teleskopartige Ausbildung in bestimmten Grenzen veränderbar ist. Aus der GB-PS 1 283329 ist eine Wärmeisolation bekannt, welche als Rohrbündel mehrschichtig ausgebildet ist, wobei dieses Rohrbündel aus sich wabenförmig einander anpassenden Rohren besteht. Die Wärmeisolation wird vorrangig in Atomkraftwerken zur Isolierung von Rohren mit großem Außendurchmesser eingesetzt. Ein Vorteil dieser Lösung besteht darin, daß bei Einsatz einer relativ geringen Materialmenge eine ausgezeichnete Isolationswirkung erzielt wird, was dadurch noch gesteigert werden kann, daß nur ein geringer Anteil der Elemente der Wärmeisolation mit der heißen Wandfläche in Berührung steht.

Die oben erwähnten, bekannten schichtenweise aufgebauten Wärmedämme bzw. Wärmeisolierungen sind jedoch zur Wärmeisolierung von Kanälen bzw. Rohrleitungen mit Richtungsänderungen und Anschlußtstellen sowie Winkelrohren und räumlichen Gebilden nicht geeignet. Zur Wärmeisolierung der Innenfläche von relativ engen Kanälen sind sie ebenfalls nicht anwendbar, da sie einerseits einen großen Raumbedarf besitzen und andererseits gegenüber Druckbelastungen und dynamischen Belastungen nicht beständig sind. Ihre Montage erfordert gleichfalls einen großen Platz.

Die sekundäre Nutzung der in den Abgasen enthaltenden Wärmeenergie kann bedeutend erhöht werden, wenn es gelingt, die auf die Umgebung wirkende Wärmebelastung durch eine effektive Wärmeisolierung der abgasleitenden Kanäle, insbesondere Kanal-, Rohr- und Behälterwandungen bei bestmöglicher Bewahrung des Wärmegehaltes eines strömenden oder gespeicherten Mediums unter einem zulässigen Grenzwert herabzusetzen. Das Hauptproblem besteht darin, daß die abgasleitenden Kanäle im allgemeinen eine'komplizierte geometrische Linienführung mit einer Vielzahl von Krümmungen und Abzweigungen besitzen und im Innern von Guß- und andersartig gefertigten Körpern angeordnet sind. Infolgedessen sind sie sehr eng und in den meisten Fällen schwer oder überhaupt nicht zugänglich. In Strömungsmaschinen und insbesondere in Brennkraftmaschinen ist darüber hinaus für die strömenden Medien ein recht häufig pulsierender, ziemlich hoher innerer Druck charakteristisch, wodurch die Kanäle, insbesondere die Kanalwandungen einer hohen dynamischen Belastung ausgesetzt sind. Die Ausbildung von Auskleidungen, die den erwähnten dynamischen und Wärmebelastungen dauerhaft standhalten, einen geringen Platzbedarf erfordern, eine effektive Wärmeisolierung gewährleisten und in einem weiten Bereich einsetzbar sind, bereitet bis heute Schwierigkeiten.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist es, die sekundäre Nutzung der in den Abgasen von Brennkraftmaschinen enthaltenden Wärmeenergiemengen zu erhöhen und die Wärmebelastungen der abgasleitenden Baugruppen und Bauelemente entscheidend zu reduzieren.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Auskleidung der eingangs genannten Art zur Wärmeisolierung der Innenwände von mediumleitenden Kanälen mit komplizierter Linienführung zu entwickeln, die auch gegenüber hohen mechanischen und Wärmebelastungen eine lange Standzeit besitzt.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß mindestens eine Begrenzungswand mindestens einer Wärmeisolationsschicht, insbesondere eines Luftspaltes, einer an der Innenwand des zu wärmeisolierenden Kanals angebrachten Auskleidung aus einer Stachelplatte besteht, die mindestens einseitig mit von der Plattenoberfläche abstehenden, nadelartigen, abstandhaltenden Oberflächenelementen versehen ist und entsprechend der jeweiligen geometrischen Ausbildung der zu wärmeisolierenden Kanalwand als räumliches Gebilde vorgeformt ist.

Als vorteilhaft erwies sich eine Ausführungsform, bei der die Auskleidung mindestens zwei zueinander konzentrische Isolationsschichten, insbesondere Luftspalte besitzt, die voneinander durch ein zwischenliegendes Plattenelement aus einer Stachelplatte getrennt sind, wobei die Plattenoberfläche beidseitig mit abstehenden, nadelartigen abstandhaltenden Oberflächenelementen versehen ist.

Die der zu isolierenden Kanalwand am nächsten liegende Wärmeisolationsschicht, insbesondere die den Luftspalt begrenzende Stapelplatte kann unmittelbar an der Kanalwand öder gemäß einer weiteren Ausführungsform an einer, die Kanalwand umhüllenden Isolationseinlage abgestützt sein. Da die Abstützung nur auf die punktartige Oberfläche der Stachelspitzen begrenzt ist, bilden sich wärmeleitende Verbindungen nur an vernachlässigbar kleinen Flächen aus. Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung ist die innerste Schicht der Auskleidung, die mit dem im Kanal strömenden Medium unmittelbar in Kontakt kommt, eine glatte, vorzugsweise mit geläppter Oberfläche versehene, wärmebeständige Auskleidungsplatte. Um eine gegenüber Erosionen besonders widerstandsfähige Auskleidung zu erreichen, ist es vorteilhaft, die mit dem strömenden Medium direkt in Kontakt stehende Innenfläche der Auskleidungsplatte mit einem wärmebeständigen, keramischen Belag zu versehen.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist in den jeweiligen Wärmeisolätionsschichten, insbesondere im Luftspalt zwischen der jeweiligen Auskleidungsplatte und der zu dieser am nächsten liegenden Stachelplatte bzw. der Isolationseinlage eine wärmeisolierende Einsatzschicht angeordnet.

Vorteilhafterweise ist die an der Innenfläche eines Kanals angebrachte Auskleidung entlang der Einlaufkanten des mediumleitenden Kanals mit einer den Strömungswiderstand verringernden radialen Abrundung versehen. Die Wärmeisolationsfähigkeit der Auskleidung kann noch dadurch gesteigert werden, daß mindestens eine Oberfläche mindestens einer Stachelplatte geläppt bzw. poliert ist. Insbesondere bei längeren Kanälen ist es von Vorteil und in einigen Fällen sogar erforderlich, daß zumindest in den Stachelplatten Dilatationsspalten vorgesehen sind, die in Längs- und in Mantelrichtung verlaufen.

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden. In den dazugehörigen Zeichnungen zeigen:

Fig. 1: eine auf die Innenfläche eines im wesentlichen zylinderförmigen Kanals aufgebrachte Auskleidung nach der

Erfindung, Fig. 2 bis 4: weitereAusführungen der erfindungsgemäßen Auskleidung und ihre Anordnung auf der Innenfläche eines

Kanales, Fig. 5: die gewalzten Stachelplatten mit einseitig und zweiseitig abstehenden, hadelartigen abstandshaltenden

Oberflächenelementen im Schnitt,

Fig. 6: eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Auskleidung,

Fig. 7: einen zur Mediumströmungsrichtung senkrechten Schnitt durch die an der Innenwand eines Kanals anliegende

Auskleidung,

Fig. 8 und 9: die Ausbildung und Anordnung von Dilatationsfugen in längeren, stetigen Kanalabschnitten. In den Figuren 1 bis 4 und 6 sind verschiedene Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen, schichtweise aufgebauten Auskleidung im Halbschnitt dargestellt, die insbesondere zur innenwandigen Wärmeisolierung von mediumleitenden Kanälen mit Kreisprofil geeignet sind. Wie aus Fig. 1 hervorgeht, ist an der Kanalwand 3 eines Kanals von Innen mit Hilfe entsprechender Werkzeuge eine sich der Kanalwand anpassende, im wesentlichen auf eine Zylinderform vorgeformte erste Stachelplatte 1 angeordnet, und auf dieser eine ebenfalls zylindrisch vorgeformte zweite Stachelplatte 1 angebracht. Am rechten Einlaufende des Kanals sind die Stachelplatten 1 wieder in Richtung der Einlauf kante abgerundet und miteinander verschweißt. Der Rand der mit der Kanalwand 3 unmittelbar in Berührung stehenden ersten Stachelplatte 1 ist in einer in der Kanalwand 3 ausgebildeten stufenartigen Ausnehmung eingepaßt. Auf diese Weise entstehen zwischen der Kanalwand 3 und der ersten Stachelplatte 1 sowie zwischen der letztgenannten und der inneren zweiten Stachelplatte 1 als Wärmeisolationsschicht dienende Luftspalte 2, die gegenüber dem im Kanal strömenden heißen Gasmedium, insbesondere Abgase, gasdicht abgeschlossen sind. Durch die an der Einlaufkante ausgebildete Abrundung der inneren Stachelplatte 1 mit dem Radius r wird der Strömungswiderstand auf vorteilhafte Weise verringert.

Fig. 2 zeigt eine ähnliche Ausbildung, bei der jedoch die erste Stachelplatte 1 nicht unmittelbar an der Kanalwand 3 anliegt, sondern an einer in die Kanalwand eingepaßten und eine weitere Wärmeisolationsschicht bildenden Isolationseinlage 4. Bei der Ausführung nach Fig. 3 ist zwischen der unmittelbar an der Kanalwand 3 anliegenden Stachelplatte 1 und einer entlang der Einlaufkante an der letzteren durch Schweißen befestigten Auskleidungsplatte 6, deren Durchmesser in ihrem zylindrischen Bereich kleiner als der der Stachel platte 1 ist, als zusätzliche Wärmeisolationsschicht eine Einsatzschicht 5 vorgesehen. Auch bei dieser Ausführung bildet der Luftspalt 2 zwischen der Kanalwand 3 und der Stachelplatte 1 eine äußerst effektive Wärmeisolationsschicht.

Die in Fig. 1 bis 3 verwendeten Stachelplatten 1 werden, ausgehend von einem glatten Plattenmaterial, mittels Preßverfahren hergestellt. Die von der Plattenoberfläche abstehenden, nadelartigen abstandhaltenden Öberflächenelemente werden mit Hilfe eines entsprechenden Formwerkzeuges aus dem Plattenmaterial herausgepreßt.

Die in Fig.4 verwendete Stachelplatte 7 wurde nach dergleichen Technologie hergestellt, wobei jedoch in beiden Plattenseiten abstehende, nadelartige abstandhaltende Ob.erflächenelemente vorhanden sind. Bei dieser Konstruktion stützen sich die Stacheln der Stachelplatte 7 einerseits unmittelbar an der Kanalwand 3 und andererseits an einer Auskleidungsplatte 6 ab, wodurch zu beiden Seiten der Stachelplatte 7 ein als Wärmeisolationsschicht dienender Luftspalt 2 entsteht. In Fig. 5 sind die Schnittskizzen von Stachelplatten 9 und 10 dargestellt, die abweichend von der oben beschriebenen Technologie durch Walzen hergestellt wurden. Die Stachelplatte 9 ist einseitig mit abstehenden nadelartigen Oberflächenelementen versehen, während die Stachelplatte 10 auf beiden Plattenoberflächen diese Elemente aufweist. In Fig. 6 ist ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Auskleidung dargestellt, die eine gewalzte Stachelplatte 10 verwendet. Der konstruktive Aufbau dieses Beispieles entspricht dem in Fig. 4. Eine Auskleidung mit einer besonders widerstandsfähigen und verschleißfesten Oberfläche gegenüber Erosionen und einer verbesserten Wärmeisolationswirkung kann dadurch erreicht werden, daß die innere, mit dem strömenden Medium in Kontakt kommende Fläche der Auskleidungsplätte 6 mit einem keramischen Belag 8 versehen wird. Die wärmeisolierenden Eigenschaften der erfindungsgemäß ausgebildeten Auskleidung kann durch weitere, an sich bekannte Maßnahmen, wie z. B. durch Läppen der Plattenoberflächen und die entsprechende Auswahl der verwendeten Materialien, weiter verbessert werden. .

Das Material der Stachelplatten 1 kann z. B. wärmebeständiger Stahl sein. Gegebenenfalls können auch andere Werkstoffe, wie beispielsweise wärmebeständiger Kunststoff verwendet werden. Das Gleiche gilt auch für die Materialwahl der Isolationseinlage 4 und der Auskleidungsplatte 6. Als Einsatzschicht 5 kann z. B. Mineralwolle oder Kunststoff schaum eingesetzt werden.

Da sich unter Betriebsbedingungen die an der Kanalwand 3 anliegende Auskleidung aufwärmt, ist es vorteilhaft und gegebenenfalls notwendig, für die schichtenweise angeordneten Plattenelemente der Auskleidung eine Dilatationsbewegung in Mantelrichtung und in Längsrichtung zu gewährleisten. Zu diesem Zwecke werden durch Aufschneiden der Stachelplatteneinlage in Richtung der Mantellinie und durch einen vorgepreßten Überlappungsbereich in der Auskleidungsplatte Dilatationsspalten 11 ausgebildet — Fig.7.

In Fig. 8 ist eine Ausführung dargestellt, bei der in den erwähnten Plattenelementen 7 längsgerichtete Dilatationsspalten 11 durch längsgerichtete Unterbrechungen der Kontinuität dieser Elemente geschaffen werden. Um ein Eindringen des strömenden heißen Mediums in die Luftspalten der Auskleidung zu vermeiden, wird ein gasdichter, membranartiger Flansch eingebaut. Dadurch erhöht sich natürlich der Strömungswiderstand. Aus diesem Grunde wird diese Lösung für die Nachrüstung, d.h. zur Auskleidung bereits vorhandener Kanäle eingesetzt. Für Kanäle, für die bereits bei der Projektierung eine Auskleidung vorgesehen wird, ist die Ausbildung gemäß Fig. 9 vorteilhaft. Bei dieser Ausführung ist der Membranflansch,der den Dilatationsspalt 1T der Auskleidungsplatte gasdicht abschließt, in einer Ausweitung der Kanalwand angeordnet, so daß der freie Durchströmungsquerschnitt des Kanales nicht verengt wird.

Durch die erfindungsgemäße Lösung erhöht sich beispielsweise die in den Turboauflader aus dem Motor eingeführte Wärmemenge um 10 bis 15%. Dadurch liefert der Turboauf lader eine größere Luftmenge mit höherem Druck in die Zylinder des Motors. Im Ergebnis dessen verringert sich einerseits der spezifische Kraftstoffverbrauch, andererseits verringert sich die Wärmebelastung der Konstruktionsteile des Motors, wodurch sich die Lebensdauer des Motors verlängert. Durch die den Motor zugeführte größere Luftmenge mit höherem Druck besteht die Möglichkeit, die Motorleistung zu steigern. Gleichzeitig ergeben sich weitere Möglichkeiten zur sekundären Nutzung des noch immer hohen Wärmegehaltes der Abgase von Hochleistungsmotoren, die in Großanlagen oder Fahrzeugen, z. B. Dieselmqtorschiffen, eingebaut sind! Die sekundäre Wärmeenergie kann z. B. für Hilfsantriebe, zum Betreiben von zusätzlichen Vorrichtungen oder zur Aufbereitung von Warmwasser und Dampf genutzt werden.

Claims (10)

1. Schichtenweise aufgebaute Auskleidung zur Wärmeisolierung von Kanal-, Rohr- und Behälterwandungen, insbesondere zur Isolierung der Abgaskanäle von Brennkraftmaschinen, die mindestens ein die Kanalwand umgebendes Plattenelement und mindestens eine, zur Leitlinie des zu isolierenden Kanals konzentrisch angeordnete Wärmeisolationsschicht aufweist, wobei die Wärmeisolationsschicht ein, mit angestauter Luft, einem Gas oder einem anderen wärmeisolierenden Material ausgefüllter, im wesentlichen geschlossener Raum ist, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine Begrenzungswand mindestens einer Wärmeisolationsschicht, insbesondere eines Luftspaltes (2), der an der Innenwand des zu wärmeisolierenden Kanals angebrachten Auskleidung aus mindestens einer, der jeweiligen geometrischen Innenkontur der zu isolierenden Kanalwand angepaßten Stachelplatte (1,7,9,10) besteht, mit mindestens einseitig abstehenden, nadelartigen, abstandhaltenden Oberflächenelementen versehen ist.

2. Auskleidung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei zueinander konzentrisch angeordnete Wärmeisolationsschichten, insbesondere Luftspalten (2) vorgesehen sind, die voneinander durch ein Plattenelement aus einer Stachelplatte (7,10) getrennt sind, und die Plattenoberfläche beidseitig mit abstehenden, nadelartigen, abstandhaltenden Oberflächenelementen versehen ist.

3. Auskleidung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Stachelplatte (1,7,10), die den unmittelbar an der Kanalwand (3) befindlichen Luftspalt (2) begrenzt, direkt an der Kanalwand (3) abgestützt ist. '

4. Auskleidung nach Anspruch 1 oder 2,dadurch gekennzeichnet, daß die den Luftspalt (2) begrenzende Stachelplatte (1) an einer die Kanalwand (3) umhüllenden Isolationseinlage (4) abgestützt ist.

5. Auskleidung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die mit dem im Kanal strömende Medium in Kontakt kommende innerste Schicht eine wärmebeständige Auskleidunsplatte (6) mit mindestens einer glatten, vorzugsweise geläppten Oberfläche ist.

6. Auskleidung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die unmittelbar mit dem strömenden Medium in Kontakt kommende Innenfläche der Auskleidungsplatte (6) mit einem wärmebeständigen keramischen Belag (8) versehen ist.

7. .Auskleidung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß in den Isolationsschichten, insbesondere im Luftspalt (2) zwischen der Auskleidungsplatte (6) und der zu dieser am nächsten liegenden Stachelplatte (1) bzw. der Isolationseinlage (4) eine wärmeisolierende Einsatzschicht (5) angeordnet ist.

8. Auskleidung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß entlang der Einlaufkanten des mediumleitenden Kanals den Strömungswiderstand herabsetzende Abrundungen mit dem Radius (r) ausgebildet ist.

9. Auskleidung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine Oberfläche der Stachelplatte (1,7,9,10) geläppt ist.

10. Auskleidung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß in den Isolationsschichten Dilatationsspalten (11), die in Längsrichtung und in Mantelrichtung verlaufen, vorgesehen sind.

Hierzu 3 Seiten Zeichnungen