Rohranordnung für Hochtemperatur-Hochdruck-Wärmeaustauscher.
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Rohranordnung für Hochtemperatur-Hochdruck-Wärmeaustauscher
mit einem ein durchströmendes Medium aufnehmenden und von der hohen Temperatur isolierenden
Metallrohr und einem hierzu konzentrischen Schutzrchr, wobei das äußere der beiden
Rohre eine kleinere Wärmedehnungszahl als das innere Rohr hat, derart, dai3 bei
der Betriebstemperatur die beiden Rohre in feste, wärmeübertragende Berührung miteinander
gepreßt werden. An Wärmeaustauscher werden immer höt-iere Anforderung bezüglich
der Betriebstemperaturen und Drücke gestellt, da bei IWärmekraftmaschinen und Kraftwerken
ebenfalls der Trend zu höheren Betriebstemperaturen besteht, um den thermischen
Wirkungsgrad zu erhöhen. Der Erhöhung der Betriebstemperatur "on Vhirmeaustauschern
sind jedoch Grenzen gesetzt, cfa sonst bestimmte Teile der '.Wärrneaustauscher,
z.B. Kanäle, Röhren oder Strömungswege, höheren Temperaturen ausgesetzt werden als
die gewöhnlich hierfür verwendeten Metalle aushalten können. Oft werden die Verhältnisse
noch durch eine korrosive Atmosphäre erschwert, durch die die Standzeit der verwendeten
Metallteile unerwünscht verringert wird. Aus der USA-Patentschrift 2 476 666 ist
bereits eine Rohranordnung der eingangs genannten Art bekannt, die aus einem dickwandigen
druckfesten Innenrohr aus kriechfestem Chromnickelstahl und einer unter Spannung
aufgebrachten dünnen Außenhülle aus korrosionsbeständigem Chromstahl besteht. Die
Belastung muß also ausschließlich vom Innenrohr aufgenommen werden, die dünne außen-
:hülle
dient nur zum Schutz gegen Korrosion. Tube arrangement for high temperature high pressure heat exchangers. The present invention relates to a tube arrangement for high-temperature high-pressure heat exchangers with a metal tube that receives a flowing medium and insulates from the high temperature and a protective tube concentric thereto, the outer of the two tubes having a lower coefficient of thermal expansion than the inner tube, such that at the operating temperature, the two tubes are pressed into firm, heat-transferring contact with one another. Increasingly higher demands are placed on heat exchangers with regard to the operating temperatures and pressures, since there is also a trend towards higher operating temperatures in thermal engines and power plants in order to increase the thermal efficiency. However, there are limits to the increase in the operating temperature of Vhirmeaustauschern, otherwise certain parts of the heat exchanger, such as channels, tubes or flow paths, can withstand higher temperatures than the metals usually used for this purpose The US patent 2,476,666 already discloses a pipe arrangement of the type mentioned above, which consists of a thick-walled pressure-resistant inner pipe made of creep-resistant chrome-nickel steel and a thin outer shell made of corrosion-resistant chrome steel, which is applied under tension The load must therefore be absorbed exclusively by the inner tube, the thin outer shell only serves to protect against corrosion.
i i Es ist ferner aus der deutschen Patentschrift 407 295 bei kannt,
Kesselverdampfungsröhre zum Schutz gegen Verbrennung mit ;einer Umkleidung aus geteilten
Rohren aus Schamotte zu umgeben, die durch Abstandsringe aus Asbest in einer bestimmten
Entfernung von den Verdampfungsrohren gehalten und durch äußere Klemmringe j 'zusammengepreßt
werden.i i It is also known from German Patent 407 295,
Boiler evaporation tube for protection against combustion with; a casing made of divided
Fireclay pipes surrounded by asbestos spacer rings in a given
Maintained distance from the evaporation tubes and compressed by external clamping rings j '
will.
Aus der französischen Patentschrift 1 411 760 ist es schließ-' lieh
bekannt, Wärmetauscherrohre zur Verhütung von Korrosion mit dünnen Schutzrohren
aus Keramik oder Metall zu umgeben, die zur Vermeidung übermäßiger Beanspruchung
einen Längsschlitz aufweisen können.From French patent specification 1 411 760 it is finally 'borrowed
known, heat exchanger tubes to prevent corrosion with thin protective tubes
made of ceramic or metal surround to avoid excessive stress
may have a longitudinal slot.
Eine Abstützung und damit Erhöhung der Druckfestigkeit der geschützen
Innenrohre durch die äußeren Schutzrohre ist auch bei den beiden letzterwähnten
bekannten Anordnungen nicht beabsichtigt und auch wegen des geteilten Aufbaues bzw.
der Dünnwandigkeit gar nicht möglich.A support and thus an increase in the compressive strength of the protected
Inner tubes through the outer protective tubes is also the case with the last two mentioned
known arrangements not intended and also because of the divided structure or
the thinness not possible at all.
Durch die vorliegende Erfindung soll dagegen eine Rohranordnung für
Hochtemperatur-Hochdruck-Wärmeaustauscher angegeben werden, die auch bei außergewöhnlich
hohen Temperaturen und Drücken eine sehr hohe Kriechfestigkeit aufweist. Diese Aufgabe
wird gemäß der Erfindung bei einer Rohranordnung der eingangs angegebenen Art dadurch
erreicht, daß das Schutz-.rohr aus einer das Metallrohr gegen Druck abstützenden
Keramikrohranordnung besteht und daß die beiden Rohre so bemessen sind, daß `im
kalten Zustand zwischen ihren Wänden ein Trennspalt besteht, der bei der vorgesehenen
Betriebstemperatur durch die erhöhte Wärmeausdehnung des inneren Rohres geschlossen
wird. Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen
gekennzeichnet.By contrast, the present invention is intended to provide a pipe assembly for
High temperature high pressure heat exchangers can be specified which are also exceptional
has a very high creep resistance at high temperatures and pressures. This task
is characterized according to the invention in a pipe arrangement of the type specified
achieves that the protective .pipe consists of a metal pipe which supports against pressure
Ceramic tube arrangement and that the two tubes are dimensioned so that `im
In the cold state there is a separating gap between their walls, which in the case of the intended
Operating temperature closed by the increased thermal expansion of the inner tube
will. Further developments and refinements of the invention are set out in the subclaims
marked.
Die Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung
mit der Zeichnung näher erläutert, es zeigen: Fig. 1 eine Querschnittsansicht einer
bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, die eine innere im Betrieb erhitzte Metallröhre
und äußere, stumpf verbundene Keramikmantelabschnitte =
bei der
anfänglichen Montage zeigt; Fig. 2 eine Darstellung der Anordnung gemäß Fig. 1 im
Be-1 trieb bei hohen Temperaturen; die Verhältnisse sind dabei etwas ;übertrieben
dargestellt; i Fig. 3 eine ebenfalls etwas übertriebene Darstellung der in I @Fig.
2 gezeigten Anordnung im wieder abgekühlten Zustand; Fig. 4 eine Querschnittsansicht
einer anderen bevorzugten Verbindungsanordnung, die für die Mantelabschnitte der
in Fig. 1 dargestellten Anordnung verwendet werden kann; Fig. 5 eine Querschnittsansicht
einer weiteren bevorzugten Verbindungsanordnung; Fig. 6 eine Schnittansicht einer
Muffenverbindung gemäß eine-Abwandlung der in Fig. 4 dargestellten Anordnung; Fig.
7 eine Schnittansicht einer Uberlappungsverbindung f'i_ir die Mantelabschnitte der
Fig. 4; Fig. 8 eine Schnittansicht einer Abwandlung der in FiE. 5 dargestellten
Verbindungsanordnung; Fig. 9 eine Schnittansicht einer Verbindunt_sansicht, die
einen geteilten Ring: enthält;
Fig. 10 eine beispielsweise, schematische Darstellung eines
Gasturbinenkreises, beidem die beschriebenen Bohranordnungen
mit
besonderem Vorteil verwendet werden können;
Fig. 11 eine teilweise geschnittene, teilweise wegmebrochene
Darstellung einer Rohranordnung ;YFmä_r? der T- i-f'induni#,
ciie vertikal
verläuft und mit einer Spannhalterungsanordnung -ier@-,ehen
ist;
Fig. 12 eine Abwandlunr der in Fig. 11 dargestellten Anord-
nung mit einer Balgen enthaltenden Spannhalterung;
Fig. 13 eine Abwandlung der in Fig. 12 dargestellten f@nord-
nung mit einer eine Feder enthaltenden Spannhalterung;
FiF°-. 14 eine schematische Darstellung einer Ha1_`.erungs-
oder
Verbindungsanordnung für benachrarte Röhren und
Fi::. Ih eine Vertikalschni:`:ansiciit der in Fig. 14 gezeigten
Anordnunr.
Die Erfindung läßt sich beispielsweise bei einem Kraftwerk
verwenden, das eine Gasturbine in Verbindung mit einer Dampftur-
bine enthält, deren Betriebsdampf durch die Abwärme der Gasturbine
erzeugt wird. Die Gasturbine arbeitet mit einer hohen Einlaßtem-
'peratur von etwa 870 oC, wobei die Enthalpie des durch
Verbrennuni
erzeugen heißen Betriebsmittels gut ausgenutzt wird und der
nicht
in Arbeit umgesetzte Rest der Enthalpie mit genügend hoher
Tempe-
ratur zur Verfügung steht,-um zur Dampferzeugung nutzbar gemacht
j
werden zu können. Solche Gasturbinen sind für die erste Stufe
der
Energieerzeugung sehr gut gecignet,`da sie technisch ausgereift
I
sind. Ein Hindernis für einen Einsatz einer Garturbine in der
be-
schriebenen Art j)estand jedoch bisher darin, daß bei der Erzeu-
gung ihres Antriebsmittels durch eine Kohle- oder Rückstandölfeue-
ru.ng, also mit Brennstoffen, die für eine Dampferzeugung in
großem
Maßstar wirtsehaft_t ich sind, Schwierigkeiten auftraten. Bei
einer
Kohlefeueriuig besteht das Hauptproblem darin, Eine Beschädigung
ier Beschaufclun- und anderer Teile der, Turbine durch Erosion
oder=
Ahlagerungen zu verhindern, die durch geschmolzene Asche verur-
.sacht werden, welche Alkalisulfate und etwas Vanadiumoxyd
enthält.1
Bei Olfeuerung tritt bei hohen Temperaturen eine starke Korrosion
durch Vanadium enthaltende komplexe Rückstände auf. Eine Lösung
1ii- diese Schwierigkeiten besteht darin, einen Strahlungs-Wärme-
austa.uscr_er° zu ierwenden, durch den die Wärme von der unter
Atmos-
phärendruck brennenden Kohle- gier Ölflamme auf unter hohem
Druck
stehenge iuf t `ibertra en wird, die als Antriebsmittel
für die Gas-
`_urbine verwendet c#:i.rd. Der Wärmeaustauscher kann als primäre
'@ärmeauelle im Zyki_us und auch zur Wiedergewinnung von Abwärme
im
Auslaß verwendet werden. Wärmeaustaus2t:er erlauben auch die
An-
wendung °esch lossenpr Gasturbinenkreisläufe, die bei vielen
Anwen-
dungen weitere Verteile mit sich bringen.
Beim Einsatz eines Wärmeaustauschers für den erwähnten Zweck wird eine Auslalitemperatur
in der Größenordnung von 870 °C entsprechenider Einlafc#temperatur der derzeit gebräuchlichen
Gasturbinen gefordert, Temperaturen bis über 980 °C sollen dabei noch im Bereich
des Möglichen liegen, um einer zukünftigen Entwicklung Rechnung zu tragen. Die ;zblichen
aus Edeistahl bestehenden Wärmeaustauscher können im allgemeinen jedoch nur bis
etwa 650 °C verwendet werden. Nur .Superlegierungen, die einen großen Anteil an
besonderen
Werkstoffen, wie Kobalt und Niob enthalten, haben bei solchen extremen Temperaturen
eine ausreichende Dauerstandfestigkeit, sie sind jedoch zu teuer um allgemein für
Wärmeaustauscher verwendet werden zu können. Da die Abmessungen des Wärmeaustauschers
aus Kostengründen so klein wie möglich gehalten werden sollen, muß die Temperaturdifferenz
zwischen der Röhrenwand und der zu erhitzenden Luft groß sein. Die Betriebstemperaturen
der Wärmeaustauscherröhren sollen daher in der u'rö3enordnung von 1100 bis über
1200 °C liegen. Diesen außerordentlich hohen Temperaturen vermögen auf die Dauer
nur hochwarmfeste Werkstoffe wie Aluminiumoxyd, Magnesiumoxyd, Mullit und Siliciumcarbid
zu widerstehen, die bei diesen Temperaturen noch nicht kriechen, nicht oxydieren
und durch die Verbrennungsprodukte von Kohle nicht angegriffen werden; diese
Materialien sind jedoch im allgemeinen etwas porös und lassen sich mit bisher bekannten
Verfahren praktisch nicht wirtschaftlich in die Form brauchbarer Wärmeaustauscheranordnungen,
die einen hohen Wirkungsgrad gewährleisten, bringen.
a@@r @@i die in Fig. 1
Diese und andere. Sohwieric;keiten werdr-;-i
dargestellte Ausführungsform der Erfindung vermieden, da die
ge-
zeigte Wärmeaustauscherrohranordnung 10 auch den oben erwähnten
extremen Bedingungen standhält. Die Anordnung 10 enthält eine
Metallröhre 11 aus einem oxydationsbeständigen Werkstoff hoher
Festigkeit, z.B. rostfreiem Stahl oder einer unter dem Namen
Ineonel bekannten Nickel-Legierung. Die Röhre 11 wird von einem
oder mehreren Mantelabschnitten oder Rohrstücken 12, 12' usw.
konzentrisch umgeben, welche gewöhnlich aus einem keramischen
Werkstoff, z.B. Siliciumcarbid verschiedenster Art bestehen,
z.B.
tongebundenem, nitridgebundenem oder selbstgebundenem Silicium-
carbid.
Der Keramikmantel 12 gewährleistet bei den hohen Temperaturen eine genügende Festigkeit
und verhindert ein Bersten der unter hohem Innendruck stehenden inneren Röhre 11
infolge ungeni_lgender Dauerstandfestigkeit (Kriechen). Die innere Röhre 11 dient
als gasdichtes Futter, das sich leicht mit üblichen Verteilern oder Armaturen verbinden
läßt. Die angegebene Anordnung macht gleichzeitig die komplementären Eigenschaften
von metallisehen
und keramischen Werkstoffen nutzbar, nämlich daß
erstens (Metalle leicht verarbeitet und zu einer dichten Anordnung verschweißt werden
können, während sie bei hohen Temperaturen keine j ausreichende Dauerstandfestigkeit
haben und daß zweitens keramische Werkstoffe schwer zu verarbeiten und schwer dicht
zu verbin-' den sind, während sie gleichzeitig bei hohen ,Temperaturen ausgezeichnete
Festigkeitseigenschaften aufweisen. Ein weiterer Vorteil der Verwendung einer inneren
Metallröhre in Kombination mit einem äußeren Keramikmantel besteht darin, daß die
verschieden-( sten Metalle für die Wärmeaustauscherröhren unter Bedingungen ver-@
wendet werden können, bei denen ohne zusätzliche Unterstützung Brüche infolge der
unzureichenden Dauerstandfestigkeit auftreten würden. Die beschriebene Kombination
genügt den oben geschilderten Anforderungen, da der keramische Mantel 12 die Metallröhre
11 wirksam gegen den im Inneren dieser Röhre herrschenden Druck abstützt und sie
außen gegen die Einwirkung von Verbrennungsprodukten schützt. Außerdem kann man
die Wanddicke der Metallröhre 11 im Vergleich zu einer nichtunterstützten Röhre
wegen der Abstützung durch die Keramikumhüllung verringern.The invention is explained in more detail by means of exemplary embodiments in connection with the drawing, in which: FIG. 1 shows a cross-sectional view of a preferred embodiment of the invention, which shows an inner metal tube heated during operation and outer, butt-connected ceramic jacket sections = during initial assembly; FIG. 2 shows an illustration of the arrangement according to FIG. 1 in operation at high temperatures; the circumstances are somewhat exaggerated; i Fig. 3 is also a somewhat exaggerated representation of the in I @Fig. 2 arrangement shown in the cooled state again; Figure 4 is a cross-sectional view of another preferred connector arrangement that can be used for the shell portions of the arrangement shown in Figure 1; Fig. 5 is a cross-sectional view of another preferred connection arrangement; 6 shows a sectional view of a socket connection according to a modification of the arrangement shown in FIG. 4; 7 shows a sectional view of an overlap connection for the jacket sections of FIG. 4; 8 is a sectional view of a modification of the FIG. 5 shown connection arrangement; Fig. 9 is a sectional view of a connection view including a split ring; 10 shows an example, schematic representation of a
Gas turbine circle, both with the drilling arrangements described
can be used with particular advantage;
11 shows a partially sectioned, partially broken away
Representation of a pipe arrangement; YFmä_r? the T-i-f'induni #, ciie vertical
runs and is -ier @ -, ehen with a tensioning bracket assembly;
FIG. 12 shows a modification of the arrangement shown in FIG.
tion with a clamping bracket containing bellows;
Fig. 13 shows a modification of the f @ north shown in Fig. 12
tion with a tensioning bracket containing a spring;
FiF ° -. 14 a schematic representation of a Ha1_`.erungs- oder
Connection arrangement for adjacent tubes and
Fi ::. Ih a vertical section: from that shown in Fig. 14
Arrangement no.
The invention can be applied, for example, to a power plant
use that a gas turbine in connection with a steam turbine
bine whose operating steam is produced by the waste heat from the gas turbine
is produced. The gas turbine works with a high inlet temperature
'temperature of about 870 oC, the enthalpy of the combustion caused by the uni
generate hot equipment that is well utilized and that is not
the rest of the enthalpy converted into work at a sufficiently high temperature
temperature is available, -to be made usable for steam generation j
to be able to. Such gas turbines are for the first stage of the
Energy production very well suited, because it is technically mature I
are. An obstacle to the use of a cooking turbine in the
described in type j), it has so far been that in the production
their propulsion means by a coal or residue oil fire
ru.ng, that is, with fuels that are used to generate steam on a large scale
I am a star in business, difficulties arose. At a
Coal fire is the main problem with damage
ier Beschaufclun- and other parts of the, turbine by erosion or =
To prevent deposits caused by melted ash
.be careful which alkali sulfates and some vanadium oxide contains. 1
In the case of oil firing, severe corrosion occurs at high temperatures
due to complex residues containing vanadium. A solution
1ii- this difficulty consists in a radiation-heat-
austa.uscr_er °, through which the heat from the
Spherical pressure burning coal- greed oil flame on under high pressure
stand close IUF t `ibertra s is that as the drive means for the gas
`_urbine uses c #: i.rd. The heat exchanger can be used as primary
'@ ärmeauelle in the Zyki_us and also for the recovery of waste heat in the
Outlet can be used. Heat exchange: they also allow the
application ° esch lossenpr gas turbine circuits, which are used by many
applications bring further distributions with them.
When using a heat exchanger for the above-mentioned purpose, an outlet temperature of the order of magnitude of 870 ° C is required, which corresponds to the inlet temperature of the gas turbines currently in use, while temperatures of over 980 ° C should still be within the range of possible in order to take future developments into account . The heat exchangers, for example made of stainless steel, can generally only be used up to about 650.degree. Only .Super alloys that contain a large proportion of special materials such as cobalt and niobium have sufficient creep strength at such extreme temperatures, but they are too expensive to be used in general for heat exchangers. Since the dimensions of the heat exchanger should be kept as small as possible for reasons of cost, the temperature difference between the tube wall and the air to be heated must be large. The operating temperatures of the heat exchanger tubes should therefore be in the order of 1100 to over 1200 ° C. These extremely high temperatures can withstand that do not crawl at these temperatures do not oxidize and are not attacked by the combustion products of coal only high temperature resistant materials such as aluminum oxide, magnesium oxide, mullite and silicon carbide in the long run; however, these materials are generally somewhat porous and practically not economically feasible using previously known methods in the form of useful heat exchanger arrangements which ensure a high degree of efficiency. a @@ r @@ i those in Fig. 1
These and others. Sohwieric; keiten werdr -; - i
illustrated embodiment of the invention avoided because the ge
Figure 10 shows the heat exchanger tube assembly 10 also mentioned above
withstands extreme conditions. The arrangement 10 includes a
Metal tube 11 made of an oxidation-resistant material high
Strength, e.g. stainless steel or one under the name
Ineonel well-known nickel alloy. The tube 11 is from a
or several jacket sections or pipe sections 12, 12 ', etc.
concentrically surrounded, which usually consist of a ceramic
Material such as silicon carbide of various types exist, for example
clay-bonded, nitride-bonded or self-bonded silicon
carbide.
The ceramic jacket 12 ensures sufficient strength at the high temperatures and prevents the inner tube 11, which is under high internal pressure, from bursting as a result of inadequate fatigue strength (creep). The inner tube 11 serves as a gas-tight lining which can easily be connected to conventional manifolds or fittings. The specified arrangement simultaneously makes the complementary properties of metallic and ceramic materials usable, namely that first (metals can be easily processed and welded into a tight arrangement, while at high temperatures they do not have sufficient creep strength and secondly ceramic materials are difficult to process and are difficult to seal together, while at the same time they have excellent strength properties at high temperatures. Another advantage of using an inner metal tube in combination with an outer ceramic jacket is that the various metals for the heat exchanger tubes under conditions - @ can be used in which, without additional support, fractures would occur as a result of the inadequate creep strength.The combination described meets the requirements outlined above, since the ceramic jacket 12 effectively gates the metal tube 11 egen supports the pressure inside this tube and protects it from the outside against the effects of combustion products. In addition, the wall thickness of the metal tube 11 can be reduced in comparison with an unsupported tube because of the support provided by the ceramic envelope.
f Bei einer bevorzugten Ausführungsform besteht die Ummantelung 12
aus Siliciumcarbid und die Metallröhre 11 aus einer Nickel legierung, die 77 % Nickel,
15 % Chrom, 7 % Eisen und kleinere Anteile an Kupfer, Zinn, Mangan und Kohlenstoff
enthält und unter der Bezeichnung "Inconel" erhältlich ist. Diese Legierung hat
bei kurzzeitiger Beanspruchung eine Zugfestigkeit von etwa 11000 kp cm -2 und eine
Bruchdehnung von ungefähr 67 % bei 1093 oC (2000 o F). Die genannte Legierung kann
in einer schwefelfreien Atmosphäre bei Temperaturen von etwa 1090 bis etwa 1200
°C verwendet werden.' Andere geeignete Legierungen enthalten 80 % Nickel und 20
% Chrom (Nichrome); 25 % Nickel, 20 % Chrom und 55 % Eisen (Edelstahl Typ 310) oder
27 % Chrom und 63 % Eisen (Edelstahl Typ 446). Die Wandstärke der Röhre 11 betrug
bei der Verwendung der erstgenannten Nickellegierung etwa 1,6 mm. Die Ummantelung
12 kann aus Siliciumcarbid verschiedener Art bestehen, z.B. tongebundenem, nitridgebundenem
oder selbstgebundenem Siliciumcarbid. Bei dem erwähnten bevorzugten Ausführungsbeispiel
bestand die als Ummantelung verwendete Röhre aus tongebundenem Siliciumaarbid und
hat-' te eine Wandstärke von etwa 12,7 mm.
Um eine funktionsfähige Kombination aus der Metallröhre 11
.und der Keramikummantelung 12 zu bi ldc n, muß der `V-1'-irmedc@hnung
der
beiden Materialien im Betried Rechnung getra#-en werden. Die
Wärme-
#lehnzahl von Silici.umcarbid ist 2,6 x 10 6/G1? und von der
oben als
erstes erwähnten Nickellegierung 8,4 x 10 6/°F. Im kalten Zustand
muß daher die Metallröhre 11 einen@bestimmten radialen Abstand
von
der aus Siliciumcari?id bestellenden Ummantelung haben. PJ.eser
Ab-
stand muß der Differenz der Wärmedehnzahlen entsprechend so
:ein, daß die Metallröhre 11 das Gehäuse 12 nicht sprenrt,
wenn sie sich bei der Erhitzung ausdehnt, sondern unter Druck
nur
soweit fließt, daß die Keramikummantelung ziemlich dicht ausge-
füllt wird. Die Ummantelung 12 stützt dementsprechenü @lie
Röhre 11
bei der Betriebstemperatur ab und reim Erkalten zieht sich
die
Röhre 11 zusammen und ent lernt sich dabei von vier Urrmantelunt;
12,
ohne daß einer der beiden Teile beanspruclzi; cvrcä. Bei der
maxi-
malen Betriebstemperatur der aus Vletal ? und bestehenden
zusammengesetzten 1?Uhre, also etwa 11')U o;`, bei-rä@ft: ;?;e
relative
Ausdelznurit; der Metallröhre etwa 1,2 ;f ihres 1sa(li_us,
1)er mitlimale
radiale Abstand zwischen der, Metallröhre 1 1 und der Ummaate
l t;n;@ 12
slzll. also gleich c--41_üsem Wert sein.
Bei einer Kor:sti,ukt:lon, bei der das inn(--r,e Te ;i aus
Met-tll
und das äußere aus Keramik bestehen uder umgekehrt, rnuß f@ew@l!rr-
`;-eistet sein, da-'j das innere Teil sich stärker aus@ci:nt
als das
:-.ßere, so daß der anfän ;liehe Zwischenraum zwischen den
bei;len
:ölen verschwunden ist, wenn die zcveitei lic;e Anordnung die
Be-
'.:yt°iebstemperatur erreicht hat, und das die @ußenf l@cr:e
des '. r:neren
";.:iles in enger, körperlicher Berührung mit der Innenf'lzel:e
cles
fä-rßeren Teiles steht. Be den dann auf diese Weise furch die
Aus-
d@.2hniang bei der Betriebstemperatur vereinigten Teilen kombinieren
s'@ch die komple^ientären Eigenschaften, so daß der Kombinatiur:
durch den einen Teil die Dichtigkeit und durch: den anderen
'eil
die hohe Festi@-@aeit verliehen wird. Bei den hier bes,#,hri.etDenen
Anordnungen komm es zwar auf die Erzielunc; einer ausreichenden
Festigkeit gegen Innendrücke an, es gibt jedoch auch AnwenJungs-
gebiete, bei denen der höhere Druck außerhalb der zusammengesetz-
ten Röhre herrscht. In diesem Falle kann dann die Anordnung
der
Bestandteile umgekehrt werden. Eine solche zusammengesetzte
Röhre
mit umgekehrter Anordnung kann beispielsweise ein inneres Teil
laus Keramik enthalten, das aus Magnesit besteht, dessen Wärmedehn-:
;zahl zwischen 21 oC und 930 oC etwa 7,2 x 10 6 beträgt, während Idas äußere Bauteil
ein ferritischer nichtrostender Stahl, z.B.In a preferred embodiment, the casing 12 consists of silicon carbide and the metal tube 11 consists of a nickel alloy which contains 77% nickel, 15% chromium, 7% iron and smaller amounts of copper, tin, manganese and carbon and is called "Inconel""is available. This alloy has a tensile strength of about 11000 kp cm -2 and an elongation at break of about 67% at 1093 oC (2000 o F). Said alloy can be used in a sulfur-free atmosphere at temperatures from about 1090 to about 1200 ° C. Other suitable alloys contain 80% nickel and 20% chromium (nichrome); 25% nickel, 20% chromium and 55% iron (stainless steel type 310) or 27% chromium and 63% iron (stainless steel type 446). The wall thickness of the tube 11 was about 1.6 mm when using the first-mentioned nickel alloy. The casing 12 can consist of various types of silicon carbide, for example clay-bonded, nitride-bonded or self-bonded silicon carbide. In the aforementioned preferred embodiment, the tube used as the jacket was made of clay-bonded silicon arbide and had a wall thickness of about 12.7 mm. In order to have a functional combination of the metal tube 11
.and the ceramic sheathing 12 to form, the `V-1'-irmedc @ hnung of the
both materials are taken into account in the company. The heat-
# the number of teeth in silicon carbide is 2.6 x 10 6 / G1? and from the above as
first mentioned nickel alloy 8.4 x 10 6 / ° F. When cold
Therefore, the metal tube 11 must have a certain radial distance of
of the sheath ordered from silicon cari? id. PJ.eser waste
must stand in accordance with the difference in the thermal expansion coefficients
: one that the metal tube 11 does not block the housing 12,
if it expands when heated, but only under pressure
flows so far that the ceramic coating is fairly tight.
is filled. The casing 12 accordingly supports the tube 11
at the operating temperature and when it cools down, the
Tube 11 together and ent learns from four Urrmantelunt; 12
without claiming either of the two parts; cvrcä. At the maxi-
paint operating temperature of the from Vletal? and existing
compound 1? o'clock, so about 11 ') U o; `, bei-rä @ ft:;?; e relative
Ausdelznurit; of the metal tube about 1,2; f of their 1sa (li_us, 1) er mitlimale
radial distance between the, metal tube 1 1 and the Ummaate lt; n; @ 12
slzll. so be equal to c - 41_usem value.
In a Kor: sti, ukt: lon, in which the inn (- r, e Te; i from Met-tll
and the outside is made of ceramic or vice versa, but f @ ew @ l! rr-
`; -be accomplished, because-'j the inner part is more @ ci: nt than that
: -. ßere, so that the initial space between the two; len
: oil has disappeared when the zcveitei lic; e arrangement the loading
'.: yt ° has reached operating temperature, and that the @ ußenf l @ cr: e des'. r: neren
";.: iles in close, physical contact with the inner folds: e cles
fä-rßeren part stands. Then, in this way,
d @ .2hniang combine parts united at the operating temperature
s' @ ch the complete properties, so that the combination:
through one part the tightness and through: the other 'hurry
the high Festi @ - @ aeit is awarded. With the here bes, #, hri.etDenen
Orders come down to the achievement; a sufficient
Resistance to internal pressures, but there are also application
areas where the higher pressure is outside the composite
th tube prevails. In this case, the arrangement of the
Components are reversed. Such a composite tube
with the reverse arrangement, for example, an inner part
l made of ceramic, which consists of magnesite, the thermal expansion coefficient between 21 oC and 930 oC is about 7.2 x 10 6, while Ida's outer component is a ferritic stainless steel, e.g.
Edelstahl Typ 446 ist, dessen Wärmedehnzahl zwischen 20 und 650 oCl
:etwa 6,6 x 10-6 beträgt.Stainless steel type 446 has a coefficient of thermal expansion between 20 and 650 oCl
: is about 6.6 x 10-6.
i Die Teile der Ummantelung 12 werden mittels einer Form so i !hergestellt,
daß der Durchmesser der Bohrung sich etwas ändert, @so daß der Formkern leicht herausgezogen
werden kann. Der Durchmesser der Bohrung kann sich*beispiülsweise bei einem Stück
mit einer axialen Länge von etwa 75 cm um etwa 1,6 mm ändern. Der maximale Zwischenraum
beim Ende größeren Durchmessers soll etwa ! 2,5 % nicht überschreiten, um eine übermäßige
Dehnung des Metalls zu vermeiden. Hierbei ergibt sich ein minimaler Abstand von
etwa 7,62 mm und beispielsweise eine Konizität von etwa 25 mm/m für eine
Ummantelung mit einem Bohrungsdurchmesser von 63,5 mm und einer Länge von etwa 0,m
filr die einzelnen Stücke der Ummantelung. Wegen der hohen Betriebstemperaturen
und der begrenzten Länge der Siliciumcarbdröhren müssen die Teile der Ummantelung,
die die Röhre 11 gegen den Einfluß der hohen Temperaturen und die gegebenenfalls
aggressive Außenatmosphäre schützt, miteinander verbunden werden, wobei gleichzeitig
der gegenseitigen axialen Ausdehnung von Röhre und Ummantelung Rechnung zu tragen
ist. Dabei wird eine Verbindung vor(rezogen, die ein übermäßiges longitudinales
Verschieben und Reiben der Metallröhre in der Keramikummantelung verhindert.The parts of the casing 12 are produced by means of a mold in such a way that the diameter of the bore changes slightly so that the mold core can be easily pulled out. For example, the diameter of the hole can change by about 1.6 mm for a piece with an axial length of about 75 cm. The maximum gap at the end of the larger diameter should be about! Do not exceed 2.5% to avoid excessive stretching of the metal. This results in a minimum distance of about 7.62 mm and, for example, a conicity of about 25 mm / m for a casing with a bore diameter of 63.5 mm and a length of about 0.1 m for the individual pieces of the casing. Because of the high operating temperatures and the limited length of the silicon carbide tubes, the parts of the casing which protect the tube 11 against the effects of high temperatures and the possibly aggressive external atmosphere must be connected to one another, while at the same time taking into account the mutual axial expansion of the tube and casing is. A connection is tightened to prevent excessive longitudinal displacement and rubbing of the metal tube in the ceramic casing.
Fig. 1 zeigst eine iibliche, bekannf:e Stumpfverbindung 13, d.h. daß
die Ummanteluns, einfach aus mehreren kurzen Stücken 12, 12' usw. besteht, die stumpf,
z.B. bei 1" aneinander stoßen. Die Abschnitte 12, 12' usw. werden bei der Montage
der zusammengesetzten Röhre 10 wie dargestellt in Berührung miteinander angeordnet.
Im Betrieb bei rohen Tempera".-uren dehnt sich dann die Röhre 11 wesentlich stärker
aus als die Abschnitte der Ummantelung und es treten radiale Spalte zwischen den
Abschnitten der Ummantelung auf. Diese axialen Spalte sollen vorzugsweise so klein
wie möglich gehalten werden, so da3 die dünnwandige Metallröhre 11 unter mäßigen
Drücken die Spalte zu überbrücken vermag. Bei etwa 30 cm
langen
Abschnitten 12, 12' der Ummantelung entstehen in der Praxis; Spalte, die jeweils
etwa 3,8 mm breit sind. Die beschriebenen f dünnwandigen Röhren vermögen Spalte
dieser Breite bei Innendrücken bis zu etwa 7,3 kp cm 2 zufriedenstellend zu überbrücken.Fig. 1 shows a conventional, known butt joint 13, i.e. that
the sheathing, simply consists of several short pieces 12, 12 ', etc., which are blunt,
e.g. abut at 1 ". The sections 12, 12 'etc. are used during assembly
of the assembled tube 10 are arranged in contact with each other as shown.
In operation at a raw temperature, the tube 11 then expands to a much greater extent
out than the sections of the jacket and there are radial gaps between the
Sections of the jacket. These axial gaps should preferably be so small
are kept as possible so that the thin-walled metal tube 11 is under moderate
Press able to bridge the gap. At about 30 cm
long
Sections 12, 12 'of the sheath arise in practice; Column, each
are about 3.8 mm wide. The thin-walled tubes described are capable of gaps
to bridge this width with internal pressures up to about 7.3 kp cm 2 satisfactorily.
w Bei Verwendung einer großen Anzahl von Keramikrohrstücken 12, 12'
usw. sind keine komplizierten Verbindungen erforderlich und ein gegenseitiges axiales
Reiben von Innenröhre und Ummantelung wird weitgehend vermieden. Die Rohrstücke
12, 12' usw. dürfen jedoch nicht längs der Röhre 11 gleiten können, damit die erwähni
ten axialen Spalte bei allen Stößen etwa gleich groß werden. Wenn a dies nicht der
Fall ist, können die Spalte an manchen Stößen so groß werden, daß sie durch die
Innenröhre 11 nicht mehr einwandfrei überbrückt werden können. Bei einer Ausführungsform
der Erfindung werden äquivalente Spaltabmessungen durch Ausnutzung der inneren Konizität
der Abschnitte der Ummantelung in Kombination mit den Eigenschaften der Metallröhre
11 erreicht. Hierauf wird bei der Beschreibung der Verwendung der in Fig. 1 dargestellten
Anordnung unter Bezugnahme auf die Fig. 1 bis 3 eingegangen. Bei der in Fig. 1 dargestellten
Anordnung grenzen an der Verbindungs-. stelle 13 ein Ende kleineren und ein Ende
größeren Durchmessers aneinander an. Im Betrieb der Anordnung bei hohen Temperaturen
verformt sich die Anordnung wie in Fig. 2 dargestellt ist, wobei zwischen benachbarten
Ummantelungsabschnitten ein axialer Spalt 14 auftritt. Außerdem hat sich auch die
Metallröhre 11 in radiale Richtung ausgedehnt, so daß sie dicht in die Abschnitte
12, 12t usw. paßt'und den Spalt 14 überbrückt. Die Wand der Metallröhre 11 paßt
sich, wie dargestellt, der Konizität der Bohrungen der Abschnitte 12, 12t usw. an
und der dargestellte Spalt 14 wird von! j einem gekrümmten Stick 15 überbrückt.
Nach dem Abkühlen nimmt die; Anordnung die in Fig. 3 dargestellte Form an. Durch
das Fließen der Metallröhre bei den hohen Temperaturen bleibt auch im erkalte: ten
Zustand eine entsprechende konische Verformung der Metallröhro, in den einzelnen
Abschnitten 12 zur#lck. Diese Verformung hindert die Abschnitte 12, 12' usw. daran,
in Axialrichtung längs der Röhre 11 zu gleiten.w When using a large number of ceramic pipe sections 12, 12 '
etc. no complicated connections are required and a mutual axial
Rubbing of the inner tube and casing is largely avoided. The pipe pieces
12, 12 'etc. must not be able to slide along the tube 11 so that the mentioned
th axial gaps are about the same size for all impacts. If a this is not the
Is the case, the gaps can be so large at some joints that they are through the
Inner tube 11 can no longer be bridged properly. In one embodiment
of the invention are equivalent gap dimensions by utilizing the internal conicity
of the sections of the jacket in combination with the properties of the metal tube
11 reached. This is followed in the description of the use of the shown in FIG
Arrangement with reference to Figs. 1 to 3 received. In the case of the one shown in FIG
Arrangement adjoin the connection. put 13 one end smaller and one end
larger diameter to each other. During operation of the arrangement at high temperatures
deforms the arrangement as shown in Fig. 2, with between adjacent
Sheath sections an axial gap 14 occurs. In addition, the
Metal tube 11 expanded in the radial direction so that they fit tightly into the sections
12, 12t etc. fits and bridges the gap 14. The wall of the metal tube 11 fits
as shown, the conicity of the bores of the sections 12, 12t, etc. to
and the gap 14 shown is of! j bridged a curved stick 15.
After cooling down, the; Arrangement the form shown in Fig. 3. By
the flow of the metal tube at the high temperatures remains even when it is cold
Condition a corresponding conical deformation of the metal tube, in the individual
Sections 12 back # lck. This deformation prevents the sections 12, 12 'etc. from
to slide in the axial direction along the tube 11.
In der Praxis können auch noch viele andere Verbindungen verwendet
werden, von denen einige typische in den Fig. 4 bis 10 im ursprünglichen kalten
Montagezustand gezeigt sind.
Fig. 4 zeigt eine Verbindung 16 zwischen
zwei benachbarten Abschnitten 12, 12t der Ummantelung, die als gemuffte Stumpfverbindung
bezeichnet werden soll. Die Stoßstelle 17 zwischen den die Ummantelung bildenden@Abschnitten
12, 12' ist von einem dünne Metallzylinder 18 umgeben, der aus demselben Metall
wie die Röhre 11 oder auch aus einem anderen Metall bestehen kann. Der Metallzylinder
18 dient als Verschleißelement, das zuerst den heißen Verbrennungsprodukten ausgesetzt
wird, die in die Stoßstelle 17 einzudringen streben. Der Metallzylinder 18 verhindert
nicht nur, daß die Verbrennungsprodukte die Röhre 11 erreichen und an dieser ,eine
Korrosion oder Erosion hervorrufen, sondern neutralisiert E fauch korrosive Bestandteile
in den Gasen. Die Verwendung eines Verschleißelements ist jedoch nur fakultativ
und hängt von den ;Umgebungsbedingungen ab. Der Metallzylinder 18 wird von einem
weiteren Zylinder 19, der gewöhnlich aus dem gleichen Material wie die Ummantelung
besteht, mit geeignetem radialen Abstand konzentrisch umgeben. Der also aus Keramik
bestehende Zylinder 19 dient zur Verringerung des Verschleißes des Zylinders 18.
Wenn der axiale Zwischenraum zwischen benachbarten Abschnitten der Keramikummantelung
groß werden kann oder wenn die die Zwischenräume überbrückenden Teile der Metallröhre
11 zusätzlicher Unterstützung bedürfen, kann eine Verbindungsanordnung 20 verwendet
werden, wie sie in Fig. 5 dargestellt ist. Bei der in Fig. 5 dargestellten Anordnung
hat das aus Metall bestehende Verschleißelement 18' einen T-förmigen Querschnitt
und der flanschartige Mittelsteg greift am Umfang der Röhre 11 an. Hierdurch wird
praktisch ein größerer Spalt in zwei kleinere unterteilt und die Röhre 11 wird im
Spalt zusätzlich abgestützt. Der Keramikzylinder 19 kann einintegraler Teil jeweils
;eines der Abschnitte der Ummantelung sein. Bei der in Fig. 6 !dargestellten Anordnung
ist beispielsweise das linke Teil 22 der Ummantelung mit einer erweiterten vorspringenden
Muffe 23 versehen. Die Muffe 23 überlappt also das Ende des angrenzenden Teiles
221 oder nimmt dieses hülsenartig auf. Zwischen der Außenwand . des Endes des Bauteiles
22 und der Innenwand der Muffe 23 besteht ein ausreichender Abstand, um einen aus
Metall bestehenden-Verschleißzylinder 18 einbringen zu können.
Die in Fig. 7 dargestellte Verbindung 24 stellt eine Abwand-
lung einer bekannten Überlappungs- oder Nut/Feder-Verbindung
dar.
Der eine Abschnitt 25 der Ummantelung hat bei Fig. 7 ein Ende
ver-
ringerten Durchmessers mit einer vorspringenden Lippe 26. In
ent-
sprechender Weise ist das rechte Teil 25' am linken Ende stufen-
artig ausgebohrt, so daß ein erweiterter Teil 27 entsteht,
der
die Lippe 26 des Teiles 25 aufnimmt. Gewünschtenfalls ist der
Ab-
stand zwischen der vorspringenden Lippe 26 und dem aufgebohrten
Teil 27 so groß bemessen, daß ein dünnwandiger Zylinder 18
aus
einem sich verbrauchenden Metall zwischengelegt werden kann,
der
denselben Zwecken dient wie der Zylinder 1ö in Fig. 4.
i
Fig. ö zeigt eine Verbindung 28 zwischen zwei Teilen 29, 30
. der Ummantelung. Diese Teile 2@1, j0 sind jeweils mit einem
er-
wetterten Endteil oder einer aufgebohrten Ü1'fnuni- 31 bzw.
j1' ver-
sehen. Wenn die beiden Teile wie in Fig. b stumpf aneinanderge-
stoßen werden, entsteht eine im wesentlichen zylindrische Kammer
32. In dieser Kammer '.2 ist ein erster 1;erami kzyl i n,ler
, .:@n@@e@ird-
net, der die Röhre 11 koaxial umi°ibt. Konzentris(,h
um den n-
der 33 ist dann ein zweiter Zylinder P3 aus einem verschlei!.#'baren
Metall angeordnet, zier den im Bf@triei) an der Sto9stelle
')4
tretenden Spalt-. ;äberbriickt. Die beiden Zylinder, 1 -, :
haltern
die Metallröhre 11 an der Sto:3st:elle und unterte;len den
ent-
stehenden Zwischenraum in zwei kleinere Teile, die von der
hcnre
11 leichter überbriickt werden können.
Eine weitere Möglichkeit, die Röhrenwand an einer Trerinstel-
le zu verstärken, ist in Fig. 9 dargestellt,, die eine Verbin(liinr
35 zwischen zwei Teilen 36, j6' einer Ummantelung zeig--. Das
Teil
361 enthält einen in radialer RichtunK erweiterten,
"lans(,hartig
vorspringenden Teil 37, der Uber das anrrenzen;ie Ende des
Teiles
36 paßt. Gewünsciitenfalls ist statt einem Gleitsitz ein Zwis;tien-
raum 3# vorgesehen, in den ein. Verschleii.'-zylinder iri ein
'resetzt
werden kann, wie in Verbindung mit Fir. 4 erläutert wurde.
Zwi-
schen der Röhre 11 und der Ummariteiun7 ist ein kurzer Zylinc?er
aus Metall. oder Keramik konzentrisch a-ir_eordnet, der die
Sto A-
stelle 4ü iibertarückt. Die Inr.er2f'13che des Zylinders j9
ist stetiE
gekrümmt. Bei -Betrieb unter hcher Temperatur nimmt die anfän@-lich
zylindrische innere Röhre 11 durch Fließen die mit 11' bezeichne-
te, gestrichelt dargestellte Form an. Man kann auch in der Röhre
11 durch Drücken oder Gesenkschmieden eine Vertiefung bilden und ;in die Vertiefung
einen aus zwei Hälften bestehenden Ring einbringen, der dann durch die fibergeschobene
Ummantelung gehaltert 'wird. Der Ring 39 überbrückt den im heißen Betriebszustand
zwischen benachbarten Teilen der Ummantelung auftretenden Spalt und stützt die Röhre
11 über den ganzen Zwischenraum ab, indem die :Röhrenwand an diesem Punkt praktisch
verdickt wird. Diese Konstruktion kann auch bei verhnltnism,ißig langen Ummantelungsabschnitten
verwendet werden, bei denen größere axiale Zwischenräume entstellen, und/oder bei
höheren Drücken, denen die in den Fig. 1 bis 6 dargestellten Verbindungen nicht
mehr widerstehen würden. Das Prinzip aller in den Fig. 4 bis 9 dargestellten Verbindungen
besteht darin, zwischen der korrodierenden Atmosphäre
und der Metallröhre 11 einen labyrinthartigen Weg zu bilden,
der
gegebenenfalls einen Ring aus einem Verschleißmetall enthält;
um
korrodierende Stof;'e zu beseitigen.
Als spezielles Anwendungsgebiet der Erfindung waren bereits
Wärmeaustauscher für Gaturbinenkraftwerke mit Kohleheizung
worden. Der Kreislauf einer Gasturbinenanlage dieser Art
ist- heispielsweise 2n Fig. lC, scrlemat:sc'!: dargestellt.
In einer
Feuerung 42, L.£i. e @ ne@° @ibl.':'l.e,-: :):ar,i;=,1"-2--,-i
ftwerkfeuerung, wird
K@iie verbrannt z:-i@i @-:rr)cä.:kte werden durch einen
@^'-ir"n^austauc _ er -ier Erfindung aufgebaut
ist. Von esem ,._-'_-c._aus c h_ -e_.@....;@- die
Verbrennungsgase zu
einem e=r:en t'ompress (-i-
-44 "-iird Lu`@ in Gien e@ärmeaustau-
sc.er r'-. star.
_ _ . .. . _#e l1u #.zart:e;# " . l.ief
.'ert .
f.le Abg'ase -,er aanr. : . äie Feueruni 42. Be*
einem solerie!_:r'=@@-:. :-)eiorzug-en iäusff_iY:rijriirs-
orm Rohrancränun:-4-:. -!erwendet werden, die P'e-
rade Metall röhren : #n _t einer Längte .,i .s zu etwa 12 m
enthalten,
die un`;er Bildung einer Wand nebeneinanr:e#r angeordnet sind
und
deren Ummantelung a@;s Abschnitten 12, 1%' besteht, die eine
Länge
-.jon etwa `0 oder f@=f @m 1_aben. Es hat a-l s vorteilhaft
erwies-en,
eine große Anzar.'_ -. ,Dr. U#nman`.El'.zril';Sä! S-:r:r,tfen
zu verwenden, damit
den Unterschieden in der axialen Wärmedehnung besser Rechnung
getragen wird und einfache stumpfe Stöße Verwendet werden können, wie sie in Fig.
1 dargestellt sind. Die Ummantelung kann aus i Stücken einer Länge von 0,9 bis 1,5
m bestehen, wenn Verbindungen der in den Fig. 5, 8 und 9 dargestellten Art verwendet
werden, bei' denen die Metallröhre 11 an den Zwischenräumen zwischen den Abschnitten
unterstützt ist. Die Rohranordnungen können wie bei einem üblichen Kessel ver-I
i tikal oder horizontal eingebaut werden, wobei man sie dann alle l bis 1,5 m unterstützen
wird, um ein Durchsacken zu verhindern. !Bei einem vertikalen Einbau sollte eine
Entlastungsanordnung vor- . ;gesehen werden, die zumindest den größten Teil des
Gewichtes der Ummantelungsteile aufnimmt und ein Strecken oder Stauchen der imetallröhre
am heißen Ende verhindert. Eine solche Anordnung 50 bist in Fig. 11 dargestellt,
sie enthält einen heißen Verteiler 51, deinen kalten Verteiler 52 und eine diese
verbindende Anordnung 53 aus Rohranordnungen gemäß der Erfindung, die durch die
Verbrennungswärme einer Feuerung erhitzt werden und ihrerseits Luft aufheizen, die
vom kalten Verteiler durch die Rohranordnung 53 zum i heißen Verteiler 51 strömt.
Die Rohranordnung 53 entspricht der Fig. 1 und enthält eine Metallröhre 11 sowie
eine Anzahl von Ummantelungsabschnitten 12, 12' usw. Die Anordnung 53 enthält außer-i
dem einen schleifenförmigen Teil 54, der wie üblich bei Rohrleitungen zur Kompensation
von Wärmedehnungen dient. Die Schleife 54 dient jedoch hier nicht nur zur Kompensation
von Wärmedehnungen, sondern trägt auch das Gewicht der Rohranordnung 53. Außerdem
kann die Schleife 54 auch zur Vorwärmung der durchströmenden Luft verwendet werden,
indem sie beispielsweise kühleren Feuerungsabgasen ausgesetzt wird, Wenn das Gewicht
der Rohranordnung 53, das .in der Praxis beispielsweise 7,5 kp/m betragen kann,
im kalten Zu -i stand durch Zugbelastung von dem oberen Verteiler 51 getragen s
wird, und die Federkonstante der Schleife 54 so bemessen ist,
daß
das Gewicht ganz als Druckbelastung von unten aufgenommen wird,
ist die Beanspruchung am heißen Ende der Röhre im Betrieb klein
und es wird praktisch keine Dehnung auftreten.
Statt der Schleife können andere Kompensations- und Halte-
rungsaraordnungen verwendet werden. in Fig. 12 isr. beispielsweise
eine Balgenanordnung 55 in Kombination mit einer Gleitverbindung
56 dargestellt. Ein als Balgenanordnung 55 dienendes Wellrohr ist mit dem Verteiler
52 und der Röhre 11 so verbunden, daß die Röhre 11 sich durch Gleiten in der Verbindung
56 ausdehnen kann. Die Balgenanordnung arbeitet wie die Schleife 54 der Fig. 11.Many other connections can be used in practice, some typical of which are shown in Figures 4 to 10 in their original cold assembly condition. Fig. 4 shows a connection 16 between two adjacent sections 12, 12t of the casing, which is to be referred to as a socketed butt joint. The joint 17 between the sections 12, 12 'forming the casing is surrounded by a thin metal cylinder 18 which can consist of the same metal as the tube 11 or also of a different metal. The metal cylinder 18 serves as a wear element which is first exposed to the hot products of combustion which tend to penetrate the joint 17. The metal cylinder 18 not only prevents the combustion products from reaching the pipe 11 and causing corrosion or erosion on the pipe 11, but also neutralizes corrosive components in the gases. However, the use of a wear element is only optional and depends on the ambient conditions. The metal cylinder 18 is surrounded concentrically by a further cylinder 19, which usually consists of the same material as the casing, with a suitable radial spacing. The cylinder 19, which is made of ceramic, is used to reduce the wear and tear on the cylinder 18. If the axial gap between adjacent sections of the ceramic casing can become large or if the parts of the metal tube 11 bridging the gap require additional support, a connection arrangement 20 can be used, such as it is shown in FIG. In the arrangement shown in FIG. 5, the wear element 18 ′ made of metal has a T-shaped cross section and the flange-like central web engages the circumference of the tube 11. This practically divides a larger gap into two smaller ones and the tube 11 is additionally supported in the gap. The ceramic cylinder 19 may be an integral part of each of the sections of the shell. In the arrangement shown in Fig. 6, for example, the left part 22 of the casing is provided with an enlarged projecting sleeve 23. The sleeve 23 thus overlaps the end of the adjoining part 221 or receives this like a sleeve. Between the outer wall. There is a sufficient distance between the end of the component 22 and the inner wall of the sleeve 23 in order to be able to introduce a wear cylinder 18 made of metal. The connection 24 shown in Fig. 7 represents a wall
development of a known overlap or tongue and groove connection.
One section 25 of the casing has one end connected in FIG.
smaller diameter with a protruding lip 26. In
speaking, the right part 25 'at the left end is stepped
like drilled out, so that an enlarged part 27 arises, the
the lip 26 of the part 25 receives. If so desired, the
stood between the protruding lip 26 and the reamed one
Part 27 so large that a thin-walled cylinder 18 from
a consumable metal can be inserted, the
serves the same purposes as the cylinder 10 in FIG. 4.
i
6 shows a connection 28 between two parts 29, 30
. the sheath. These parts 2 @ 1, j0 are each marked with a
weathered end part or a drilled out Ü1'fnuni- 31 or j1 'ver
see. If the two parts are butted together as in Fig.
are bumped, a substantially cylindrical chamber is created
32. In this chamber '.2 there is a first 1; erami kzyl in, ler,.: @ N @@ e @ ird-
net, which umi ° ibt the tube 11 coaxially. Concentric (, h around the n-
the 33 is then a second cylinder P3 from a wearable
Metal arranged, decorate the in the Bf @ triei) at the abutment ') 4
stepping fissure. ; bridged. Hold the two cylinders, 1 -,:
the metal tube 11 on the face: 3rd: elle and underside; len the ent-
standing interspace in two smaller parts leading from the hcnre
11 can be bridged more easily.
Another possibility of installing the tube wall at a doorway
le is shown in Fig. 9, the one connection (liinr
35 shows between two parts 36, j6 'of a sheath. The part
361 contains a "lans (, hartig
protruding part 37, which adjoins over the; ie end of the part
36 fits. If desired, instead of a sliding fit, a dispute
room 3 # provided in the one. Wear cylinder is reset
can be, as in connection with Fir. 4 was explained. Between
between the tube 11 and the Ummariteiun7 is a short cylinder
made of metal. or ceramic concentrically a-ir_eorders, which the material A-
put 4 about overrated. The Inr.er2f'13che of cylinder j9 is continuous
curved. When operating at a high temperature, the temperature initially decreases
cylindrical inner tube 11 by flowing the designated 11 '
te form shown in dashed lines. A recess can also be formed in the tube 11 by pressing or die forging and a ring consisting of two halves can be introduced into the recess, which ring is then held in place by the sheath pushed over it. The ring 39 bridges the gap that occurs between adjacent parts of the casing in the hot operating state and supports the tube 11 over the entire gap by practically thickening the tube wall at this point. This construction can also be used with relatively long jacket sections where larger axial clearances are distorted, and / or at higher pressures which the connections shown in Figures 1 to 6 would no longer withstand. The principle of all connections shown in Figures 4 to 9 is between the corrosive atmosphere and the metal pipe 11 to form a labyrinthine path that
optionally contains a ring made of a wear metal; around
to eliminate corrosive substances.
As a special field of application of the invention were already
Heat exchangers for Gaturbin power plants with coal heating
been. The cycle of a gas turbine plant of this type
is shown, for example, in 2n Fig. 1C , scrlemat: sc '!:. In a
Firing 42, L. £ i. e @ ne @ ° @ibl. ':' le, -: :): ar, i; =, 1 "-2 -, - i ftwerkfeuerung, will
K @ iie burned z: -i @ i @ -: rr) cä.: Kte are by a
@ ^ '- ir "n ^ austauc _ er -ier invention built
is. Von esem, ._-'_- c._aus c h_ -e _. @ ....; @ - the combustion gases to
an e = r: en t'ompress (-i-
-44 "-iird Lu` @ in Gien e @ ärmeaustau-
sc.er r'-. star.
_ _. ... _ # e l1u # .zart: e; # ". l.ie f
.'ert.
f.le Abg'ase -, he aanr. :. äie Feueruni 42nd Be *
a solerie! _ : r '= @@ - :. :-) eiorzug-en iäusff_iY: rijriirs-
orm Rohrancränun: -4- :. -! are used, the P'e-
straight metal tubes: #n _t one length., i .s included to about 12 m,
the un`; er formation of a wall side by side: e # r are arranged and
whose sheathing consists of a @; s sections 12, 1% 'which have a length
-.jon about `0 or f @ = f @m 1_aben. It has proven to be beneficial
a great number .'_ -. , Dr. U # nman`.El'.zril '; Sä! S-: r: r, tfen to use so
the differences in the axial thermal expansion are better taken into account and simple butt joints can be used, as shown in FIG. 1. The jacket may be made up of 1 pieces 0.9 to 1.5 m in length when using joints of the type shown in Figures 5, 8 and 9 in which the metal tube 11 is supported at the spaces between the sections . The pipe arrangements can be installed vertically or horizontally as in a conventional boiler, whereby they will then be supported every 1 to 1.5 m to prevent sagging. ! A relief arrangement should be provided for vertical installation. can be seen, which absorbs at least most of the weight of the sheathing parts and prevents stretching or compression of the imetallröhre at the hot end. Such an arrangement 50 is shown in Fig. 11, it contains a hot manifold 51, your cold manifold 52 and a connecting arrangement 53 of pipe assemblies according to the invention, which are heated by the heat of combustion of a furnace and in turn heat air from the cold Manifold flows through the pipe arrangement 53 to the hot manifold 51. The tube arrangement 53 corresponds to FIG. 1 and contains a metal tube 11 and a number of sheathing sections 12, 12 ', etc. The arrangement 53 also contains a loop-shaped part 54 which, as usual in pipelines, is used to compensate for thermal expansions. However, the loop 54 not only serves to compensate for thermal expansion, but also bears the weight of the pipe arrangement 53. In addition, the loop 54 can also be used to preheat the air flowing through it, for example by exposing it to cooler furnace exhaust gases, if the weight of the pipe arrangement 53 , which can amount to 7.5 kp / m in practice, for example, in the cold state -i was borne by the upper distributor 51 due to tensile load is, and the spring constant of the loop 54 is such that
the weight is completely absorbed as a pressure load from below,
the stress on the hot end of the tube during operation is small
and there will be virtually no stretching.
Instead of the loop, other compensation and holding
instructions are used. in Fig. 12 isr. for example
a bellows assembly 55 in combination with a sliding connection 56 is shown. A corrugated tube serving as a bellows arrangement 55 is connected to the manifold 52 and the tube 11 so that the tube 11 can expand by sliding in the connection 56. The bellows assembly operates like loop 54 of FIG. 11.
Die angestrebten Ergebnisse können auch durch die in Fig. 13 t dargestellte
Anordnungserreicht werden. Hier reicht die Röhre 11 !der Anordnung 53 durch eine
abgedichtete Gleitverbindung; die eine Packung 57 enthält, in einen Kaltverteiler
52. Zwischen dem Verteiler 52 und dem unteren Ende 59 der Ummantelung der Rohranord-Inung
ist eine geeignet bemessene Druckfeder 58 angeordnet, die das; !ganze Gewicht der
Anordnung aufnimmt.The desired results can also be achieved by the one shown in FIG. 13 t
Arrangement can be achieved. Here the tube 11 of the arrangement 53 extends through a
sealed sliding connection; containing a pack 57 into a cold manifold
52. Between the manifold 52 and the lower end 59 of the casing of the pipe assembly
an appropriately sized compression spring 58 is arranged, which the; ! whole weight of the
Arrangement.
Es kann erforderlich sein, die Wärmeaustauscherröhren der in 'Fig.
12 und 13 dargestellten Anordnungen im unteren Teil irgendiwie miteinander zu verbinden,
um ein Verbiegen zu verhindern. Hiez1 'für können die verschiedensten Anordnungen,
wie Klammern, Keile, Einsätze usw. verwendet werden. Eine Abstützxanordnung, die
ein Biegen der Röhren verhindert und einen Teil der Ummantelung bildet, ist in Fig.
14 dargestellt. Fig. 14 zeigt zwei Wärmeaustauscherröhren 60, 61 gemäß der Erfindung.
Die keramischen Ummantelungsteile 62, 63 bzw. 64, 65 sind durch Hülsen- oder
Muffen-Verbindungen miteinander verbunden, ähnlich wie es in Fig. 6 dargestellt
ist. Um ein Verbiegen oder Ausbauchen langer paralleler Röhren zu verhindern,
sind die Verbindungen so ausgebildet, dan a sie ineinander eingreifen. Die Muffe
66 des Teiles 62 der Ummante-! lung ist beispielsweise mit seitlich vorspringenden
Ansätzen 67, E @68 versehen, die eine konkave Ausnehmung bilden, die die benachbarte
Ummantelung aufnimmt. Die Muffe 69 des Teiles 64 der Ummantelung der benachbarten
Röhre ist dementsprechend bei 70 ausgeschnitten, um den Vorsprung 68 aufzunehmen.
Diese formschlüssige Verbindung ist besonders deutlich in der Querschnittsansicht
von Fig. 15 zu sehen. Die Ansätze 68, 68@ bilden eine konkave Ausnehmung 71, die
um die benachbarte Ummantelung 64 paßt. Die Muffe 69 des Teiles 64 dieser benachbarten
Ummantelung ist ausgeschnitten oder in seitlicher Richtung wesentlich schmäler,
so daß nur zwei Vorsprünge 72, 73 stehen bleiben. Bei der dargestellten Anordnung
bildet die Verbindungslinie der Vorsprünge 72, l? einen
Winkel
von 45o mit der Verbindungslinie der Vorsprünge 67, 67' bzw. 68, 68'. Wenn eine
Anzahl von Röhren abwechselnd mit Vorsprüngen verschiedenen Typs montiert werden,
entster:t eine Anord-~iung, die ein Verbiegen oder Verwinden der einzelnen Röhren
verhindert.
Die RohranoMdnu nge gemäß der@Erfindung w;irder_ in der ver-
schsc:der::`-#en Form unter den -verschieder:sten Bedingungen
er-
l::robl> . Stücke von 0,(" bis 1,2 rr Länf;e
mit der be-
sch.riebenen Ai-t w@r.;:er@ in einem clekürischerri Ufer, hohe
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(Reaktionen zwischen Metall und Keramik festgestellt, z.B. zwischen
der genannten Nickellegierung und tongebundenem Siliciumcarbid. !Anscheinend verhindert
die Keramikummantelung ein nennenswertes Verzundern der Metallröhre dadurch, daß
sie verhindert, daß sich ;die Zunderschicht löst und abfällt.It may be necessary to replace the heat exchanger tubes as shown in 'Fig. 12 and 13 assemblies shown in the lower part to connect somehow to one another in order to prevent bending. A wide variety of arrangements, such as clips, wedges, inserts, etc., can be used for Hiez1 '. A support arrangement which prevents the tubes from bending and forms part of the jacket is shown in FIG. 14 shows two heat exchanger tubes 60, 61 according to the invention. The ceramic sheathing parts 62, 63 and 64, 65 are connected to one another by sleeve or socket connections, similar to that shown in FIG. To prevent bending or bulging of long parallel tubes, the connections are designed so that they interlock. The sleeve 66 of the part 62 of the Ummante-! ment is provided, for example, with laterally projecting lugs 67, E @ 68, which form a concave recess that receives the adjacent casing. The sleeve 69 of the portion 64 of the jacket of the adjacent tube is accordingly cut out at 70 to receive the projection 68. This form-fitting connection can be seen particularly clearly in the cross-sectional view of FIG. 15. The lugs 68, 68 @ form a concave recess 71 which fits around the adjacent casing 64. The sleeve 69 of the part 64 of this adjacent casing is cut out or substantially narrower in the lateral direction, so that only two projections 72, 73 remain. In the illustrated arrangement, the line connecting the projections 72, l? an angle of 45o with the line connecting the projections 67, 67 'and 68, 68'. If a number of tubes are mounted alternately with protrusions of different types, an arrangement is created which prevents the individual tubes from bending or twisting. The pipe dimensions according to the invention are
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l :: robl>. Pieces from 0, (" to 1.2 rr length; e with the
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For example, there are no arrangements; .sni; ersuci "1" the metal
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(Reactions between metal and ceramic detected, e.g. between the above-mentioned nickel alloy and clay-bonded silicon carbide.! Apparently, the ceramic coating prevents significant scaling of the metal tube by preventing it from becoming detached; the layer of scale dissolves and falls off.
Die Erfindung ist besonders geeignet für die Erhitzung von ,Gasen
auf Temperaturen und Drücke, die höher sind als sie mit konventionellen Rekuperatoren
erreicht werden können. Die Erfindung kann jedoch auch zur Erhitzung von Flüssigkeiten
Anwendung finden. Ein bevorzugtes, jedoch nicht ausschließliches Anwendungsgebiet
der Erfindung sind kohlebeheizte Kraftwerke, bei denexi der Wärme-,austauscher vorzugsweise
die ganze Wärme durch Str"..ilung von der ,Flamme aufnimmt und keine direkte Berührung
der Flammengase mit Iden Röhren erforderlich ist. Ein wichtiges :nwendungsgebiet
der ;Rohranordnungen gemäß der- Erfindung sind auch Kraftwerke, die mit Metalldampf
als Arbeitsmedium arbeiten, z.B. Quecksilber-, Caesium !Zink-Dampf usw. und bei
denen die Korrosion der Wärmetauscherr8h-!ren bisher erhebliche Schwierigkeiten
bereitete. Weitere Anwendungsgebiete der Erfindung sind u.a. Gasturbinen mit offenem
und ;geschlossenem Kreislauf, insbesondere Gasturbinen mit offenem Kreislauf, die
mit unsauberen Brennstoffen betrieben werden, MHD-Leistungsgeneratoren, Dampfüberhitzer
und Zwischenerhitzer für Kraftwerke, Wärmeaustauscher zur regenerativen Erhöhung
der Tempei ratur einer Flamme bei industriellen Verfahren, bei denen dies e'.,rderlich
ist, z.B. Hochöfen, offene Hochöfen oder Herde, GlasschmelzbehUlter un-1 Anlagen
zur chemischen Synthese durch teil-
weise Verbrennung natürlicher Gase, ferner Erhitzung von chemischer
.Stoffen im Rahmen der rerccr_edensten Verfahren, z.B. von
Öl und
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Gas und bei der Ammoniaksynthese. Die
RehranordnunFer_ er E#@@".@.dunckönnen schließlich auch ein-
fach als Transp:@r-en @-r r:edien, die unter sehr hoher Tem-
peratur stehen,
Beies`-;.m@: kann die innere Röhre auch
-aus.@Äeren als :F.r -er@wnrit,er '.: -s4 offen :#es':er_en,
z.B. aus ;uarz .
@jder Glas mi+- t: ,.c3nn sie in der :her
,Desch"-!-e'^enen und werden, höhere Be-
von Metalle,»
Für die Verwendung mit reduzierenden Gasen, wie Wasserstoff oder
Kohlenwasserstoffen kann es zweckmäßig sein, doppelte Metallröhren' zu verwenden,
bei denen die innere Röhre der reduzierenden Atmosphäre und die äußere Röhre einer
oxydierenden Atmosphäre standzuhalten vermag und beide Röhren durch eine Carbidummantelung
verstärkt sind.The invention is particularly suitable for heating gases to temperatures and pressures that are higher than can be achieved with conventional recuperators. However, the invention can also be used for heating liquids. A preferred, but not exclusive, field of application of the invention are coal-fired power plants, in which the heat exchanger preferably absorbs all of the heat by flow from the flame and the flame gases do not need to come into direct contact with the pipes. The pipe arrangements according to the invention are also used in power plants which work with metal vapor as the working medium, for example mercury, cesium, zinc vapor, etc. and in which the corrosion of the heat exchanger pipes has previously caused considerable difficulties gas turbines with open and closed circuit, in particular gas turbines with open circuit that are operated with unclean fuels, MHD power generators, steam superheaters and reheaters for power plants, heat exchangers for regenerative increase in the temperature of a flame in industrial processes where this e ' ., is rderlich, e.g. Hochö furnaces, open blast furnaces or stoves, glass melting containers and systems for chemical synthesis through partial wise combustion of natural gases, further heating of chemical ones
.Substances in the context of the rerccr_edensten process, e.g. of oil and
i
Gas and in ammonia synthesis. the
Deer order now E # @@ ". @. You can finally also
fold as transp: @ r-en @ -rr: edien that are used under very high tem-
stand temperature,
Beies` - ;. m @: the inner tube can too
-aus. @ Äeren as: Fr -er @ wnrit, er '.: -s4 open: #es': er_en, e.g. from; uarz.
@jder glass mi + - t:, .c3nn them in the: her
, Desch "-! - e '^ enen and become, higher desires
of metals, »
For use with reducing gases such as hydrogen or hydrocarbons, it may be appropriate to use double metal tubes in which the inner tube can withstand the reducing atmosphere and the outer tube can withstand an oxidizing atmosphere and both tubes are reinforced by a carbide jacket.