DE19518331B4

DE19518331B4 - Mechanisches Rohrdichtungssystem

Info

Publication number: DE19518331B4
Application number: DE19518331A
Authority: DE
Inventors: Wallace G. Murray; Janek Dr. Porowski
Original assignee: Columbian Chemicals Co
Current assignee: Columbian Chemicals Co
Priority date: 1994-08-02
Filing date: 1995-05-18
Publication date: 2006-04-06
Anticipated expiration: 2015-05-19
Also published as: KR100371016B1; ES2126442A1; JPH0861503A; KR960008132A; DE19518331A1; GB2291940A; HUT72688A; HU9501755D0; ES2126442B1; BR9503533A; ITRM950535A1; US5538261A; GB2291940B; IT1277890B1; GB9515871D0; ITRM950535A0; JP3429608B2; HU220928B1

Abstract

Dichtungssystem (10) für Wärmetauscher mit Heizrohren (14) und einem Rohrboden (16), wobei das Dichtungssystem (10) folgendes umfasst:
– eine Hülse (40) mit einem oberen vertikalen Wandabschnitt (42), einem einwärts vorstehenden Absatz (45) und einem unteren vertikalen Wandabschnitt (48)
– ein primäres Abdichtmittel (56), das in einem ringförmigen Raum (50) angeordnet ist, der zwischen der Heizrohrwand (14), dem unteren vertikalen Wandabschnitt (48), dem einwärts vorstehenden Absatz (45) und dem Rohrboden (16) gebildet ist
– ein sekundäres Abdichtmittel (52), das in einem ringförmigen Raum (47) angeordnet ist, der zwischen der Heizrohrwand (14), dem oberen vertikalen Wandabschnitt (42), dem einwärts vorstehenden Absatz (45) und einem oberen Ring (80) gebildet ist
– einen Druckbund (87), der um den oberen Ring (80) und die Hülse (40) positioniert und mit einer Vielzahl von Bolzen (88) versehen ist, die an ihrem unteren Ende (91) mit dem Rohrboden (16) verschraubt sind.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Dichtungen für Wärmetauscher. Insbesondere bezieht sich die vorliegende Erfindung auf ein mechanisches Rohrdichtungssystem für einen Hochtemperatur Luft-Ruß geladenen Betriebsgaswärmetauscher, welches einen federgespannten Weichmetallprimärring nutzt, der teilweise in einem Gehäuse aufgenommen ist, wobei der Ring und das Gehäuse zusammen zur Dichtung während der Ausdehnung der Wärmetauscherrohre während der Einwirkung hoher Hitze auf das Rohr während des Prozesses vorgesehen sind.

Beim derzeitigen Stand der Technik erfordern Hochtemperatur(HT)-Wärmetauscher, welche in verschiedenen Industrien verwendet werden, sehr hohe Fabrikationskosten, um wegen der Ausdehnung der Wärmetauscherrohre während des Betriebes Rohre bereitzustellen, die noch weiterhin um die Rohre dichten. Beim Stand der Technik bieten die einzelnen Wärmetauscherrohre für das einzelne Rohr gewickelte Ausdehnungsverbindungen, welche zu den hohen Kosten beitragen. Gemäß der ziemlich komplexen Herstellung, welche involviert ist, resultieren die Wärmetauscherrohrmechanismen in einem ziemlich großen und dafür ziemlich teuren System und, um ordentlich unterstützt zu werden, muss das Unterstützungssystem sehr ausgedehnt sein.

Ein typischer Wärmetauscher würde normalerweise eine Vielzahl von beabstandeten parallelen Rohren, welche sich zwischen gegenüberliegenden Metallrohrböden erstrecken, einschließen. Während des Betriebes des Systems würde Wärmeübertragung zwischen dem Material innerhalb der parallelen Rohre und dem Material auf der Außenseite der Rohre stattfinden, da es in vielen Anwendungen nachteilig sein würde, das Material auf der Innenseite der Rohre mit dem Material auf der Außenseite vermischt zu haben. Aus diesem Grund ist es zwingend, dass dort eine sehr dichte Dichtung zwischen jedem der Rohre und dem Metallrohrboden vorhanden ist. Des Weiteren ist es notwendig, da die Temperaturen in den parallelen Rohren hohe Level erreichen, den Rohren zu ermöglichen, sich auszudehnen und folglich zu kontrahieren, ohne die mechanischen Dichtungen zwischen den parallelen Rohren und dem Rohrboden zu beschädigen.

Beim vorliegenden Stand der Technik würde jedes der Rohre an einem ersten Ende an einen der Rohrböden geschweisst sein und würde mit dem zweiten Rohrboden mit balgigen Stahllegierungswicklungen, verbunden, welche als Ausdehnungsverbindungen dienen, um das Ausdehnen und Kontrahieren der Rohre relativ zu den Böden zu erlauben. Diese sogenannten Ausdehnungsverbindungen sind dann mit den Rohren und den Rohrböden verschweißt. Obwohl solche konventionellen Ausdehnungsverbindungen effektiv sind, sind sie relativ groß in ihren Abmessungen und vergrößern die Gesamtgröße und Kosten des Wärmetauschersystems. Des Weiteren tendieren sie dazu, den Übertragungswirkungsgrad der Wärme von den Rohren zu verringern.

Ferner wird in der DD 104619 A ein lösbares Abdichtungssystem von Rohren an starkwandigen Rohrböden beschrieben. Die Rohre sind jeweils mit einem Abdichtkopf versehen. Zwischen dem Rohrboden und dem Abdichtkopf sind zwei Dichtringe vorgesehen. Des Weiteren umfasst das Abdichtsystem eine elastische leckanzeigende Dichtung.

Die DE 69 009 267 T2 beschreibt eine Wärmeaustauschvorrichtung für Abströme eines Ammoniakreaktors, bei der Wärmeaustauschrohre innerhalb einer Umhüllung liegen. Die Umhüllung wird mittels einer Dichtungsbuchse gegen den Rohrboden abgedichtet, so dass die thermische Expansion der Rohre ermöglicht wird.

Ein System zur lösbaren Befestigung von Rohren in einem Wärmetauscher wird in der GB 451 441 A gezeigt.

Es ist eine Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung ein Dichtungssystem für Wärmetauscher vorzusehen, welches billiger und kompakter als konventionelle Dichtungsanordnungen ist.

Es ist des Weiteren eine Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Dichtungssystem zwischen einem Heizrohr und dem Rohrboden eines Wärmetauschers durch Beeinflussung einer ersten Primärdichtung an der Verbindungsstelle des Rohres und des Rohrbodens vorzusehen und eine Sekundärdichtung zwischen der Wand des Heizrohres und dem Dichtungsteil.

Es ist des Weiteren Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Dichtung zwischen einem Heizrohr und einem Rohrboden eines Wärmetauschers vorzusehen, wobei die primäre Dichtung durch einen Dichtungsring gebildet ist, welcher vertikale Ausdehnung und Kontraktion des Heizrohres erlaubt, während die Dichtung aufrechterhalten bleibt.

Es ist des Weiteren Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein System zur Dichtung zwischen einem Heizrohr und einem Rohrboden eines konventionellen Wärmetauschers vorzusehen, wobei ein innerer, kompressibler Ring, eine primäre Dichtung formt und eine Graffitabdichtung eine zweite Dichtung in dem System formt.

Das System der vorliegenden Erfindung gemäß Anspruch 1 löst diese Aufgaben in einer einfachen und direkten Weise. Was vorgesehen ist, ist ein Dichtungssystem für Wärmetauscher mit Heizrohren und einem Rohrboden, wobei das Dichtungssystem eine Hülse mit einem oberen vertikalen Wandabschnitt, einem einwärts vorstehenden Absatz und einem unteren vertikalen Wandabschnitt umfasst. Des Weiteren ist ein primäres Abdichtmittel vorgesehen, das in einem ringförmigen Raum angeordnet ist, der zwischen der Heizrohrwand, dem unteren vertikalen Wandabschnitt, dem einwärtzs vorstehenden Absatz und dem Rohrboden gebildet ist. Ein sekundäres Abdichtmittel ist in einem ringförmigen Raum angeordnet, der zwischen der Heizrohrwand, dem oberen vertikalen Wandabschnitt, dem einwärts vorstehenden Absatz und einem oberen Ring gebildet ist. Das Dichtungssystem umfasst ferner einen Druckbund, der um den oberen Ring und die Hülse positioniert und mit einer Vielzahl von Bolzen versehen ist, die an ihrem unteren Ende mit dem Rohrboden verschraubt sind.

Zum weiteren Verständnis der Natur und Aufgaben der vorliegenden Erfindung sollte Bezug zu der folgenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen genommen werden, worin gleichen Teilen gleiche Bezugsnummern gegeben worden sind und worin:
1 einen Gesamtschnitt des Dichtungssystems in einer bevorzugten Ausführung der vorliegenden Erfindung darstellt;
2 einen Teilschnitt des Dichtungssystems in der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;
3 eine geschnittene Seitenteilansicht des primären Dichtungsringes, welcher in der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet wird, darstellt;
4 eine Einzelteilansicht der Konfiguration des primären Dichtungsringes, welcher in der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet wird, darstellt; und
5 eine Draufsicht auf die Dichtungsringe, welche in der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet werden, darstellt.
Die 1 bis 5 stellen bevorzugte Ausführungsformen des Dichtungssystems der vorliegenden Erfindung dar, welches durch die Nummer 10 dargestellt ist. Wie in der Gesamtansicht der 1 zu sehen ist, stellt das Dichtungssystem 10 eine Einrichtung zum Ausbilden einer effektiven Dichtung zwischen einem Heizrohr 14 und einem Rohrboden 16 vom Typ, welcher typischerweise in konventionellen Wärmetauschern vorgefunden wird, dar. Wie dargestellt, würde das Heizrohr 14 einen im allgemeinen kontinuierlichen, ringförmigen Wandabschnitt 18, mit einer unteren Endöffnung 20 und einer oberen Endöffnung 22, umfassen und einen Innenraum 24 definieren, durch welchen Materialien fließen würden, um den Materialien, welche im Rohr 14 fließen, zu erlauben, etwas von ihrer Wärme durch die Wand 18 des Heizrohres 14 mit dem Gebiet 28 unter dem Rohrboden 16 auszutauschen. Wie in 1 zu sehen ist, ist dort ein einzelnes Heizrohr 14 dargestellt, aber in Wirklichkeit besteht ein konventioneller Wärmetauscher aus einer Vielzahl von Heizrohren 14, welche alle jeweils identisch funktionieren.
Jedes der Heizrohre 14 würde sich durch die Rohrbodenschicht 16 ausdehnen, wie in 1 zu sehen. Der Rohrboden 16 mit einer Oberseite 17 würde als Metallbarriere zwischen dem Gebiet außerhalb 28, welches das Heizrohr 14 umgibt und dem Material, welches durch das Heizrohr 14 fließt, dienen. Da während des Gebrauchs des Wärmetauschers das Heizrohr 14 Gegenstand sehr hoher Temperaturen sein würde, würde das Heizrohr 14 eine gewisse Ausdehnung der Wand 18 erfahren. Daher ist es notwendig, daß eine Einrichtung zur Verfügung gestellt wird, welche der Heizrohrwand 18 erlaubt, sich relativ zu dem stationären Rohrboden 16 auszudehnen und zu Kontrahieren und die gleichzeitig weiterhin eine Dichtung zwischen dem Heizrohr 14 und dem Rohrboden 16 bietet, so dass sich Material unterhalb des Rohrbodens 16 nicht mit Material von der Oberseite 17 des Rohrbodens 16 vermischt.
Um diese Aufgabe zu vollbringen, wird Bezug auf das Dichtungssystem 10 genommen, wie in den Figuren dargestellt. Wie in der Gesamtansicht in 1 zu sehen ist, würde das System 10 ein erstes äußeres Hülsenteil 40 umfassen, mit einem vertikalen Wandabschnitt 42, der in einer Oberseite 43 endet. Der untere Abschnitt 44 des Hülsenteiles 40 würde einen einwärts vorstehenden Absatz 45 einschließen, mit einer Innenseite 46, welche mit der Außenwand 18 der Heizrohrdichtung 14 nicht in Berührung steht. Der einwärts vorstehende Absatz 45 würde einen ringförmigen Raum 47 zwischen der Heizrohrwand 18 und dem vertikalen Wandabschnitt 42 der äußeren Hülse 40 definieren. Der untere Endabschnitt 44 der äußeren Hülse 40 würde in einem Fußabschnitt 48 enden, welcher auf der Unterseite 17 des Rohrbodens 16 aufliegen und einen Raum 50 unter dem Absatz 45 und zwischen dem Fußabschnitt 48 und der Wand 18 des Heizrohres 14 definieren würde. Die Funktion von diesem wird weiter beschrieben.
Wie vorher beschrieben, würde der ringförmige Raum 47, welcher zwischen der Wand 18 des Heizrohres 14 und dem vertikalen Wandabschnitt 42 der äußeren Hülse 40 gebildet ist, eine gewisse Menge an Sekundär-Abdichtmaterial 52 aufnehmen, welches in der bevorzugten Ausführungsform aus verdichtetem Graffitmaterial bestehen würde, was gemeinhin als Abdichtung verwendet wird, um eine Dichtung zwischen Metall zu Metall-Kontaktstellen zu bewirken.
Wie in 2 zu sehen, würde das Abdichtmaterial 52 so positioniert, eine Sekundärdichtungseinrichtung 54 zwischen dem vertikalen Wandabschnitt 42 der äußeren Hülse 40 und der Heizrohrwand 18 zu formen. Diese sekundäre Dichtungseinrichtung 54 würde ein Ausfließen des Materials aus dem Dichtungssystem verhindern, falls das Material durch die Primärdichtungseinrichtung ausfließen sollte, welche noch beschrieben wird.
Gehen wir nun über zu der primären Dichtungseinrichtung der vorliegenden Erfindung, wie unter Nr. 56 gezeigt, ist in erster Linie Bezug auf die 3 bis 4 genommen. Wie in diesen Figuren dargestellt, wird die primäre Dichtungseinrichtung 56 in dem Raum 50 angebracht, welcher unter dem Absatz 45 und zwischen dem Fußabschnitt 48 der äußeren Hülse 40 der Wand 18 des Heizrohres 14 und dem Rohrboden 16 gebildet ist. Die primäre Dichtungseinrichtung 56 würde eine Federringeinrichtung 58 umfassen, welche, wie in den Figuren gesehen, desweiteren einen ersten inneren federgespannten Primärmetallring 60 umfassen würde, welcher aus kontinuierlichen, enggewundenen Spiralen 62 geformt ist, wobei der Primärring 60 vorzugsweise aus einem Hochnickelstahl konstruiert ist und einen kontinuierlichen Ring definiert, welcher die äußere Wand 18 des Heizrohres 14 im Raum 50 an der Verbindungsstelle 64 zwischen Heizrohr 14 und Rohrboden 16 umgibt. Die federnde Ringeinrichtung 58 würde des Weiteren ein äußeres Metallgehäuse 66 umfassen, vorzugsweise aus einem weichen, flexiblen Metall hergestellt, wie Goldüberzug, rostfreier Stahl, welches den Primärring 60 aufnehmen würde, wobei das Gehäuse 66 eine Seitenwand 68 aufweist, deren innere Fläche 69 den Ring 60 teilweise entlang seiner Länge berührt aber an den Punkten 70, 72 endet, um eine Öffnung 74 zu definieren, wo der Primärring 60 nicht im Gehäuse 66 bedeckt ist, wie in 3 gesehen. Wie in 2 dargestellt, ist bei der bevorzugten Ausführungsform die Öffnung 74 nach außen von der Wand 18 des Heizrohres 14 angeordnet, wobei die äußere Fläche 67 des Gehäuses 66 mit beiden, der Wand 18 des Heizrohres 14 und der oberen Fläche 17 des Rohrbodens 16, an der Verbindungsstelle 64 in Berührung steht, wenn sie sich in der Position entlang der Wand 18 des Heizrohres 14 befindet.
Nun wird Bezug zu dem oberen Ring 80 genommen, welcher oberhalb der oberen Seite 43 der äußeren Hülse 40 angeordnet ist und welcher das Heizrohr 14 umgibt, wie in 1 zu sehen. Der obere Ring 80 schließt eine erste untere Seite 82 ein, welche auf der Oberseite 43 der vertikalen Wand 42 der äußeren Hülse 40 aufliegt. Er bietet des Weiteren einen unteren Fuß 84, welcher in den ringförmigen Raum 47 vorsteht und in Berührung mit dem Abdichtmaterial 52 steht. Der obere Ring 80 passt gut gegen die äußere Wand 18 des Heizrohres 14 und endet in einer oberen Seite 86. Der obere Ring 80 bietet die Fläche, über welche eine Kraft auf das Dichtungssystem 10 ausgeübt wird, um auf die Primär- und Sekundärdichtungen im System zu bewirken.
Wie in erster Linie aus 1 zu sehen, ist eine Einrichtung zum Aufbringen einer Kraft auf das System vorgesehen, sobald die Ringe und Abdichtungsmaterial, wie hiervor beschrieben, einmal an ihrem Platz sind, wie vorhergehend in den 1 und 2 dargestellt. Diese Einrichtung umfasst einen Druckbund 87, welcher um den oberen Ring 80 und die äußere Hülse 40 positioniert ist und auf der Oberseite 17 des Rohrbodens 16 aufliegt. Der Druckbund 87 würde einen einwärts abhängenden Absatz 89 zur Aufnahme des oberen Ringes 80 einschließen, wenn er in Position gebracht ist. Der Druckbund 87 bietet des weiteren eine Vielzahl von beabstandeten Bolzenteilen 88, welche sich durch den Druckbund 87 erstrecken und welche durch Verschraubung an ihren unteren Enden 91 in dem Rohrboden 16 befestigt sind. Sobald jeder Bolzen 88 festgezogen ist, überträgt der Absatz 89 des Bundes 87 abwärts Kraft in der Richtung des Pfeiles 90 zum oberen Ring 80 des Dichtungssystems 10. Der obere Ring 80 wird nach unten gedrückt, um eine Kraft auf das Dichtungsmaterial 52 auszuüben, welches gegen die Wand 18 des Heizrohres 14 verdichtet ist, auszuüben, um die erforderliche Sekundärdichtung zu bewirken. Des Weiteren wird die äußere Hülse 40 durch den Druck nach unten gedrückt, so dass der Raum 50, welcher die primäre Dichtungseinrichtung 56 aufnimmt, reduziert wird und dadurch Druck auf das Metallgehäuse 66, welches den primären Ring 60 aufnimmt, ausgeübt wird. Wenn dieses geschieht, werden der kreisförmige Schnitt des Gehäuses 66 und der federgespannte weiche Primärring 60 gezwungen, sich im wesentlichen dem rechten Winkel zwischen der vertikalen Wand 18 des Heizrohres 14 und der horizontalen Seite 17 des Rohrbodens 16 an der Verbindungsstelle 64 anzupassen, so dass sie die Primärdichtung in dem System formen.
Es ist entscheidend während der Aufbringung der Kraft über die Bolzen 88, dass der Fußabschnitt 48 der äußeren Hülse 40 vorhanden ist, um als eine Einrichtung zu dienen, um das Gehäuse 66 und den primären Dichtungsring 60 davor zu bewahren, durch die abwärtsgerichtete Kraft, welche auf die äußere Hülse 40 durch den Druckbund 88 ausgeübt wird, zerdrückt zu werden. Die Toleranzen müssen exakt sein, um die erforderliche Primärdichtung 56 an der Verbindungsstelle 64 zwischen dem Heizrohr 14 und dem Rohrboden 16 zu formen und gleichzeitig das nötige Spiel zu gewährleisten, so dass die Heizrohre 14 frei sind, sich relativ zu dem stationären Rohrboden 16 zu bewegen, ohne das Heizrohr 14 und den Rohrboden 16 zu beschädigen und ohne die Primärdichtung 56, welche durch das Dichtungssystem 10 gebildet ist, zu lösen, wenn sich die Heizrohre 14 aufgrund der starken Hitze vertikal ausdehnen.
Die folgende Tabelle listet die Teilenummern und Teilebeschreibungen auf, wie sie hierin und den beiliegenden Zeichnungen verwendet werden.

Teileliste

Teil	Teil-Nummer
Dichtungssystem	10
Heizrohr	14
Rohrboden	16
Oberseite	17
ringförmiger Wandabschnitt	18
untere Endöffnung	20
obere Endöffnung	22
innerer Raum	24
Fläche	28
äußere Hülseneinrichtung	40
vertikaler Wandabschnitt	42
Oberseite	43
unterer Abschnitt	44
Absatz	45
Innenseite	46
ringförmiger Raum	47
Fußabschnitt	48
Raum	50
Abdichtungsmaterial	52
sekundäre Dichtungseinrichtung	54
primäre Dichtungseinrichtung	56
federnde Ringeinrichtung	58
primärer Ring	60
Spiralen	62
Verbindungsstelle	64
Metallgehäuse	66
äußere Fläche	67
Seitenwand	68
innere Fläche	69
Endpunkte	70, 72
Öffnung	74
oberer Ring	80
erste Unterseite	82

unterer Fuß	84
Oberseite	86
Druckbund	87
Bolzenteile	88
Absatzabschnitt	89
Pfeil	90
untere Enden	91

Claims

Dichtungssystem (10) für Wärmetauscher mit Heizrohren (14) und einem Rohrboden (16), wobei das Dichtungssystem (10) folgendes umfasst: – eine Hülse (40) mit einem oberen vertikalen Wandabschnitt (42), einem einwärts vorstehenden Absatz (45) und einem unteren vertikalen Wandabschnitt (48) – ein primäres Abdichtmittel (56), das in einem ringförmigen Raum (50) angeordnet ist, der zwischen der Heizrohrwand (14), dem unteren vertikalen Wandabschnitt (48), dem einwärts vorstehenden Absatz (45) und dem Rohrboden (16) gebildet ist – ein sekundäres Abdichtmittel (52), das in einem ringförmigen Raum (47) angeordnet ist, der zwischen der Heizrohrwand (14), dem oberen vertikalen Wandabschnitt (42), dem einwärts vorstehenden Absatz (45) und einem oberen Ring (80) gebildet ist – einen Druckbund (87), der um den oberen Ring (80) und die Hülse (40) positioniert und mit einer Vielzahl von Bolzen (88) versehen ist, die an ihrem unteren Ende (91) mit dem Rohrboden (16) verschraubt sind.
System nach Anspruch 1, bei dem das primäre Abdichtmittel (56) eine federnde Ringeinrichtung (58) umfasst.
System nach Anspruch 2, bei dem die federnde Ringeinrichtung (58) des Weiteren ein äußeres Gehäuse (66) umfasst, welches teilweise einen Primärring (60) aus Weichmetall aufnimmt.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das sekundäre Abdichtmittel (52) aus Dichtungsmaterial, vorzugsweise in Form einer Graffitabdichtung, ausgebildet ist.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der obere Ring (80) eine durch den Druckbund (87) abwärtsgerichtet aufgebrachte Kraft aufnimmt, und diese Kraft zu der Hülse (40) überträgt, um Primär- und Sekundärdichtungen für das System zu bewirken.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem sich der einwärts vorstehende Absatz (45) von der Hülse (40) erstreckt, ohne die Wand des Heizrohres (14) zu berühren.
System nach einem der Ansprüche 3 bis 6, bei dem der Primärring (60) aus einem Weichmetall besteht, das aus der Gruppe ausgewählt wird, die einen Goldüberzug, rostfreien Stahl und einen Hochnickelstahl umfasst.