DE19531330A1 - Verbindung eines ungekühlten Rohres mit einem gekühlten Rohr - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft die Verbindung eines heißen, ungekühlten Rohres mit einem gekühlten Rohr mit den Merkmalen des Oberbegriffes des Patentanspruches 1.

Eine solche Verbindung ist aus der DE-PS 39 10 630 bekannt. Bei dieser Verbindung läßt das Spiel zwischen dem gekühlten Rohr und dem inneren Rohrabschnitt des ungekühlten Rohres eine temperaturbedingte Dehnung zwischen den beiden im übrigen fest miteinander verbundenen Rohren zu. Die eingebrachte Wärmeisolierung bewirkt, daß der äußere Rohrabschnitt des ungekühlten Rohres, der fest mit dem gekühlten Rohr verbunden ist, eine Wandtemperatur annimmt, die unterhalb der Temperatur des durch das ungekühlte Rohr strömenden Gases liegt. Die Wandtemperaturen, die die Rohre an der Verbindungsstelle erreichen, gleichen sich auf diese Weise aneinander an, so daß die Wärmespannungen an der Verbindungsstelle minimiert werden.

Die aus der DE-PS 39 10 630 bekannte Rohrverbindung hat sich bewährt. Jedoch zeigte sich im Betrieb, daß Gas aus dem ungekühlten Rohr über das Spiel zwischen den Rohren in die Wärmeisolierung dringen kann. Dabei kann sich Feststoff aus dem Gas abscheiden, auf dem wärmeisolierenden Material ablagern und dessen Isolierwirkung beeinträchtigen. Außerdem kann je nach der Isolierwirkung und den herrschenden Temperaturen im Gas und im Kühlmedium die Wandtemperatur in dem äußeren Rohrabschnitt über dessen Länge in einer solchen Weise abnehmen, daß Wärmespannungen auftreten können.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die gattungsgemäße Rohrverbindung so zu gestalten, daß die Wärmeisolierung kontrollierbaren Bedingungen unterliegt.

Diese Aufgabe wird bei einer gattungsgemäßen Rohrverbindung erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Das flexible, vorzugsweise als O-Ring ausgebildete Element zwischen den Stirnflächen des gekühlten Rohres und des inneren Rohrabschnittes des ungekühlten Rohres läßt einerseits eine Wärmedehnung zu. Andererseits verhindert aber dieses flexible Element den Eintritt von Gas in die Wärmeisolierung und dadurch eine Ablagerung von Feststoffen aus dem Gas auf dem wärmeisolierenden Material, die die Isolierwirkung beeinträchtigen könnten. Die Isolierwirkung bleibt daher in der voraus berechneten Größe. Durch die sich ändernden Wärmeleitkoeffizienten der einzelnen isolierschichten wird eine in Richtung auf das gekühlte Rohr hin steigende Isolierwirkung erzielt, durch die die Wandtemperatur des äußeren Rohrabschnittes des ungekühlten Rohres allmählich und kontrolliert abnimmt und an der Verbindungsstelle mit dem gekühlten Rohr dessen Wandtemperatur erreicht oder nahezu erreicht.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher erläutert. Die Zeichnung stellt den Längsschnitt durch eine Verbindung zwischen zwei Rohren dar.

Das Rohr 1 ist ungekühlt und wird von einem heißen Gas durchströmt. Vorzugsweise handelt es sich bei dem ungekühlten Rohr 1 um ein Spaltrohr eines Spaltgasofens zur Erzeugung von Spaltgas, das unmittelbar nach dem Austritt aus dem Spaltrohr schroff abgekühlt werden muß. Das ungekühlte Rohr 1 ist daher mit einem gekühlten Rohr 2 verbunden, in dem das Gas gekühlt wird. Die Rohre 1, 2 fluchten miteinander und weisen vorzugsweise den gleichen Innendurchmesser auf. Das gekühlte Rohr 2 ist als Doppelrohr mit einem Innenrohr 3 und einem Mantelrohr 4 ausgebildet. Der Ringraum zwischen dem Innenrohr 3 und dem Mantelrohr 4 ist von einem Kühlmittel, z. B. von verdampfendem Wasser, durchflossen.

Um das ungekühlte Rohr 1 mit dem gekühlten Rohr 2 spannungsfrei zu verbinden, ist das an das gekühlte Rohr 2 angrenzende Ende des ungekühlten Rohres 1 als ein im Querschnitt gabelförmiger Eintrittskopf 7 ausgebildet. Dieser Eintrittskopf 7 enthält einen inneren Rohrabschnitt 5 und einen äußeren Rohrabschnitt 6, die an einer ihrer Stirnseiten miteinander verbunden sind.

Der äußere Rohrabschnitt 6 ist mit dem Mantelrohr 4 des gekühlten Rohres 2 fest verbunden. Diese feste Verbindung besteht aus einer Schweißverbindung, die in der Zeichnung durch die ringförmige Schweißnaht 8 angedeutet ist. Dabei ist zur Bildung der Schweißfuge an das Mantelrohr 4 ein ringförmiger Ansatz 9 geformt, dessen Dicke der Wanddicke des äußeren Rohrabschnittes 6 entspricht.

Der innere Rohrabschnitt 5 des ungekühlten Rohres 1 ragt in das Innenrohr 3 des gekühlten Rohres 2 hinein. Dabei ist zwischen dem inneren Rohrabschnitt 5 und dem Innenrohr 3 in radialer und axialer Richtung ein Spiel vorgesehen. Über dieses Spiel, das in der Zeichnung übertrieben groß dargestellt ist, werden Wärmedehnungen des ungekühlten Rohres 1 gegenüber dem gekühlten Rohr 2 ohne Zwang aufgefangen.

In den Ringraum, der zwischen dem inneren und dem äußeren Rohrabschnitt 5, 6 des Eintrittskopfes 7 des ungekühlten Rohres 1 gebildet ist, ist eine Wärmeisolierung eingebracht. Diese Wärmeisolierung besteht aus mehreren, im dargestellten Fall aus drei, Schichten 10, 11, 12 eines wärmeisolierenden Materials, die in axialer Richtung hintereinander liegen. Die Schichten 10, 11, 12 unterscheiden sich in ihrer Wärmeleitfähigkeit. Dabei sind die Schichten 10, 11, 12 so in dem Ringraum eingebracht, daß die dem gekühlten Rohr 2 zugewandte Schicht 10 den geringsten und die dem ungekühlten Rohr 1 zugewandte Schicht 12 den höchsten Wärmeleitkoeffizienten aufweist. Die dazwischen liegende Schicht 11 hat einen mittleren Wärmeleitkoeffizienten. Die Isolierwirkung der Schichten 10, 11, 12 nimmt daher in Richtung auf das gekühlte Rohr 2 zu bzw. in Richtung auf das ungekühlte Rohr 1 ab. Die unterschiedlichen Wärmeleitkoeffizienten lassen sich durch die Auswahl der Werkstoffe oder die Dichte oder die Dicke der Schichten variieren. Die Höhe der einzelnen Schichten 10, 11, 12 in axialer Richtung kann unterschiedlich sein und bestimmt sich nach der gewünschten Änderung der Isolierwirkung.

Die Unterschiede in den Wärmeleitkoeffizienten liegen zwischen 10 W/m·K auf der dem ungekühlten Rohr 1 zugewandten Seite und 0,2 bis 0,6 W/m·K auf der dem gekühlten Rohr 2 zugewandten Seite. Die Wärmeisolierung kann aus einem mineralischen oder einem faserigen Werkstoff bestehen und in den Ringraum als gegossene und aushärtbare Masse oder als Formstück eingebracht werden.

Wenn der Ringraum zwischen dem Innenrohr 3 und dem Mantelrohr 4 des gekühlten Rohres 2 von dem Kühlmittel durchströmt wird, nimmt die Rohrwandung des Mantelrohres 4 eine Temperatur an, die nahezu der Kühlmitteltemperatur entspricht. Das Innenrohr 3, das das von dem ungekühlten Rohr 1 zuströmende, heiße Gas führt, wird außen wirkungsvoll durch das Kühlmittel gekühlt. Dadurch stellt sich eine Wandtemperatur ein, die deutlich unter der Temperatur des Gases, und zwar nahe an der Kühlmitteltemperatur, liegt. Die Temperatur an der Innenwand des ungekühlten Rohres 1 und des inneren Rohrabschnittes 5 liegt nahe an der Temperatur des heißen Gases.

Durch die Wärmeisolierung in dem Ringraum des Eintrittskopfes 7 des ungekühlten Rohres 1 nimmt die Rohrwandung des äußeren Rohrabschnittes 6 eine Temperatur an, die unterhalb der Wandtemperatur des ungekühltes Rohres 1 liegt und die abhängig von der Temperatur des heißen Gases und des Kühlmittels sowie von der Isolierwirkung ist. Da die Isolierwirkung aufgrund der unterschiedlichen Wärmeleitfähigkeit der Schichten 10, 11, 12 nahe dem ungekühlten Rohr 1 am geringsten ist, nimmt die Wandtemperatur in dem äußeren Rohrabschnitt 6 in Richtung auf die durch die Schweißnaht 8 gegebene Verbindungsstelle der Rohre 1, 2 allmählich und weniger schroff als bei einer einheitlichen Wärmeisolierung ab und erreicht an der Schweißnaht 8 nahezu die Wandtemperatur des Mantelrohres 4 des gekühlten Rohres 2. Auf diese Weise werden Wärmespannungen sowohl in dem äußeren Rohrabschnitt 6 als auch in der Schweißnaht 8 ausgeschlossen oder zumindest weitgehend vermieden.

Im Bereich des Spiels zwischen den Rohren 1, 2 ist zwischen der Stirnfläche des Innenrohres 3 des gekühlten Rohres 2 und der Stirnfläche des inneren Rohrabschnittes 5 des ungekühlten Rohres 1 ein flexibles Element in Form eines O-Ringes 13 angeordnet. Dieser O-Ring 13 liegt dicht an beiden Stirnflächen an und verhindert, daß heißes Gas aus dem ungekühlten Rohr 1 in den Ringraum zwischen den Rohrabschnitten 5, 6 dringen kann. Damit ist der Gefahr begegnet, daß Feststoff aus dem Gas sich auf den Schichten 10, 11, 12 der Wärmeisolierung niederschlagen und die Isolierwirkung beeinträchtigen kann. Diese Gefahr ist besonders groß, wenn das Gas ein frisch erzeugtes Spaltgas ist, aus dem sich bei einer unkontrollierten Abkühlung feiner Kohlenstoff in Form von Ruß ausscheidet.

Claims (4)

1. Verbindung eines heißen, ungekühlten Rohres (1) mit einem gekühlten Rohr (2), bei der das Ende des ungekühlten Rohres (1) im Querschnitt gabelförmig unter Bildung von zwei an einer Stirnseite miteinander verbundenen Rohrabschnitten (5, 6) ausgebildet ist, bei der der äußere Rohrabschnitt (6) des ungekühlten Rohres (1) fest mit dem gekühlten Rohr (2) verbunden ist, bei der der innere Rohrabschnitt (5) des ungekühlten Rohres (1) in das gekühlte Rohr (2) hineinragt und gegenüber diesem ein radiales und axiales Spiel aufweist und bei der der Ringraum zwischen dem inneren und dem äußeren Rohrabschnitt (5, 6) des ungekühlten Rohres (1) mit einem wärmeisolierenden Material gefüllt ist, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Stirnflächen des gekühlten Rohres (2) und des inneren Rohrabschnittes (5) des ungekühlten Rohres (1) ein flexibles Element angeordnet ist, das dicht an den Stirnflächen anliegt.

2. Verbindung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das flexible Element als O-Ring (13) ausgebildet ist.

3. Verbindung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeisolierung aus mehreren in axialer Richtung hintereinander liegenden Schichten (10, 11, 12) mit unterschiedlicher Wärmeleitfähigkeit aufgebaut ist.

4. Verbindung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die dem gekühlten Rohr (2) zugewandte Schicht (10) den geringsten Wärmeleitkoeffizienten aufweist und daß die Wärmeleitkoeffizienten der Schichten (10, 11, 12) mit der Entfernung von dem gekühlten Rohr (2) ansteigen.