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Hintergrund der Erfindung
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Die
Erfindung bezieht sich auf eine keramische Schutzhülle für Metallrohre,
welche starker thermischer und/oder mechanischer Belastung ausgesetzt
sind, insbesondere in Wärmetauschern.
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In
bestimmten Anwendungsgebieten sind Wärmetauscher sehr starken thermischen
und/oder mechanischen Belastungen ausgesetzt, welche zu verstärkter Korrosion
an den Flächen
führen, über welche
der Wärmeaustausch
stattfindet. So sind beispielsweise die Wärmetauscher, welche in Müllverbrennungsanlagen
zur Abkühlung
der Verbrennungsgase dienen, einem ständigen Strom von Rauchpartikeln
ausgesetzt.
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In
der Hochtemperaturzone der Kesselzüge, d. h., bei Temperaturen
bis zu 1000–1400°C, sind diese
Wärmetauscherrohre
typischerweise mit keramischen Platten oder Feuerfestmassen geschützt.
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Bei
Kesseltemperaturen unterhalb von ca. 500–600°C sind die Wärmetauscherrohre typischerweise
ungeschützt
den beladenen Rauchgasen direkt ausgesetzt, um einen relativ hohen
Wärmeübergang
zu ermöglichen.
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Im
Verbund mit den chemisch aggressiven Komponenten des Verbrennungsgases
und den relativ hohen Temperaturen führt diese Belastung selbst bei
Verwendung widerstandsfähiger
Legierungen zu einer vergleichsweise geringen Lebensdauer der Wärmetauscherrohre.
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Um
die Korrosion zu verringern und somit die Zeiträume zwischen einem Austausch
der Wärmetauscherrohre
zu verlängern,
wurde unter anderem vorgeschlagen, die Wärmetauscherrohre mit einer keramischen
Hülle zu
versehen, welche nach einer bestimmten Standzeit erneuert wird.
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Um
diese Aufgabe zu erfüllen,
müssen
entsprechende Keramikhüllen
verschiedene Eigenschaften aufweisen:
Zunächst muss die Keramik eine
möglichst
hohe Widerstandsfähigkeit
gegen die mechanische Erosion durch die Rauchpartikel aufweisen.
Eine hohe Verschleißfestigkeit
bei hohen Temperaturen ist somit vorteilhaft.
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Die
Keramik soll nach Möglichkeit
den Wärmeaustausch
nicht behindern, so dass eine hohe Wärmeleitfähigkeit erforderlich ist. Zugleich
soll das Material auch die beim Beginn und Ende des Betrieb auftretenden
Temperaturschwankungen verkraften, was eine hohe Temperaturwechselbeständigkeit
und damit einhergehend einen niedrigen Ausdehnungskoeffizienten
voraussetzt.
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Die
Keramik soll zudem leicht sein, d. h., eine möglichst geringe Dichte aufweisen,
um die mechanische Zusatzbelastung der Metallteile des Wärmetauschers
gering zu halten.
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Die
Keramikelemente sollen zudem so gestaltet sein, dass ein Austausch
schnell möglich
ist, ohne dass eine lange Totzeit im Betrieb einer Anlage eintritt,
d. h., sie sollen sich schnell und unkompliziert an allen Teilen
der Wärmetauscherrohre
anbringen lassen, unabhängig
von der in der jeweiligen Anlage verwirklichten Form. Die Teile
müssen
somit auch an Biegungen der Rohre, Zwillingsrohre u. dergl. anzupassen
sein. Gleichzeitig muss die Befestigung hinreichende Betriebssicherheit
gewährleisten.
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Detaillierte Beschreibung
der Erfindung
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird eine keramische Hülle
für Rohre
bereitgestellt, welche aus siliciuminfiltriertem reaktionsgebundenem
Siliciumcarbid (SiSiC) besteht. Dieses Material zeigt alle geforderten
Eigenschaften, wie hohe Härte,
hohe mechanische und chemische Korrosionsfestigkeit, gute Wärmeleitfähigkeit,
geringer Wärmeausdehnungskoeffizient
und geringe Dichte. Formteile aus SiSiC können nach im Stand der Technik
beschriebenen Verfahren hergestellt werden.
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Die
erfindungsgemäße Hülle für ein Rohr kann
aus mehreren Einzel-Formteilen bestehen, welche vor Ort mittels
Verbindungsteilen zusammengefügt
werden. Auf diese Weise wird es ermöglicht, spezifische Formen
der Wärmetauscherrohre
(wie Krümmungen,
Winkel, etc.) passgenau mit einer erfindungsgemäßen Hülle zu versehen. Die Einzel-Formteile
haben vorteilhaft die Form von halbkreisförmigen Rinnen, welche 50% der
Oberfläche des
Rohres abdecken. Zwei spiegelbildlich orientierte derartige Elemente
(im Folgenden als Halbschalen (10) bezeichnet) bilden somit
eine vollständige
Hülle auf
einem vorgegebenen Längenabschnitt
des Rohres. Ist dieser Abschnitt gerade, weisen die Halbschalen
entlang ihrer Längsachse
keine Krümmung auf.
Ist das Rohr abgewinkelt oder gekrümmt, weisen die Halbschalen
entlang ihrer Längsachse
eine entsprechende Krümmung
bzw. einen entsprechenden Winkel auf.
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Entsprechende
Halbschalen können
auch für
Verzweigungen der zu umhüllenden
Rohre angefertigt werden. Die Halbschalen bilden dann die zwei spiegelbildlichen
Hälften
eines T-Stücks.
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Durch
Variation der Länge
der Halbschalen kann erreicht werden, dass ein Rohr beliebiger Länge mit
einer vollständigen
Hülle versehen
werden kann. Hierfür
werden mehrere Hüllensegmente
durch Verbindungsstücke
aneinandergefügt.
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Um
ein lückenloses
Zusammensetzen der Halbschalen zu gewährleisten, weisen gemäß einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung die zusammengehörenden Halbschalen (10)
jeweils an einer Längskante
einen winkelförmigen
Ansatz (20) auf. Beim Zusammenfügen der Halbschalen wird auf diese
Weise ein zylinderförmiger
Innenraum geschaffen, in welchem das zu umhüllende Rohr sich befindet (3). Die Ansätze (20) umgreifen
dabei jeweils die freie Kante der anderen Halbschale und formen auf
der Außenseite
der so geschaffenen Hülle
zwei gegenüberliegende
Ausbuchtungen in Rechteckform.
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Für den Zusammenhalt
der auf diese Weise zusammengesetzten Halbschalen miteinander zu
einem Röhrensegment
oder Hüllensegment,
als auch für
den Zusammenhalt mehrerer Hüllensegmente wird
durch die Verwendung von Verbindungsstücken (30) in der Form
eines halben Ringes gesorgt (4–6).
Werden zwei dieser Verbindungsstücke
(30) zusammengefügt,
ergibt sich ein Element in Ringform. Dieser Ring ist scheibenförmig und
weist einen Durchmesser auf, welcher größer ist als der Außendurchmesser
der Rundung des aus zwei Halbschalen bestehenden Hüllensegments.
Der Ring weist an seiner Außenkante
auf beiden Seiten einen Grat (40) auf, welcher auf zwei
entgegen gesetzten Positionen (50) durchbrochen ist und
somit zwei Ringsegmente bildet, welche einen Innendurchmesser aufweisen,
der dem Außendurchmesser
des Hüllensegmentes
an der Rundung entspricht oder geringfügig größer ist. Beim Einsetzen der
zusammengefügten
Halbschalen in den Ring lassen diese Durchbrechungen Raum für die Winkel
(20), mit welchen die beiden Halbschalen zusammengefügt sind, und
welche an der Außenseite
des Hüllensegments an
gegenüberliegenden
Positionen jeweils einen etwa rechteckigen Aufsatz auf der Außenseite
bilden.
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Gleichzeitig
weist der Ring an seiner Innenseite vier Verlängerungen (60) nach
innen auf, welche in einem Winkel von 90° zueinander angeordnet sind,
und welche im Inneren des Ringes einen freien Durchmesser lassen,
der dem Außendurchmesser des
zu ummantelnden Rohres entspricht oder größer ist als dieser. Beim Anbringen
der Hülle
an dem zu ummantelnden Rohr sorgt diese Anordnung für einen koaxialen
Verlauf von Rohr und Hülle.
Gleichzeitig weisen die Verlängerungen
an ihren Innenkanten jeweils zwei Grate (70) auf, welche
Segmente eines Kreises bilden, der einen Außendurchmesser aufweist, welcher
dem Innendurchmesser des Hüllensegments
entspricht.
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Das
Zusammensetzen der beschriebenen Teile (Halbschalen und Verbindungsstücke) zu
einer vollständigen
Ummantelung kann dann wie folgt ausgeführt werden. Durch Zusammenfügen zweier
Halbschalen um einen Abschnitt des zu ummantelnden Rohres entsteht
ein Hüllensegment,
welches zunächst
noch nicht fixiert ist. Die Fixierung geschieht durch das Anbringen
von jeweils zwei halbringförmigen
Verbindungsstücken
an den Enden, welche beim Zusammenfügen ein ringförmiges Element
bilden, das sowohl für
einen koaxialen Verlauf von Rohr und Hülle (durch die Verlängerungen
auf der Innenseite) als auch für
einen Zusammenhalt der Halbschalen (durch die Grate an Innen- und
Außenkanten)
sorgt. Die keramische Hülle,
die aus zwei Halbschalen (10) besteht, wird dabei von den
Graten (40) bzw. (70) umfasst, wobei den von den
Ansätzen
(20) an der Außenseite
der Hülle
gebildeten Ausbuchtungen durch die Unterbrechungen (50)
der Grate Raum gelassen wird.
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Die
Abmessungen der genannten Elemente können variieren; es ist jedoch
für den
Fachmann sofort einsichtig, dass dies nur auf eine Art und Weise geschehen
kann, welche die Abstimmungen zwischen den einzelnen Bauteilen nicht
beeinträchtigt.
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Auch
die Stärke
des keramischen Materials kann variieren; in einer bevorzugten Ausführungsform
beträgt
die Stärke
zwischen 4 mm und 8 mm, oder etwa 5 mm.
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Der
Zwischenraum zwischen der keramischen Hülle und dem zu ummantelnden
Rohr soll so klein wie möglich
gehalten werden, um einerseits eine einfache Montage zu ermöglichen,
andererseits jedoch den Wärmetransport
nicht unnötig
zu behindern. Nach der Montage kann dieser Zwischenraum zudem mit
einer keramischen Bindungsmasse gefüllt werden, welche die Fixierung
der Hülle
am Rohr zusätzlich
verstärkt.
Als keramische Bindungsmassen eignen sich typischerweise feuerfeste
Fließmassen. Diese
Fließmassen
zeichnen sich durch ihre sehr gute Fließfähigkeit aus, so dass ein sicheres
Ausfüllen
der Spalte gegeben ist. Die feuerfesten Fließmassen können einerseits durch einen
Anteil von feuerfester Zementphase und Wasser durch Hydratation abbinden
und aushärten.
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Andererseits
kann die Fließmasse
durch einen Anteil eines thermisch aushärtenden Binders, z. B. auf
B2O3-Basis, thermisch,
d. h., beim ersten Aufheizzyklus aushärten.
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Diese
feuerfesten Fließmassen
bilden nach dem Erhärten
eine zusätzliche
Schicht von keramischem Charakter um das zu ummantelnde Rohr. Durch
die Wahl der Körnungen
der keramischen Massen können
unabhängig
von der jeweilig bevorzugten Art der Bindung der mechanischen und
thermischen Eigenschaften bestimmt werden. So werden bevorzugt Sic
Körnungen
mit relativ hoher Packungsdichte, aber ausreichender Fließfähigkeit
verwendet, um hohe Wärmeleitfähigkeiten
und damit möglichst ungehinderten
Wärmeübergang
zwischen der Hülle aus
SiSiC und dem metallischen Wärmetauscherrohr zu
ermöglichen.
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In
einer weiteren Ausführungsform
der Erfindung wird eine keramische Hülle für Außenrohre planarer Rohrfahnen
beschrieben. Bei dieser Ausführung
eines Wärmetauschers
bilden zusammengeschweißte
Rohrwände
(sog. Rohrfahnen) die im Rauchgaszug angeordnete Wärmetauscherfläche. Hierbei
sind die innerhalb der Rohrfahne verlaufenden Rohrstränge der
korrosiven Wirkung der Rauchgase relativ weniger ausgesetzt als
die an der Außenkante
der Rohrfahne verlaufenden Rohre. Die vorliegende Erfindung stellt
nun eine Möglichkeit
bereit, um gezielt diese besonders anfälligen Teile der Struktur zu
schützen.
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Die
entsprechende Ausführungsform
der Erfindung besteht in einseitig offenen Rohrsegmenten (110)
aus reaktiv gebundenem Siliciumcarbid. Diese Rohrsegmente weisen
an ihrer Längsseite
eine Öffnung
auf, welche sich – je
nach Ausgestaltung, welche mit den Abmessungen der Rohrfahnen, an
welche die Schutzhülle
angepasst werden soll, wechseln kann – über einen Winkel von 60° bis 90° erstreckt, wodurch
die Rohrsegmente in der Aufsicht auf eine Grundfläche ein Kreissegment
von 270° bis
300° bilden.
Diese einseitig geöffneten
Rohrsegmente können
aufgrund ihrer relativ weiten Öffnung
auf der Längsseite
problemlos über
ein Außenrohr
einer Rohrfahne geschoben und auf diese Weise auch in einer betriebsfertigen
Wärmetauscheranlage
angebracht werden. Die Verbindung erfolgt durch einseitig geöffnete Verbindungselemente.
Diese Verbindungselemente (80) sind ebenfalls scheibenförmig und weisen
ebenfalls die Merkmale eines äußeren Grats (40)
auf jeder Kante der Außenseite,
von Verlängerungen
(60) auf der Innenseite mit den Graten (70), wie
der bereits beschriebenen halbringförmigen Verbindungsstücke (30)
auf; sie sind jedoch – im
Gegensatz zu diesen – nicht
halbringförmig,
sondern im wesentlichen kreisförmig
mit einem rechteckigen Ansatz (90). Zudem weisen sie auch
nicht die Unterbrechungen (50) im äußeren Grat auf, da diese für die sichere Einpassung
eines längsseitig
geöffneten
Rohrsegments (110), welches keine winkelförmigen Ansätze (20)
aufweist, nicht nötig
sind. Dafür
weisen sie als zusätzliches
Merkmal einen Ansatz (90) auf, welcher die Verbindungsstelle
des äußeren Rohres
der Rohrfahne mit dem nächsten
innenliegenden Rohr der Rohrfahne sorgen, indem sie diese umgreifen.
In diesem Ansatz befindet sich ein Spalt (100) für die Aufnahme
der Verbindungsstelle.
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Auch
diese einseitig geöffneten
Rohrsegmente können
nach der Montage mit einer keramischen Bindungsmasse zusätzlich an
dem Außenrohr fixiert
werden, wodurch zudem der Wärmedurchgang und
Wärmeübergang
zwischen dem SiSiC-Schutzrohr und dem metallischen Wärmetauscherrohr
verbessert wird. Aufgrund der einseitig offenen Konstruktion ist
dabei die Verwendung von Hilfselementen erforderlich, welche die Öffnung an
der Längsseite
hinreichend abdichten, um das Einfüllen einer entsprechenden Bindungsmasse
zu ermöglichen.
Bei Verwendung von thermisch erhärtenden
Bindungsmassen ist es vorteilhaft, dass diese Hilfselemente aus
einem geeigneten brennbaren Material (beispielsweise Kunststoff)
bestehen, welches während des
Härtungsvorgangs
ausbrennt.
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Es
kann für
die Verarbeitung der Bindungsmassen vorteilhaft sein, auch in den
Verbindungselementen der obengenannten Ausführungsformen derartige Hilfselemente
einzufügen.
Dies geschieht bevorzugt an den Flächen, an denen Hülle und
Verbindungselement aufeinandertreffen. Die Hilfselemente erhöhen auch
hier die Dichtigkeit der Verbindungen während der Arbeiten mit der
Bindungsmasse. Bei Verwendung thermisch erhärtender Bindungsmassen ist
auch hier sinnvoll, Hilfselemente aus einem Material zu verwenden,
welches während
des Härtungsvorgangs
ausbrennt.
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Anhand
der Zeichnung wird die Erfindung nachstehend eingehend erläutert.
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Es
zeigt:
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1 ein
rinnenförmiges
Element (Halbschale) (10) mit winkelförmigen Ansätzen (20);
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2 einen
Querschnitt durch eine Halbschale (10);
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3a einen
Querschnitt durch zwei zusammengefügte Halbschalen (10),
welche mit ihren winkelförmigen
Ansätzen
(20) ineinander greifen;
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3b eine
Ausschnittvergrößerung von 3a an
einem Ansatz (20);
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4 zwei
halbringförmige
Elemente (30) mit den Graten (40) an der äußeren Kante,
den Unterbrechungen (50) der Grate, den Verlängerungen (60)
an der Innenseite mit den Graten (70) an den Kanten der
Verlängerungen;
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5a ein
halbringförmiges
Element (30) mit den weiteren Elementen (40),
(50), (60) und (70), wie oben genannt;
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5b einen
Querschnitt durch ein halbringförmiges
Element (30) an der Position einer Verlängerung (60) an der
Innenseite;
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6 ein
halbringförmiges
Element (30) von der Öffnung
des Halbringes aus betrachtet;
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7 einen
Ausschnitt aus einer Rohrfahne, bei welcher das außenliegende
Rohr mit mehreren Rohrsegmenten (110) und Verbindungselementen (80)
umfasst ist;
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8 einen
Querschnitt durch eine ummantelte Rohrfahne aus 7 in
der Höhe
eines Verbindungselements (80);
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9 einen
fertig montierten Abschnitt einer Schutzhülle gemäß der vorliegenden Erfindung,
welcher aus zwei T-Stücken
mit jeweils zwei seitlichen Ansätzen
besteht;
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10 ein
Ensemble verschieden geformter Hüllelemente,
welches um eine Rohrkonstruktion montiert wurde. Diese Konstruktion
umfasst ein untenliegendes Hauptrohr mit vier Abzweigungen. Auf der
Abbildung sind die beiden mittig angeordneten Abzweigungen noch
nicht mit einer Schutzhülle
gemäß der Erfindung
versehen, wogegen die beiden äußeren Abzweigungen
bereits vollständig
verhüllt sind;
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11 ein
S-förmig
gekrümmtes
Hüllelement
einer Schutzhülle
gemäß der vorliegenden
Erfindung.
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- 10
- Rinne
(Halbschale)
- 20
- winkelförmiger Ansatz
an der Halbschale (10)
- 30
- halbringförmiges Verbindungsstück
- 40
- Grat
an der Außenkante
- 50
- Durchbrechungen
des Grates
- 60
- Verlängerungen
an der Innenseite
- 70
- Grat
an der Kante der Verlängerung
- 80
- Verbindungselement
- 90
- Ansatz
am Verbindungselement (80)
- 100
- Spalt
im Ansatz (90)
- 110
- einseitig
offenes Rohrsegment