DE2835150C2

DE2835150C2 - Wärmeisoliertes Rohr für den Transport von einem unter hohem Druck stehenden heißen Gas

Info

Publication number: DE2835150C2
Application number: DE19782835150
Authority: DE
Inventors: Tokunori Ibaraki Mathusima; Takeshi Hitachi Sato; Akira Mito Uenishi
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1977-08-10
Filing date: 1978-08-10
Publication date: 1983-09-15
Also published as: DE2835150A1; GB2002486A; JPS5430561A; GB2002486B

Description

Die Erfindung betrifft ein wärmeisoliertes Rohr fü^r den Transport von einem unter hohem Druck stehenden heißen Gas mit einem Außenrohr, einem in diesem angeordneten axial durch Dehnungsfugen in Abschnitte unterteilten hitzebeständigen Innenrohr und einem zwischen den beiden Rohren angeordneten Wärmeisoliermaterial.

Bei einem solchen bekannten wärmeisolierten Rohr (Study of Machines. Bd. 26. 1974. Nr. 10. S. 23) ist das Wärmeisoliermaterial an dem druckdichten Außenrohr befestigt. Dabei ist das Wärmeisoliermaterial unter Bildung von radial verlaufenden Spalten abschnittsweise so aneinandergesetzt, daß im Betriebszusland aufgrund der thermischen Ausdehnung ein durchgehend geschlossener Wiirnieisolierniaterialmantel vorliegt. Der hohe Druck des im Innenrohr strömenden heißen Gases wirkt auf das Wärmeisoliermaterial durch die Dehnungsfugen /wischen den Abschnitten des hitzcbcständigcn Innenrohrs. Aufgrund der unterschiedlichen

30 thermischen Ausdehnungskoeffizienter, der Rohrmaterialien und des Wärmeisoliermaterials ergeben sich bei Lastwechseln, also Temperatur- und Druckänderungen, in dem Wärmeisoliermaterial Spannungen, die zur Bildung von Einrissen in dem Wärmeisoliermaterial und insbesondere zur Ausbildung von axialen Leckgaskanälen führen, wodurch das Isolationsvermögen des wärmeisolierten Rohres stark beeinträchtigt wird.

Bei Laständerungen oder aufgrund von unterschiedlichen Axialpressungen in dem Wärmeisoliermaterial können sich auch die radialen Spalte öffnen, durch die dann Leckgas an das Außenrohr gelangt, wenn sie mit axialen Leckgaskanälen in Verbindung stehen. Dadurch entstehen am Außenrohr heiße Stellen, was eine zusätzliche Außenisolierung bedingt

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht deshalb darin, das wärmeisolierte Rohr der eingangs genannten Art so auszubilden, daß die Entstehung von vorwiegend axialen Leckgaskanälen vermieden wird.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß zwischen dem Innenrohr und dem Wärmeisoliermaterial ein sich axial und über den Umfang erstreckendes, das Wärmeisoliermaterial radial nach außen drückendes Federelement angeordnet ist.

Das erfindungsgemäße wärmeisolierte Rohr hat den Vorteil, daß radiale Zugspannungen infolge von Temperaturänderungen im Wärmeiioliermaterial durch die radiale Vorspannung mit Hilfe des Federelements überdrückt werden und daher das Wärmeisoliermaterial nicht einreißen kann. Somit werden zumindest axiale Leckgaskanälc vermieden.

Die Bildung von radialen Leckgaskanälen läßt sich dann ausschließen, wenn ein das Wärmeisoliermaterial in Axialrichtung zusammendrückendes elastisches Element angeordnet wird.

Anhand der Zeichnung wird die Erfindung beispielsweise näher erläutert. Es zeigt

F i g. I den Längsschnitt eines erfindungsgemäßen wärmeisolierten Rohres:

Fig. 2 den Querschnitt N-Il in Fig. 1;

Fig. 3. 4 und 5 Querschnitte von Beispielen in die Wärmeisolierung eingebauter elastischer Teile; und

F i g. 6 einen Teil-Querschnitt eines weiteren Ausführungsbeispiels der Wärmeisolierung eines erfindungsgemäßen Rohres.

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Rohrs wird im folgenden anhand F i g. 1 und 2 beschrieben.

Gemäß Fig. 1 ist ein Innenrohr 2 innerhalb eines Außenrohrs 1 angeordnet und mittels mehrerer Abstandhalter 6 von diesem in einem Abstand angeordnet, so daß zwischen beiden Rohren ein ringförmiger Raum 5 besteht. Wie durch einen Pfeil 10 angedeutet, kann durch den Ringraum 5 ein Kühlgas zirkulieren. Ein im Innenrohr 2 ausgebildetes Innenrohr 4 aus wärmebeständigem Metall begrenzt einen Kanal für das zu transportierende Arbeitsgas. Das Gas strömt in Richtung eines Pfeils 9 in dem vom Innenrohr 4 gebildeten ringförmigen Kanal. Das Innenrohr 4 besteht aus mehreren sich in Längsrichtung erstreckenden Abschnitten, die durch Gleitverbindungen miteinander verbunden sind. Zwischen dem Innenrohr 4 und dem Innenrohr 2 befindet sich eine im folgenden zu beschreibende Wärmeisolierung, durch die der Wärmeaustausch zwischen dem transportierten Arbeitsgas 9 und dem Kühlgas 10 so vermindert wird, daß die Tcmperatiirdiffercn/ über die Wandung des Innenrohrs 2 möglichst gering ist.

Das Wärmeisoliermaierial 3 besteht aus mehreren Schichten 30, 31. Diese Schichten sind im wesentlichen gleich aufgebaut, können jedoch unterschiedliche Dicke haben. Die Schichten 30, 31 enthalten jeweils faseriges WärmeisoüeiTnaterial 31.7 und 316 und sind in Axialrichtung in mehrere Abschnitte unterteilt. In den einzelnen aufeinanderfolgenden Abschnitten sind diese beiden Arten von Wärmeisoliermaterial in jeder Schicht 30, 31 wechselweise angeoidnet. Die Wärmeisoliermaierialien 31a, 316 sind durch Zwischenrohre 13 gehalten, die in Axialrichtung in mehrere Abschnitte unterteilt sind. Zwischen den benachbarten Abschnitten sind Dehnungsfugen 12 ausgebildet. Oas Zwischenrohr 13 für die Schicht 30 wirkt nicht als Trennwand, sondern begrenzt lediglich den Kan?! für das Gas und trägt das Wärmeisoliermaterial.

Gemäß F i g. 2 besteht das faserige Wärmeisoliermaterial 31a aus laminierten halbgeformten faserigen Wärmeisolk-rmaterialien 35 mit jeweils ringförmigem Querschnitt, die in Umfangsriehtung durch wenigstens eine gebogene Schnittfläche 34 getrennt sind. Zwischen dem Zwischenrohr 13 und den halbgefoi mten faserigen Wärmeisoliermaterialien 35 ist ein Federelemen* 33 mit in Umfangsriehtung durchgehendem Querschnitt angeordnet. Das Federelement 33 übt eine radiale Kraft Fr aus, so daß die halbgeformten Wärmeisoliermaterialien stehts in Radialrichtung vorgespannt sind. Der vom Federelement 33 selbst gebildete Raum 36 und der Raum 37 zwischen dem Federelcment 33 und dem Zwischenrohr 13 sind mit einem voluminösen elastischen wärmeisolierenden Fasermaterial 38 aus einem Metallfasermaterial ausgefüllt.

Das faserige Wärmeisoliermaterial 316 ist mit mehreren Federn versehen, die in Axialrichtung des Rohrs wirken, so daß ein Axialdruck F» ausgeübt wird. In dem gezeigten Ausführungsbeispiei sind kreisförmige Federn 45 mit einem gewellten Abschnitt vorgesehen. Rings um jede kreisförmige Feder 45 ist eine elastische Wärmeisolierschicht 47 gelegt, die aus einem voluminösen faserigen Wärmeisoiiermateriai 46 besteht, das einen großen F-.serdurchmesser und daher eine hohe Elastizität aufweist. Zwischen den Wärmeisolierschichten 47. d. h. an der Innen- und Außenseite jeder elastischen Wärmeisolierschicht 47. sind halbgeformte faserige Wärmeisoliermaterialien 41 vorgesehen. Die so ausgebildeten Wärmeisolierschichten überdecken die Dehnungsfugr 12 zwischen benachbarten axialen Abschnitten des Zwischenrohrs 13. Das innerste halbgeformte faserige Wärmeisoiiermateriai 41. das die Dehnungsfuge 12 direkt berührt, ist ein Wärmeisoiiermateriai 49. das von einer Ntzebeständigen Metallfolie 48. z. B. aus Nickelchrom oder dgL umschlossen ist. Dadurch könren auch keine Fasern des Wärmeisoliermaterials vom Gas mitgerissen werden und dieses verschmutzen.

Das faserige Wärmeisoliermaterial 316 ist an seinem einen Ende gegen axiale Bewegung gesichert, und /war durch ein Verankerungsteil 43. das seinerseits starr am Iniienrohr 2 oder am Zwischenrohr durch einen Einsat/ oder durch Verschweißen befestigt ist. Das andere Ende des faserigen Wärmeisoliermaterials 310 ist von einem gleitend beweglichen Teil 44 getragen, das die axiale Dehnung der kreisförmigen Federn 45 und des elastischen wärmeisolicrenden Fasermaterials 38 erleichtert.

Infolge der Vorspannkräfte Fh und F₁ entsteht in der Wärmeisolierung selbst dann kein Spalt, wenn infolge der unterschiedlichen W'i.rniedchnungskoeffi/ientcii

eine Kraft entsteht, die die einzelnen Abschnitte 2u verschieben und deformieren versucht Hierdurch wird die Bildung von axialen Leckgaskanäien sicher vermieden. Die Wärmeisolierung behält daher ihr ursprüngliches Wärmeisoliervermögen.

Da das geformte faserige Wärmeisoiiermateriai 31a laminiert aufgebaut ist. wobei die halbgeformten Isoliermaterialien je einen ringförmigen, längs der gebogenen Schnittfläche 34 geschlitzten Querschnitt haben, kann das faserige Wärmeisoiiermateriai 31a etwas dicker als erforderlich hergestellt werden. Infolgedessen kann die Feder 33 eine größere Vorspannkraft haben. Gleichzeitig verläuft die Gleitbewegung sowoh't des geformten faserigen Wärmeisoliermaterials 31a als auch der Feder 33 selbst glatter, weil der von der Feder 33 selbst gebildete Raum 36 und der Raum 37 zwischen der Feder 33 und dem Zwischenrohr 13 mit einem elastischen wärmeisolierenden Fasermaterial 38, das aus Metallfasermaterial besteht, gefüllt sind. Dieses Fasermaterial 38 verbessert weiter das Wärmeisoliervermögen.

Bei dem erfindungsgemäßen Rohr k«nn kein Gas in das halbgeformte faserige Wärmeisoliei material 35 eintreten, selbst wenn sich ein axialer Kanal gebildet hat. weil die Feder 33 einen in Umfangsriehtung durchgehenden Querschnitt ohne Spalt aufweist. Dieser vorteilhaft.- Effekt tritt noch deutlicher hervor, wenn die Räume 36, 37 mit dem elastischen wärmeisolierenden Fasermaterial 38 ausgefüllt sind. d. h. wenn die radiale Höhe /der Feder 33 klein ist.

Bei der beschriebenen Ausführungsform besteht das Innenrohr 4 aus einer Zuschläge von z. B. Molybdän, Chrom, Mangan. Kupfer. Silizium und Eisen je nach Verwendung in wechselnden Mengen enthaltenden Nickellegierung, während die Federn 33, 45 aus Nickelchrom oder dgl. bestehen.

F i g. 3. 4 und 5 zeigen unterschiedliche Ausführungsformen der in dem beschriebenen Ausführungsbeispiel verwendeten Feder 33. Wie erwähnt, muß die Feder 33 einen in Umfangsrichtung durchgehenden Querschnitt und vorzugsweise eine geringe radiale Höhe / aufweif^n. Ferner soll die Feder 33 ein gutes Erholungsvermögen haben, so daß sie die Verschlechterung des Erholungsvermögens des Wärmeiso'iermaterials 35 wirksam ausgleichen und die Bildun_b bzw. Vergrößerung von Spalten verhindern kann, falls sich solche Spalte gebildet haben.

Bei jeder der Ausführungsformen nach F i g. 3.4 und 5 ist der Raum außerhalb des Zwischenrohrs 13 mit dem elastischen wärmeisolierenden Fasermaterial 38 ausgefüllt, das seinerseits von dem halbgeformten faserigen Wärmeisoiiermateriai 35 umgeben ist. Gemäß F i g. 3 besteht die Feder 33 aus einer die Federkraft einstellenden Platte 74. bestehend aus einer kreisförmig gekri.mi.iten gewellten Platte, die in der Schicht des elastischen Fasermaterials 38 angeordnet ist. und aus einer Schutzplatte 76 an der inneren Umfangsfläche des Wärmeisoliermaterials 35 zum Schutz des Fasermaterials 38. Die Schutzplatte 76 hat einen kreisringförmigen Querschnitt und berü^urt Platte 74 im Wellenberg 75. Diese Feder 33 ist leicht herstellbar, weil die Wellen mittels einer Presse oder dergleichen leicht herstellbar sind. Darüber hinaus läßt sich die Federkraft Fr gleichmäßig über den gesamten Umfang verteilen, indem die Anzahl η der Berge und Tiller der Wellen vergrößert wird.

Die in F i g. 4 gezeigte Feder 33 besteht aus einer in Umfangsrichtung durchlaufenden Platte mil mehreren

sich längs der äußeren Oberfläche des Zwischenrohrs 13 erstreckenden inneren Abschnitten 77. mehreren äußeren Abschnitten 78. die je eine erste und zweite Schicht enthalten, die sich längs der inneren Umfangsfläche des halbgeformten Fasermaterials 38 einander entgegengesetzt in Umfangsrichtung erstrecken, und mehreren Federkraft-Einstellabschnitten 79, mit deren Hilfe der innere und äußere Abschnitt 77, 78 miteinander verbunden sind. Die Federkraft Fr wird also durch den Federkraft-Einstellabschnitt 79 mit dem Krümmungsradius r_a erzeugt. Auf diese Weise kann eine extrem große Federkraft Fr erzeugt werden, indem der Federkraft-Einstellabschnitt 79 mit einem großen Krümmungsradius r„ im unbelasteten Zustand vor dem Einbau ausgeführt wird. Auf diese Weise kann eine r, große effektive radiale Vorspannkraft der Feder erzielt werden.

Bei dem Ausführungsbeispiel der F i g. 5 berührt die Feder 33 das halbgeformte faserige Wärmeisoliermateuui 33 auf seinem gtüßien Teil. Die Feder 33 isi an .'11 verschiedenen Stellen teilweise nach innen zum äußeren Umfang der Oberfläche des Zwischenrohrs 13 vorstehend ausgebildet. Diese Ausführungsform ermöglicht ein leichtes Einsetzen des Fasermaterials 38. weil der Querschnitt des Raums zwischen Feder 33 und r> Zwischenrohr 13 einfach ausgebildet ist.

Da die Masse des elastischen Fasermaterials 38a zwischen dem Wärmeisoliermaterial 35 und der Feder 33 wesentlich kleiner ist als die des elastischen Fasermaterials 386 zwischen der Feder 33 und dem jo Zwischenrohr 13. wird das halbgeformte faserige Wärmeisoliermaterial 35 selbst dann kaum nachteilig beeinflußt, wenn in dem Fasermaterial 38 in diesem Raum Spalte entstehen, weil sich die Feder 33 radial nach außen erholt. Demzufolge erlaubt diese Ausfüh- j5 rungsform die Verwendung einer Feder 33 mit großem Erholungs vermögen.

F! g. 6 zei^t eine weiiers Ausführii""sforiTi der Wärmeisolierung, bei der das faserige Wärmeisoliermaterial unterschiedlich angeordnet ist. Bei dieser Ausfüh- -»o rungsform ist das halbgeformte faserige Wärmeisoliermaterial 35 im wesentlichen ebenso ausgebildet wie das der ersten Ausführungsform. Gemäß F i g. 6 enthält die faserige VVürmeisolieranordnung Federn 61, 62, die radiale und axiale Druckkräfte Fr und irÜ ausüben. Die Federn 61 und 62 sind von elastischem wärmeisolierendem Fasermaterial 38 mit einem größeren Faserdurchmesser umgeben, so daß die Elastizität größer ist als die normaler faseriger Wärmcisoliermaterialicn. Die inneren und äußeren Räume sind getrennt mit halbgeformtem faserigem Wärmeisoliermaterial 63 gefüllt. Diese Bestandteile sind als Einheit geformt. Auf der Dehnungsfuge 12 /.wischen den Längsabschnitten des Zwischenrohrs 13 ist ein mit einer Metallfolie 48 ummanteltes Wärmeisoliermaterial 49 angeordnet. Die Funktion eines Verankerungsteils 43 und eines gleitend beweglichen Tragteils 44 ist ähnlich wie die im ersten Ausführungsbeispiel. Bei der faserigen Wärmeisolierung dieser Ausführungsform werden von den Federn 61 Vorspannkräfte nicht nur in Axialrichtung, sondern auch in Radiairichtung ausgeübt, so daß die Bildung innerer Spalte wirksam verhindert wird. Das Wärmeisoliervermögen wird weiter dadurch verbessert, daß dieses faserige Wärmeisoliermaterial zusammen mit dem geformten faserigen Wärmeisoliermaterial verwendet wird.

Bei den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen werden durch die Federn in Axial- und in Radialrichtung Vorspann- oder Druckkräfte ausgeübt. Es is« jedoch nicht immer notwendig, die Ausbildung von Spalten in Radial- und in Axialrichtung zu verhindern.

Längs eines axial verlaufenden Kanals strömendes heißes Gas beeinflußt das Warmeisoiiermateriai nachteiliger als radial strömendes Gas. Es ist daher wesentlich, die Bildung eines axial verlaufenden Leckgaskanals zu verhindern.

Statt bei einem Rohr kann die Erfindung auch bei anderer. Kor.struktionsformen und für andere Zwecke angewendet werden, die eine Wärmeisolierung für unter hohem Druck stehendes heißes Gas erfordern.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Wärmeisoliertes Rohr für den Transport von einem unter hohem Druck stehenden heißen Gas mit einem Außenrohr, einem in diesem angeordneten, axial durch Dehnungsfugen in Abschnitte unterteilten hitzebeständigen Innenrohr und einem zwischen den beiden Rohren angeordneten Wärmeisoliermaterial, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Innenrohr (4) und dem Wärmeisoliermaterial (3) ein sich axial und über den ganzen Umfang erstreckendes, das Wärmeisoliermaterial (3) radial nach außen drückendes Federelement (33) angeordnet ist.

2. Rohr nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Federelement (33) in wärmeisolierendes Fasermaterial (38,38a, 38b) eingebettet ist.

3. Rohr nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Wärmeisoliermaterial (3) radial in Schichten (30, 31) unterteilt ist denen jeweils ein axial unter Bildung von Dehnungsfugen (12) in Abschnitte unterteiltes Zwischenrohr (13) zugeordnet ist, und daß die Dehnungsfugen (12) von einem faserigen Wärmeisoliermaterial (49) überdeckt sind. -5

4. Rohr nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das die Dehnungjfugen (12) überdeckende faserige Wärmeisoliermaterial (49) von einer Metallfolie (48) umhüllt ist.

5. Rohr nach einem der Ansprüche 1 bis 4. jo gekennzeichnet durch ein das Wärmeisoliermaterial (3) in Ausrichtung zusammendrückendes elastisches Element (45).

6. Rohr nach Ansoruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das elastische EIe^ ~nt eine sich über den J5 Umfang erstreckende gewelrte Feder (45) ist, die in faserigem Wärmeisoliermaterial (31 b) angeordnet ist.

7. Rohr nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das faserige Wärmeisoliermaterial (31 b) axial an einem Ende von einem im Rohr befestigten Verankerungsteil (43) und am anderen Ende von einem relativ zum Rohr axial verschiebbaren Teil (44) begrenzt wird, wobei zwischen den beiden Teilen (43,44) die Feder (45) angeordnet ist.