DE29811466U1

DE29811466U1 - Hochtemperatur-Wärmeübertrager

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Publication number: DE29811466U1
Application number: DE29811466U
Authority: DE
Original assignee: Balcke Duerr GmbH
Current assignee: Balcke Duerr GmbH
Priority date: 1998-06-26
Filing date: 1998-06-26
Publication date: 1998-08-27
Anticipated expiration: 2008-06-27

Description

Stenger, Watzke & Ring .·':": ·: ::'*i*ⁱ*^ens^f^drich'-^Ring ⁷⁰

D-4Ö*5 4 ^DÜSSELDORF

PATENTANWÄLTE.

DIPL.-ING. WOLFRAM WATZKE

DIPL.-ING. HEINZ J. RING

DIPL.-ING. ULRICH CHRISTOPHERSEN

Unser Zeichen: 97 1211 DIPL.-ING. MICHAEL RAUSCH

DIPL.-ING. WOLFGANG BRINGMANN

Balcke-Dürr GmbH " &egr;&Idigr;&Igr;&ogr;&Tgr;&agr;&Ggr;&rgr;&Igr;&Idigr;&egr;&ngr;&tgr; attorneys

Hornberger Straße 2
40882 Ratingen

Datum 25. Juni 1998

Hochtemperatur-Wärmeübertraqer

Die Erfindung betrifft einen Hochtemperatur-Wärmeübertrager mit einer Mehrzahl von in einer Rohrplatte aus Metall druckdicht befestigten Rohren aus Keramik, die endseitig mit einem angeformten, eine ringförmige Dichtfläche zur Anlage an der Rohrplatte bildenden Flansch versehen und im Bereich dieses Flansches unter Vorspannung an die Rohrplatte angedrückt sind.

Hochtemperatur-Wärmeübertrager ermöglichen die Steigerung des Umwandlungswirkungsgrades von thermischer in mechanische oder elektrische Energie. Da einer Temperaturerhöhung bei der Verwendung metallischer Werkstoffe werktstoffseitig Grenzen gesetzt sind, kommen neuerdings keramische Werkstoffe zum Einsatz, welche die Temperaturgrenze nach oben verschieben. Derzeit sind mit derartigen keramischen Werkstoffen Temperaturen von 1400⁰C sicher erreichbar.

Im Gegensatz zu Metallen sind keramische Werkstoffe nicht in beliebiger Halbzeugform verfügbar. Zwar können Rohre auch mit angearbeiteten Flanschen verhältnismäßig einfach hergestellt werden; Scheiben oder Platten mit größeren Seitenabmessungen sind jedoch nicht verfügbar. Sofern Wärmeübertrager unter Verwendung von keramischen Rohren für die Wärmeübertragung hergestellt werden sollen, müssen diese Keramikrohre druckdicht mit einer metallischen Rohrplatte verbunden werden, wobei selbstverständlich dafür gesorgt werden muß, daß die metallische Rohrplatte nur auf solche Temperaturen aufgeheizt wird, die der metallische Werkstoff verträgt.

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Da bei Wärmeübertragern mit einem hohen Wirkungsgrad die zur Wärmeübertragung herangezogenen Rohre mit verhältnismäßig geringem Abstand voneinander in Rohrbündeln angeordnet werden, steht für eine druckdichte Verbindung zwischen den Keramikrohren und der metallischen Rohrplatte nur wenig Raum zur Verfügung, so daß bekannte Verbindungstechniken, wie beispielsweise mittels Schrauben verspannte lose Klemmflansche nicht eingesetzt werden können.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Hochtemperatur-Wärmeübertrager der eingangs definierten Art zu schaffen, dessen mit einem angeformten Flansch versehene Keramikrohre trotz enger Berohrung innerhalb eines Rohrbündels zuverlässig an der metallischen Rohrplatte befestigt sind.

Die Lösung dieser Aufgabenstellung durch die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß jedes Keramikrohr stirnseitig durch ein rohrförmiges Druckstück belastet ist, das nach Aufbringen einer Vorspannkraft an der Rohrplatte befestigt ist.

Durch das erfindungsgemäße rohrförmige Druckstück wird jedes Keramikrohr im Bereich seines angeformten Flansches, der lediglich als Flanschansatz ohne Löcher oder Nuten ausgeführt werden kann, zuverlässig an die metallische Rohrplatte angedrückt, so daß sich unabhängig vom jeweils verwendeten Dichtungsmaterial eine zuverlässige Abdichtung zwischen Keramikrohr und Rohrplatte ergibt. Das rohrförmige Druckstück benötigt nur einen geringen, sich radial um das Keramikrohr erstreckenden Raum, so daß es auch für eine enge Berohrung geeignet ist.

Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung ist das rohrförmige Druckstück aus Metall hergestellt und mit der Rohrplatte verschweißt, die vorzugsweise gekühlt wird, damit der metallische Werkstoff der Rohrplatte, deren Kühlung sich auch auf die metallischen Druckstücke auswirkt, nicht überbeansprucht wird.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung besteht die Rohrplatte aus zwei im Abstand voneinander liegenden, zwischen sich einen Kühlkanal bildenden Plattenteilen. In diesem Fall ist es erfindungsgemäß vorteilhaft, die

Flansche der Keramikrohre am unteren Plattenteil anliegen zu lassen und die rohrförmigen Druckstücke am oberen Plattenteil zu befestigen.

Gemäß einem weiteren Merkmal ist es möglich, die rohrförmigen Druckstücke aus Metall mit keramischen Isolierstücken auszukleiden, so daß auch insoweit eine von der Temperatur her erfolgende Überbeanspruchung der Druckstücke vermieden wird.

Bei einer bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Hochtemperatur-Wärmeübertragers sind die beiden, die Rohrplatte für die Keramikrohre bildenden Plattenteile zumindest im Bereich einiger Keramikrohre miteinander durch Abstandshalter verbunden, um die notwendige Druckfestigkeit zu erzielen. Vorzugsweise sind die Abstandshalter rohrförmig aus Metall hergestellt und jeweils konzentrisch ein Keramikrohr umgebend zwischen den Plattenteilen eingeschweißt.

Da die rohrförmigen Druckstücke aus Metall nach der Montage des jeweiligen Keramikrohrs in der zugehörigen Bohrung der Rohrplatte zuerst mit der für die gewünschte Dichtigkeit erforderlichen Kraft belastet und damit vorgespannt werden, bevor das jeweilige Druckstück mit der Rohrplatte verschweißt wird, wäre es vorteilhaft, wenn die rohrförmigen Druckstücke gegenüber normalen Rohren eine größere axiale Nachgiebigkeit aufweisen würden. Zu diesem Zweck werden gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung die Druckstücke mit ihre Elastizität in Längsrichtung erhöhenden Ausschnitten versehen. Bei einer bevorzugten Ausführungsform sind diese Ausschnitte U-förmig ausgebildet und einander mäanderförmig überlappend angeordnet. Hierdurch wird der Kraftfluß bei einer Kraftübertragung in axialer Richtung mehrfach umgelenkt, so daß sich eine membranartige Belastung des Materials der rohrförmigen Druckstücke ergibt, die das elastische Potential des Werkstoffes optimal ausnutzt. Wenn ein derartiges Druckstück unter Vorspannung auf den Flansch des jeweiligen Keramikrohres gedrückt wird, verbleibt nach der Verschweißung des Druckstückes mit der Rohrplatte die zuvor aufgebrachte Spannung im Druckstück.

Sofern der erfindungsgemäße Hochtemperatur-Wärmeübertrager für die Übertragung der im Rauchgas eines unter Atmosphärendruck stattfindenden

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Prozesses zur Verbrennung eines Brennstoffes, vorzugsweise Kohle, enthaltenen Wärme an komprimierte Luft eingesetzt wird, die zum Antrieb einer insbesondere einen elektrischen Generator antreibenden Turbine verwendet wird, kann gemäß einem weiteren Vorschlag der Erfindung jedes Keramikrohr nur mit einem Ende an einer Rohrplatte befestigt werden. Die Keramikrohre ragen in einen mit dem wärmeabgebenden Medium beschickten Raum des Wärmeübertragers hinein und sind an ihrem freien Ende verschlossen. Um das wärmeaufnehmende Medium in das jeweilige Keramikrohr einzuleiten, ist in jedem Keramikrohr ein Tauchrohr angeordnet.

Durch die nur einseitige Befestigung der Keramikrohre an der Rohrplatte entfallen sich aufgrund von Temperaturänderungen ergebende thermische Zwängungen der Keramikrohre, die sich wegen der Sprödigkeit des Keramikmaterials bei längerem Betrieb ungünstig auswirken würden.

Mit einer derartigen Konstruktion des erfindungsgemäßen Hochtemperatur-Wärmeübertragers ist es möglich, die in einem Rauchgas mit einer Temperatur von ca. 1400⁰C enthaltene Wärme an Luft zu übertragen, die unter einem Druck von 15 bar steht und mit ca. 400⁰C in den Wärmeübertrager eintritt. Während das durch die Verbrennung eines Brennstoffes, vorzugsweise von Kohle, unter Atmosphärendruck entstandene Rauchgas von ca. 1400⁰C auf ca. 700⁰C im Wärmeübertrager abgekühlt wird, erfolgt eine Temperaturerhöhung der Druckluft von ca. 400⁰C auf ca. 1300⁰C. Es ergibt sich somit insgesamt ein sehr guter Wirkungsgrad für die Wärmeübertragung.

Bei der Verwendung eines Wärmeübertragers mit einer aus zwei voneinander beabstandeten Plattenteilen bestehenden Rohrplatte wird mit der Erfindung schließlich vorgeschlagen, jedes Tauchrohr am oberen Plattenteil zu befestigen und bis nahe an das verschlossene Ende in das Keramikrohr hineinragen zu lassen. Hierdurch ergibt sich eine verhältnismäßig einfache Konstruktion für den Hochtemperatur-Wärmeübertrager mit einer zuverlässigen Kühlung der aus metallischen Werkstoffen bestehenden Bestandteile.

Auf der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Hochtemperatur-Wärmeübertragers dargestellt, und zwar zeigen:

Fig. 1 einen schematischen Längsschnitt durch einen derartigen Wärmeübertrager,

Fig. 2 einen Schnitt durch die Anordnung zur Befestigung der Keramikrohre an der Rohrplatte in vergrößerter Darstellung und

Fig. 3 den Teil einer Abwicklung der zur Befestigung der Keramikrohre verwendeten Druckstücke.

Der schematisch in Fig. 1 dargestellte Hochtemperatur-Wärmeübertrager umfaßt eine Rauchgaskammer R, in die Rauchgas mit einer Temperatur von ca. 1400⁰C eintritt. In diese Rauchgaskammer R ragt eine Mehrzahl von Keramikrohren 1 hinein, die jeweils nur an einem Ende an einer Rohrplatte 2 befestigt sind, die beim Ausführungsbeispiel aus einem oberen und einem unteren Plattenteil 2.1 bzw. 2.2 besteht. In jedes am unteren Ende verschlossene Keramikrohr 1 ragt ein Tauchrohr 3 hinein, das am unteren Ende offen ist und am oberen Ende wiederum an einer Rohrplatte 4 befestigt ist, die wie die Rohrplatte 2 aus einem oberen Plattenteil 4.1 und einem unteren Plattenteil 4.2 besteht, die im Abstand voneinander verlaufen.

Über einen Lufteintrittsstutzen wird der Wärmeübertrager mit Druckluft beschickt, die unter einem Druck von etwa 15 bar steht und eine Temperatur von ca. 400⁰C hat. Diese Luft gelangt entsprechend den in Fig. 1 eingezeichneten Pfeilen in den Ringraum zwischen den Keramikrohren 1 und Tauchrohren 3 und wird im Bereich der Rauchgaskammer R von ca. 400⁰C auf ca. 1300⁰C erhitzt. Die erhitzte Luft tritt unten in die Tauchrohre 3 ein und verläßt diese oberhalb des oberen Plattenteils 4.1 der Rohrplatte 4 im Bereich einer Sammelkammer S, aus der die auf ca. 1300⁰C erhitzte Luft über einen Austrittstutzen abgeführt wird.

Wie die Fig. 2 erkennen läßt, ist jedes Keramikrohr 1 mit einem Flansch 1.1 versehen, der unter Zwischenfügen einer Dichtung 5 auf der Oberseite des unteren Plattenteils 2.2 aufliegt. Über diesen Flansch 1.1 wird das Keramikrohr 1 stirnseitig durch ein rohrförmiges Druckstück 5 belastet, das nach Aufbringen der notwendigen Vorspannkraft an dem oberen Plattenteil 2.1 der Rohrplatte 2 befestigt wird, und zwar vorzugsweise durch Schweißen.

Wie die Abwicklung eines Teils eines Druckstückes 5 gemäß Fig. 3 zeigt, sind die Druckstücke 5 mit etwa U-förmigen Ausschnitten 5.1 versehen, die die Elastizität der Druckstücke 5 in deren Längsrichtung erhöhen, so daß eine Aufrechterhaltung der aufgebrachten Vorspannkraft auch bei Temperaturänderungen gewährleistet ist.

Die aus dem oberen Plattenteil 2.1 und dem unteren Plattenteil 2.2 gebildete Rohrplatte 2 wird gemäß Fig. 1 von der eintretenden Luft gekühlt. Hierbei bilden die im Abstand zueinander verlaufenden Plattenteile 2.1 und 2.2 den erforderlichen Kühlkanal K.

Wie die Detaildarstellung in Fig. 2 weiterhin erkennen läßt, sind innerhalb der Druckstücke 5 keramische Isolierstücke 6 angeordnet, die somit die aus Metall bestehenden Druckstücke 5 vor einer Überhitzung schützen.

Um trotz der Trennung der Rohrplatte 2 in zwei im Abstand voneinander liegende Plattenteile 2.1 und 2.2 die notwendige Druckfestigkeit zu erzielen, sind die Plattenteile 2.1 und 2.2 durch Abstandshalter 7 miteinander verbunden. Diese ebenfalls aus Metall hergestellten Abstandshalter 7 werden vorzugsweise gemäß Fig. 2 rohrförmig ausgebildet und jeweils ein Keramikrohr 1 konzentrisch umgebend zwischen den Plattenteilen 2.1 und 2.2 eingeschweißt. Sie bilden auf diese Weise eine zusätzliche Führung für die Druckstücke 5.

Bei dem in Fig.1 dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Tauchrohre 3 in derselben Art wie die Keramikrohre 1 an der Rohrplatte 2 an der oberen Rohrplatte 4 befestigt. Auch diese Rohrplatte 4 wird durch die eintretende Luft gekühlt und somit vor Überhitzung geschützt.

Bezuqszeichenliste

K Kühlkanal

R Rauchgaskammer

S Sammelkammer

1 Keramikrohr 1.1 Flansch

2 Rohrplatte

2.1 oberes Plattenteil

2.2 unteres Plattenteil

3 Tauchrohr

4 Rohrplatte

4.1 oberes Plattenteil

4.2 unteres Plattenteil

5 Druckstück 5.1 Ausschnitt

6 Isolierstück

7 Abstandshalter

Claims

&Ogr;* Ansprüche

1. Hochtemperatur-Wärmeübertrager mit einer Mehrzahl von in einer Rohrplatte aus Metall druckdicht befestigten Rohren aus Keramik, die endseitig mit einem angeformten, eine ringförmige Dichtfläche zur Anlage an der Rohrplatte bildenden Flansch versehen und im Bereich dieses Flansches unter Vorspannung an die Rohrplatte angedrückt sind,
dadurch gekennzeichnet,

daß jedes Keramikrohr (1) stirnseitig durch ein rohrförmiges Druckstück (5) belastet ist, das nach Aufbringen der Vorspannkraft an der Rohrplatte (2) befestigt ist.

2. Hochtemperatur-Wärmeübertrager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das rohrförmige Druckstück (5) aus Metall hergestellt und mit der Rohrplatte (2) verschweißt ist.

3. Hochtemperatur-Wärmeübertrager nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohrplatte (2) gekühlt ist.

4. Hochtemperatur-Wärmeübertrager nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohrplatte (2) aus zwei im Abstand voneinander liegenden, zwischen sich einen Kühlkanal (K) bildenden Plattenteilen (2.1, 2.2) besteht.

5. Hochtemperatur-Wärmeübertrager nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Flansche (1.1) der Keramikrohre (1) am unteren Plattenteil (2.2) anliegen und die rohrförmigen Druckstücke (5) am oberen Plattenteil (2.1) befestigt sind.

6. Hochtemperatur-Wärmeübertrager nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die rohrförmigen Druckstücke (5) mit keramischen Isolierstücken (6) ausgekleidet sind.

7. Hochtemperatur-Wärmeübertrager nach mindestens einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Plattenteile (2.1, 2.2)

zumindest im Bereich einiger Keramikrohre (1) miteinander durch Abstandshalter (7) verbunden sind.

8. Hochtemperatur-Wärmeübertrager nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstandshalter (7) rohrförmig aus Metall hergestellt und jeweils konzentrisch ein Keramikrohr (1) umgebend zwischen den Plattenteilen (2.1, 2.2) eingeschweißt sind.

9. Hochtemperatur-Wärmeübertrager nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckstücke (5) mit ihre Elastizität in Längsrichtung erhöhenden Ausschnitten (5.1) versehen sind.

10. Hochtemperatur-Wärmeübertrager nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausschnitte (5.1) U-förmig ausgebildet und einander mäanderförmig überlappend angeordnet sind.

11. Hochtemperatur-Wärmeübertrager, insbesondere für die Übertragung der im Rauchgas eines unter Atmosphärendruck stattfindenden Prozesses zur Verbrennung eines Brennstoffes, vorzugsweise Kohle, enthaltenen Wärme an komprimierte Luft, die zum Antrieb einer insbesondere einen elektrischen Generator antreibenden Turbine verwendet wird, nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Keramikrohr (1) mit einem Ende an einer Rohrplatte (2) befestigt ist, in einen mit dem wärmeabgebenden Medium beschickten Raum (R) des Wärmeübertragers hineinragt und an seinem freien Ende verschlossen ist und daß in jedem Keramikrohr (1) ein das wärmeaufnehmende Medium in das jeweilige Keramikrohr (1) einleitendes Tauchrohr (3) angeordnet ist.

12. Hochtemperatur-Wärmeübertrager nach Anspruch 11 mit einer aus zwei voneinander beabstandeten Plattenteilen bestehenden Rohrplatte, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Tauchrohr (3) am oberen Plattenteil (2.1) befestigt ist und bis nahe an das verschlossene Ende in das Keramikrohr (1) hineinreicht.