DE3737808A1 - Druck- und temperaturbestaendiges fenster - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Fenster in einer einen Raum, in dem sich unter hohem Druck ein heißes Medium befindet, begrenzenden Wand.

Damit unter einem sehr hohen Druck stehende sehr heiße Medien oder in derartigen Medien angeordnete Bauteile optisch zu überwachen sind, ist die Anordnung eines durchsichtigen Fen­ sters in der Wand des Behälters, in dem sich das Medium befin­ det, erforderlich. Ein durchsichtiges Fenster ist auch not­ wendig, falls die Strömungsgeschwindigkeit des Mediums mit Hilfe eines Laser-Doppler-Anemometers gemessen werden soll. Bisher bekannte optisch durchsichtige Stoffe weisen nur eine begrenzte Widerstandsfähigkeit hinsichtlich hoher Temperaturen und hoher Drucke auf. Ein durchsichtiges Material, das bei­ spielsweise einem Druck von ungefähr 16 MPa (160 bar) bei einer Temperatur größer als 300°C standhält, ist bisher nicht be­ kannt. Derartige Bedingungen herrschen jedoch beispielsweise in einem Autoklav, in dem Bauteile, insbesondere Abstandshalter, auf ihre Zuverlässigkeit hin überprüft werden. Diese Überprü­ fung erfordert die Messung der Strömungsgeschwindigkeit des Me­ diums ohne zusätzliche störende meßtechnische Einbauten im Autoklav. Deshalb muß der Autoklav ein durchsichtiges Fenster zum Einstrahlen von Laserlicht aufweisen.

Es ist daher die Aufgabe gestellt, ein Fenster zu konstruieren, das einer einseitigen Belastung mit einem Druck von mehr als 16 MPa und einer Temperatur höher als 300°C standhält.

Es sind Gläser bekannt, die einem derartigen Druck widerstehen. Diese Gläser sind aber nicht bei hohen Temperaturen einsetzbar. Andererseits existieren Gläser, die schadlos Temperaturen über 300°C ausgesetzt werden können, die aber nicht druckfest sind. Darüber hinaus sind Schaugläser erhältlich, bei denen das Glas mit einem Metallrahmen verschmolzen ist. Diese Schaugläser wi­ derstehen einer hohen Druckbelastung, auch einem Druck der größer als 16 MPa ist. Bei hoher Druckbelastung muß jedoch die Temperatur des eingeschlossenen Mediums relativ niedrig sein. Die gleichen Schaugläser sind andererseits auch in einem Behälter einsetzbar, der ein Medium enthält, dessen Temperatur über 300°C beträgt. Bei diesem Anwendungsfall darf aber zur Temperaturbe­ lastung eine zusätzliche einseitige Druckbelastung nicht hinzu­ kommen.

Der Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, ein optisch durchlässiges Fenster zu konstruieren, das in die Wand eines Raumes einsetz­ bar ist, der ein sehr heißes unter hohem Druck stehendes Medium enthält. Insbesondere soll das Fenster geeignet sein für einen Autoklaven, in dem Bauteile, beispielsweise Abstandshalter, bei einer Temperatur größer als 300°C und bei einem Druck von 16 MPa getestet werden. Dabei soll die Strömungsgeschwindigkeit eines Mediums im Autoklav mit einem Laser-Doppler-Anemometer gemessen werden.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß in der Wand des Raumes eine innere Stirnwand eines sich nach außen er­ streckenden Hohlkörpers angeordnet ist, die aus einem tempera­ turbeständigen durchsichtigen Material besteht, daß der inneren Stirnwand gegenüberliegend eine äußere Stirnwand angeordnet ist, die aus einem druckbeständigen durchsichtigen Material be­ steht und daß der Innenraum des Hohlkörpers mit Stutzen für eine Gaszuführleitung und für eine Gasableitung in Verbindung steht zum Aufrechterhalten eines hohen Druckes, der dem Druck des Me­ diums weitgehend entspricht, und einer niedrigen Temperatur, die der Umgebungstemperatur weitgehend entspricht, im Innenraum des Hohlkörpers durch Einspeisen und Ableiten eines relativ kalten, trockenen Gases.

Die durchsichtige innere Stirnwand des erfindungsgemäßen Hohl­ körpers ist in der Wand des zu überwachenden Raumes anzu­ ordnen. Der erfindungsgemäße Hohlkörper selbst wird von einem Gas durchströmt. Dabei wird durch geeignete Einrichtungen und Geräte, wie Kühlvorrichtungen und Kompressoren, sichergestellt, daß einerseits der Druck im Inneren des Hohlkörpers weitge­ hend dem Druck im zu überwachenden Raum entspricht und daß an­ dererseits die Temperatur im Hohlkörper mit der Temperatur außerhalb des zu überwachenden Raumes vergleichbar ist. Die innere Stirnwand des erfindungsgemäßen Hohlkörpers ist folg­ lich von beiden Seiten mit einem annähernd gleichgroßen Druck beaufschlagt. Damit wird der Vorteil erzielt, daß die durch­ sichtige innere Stirnwand nicht druckbeständig zu sein braucht. Es reicht aus, wenn diese innere durchsichtige Stirnwand dem Temperaturgefälle zwischen dem zu überwachenden Raum und dem Innenraum des erfindungsgemäßen Hohlkörpers standhält. Ein diesen Anforderungen genügendes Material ist bekannt.

Die äußere durchsichtige Stirnwand des erfindungsgemäßen Hohl­ körpers ist einseitig nur vom Innenraum des Hohlkörpers her mit einem hohen Druck beaufschlagt. Die Temperatur im Innenraum des Hohlkörpers entspricht aber weitgehend der Umgebungstemperatur, so daß auf beiden Seiten der äußeren durchsichtigen Stirnwand weitgehend die gleiche Temperatur gegeben ist. Da ein Tempe­ raturgefälle fehlt, reicht es aus, wenn die äußere Stirnwand druckfest ist. Ein geeignetes nicht temperaturbeständiges, aber druckfestes durchsichtiges Material ist erhältlich.

Mit dem erfindungsgemäßen Fenster wird der Vorteil erzielt, daß nur mit bekanntem durchsichtigem Material, das nur entweder druckfest oder temperaturfest ist, eine optische Überwachung eines Raumes durchführbar ist, in dem sich ein sehr heißes unter sehr hohem Druck stehendes Medium befindet.

Beispielsweise sind in den aus Metall bestehenden Wänden des Hohlkörpers miteinander in Verbindung stehende Kühlkammern an­ geordnet, die über Stutzen von Wasser durchströmt werden. Diese Wasserkühlung der Metallwände unterstützt die Kühlwirkung des den Innenraum des Hohlkörpers durchströmenden Gases.

Der Hohlkörper des erfindungsgemäßen Fensters besteht bei­ spielsweise aus zwei miteinander zu verbindenden Teilen, in die die Stirnwände aus durchsichtigem Material jeweils von innen einzufügen sind. Durch das Einfügen von innen werden stabile Verbindungen zwischen den Stirnwänden und dem Gehäuse des Hohlkörpers erzielt. Damit das Einfügen beider Stirn­ wände von innen her überhaupt möglich ist, besteht der Hohl­ körper aus zwei Teilen, die nach Anbringen der Stirnwände miteinander zu verbinden sind.

Beispielsweise sind die beiden Teile des Hohlkörpers mitein­ ander durch ein Gewinde verschraubbar. Die Schraubverbindung ist anschließend durch eine abdichtende Schweißnaht zu über­ decken. Damit erzielt man den Vorteil, daß die Druckkräfte des im Hohlkörper sich befindenden Gases allein durch die Schraub­ verbindung kompensiert werden. An die Schweißnaht greifen Druckkräfte nicht an. Sie dient nur dazu, die abdichtende Wir­ kung der Schraubverbindung zu steigern und die Verbindung gas­ dicht zu machen.

Die Stirnwände bestehen beispielsweise aus Glas. Dabei ist für die innere Stirnwand ein temperaturbeständiges Glas und für die äußere Stirnwand ein druckbeständiges Glas zu verwenden. Insbe­ sondere bestehen beide Stirnwände aus dem gleichen Glas, das bei relativ niedrigem Druck einer relativ hohen Temperatur standhält und bei relativ niedriger Temperatur einem relativ hohen Druck widersteht. Ein derartiges Glas ist bekannt und kann von der K.D. Herberts GmbH & Co. Industrieglas KG, Wup­ pertal Barmen, bezogen werden. Dieses bekannte Glas ist nicht gleichzeitig durch einen hohen Druck und eine hohe Temperatur belastbar. Es ist also nur in Verbindung mit einem erfindungs­ gemäßen Fenster einsetzbar, falls in dem zu überwachenden Raum sich ein sehr heißes und unter hohem Druck stehendes Medium befindet. Bei Verwendung des bekannten Glases wird der Vorteil erzielt, daß beim Bau des erfindungsgemäßen Fensters nur eine Glassorte verwendet wird. Verwechselungen sind dadurch ausge­ schlossen.

Beispielsweise sind die Stirnwände in den Metallmantel des Hohlkörpers eingeschmolzene Glaswände. Eingeschmolzene Glas­ wände zeichnen sich dadurch aus, daß sie in hohem Grad gas­ dicht abschließen.

Ein geeignetes Gas zum Aufrechterhalten eines hohen Druckes bei niedriger Temperatur im Inneren des Hohlkörpers ist Stick­ stoff. Der Stickstoff wird dazu über einen Kompressor und eine Kühleinrichtung in den Hohlraum eingespeist. Der abgeleitete Stickstoff kann dann über den Kompressor und die Kühleinrich­ tung dem Hohlraum wieder zugeführt werden. Mit Stickstoff wird im Hohlraum des erfindungsgemäßen Fensters ein hoher Druck, der dem Mediumdruck entspricht, bewirkt und gleichzeitig wird Wärme abgeführt.

Das erfindungsgemäße Fenster, bestehend aus einem Hohlkörper, ist beispielsweise in eine Öffnung in der Wand des zu unter­ suchenden Raumes einschraubbar. Dazu eignen sich besonders in der Reaktortechnik übliche Verschraubungen. Eine derartige Verschraubung sieht am Hohlkörper eine ballige Anformung vor zum Anpassen an die ihn aufnehmende Öffnung in einer Wand. Zur Bildung einer Schraubverbindung des Hohlkörpers mit einer Wand, ist der Hohlkörper mit einer Mutter verbunden. Es wird damit eine stabile und dichte Verbindung zwischen Fenster und Wand gewährleistet.

Mit dem erfindungsgemäßen Fenster wird insbesondere der Vor­ teil erzielt, daß erstmals das Innere eines Raumes, in dem sich ein sehr heißes und unter einem hohen Druck stehendes Medium befindet, von außen optisch zu überwachen ist. Zu Meß­ zwecken kann durch das erfindungsgemäße Fenster in den Raum auch Laserlicht eingestrahlt werden.

Die Erfindung wird anhand der Zeichnung näher erläutert:

Die Zeichnung zeigt das erfindungsgemäße Fenster. Das Fenster besteht aus einem Hohlkörper 1. Eine innere Stirnwand 2 des Hohlkörpers 1 besteht aus temperaturbeständigem, aber nicht druckfestem Glas. Die innere Stirnwand 2 bildet den Abschluß des Fensters gegen den zu überwachenden Raum, in dem sich ein heißes und unter hohem Druck stehendes Medium befindet. Eine äußere Stirnwand 3 des Hohlkörpers 1 besteht aus einem druck­ beständigen aber nicht temperaturfesten Glas. Die äußere Stirn­ wand 3 bildet den Abschluß des erfindungsgemäßen Fensters gegen die äußere Umgebung des zu überwachenden Raumes. Der Innenraum 4 des Hohlkörpers 1 weist Stutzen 5 und 6 für eine Gaszuführlei­ tung und für eine Gasableitung auf. Der Stutzen 6 ist in der Zeichnung senkrecht zur Zeichenebene angeordnet. Über diese Stutzen 5 und 6 wird im Innenraum 4 ein Druck aufrechterhalten, der dem Druck im zu überwachenden Raum entspricht. Durch Ein­ speisung eines gekühlten Gases wird im Innenraum 4 eine Tempe­ ratur erzielt, die der Temperatur außerhalb der äußeren Stirn­ wand 3 entspricht. In den aus Metall bestehenden Wänden 14 des Hohlkörpers 1 sind miteinander verbundene Kühlkammern 15 ange­ ordnet. Diese weisen Stutzen 16 und 17 für eine Wasserzulei­ tung und für eine Wasserableitung auf. Die Wasserkühlung der Metallwände 14 unterstützt die Gaskühlung des Innenraumes 4 des Hohlkörpers 1. Infolge des gasgefüllten, gekühlten Innenraumes 4 erzielt man ein sowohl druckfestes als auch temperaturbestän­ diges Fenster, obwohl nur Gläser verfügbar sind, die entweder druckfest oder temperaturbeständig sind. Der Hohlkörper 1 ist zweiteilig ausgebildet und besteht aus den Teilen 11 und 12. Dadurch können die gläsernen Stirnwände 2 und 3 beide von innen in den sonst aus Stahl gefertigten Hohlkörper 1 eingeschmolzen werden. Die beiden Teile 11 und 12 des Hohlkörpers 1 sind durch ein Gewinde 7 miteinander verbunden. Das Gewinde 7 nimmt die Druckkraft des im Innenraum 4 sich befindenden Gases auf. Zur Abdichtung ist das Gewinde 7 durch eine gasdichte Schweißnaht 8 verschlossen. Zum Einsetzen des Hohlkörpers 1 in eine Öffnung in einer Wand 10 des zu überwachenden Raumes weist der Hohl­ körper 1 eine ballige Anformung 13 auf, die mit dem Rand der Öffnung gut in Verbindung zu bringen ist. Die Befestigung in der Wand 10 des zu überwachenden Raumes erfolgt über ein Ge­ winde mit einer am Hohlkörper 1 angeordneten Mutter 9. Diese Anordnung zum Befestigen des Hohlkörpers 1 in der Öffnung ent­ spricht einer in der Reaktortechnik üblichen Verbindung.

Claims (10)

1. Fenster in einer einen Raum, in dem sich unter hohem Druck ein heißes Medium befindet, begrenzenden Wand (10), dadurch gekennzeichnet, daß in der Wand (10) des Raumes eine innere Stirnwand (2) eines sich nach außen erstreckenden Hohlkörpers (1) angeordnet ist, die aus einem temperaturbeständigen durchsichtigen Material besteht, daß der inneren Stirnwand (2) gegenüberliegend eine äußere Stirnwand (3) angeordnet ist, die aus einem druckbeständigen durchsich­ tigen Material besteht und daß der Innenraum (4) des Hohlkör­ pers (1) mit Stutzen (5 und 6) für eine Gaszuführleitung und für eine Gasableitung in Verbindung steht, zum Aufrechterhalten eines hohen Druckes, der dem Druck des Mediums weitgehend ent­ spricht, und einer niedrigen Temperatur, die der Umgebungstem­ peratur weitgehend entspricht, im Innenraum (4) des Hohlkörpers (1) durch Einspeisen und Ableiten eines relativ kalten, trocke­ nen Gases.

2. Fenster nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß in Wänden (14) des Hohlkörpers (1), die aus Metall bestehen, miteinander in Verbindung stehende Kühl­ kammern (15) angeordnet sind, die mit Stutzen (16 und 17) für eine Wasserzuführleitung und für eine Wasserableitung in Ver­ bindung stehen.

3. Fenster nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Hohlkörper (1) aus zwei mitein­ ander verbindbaren Teilen (11 und 12) besteht, in die die Stirnwände (2 und 3) aus durchsichtigem Material jeweils von innen einzufügen sind.

4. Fenster nach Anspruch 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die beiden miteinander zu verbindenden Teile (11 und 12) des Hohlkörpers (1) miteinander durch ein Gewinde (7) verschraubbar sind und daß die Schraubverbindung durch eine abdichtende Schweißnaht (8) zu überdecken ist.

5. Fenster nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die innere Stirnwand (2) aus einem temperaturbeständigen Glas und die äußere Stirnwand (3) aus einem druckbeständigen Glas besteht.

6. Fenster nach Anspruch 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß beide Stirnwände (2 und 3) aus einem Glas bestehen, das einer relativ hohen Temperatur bei relativ niedrigem Druck und einem relativ hohen Druck bei relativ niedriger Temperatur widersteht.

7. Fenster nach Anspruch 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Stirnwände (2 und 3) in den übrigen Hohlkörper (1) eingeschmolzene Glaswände sind.

8. Fenster nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß in den Innenraum (4) des Hohlkörpers (1) über den ersten Stutzen (5) kompremierter, kalter Stickstoff zuführbar ist, der über den zweiten Stutzen (6) abzuleiten ist.

9. Fenster nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Hohlkörper (1) in einer Öffnung der einen Raum begrenzenden Wand (10) verschraubbar ausgebildet ist.

10. Fenster nach Anspruch 9, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Hohlkörper (1) eine ballige An­ formung (13) zum Anpassen an die ihn aufnehmende Öffnung in der Wand (10) aufweist und daß der Hohlkörper (1) mit einer Mutter (9) verbunden ist zur Bildung einer Schraubverbindung mit der Wand (10) des Raumes, in dem sich das Medium befindet.