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Dehnungsausgleich für Druckgefäße mit hohem Innendruck und verschieden
hohen Temperaturen der Gefäßteile, insbesondere für Wärmetauscher Die Erfindung
betrifft die Beherrschung der Wärmedehnung und der damit zusammenhängenden örtlichen
Spannung an einem Druckgefäß, das z. B. aus einer zylindrischen Außenschale und
einem in die stirnseitigen Böden eingewalzten oder eingeschweißten Rohrbündel besteht.
Das Gefäßinnere wird in bekannter Weise von der aufzuheizenden verdichteten Luft
durchströmt, während das Rohrbündel innen von heißen Gasen niedrigen Druckes geheizt
wird. Wenn nun die untere Stirnseite des Gefäßes in der Längsrichtung festgehalten
wird, muß die Wärmedehnung des oberen Rohrbodens am Ende des Heizrohrbündels gegenüber
derjenigen des ziemlich kalt bleibenden zylindrischen Außenmantels durch Einbau
eines elastischen Gliedes druckfest ausgeglichen werden. Diese bekannten elastischen
Dehnungselemente haben sich bisher innerhalb gewisser Druck- und Temperaturgrenzen
ganz gut bewährt. Es entstehen aber Schwierigkeiten, sobald die auftretenden Temperaturen
und Drücke ein bestimmtes Maß überschreiten. Einerseits müssen die eingeschalteten
Dehnungselemente dünnwandig sein, um den durch die hohen Temperaturen bedingten
großen Dehnungen gerecht zu werden, und andererseits müssen sie den hohen Drücken
im Innern des Gefäßes gewachsen sein.
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Diese Schwierigkeiten werden erfindungsgemäß dadurch behoben, daß
das an der Stelle größter Dehnungsunterschiede eingeschaltete Dehnungselement, z.
B. ein Faltenbalg, durch die Vorschaltung einer den hohen Innendruck stufenweise
abbauenden
Folge von labyrinthartigen Dichtungselementen nicht dem
hohen Gefäßinnendruck ausgesetzt wird. Um die angestrebte Wirkung zu erreichen,
ist allerdings ein gewisser Leckverlust des unter Druck stehenden Mediums in Kauf
zu nehmen, der jedoch nur eine untergeordnete Bedeutung hat. Gesteuert wird der
Druckabbau durch kleine Öffnungen, die die letzte Labyrinthkammer bzw. den Endraum
im Dehnungselement mit der Außenatmosphäre verbinden. Durch sie wird der Fluß des
Druckmediums durch die Labyrinthkammern bestimmt. Die Drosselstellen zwischen den
einzelnen Kammern werden durch Kolbenringe oder Dichtlamellen gebildet, deren Gestaltung
möglichst so gewählt ist, daß entweder der auf dem dichtenden Element lastende Überdruck
oder die Formänderungsverschiebung im Betrieb das satte Anliegen der Dichtflächen
unterstützt und so auch auf lange Betriebsdauer den Leckverlust an hochwertigen
verdichteten Arbeitsmitteln auf ein Mindestmaß beschränkt.
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Bei größeren Abmessungen der Druckgefäße, z. B. bei einem Wärmetauscher
mit einem Durchmesser von mehreren Metern, können jedoch bei der Ausbildung der
Dehnungselemente (Faltenbälge o. dgl.) und der Drosselstufen (Kolbenringe, Labyrinthe)
konstruktive Schwierigkeiten entstehen, die in Weiterausbildung der Erfindung dadurch
behoben werden, daß die zur Beherrschung der relativen Wärmeausdehnung dienenden
Bauelemente einerseits und die zur Druckabdichtung andererseits dienende Abdichtungseinrichtung
in einer der gasführenden Leitungen angeordnet werden, die einen kleineren Durchmesser
haben als der Wärmetauschermantel. Man faßt die Gase z. B. nach Verlassen des Rohrbündels
in einer kegeligen Haube zusammen, die in ein .zylindrisches Rohrstück übergeführt
ist. Dieses zylindrische Rohrstück weist etwa den Durchmesser des Gasau@trittsrohres
auf. Sein Durchmesser ist also erheblich kleiner als der Durchmesser des Wärmetauschermantels.
Versieht man diesen zylindrischen Rohrstutzen, der in das Gasaustrittsrohr hineinragt
mit einer Art Kolbenringdichtung, so hat man den Vorteil einer Anordnung mit relativ
kleinem Durchmesser, die leicht zu beherrschen ist. Dies gilt sowohl für die Fertigung
wie für die Montage und für den Betrieb.
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In der Zeichnung sind mehrere Ausführungsbeispiele von Dehnungsausgleiehvorrichtungen
nach der Erfindung dargestellt, und zwar zeigt Fig. i einen Wärmetauscher in schematischer
Darstellung, Fig. 2 den in Fig. i mit einem Kreis umgebenden Teil der Dehnungsausgleichvorrichtung
im Schnitt und in einem größeren Maßstabe, Fig.3 einen Längsschnitt durch einen
Wärmetauscher, bei dem der Dehnungsausgleich an einer Stelle mit kleinem Durchmesser
angeordnet ist, Fig. 4 eine andere Form der Dehnungs- und Abdichtvorrichtung und
Fig. 5 einen Schnitt durch die Dehnungs- undAbdichtungsvorrichtung am Behälterboden
entsprechend der umrandeten Stelle in Fig. 3. Der Wärmetauscher nach den Fig. i
und 2 besteht aus dem Außenmantel i mit der Wärmeisolation 2, einem Rohrbündel 3,
das in der oberen Platte 4 und der Bodenplatte 5 eingewalzt oder eingeschweißt ist,
der Gasabführungshaube 6, dem Dehnungselement 7 und dem Dichtungselement 8 mit .den
Kolbenringen g. Die heißen Gase treten bei io von unten in den Wärmetauscher ein,
durchströmen die einzelnen Rohre des Rohrbündels 3 und verlassen den Wärmetauscher
durch die Haube 6. Das wärmeaufnehmende unter Druck stehende Medium, z. B. Luft,
tritt bei i i und 12 ein und umspült durch Leitwände 13 geführt das Rohrbündel 3
in einer Anzahl von Zügen, wobei die Wärme von einem zum anderen Strömungsmedium
durch die Rohrwände übertritt. Das aufgeheizte Druckmedium verläßt den Wärmetauscher
bei 14. Da das heiße Rohrbündel 3 'sich natürlich viel stärker ausdehnt als ,die
verhältnismäßig kalte Behälterwand i, sind sie unter Zwischenschaltung eines Dichtungselementes
8 durch ein elastisches Dehnungselement 7 in Gestalt eines Faltenbalges miteinander
verbunden. Die Dünnwandigkeit des Dehnungselementes 7 und die Ealtenform desselben
ermöglichen einen guten Ausgleich der verschiedenen Wärmedehnungen von Behälterwand
i und Rohrbündel 3. Um dem Dehnungselement 7 aber die erforderliche Dünnwandigkeit
geben zu können, muß der Druck des aufzuheizenden Mediums möglichst von ihm ferngehalten
werden. Dies geschieht durch das Dichtungselement 8 mit seinen Kolbenringen g. Die
Kolbenringe bilden Drosselstellen, durch die der Druck des aufzuheizenden Mediums
stufenweise von innen nach außen abgebaut wird, bis er im Dehnungselement 7 die
für seine Wandstärke erforderliche Absenkung erreicht hat. Erzwungen und gesteuert
wird der Druckabfall durch öffnungen 15, die die letzte Labyrinthkammer mit der
Außenatmosphäre verbinden und den Durchfluß durch die vorgeschalteten Drosselstellen
dosieren.
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An Stelle der Kolbenringdichtung kann auch irgendeine andere Labyrinthdichtung
Anwendung finden. Wesentlich für deren Gestaltung ist nur, daß durch hie Dehnungsbewegung
der Behälterteile gegeneinander die Dichtwirkung nicht vermindert, sondern eher
verstärkt wird.
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In der Fig. 3 ist eine Dehnungs- und Abdichtvorrichtung für Druckgefäße
mit größeren Abmessungen gezeigt. Der allgemeine Aufbau des Wärmetauschers ist der
gleiche wie bei dem nach der Fig. i. Ein Rohrbündel 20 ist zwischen den Platten
21 und 22 angeordnet und befindet sich im Innern eines Druckgefäßes aus dem Mantel
23 und der Isolation 24. Querwände 25 leiten das bei 26 eintretende unter Druck
stehende Medium in verschiedenen Zügen durch das Rohrbündel 20. Bei 27 tritt das
aufgeheizte Druckmedium aus. Die Heizgase werden den Rohren 2o bei 28 zugeführt,
durchströmen diese, wobei sie Wärme an das Druckmedium abgeben und treten durch
die Haube 29 und den rohrförmigen Anschlußstutzen 30 aus. Das Dehnungselement 31
mit den Drosselringen 32, das eine ungehinderte Längsausdehnung
des
Rohrbündels 20 mit der Platte 21 und der Haube 29 gegenüber der Behälterwand 23
gestattet, ist hier in dem rohrförmigen Anschlußstutzen 30 verlegt, also in einen
Bauteil mit wesentlich kleineren Abmessungen als das Gefäß selbst. Demzufolge ist
auch die Funktion der einzelnen Bauelemente besser zu beherrschen. Es ist hier auch
gezeigt, daß der für den Druckabbau notwendige Durchtritt von Druckmedium durch
die Drosselstufen nicht unbedingt ein Verlust sein muß, sondern man kann das Druckmedium,
soweit der Druck noch über Atmosphärendruck liegt, abführen und irgendeinem Verwendungszweck
nutzbar machen.
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In der Fig. 4 ist zur Abdichtung ein Falten-1>a1933 verwendet, der
hier infolge seiner geringeren Abmessungen so ausgeführt werden kann, daß er sowohl
der notwendigen Längendehnung als auch dem Innendruck des Wärmetauschers gewachsen
ist.
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In der Fig.5 ist noch gezeigt, wie auch der radiale Dehnungsausgleich
zwischen Rohrbündel und Behälterwand nach einem ähnlichen Prinzip vorgenommen werden
kann. Die untere Platte 22 des Rohrbündels 20 greift in eine Ringnut 34, die aus
dem Wandflansch 35 und dem Flansch 36 an der unteren Zuführung gebildet wird und
liegt mit seinem hohen Gewicht auf der unteren Fläche auf. Die Druckabdichtung erfolgt
wieder durch Labyrinthdichtungen mit allmählichem Druckabbau nach außen. Das durchtretende
Druckmedium wird durch die Bohrungen 37 abgeführt. Die Bodenplatte 22 kann sich
unabhängig von der Behälterwand 23 in radialer Richtung ausdehnen.