NO309692B1

NO309692B1 - Varmeoverföringsutstyr for vannvegg

Info

Publication number: NO309692B1
Application number: NO965092A
Authority: NO
Inventors: Stephen M Kubiak; Tatsuo Nishida
Original assignee: Saint Gobain Norton Ind Cerami
Priority date: 1994-06-02
Filing date: 1996-11-29
Publication date: 2001-03-12
Also published as: KR970703516A; HUT76078A; HU218518B; HU9603282D0; DE69504512T2; DE69504512D1; BR9507825A; MX9605998A; NO965092L; NO965092D0; US5542378A; EP0767886A1; JP2986917B2; WO1995033956A1; CN1117946C; DK0767886T3; KR100224520B1; JPH10503006A; CZ9603524A3; CA2190623C

Description

Den foreliggende oppfinnelse angår et varmeoverføringsutstyr for vannvegg som angitt i innledningen i krav 1. Ildfaste rørblokker beskytter metalliske vann-vegger mot varme og meget korrosive ovnsgasser, mens det samtidig opprettholdes god varmeledningsevne.

Innretninger for kommunalt fast avfall forbrenner skrap og søppel i ovner ved temperaturer opp til omkring 1 644 K. For å gjenvinne den kostbare energi som produseres i disse kommunale avfallsanlegg blir vann sendt gjennom metalliske vannveggrør nærliggende ovnen og omdannes til damp av de høye temperaturer. En vanlig sammenstilling av kjelerør for vannvegg omfattende metalliske rør T sammen-koplet av membraner M er vist på fig. 1. Dampen som fremstilles i rørsammenstillingen blir så anvendt til å drive en turbindrevet elektrisk generator. De kommunale avfallsanlegg produserer imidlertid også gassformige produkter som ville angripe disse rør kjemisk dersom de kom i kontakt med metallrørene. For å hindre direkte angrep på rørene av de gassformige produkter og fremdeles tillate at rørene kan oppvarmes tilstrekkelig, er det anbrakt en beskyttende ildfast foring mellom vannveggrørene og ovnens brennside.

Selv om disse ildfaste foringer hjelper til med å redusere angrepet på de metalliske rør, hindrer bruker av disse varmestrømmen fra ovnens brennside til vannveggrørene. Maksimal varmestrøm er kritisk for å oppnå kjeleeffektivitet. Dersom den ildfaste foring har utilstrekkelig varmeoverføring blir den ildfaste foring varmere enn beregnet. Etter hvert som temperaturen øker vil aske fra brennstoffet som brennes henge fast på overflaten og danne et isolerende lag. Så snart dette fenomen begynner øker lagets tykkelse inntil varmeoverføringen blir ekstremt lav. Røykgassen over forbrenningssonen øker så i hastighet og temperatur, ofte over de beregnede grenser og forårsaker korrosjon/erosjonsproblemer nedstrøms i ovnen. I tillegg kan laget av aske/slaggoppbygging eventuelt falle av når det vokser og forårsake stor skade på stoker-riststavområdet av forbrenningssonen. Det er velkjent at varmeoverførings-effektiviteten for en ildfast foring er omvendt i forhold til dens tykkelse. F.eks. har en ildfast foring med en tykkelse på 0,05 m bare 50 % av varmeoverføringseffektiviteten for den samme barriere med en dybde på 0,025 m. Følgelig søker industrien etter å anvende ildfaste foringsmaterialer som reduserer tykkelsen av den ildfaste foring og favoriserer ildfaste foringer som er så tynne som mulig.

De metalliske vannveggrør og ildfaste foringer blir ofte installert ved å henge dem fra taket i bygningen som rommer ovnen. Da disse vannveggrør og ildfaste foring ofte kan bli omkring 30 m høye representerer vekten av disse hengende vann-veggrør og ildfaste foringer et sikkerhetsspørsmål. Følgelig tilveiebringer sikkerhets-vurderinger ytterligere motivasjon for å gjøre ildfaste barrierer så tynne som mulig.

Selv om industrien har erkjent behovet for tynne ildfaste barrierer, erkjenner den også at den ikke kan redusere dybden av disse barrierer uten vanligvis redusert ytelse. Særlig har man funnet at reduseringen av dybden for mye (dvs ned til omkring 0,012 m) svekker styrken i barrieren til punktet hvor den ikke kan motstå belastningene som frembringes av rørene ved høye temperaturer. Følgelig anvender industrien rutinemessig barrierer med dybder på minst omkring 0,02 m til 0,025 m i det minste tverrsnitt.

Industrien for kommunalt fast avfall har utviklet forskjellige typer av ildfaste konstruksjoner i et forsøk på samtidig beskyttelse av de metalliske vannveggrør mens god varmeoverføring opprettholdes. En slik ildfast konstruksjon er kjent som en "monolittisk" ildfast konstruksjon. En monolittisk ildfast konstruksjon fremstilles ved sprøyting av et keramisk materiale direkte på boltede vannveggrør. Noen monolittiske ildfaste materialer har imidlertid blitt kjent for å Ude av for lav termisk ledningsevne, lav styrke, og bindevanskeligheter som kan føre til usedvanlig stor slaggansamling som hemmer høy termisk le<iningsevne som fører til dårlig effektivitet.

En annen type handelstilgjengelig ildfast materiale er konstruksjonen med "teglrør eller rørblokk". Fig. 2 viser en konvensjonell rørblokkonstruksjon. Typisk er rørblokken en kvadratisk eller rektangulær ildfast teglstein med høyde L (typisk ikke mer enn 0,2 - 0,3 m) med bredde W på 0,2 - 0,3 m, med en dybde D på 0,025 m, modifisert på dens bakre flate med kanaler C og rygger R for å være riktig tilpasset til varinrørkonstruksjonen. En ildfast vegg bygges mens disse rørblokker settes sammen på en måte lik legging av murstein, dvs at en rørblokk settes på plass, dens omkrets tildekkes med mørtel og en annen blokk settes enten oppe på eller ved siden av den første blokk. Denne bygging fortsetter inntil den ønskede vegg er oppbygget. Rør-blokken og rørsammenstillingen er typisk festet ved påføring av en bolt S til membranen M eller direkte til vannveggrøret som passerer bolten gjennom et hull H i en rygg R av rørblokken, og tiltrekking av bolten S med en skrue A. Se fig. 3. Typisk er kanalene i rørblokken ikke direkte i kontakt med de metalliske rør de opptar. Snarere er kanalen og røret bundet sammen av et mørtelmellomlegg (ikke vist). Selv om mørtelen tilveiebringer en god binding mellom rørene og rørblokken, er dens termiske ledningsevne dårlig og på den måten hindrer den strømmen av varme fra ovnen til rørene. Vanligvis tilveiebringer rørblokkene fordelene med høy styrke, bedre binding og høyere termisk ledningsevne enn monolittiske konstruksjoner.

En konvensjonell rørblokkonstruksjon for vannvegg omfatter henging av rørblokkene fra toppen av rørsammensitllingen. Som eksempel viser EP-A-281863 en rørblokkonstruksjon for vannvegg hvor rørsammenstillingen har "korte finner" som strekker seg fra rørene, og rørblokkene bærer på toppen av disse korte finner. Følgelig tilveiebringer de korte finner anordninger for å henge rørblokkene derpå. Fordi den hengende rørblokk i det vesentlige er opphengt etter rørene er det ingenting som driver den nedre del av rørblokken til tett kontakt med rørsammenstillingen. Dersom mørtelen derimellom svikter vil det følgelig utvikle seg et gap som bevirker dårlig termisk ledningsevne og fare for korrosjon.

Når den konvensjonelle rørsammenstilling omfatter metalliske rør med en diameter på 0,076 m og med sentre som har intervaller med mellomrom på 0,1 m, har en enkelt rørblokk typisk en høyde på omkring 0,2 m, en bredde på omlcring 0,2 m, og en dybde på 0,025 m. Dette mellomrom tilveiebringer en tett tilpasning mellom rør-blokkene (dvs omkring 0,003 m) som reduserer mulighetene for utvikling av et luftgap som hindrer varmestrømmen mellom rørene og rørblokksammenstillingene.

En handelstilgjengelig ildfast rørblokk er konstruksjonen vist på fig. 4. Denne konstruksjon er lik den konvensjonelle kjente teknikk vist ovenfor bortsett fra et spor rundt omkretsen av blokken. Selv om denne konstruksjon er i besittelse av de omtalte fordeler i forhold til monolittiske barrierer, har den ikke desto mindre en dybde på minst omkring 0,025 m, og tilveiebringer på den måten dårlig varmestrøm og er tung.

En annen handelstilgjengelig rørbloldcoristruksjon er glattpanel med dobbelt fals. Opprinnelig benyttet i kjeler med sirkulerende fluidisert sjikt har konstruksjonen med glattpanel med dobbeltfals vist på fig. 5 en sperrende konstruksjon som hindrer at små partikler (så som sand) kommer inn i gapene mellom tilstøtende rørblokker. Den sperrende konstruksjon gjør imidlertid fremstillingen av glattpanel med dobbeltfals meget kostbar. Dessuten er dybden av en blokk med glattpanel med dobbeltfals minst omkring 0,022 m. Selv om denne store dybde tilveiebringer sikring mot brudd i rørblokken, hindrer den også betydelig varmestrøm gjennom det ildfaste materiale og sørger for en meget tung blokk.

I en anstrengelse for å forbedre den termiske ledningsevne for rørblokkon-struksjoner viser US patent 5154139 en rørblokk med en dybde på 0,012 m med ribber i dens kanaler. Som vist på fig. 6 er ribbene i kontakt med rørveggene når denne rørblokk med ribber er anbrakt mot rørsammensitllingen. Denne direkte kontakt tillater at varme kan passere forbi mørtelen med lav termisk ledningsevne og på den måten tilveiebringe en høyere termisk ledningsevne enn andre konvensjonelle rørblokkonstruksjoner. Den lille dybde av denne konstruksjon (dvs 0,012 m) forsterker også dens ledningsevne. Imidlertid har kommersielle utførelsesformer av ovennevnte patent sviktet på dette felt. Særlig har det begynt å utvikle seg brudd i rørblokkene ved punktet angitt med "x" på fig. 6.

Det er derfor et formål med den foreliggende oppfinnelse å tilveiebringe et varmeoverføringsutstyr som er lett og pålitelig, har god vanneledningsevne, og hvor de ovennevnte ulemper unngås.

Ifølge oppfinnelsen oppnås dette formål ved de karakteristiske trekk angitt i krav 1. Fordelaktige utførelsesformer er angitt i de uselvstendige krav.

Oppfinnelsen skal beskrives nærmere i det følgende under henvisning til tegningene, der fig. 1 er et perspektivriss av en konvensjonell rørsammenstilling, fig. 2 er et perspektivriss av rørblokkonstruksjonen som er felles for den kjente teknikk, fig. 3 er et sideriss av en rørsammenstilling festet til en konvensjonell rørblokk, fig. 4 er et perspektivriss av en konstruksjon fra den kjente teknikk, fig. 5 er et perspektivriss av konstruksjonen med glattpanel med dobbelt fals fra den kjente teknikk, fig. 6 er et sideriss av konstruksjonen i nevnte US patent 5154139, fig. 7 er et sideriss av en utførelsesform av den foreliggende oppfinnelse, fig. 8 er et snittriss av en utførelsesform av den foreliggende oppfinnelse festet til en rørsammenstilling, fig. 9 viser en utførel-sesform av foreliggende oppfinnelse hvor en krage er viklet rundt bolten og en kapsel er anbrakt på rørblokkhullet tilpasset bolten, fig. 10 viser en utførelsesform av den foreliggende oppfinnelse hvor den sentrale rygg ikke løper i hele lengden av rørblokken.

Uten ønske om å være knyttet til en teori tror man at svikten med de kommersielle utførelsesformer av US patent 5154139 var på grunn av de store spenningskonsentrasjoner ved kontaktpunktene mellom rørblokken og de metalliske rør. Ved å heve den sentrale rygg av rørblokken slik at membranen i rørsammenstillin-gen er plassert på den sentrale rygg (som dermed hindrer direkte kontakt mellom rørblokken og de metalliske rør), har man uventet funnet at den ovenfor nevnte svikt ikke skjer selv når rørblokken har en dybde så tynn som 0,019 m.

Det skal nå vises til fig. 8 hvor rørblokken 50 er anbrakt mot rørsammenstillingen 60, og horisontplanet 3 av den sentrale rygg er festet til membranen 62 av rørsammenstillingen 60 med en gjenget bolt 63 gjennom sammensitllingens hull 5 i den sentrale rygg 2. Fordi høyden av den sentrale rygg 2

(definert som avstanden fra det horisontale plan 3 til frontflaten av rørblokken)

overskrider summen av dybden av rørblokken 50 radiusen av røret 61, kan rørene 61 ikke være i direkte kontakt med kanalene 4. Gapet mellom rørene 61 og kanalene 4 er fortrinnsvis mellom omkring 0,003 m og 0,01 m. En gjenget bolt 63 tiltrekkes, de mørtelfylte (ikke vist) kanaler 4 av rørblokken 50 drives mot rørsammenstillingen 60 for derved å elirninere luftrom. Mørtelen tjener til å holde rørblokken 50 i kontakt med rørsammenstillingen 60 dersom festeanordningene, dvs den gjengede bolt 63 skulle korrodere etter langvarig bruk.

Selv om størrelsen av rørblokken kan variere avhengig av sluttbruken og rørdimensjonen i ovnen hvor den skal brukes, har individuelle rørblokker overveiende dimensjoner med bredde fra omkring 0,15 m til 0,3 m, høyde 0,15 m til 0,3 m, og dybde 0,016 m til 0,019 m. I noen utførelsesformer har imidlertid betjeningsrør-sammensitllingene rør med diameter 0,076 m med sentrene anbrakt i intervaller med mellomrom på 0,1 m, hvor frontflaten av rørblokken bare er omkring 0,196 m x 0,196 m. Uten ønske om å være bundet til en teori mener man at den konvensjonelle konstruksjon 0,2 m x 0,2 m tilveiebringer et gap på 0,003 m mellom rørblokkene som ikke etterlater tilstrekkelig rom for termisk ekspansjon av blokkene og på den måten har en tendens til altfor tidlig sprekking. Man tror at de reduserte dimensjoner i denne utførelsesform (dvs blokker som tilveiebringer et gap på 0,006 m derimellom) av den foreliggende oppfinnelse vil ytterligere avlaste spenningen på rørblokkene. Dybden 65 av rørblokken 50 er typisk mellom omkring 0,013 m og 0,025 m, fortrinnsvis mellom 0,013 m og 0,019 m. Man mener at denne reduserte dybde sørger for en omtrentlig 3 % økriing av den termiske ledningsevne i forhold til konvensjonelle 0,025 m rørblokker. De reduserte dimensjoner reduserer også vekten av rørblokken. I en utførelsesform hvor en rørblokk på 0,196 m x 0,196 m x 0.019 m består i det vesentlige av oksynitrid eller nitridbundet silikonkarbid, er vekten av rørblokken bare omkring 28,86 N.

I noen utførelsesformer som har tre rygger med mellomrom strekker den sentrale rygg seg lengre enn sideryggene. Typisk er denne utstreloiing mellom 0,013 m og 0,025 m lengre enn utstrekningen av sideryggene.

På grunn av de meget høye temperaturer som genereres i den primære forbrenningssone (eller første passasje) hvor rørblokkene anvendes, omfatter rørblok-kene typisk silikonkarbid, fortrinnsvis en oksynitrid, nitrid- eller oksidbundet silikonkarbid. Andre passende ildfaste materialer så som alumina, zirkonium og karbon kan imidlertid anvendes. I tillegg til det ildfaste materiale i seg selv vil rørblokkene videre inneholde et bindende system med høy termisk ledningsevne. En foretrukket rørblokk-sammensetning inneholder omkring 80 til omkring 95 deler silikonkarbid, og omkring 5 til omkring 20 deler bindemiddel så som nitrid eller oksidbasert materiale. Nærmere bestemt vil blokken være laget fra enhver av CN-163, CN-183, CN-127 eller CN-101, hvor hver er tilgjengelig fra the Northern Company of Worcester, Massachusetts, eller tilsvarende ildfaste materialer.

Enhver konvensjonell teknikk som typisk anvendes ved fremstilling av rørblokker kan anvendes til å lage den foreliggende oppfinnelse. I foretrukne utførelses-former føres en blanding omfattende silikonkarbidkorn og bindere inn i en tørrpresse og presses til å danne et råemne, hvor råemnet så tørkes og brennes i en tunneltørkeovn som har en oksygen- eller nitrogenatmosfære for å tilveiebringe et brent ildfast materiale.

Den ildfaste mørtel som anvendes ved den foreliggende oppfinnelse kan være av enhver passende sammensetning og fortrinnsvis av en sammensetning som sørger for den høyeste termiske ledningsevne og varmeoverføring mellom rørblokken og vannveggrørene. Passende mørtelsammerisetninger er overveiende basert på silikonkarbid og inneholder videre et bindemiddel som hefter kraftig til rørblokken og metallvannveggrørene. I foretrukne utførelsesformer inneholder mørtelen kobbermetall og silikonkarbid. Nærmere bestemt er mørtelen MC-1015, en kopperinneholdende mørtel tilgjengelig fra Norton Company of Worcester, Massachusetts.

Selv om det ikke er vist kan ytterligere rørblokker anbringes på tilstøtende

deler av rørsammenstillingen. Avhengig av størrelsen av kjelen vil rørblokkene vanligvis være anbrakt ovenfor, nedenfor og på begge sider av hverandre for å dekke mesteparten av vannveggrørene i den primære forbrenningssone som kreves for beskyttelse. I et konvensjonelt kommunalt avfallsanlegg vil disse rørblokker vanligvis bli anvendt til å dekke alle vannveggrør som er utsatt for skade fra forbrennings-produktene.

I noen utførelsesformer av den foreliggende oppfinnelse er en keramisk

krage 10 viklet rundt bolten 63 som fester rørblokken 50 til rørsammenstillingen 60, og et deksel 11 er anbrakt på hullet 5 i rørblokken som rommer bolten 63. Se fig. 9. Man mener at disse modifikasjoner vil holde bolten forholdsvis kjølig for derved å hemme dens korrosjon.

I noen utførelsesformer løper de langstrakte rygger 20 av rørblokken ikke i

hele lengden av blokken, men strekker seg snarere bare i nærheten av hullet 5. Se fig.

10. Man mener at denne konstruksjon er nyttig ved redusering av spenninger i blokker som anvendes i store ovner, hvor termisk ekspansjon av lange rør skaper en aksielt ujevn kraft på blokkene. I noen utførelseseksempler beløper ryggene kortere enn omkring 50 % av lengden av bunnseksjonen.

I noen utførelsesformer er et system med rørblokker av ildfast materiale modifisert ved å anbringe et ildfast bånd (typisk omkring 0,013 m x 0,165 m x 0,15 m)

på det horisontale plan av den sentrale rygg av en konvensjonell rørblokk. Man har fun-

net at denne modifikasjon også tilveiebringer det ønskede resultat med løfting av den ildfaste rørblokk litt opp fra overflaten av vannveggrørene som reduserer høye belast-

ninger bevirket av betydelig ekspansjon av vannveggrørene, og forsterker integriteten av rørblokksystemet.

Claims

1. Vaimeoverføringsutstyr for vannvegg omfattende en rørblokk (50) og

en sammenstilling (60), hvor sammenstillingen omfatter flere parallelle rør (61;91) forbundet derimellom av minst en membran (62;92), hvor rørblokken (50) har en bunn, og flere parallelle rygger (2) anbrakt med mellomrom utover fra bunnen, hvor overflaten av minst en av ryggene (2) avgrenser en overflate (3) for opptak av membranen (62; 92), hvor membranen (62; 92) er festet til overflaten (3) av ryggen (2), og ryggene (2) er anbrakt med mellomrom for å avgrense parallelle kanaler (4) derimellom, karakterisert ved at utstrekningen av ryggen (2) som har membranen (62; 92) festet dertil er slik at de parallelle rør (61; 91) er fri fra direkte kontakt med kanalene (4), idet store spenningskonsentrasjoner mellom de parallelle rør og kanalene elimineres.

2. Varmeoverføringsutstyr ifølge krav 1, karakterisert ved at ryggene (2) strekker seg over lengden av rørblokkens (50) bunn.

3. Varmeoverføringsutstyr ifølge krav 1, karakterisert ved at ryggene(2) strekker seg over mindre enn omkring 50 % av rørblokkens (50) bunn.

4. Varmeoverføringsutstyr ifølge krav 1, karakterisert ved at membranen (62) er festet til overflaten (3) av ryggen (2) av en aksial bolt (63) som strekker seg fra membranen (62) og er innsatt gjennom et hull (5) som strekker seg fra overflaten (3) av ryggen (2) gjennom rørblokken (50).

5. Varmeoverføringsutstyr ifølge krav 4, karakterisert ved at det omfatter et deksel (11) for å dekke hullet (15) i bunnen av rørblokken (50).

6. Varmeoverføringsutstyr ifølge krav 4, karakterisert ved at det omfatter en keramisk krage (10) viklet rundt bolten (63).

7. Varmeoverføringsutstyr ifølge krav 1, karakterisert ved at det er et gap mellom rørene (61;91) og kanalene (4) på mellom omkring 0,3 cm og 1 cm.

8. Varmeoverføringsutstyr ifølge krav 1, karakterisert ved at rørblokken (50) har en dybde (65) på mellom omkring 1,6 cm og 1,9 cm.

9. Varmeoverføringsutstyr ifølge krav 1, karakterisert ved at ryggen (2) som har membranen (62; 92) festet dertil strekker seg lengre fra rørblokkens (50) bunn enn de andre rygger.

10. Vameoverføringsutstyr ifølge krav 9, karakterisert ved at det har et gap mellom rørene (61 ;91) og kanalene (4) på mellom omkring 0,32 cm og 0,95 cm.

11. Varmeoverføringsutstyr ifølge foregående krav, karakterisert ved at rørblokken (50) har tre rygger (2), hvor den sentrale rygg (2) strekker seg minst omkring 1,27 cm lenger fra bunnen enn sideryggene (2).

12. Varmeoverføringsutstyr ifølge krav 11, karakterisert ved at konturen av kanalene (4) er av halvsirkeltypen.

13. Varmeoverføringsutstyr ifølge krav 11,karakterisert ved at rørblokkens (50) hull (5) er anbrakt i den sentrale rygg (2).

14. Varmeoverføringsutstyr ifølge krav 11,karakterisert ved at rørblokken (50) har en dybde (65) på mellom omkring 1,27 cm og 2,54 cm.

15. Varmeoverføringsutstyr ifølge krav 11,karakterisert ved at det omfatter flere rørblokker (50) som er rektangulære og sammensatt tilstøtende hverandre adskilt av et gap, hvor gapet har en lengde på minst 0,64 cm.