Pierwszenstwo: 28.111.1962 Niemiecka Republika Federalna Opublikowano: 15.IV.1966 51250 KI. 12 g, 2/01 MKP B 01 j A\o° UH [BIBLIOTEKA Urzedu Patentowego Polskiej Rzeczypospnl le; Udowi Twórca wynalazku i Jan Sellin, Monthey (Szwajcaria) wlasciciel patentu: Piec rurowy do bezposredniego ogrzewania gazów lub cieczy Wynalazek dotyczy pieców rurowych do bezpo¬ sredniego ogrzewania gazów lub cieczy, a w szczególnosci takich pieców, w których media przesylane przez ich system rurowy, przy sto¬ sunkowo krótkich czasach przebywania sa pod¬ dawane bardzo wysokim temperaturom.Stosowane dotychczas piece rurowe sa zaopa¬ trzone w proste rury, które w komorze palenis¬ kowej pieca sa rozmieszczone w postaci regi¬ strów, spirali lub wiazek. Wiadome jest, ze w celu polepszenia przenoszenia ciepla lub w celu przyspieszenia wzglednie zwolnienia reakcji che¬ micznych, rury zaopatruje sie — zaleznie od potrzeb — w wystepy, ksztaltki wypelniajace wzglednie napelnia sie je katalizatorami.W tego rodzaju systemach rurowych o prostych rurach, umieszcza sie je najlepiej pionowo w komorze pieca i zamocowuje u góry i na dole.Jednak w przypadku stosowania rur na przy¬ klad w ksztalcie litery U lub rur podobnie uksztaltowanych nie zawsze mozna uniknac umieszczenia ich wlotów i wylotów w komorze pieca w okreslonej od siebie odleglosci. Ze wzgle¬ du na rozszerzalnosc cieplna rury takie musza pracowac w trudnych warunkach, którym nie¬ latwo jest sprostac. Zachodza przy tym nie tylko skrzywienia, a niekiedy nawet zniszczenia samych rur, lecz szczególnie trudnym problemem jest równiez uszczelnienie miejsc ich wlotu wzgled¬ nie wylotu w komorze paleniskowej. W tych 10 15 20 25 miejscach zachodza na skutek zmian dlugosci rur wywolanych rozszerzalnoscia cieplna stale ru¬ chy pomiedzy obmurowaniem pieca a rurami.Te trudnosci próbowano zmniejszyc przez stoso¬ wanie do wyrobu rur stali stopowych o wysokiej zawartosci niklu, przez co znacznie wzrastala ich wytrzymalosc w wysokich temperaturach, jednak¬ ze problem uszczelnienia w miejscach wlotu i wy¬ lotu komory paleniskowej nie dawal sie calkowi¬ cie usunac. Obok znacznego kosztu stale stopo¬ we o wysokiej zawartosci niklu wykazuja te za¬ sadnicza wade, ze znacznie zmniejszaja przeni¬ kanie promieniowania, przez co oczywiscie spraw¬ nosc pieców zaopatrzonych w tego rodzaju rury silnie maleje. Równiez wskutek domieszki niklu w niektórych procesach przejawia sie dzialanie katalityczne skladników niklu, które jest nad¬ zwyczaj niepozadane. Prócz tego stopowe stale niklowe sa bardzo wrazliwe na obecnosc siarki lub innych zanieczyszczen, znajdujacych sie w gazach spalinowych lub w medium reakcyjnym.Nalezy wiec stosowac szczególnie czyste, a moze i drogie paliwa.Aby uniknac naprezen wywolanych rozszerzal¬ noscia cieplna i osiagnac inne korzysci, stosuje sie znane juz z konstrukcji wymienników ciepla rury przeciwpradowe, to znaczy podwójne rury wchodzace jedna w druga. Rury te sa zamoco¬ wane w pokrywie pieca i zwisaja wolnymi kon¬ cami w komorze paleniskowej ku dolowi. Naj- 5125051250 3 lepiej jest, gdy kazda rura przeciwpradowa mo¬ ze byc przy tym wymontowywana do góry i wy¬ ciagnieta z pieca. Dzieki takiej konstrukcji rury moga sie swobodnie rozszerzac ku dolowi, a na skutek umieszczenia kolnierzy sluzacych do la¬ czenia rur przeciwpradowych z przewodami do¬ prowadzajacymi i odprowadzajacymi poza goraca strefe pieca, mozna z latwoscia opanowac na¬ prezenia spowodowane na tych zlaczach warun¬ kami temperaturowymi. ©kazalo sie jednak, ze równiez w ostatnio opi¬ sanym typie pieców wystepuja znane wady, wy¬ wolana zwlaszcza tym, ze rury poddane sa silom ' rozciagajacym, spowodowanym ich ciezarem wla¬ snym, ciezarem -najczesciej stosowanego katali¬ zatora i cisnieniem medium reakcyjnego. Z tego wzgledu sciany rury ulegaja oslabieniu w miej¬ scach poddanych dzialaniu najwiekszych sil, a wiec w poblizu miejsca zawieszenia rur. Wiaze sie z tym zwiekszona przepuszczalnosc dla gazów w tych miejscach. Te niekorzystne zmiany sa przyspieszone w piecach o znanej konstrukcji jeszcze tym, ze ogrzewanie nastepuje w nich od góry, to znaczy ze miejsce o najwyzszej tempe¬ raturze znajduje sie w poblizu miejsc, na które w rurach dzialaja najwieksze sily rozciagajace.Oczywiscie mozna te niekorzystne zjawiska zmniejszyc w pewnej mierze, lub ograniczyc je do sredniego wzglednie wysokiego zakresu tem¬ peratur, o ile zastosuje sie do rur przeciwprado¬ wych stale zaroodporne, a w szczególnosci stale stopowe o wysokiej zawartosci niklu, przy czym jednak w tym przypadku nalezy sie pogodzic z omawianymi wyzej brakami.Oslabienie przekrojów poprzecznych rur wisza¬ cych jest oczywiscie wtedy szczególnie wazne, jezeli ze wzgledów technologicznych piece sa czesto wlaczane i wylaczane, poniewaz ze wzgle¬ du na zmienne obciazenia rur oslabienie ich scianek w miejscach najsilniejszych naprezen jest znacznie przyspieszane.W praktyce okazalo sie, ze wyzej opisane pie¬ ce wyposazone w rury przeciwpradowe zawie¬ szone swobodnie w komorze paleniskowej od gó¬ ry, przy stosowaniu rur z normalnej stali, mo¬ ga z przytoczonych powodów byc stosowane naj¬ wyzej do temperatury okolo 1000°C. Nawet sto¬ sujac rury ze stali szlachetnych mozna bylo przy pracy ciaglej tylko nieznacznie przekraczac tem¬ perature 1200°C.Jednakze dla niektórych procesów jest poza¬ dana mozliwosc stosowania tego rodzaju pieców równiez przy znacznie wyzszych temperaturach, mianowicie przy temperaturze okolo 1400°C,« przy stosunkowo krótkich czasach przebywania me¬ diów reakcyjnych w rurach.Wedlug wynalazku rury przeciwpradowe o zna¬ nej w zasadzie konstrukcji zamocowuje sie tylko przy ich dolnych koncach. Górne konce tych rur wystaja swobodnie do wnetrza komory palenisko¬ wej. Dzieki temu osiaga sie te zasadnicza ko¬ rzysc, ze wykorzystuje sie wytrzymalosc na sci¬ skanie materialu rury, która to wytrzymalosc jest przy wysokich temperaturach najczesciej wieksza niz wytrzymalosc na rozciaganie. Rury nie po- 4 dlegaja bowiem przy takiej konstrukcji silom ciagnacym, lecz narazone sa na dzialanie cisnie¬ nia. Do tego dochodzi jeszcze równiez to, ze w przypadku rur napelnionych katalizatorem napel- 5 nienie nie powoduje juz obciazenia scianek rury, a ponadto cisnienie we wnetrzu rur przeciwpra¬ dowych przeciwdziala czesciowo naciskowi spo¬ wodowanemu ich wlasnym ciezarem, zamiast wy¬ wolywac dodatkowe obciazenia jak w przypadku io rur zawieszonych w znanych rodzajach pieców.Szczególnie korzystne jest oczywiscie stosowa¬ nie rur z takiego materialu, który w danych wa¬ runkach ruchowych posiada znacznie wyzsza wy¬ trzymalosc na sciskanie niz wytrzymalosc na ro- 15 zerwanie. Szczególnie korzystne sa rury wyko¬ nane z materialów ceramicznych lub szklistych, a zwlaszcza z kwarcu, który przy wytrzymalosci na rozerwanie wymaganej conajmniej 700 kg/cm2 posiada wytrzymalosc na sciskanie okolo 2300 20 kg/cm2.Zastosowanie na przyklad rur kwarcowych jest szczególnie korzystne równiez z tego wzgledu, ze przepuszczaja one promieniowanie ultrafioletowe i wiele innych rodzajów promieni pochlanianych 25 przez stal, które ze wzgledu na ich znane dzia¬ lanie katalityczne wplywaja dodatnio na prze¬ biegajaca wewnatrz rury reakcje i moga zmniej¬ szyc naklad energii. Zastosowanie tego rodzaju materialów do budowy rur przeciwpradowych w 30 dotychczas znanych konstrukcjach pieców, maja¬ cych rury wiszace bylo w zasadzie niemozliwe z powodu ich malej wytrzymalosci w wyzszych temperaturach.Lepsze wykorzystanie energii promieniowania 35 i zwiazany z tym wzrost zdolnosci przenoszenia ciepla, zapewnia dalej skrócenie czasu przeby¬ wania mediów reakcyjnych w rurach, co przy duzej liczbie wchodzacych w rachube procesów pomaga znacznie zahamowac niepozadane reakcje 40 uboczne. W licznych przypadkach jest równiez bardzo korzystna mozliwosc szybkiego ogrzewa¬ nia medium reakcyjnego, na przyklad dla unik¬ niecia tworzenia sie osadów weglowych przed wlasciwie intensywnie ogrzana i ewentualnie wy- 45 pelniona katalizatorem przestrzenia reakcyjna.Umieszczenie rur przeciwpradowych wedlug wynalazku w pozycji stojacej daje te dalsza ko¬ rzysc, ze w wierzcholku rury, w którym nastepu¬ je zmiana kierunku przeplywu medium unika sie 50 niebezpieczenstwa zatkania rury z powodu osa¬ dzania na przyklad tworzacej sie sadzy lub roz¬ pylonego katalizatora. Zatkania takie zachodzily czesto we wnetrzu znanych wiszacych rur prze¬ ciwpradowych. Osadzaniu sie osadów we wnetrzu 55 wierzcholka rury zamontowanej wedlug wyna¬ lazku przeciwdziala stale sila ciezkosci.Dzieki temu, ze polaczenia poszczególnych rur przeciwpradowych sa wedlug wynalazku umie¬ szczone pod piecem, skonstruowany wedlug wy- 6o nalazku piec nadaje sie do ustawienia na wol¬ nym powietrzu, poniewaz zlacza sa od góry do¬ brze chronione przed wplywami atmosferyczny¬ mi. Prócz tego dla wymiany poszczególnych jednostek rur przeciwpradowych nie jest juz wy- 65 magane stosowanie dzwigni ponad piecem. Przy51250 5 ustawieniu, pieców wewnatrz zamknietych budyn¬ ków, budynki te moga byc wiec odpowiednio niz¬ sze, o ile ponizej pieca zastosuje sie odpowiedni dól w celu wyciagania poszczególnych rur prze¬ ciwpradowych.Korzystne jest równiez to, ze pokrywa pieca jest bardzo mocna i szczelna, poniewaz ze wzgle¬ du na sposób zamontowania rur wedlug wyna¬ lazku nie posiada ona zadnych otworów dla rur i ewentualnie równiez palników. Dzieki temu la¬ two unika sie nieszczelnosci, które zwykle po¬ woduja niepozadane dzialanie kominowe z po¬ wodu naturalnego unoszenia ciepla ku górze we¬ wnatrz pieca.Bardzo wskazane jest prowadzenie strumienia gazu grzejnego w kierunku od wolnego konca ru¬ ry przeciwpradowej do jej umocowanego konca.Dzieki temu miejsca rury obciazone najsilniej z powodu wlasnego ciezaru rur nie sa równo¬ czesnie miejscami wystawionymi na dzialanie najwyzszych temperatur.Szczególnie korzystne jest przy tym zainstalo¬ wanie pomiedzy glówna komora paleniskowa, a wylotem gazów spalinowych ognioodpornej scian¬ ki dzialowej majacej takie otwory, ze pomiedzy kazda rura przeciwpradowa a scianka dzialowa znajduje sie pierscieniowy otwór umozliwiajacy przejscie gazów spalinowych do miejsca ich wy¬ lotu. Gazy grzejne sa dzieki temu zmuszone do przeplywu wspólsrodkowo wzgledem poszczegól¬ nych rur przeciwpradowych, oplukuja je one rów¬ nomiernie ze wszystkich stron, przez co inten¬ sywnosc w przenoszeniu ciepla ulega dalszemu polepszeniu.Rury przeciwpradowe sa zawieszone mniej- wiecej równomiernie na calym przekroju pieca, przy czym komora paleniskowa jest ogrzewana cyklonowo palnikami zamontowanymi stycznie do jej scian przed wolnymi koncami rur przeciwpra¬ dowych. Zastosowanie tego rodzaju komory pa¬ leniskowej, w polaczeniu z wspólsrodkowym w stosunku do kazdej rury przeciwpradowej odpro¬ wadzaniem gazów spalinowych* osiagnietym przez zastosowanie scianki dzialowej w poblizu miejsc zamocowania rur przeciwpradowych, umozliwia osiagniecie nadzwyczaj równomiernego ogrzewa¬ nia kazdej z tych rur, poniewaz dzieki cyklono¬ wemu ogrzewaniu komory paleniskowej znajdu¬ jacej sie przed rurami w komorze tej powstaje bardzo równomierna strefa plomieniowa, a z tego wzgledu rury przeciwpradowe oplukiwane sa przez gazy grzejne ze wszystkich stron bardzo równo¬ miernie poczawszy od wolnych konców az do konców zamocowanych.Przez równomierne rozdzielenie rur na calym przekroju poprzecznym pieca, daje sie uzyskac przy takiej samej objetosci pieca znaczne pod¬ wyzszenie jego zdolnosci przerobowej.Opisany wyzej system prowadzenia gazu grzej¬ nego mozna oczywiscie zastosowac równiez w zna¬ nych piecach majacych zawieszone rury przeciw¬ pradowe w znanych juz konstrukcjach. System ten jednak wraz z ukladem rur stojacych wedlug wynalazku jest szczególnie korzystny, poniewaz w tym przypadku komora paleniskowa jest 6 umieszczona powyzej wolnych konców rur prze¬ ciwpradowych i unika sie przy tym w znacznym stopniu spryskiwania scianek rury kropelkami paliwa, co przy ogrzewaniu od dolu zachodzi 5 znacznie latwiej i wywoluje nadzwyczaj nieko¬ rzystne zjawisko korozji rur. Prócz tego w przy¬ padku prowadzenia gazów grzejnych od góry do dolu tworzace sie w malej ilosci czastki popiolu z paliwa sa znacznie lepiej wyprowadzane z ga- io zami spalinowymi, anizeli w przypadku strumie¬ nia gazu grzejnego kierowanego od dolu do góry.Przy zachodzacym od góry ogrzewaniu powierz¬ chnie czolowe stosowanych wedlug wynalazku rur stojacych sa szczególnie narazone na opry- 15 skiwanie paliwem i osadzanie sie na nich po¬ piolu.Powierzchnie te sa przeciw temu chronione przez nasadzenie zasadniczo latwo wymiennych pokryw, które prócz tego sa jednoczesnie uksztaltowane 20 jako powierzchnie kierujace gazy. O ile do bu¬ dowy tych pokryw stosuje sie odpowiednio do¬ brane materialy ognioodporne, moga one równo¬ czesnie spelniac funkcje izolacji termicznej dla najsilniej narazonych na promieniowanie górnych 25 konców rur.Konstrukcja pieca wedlug wynalazku uwidocz¬ niona jest na rysunku, na którym fig. 1 przed¬ stawia przekrój pionowy prostej odmiany kon¬ strukcyjnej pieca rurowego wedlug wynalazku 30 z zainstalowana tylko jedna rura przeciwpra¬ dowa; fig. 2 — przekrój pionowy pieca z równo¬ miernie na calym przekroju poprzecznym roz¬ mieszczonymi rurami przeciwpradowymi, oraz fig. 3 — przekrój pieca wedlug fig. 2 plaszczy- 35 zna wzdluz linii A — A.W piecu rurowym wedlug fig. 1, sciany 1, dno 2 i pokrywa pieca 3 sa wykonane w znany spo¬ sób z materialu ognioodpornego. W otwór dna fc jest od dolu wprowadzona wspólsrodkowa rura 40 przeciwpradowa 4 i w odpowiedni sposób umo¬ cowana w sposób latwo wyjmowalny. Ogrzewa¬ nie pieca odbywa sie za pomoca palnika 5, umie- _ szczonego wspólsrodkowo w pokrywie 3, a gazy spalinowe sa odprowadzane przez króciec odpro- 45 wadzajacy 6.Pomiedzy wlasciwa komora paleniskowa a wy¬ lotem gazów spalinowych w poblizu konca umo¬ cowania pojedynczej rury przeciwpradowej 4 wmontowana jest ognioodporna scianka dzialo- 50 wa 7, w której jest wykonany otwór o takiej wielkosci, ze pomiedzy' scianka dzialowa 7 a pojedyncza rura przeciwpradowa 4 tworzy sie otwór w ksztalcie pierscienia 8. Na zewnatrz komory grzejnej pieca znajduja sie kolnierze la- 55 czace 9 i 10 sluzace do zalaczania rury 4 do przewodów doprowadzajacych i odprowadzaja¬ cych. Medium reakcyjne jest doprowadzane w zaleznosci od prowadzonego w danym przypadku procesu, badz to przez rure wewnetrzna, a odpfo- 60 wadzane rura zewnetrzna, badz tez przeciwnie, doprowadzane rura zewnetrzna, a odprowadzane przez rure wewnetrzna. Zarówno wnetrze rury wewnetrznej, jak i pierscieniowego ksztaltu prze¬ strzen miedzy ta rura a rura zewnetrzna jest wy- 65 pelniona katalizatorem.51250 7 8 Na fig. 1 pokazano tego rodzaju wypelnienie 13 jedynie w przestrzeni pierscieniowej pomiedzy rura wewnetrzna i zewnetrzna.Na górny koniec rury przeciwpradowej 4 na¬ sadzony jest kolpak ochronny 11 z materialu ognioodpornego i zabezpieczony kolkiem 12, za¬ mocowanym do rury 4 i wprowadzonym w od¬ powiedni otwór kolpaka 11.Ten kolpak ochronny chroni rure przeciwpra- dowa 4 zarówno przed zbyt silnym promienio¬ waniem cieplnym, jak równiez przed opryska¬ niem kropelkami paliwa wzglednie osadzaniem sie popiolu.Konstrukcja pieca wedlug fig. 2 i 3 odpowiada w zasadzie konstrukcji wedlug fig 1, jedynie umieszczona jest w nim wieksza liczba rur prze- ciwpradowych 4 rozmieszczonych mniej wiecej równomiernie na calym przekroju poprzecznym tego pieca. Powyzej wolnych konców tych poje¬ dynczych rur przeciwpradowych znajduje sie ko¬ mora plomieniowa 14 ogrzewana cyklonowo przez wchodzacy z boku stycznie palnik 5. Scianka dzielaca 7 wmontowana w poblizu dolnych kon¬ ców rur przeciwpradowych pomiedzy wlasciwa komora grzejna i obu króccami wylotowymi ga¬ zów spalinowych 6, jest tak samo jak w piecu wedlug fig. 1 zaopatrzona w otwory o takiej wielkosci, ze pomiedzy kazda poszczególna rura przeciwpradowa a ta scianka dzialowa istnieje pierscieniowy otwór 8 dla wylotu gazów spali¬ nowych lub gazów grzejnych. Dzieki cyklono¬ wemu ogrzewaniu górnej komory ogniowej 14 jest ona nagrzewana bardzo równomiernie, a ga¬ zy grzejne oplywaja poszczególne rury przeciw- pradowe na ich calej dlugosci w sposób równo¬ mierny, na co juz powyzej zwrócono uwage.Przy stosowaniu dlugich rur przeciwpradowych celowe jest umieszczenie poprzecznego rusztu w poblizu ich górnego konca, w którym sa umiesz¬ czone umocowania dopasowane do srednicy i roz¬ mieszczenia rur przeciwpradowych. W umocowa¬ nia te wsuwa sie rury od dolu. Ruszt taki za¬ pobiega bocznym skrzywieniom rur.Na fig. 2 uwidoczniono, ze przez pokrywe pie¬ ca 3 nie przeprowadzono zadnych przewodów, tak ze moze byc ona wykonana szczelnie w szczególnie prosty sposób dzieki temu mozna w znacznym stopniu uniknac strat kominowych wystepujacych przy nieszczelnosciach. Oczywi¬ scie mozna w srodku pokrywy pieca wmontowac korek zabezpieczajacy przed eksplozja, który w przypadku wybuchu jest wyrzucany w góre, przez co ogranicza sie rtarazenie na niebezpieczenstwo personelu obslugujacego. W przypadku znanych dotychczas typów pieców umieszczenie w tym miejscu, to jest na pokrywie pieca, korka zabez¬ pieczajacego bylo niemozliwie z powodu umoco¬ wanych tam rur i palnika.Dzieki zainstalowaniu palnika z boku stycznie do scian pieca jest on równiez znacznie lepiej dostepny niz przy ukladzie pionowym, w którym palnik jest wprowadzony od góry przez pokrywe pieca. W konstrukcji wedlug wynalazku palnik moze byc w razie potrzeby znacznie latwiej na¬ prawiony lub wymieniony. Równiez polaczenia po¬ szczególnych rur przeciwpradowych sa znacznie lepiej dostepne niz w przypadku dotychczas zna¬ nych pieców, umieszczone sa prócz tego ponizej pieca i sa dobrze chronione przed dzialaniem 5 wplywów atmosferycznych. Piece wedlug wynalaz¬ ku nadaja sie z tego wzgledu szczególnie dobrze do instalowania na wolnym powietrzu. Dzieki bra¬ ku jakichkolwiek przeprowadzen przewodów przez pokrywe pieca jest ona w znacznie prostszy spo¬ sób odpowiednio mocno wykonana, a jej wymiary sa mniejsze, poniewaz nie dzwiga ona zadnych do¬ datkowych elementów, jak rury lub palnik.Oczywiscie zasady konstrukcyjne wedlug wy¬ nalazku, to znaczy ustawienie rur przeciwprado¬ wych w pozycji stojacej moga byc stosowane rów¬ niez przy innych ksztaltach pieców niz to podano na rysunku, na przyklad w przypadku pieców ko¬ morowych o szesciennych, lub podobnych komo¬ rach grzejnych. PL