SE519051C2 - Anordning vid röranslutning för värmeväxlare - Google Patents

Description

.;»|; 10 15 20 25 30 519 051 f; _;";a::;_-:j=::: »oav- n | ø n ø o u I o a c ø n - o o: En röranslutning mellan två delar av en värmeväxlare eller mellan en värmekälla och värmeväxlaren, exempelvis mellan en gasturbin vars förbränningsgaser skall kylas, måste därför kunna ta upp krafter som uppstår därför att värmeväxlarpaketet och röranslutningen med stor sannolikhet har olika utvidgningskoefficienter. Av detta skäl är svetsade eller Iödda skarvar i rörsystem utan förmåga att ta upp termiska rörelser direkt olämpliga, eftersom upprepade termiska belastningar snabbt skulle ge upphov till sprickor och läckage. Motsvarande problem uppstår även vid användning av mekaniska förband, som t.ex. bultförband.

En känd lösning framgår ur Figur 2, som visar en inloppsstos 2 för att leda ett värmeavgivande medium 6 till värmeväxlaren. Enligt detta exempel leds förbränningsgaser med en temperatur på ca. 650 °C och ett tryck på ca. 1,1 bar från en gasturbin genom inloppsstosen 2 in i värmeväxlaren. l värmeväxlaren värms ett värmeupptagande medium 7, exv. luft, av avgaserna, varefter luften lämnar värmeväxlaren genom utloppsstosen 3 med en temperatur på ca. 610 °C och ett tryck på 4 bar. lnloppsstosens nedre ände A är monterad med presspassning i en motsvarande urtagning i en fläns på värmeväxlaren. Den nedre änden A kan förses med ett antal radiella spår C utmed sin periferi, i syfte att öka kontakttrycket mellan denna och urtaget B. Spåren C kan även förses med tätningar i någon form.

Termiska belastningar orsakade av t.ex. längdutvidgning hos inloppsstosen måste kunna tas upp av anslutningen, varför de ingående delarna är rörliga relativt varandra.

Förutom att den ovan beskrivna konstruktionen är känslig för snedbelastning både vid och efter montering, kan ett visst läckageflöde L; uppstå mellan' utlopp och inlopp, dels på grund av tryckskillnaden och dels på grund av dålig passning och inbördes rörelse mellan de ingående delarna. Ett sådant läckage sänker värmeväxlarens verkningsgrad. »asap ||,»f 10 15 20 25 30 u o v . c no nu oxo Ett problem är därför att åstadkomma en röranslutning som kan deformeras för att ta upp termiska belastningar utan att skador uppstår. Beroende på hur röranslutningen placeras och monteras kan den behöva ta upp rörelser i både axiell och radiell led med avseende på röranslutningens huvudaxel.

Ett annat problem är att passa in en sådan röranslutning mellan två bestämda punkter, där det ibland kan förekomma variationer i passning och toleranser mellan de olika delar som ingår i värmeväxlaren. Även i detta fall är en röranslutning som är deformerbar i flera riktningar ett önskemål.

REDOGÖRELSE FÖR UPPFINNINGEN Ändamålet med föreliggande uppfinning är att undanröja de problem som angivits vid tidigare känd teknik och därmed tillse de angivna önskemålen på ett förbättrat rörsystem för en värmeväxlare, samt en enklare och billigare utföringsform för detta ändamål.

Ovan angivna ändamål uppnås genom ett rörsystem för värmeväxlare av i inledning nämnt slag, vars särdrag framgår av det efterföljande patentkravet 1 där en röranslutning vid värmeväxlare innefattar ett flertal korrugerade plattor.

Var och en med ett första kantparti motstående ett andra kantparti, ett tredje kantparti motstående ett fjärde kantparti, mellan vilka korrugerade plattor finns anordnade första och andra strömningskanaler, av vilka strömningskanaler varannan är inrättad att genomströmmas av ett värmeavgivande medium och varannan är inrättad att genomströmmas av ett värmeupptagande medium. En ingående samlingskanal med en divergerande tvärsektion för nämnda värmeavgivande medium är placerad vid en sida av värmeväxlaren och har en inloppsdel ansluten till en kombinerad inlopps- och utloppsstos för nämnda värmeavgivande och -' upptagande medium. Dessutom är en utgående samlingskanal för nämnda värmeupptagande medium anordnad utmed samma sida av värmeväxlaren och har en utloppsdel ansluten till nämnda inlopps- och utloppsstos. lnloppsstosen innefattar en deformerbar först rörsektion, avsedd att ta upp »niin »tili 10 15 20 25 30 519 051 f; , . . . . Q u Q o u ø a n u n o oo termiska och mekaniska rörelser i bàde axialled och radialled, samt åtminstone en ytterligare andra rörsektion. Den deformerbara sektionen är företrädesvis, men inte nödvändigtvis, elastiskt deformerbar. Enligt en utföringsform kan värmeväxlaren samverka med en gasturbin, vars förbränningsgaser utgör det värmeavgivande mediet.

Enligt en första utföringsform utgörs inloppsstosens deformerbara första rörsektion av ett huvudsakligen cylindriskt rör, vars väggar har ett korrugerat tvärsnitt i rörets längdriktning. En sådan utformning medför som regel vissa strömningsförluster. För att inte begränsa eller störa flödet genom röranslutningen kan den korrugerade sektionens medeldiameter, d.v.s. medelvärdet av korrugeringarnas inre och yttre diameter, vara större än den anslutande andra rörsektionens innerdiameter. Företrädesvis har den deformerbara första rörsektionen har en innerdiameter, motsvarande den korrugerade sektionens minsta diameter, som är lika med den andra sektionens innerdiameter. Den korrugerade sektionens tvärsnitt kan varieras beroende pà storlek och riktning hos de termiska rörelser den är avsedd att ta upp. Ett exempel på ett lämpligt utformning är ett sinusformat tvärsnitt, varvid bàde amplitud och våglängd kan varieras för att ge önskade egenskaper vad gäller deformerbarhet i axiell och radiell led. Företrädesvis är den första rörsektionen elastiskt deformerbar.

Enligt en altemativ utföringsform, där den inlopps- och utloppsstosen är koncentriskt anordnade är det även möjligt att fördela strömningsförlusterna mellan in- och utlopp. l ett sådant fall kan den korrugerade sektionens medeldiameter, d.v.s. medelvärdet av korrugeringarnas inre och yttre diameter, vara lika med den anslutande andra rörsektionens innerdiameter.

En ovan nämnd korrugerad sektion framställs exempelvis medelst valsning, för metalliska material, injektionssprutning, för plastmaterial eller lindning, för kompositer. Den deformerbara första sektionens motståndskraft mot deformation bestäms, förutom av materialet, av korrugeringarnas inbördes avis» ,t,., 10 15 20 25 30 519 Û51 2"; ïïï' ° nu o . . n - o c o ø Q . | o o o I 00 avstànd i axiell led och amplitud i radiell led, samt av materialtjockleken.

Dessa variabler väljs med avseende på rörens önskade diameter, maximal v deformation orsakad av termiska belastningar, samt vilka tryck och temperaturer rören är avsedda att klara. Den korrugerade sektionen kommer härvid att huvudsakligen deformeras i axiell led vid temperaturväxlingar vid uppstart och drift av anläggningen, medan radiell deformation huvudsakligen förekommer i samband med montering och inpassning av röranslutningen.

Genom att göra den korrugerade sektionen elastiskt deformerbar, kommer den att ta upp rörelser pà samma sätt som en fjäder. Sektionen tar därmed upp rörelser hos rören utan att överföra krafter i någon större utsträckning.

För medge de ovan nämnda deformationerna bör godstjockleken hos den deformerbara första sektionen vara lika med eller mindre än tjockleken hos de övriga rörsektionerna. Med en godstjocklek pà 1 mm för rörsektionerna kan den korrugerade sektionen ha en godstjocklek pá 0,3-0,6 mm. Vilka tjocklekar och vilket tjockleksförhàllande som väljs är givetvis beroende på hur stora de termiska rörelserna är, rörens dimensioner, trycket hos de strömmande medierna och liknande faktorer.

Enligt en ytterligare utföringsform har inloppsstosens andra rörsektion en cylindrisk grundform. Den deformerbara sektionen kan vara fäst vid den cylindriska rörsektionen uppströms eller nedströms denna i flödesriktningen. I det fallet då den deformerbara sektionen är placerad nedströms den cylindriska rörsektionen, är den fäst direkt vid värmeväxlarens ingående samlingskanal, företrädesvis medelst svetsning. innefattar rörsektionen en ytterligare, tredje cylindrisk rörsektion, kan den deformerbara sektionen vara fäst mellan den andra och den tredje cylindriska rörsektionen.

Enligt en ytterligare utföringsform har den andra rörsektionen en konisk grundform. Den deformerbara sektionen kan vara fäst vid den koniska rörsektionen uppströms eller nedströms denna. I det fallet då den deformerbara sektionen är placerad nedströms den koniska rörsektionen, är den fäst direkt vid värmeväxlarens ingående samlingskanal, företrädesvis innan lo;x» 10 15 20 25 30 519 G51 - n o ~0 ~ | Q ~ o u u | | ; | u n n e u: medelst svetsning. Den koniska rörsektionen divergerar i flödesriktningen, varvid inlopps- respektive utlopps diameter väljs med avseende pà exempelvis det strömmande mediets flöde, tryck. utloppshastighet eller någon annan önskad parameter.

Den kombinerad inlopps- och utloppsstosen utgörs enligt en ytterligare utföringsform av två koncentriska rör. Härvid kan den yttre utloppsstosen antingen ha ett cylindriskt eller koniskt tvärsnitt. Dessa båda utföringsformer av den yttre utloppsstosen kan härvid kombineras med någon av de utföringsformer av den inre rörsektionen som beskrivits ovan. l dessa fall kan den korrugerade sektionens medeldiameter, som beskrivits ovan, företrädesvis vara lika med de anslutande rörsektionernas diameter.

Materialet i rörsystemet väljs lämpligen med avseende på värmeväxlarens användningsområde, d.v.s. typ av värmeupptagande/-avgivande medium och vilka temperaturer och tryck rörsystemet kommer att utsättas för. Höga temperaturer och tryck kräver företrädesvis metalliska material, som stål eller aluminium i lämplig tjocklek och kvalitet, medan lägre temperaturer och tryck kan medge användning av plaströr. Korrosiva medier kan kräva speciellt motstàndskraftiga material. Sammanfogning av metalliska rör görs företrädesvis medelst svetsning eller lödning, medan plastmaterial och kompositer kan svetsas, smältas eller limmas samman. Mekaniska kopplingar, som exempelvis gängade förband, är också möjliga, men ger samtidigt en mer skrymmande, komplicerad och därmed dyrare lösning.

FlGURBESKRlVNlNG Uppfinningen kommer i det följande att beskrivas i anslutning till föredragna utföringsexempel samt de bifogade schematiska figurerna, där Figur1 visar schematiskt en rekuperator med en kombinerad inlopps- och utloppsstos enligt uppfinningen, Figur 2 visar en förut känd röranslutning, alla: :ilsa 10 15 20 25 30 a; u u o o - a o no nu :oss I l a av mo: | n u o .nu an: . n .,. .n n n n aa I In 0 :- s nan a u n o n o « ' r Q n n 1 u ø 0 II 7 Figur 3 visar en alternativ utföringsform av uppfinningen, Figur 4 visar en ytterligare altemativ utföringsform av uppfinningen.

FÖREDRAGNA UTFÖRINGSFORMER Figur 1 visar schematiskt en rekuperator innefattande ett värmeväxlarpaket 1 med en kombinerad inlopps- och utioppsstos 2, 3, samt en utgående, första samlingskanal 4 med en rörkoppling 5 mellan samlingskanalen och utloppsstosen 3. Den kombinerade inlopps- och utloppsstosen 2, 3 består av två koncentriska rör vilka bildar kanaler för värmetransporterande medier.

Den inre inloppsstosen 2 är ansluten till en källa för värmeavgivande medium, i detta fall förbränningsgas från en gasturbin (ej visad). Massflödet av värmeavgivande medium 6 strömmar genom värmeväxlaren där det avger stora delar av sin värmeenergi till ett värmeupptagande medium, vilket i detta fall utgörs av luft. Det värmeupptagande mediet samlas i den utgående, första samlingskanalen 4, varvid flödet 7 leds ut genom en rörkoppling 5 till utloppsstosen 3 för att nå gasturbinen. Enligt denna utföringsform består den kombinerade inlopps- och utloppsstosen 2, 3 av två koncentriska, delvis koniska kanaler. Den inre rörsektionen, eller inloppsstosen 2, är fastsvetsad vid en ingående, andra samlingskanal 8, i form av en divergerande sektion eller fläns, som i sin tur är infäst vid en övre kåpa 9 på värmeväxlaren 1.

Kåpan 9 leder det värmeavgivande mediet i riktning mot värmeväxlarens strömningskanaler (ej visade). En deformerbar rörsektion 10 är infäst vid inloppet till den inre rörsektionen 2 och kommer att beskrivas i detalj i anslutning till Figur 4 nedan. Den yttre rörsektionen 3 är infäst vid flånsen 8, vid sin mot värmeväxlaren vända inloppsände, samt vid en ej visad inkapsling kring gasturbinen, vid sin motsatta ände.

Figur 3 visar en altemativ utföringsform av en röranslutning. Enligt denna utföringsform består den kombinerade inlopps- och utloppsstosen av ett par koncentriska, cylindriska inre och yttre rörsektioner 2, 3. inloppsstosen 2 S19 051 ' @ u u q o n; innefattar en deformerbar, huvudsakligen cylindrisk, första rörsektion 10, infäst mellan en cylindrisk andra rörsektion 2a och en cylindrisk tredje rörsektion 2b. Den cylindriska andra rörsektionen 2a är försedd med en fläns 11 för anslutning till en värmekälla, i detta fall en gasturbin (ej visad), medan 5 den cylindriska tredje rörsektionen 2b är fastsvetsad vid flänsen 8.

Den deformerbara första rörsektionen har en innerdiameter D1, motsvarande den korrugerade sektionens 10 minsta diameter, som är lika med den andra sektionens innerdiameter Dg. I detta fall är således den korrugerade 10 sektionens medeldiameter Dm större än rörsektionernas innerdiameter. Pâ var sida om den korrugerade sektionen är den första rörsektionen 10 försedd med flänsar 10a, 10b, vilka anligger mot och är fastsvetsade vid den andra respektive tredje rörsektionens 2a, 2b yttre periferi. När anläggningen startas stiger temperaturen i röranslutningen fràn en relativt låg temperatur, t.ex. 20 15 °C, till en driftstemperatur pà över 600 °C. Den inre rörsektionens axiella rörelse i samband med värmeutvidgningen av materialet, i den màn dess längdförändring skiljer sig från den yttre rörsektionens, tas upp av den deformerbara rörsektionen 10. 20 Som framgår ur Figur 3 har den yttre utloppsstosen 3 en cylindrisk grundform utmed sin yttre periferi. Utmed sin inre periferi är den dock lätt konisk, då dess insida är belagd med ett isolerande material 12 med gradvis ökande tjocklek. Avsikten med detta är att minska värmeförluster hos det medium som strömmar i riktning mot gasturbinen. Den koniska formen ger även vissa 25 strömningstekniska fördelar, vilka inte kommer att beskrivas närmare.

Utföringsformen enligt Figur 3 visar en deformerbar sektion 10 med en cylindrisk sektion 2, 2b pà var sida. Det är dock även möjligt att eliminera en av dessa cylindriska sektioner, varvid den deformerbara sektionen placeras aulan 30 vid endera änden av en cylindrisk rörsektion. innan 10 15 20 25 30 519 051 Figur 4 visar en ytterligare alternativ utföringsform av en röranslutning. Enligt denna utföringsform består den kombinerade inlopps- och utloppsstosen av ett par koncentriska, koniska inre och yttre rörsektioner 2, 3. Den inre rörsektionen 2 innefattar en deformerbar, huvudsakligen cylindrisk, första rörsektion 10, infäst vid en cylindrisk andra rörsektion 2. Den cylindriska första rörsektionen 10 är försedd med en fläns 11 för anslutning till en värmekälla, i detta fall en gasturbin (ej visad), medan den koniska andra rörsektionen är infäst vid flänsen 8 Den deformerbara första rörsektionen har en innerdiameter Di, motsvarande den korrugerade sektionens minsta diameter, som är lika med den anslutande andra sektionens innerdiameter D2. På var sida om den korrugerade sektionen år den första rörsektionen 10 försedd med flänsar 10a, 10b, vilka anligger mot och är fastsvetsade vid den andra rörsektionens 2 respektive flänsens 11 yttre periferi. Som framgår ur Figur 4, är insidan av den yttre rörsektionen belagd med ett isolerande material 12 med gradvis ökande tjocklek, av samma skäl som angivits ovan (jfr. Figur 3). I detta fall har både den yttre och den inre periferin hos den yttre rörsektionen konisk form. Som för inloppsstosen, väljs diametern hos den yttre sektionens inlopp respektive utlopp med avseende på flöde, tryck, utloppshastighet eller någon annan önskad parameter hos det strömmande mediet.

Enligt en ytterligare alternativ utföringsform är det även möjligt att placera den deformerbara första rörsektionen 10 mellan den koniska andra rörsektionen 2 och flänsen 8. Visserligen blir rörsektionens 10 diameter D1 större, men en placering under nivån för inloppet från rörkopplingen 5 medför att korrugeringarna ger mindre störningar av flödet genom utloppsstosen 3.

Det är även teoretiskt möjligt att placera den deformerbara rörsektionen 10 mellan två koniska rörsektioner 2, på motsvarande sätt som i Figur 3. På grund av tryckskillnaderna mellan de olika kanalerna, samt krafter orsakade av de termiska rörelserna, skulle den deformerbara sektionen utsättas för 519 051 10 stora spänningar, varför någon av de ovan beskrivna utföringsformerna är att föredra.

Claims (16)

10 15 20 25 30 519 051 Il nu o . | ~ en PATENTKRAV

1. Röranslutning vid värmeväxlare (1), där nämnda värmeväxlare innefattar ett flertal korrugerade plattor, var och en med ett första kantparti motstàende ett andra kantparti, ett tredje kantparti motstàende ett fjärde kantparti, mellan första strömningskanaler, av vilka strömningskanaler varannan är inrättad att vilka korrugerade plattor finns anordnade och andra genomströmmas av ett värmeavgivande medium (6) och varannan är inrättad att genomströmmas av ett värmeupptagande medium (7), varvid en ingående samlingskanal (8) med en divergerande tvärsektion för nämnda värmeavgivande medium (6) är placerad vid en sida av värmeväxlaren och är ansluten till en inloppsdel av en kombinerad inlopps- och utloppsstos (2, 3) för nämnda värmeavgivande och -upptagande medium (6, 7),samt en utgående samlingskanal (4) för nämnda värmeupptagande medium (7) löper utmed samma sida av värmeväxlaren (1) och är ansluten till en utloppsdel av nämnda inlopps- och utloppsstos (2, 3), k ä n n e t ec k n a d av att inloppsstosen (2) utmed sin längdaxel innefattar en deformerbar första rörsektion (10), avsedd att ta upp termiska och mekaniska belastningar i inloppsstosens (2) axialled och radialled, samt åtminstone en ytterligare andra rörsektion (2a, 2b).

2. Röranslutning vid värmeväxlare enligt kravet 1, k ä n n e t e c k n a d a v att den deformerbara första rörsektionen (10) utgörs av ett huvudsakligen cylindriskt rör med ett korrugerat tvärsnitt i rörets längdriktning.

3. Röranslutning vid värmeväxlare enligt kravet 2, k ä n n e t e c k n a d a v att den deformerbara första rörsektionen (10) har en innerdiameter (D1), motsvarande den korrugerade sektionens minsta diameter, som är lika med den anslutande andra sektionens (2) innerdiameter (D2). 10 15 20 25 30 519 051 /2 1-3, k ä n n e t e c k n a d a v att den deformerbara första rörsektionen (10) har

4. Röranslutning vid värmeväxlare enligt något av kraven en godstjocklek som är mindre än den andra rörsektionens godstjocklek 1-3, k ä n n e t e c k n a d a v att den andra rörsektionen (2) har en cylindrisk

5. Röranslutning vid värmeväxlare enligt något av kraven grundform.

6. Röranslutning vid värmeväxlare enligt kravet 5, k ä n n e t e c k n a d a v att den deformerbara första sektionen (10) är fäst vid den cylindriska rörsektionen (2) uppströms denna i flödesriktningen (6).

7. Röranslutning vid värmeväxlare enligt kravet 5, k ä n n e t e c k n a d a v att den deformerbara första sektionen (10) är fäst vid den cylindriska rörsektionen (2) nedströms denna i flödesriktningen (6).

8. Röranslutning vid värmeväxlare enligt kravet 5, k ä n n e t e c k n a d a v att den deformerbara första sektionen (10) är fäst mellan den andra cylindriska rörsektionen (2a) och en tredje cylindrisk rörsektion (2b). av kraven 1-3, k ä n n e t e c k n a d a v att den andra rörsektionen (2) har en konisk

9. Röranslutning vid värmeväxlare enligt något grundform.

10. 1 0. Röranslutning vid värmeväxlare enligt kravet 9, k ä n n e t e c k n a d a v att den deformerbara första sektionen (10) är fäst vid den koniska rörsektionen (2) uppströms denna i flödesriktningen (6).

11. 1 1. Röranslutning vid värmeväxlare enligt kravet 9, k ä n n e t e c k n a d a v att den deformerbara första sektionen (10) är fäst vid den koniska rörsektionen (2) nedströms denna i flödesriktningen (6). 10 15 20 519 051 /3 - ~ ~ - oc

12. Röranslutning vid värmeväxlare enligt något av ovanstående krav, k ä n n e t e c k n a d a v att den kombinerad inlopps- och utloppsstosen utgörs av två huvudsakligen koncentriska rör (2, 3). värmeväxlare

13. Röranslutning vid kravet 12, k ä n n e t e c k n a d a v att den deformerbara första rörsektionen (10) har enligt en medeldiameter (Dm) som är lika med den anslutande andra sektionens (2) innerdiameter (Dz). 12 eller 13, kännetecknad av att den yttre utloppsstosen (3) har en konisk

14. Röranslutning vid värmeväxlare enligt kraven grundform.

15. Röranslutning vid värmeväxlare enligt något av ovanstående krav, kännetecknad av att inloppsstosen (2, 2b) är svetsad på den ingående samlingskanalen (8). 1-14, k ä n n e t e c k n a d a v att den deformerbara sektionen (10) är svetsad på

16. Röranslutning vid värmeväxlare enligt något av kraven den ingående samlingskanalen (8).