SE511440C2 - Värmeväxlare med rör hängande ned i en dubbelväggig, kyld och bälgförsedd tubplatta, samt tubplatta för rörvärmeväxlare - Google Patents

Description

15 20 [U UI 30 511 440 2 Figur 1A åskådliggör en konventionell anläggning för framställning av kirnrök (alltså av typen ugnssvart). Inkommande förbränningsluft strömmar genom en rörledning l in i den övre delen av en rörvärmeväxlare 2, i vilken den förvärms inför den därpå följ ande förbränningen av olja i brännaren 9 och förbränningsreaktom 3. Den således förvärmda luften leds in i förbränningskamrnaren 10 via en ledning 5. Olja tillförs till nämnda reaktor genom en rörledning 4. Mängden luft motsvarar ungefär 50% av den stökiometriska mängden syrgas för fullständig förbränning av oljan, varvid kírnrök bildas. Eventuellt tillsätts även vatten i reaktorn 3, vilket har inverkan på slutproduktens kvalité. Blandningen av suspenderad kimrök i förbrukad förbränningsluft avleds från värmeväxlarens topp via en ledning 6, genom en vanligen vattenkyld kylare 7 till en filteranläggning 8, vanligen utrustad med textila spärrfilter. I denna filteranläggning filtreras kirnröken bort från gasflödet, vilket sedan leds ut via en backventil 16 för vidare rening i en anläggning 11, innan det släpps ut i fria luften genom en skorsten 12.

Den konventionella värmeväxlarens konstruktion framgår närmare ur figur lB. Värmeväxlaren är av rörtyp och omfattar ett flertal genomgående, väsentligen lodräta rör 13. Inuti dessa stiger de heta gasema från förbränningen, varvid de kyls av luften som kommer in via inloppet l och passerar utanför rören 13 nedåt mot utloppet 5, inneslutna av manteln 14. I syfte att öka värmeöverföringen, förlänas den genom inloppet 1 inkommande luften en fram- och återgâende rörelse genom att anordna ett flertal i huvudsak vågräta bafflar 15. Dessa utgörs av plåtar som sträcker sig uppemot ungefär 3A av värmeväxlarrummets diameter, varvid varje baffelplåt är försedd med ett flertal hål för upptagandet av rören 13. Temperaturen vid värmeväxlarrörens 13 inlopp kan vara ungefär l000°C och luften som strömmar in genom inloppet l kan förvärmas till ungefär 800°C. Dessa förhållanden innebär ytterst svåra påfrestningar på materialen i värmeväxlaren. Den del av värmeväxlaren som är utsatt för de högsta mekaniska belastningarna är den nedre delen av manteln samt tubplattan, där metalltemperaturen kan uppgå till ungefär 900°C. Sålunda, vid ett inre tryck av cza 1 bar vid nämnda temperatur, en manteldiameter på omkring 2000 mm, ett antal rör på mellan 50 och ungefär 150, samt en tomhöjd på ungefär 13 m, inses lätt att tubplattan måste utstå utomordentligt stora påfrestningar, i synnerhet med hänsyn till att rören 13 vilar med hela sin tyngd på tubplattan. Dessutom utsätts även den nedre delen av själva rören 13 för kraftig 10 15 20 25 30 511 440 3 belastning genom deras egentyngd i kombination med den höga värmen. Rören 13 har i toppen individuella kompensatorer 24 vars funktion är att avlasta termiskt inducerade spänningar i rören, exempelvis till följd av igensättningar. Motsvarande problem för själva mantelväggen 14 har lösts genom vår tidigare svenska patentansökan 9504344-4, vars innehåll härmed inkorporeras genom denna referens. Enligt närrmda patentansökan innefattar värmeväxlaren ytterligare en mantelvägg, vilken är väsentligen cylindrisk och placerad innanför och i huvudsak koncentriskt med den yttre mantelväggen så att ett i båda ändama öppet, huvudsakligen cylinderforrnat spaltutrymme bildas mellan de två mantelväggama, varvid den genom inloppet inströmmande gasen passerar detta spaltutryrnme innan den kommer i kontakt med värmeväxlarrören. Det har understundom inträffat att tubplattan givit vika för den stora belastningen, med mycket höga reparationskostnader som följ d.

Försök har gjorts att kyla den nedre tubplattan medelst dubbla bottenkonstruktioner i enlighet med Figur 2. Enligt denna konstruktion avleds en del av den genom inloppet l inkommande luften in i ett ståndarrör 17 och ned i den dubbla tubplattan 18, vilken omfattar en övre värmeisolerad vägg 19 och en undre värmeisolerad vägg 20, så att ett håhum 21 bildas mellan dessa. Luften från ståndarröret 17 strömmar in i hål- eller plattrummet 21 och kyler därigenom tubplattan, varefter luften strömmar ut genom utloppsrören 22 och återförs till värmeväxlaren. Denna konstruktion har dock inte visat sig tillräckligt effektiv eftersom den inte kyler tubplattan tillräckligt.

Därför har enligt den svenska patentansökan 9603739-5 föreslagits att rummet 21 uppdelas i ett flertal kanaler medelst skiljeväggar, varvid varje kanal är försedd med ett inlopp och ett utlopp och varje kanal genomlöps av ett flertal värmeväxlarrör. Detta har på ett tillfredsställande sätt löst problemet med en överhettad balkplatta, men sj älva värmeväxlarrörens 13 nedre delar är fortfarande mycket heta och kan exempelvis krökas eller bucklas. Det må betänkas att ett 13 m långt värmeväxlarrör kan väga ungefär 100 kg. Eftersom rören står med hela sin tyngd på balkplattan, belastas i synnerhet balkplattan och rörens nedre, mycket heta delar. När en buckling väl initierats, ökar spänningarna på tubema till följd av inducerat böjmoment där buckling skett och deforrnationsförloppet kan accelerera. 10 l5 20 511 440 4 Ett första syfte med föreliggande uppfinning är således att framtaga en rörvärmeväxlare, i vilken rörens nedre delar förskonas från större belastningar.

Ett andra syfte med föreliggande uppfmning är att även förskona den nedre tubplattan för större belastningar.

Dessa och ytterligare syften har på ett överraskande enkelt sätt lyckats uppnås genom att konsturera värmeväxlaren i enlighet med patentkravets 1 kännetecknaride del.

I åskådliggörande men icke begränsande syfte kommer uppñnningen nu att närmare beskrivas under hänvisning till de bifogade ritningar-na. Dessa presenteras kort härmed: Figur 1A visar schematiskt en konventionell anläggning för tillverkning av kirrirök, såsom redan beskrivts ovan.

Figur IB visar en värmeväxlare enligt teknikens ståndpunkt, såsom redan beskrivits ovan.

Figur 2 visar också en värmeväxlare enligt teknikens ståndpunkt, såsom redan beskrivits ovan.

Figur 3 visar ett värrneväxlarrör genom en tubplatta enligt uppfinningen, i ett första tillstånd.

Figur 4 visar sarnrna snitt som figur 3 men i ett andra tillstånd.

Figur 3 visar hurusom den nedre delen av ett värmeväxlarrör 13 löper genom en dubbelväggig tub- eller balkplatta i värmeväxlarens nedre del. I enlighet med de tidigare inlämnade svenska patentansökningama 9504344-4 och 9603739-5 är värmeväxlarrören 13 fastsvetsade nedtill i tubplattan, varvid rörens övre ändpartier löper i manschetter eller kompensatorer i värmeväxlarens övre del, för att medge värmeutvidgningar resp kontraktioner. I enlighet med föreliggande uppfinning har denna kända konstruktion förändrats i det att rören 13 nu hänger i sitt övre parti i stället för att stå på sitt nedre parti. Upphängningen i rörens övre delar sker genom enkel svetsning i hål i en vågrät platta upptill i värmeväxlaren (ej visat), exempelvis vid avsatsen 23 i fig lB och/eller fig 2. Kompensatorerna 24 i nämnda figurer är ersatta av enkla svetsfogar, varigenom rören 13 hänger ned i tubplattan 18, varvid förbandet mellan varje rör 13 och tubplattan är så utformat att det tillåter värmerörelser i röret. 10 15 20 25 30 511 440 s I figur 3 förefinnes tubplattans övre vägg 19 och undre vägg 20. Den övre väggen 19 består av en keramisk isolering 25 och en plåt eller stålvägg 26. Den undre väggen kan bestå av en eldfast keramisk massa 27, en isolerande keramisk massa 28 och en stålvägg 29. Den eldfasta keramiska massan 27 kan behövas för att isolera tubplattan för värmestrålningen från den underliggande förbränningskamrnaren 10.

Tubplattans hålrum 21 kan vara uppdelat i ett flertal kanaler via liv 30 i enlighet med den svenska patentansökan 9603 739-5. Detta är dock i sig inget väsentligt kärmetecken för föreliggande uppfinning, eftersom denna uppfinning avlastar tubplattan.

I rörets 13 nedre parti är anordnat ett skyddsrör eller en s.k. ferrul 30 för inströrrming av mycket heta gaser. F errulen har till funktion att förhindra att den aggressiva gasen kommer i kontakt med röret 13 samt att genom isolering begränsa värmeupptagning i tubplattan. Mellan denna ferrul 30 och röret 13 finns en mellanisolering 31, företrädesvis av keramisk filt. För att bereda plats för denna isolering 31, har ferrulen 30 sig vidgande mynningar i båda ändarna. Längs ferrulens övre kant kan vara fastsvetsad en passring 42, dels för måttpassning av ferrulen i röret, dels för fasthållning av isoleringen 31. För att underlätta fastsvetsningen av ferrulen 30 i röret 13, kan en svetsring 43 anordnas direkt intill rörets 13 ändyta. Vidare är anordnad en skyddshylsa 32 utanpå röret 13, varvid ytterligare en isolering 33 av företrädesvis kerarnisk filt är anordnad mellan nämnda skyddshylsa 32 och röret 13. Nedtill är skyddshylsan 32 fastsvetsad på röret 13, medan den upptill helt enkelt bara anligger mot röret 13, varigenom isoleringen 33 innesluts.

Upptill är ett koniskt parti 34 fastvetsat på skyddshylsans 32 utsida, vilket parti 34 sedan avslutas i ett cylindriskt parti 35 med större diameter än skyddshylsan 32. Radiellt utanför skyddshylsan 32 och huvudsakligen koncentriskt med denna föreligger en ytterhylsa 37.

Denna ytterhylsa är upptill fixerad i den övre tubplatteväggen 26 och ett stycke ovanför sin nedre kant insvetsad i den nedre tubplatteväggen 29. Mot ytterhylsans 37 nedre kant är fastsatt en ändkappa 38. Denna ändkappa kan ha ett antal utskjutande flikar 41, exempelvis tre till antalet, vilka vikes upp över ytterhylsans nederkant och fastsvetsas på ytterhylsans utsida, medan ändkappan 38 i övrigt endast anligger mot ytterhylsans nederkant I anslutning till ytterhylsans nedre del samt på dennas insida är dessutom fastsvetsad en fästring 36 med i huvudsak L-formigt tvärsnitt. Det ringfonniga utrymme som begränsas av fastringen 36, skyddshylsan 32, ytterhylsan 37 och ändkappan 38 10 15 20 25 511 440 6 uppfylls av en eller två tämingsringar 39a, 39b. Dessa tätningsringar kan utgöras av keramisk filt, keramiska rep, el. dyl.

I det cylindriska utrymmet mellan skyddshylsan 32 och ytterhylsan 37 är anordnad en metallisk kompensatorbälg 40, vilken upptill är gastätt fastsvetsad i övergången mellan skyddshylsans koniska del 34 och övre cylindriska änddel 35. Nedtill är bälgen gastätt fastsvetsad i fastringen 36. Genom att denna bälg 40 kan skjutas ihop och dras ut, tillåts att röret 13 expanderar och kontraherar på grund av temperaturvariationer. Vid det i figur 3 visade läget, då skyddshylsan 32 med sin cylindriska änddel 35 anligger mot den övre tubväggen 26, uppvisar röret 13 en relativt sett lägre temperatur. Vid det i figur 4 visade läget, då skyddshylsan 32 med sin cylindriska änddel 35 fiärmat sig från övre balkvâggen 26, har röret 13 en relativt sett högre temperatur, jämfört med figur 3.

Genom att värmeväxlarrören sålunda hänger ned i balkplattan elimineras risken för att rören ska krökas eller bucklas p g a belastningen av rörets egen tyngd.

Genom den i fig 3 och 4 beskrivna bälgkonstruktionen kan röret dessutom expandera och dra ihop sig fritt vid olika temperaturvariationer. Med hänsyn till att rören ofta är 13-15 m långa inses det lätt, att dessa utvidgningar och kontraktioner är betydande, exempelvis upp till 5 cm.

Vidare har ännu en fördel uppnåtts genom föreliggande uppfinning. I hittills kända värmeväxlare med rör stående på tubplattan, har rören behövts utföras tjockväggigare i sin nedre del, för att förbättra motståndskraften mot utböj ningar och bucklingar. Således har exempelvis ett 13 m långt rör tillverkats med 3 mm tjocka väggar i de övre 9 m och de nedre 4 m med 5 mm tjocka väggar. Genom föreliggande uppfinning kan den nedre tjockväggigheten undvaras, varför hela rörets längd nu kan tillverkas med exempelvis 3 mm tjocka väggar. Även det bilagda sammandraget utgör en del av föreliggande beskrivning.

Claims (5)

10 20 25 511 440 Patentkrav

1. l. Rörvärmeväxlare avsedd att användas vid tillverkning av kirnrök, innefattande ett väsentligen cylindriskt slutet rum, som innesluter en mångfald värmeväxlarrör (13), vilka sträcker sig genom hela det väsentligen cylinderforrnade rummet, mellan en övre änd- eller tubvägg och en undre tubplatta (18), varvid rören är fastsatta i den övre ändväggen, företrädesvis genom svetsning, k ä n n e t e c k n a d därav, att rören är så anordnade att de hänger ned i tubplattan som är dubbelväggig och innesluter ett hålrum (21) för genomströrnning av ett kylmedium, varjärnte tubplattan är utrustad med en kompensator i form av en metallisk bälg (40) för att medge värmebetingade utvidgningar respektive kontraktioner av rören (13).

2. Rörvärmeväxlare enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a d därav, att en skyddshylsa (32) omsluter varje rörs (13) nedre del och att en ytterhylsa (37) befinner sig utanför nämnda skyddshylsa (32), varvid bälgen (40) befinner sig i utrymmet mellan nämnda hylsor (32, 37).

3. Rörvärmeväxlare enligt något av föregående krav, k ä n n e t e c k n a d därav, att nämnda bälg (40) är anordnad att hindra gasflöde genom utrymmet mellan nämnda hylsor (32, 37).

4. Tubplatta (18) för rörvärmeväxlare för användning vid tillverkning av kirnrök, innefattande en övre tubplattevägg (26), en undre tubplattevägg (29) sarnt ett mellan dessa väggar bildat hålrum (21), genom vilken tubplatta värmeväxlarrören (13) löper, k ä n n e t e c k n a d därav, att runt varje rör är anordnad en kompensator i fonn av en metallisk bälg (40) för att medge värmebetingade utvidgningar respektive kontraktioner av rören (13).

5. Tubplatta enligt krav 4, k ä n n e t e c k n a d därav, att en skyddshylsa (32) omsluter varje rörs (13) nedre del, och att en ytterhylsa (37) befinner sig utanför nämnda 511 440 s skyddshylsa (32), varvid bälgen (40) befinner sig i utrymmet mellan nämnda hylsor (32, 37).