DE2905614C2 - - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine thermisch isolierte Rohrleitung für Gase von hoher Temperatur, insbesondere als gerade waage­ rechte Verbindungsleitung zwischen einem gasgekühlten Hochtemperaturreaktor und einem Wärmeverbraucher, kann aber in ähnlicher Art auch für nicht waagerechte Leitungen verwendet werden. Das als Wärmeübertragungs­ medium verwendete Helium soll Temperaturen von ca. 1000°C und einen Druck von beispielsweise 40 bar haben und kann Strömungsgeschwindigkeiten von 60 m/sec aufweisen. Rohrleitungen dieser Art bestehen zweck­ mäßigerweise aus einem temperaturbeständigen Innenrohr, das nicht ganz dicht sein muß und einem gasdichten und druckfesten Außenrohr, das aber nicht den hohen Temperaturen des Gases standhalten muß, weil es innen isoliert ist und von außen gekühlt werden kann. Bei Rohrleitungen für diese hohe Temperatur müssen die ein­ zelnen Bauteile sehr unterschiedliche Anforderungen erfüllen und bestehen daher aus sehr unterschiedlichen Materialien. Das Innenrohr muß nicht nur hohe Tem­ peraturen sondern auch die Geschwindigkeit des strö­ menden Mediums vertragen und darf nicht durch Wärme­ spannungen gefährdet werden. Die dafür geeigneten Materialien wie z. B. Keramik oder Graphit lassen sich nur zu Werkstücken von begrenzten Abmessungen ver­ arbeiten, die bei den geplanten Temperaturen nicht gasdicht miteinander verbunden werden können. Daher werden diese Innenrohre aus einzelnen Rohrschüssen von begrenzter Länge zusammen­ gesetzt mit unvermeidbaren radialen Spalten dazwischen. Das Außenrohr soll nicht nur gasdicht sondern auch druckfest sein und muß äußere Kräfte aufnehmen können, die aus dem Gewicht der Rohrleitung und ihrer Ein­ spannung resultieren. Daher werden für das Außenrohr metallische Werkstoffe verwendet, die sich gut ver­ schweißen lassen, aber nur eine begrenzte Temperatur­ beständigkeit aufweisen. Bei den vorgesehenen großen Durchmessern soll das Außenrohr aus Blechen gewalzt und verschweißt werden und hat dementsprechend nur grobe Toleranzen. Die zwischen Außenrohr und Innenrohr angeordnete Isolierung muß einerseits die hohen Temperaturen am Innenrohr vertragen und soll anderer­ seits örtlich eng begrenzte heiße Gassträhnen vom Außenrohr fernhalten. Hier werden elastische Faser­ materialien oder auch gestapelte feste Körper aus keramischen Materialien verwendet. Da die elastischen Materialien für statische Aufgaben nicht geeignet sind und die festen Isolierkörper die unvermeidbaren Relativbewegungen zwischen Innenrohr und Außenrohr stören, sind bei Rohrleitungen dieser Art zwischen Außenrohr und Innenrohr weitere Elemente notwendig, die das Innenrohr tragen und zentrieren, aber seine temperaturabhängige Ausdehnung in Axial- und Umfangs­ richtung gestatten. Ein wesentliches Problem dieser Rohrleitungen ist daher die Lagerung und Befestigung des Innenrohres am Außenrohr. Elastische metallische Elemente vertragen die hohen Temperaturen nicht und leiten in unerwünschter Weise örtlich zu viel Wärme in das Außenrohr. Keramische und daher starre Elemente sind zwar nicht durch hohe Temperaturen aber durch hohe Temperaturdifferenzen gefährdet und können nicht die durch unterschiedliche Temperaturen verur­ sachten Längenänderungen von Innenrohr und Außenrohr aufnehmen. Elemente, die Wälzlager enthalten, waren bisher nicht geeignet, weil sie die unvermeidlich groben Toleranzen zwischen Innenrohr und Außenrohr und die unterschiedlichen radialen Ausdehnungen der beiden Rohre nicht überbrücken konnten. Dabei ist zu beachten, daß das Außenrohr mit einem Durchmesser von beispielsweise 1 m bei wirtschaftlicher Fertigung aus Blechen gewalzt und zusammengeschweißt werden muß und daher keine exakte Zylinderform aufweisen kann. Eine spanabhebende Bearbeitung der Innenwand des Außenrohres beispielsweise auf einer Drehbank trifft bei den gewünschten Durchmessern und Längen auf erhebliche Schwierigkeiten und Kosten.

In der DE-PS 8 53 684 werden Lager zur Unterstützung von Rohrleitungen beschrieben, die auf Eisen- oder Betonkonstruktionen sowie Mauern und auch innerhalb von Mantelrohren angeordnet sein können. Daraus läßt sich schließen, daß nur die Rohrleitung selbst druckfest und gasdicht sein soll und offensichtlich nicht das Mantelrohr. Mit Schmiervorrichtungen soll ein Festrosten vermieden und der Reibungswiderstand verringert werden. Daraus kann man schließen, daß diese Rohrleitungen nur für mäßige Temperaturen gedacht sind.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist eine thermisch isolierte Rohrleitung für Gase von hoher Temperatur, beispielsweise Helium bei Temperaturen von ca. 1000°C, einem Druck von 40 bar und Strömungsgeschwindigkeiten von 60 m/sec. Diese Rohrleitung soll ein Innenrohr aus einem nicht schweißbaren Werkstoff und ein Außenrohr aus einem verschweißbaren, aber nicht temperaturbeständigen Werkstoff haben. Zwischen Außenrohr und Innenrohr sollen Elemente vorhanden sein, die das Innenrohr tragen und zentrieren, aber seine temperaturabhängige Ausdehnung in Axial- und Umfangsrichtung gestatten.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird eine Rohrleitung nach dem 1. Anspruch vorgeschlagen. Die vorgeschlagene Lagerung des Innen­ rohres auf mehreren Kugeln, deren radiale Lage bei der Montage einstellbar ist, gestattet es, die einzelnen Rohrschüsse des Innenrohres bei der Montage sowohl gegenüber dem vorhergehenden Rohrschuß als auch gegenüber dem Außenrohr auszurichten und die geringe Kontaktfläche zwischen der Kugel und dem Innen- bzw. Außenrohr vermindert erheblich den Wärme­ übergang durch Leitung.

Außerdem kann man diese Kugeln aus einem Material von hoher Temperaturbeständigkeit, beispielsweise aus Aluminiumoxyd herstellen. Die Halterung dieser Kugel in Käfigen, die am Außenrohr befestigt sind, bewirkt, daß diese Halterung im wesentlichen die Temperatur des Außenrohres annimmt und daher nicht durch die hohe Temperatur des Innenrohres gefährdet ist. Selbstver­ ständlich ist es zweckmäßig, dieser Halterung eine geringe und daher nur wenig wärmeleitende Querschnitt­ fläche in der Nähe des Innenrohres zu geben, damit nicht erhebliche Wärmemengen vom Innen- zum Außenrohr transportiert werden. Das vorgeschlagene dünnwandige bzw. aus einem Material von guter Wärmeleitfähigkeit bestehende Innenrohr ist für die vorliegende Erfindung von wesentlicher Bedeutung. Während es dem Fachmann bisher selbstverständlich schien, ein solches Innen­ rohr dickwandig und aus einem Material von geringer Wärmeleitfähigkeit herzustellen, um Isolierung und Halterungselemente zwischen dem Innen- und dem Außenrohr vor den höchsten Temperaturen zu schützen, schlägt die vorliegende Erfindung einen ganz anderen Weg vor. Das hier vorgesehene Innenrohr kann nur geringe Temperatur­ differenzen zwischen seiner Innen- und Außenwand haben und ist dementsprechend nicht durch Wärmespannungen, auch nicht bei schnellen Temperaturänderungen gefährdet. Es hat nur ein geringes Gewicht und verringert dem­ entsprechend die statischen und dynamischen Belastungen seiner Halterung. Die zwischen dem Innen- und Außenrohr angeordneten und auf dem Innenrohr gleitenden Abstützungen werden zweckmäßigerweise oben und zwar gegenüber den bereits erwähnten Kugeln angeordnet. Sie sollen in radialer Richtung nachgiebig sein, damit sie einerseits die bei hohen Temperaturen unvermeidbare Vergrößerung des Innenrohrdurchmessers gestatten und andererseits bei Erschütterungen oder Schwingungen unzulässige Bewegungen des Innenrohres vermeiden. Da auch diese gleitenden Abstützungen gegenüber dem Innenrohr nur geringe Kontaktflächen aufweisen und ebenfalls am Außenrohr gut wärmeleitend befestigt sind, können sie weder große Wärmemengen vom Innen- zum Außenrohr leiten noch in ihren metallischen Bestand­ teilen durch hohe Temperaturen gefährdet werden.

Die vorgeschlagene axiale Fixierung soll bei einer langen Rohrleitung, die mehrere, mit Spalt dazwischen angeordnete Innenrohr­ schüsse enthält, vermeiden, daß mehrere Rohrschüsse in eine Richtung wandern und dadurch am anderen Ende ein unzulässig großer Spalt entsteht. Die vorgeschla­ genen exzentrischen Zapfen haben an einem Ende eine leicht kugelige Form, die in einer zylindrischen Bohrung oder Buchse im Innenrohr geführt ist, und werden am Außenrohr exzentrisch verstellbar befestigt. Somit kann dieser Zapfen in bezug auf das Außenrohr in axialer Richtung verstellt werden. Daß durch diese exzentrische Verstellung das Innenrohr auch etwas in Umfangsrichtung um seine Achse verdreht wird, stört nicht, da es im wesentlichen rotationssymmetrisch gestaltet ist.

Die vorgeschlagene Anordnung der Rohr­ schüsse des Innenrohres sorgt einerseits für eine exakte Einstellbarkeit jedes einzelnen Rohrschusses und vermeidet Zwangskräfte durch evtl. unterschiedliche Einstellung benachbarter Rohrschüsse. Da jeder einzelne Rohrschuß nur in einer Ebene an seinem einen Ende am Außenrohr gelagert ist, kann er sich an seinem anderen Ende den Bewegungen des benachbarten Rohrschusses anpassen. Auf diese Weise ist jeder Rohrschuß nur an zwei Punkten, nämlich den Kugeln in radialer Richtung festgelegt und gegenüber diesen Kugeln in axialer Richtung fixiert.

Die vorgeschlagenen Laufflächen zwischen dem Innen- bzw. Außenrohr und den Kugeln vermeiden eine aufwendige Bearbeitung der gesamten Oberfläche des Innen- bzw. Außenrohres. Im Innenrohr können diese besonderen Laufflächen in Form einer Scheibe in eine entsprechende radiale Bohrung im Innenrohr eingesetzt werden. Am Außenrohr werden diese Laufflächen zweck­ mäßigerweise von dem für die Kugeln vorgesehenen Käfig gehalten. Mit Hilfe dieser Laufflächen kann die im 1. Anspruch bereits vorgeschlagene radial veränderbare Lage der Kugeln besonders günstig realisiert werden. Diese Laufflächen können mit geringem Aufwand in meh­ reren unterschiedlichen radialen Höhen hergestellt werden und am Außenrohr außerdem durch Unterlegen von Blechen verschiedener Wandstärke angehoben werden.

Die Fig. 1-8 zeigen mögliche Ausführungsbeispiele der Erfindung.

Fig. 1 zeigt einen Längsschnitt durch eine waagerechte Rohrleitung entsprechend Schnitt B-B in Fig. 2.

Fig. 2 zeigt einen senkrechten Querschnitt ent­ sprechend Schnitt A-A in Fig. 1.

Fig. 3 zeigt in einem gegenüber Fig. 1 vergrößerten Maßstab ein dort bereits dargestelltes Kugellager und zwar zur Hälfte als Schnitt und zur Hälfte als Ansicht.

Fig. 4 zeigt eine Ansicht des in Fig. 3 dargestellten Kugellagers und zwar in radialer Richtung von innen nach außen betrachtet.

Fig. 5 zeigt ebenfalls in einem gegenüber Fig. 2 vergrößerten Maßstab ein dort bereits dargestelltes Gleitlager und zwar ebenfalls zur Hälfte als Schnitt und zur Hälfte als Ansicht in Umfangsrichtung.

Fig. 6 zeigt das in Fig. 5 dargestellte Gleitlager und zwar als Ansicht in radialer Richtung von innen nach außen betrachtet.

Fig. 7 zeigt ebenfalls in einem gegenüber Fig. 1 vergrößerten Maßstab einen dort bereits dargestellten Zapfen zur axialen Fixierung des Innenrohres als Schnitt.

Fig. 8 zeigt den in Fig. 7 dargestellten Zapfen mit seiner Befestigung am Außenrohr und als Ansicht in radialer Richtung von innen nach außen betrachtet.

Die zwischen Außen- und Innenrohr vorgesehene Isolierung ist in allen Figuren weggelassen.

In den Fig. 1 und 2 ruht das Innenrohr 1, bei­ spielsweise aus Graphit, an seinem einen Ende auf zwei Kugeln 2, die von einem am Außenrohr 3 befestigten Käfig 4 gehalten werden. Am anderen Ende ruht das Innenrohr 1 in einer Ausdrehung des benachbarten Innenrohres 1 oder am Ende der Rohrleitung in einem entsprechend geformten, aber hier nicht näher be­ schriebenen Anschluß. An seinem oberen Umfang und zwar diametral gegenüber den Kugeln 2 wird das Innenrohr 1 von zwei in radialer Richtung nachgiebigen und in Längs- und Umfangsrichtung auf dem Innenrohr 1 gleit­ fähigen Abstützungen gehalten, die in am Außenrohr 3 befestigten Käfigen 6 geführt sind. In dem die Kugeln 2 schneidenden Querschnitt ist außerdem für jedes Innenrohr 1 ein Zapfen 7 angeordnet, der, wie in Fig. 7 und 8 näher dargestellt, am Außenrohr 3 befestigt ist und das Innenrohr 1 in axialer Richtung fixieren soll. Um das Material des Innenrohres 1 vor zu hohen örtlichen Belastungen zu schützen, kann zwischen dem Zapfen 7 und der im Innenrohr 1 angeord­ neten Bohrung ein Druckring 8, beispielsweise aus Aluminiumoxyd angeordnet werden. Damit das Innenrohr 1 nicht auf seinem ganzen Umfang bearbeitet werden muß, ist sowohl zwischen den Kugeln 2 und dem Innenrohr 1 als auch zwischen den Abstützungen 5 und dem Innenrohr 1 jeweils eine Lauffläche 9 angeordnet, die in einer entsprechenden flachen Bohrung im Innenrohr 1 ange­ ordnet ist.

Die Fig. 3 und 4 zeigen, wie die Kugel 2 zwischen dem Innenrohr 1 und dem Außenrohr 3 in einem Käfig 4 gehalten ist. Zwischen der Kugel 2 und dem Innenrohr 1 ist eine beispielsweise aus Aluminiumoxyd hergestellte Lauffläche 9 und zwischen der Kugel 2 und dem Außen­ rohr 3 eine auch aus Metall herstellbare Lauffläche 10 angeordnet. Diese Laufflächen sollen in mehreren unterschiedlichen Stärken geliefert werden, damit man mit ihrer Hilfe den radialen Abstand zwischen dem Innenrohr 1 und dem Außenrohr 3 bei der Montage einstellen kann und damit das Innenrohr 1 gegenüber dem Außenrohr 3 und gegenüber den benachbarten Innenrohren 1 ausrichten kann. Selbstverständlich kann man den Ab­ stand zwischen der Kugel 2 und dem Außenrohr 3 auch noch durch nicht näher dargestellte Blechscheiben einstellen, die ebenfalls von dem Käfig 4 gehalten werden. Der Käfig 4 ist am Außenrohr 3 mit drei Schrauben 11 befestigt, die in bekannter Weise durch ein umgebogenes Blech 12 gegen Verdrehung gesichert werden können. Selbstverständlich sind an dieser Stelle auch Schweiß­ konstruktionen möglich, die ein Anbohren des Außenroh­ res 3 vermeiden.

Die Fig. 5 und 6 zeigen die Anordnung der Abstützungen 5, die in einem am Außenrohr 3 befestigten Käfig 6 geführt sind und auf einer im Innenrohr 1 angeordneten Lauf­ fläche 9 in radialer und Umfangsrichtung gleiten können. Der Käfig 6 ist ebenfalls mit Schrauben 11, die durch umgebogene Bleche 12 gegen Verdrehen gesichert werden können, am Außenrohr 3 befestigt. Auch hier sind selbst­ verständlich Schweißkonstruktionen möglich. Die rotationssymmetrische Abstützung 5 hat an ihrem der Lauf­ fläche 9 zugewandten Ende eine kugelige Fläche von großem Radius und stützt sich über ein Paket von Tellerfedern 13 auf das Außenrohr 3 ab. Die Temperatur dieser Tellerfedern wird im wesentlichen durch die Temperatur des gekühlten Außenrohres 3 bestimmt. Damit sie insbesondere bei der Montage nicht in einem unzu­ lässigen Maß zusammengedrückt werden können, hat die Abstützung 5 an ihrem oberen Ende einen Absatz, mit dem sie sich auf den Käfig 6 abstützen kann.

Die Fig. 7 und 8 zeigen einen exzentrischen Zapfen 7, der an seinem in das Innenrohr 1 ragenden Ende eine kugelige Form hat, soweit er mit einem, in das Innen­ rohr 1 eingelegten Druckring 8 in Berührung kommen kann. An seinem anderen Ende hat dieser Zapfen die Form eines Kegelstumpfes, dessen Mitte aber exzentrisch versetzt ist. Dieser Kegelstumpf wird durch eine am Außenrohr 3 zu befestigende Halterung 14 zentriert und durch eine Halteplatte 15 von entsprechender konischer Ausdrehung festgehalten. Halterung 14 und Halteplatte 15 werden durch drei kurze Schrauben 16 zusammengehalten und mit drei langen Schrauben 17 am Außenrohr 3 befestigt. Alle Schrauben werden in bekannter Weise durch umge­ bogene Bleche 12 gegen Verdrehung gesichert. Wenn die Schrauben 16 und 17 nicht fest angezogen sind, läßt sich der exzentrische Zapfen 7 drehen. Dabei beschreibt die Mitte des kugeligen Endes eine Kreisbahn und gestattet auf diese Weise, das Innenrohr 1 in axialer Richtung einzustellen. Die dabei gleichzeitig erfolgen­ de Lageveränderung des Innenrohres 1 in Umfangsrichtung ist ohne Bedeutung, da das Innenrohr 1 im wesentlichen rotationssymmetrisch ausgeführt ist. In einer in bezug auf die Rohrleitung radialen Richtung hat der Zapfen 7 genügend Abstand vom Innenrohr 1, da sich das Innen­ rohr in dieser Richtung frei ausdehnen soll. Der Zapfen 7 ist aus einem Material von hoher Temperatur­ beständigkeit, wie z. B. Aluminiumoxyd hergestellt und hat zwischen dem kegeligen und dem kugeligen Ende ab­ gerundete Übergänge, so daß dort keine Spannungsspitzen auftreten können. Der in Fig. 7 dargestellte Druckring 8 ist vor allem dann von Bedeutung, wenn das Material des Innenrohres 1 nur eine geringe zulässige Flächen­ pressung aufweist, wie beispielsweise bei Graphit. Wenn das Innenrohr 1 aus einem keramischen Material von höherer mechanischer Belastbarkeit besteht, kann man diesen Druckring 8 auch weglassen.

Claims (5)

1. Rohrleitung für Gase von hoher Temperatur aus einem temperaturbeständigen Innenrohr und einem gasdichten und druckfesten, innen isolierten Außenrohr, wobei das Innenrohr auf mehreren radial einstellbaren Kugeln ruht, die in Käfigen am Außenrohr befestigt sind, dadurch gekennzeichnet, daß das dünnwandige oder aus einem Material von guter Wärmeleitfähigkeit bestehende Innenrohr aus mehreren Rohrschüssen (1) mit radialen Spalten dazwischen aufgebaut ist, wobei ein oder mehrere Rohrschüsse an einem Ende nur im benachbarten Rohrschuß gleitend gelagert sind und am anderen Ende unten, radial einstellbar, auf mehreren temperaturbeständigen Kugeln (2) gelagert sind und oben, den Kugeln gegenüber, am Außenrohr (3) befestigte und in radialer Richtung nachgiebige, gleitende Abstützungen (5) vorgesehen sind.

2. Rohrleitung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein oder mehrere Rohrschüsse (1) des Innenrohres in axialer Richtung durch am Außenrohr (3) befestigte exzentrisch verstellbare Zapfen (7) fixiert sind.

3. Rohrleitung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß diese Fixierung bei der Montage in axialer Richtung einstellbar ist.

4. Rohrleitung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß diese Fixierung durch Verdrehung des exzentrischen Zapfens (7) in einer Halterung (14) einstellbar ist.

5. Rohrleitung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Kugeln (2) und Rohrschuß (1) sowie zwischen Kugeln (2) und Außenrohr (3) Laufflächen (9 bzw. 10) aus einem Material von hoher Druckfestigkeit angeordnet sind.