專利名稱：帶有懸垂至一下端板中并允許熱運動的管子的熱交換器及其端板的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種管式熱交換器及用于一管式熱交換器中的管板，特別是涉及一種帶有相當長的豎直管子的熱交換器，該豎直管子具有與高的溫度結合在一起的重量，使管子自身和管板受到相當大的應力。這種管板特別適合用在用于生產碳黑的管式熱交換器中。
碳黑是用于描述碳的精細分離粉末形式的術語，其通過天然氣或礦物油的不完全燃燒或熱解而生成，根據生產方式的不同，產生不同類型的碳黑，即所謂的槽黑，爐黑以及高溫分解黑(也稱為熱裂黑)。到目前為止，爐黑是最重要的一種碳黑形式，并比其他兩種碳黑形式都應用得更為廣泛，本發明特別涉及這種類型的碳黑，其在本發明中簡稱為“碳黑”。
圖1A圖示出一種生產碳黑(即爐黑型)的傳統裝置。引入的助燃空氣通過一管式通道1流進一管式熱交換器2的上部，在此，其在進入隨后的燃油在燃燒器9和燃燒反應器3中燃燒的過程前被預熱，得到的預熱空氣通過一通道5送進燃燒室10中，燃油通過一管式通道4添加到所述的反應器中，空氣的數量對應于燃油完全燃燒時所需化學當量數量氧氣的大約50％，從而形成碳黑。也可以向反應器3中加入水，這樣將會對最終產品的質量產生影響。懸浮在燃燒過的助燃空氣中的碳黑的混合物經由一通道6從熱交換器的頂部導出，并通過一通常進行水冷的冷卻器7，然后到達一過濾裝置8，該過濾器裝置8通常裝備有織物包的過濾器。在該過濾裝置中，碳黑從氣流中過濾出來，所述氣流接著通過一止回閥16送出以在一裝置11中進一步凈化，之后通過一煙道12排到外界大氣中。
傳統的熱交換器2結構可能在圖1B中會看得更加清楚，該熱交換器為管型，帶有多個貫通的、基本上豎直的管子13，從燃燒過程中來的氣體在這些管子內部上升，借此其由被外部套墻14所封閉并通過入口1進入和從管子13的外部通過向下朝著出口5流動的空氣所冷卻。為了增加熱傳遞，通過布置多個大體上水平的擋板15使進入進口1的空氣作往復運動。這些擋板由伸展跨過大約3/4的熱交換器直徑的板制成，每個板上設有多個用于容納管子13的孔。在熱交換器管子13入口1處的溫度可能達到大約1000℃，而通過管道1的空氣的溫度可能被加熱到大約800℃，這些狀態將導致熱交換器中的材料的最嚴重的應力狀況。熱交換器中承受最高機械應力的部分是套墻的下部和管板，在那里溫度可能達到900℃。因此，在所述溫度和大約1巴的內壓下，套墻的直徑為大約2000mm，管子數目在50-150之間，再加上塔的高度大約13m的情況下，很容易理解，管板必須能夠承受非常大的應力，特別是既然管子13將其整個重量均施加在管板上的情況下。此外，甚至實際管子13的下部也在其自身重量和高溫的共同作用下受到很重的負載，管子13帶有各自的補償器裝置，其位于每個管子的頂部，并起卸載管子中的熱致應力的作用，例如，是阻塞的結果。對實際外套墻14中出現的同等問題已經通過我們的在先瑞典專利申請9504344-4得以解決，其中的內容在此一并作為參考，根據所述的專利申請，熱交換器包括一附加套墻，其基本上為圓柱形并向內放置，并大體上與外套墻同心，從而在兩端敞開，在兩個套墻之間的縫隙中形成大體圓柱狀的成形空間，通過入口流進的氣體在進入與熱交換器的管子的接觸之前先通過該空間。有時，管板不能承受其所經受的重的負載，從而導致很高的修理費用。
已經做了通過如圖2所示的雙層底結構的方式來冷卻下管板的嘗試。在這種設計中，一部分通過入口1進入的引入空氣在一豎直導管17中引導并向下導進雙層管板18中，該雙層管板81包括一上絕熱壁19和一下絕熱壁20，從而在它們之間形成一個空間(總管)21。空氣從豎直導管17流進總管21并因此冷卻管板，之后，空氣通過排出導管22流出并返回到熱交換器中。然而，由于不能夠充分地冷卻管板，這種設計并未被證明是十分有效的。因此，根據瑞典專利申請96303739-5，已經提出，通過使用分隔壁將總管21分割成多個通道，每個通道設有一入口和一出口，每個通道通過多個熱交換器管子。其以一滿意的方式解決了底板中的過高溫度的問題，但是熱交換器管子的下部仍非常熱，其有可能，例如，彎折或彎曲。應當注意，一個13m長的熱交換器管子可能重達大約100kg。既然管子將其整個重量都施加在管板上，管板和管子的非常熱的下部承受了特別重的負載。當發生彎曲時，管子上的應力將增加并加速變形過程。
本發明的一個主要目的在于生產一種熱交換器，其中管子的下部免受大的負載。
本發明的另一目的在于防止下管板承受大的負載。
本發明的這些及其它目的已經通過按照權利要求1中的“特征部分”來設計熱交換器，從而以一種非常簡單的方式得以成功實現。
為了解釋但并不是限制的目的，下面將參考附圖對本發明作進一步說明附圖中圖1A示出了一如前所述的用于生產碳黑的傳統裝置的示意圖；圖1B示出了如前所述的根據現有技術情形的一熱交換器；圖2示出了如前所述的根據現有技術情形的一熱交換器；圖3示出了在根據本發明在第一實施例中，通過一管板的一熱交換器管子；圖4示出了與圖3相同的截面，但為另一個實施例。
圖3示出了熱交換器管子13是如何通過位于熱交換器下部區域的一雙層壁管子或支撐板的。根據在先提交的瑞典專利申請9504344-4和9603739-5，熱交換器管子13牢固地焊接在管板的足部，管子的上部以套管或補償器敷設在熱交換器的上端，以允許熱膨脹或收縮。根據本發明，這種已知設計已經被改變成這樣的方式，即，管子13現在從其上部懸垂下來，而不是豎立的下部上。為了使管子從其上部懸垂下來，將管子簡單地焊接在其穿過設置在熱交換器(未示出)上端的一水平板的一個孔的位置點處，例如在圖1B和/或圖2中的臺階23處。所述圖中的補償器24被簡單的焊接接頭所取代，從而管子13從管板18中懸下，每個管子13和管板之間的連接得以形成，其允許管子的熱運動。
在圖3中，可以看到管板的上壁19和下壁20，上壁19由一陶瓷絕熱層25和一鐵或鋼板壁組成。下壁可以由一耐火陶瓷混合物27，一絕熱陶瓷混合物28和一鋼壁29組成。可以要求設有耐火陶瓷材料27是為了使管板與來自位于其下方的燃燒室10的熱輻射隔離開。
根據瑞典專利申請9603739-5，管板中的空間21可以被肋條再分為多個通道。既然本發明主要是為了使管板卸載，因此這一點并不是本發明的一個重要特征。一保護管或所謂的箍30設在管子13的下部，以用于非常熱的氣體的流入。箍的作用是阻止腐蝕性氣體與管子13相接觸，再加上通過絕熱，限制管板的熱吸收。一中間絕熱層31，其由例如陶瓷涂層制成，被設置在箍30和管子13之間。為了為該絕熱層31提供空間，箍30在其兩端均擴大了其入口。一裝配環42可以沿著箍的上緣焊接定位，其部分目的是為了在管子中壓緊裝配箍，部分目的是為了使絕熱層31緊固定位。為了便于在管子13中焊接箍30，可以緊鄰著管子的端表面設置一焊接環43。此外，在管子13的外部設一保護襯套32，在所述保護襯套32和管子13之間設置一附加絕熱層33，最好是一陶瓷涂層。保護襯套32足部(最下部)焊接在管子13上，同時在頂部僅僅頂靠在管子13上，從而將絕熱層封閉住。在頂部，一錐形部件34焊接到保護襯套32的外部，然后所述部件34在一圓筒部件35處終止，該圓筒部件具有比保護襯套32大的直徑。在保護襯套32的徑向外部并基本上與之同心地設置有一外部襯套37。該外部襯套在頂部固定在上部支撐26的壁的頂部，并在其底緣上方一定距離處焊接在下管板29上。一端蓋38正對著外部襯套的下緣而固緊，該端蓋可以有多個向外伸出的舌片，例如總數為3個，它們向上彎曲并越過外部襯套的下緣，然后焊接到外部襯套的外部，同時端蓋38的其它部分僅鄰接著外部襯套的下緣。一大體上具有L形斷面的環緊固件靠近外部襯套的下部并焊接在其內側。由該環36、保護襯套32、外部襯套37和端蓋38所限定的環形空間中被一個或兩個密封環39a、39b填充，這些密封環可以由陶瓷涂層，陶瓷繩或類似物制成。
一補償波紋管40設置在位于保護襯套32和外部襯套37之間的圓柱狀空間中，其在頂部，氣密焊接在位于錐形部件34和保護襯套的上圓柱狀端部部件35之間的過渡區域處。在足部，波紋管氣密焊接在保持環36上。由于波紋管可以被壓縮在一起或拉動而分開，所以允許管子13由于溫度的變化而膨脹或收縮。在圖3所示的狀態下，當保護襯套32和其圓柱狀端部部件緊鄰上管板壁26時，管子13將顯示出一相對低的溫度。在如圖4所示狀態下，當保護襯套32和其圓柱狀端部部件與上管板壁26隔開一定距離時，與圖3的狀態相比，管子13將顯示一相對較高的溫度。
通過將熱交換器管子向下從管板中懸垂下來，由管子自身重量所引起的管子將彎曲或變形的危險將被消除，作為如圖3和4所示的波紋管設計的結果，不論怎樣，管子都可以在不同溫度下自由地膨脹或收縮，應當記住，管子通常為13-15m長，因此很容易理解這些膨脹和收縮將非常顯著，其大約可達到5cm左右。
作為本發明的結果，也可以達到其它一些有益效果，在現有已知的將管子豎立在管板上的熱交換器中，必須生產在下端區域具有很大壁厚的管子，在提高抗彎曲和彎折能力。因此，例如對于一13m長的管子，要制造成其上端9m范圍內是有3mm的壁厚，而在下端4m內制成5mm的壁厚。通過本發明這里描述的內容，有可能免除下部的較厚墻厚，從而管子可以在整個長度上制造成例如3mm的壁厚。
即使附屬的摘要也構成整個說明書的一部分。
權利要求書按照條約第19條的修改1、一種在碳黑生產中使用的管式熱交換器，其包括一基本上為圓柱狀的封閉容器，其中裝有多個熱交換器管子(13)，該管子伸展通過整個位于上端或支撐壁和一下管板(18)之間的、基本上為圓柱狀的形成空間，借此管子優選通過焊接緊固在上端壁上，其特征在于這樣布置管子，以使其從管板中懸垂下來，該管板為雙層壁并圍繞著一個用于冷卻介質流過的空間，此外，管板設有一以金屬波紋管(40)形式的補償器，以允許管子(13)的熱膨脹或收縮。
2、根據權利要求1所述的管式熱交換器，其特征在于一保護襯套(32)圍繞著每個管子(13)的下部，在所述保護襯套(32)的外部設有一外部襯套(37)，借此在所述襯套(32，37)之間的空間中設有一波紋管(40)。
3、根據前述任一權利要求所述的管式熱交換器，其特征在于所述波紋管(40)防止氣體流過位于襯套(32，37)之間的空間。
4、一在碳黑生產中使用的管式熱交換器的管板(18)，它包括有一上管板壁(26)，一下管板壁(29)，再加上一形成于這些壁間的一空間(21)，熱交換器管子(13)穿過該空間，其特征在于圍繞著每個管子設有一金屬波紋管(40)形式的補償器，以允許管子(13)的熱膨脹或收縮。
5、根據權利要求4所述的管板，其特征在于圍繞著每個管子(13)的下部設有一保護襯套(32)，在所述襯套(32)的外部設有一外部襯套(37)，借此波紋管(40)設置在位于所述襯套(32，37)之間的空間中。
權利要求
1.一管式熱交換器，特別用于碳黑的生產，它包括—基本上為圓柱狀的封閉容器，其中裝入多個熱交換器管子(13)，該管子伸展過整個位于上端或支撐壁和下管板(18)之間的基本上為圓柱狀的形成空間，其特征在于管子優選通過焊接的方法固定在上端壁中，并從管壁中懸下，借此在管壁上設有補償器，以允許管子(13)的熱膨脹和收縮。
2.根據權利要求1的管式熱交換器，其特征在于每個補償器包括一波紋管(40)。
3.根據權利要求1或2的管式熱交換器，其特征在于管板是雙層壁的，且封閉住一個用于冷卻介質流過的空間(21)。
4.根據權利要求1-3中任何一個所述管式熱交換器，其特征在于一保護襯套(32)圍繞著每個管子(13)的下部，在所述保護襯套(32)的外部有一個外部襯套(37)，借此所述波紋管(40)位于所述襯套(32，37)之間的空間中。
5.根據上述任一權利要求所述的管式熱交換器，其特征在于所述波紋管(40)防止氣體流過所述襯套(32，37)之間的空間。
6.一種用于一管式熱交換器的管板(18)，該管式熱交換器特別是用于碳黑的生產，其包括一上管板壁(26)，一下管板壁(29)，再加上一形成于這些壁之間的空間(21)，熱交換器管子(13)穿過該管板，其特征在于圍繞著每個管子設置為一補償器，以允許管子(13)的熱膨脹和收縮。
7.根據權利要求6所述的管子，其特征在于每個補償器包括—金屬波紋管(40)。
8.根據權利要求6或7所述的管板，其特征在于一保護襯套(32)圍繞著每個管子(13)的下部，在所述保護襯套(32)的外部設有一外部襯套(37)，借此在所述襯套(32，37)之間設有波紋管(40)。
全文摘要
一種在炭黑生產中使用的管式熱交換器,其包含一個圓柱狀封閉腔室,該腔室中包括有多個從一上端壁到一下端壁或管板(18)伸展通過整個基本為圓柱形的腔室的管子(13)。該管子最好通過焊接連接在上端壁上并懸垂至管板,所述管板裝備有補償裝置,以允許管子(13)的熱膨脹或收縮的發生。通過將管子(13)布置成懸掛方式,而不是如現有技術那樣采用直立方式,可以避免由管子過熱以及因此而不能支承其自身重量的損壞。
文檔編號F28F9/04GK1258346SQ9880560
公開日2000年6月28日 申請日期1998年5月20日 優先權日1997年5月28日
發明者約蘭·貝里隆德, 烏爾夫·埃里克松 申請人:桑德維克公司