帶有共軸的熱交換器的熱學設備的制作方法

本實用新型涉及一種熱學設備，該熱學設備帶有一個可壓力密封地關閉的壓力罩并帶有一個共軸的、內部的熱交換器，該熱交換器包圍一個內部空間、支承在一個設備底部上并且形成一個相對于該壓力罩的環形空間。

背景技術：

一個此類的熱學設備大多具有一個帶有可關閉的蓋板凸緣的壓力罩，該蓋板凸緣相對于設備軸線居中地安排并且具有一個相關的內部直徑。此外，該熱交換器在其朝向該蓋板凸緣的末端處具有一個上部的管件，該上部的管件具有一個此類的外部直徑，該外部直徑小于該蓋板凸緣的內部直徑。該上部的管件豎直地延伸到該蓋板凸緣中。在該環形空間中能夠用一種吹掃氣體相對于該反應空間構造出過壓。

在密封壓力空間時經常存在如下問題，在密封位置處彼此鄰接的部件由于不同的溫度或不同的材料而不同地膨脹并且因此導致熱學引起的、密封件伙伴(Dichtungspartner)的相對運動。盡管存在相對運動，密封的問題仍隨著壓力和溫度的增加而加劇。

所屬類型的熱學設備的一個典型的應用情形是用于產生合成氣的氣化反應器，該氣化反應器具有外部的壓力罩和在該壓力罩中被安排為熱交換器的一個冷卻屏。該冷卻屏包圍該氣化反應器的一個內部空間。在該內部空間(該內部空間在該應用情形下被稱為反應空間)中，至多達2000℃的溫度和至多達100巴的壓力占主導。在該氣化反應器內部的冷卻屏用于承載壓力的反應器壁的熱學保護。該冷卻屏通常形成為用冷卻水流經的盤管(Rohrwicklung)，其中這些管壓力密封地彼 此焊接并且形成一個相對于該反應器壁的環形空間，為保護其免受腐蝕的、雜散的(vagabundierenden)反應氣體，借助一種惰性氣體來吹掃該環形空間。在此，該惰性氣體壓力略微超過該冷卻屏包圍的反應空間中的壓力。

為了使氣體吹掃實現其目的，在冷卻屏和反應器壁之間的該環形空間必須盡可能完全地與該反應空間分離。在此出現多個問題。

該冷卻屏通常支承在該反應器底部上，即，在那里形成固定承載。由于在該反應區中的高運行溫度，在該冷卻屏的這些盤管中的冷卻劑的溫度為至多250℃。位于該冷卻屏后面的反應器壁加熱明顯更少，一般來說在該反應器壁的內側還安裝有一個耐火襯壁(Feuerfestausmauerung)。

因此在將該反應器加熱至運行溫度期間或在運行中斷期間導致在該反應器壁中和在該冷卻屏中的不同的膨脹。在冷卻屏和反應器壁之間的一個密封件必須能夠補償該相對運動。

氣化反應器通常是圓柱形的并且具有一個蓋板凸緣，該蓋板凸緣的實心的凸緣套管為密封件的安裝提供良好的前提條件。因此最近實施如下冷卻屏構造方式，這些冷卻屏構造方式向上具有一個達到該凸緣直徑的、錐形的變窄部。

過去，人們也已經嘗試用不同的器件來密封在蓋板凸緣和冷卻屏之間的、由此產生的環形間隙。

在一個簡單的變體中，僅用高的惰性氣體流量來吹掃沒有額外密封器件的其余的環形間隙(DD 237 318 A1)。在此示出的是，進入該反應空間中的惰性氣體流量在維持反應空間溫度的情況下導致能量上的缺點，并且不可避免的是，反應氣體可能侵入在冷卻屏和反應器壁 之間的該環形空間中。

第二種變體在冷卻屏和蓋板凸緣之間提供一個彈性的密封件(例如以密封條的形狀)。運行經驗表明，這些密封件磨損得很快或由于熔渣堆積而喪失其功能。

滑動密封件屬于第三種變體。為此，該冷卻屏借助一個氣體密封地焊接的管件向上延長到該蓋板凸緣中并且該滑動密封件被安排在該蓋板凸緣中。該密封類型也包含很多問題。如果使用硬的滑動密封件材料，則制造誤差、尤其焊接后的管件的形狀偏差導致非密封性，該非密封性由于密封材料缺乏彈性而不能夠被補償。根據DE 20 2007 011 109 U1或DE 20 2007 018 720 U1，在使用軟的滑動密封件(這些軟的滑動密封件與填料箱(Stopfbuchsen)可相比地通過壓縮實現其密封功能)的情況下，在該密封間隙處的這些不可避免的、非常硬的熔渣堆積或與腐蝕性的反應氣體相關的高反應器溫度導致該密封材料快速磨損。

在第四種變體中，通過在該管件處安裝波紋管補償件(這些波紋管補償件關閉在冷卻屏和蓋板凸緣之間的間隙)，完全排除了在這些密封件伙伴之間的滑動運動(例如EP 0 254 830 A2、US 4.202.672 A、DE 10 2007 045 321 A1)。由于補償件根據功能必須補償軸向的相對運動，這些補償件由薄壁的、折疊的金屬管件制成，但是這些金屬管件在腐蝕性的氣氛中被氣化反應器快速地腐蝕和穿通。

技術實現要素：

因此從已知的現有技術的所述的缺點出發，本實用新型所基于的目的在于，提供一種結構性的解決方案，以便構型在該冷卻屏和傳遞壓力的、在該蓋板凸緣的區域中的設備壁(該設備壁具有長的使用時間)之間的環形間隙。

根據本實用新型，該目的通過如下熱學設備實現，其中能夠用吹掃氣體加載的一個迷宮式密封件被安排在該蓋板凸緣和該管件之間的一個環形間隙中。

根據本發明的一種實施方式，該熱學設備帶有一個可壓力密封地關閉的壓力罩并帶有一個共軸的、內部的熱交換器，該熱交換器包圍一個內部空間、支承在一個設備底部上并且形成一個相對于該壓力罩的環形空間，其中

-該壓力罩具有一個可關閉的蓋板凸緣，該蓋板凸緣相對于設備軸線居中地安排并且具有一個內部直徑Di，

-該熱交換器在其朝向該蓋板凸緣的末端處具有一個上部的管件，該上部的管件具有一個外部直徑Da<Di，該上部的管件豎直地延伸到該蓋板凸緣中，

-在該環形空間中能夠用一種吹掃氣體相對于該內部空間構造出過壓，

其特征在于，能夠用一種吹掃氣體加載的一個迷宮式密封件被安排在該蓋板凸緣和該管件之間的一個環形間隙中。

迷宮式密封件是在蒸汽或燃氣渦輪機、旋轉式壓縮機或飛機引擎中的經典的軸密封件。在此，該待密封介質很熱并且軸轉速很高。

這涉及到用于氣體的節流式密封件，也就是說，一定程度上的氣體泄漏是不可避免的。迷宮式密封件通常由間隔環和節流板構造成并且運行可靠。在專業文獻中詳細地描述了基本構造形式及其針對具體應用情形的計算，例如能夠在“www.fachwissen-dichtungstechnik.de”中找到。因此在此應只描述原理上的解決方案。

根據本實用新型，最初針對旋轉的部件開發的密封件類型被用于相對于熱反應氣體來密封靜態的反應器部件。雖然由于缺少旋轉運動限制了密封作用，但是期望(例如從在熱交換器和壓力罩之間的該環 形空間到該反應空間中的)較小的氣體體積流量完全用于冷卻這些節流孔板。

為了避免熱的反應氣體向在該冷卻屏之后的該環形空間中回流，在溢流位置處必須在環形空間和反應空間之間的密封位置處存在一個正的壓力差。在文獻中充足地、準確地描述了迷宮式密封件的流動行為和壓力差的計算。必須特別重視的是，要注意最少需要的間隙高度和渦流室高度的最佳比率以及間隙長度和間隙寬度的比率。在迷宮式密封件上的實際壓力損失的計算在考慮到可允許的制造公差和密封間隙變化(由于熱膨脹不同)的情況下進行。

優選地，該迷宮式密封件被安排在該蓋板凸緣的一個橫截面擴展部中。

優選地，該迷宮式密封件形成為在該管件處具有多個密封間隙的、開放式的迷宮。

該迷宮式密封件優選是由不銹鋼制成的。

能夠用來自該環形空間的吹掃氣體來吹掃這些密封間隙。

該熱學設備是一個氣流式氣化爐并且該熱交換器是用于該壓力罩的熱學保護的一個冷卻屏。

相對于已知的解決方案，本實用新型具有多個優點：

本實用新型在同時避免密封件伙伴的摩損性的表面接觸的情況下能夠實現足夠的密封程度。在正確的安裝順序下，可能實現這些密封件部件相對彼此所需要的確切的定位。在冷的狀態下安裝時有利地存在大的密封間隙，然而在加熱時由于密封件伙伴和節流環的徑向的材料膨脹，密封間隙變得更小并且密封作用由此提高。為了生產該迷宮 式密封件，可以從耐磨損的材料的大范圍變體中選擇，優選使用不銹鋼。該迷宮式密封件的模塊式的構造能夠使密封性簡單地適配于在不同的熱學設備中的具體條件。

附圖說明

下面應以氣化反應器為例來解釋根據本實用新型的熱學設備。所屬的附圖在此示出：

圖1：示出了一個氣化反應器的上部區段的截面圖示

圖2：示出了在該蓋板凸緣中的一個迷宮式密封件的示意圖

具體實施方式

在圖1中示出的一個圓柱形的氣化反應器(該氣化反應器具有一個可壓力密封地關閉的壓力罩1)的上部區段中，一個內部的、接近壁的熱交換器2(在氣化反應器的情況下被稱為冷卻屏)被安排為共軸的。該冷卻屏支承在一個設備底部(未示出)上并且形成一個相對于該壓力罩1的環形空間4，其中該壓力罩1具有一個可關閉的蓋板凸緣5，該蓋板凸緣相對于設備軸線居中地安排并且具有一個內部直徑Di(圖2)。

該蓋板凸緣5(該蓋板凸緣一般也用于接收氣化燃燒室的夾持件)用一個凸緣蓋(沒有參考符號)壓力密封地關閉。

正如從圖2中的截面圖示可看到的，該熱交換器2具有多個氣體密封地連接的冷卻劑通道(在此通過一個上部的冷卻管6象征性地示出)以及具有外部直徑Da<Di的呈上部管件7構型的一個軸向的延長部，該上部的管件被焊接到該上部的冷卻管6上并且向上膨脹直到該蓋板凸緣5中。

在該環形空間4中能夠用一種從外部可輸送的吹掃氣體8相對于在該熱交換器中的該內部空間3(反應空間)構造出過壓。

能夠用吹掃氣體8加載的一個軸向的迷宮式密封件9被安排在該蓋板凸緣5和在該蓋板凸緣中定中心的管件7之間的環形間隙中。

該迷宮式密封件9可以由一個緊湊的包(Paket)組裝，該緊湊的包由多個、呈環形地圍繞該管件7膨脹的節流點組成，這些節流點作為密封間隙11起作用。這些節流點例如能夠通過環形的節流板實現，這些節流板通過對應地位于兩個節流板之間的間隔環彼此間隔開，以便在這些節流板之間及在這些間隔環上形成多個在軸向上彼此并排的渦流室12。替代性地，迷宮式密封件的其他的、可比較的實施方式也是可行的。正如在圖2中示出的，也可能由一個區段制成。在節流板的這些內部平面和該管件7之間，用于吹掃氣體9的節流間隙在十分之一毫米的范圍內形成。兩個節流板彼此間的距離大約在15-20mm的范圍內。在徑向上在這些節流板之間的渦流室12的深度為這些節流間隙的高度的大約十倍。密封作用取決于節流間隙的數量，該數量能夠相應地適配于對應的要求。在每個邊緣尖銳的節流點之后在這些渦流室12中形成多個渦流，這些渦流在吹掃氣體流中導致相應的壓力損失并且借助每個節流點進一步減小了氣體流。

由于作為開放式的迷宮的迷宮密封件的構型相對于該密封件類型的另外的、已知的變體產生更小的節流作用，例如一個帶齒的迷宮(在該管件7和該蓋板凸緣5的另一側的節流板)或一個階段式的迷宮(在管件7和蓋板凸緣5上的階梯狀的直徑分級)，所展示的構造形狀對于安裝到一個氣化反應器中是最佳地適用的，這是由于更高的吹掃氣體流量和對該密封件的由此更高強度的冷卻以及由于小的制造成本。

在用于密封在冷卻屏和壓力罩1之間的環形空間4的迷宮式密封件的所描述的用途中，可以使用惰性氣體來吹掃在這兩個部件之間的該環形空間4。該吹掃氣體8通常在該環形空間4(未示出)的下部被引入并且在該環形空間中向上流動。在該冷卻屏的上部中，該吹掃氣 體8通過為此提供的穿通部被轉移到該氣化反應器的內部空間3中。這例如可以通過一個或多個溢流通道(未示出)實現，這些溢流通道通向在該管件7的上部邊緣處的迷宮式密封件9上方的間隙中。

為了豎直地固定該迷宮式密封件9，該迷宮式密封件被支承在該蓋板凸緣5的一個機械加工的凹座中。所需要的徑向的橫截面擴展部能夠以簡單的方式通過在焊接到該壓力罩1中之前擰下蓋板凸緣5來生產。

配對件——該冷卻屏(管件7)的管狀的延長部——在外圓周處被機械地加工，以便減小形狀偏差(在圖2中通過較小的壁厚度示意性地示出)。

為了安裝該迷宮式密封件9，首先將該圓柱形的管件7放置到該冷卻屏的上部的盤管上。之后，將該迷宮式密封件9推入到該蓋板凸緣5的該為此提供的凹座中。該迷宮式密封件9使該管件7在其機械加工的外部平面處在該冷卻管6上定中心。最后將該定中心的管件7與該冷卻屏的上部的冷卻管6氣體密封地焊接。

本領域的技術人員可以在其他的實施方式中便利地組合前面在本實用新型的不同的構型中實現的特征。

附圖標記列表

1 壓力罩

2 熱交換器

3 內部空間

4 環形空間

5 蓋板凸緣

6 冷卻劑通道

7 管件

8 吹掃氣體

9 迷宮式密封件

10 橫截面擴展部

11 密封間隙

12 渦流室