专利名称：带有悬垂至一下端板中并允许热运动的管子的热交换器及其端板的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种管式热交换器及用于一管式热交换器中的管板，特别是涉及一种带有相当长的竖直管子的热交换器，该竖直管子具有与高的温度结合在一起的重量，使管子自身和管板受到相当大的应力。这种管板特别适合用在用于生产碳黑的管式热交换器中。
碳黑是用于描述碳的精细分离粉末形式的术语，其通过天然气或矿物油的不完全燃烧或热解而生成，根据生产方式的不同，产生不同类型的碳黑，即所谓的槽黑，炉黑以及高温分解黑(也称为热裂黑)。到目前为止，炉黑是最重要的一种碳黑形式，并比其他两种碳黑形式都应用得更为广泛，本发明特别涉及这种类型的碳黑，其在本发明中简称为“碳黑”。
图1A图示出一种生产碳黑(即炉黑型)的传统装置。引入的助燃空气通过一管式通道1流进一管式热交换器2的上部，在此，其在进入随后的燃油在燃烧器9和燃烧反应器3中燃烧的过程前被预热，得到的预热空气通过一通道5送进燃烧室10中，燃油通过一管式通道4添加到所述的反应器中，空气的数量对应于燃油完全燃烧时所需化学当量数量氧气的大约50％，从而形成碳黑。也可以向反应器3中加入水，这样将会对最终产品的质量产生影响。悬浮在燃烧过的助燃空气中的碳黑的混合物经由一通道6从热交换器的顶部导出，并通过一通常进行水冷的冷却器7，然后到达一过滤装置8，该过滤器装置8通常装备有织物包的过滤器。在该过滤装置中，碳黑从气流中过滤出来，所述气流接着通过一止回阀16送出以在一装置11中进一步净化，之后通过一烟道12排到外界大气中。
传统的热交换器2结构可能在图1B中会看得更加清楚，该热交换器为管型，带有多个贯通的、基本上竖直的管子13，从燃烧过程中来的气体在这些管子内部上升，借此其由被外部套墙14所封闭并通过入口1进入和从管子13的外部通过向下朝着出口5流动的空气所冷却。为了增加热传递，通过布置多个大体上水平的挡板15使进入进口1的空气作往复运动。这些挡板由伸展跨过大约3/4的热交换器直径的板制成，每个板上设有多个用于容纳管子13的孔。在热交换器管子13入口1处的温度可能达到大约1000℃，而通过管道1的空气的温度可能被加热到大约800℃，这些状态将导致热交换器中的材料的最严重的应力状况。热交换器中承受最高机械应力的部分是套墙的下部和管板，在那里温度可能达到900℃。因此，在所述温度和大约1巴的内压下，套墙的直径为大约2000mm，管子数目在50-150之间，再加上塔的高度大约13m的情况下，很容易理解，管板必须能够承受非常大的应力，特别是既然管子13将其整个重量均施加在管板上的情况下。此外，甚至实际管子13的下部也在其自身重量和高温的共同作用下受到很重的负载，管子13带有各自的补偿器装置，其位于每个管子的顶部，并起卸载管子中的热致应力的作用，例如，是阻塞的结果。对实际外套墙14中出现的同等问题已经通过我们的在先瑞典专利申请9504344-4得以解决，其中的内容在此一并作为参考，根据所述的专利申请，热交换器包括一附加套墙，其基本上为圆柱形并向内放置，并大体上与外套墙同心，从而在两端敞开，在两个套墙之间的缝隙中形成大体圆柱状的成形空间，通过入口流进的气体在进入与热交换器的管子的接触之前先通过该空间。有时，管板不能承受其所经受的重的负载，从而导致很高的修理费用。
已经做了通过如图2所示的双层底结构的方式来冷却下管板的尝试。在这种设计中，一部分通过入口1进入的引入空气在一竖直导管17中引导并向下导进双层管板18中，该双层管板81包括一上绝热壁19和一下绝热壁20，从而在它们之间形成一个空间(总管)21。空气从竖直导管17流进总管21并因此冷却管板，之后，空气通过排出导管22流出并返回到热交换器中。然而，由于不能够充分地冷却管板，这种设计并未被证明是十分有效的。因此，根据瑞典专利申请96303739-5，已经提出，通过使用分隔壁将总管21分割成多个通道，每个通道设有一入口和一出口，每个通道通过多个热交换器管子。其以一满意的方式解决了底板中的过高温度的问题，但是热交换器管子的下部仍非常热，其有可能，例如，弯折或弯曲。应当注意，一个13m长的热交换器管子可能重达大约100kg。既然管子将其整个重量都施加在管板上，管板和管子的非常热的下部承受了特别重的负载。当发生弯曲时，管子上的应力将增加并加速变形过程。
本发明的一个主要目的在于生产一种热交换器，其中管子的下部免受大的负载。
本发明的另一目的在于防止下管板承受大的负载。
本发明的这些及其它目的已经通过按照权利要求1中的“特征部分”来设计热交换器，从而以一种非常简单的方式得以成功实现。
为了解释但并不是限制的目的，下面将参考附图对本发明作进一步说明附图中图1A示出了一如前所述的用于生产碳黑的传统装置的示意图；图1B示出了如前所述的根据现有技术情形的一热交换器；图2示出了如前所述的根据现有技术情形的一热交换器；图3示出了在根据本发明在第一实施例中，通过一管板的一热交换器管子；图4示出了与图3相同的截面，但为另一个实施例。
图3示出了热交换器管子13是如何通过位于热交换器下部区域的一双层壁管子或支撑板的。根据在先提交的瑞典专利申请9504344-4和9603739-5，热交换器管子13牢固地焊接在管板的足部，管子的上部以套管或补偿器敷设在热交换器的上端，以允许热膨胀或收缩。根据本发明，这种已知设计已经被改变成这样的方式，即，管子13现在从其上部悬垂下来，而不是竖立的下部上。为了使管子从其上部悬垂下来，将管子简单地焊接在其穿过设置在热交换器(未示出)上端的一水平板的一个孔的位置点处，例如在图1B和/或图2中的台阶23处。所述图中的补偿器24被简单的焊接接头所取代，从而管子13从管板18中悬下，每个管子13和管板之间的连接得以形成，其允许管子的热运动。
在图3中，可以看到管板的上壁19和下壁20，上壁19由一陶瓷绝热层25和一铁或钢板壁组成。下壁可以由一耐火陶瓷混合物27，一绝热陶瓷混合物28和一钢壁29组成。可以要求设有耐火陶瓷材料27是为了使管板与来自位于其下方的燃烧室10的热辐射隔离开。
根据瑞典专利申请9603739-5，管板中的空间21可以被肋条再分为多个通道。既然本发明主要是为了使管板卸载，因此这一点并不是本发明的一个重要特征。一保护管或所谓的箍30设在管子13的下部，以用于非常热的气体的流入。箍的作用是阻止腐蚀性气体与管子13相接触，再加上通过绝热，限制管板的热吸收。一中间绝热层31，其由例如陶瓷涂层制成，被设置在箍30和管子13之间。为了为该绝热层31提供空间，箍30在其两端均扩大了其入口。一装配环42可以沿着箍的上缘焊接定位，其部分目的是为了在管子中压紧装配箍，部分目的是为了使绝热层31紧固定位。为了便于在管子13中焊接箍30，可以紧邻着管子的端表面设置一焊接环43。此外，在管子13的外部设一保护衬套32，在所述保护衬套32和管子13之间设置一附加绝热层33，最好是一陶瓷涂层。保护衬套32足部(最下部)焊接在管子13上，同时在顶部仅仅顶靠在管子13上，从而将绝热层封闭住。在顶部，一锥形部件34焊接到保护衬套32的外部，然后所述部件34在一圆筒部件35处终止，该圆筒部件具有比保护衬套32大的直径。在保护衬套32的径向外部并基本上与之同心地设置有一外部衬套37。该外部衬套在顶部固定在上部支撑26的壁的顶部，并在其底缘上方一定距离处焊接在下管板29上。一端盖38正对着外部衬套的下缘而固紧，该端盖可以有多个向外伸出的舌片，例如总数为3个，它们向上弯曲并越过外部衬套的下缘，然后焊接到外部衬套的外部，同时端盖38的其它部分仅邻接着外部衬套的下缘。一大体上具有L形断面的环紧固件靠近外部衬套的下部并焊接在其内侧。由该环36、保护衬套32、外部衬套37和端盖38所限定的环形空间中被一个或两个密封环39a、39b填充，这些密封环可以由陶瓷涂层，陶瓷绳或类似物制成。
一补偿波纹管40设置在位于保护衬套32和外部衬套37之间的圆柱状空间中，其在顶部，气密焊接在位于锥形部件34和保护衬套的上圆柱状端部部件35之间的过渡区域处。在足部，波纹管气密焊接在保持环36上。由于波纹管可以被压缩在一起或拉动而分开，所以允许管子13由于温度的变化而膨胀或收缩。在图3所示的状态下，当保护衬套32和其圆柱状端部部件紧邻上管板壁26时，管子13将显示出一相对低的温度。在如图4所示状态下，当保护衬套32和其圆柱状端部部件与上管板壁26隔开一定距离时，与图3的状态相比，管子13将显示一相对较高的温度。
通过将热交换器管子向下从管板中悬垂下来，由管子自身重量所引起的管子将弯曲或变形的危险将被消除，作为如图3和4所示的波纹管设计的结果，不论怎样，管子都可以在不同温度下自由地膨胀或收缩，应当记住，管子通常为13-15m长，因此很容易理解这些膨胀和收缩将非常显著，其大约可达到5cm左右。
作为本发明的结果，也可以达到其它一些有益效果，在现有已知的将管子竖立在管板上的热交换器中，必须生产在下端区域具有很大壁厚的管子，在提高抗弯曲和弯折能力。因此，例如对于一13m长的管子，要制造成其上端9m范围内是有3mm的壁厚，而在下端4m内制成5mm的壁厚。通过本发明这里描述的内容，有可能免除下部的较厚墙厚，从而管子可以在整个长度上制造成例如3mm的壁厚。
即使附属的摘要也构成整个说明书的一部分。
权利要求书按照条约第19条的修改1、一种在碳黑生产中使用的管式热交换器，其包括一基本上为圆柱状的封闭容器，其中装有多个热交换器管子(13)，该管子伸展通过整个位于上端或支撑壁和一下管板(18)之间的、基本上为圆柱状的形成空间，借此管子优选通过焊接紧固在上端壁上，其特征在于这样布置管子，以使其从管板中悬垂下来，该管板为双层壁并围绕着一个用于冷却介质流过的空间，此外，管板设有一以金属波纹管(40)形式的补偿器，以允许管子(13)的热膨胀或收缩。
2、根据权利要求1所述的管式热交换器，其特征在于一保护衬套(32)围绕着每个管子(13)的下部，在所述保护衬套(32)的外部设有一外部衬套(37)，借此在所述衬套(32，37)之间的空间中设有一波纹管(40)。
3、根据前述任一权利要求所述的管式热交换器，其特征在于所述波纹管(40)防止气体流过位于衬套(32，37)之间的空间。
4、一在碳黑生产中使用的管式热交换器的管板(18)，它包括有一上管板壁(26)，一下管板壁(29)，再加上一形成于这些壁间的一空间(21)，热交换器管子(13)穿过该空间，其特征在于围绕着每个管子设有一金属波纹管(40)形式的补偿器，以允许管子(13)的热膨胀或收缩。
5、根据权利要求4所述的管板，其特征在于围绕着每个管子(13)的下部设有一保护衬套(32)，在所述衬套(32)的外部设有一外部衬套(37)，借此波纹管(40)设置在位于所述衬套(32，37)之间的空间中。
权利要求
1.一管式热交换器，特别用于碳黑的生产，它包括—基本上为圆柱状的封闭容器，其中装入多个热交换器管子(13)，该管子伸展过整个位于上端或支撑壁和下管板(18)之间的基本上为圆柱状的形成空间，其特征在于管子优选通过焊接的方法固定在上端壁中，并从管壁中悬下，借此在管壁上设有补偿器，以允许管子(13)的热膨胀和收缩。
2.根据权利要求1的管式热交换器，其特征在于每个补偿器包括一波纹管(40)。
3.根据权利要求1或2的管式热交换器，其特征在于管板是双层壁的，且封闭住一个用于冷却介质流过的空间(21)。
4.根据权利要求1-3中任何一个所述管式热交换器，其特征在于一保护衬套(32)围绕着每个管子(13)的下部，在所述保护衬套(32)的外部有一个外部衬套(37)，借此所述波纹管(40)位于所述衬套(32，37)之间的空间中。
5.根据上述任一权利要求所述的管式热交换器，其特征在于所述波纹管(40)防止气体流过所述衬套(32，37)之间的空间。
6.一种用于一管式热交换器的管板(18)，该管式热交换器特别是用于碳黑的生产，其包括一上管板壁(26)，一下管板壁(29)，再加上一形成于这些壁之间的空间(21)，热交换器管子(13)穿过该管板，其特征在于围绕着每个管子设置为一补偿器，以允许管子(13)的热膨胀和收缩。
7.根据权利要求6所述的管子，其特征在于每个补偿器包括—金属波纹管(40)。
8.根据权利要求6或7所述的管板，其特征在于一保护衬套(32)围绕着每个管子(13)的下部，在所述保护衬套(32)的外部设有一外部衬套(37)，借此在所述衬套(32，37)之间设有波纹管(40)。
全文摘要
一种在炭黑生产中使用的管式热交换器,其包含一个圆柱状封闭腔室,该腔室中包括有多个从一上端壁到一下端壁或管板(18)伸展通过整个基本为圆柱形的腔室的管子(13)。该管子最好通过焊接连接在上端壁上并悬垂至管板,所述管板装备有补偿装置,以允许管子(13)的热膨胀或收缩的发生。通过将管子(13)布置成悬挂方式,而不是如现有技术那样采用直立方式,可以避免由管子过热以及因此而不能支承其自身重量的损坏。
文档编号F28F9/04GK1258346SQ9880560
公开日2000年6月28日 申请日期1998年5月20日 优先权日1997年5月28日
发明者约兰·贝里隆德, 乌尔夫·埃里克松 申请人:桑德维克公司