专利名称：新颖的水冷壁管管座结构的制作方法
技术领域：
本发明涉及耐火管座，这种管座在保持良好的导热率的同时，能避免金属水冷壁管受到热的和高腐蚀性的炉子气体的影响。发明背景城市固体废物(MSW)处理厂以高达约2500°F的温度在炉中焚烧垃圾。为了回收由这些MSW厂生产的有价值的能量，水通过与炉子相邻的金属水冷壁管，并由于高温而变成蒸汽。
图1示出了一包括由连接隔壁M连接的金属管T的传统水冷壁管组件。然后在管子组件中产生的蒸汽用来发动由蜗轮驱动的发电机。然而，MSW工厂还产生出气体产物，如果允许接触金属管的话，这些气体会化学侵蚀那些管子。为了避免这些气体产物直接侵蚀管子，并且还要使这些管子充分供热，在水冷壁管与炉边之间放置保护性的耐火隔板。
虽然这些耐火隔板有助于使金属管的侵蚀降到最小，但它们的使用妨碍了热量从炉边流到水冷壁管。使热流最大是达到锅炉效率的关键。如果耐火隔板没有足够的热传递，耐火材料的朝炉边的表面会变得比设计时所定的要热。随着温度上升，燃料燃烧时的灰烬将紧贴在该表面上，从而形成一绝缘层。一旦这种现象发生，绝缘层变得愈来愈厚，直到热传递变得极弱。然后在燃烧区上面的“烟气”以通常高于设计极限的速度和温度增加，从而在炉子的下游引起腐蚀/侵蚀。此外，灰烬/炉渣层的增加最终可中断灰烬/炉渣层的上升并可构成对燃烧区加煤的炉条面积破坏的主要原因。众所周知，耐火隔板的热传递效率与其厚度成反比。例如，一2英寸厚的耐火材料的热传递效率仅仅是同样材料但深度为1英寸的隔板的50％。因此，工业上需要使用能使耐火隔板的厚度达到最小并最好尽可能薄的耐火隔板材料。
金属水冷壁管和耐火隔板通常是挂在包容炉子的建筑物25的天花板上。由于这种水冷壁管和耐火隔板通常约有100英尺高，这些悬挂着的水冷壁管和耐火隔板的重量会带来安全问题。因此，安全方面的考虑，进一步激发了使耐火隔板尽可能薄的想法。
虽然工业上已认识到对薄耐火隔板的需要，但也认识到不能做到既减小这些隔板的深度又不降低性能尤其是已发现，深度减少得太多(即减至约1/2英寸)会削弱隔板上某些点的强度使之不能承受管子在高温时所产生的应力。因此，工业上通常使用横截面最小部分的深度至少为0.875至1.00英寸的隔板。
MSW工业在致力于保持良好的热传递时、同时能保护金属水冷壁管的过程中，已研制了多种类型的耐火结构。其中一种耐火材料称为“单块”耐火材料。把陶瓷材料直接喷在散布着的水冷壁管上，从而制造出一单块耐火材料。然而，已经知道一些单块耐火材料具有低导热率、低强度和粘结困难的缺陷，这些缺陷导致炉渣过多堆积，阻碍高导热，从而降低效率。
另一种类型的商用耐火材料是管瓦或管座结构。图2示出一传统的管座结构。管座一般是一呈正方形或矩形的耐火瓦(通常不大于高度L8～12英寸×宽度W8～12英寸×深度D1英寸)，对其具有通道C和凸脊R的后表面作些变动以适合于与水冷壁管的结构配合。当以一类似于砌砖的方式把这些管座组合起来时，即把一外周覆盖有砂浆的管座放在适当的位置，另一块管座放在第一块管座的上面或旁边，一耐火壁便建成了。这种组合一直连续到所需要的壁构成。通常在连接隔板M上增加一柱螺栓(stud)S或直接使柱螺栓通过管座一凸脊中的孔H加到水冷壁管上，并通过一螺钉A紧固柱螺栓S，以固定管座和管子组件，见图3。管座的通道一般不会直接与所接纳的金属管子接触。相反，通道和管子被一砂浆内层(图未示)粘结在一起。虽然砂浆在管子与管座之间形成良好的粘结，但其本身的导热率是很差的，所以阻止了热量从炉子流到管子。总的来说，与单块结构相比，管座具有高强度、良好粘结和较高的导热率等优点。
当传统的管子组件由中心间距为4英寸、直径为3英寸的金属管组成时，单个管座的尺寸一般为高度7-7/8英寸左右、宽度7-7/8英寸左右、深度1英寸。这种间隔在管座与管座之间形成紧密的配合(即约为1/8英寸)，这样减少了空隙扩展的机会，妨碍管子与管座组件之间的热流。
图4示出一商用的耐火管座的结构。除在管座的周围有一槽之外，这种结构类似于上述的传统已有技术的结构。虽然这种结构具有已讨论过的胜过单块隔板的优点，然而，它的深度至少约1英寸，所以热量流动差，分量重。
另一种商用管座结构是搭叠(ship-lap)结构。原来用在循环硫化床锅炉(circulating fluidized bed boiler)的如图5所示的搭叠结构有一联锁结构，该结构能避免小颗粒(如砂子)渗入相邻管座之间的间隙。然而，联锁结构使搭叠结构制造昂贵。此外，一般搭叠结构的深度至少约为0.875英寸。虽然这种较大的深度为防止管座的破裂提供了安全措施，但也严重地妨碍了热流通过耐火材料，而且使管座很重。
在努力提高管座结构的导热率过程中，转让给诺顿公司的美国专利№5,154,139(Johnson的专利)揭示了一种深度为1/2英寸、在通道上具有肋的管座。如图6所示，当该带有肋的管座与管座组件相对放置时，肋与管壁接触。这种直接接触使得热量从低导热率的砂浆旁流过，所以样提供了比其它传统管座结构高的导热率。这种结构的深度较浅(即1/2英寸)，也增加了其导热性。然而发现，Johnson的专利的商用实施例在本领域失败了。具体地说，在图6中，管座中用“X”标记的地方的裂纹开始扩展。
因此，需要一种既轻又可靠且具有优良导热性的耐火管座。发明概要参阅图7，根据本发明，提供了一种水壁热传递装置，这种装置包括一管座和一管子组件，管子组件包括数个平行的、相互间用一连接隔板92连接的管子91，其中管座包括a)一底部1，以及b)数个间隔的从底部1往上伸出的凸脊2，至少一个间隔凸脊2的上表面构成了一个基本水平的表面3，在这些间隔的凸脊之间构成了若干通道4，至少一个间隔凸脊2的高度使得管座组件的连接隔板92座落在该凸脊2上，所述管座包括一个把管座固定到管子组件上装置。附图简要说明图1是传统的管子组件的立体图。
图2是已有技术通用的管座结构的立体图。
图3是一管座组件固定于一传统管座的侧视图。
图4是一已有技术结构的立体图。
图5是一已有技术的搭叠结构的立体图。
图6是一已有技术的Johnson专利结构的侧视图。
图7是本发明一实施例的侧视图。
图8是本发明固定于一管子组件的一实施例的剖视图。
图9是本发明的另一个实施例，在该实施例中，柱螺栓的外面套有一套管，在容纳螺柱的的管座孔上放置一盖子。
图10是本发明的一个实施例，在该实施例中，中心凸脊没有遍布管座的整个长度。发明的详细描述暂时不从理论上来探讨，可以相信Johnson专利的商用实施例的损坏在于管座与金属管之间的接触点具有较大的应力集中。通过提高管座的中心凸脊，使管子组件的连接隔板座落在中心凸脊上(这样可避免管座与金属管之间的直接接触)，意外地发现，即使管座的深度薄至0.75英寸，也不会出现上述的损坏。
现在参阅图8，当管座50正对管子组件60放置时，组件60的柱螺栓穿过中心凸脊2中的孔5，使中心凸脊2的水平铝平面3固定于管子组件60的连接隔板62上。由于中心凸脊2的高度(定义为水平面3到管座前表面的距离)超过管座50的深度和管子61半径的总和、管子61不可能与通道4紧密接触。管子61与通道4之间的间隙最好约在1/8至3/8英寸之间。当紧固柱螺栓63时，管子组件60对填充砂浆(图未示)的管座50的通道4施加力，从而消除了空隙。万一在延期使用期间，连接件即柱螺栓63和螺柱锈蚀的话，砂浆可使管座50与管子组件60保持接触。
虽然管座的尺寸根据最终的使用需要和所使用的炉子的管子尺寸而变动，各个管座的大小一般为宽度6至12英寸、高度6至12英寸、深度0.625至0.750英寸左右。然而在一些实施例中，所使用的管子组件的管子直径为3英寸，中心间距为4英寸，管座前表面的尺寸仅仅为7-3/4×7-3/4英寸。不从理论上来探讨，可以相信传统的7-7/8×7-7/8英寸结构在各个管座之间形成一1/8英寸的间隙，而这个间隙没有为管座的热膨胀留下足够的空间，从而使管座易于过早破裂。相信本发明的该实施例尺寸的减小(即在各个管座之间提供一1/4英寸的间隙)会进一步降低作用在各个管座上的应力。管座50的深度65一般在0.5至1.0英寸左右，最好在0.5至0.750英寸左右。可以相信，深度的下降提供了超过传统的深度为1英寸的管座的约33％的热传导增量。尺寸的减小还降低了管座的重量。在一个7-3/4×7-3/4×0.750英寸的实施例中，管座基本上由氮氧化合物或氮化物粘结的碳化硅组成，管座的重量只有6.5磅左右。
在一些有三个分开的凸脊的实施例中，中心的凸脊比旁边的凸脊长，一般比旁边的凸脊长0.5至1.0英寸。
由于在使用管座的初级燃烧区(第一阶段)所产生的温度特别高，管座一般由碳化硅组成，最好是氮氧化合物、氮化物或氧化物粘结的碳化硅。但也可采用其它的合适耐火材料，例如铝、氧化锆和碳。除了耐火材料本身外，管座还包括一具有高导热率的粘结组份。一较佳管座的成份包括约80至95％的碳化硅和约5至20％的诸如一以氮化物或氧化物为主材料的粘结剂。更具体地讲，管座可由CN-163、CN-183、CN-127或CN-101中的任何一种制成，每一种都可从马萨诸塞州伍斯特的诺顿公司购得，或是可比较的耐火材料。
一般用于管座制造的任何传统技术可用来制造本发明的管座。在较佳实施例中，含有碳化硅颗粒和粘结剂的化合物被放入一干压机中，并被压成一个湿体，然后在一具有氧气或氮气的隧道式窑中干燥焙烧该湿体，成为一耐火材料。
用于本发明的耐火泥浆可以是任何合适的合成物，最好是能在管座与水冷壁管之间提供最高的导热率和热传递。合适的砂浆合成物一般以碳化硅为主要成份，再包括能牢固粘结管座和金属水冷壁管的粘结剂。在较佳实施例中，砂浆包括铜金属和碳化硅。更具体地讲，砂浆是型号为MC-1015含有铜的砂浆，这种砂浆可从马萨诸塞州伍斯特的诺顿公司购得。
虽然没有示出，但另外的管座可放置在管子组件的相邻部分。根据锅炉的尺寸，管座一般可上、下和两侧放置，当初级燃烧区的水冷壁管需要保护时以覆盖这些水冷壁管中的大部分。在一传统的MSW工厂，这些管座通常被用来覆盖所有的受到燃烧物破坏的水冷壁管在本发明的一些实施例中，一陶瓷套管10套在把管座50固定到管子组件60上的柱螺栓63外面，一孔盖11置于管座中的容纳柱螺栓63的孔上，见图9。可以相信，这些变异可以使柱螺栓保持相对冷却，从而延缓螺柱的腐蚀。
在一些实施例中，管座凸脊20的长度没有遍布管座的长度，而仅仅在孔5的附近延伸，见图10。可以相信，这种结构对降低用在大炉子中的管座上的应力是有利的，其中长管子的热膨胀会对管座产生一轴向的不均匀的力。在某些实施例中，凸脊的长度小于50％左右的底部的长度。
在一些实施例中，通过把一耐火条(一般为0.5×6.5×0.625英寸)放置在一传统管座的中心凸脊的水平面上，来改变一传统的管座耐火材料装置。业已发现，这种改变也具有所需要的效果，即把耐火的管座轻轻的脱离水冷壁管的表面，使得水冷壁管的较大的热膨胀所引起的较大的应力降为最小，从而提高管座装置的完整性。
权利要求书按照条约第19条的修改1.一种水壁热传递装置包括一管座和一管子组件，管子组件包括数个平行的、相互间用至少一个连接隔板连接的管子，其特征在于，管座包括a)一底部，以及b)数个平行间置的、从底部往外伸出的凸脊，至少一个凸脊的表面构成了一个接纳连接隔板的表面，连接隔板安装在凸脊的表面，在这些间隔的凸脊之间构成了若干平行的通道，至少一个间隔凸脊的伸出使平行的诸管子不与通道接触，从而消除了这些平行的管子与通道之间的大的应力集中。
2.如权利要求1所述的水壁热传递装置，其特征在于，诸凸脊横跨底部的长度。
3.如权利要求1所述的水壁热传递装置，其特征在于，凸脊延伸的长度小于底部长度的50％左右。
4.如权利要求1所述的水壁热传递装置，其特征在于，一从连接隔板伸出的轴向柱螺栓插入一从凸脊的表面穿过管座的孔，使连接隔板固定到凸脊的表面。
5.如权利要求4所述的水壁热传递装置，还包括一在管座的底部覆盖孔的孔盖。
6.如权利要求4所述的水壁热传递装置，还包括一套在柱螺栓外面的陶瓷套管。
7.如权利要求1所述的水壁热传递装置，在所述管座与所述通道之间的间隙约在1/8与3/8英寸之间。
8.如权利要求1所述的水壁热传递装置，其特征在于，管座的深度约在0.625与0.750英寸之间。
9.如权利要求1所述的水壁热传递装置，其特征在于，其上固定有连接隔板的间置凸脊从底部伸出的距离比其它的间置凸脊长。
10.一耐火管座包括a)一底部，以及b)三个对齐的从底部向上伸出的间隔凸脊，中心的间隔凸脊从底部伸出的距离至少比旁边的凸脊长0.5英寸左右，在间隔的凸脊与凸脊之间构成若干通道。
11.如权利要求10所述的管座，其特征在于，通道的形状为半圆形。
12.如权利要求10所述的管座，其特征在于，凸脊横跨底部的长度。
13.如权利要求10所述的管座，其特征在于，凸脊延伸的长度小于底部长度的50％左右。
14.如权利要求10所述的管座，其特征在于，管座还包括a)一在中心的间隔凸脊中的孔从基本水平的表面穿过管座的底部。
15.如权利要求10所述的管座，其深度约在0.5与1.0英寸之间。
16.如权利要求10所述的管座，其深度约在0.625与0.750英寸之间。
17.一种水壁热传递装置包括若干权利要求1的管座，所述管座是矩形的，并相互间相隔一间隙而相邻组合在一起，所述间隙至少有1/4英寸长。
18.如权利要求9所述的水壁热传递装置，在管子与通道之间有一个约在1/8与3/8英寸之间的间隙。
权利要求
1.一种水壁热传递装置包括一管座和一管子组件，管子组件包括数个平行的、相互间用一连接隔板连接的管子，其特征在于，管座包括a)一底部，以及b)数个间隔的从底部往上伸出的凸脊，至少一个间隔凸脊的上表面构成了一个基本水平的表面，在这些间隔的凸脊之间构成了若干通道，至少一个间隔凸脊的高度使得管座组件的连接隔板座落在该凸脊上，所述管座包括一个把管座固定到管子组件上装置。
2.如权利要求1所述的水壁热传递装置，其特征在于，诸凸脊横跨底部的长度。
3.如权利要求1所述的水壁热传递装置，其特征在于，凸脊延伸的长度小于底部长度的50％左右。
4.如权利要求1所述的水壁热传递装置，其特征在于，把管座固定到管子组件的装置包括a)一凸脊中的孔从基本水平的表面穿过管座的底部，以及b)一穿过管子组件的轴向柱螺栓。
5.如权利要求4所述的水壁热传递装置，还包括一在管座的底部覆盖孔的孔盖。
6.如权利要求4所述的水壁热传递装置，还包括一套在柱螺栓外面的陶瓷套管。
7.如权利要求1所述的水壁热传递装置，在所述管座与所述通道之间的间隙约在1/8与3/8英寸之间。
8.如权利要求1所述的水壁热传递装置，其特征在于，管座的深度约在0.625与0.750英寸之间。
9.如权利要求1所述的管座，其特征在于，至少一个间隔凸脊从底部伸出的距离至少比其它的间隔凸脊长0.5英寸左右。
10.一耐火管座包括a)一底部，以及b)三个对齐的从底部向上伸出的间隔凸脊，中心的间隔凸脊从底部伸出的距离至少比旁边的凸脊长0.5英寸左右，在间隔的凸脊与凸脊之间构成若干通道。
11.如权利要求10所述的管座，其特征在于，通道的形状为半圆形。
12.如权利要求10所述的管座，其特征在于，凸脊横跨底部的长度。
13.如权利要求10所述的管座，其特征在于，凸脊延伸的长度小于底部长度的50％左右。
14.如权利要求10所述的管座，其特征在于，管座还包括a)一在中心的间隔凸脊中的孔从基本水平的表面穿过管座的底部。
15.如权利要求10所述的管座，其深度约在0.5与1.0英寸之间。
16.如权利要求10所述的管座，其深度约在0.625与0.750英寸之间。
17.一种水壁热传递装置包括若干权利要求1的管座，所述管座是矩形的，并相互间相隔一间隙而相邻组合在一起，所述间隙至少有1/4英寸长。
全文摘要
一种水壁热传递装置包括管座和管子组件，管子组件包括数个平行的、相互间用一连接隔板(92)连接的管子(91)，其中管座包括a)一底部，以及b)数个间隔的从底部往上伸出的凸脊(3)，至少一个间隔凸脊的上表面构成了一个基本水平的表面，在这些间隔的凸脊之间构成了若干通道(4)，至少一个间隔凸脊的高度使得管座组件的连接隔板座落在该凸脊上，所述管座包括一个把管座固定到管子组件上装置。
文档编号F22B37/10GK1149913SQ95193382
公开日1997年5月14日 申请日期1995年5月31日 优先权日1994年6月2日
发明者斯蒂芬·M·库比尔克, 西田辰男 申请人:圣戈本/诺顿工业搪瓷有限公司