带有共轴的热交换器的热学设备的制作方法

本实用新型涉及一种热学设备，该热学设备带有一个可压力密封地关闭的压力罩并带有一个共轴的、内部的热交换器，该热交换器包围一个内部空间、支承在一个设备底部上并且形成一个相对于该压力罩的环形空间。

背景技术：

一个此类的热学设备大多具有一个带有可关闭的盖板凸缘的压力罩，该盖板凸缘相对于设备轴线居中地安排并且具有一个相关的内部直径。此外，该热交换器在其朝向该盖板凸缘的末端处具有一个上部的管件，该上部的管件具有一个此类的外部直径，该外部直径小于该盖板凸缘的内部直径。该上部的管件竖直地延伸到该盖板凸缘中。在该环形空间中能够用一种吹扫气体相对于该反应空间构造出过压。

在密封压力空间时经常存在如下问题，在密封位置处彼此邻接的部件由于不同的温度或不同的材料而不同地膨胀并且因此导致热学引起的、密封件伙伴(Dichtungspartner)的相对运动。尽管存在相对运动，密封的问题仍随着压力和温度的增加而加剧。

所属类型的热学设备的一个典型的应用情形是用于产生合成气的气化反应器，该气化反应器具有外部的压力罩和在该压力罩中被安排为热交换器的一个冷却屏。该冷却屏包围该气化反应器的一个内部空间。在该内部空间(该内部空间在该应用情形下被称为反应空间)中，至多达2000℃的温度和至多达100巴的压力占主导。在该气化反应器内部的冷却屏用于承载压力的反应器壁的热学保护。该冷却屏通常形成为用冷却水流经的盘管(Rohrwicklung)，其中这些管压力密封地彼 此焊接并且形成一个相对于该反应器壁的环形空间，为保护其免受腐蚀的、杂散的(vagabundierenden)反应气体，借助一种惰性气体来吹扫该环形空间。在此，该惰性气体压力略微超过该冷却屏包围的反应空间中的压力。

为了使气体吹扫实现其目的，在冷却屏和反应器壁之间的该环形空间必须尽可能完全地与该反应空间分离。在此出现多个问题。

该冷却屏通常支承在该反应器底部上，即，在那里形成固定承载。由于在该反应区中的高运行温度，在该冷却屏的这些盘管中的冷却剂的温度为至多250℃。位于该冷却屏后面的反应器壁加热明显更少，一般来说在该反应器壁的内侧还安装有一个耐火衬壁(Feuerfestausmauerung)。

因此在将该反应器加热至运行温度期间或在运行中断期间导致在该反应器壁中和在该冷却屏中的不同的膨胀。在冷却屏和反应器壁之间的一个密封件必须能够补偿该相对运动。

气化反应器通常是圆柱形的并且具有一个盖板凸缘，该盖板凸缘的实心的凸缘套管为密封件的安装提供良好的前提条件。因此最近实施如下冷却屏构造方式，这些冷却屏构造方式向上具有一个达到该凸缘直径的、锥形的变窄部。

过去，人们也已经尝试用不同的器件来密封在盖板凸缘和冷却屏之间的、由此产生的环形间隙。

在一个简单的变体中，仅用高的惰性气体流量来吹扫没有额外密封器件的其余的环形间隙(DD 237 318 A1)。在此示出的是，进入该反应空间中的惰性气体流量在维持反应空间温度的情况下导致能量上的缺点，并且不可避免的是，反应气体可能侵入在冷却屏和反应器壁 之间的该环形空间中。

第二种变体在冷却屏和盖板凸缘之间提供一个弹性的密封件(例如以密封条的形状)。运行经验表明，这些密封件磨损得很快或由于熔渣堆积而丧失其功能。

滑动密封件属于第三种变体。为此，该冷却屏借助一个气体密封地焊接的管件向上延长到该盖板凸缘中并且该滑动密封件被安排在该盖板凸缘中。该密封类型也包含很多问题。如果使用硬的滑动密封件材料，则制造误差、尤其焊接后的管件的形状偏差导致非密封性，该非密封性由于密封材料缺乏弹性而不能够被补偿。根据DE 20 2007 011 109 U1或DE 20 2007 018 720 U1，在使用软的滑动密封件(这些软的滑动密封件与填料箱(Stopfbuchsen)可相比地通过压缩实现其密封功能)的情况下，在该密封间隙处的这些不可避免的、非常硬的熔渣堆积或与腐蚀性的反应气体相关的高反应器温度导致该密封材料快速磨损。

在第四种变体中，通过在该管件处安装波纹管补偿件(这些波纹管补偿件关闭在冷却屏和盖板凸缘之间的间隙)，完全排除了在这些密封件伙伴之间的滑动运动(例如EP 0 254 830 A2、US 4.202.672 A、DE 10 2007 045 321 A1)。由于补偿件根据功能必须补偿轴向的相对运动，这些补偿件由薄壁的、折叠的金属管件制成，但是这些金属管件在腐蚀性的气氛中被气化反应器快速地腐蚀和穿通。

技术实现要素：

因此从已知的现有技术的所述的缺点出发，本实用新型所基于的目的在于，提供一种结构性的解决方案，以便构型在该冷却屏和传递压力的、在该盖板凸缘的区域中的设备壁(该设备壁具有长的使用时间)之间的环形间隙。

根据本实用新型，该目的通过如下热学设备实现，其中能够用吹扫气体加载的一个迷宫式密封件被安排在该盖板凸缘和该管件之间的一个环形间隙中。

根据本发明的一种实施方式，该热学设备带有一个可压力密封地关闭的压力罩并带有一个共轴的、内部的热交换器，该热交换器包围一个内部空间、支承在一个设备底部上并且形成一个相对于该压力罩的环形空间，其中

-该压力罩具有一个可关闭的盖板凸缘，该盖板凸缘相对于设备轴线居中地安排并且具有一个内部直径Di，

-该热交换器在其朝向该盖板凸缘的末端处具有一个上部的管件，该上部的管件具有一个外部直径Da<Di，该上部的管件竖直地延伸到该盖板凸缘中，

-在该环形空间中能够用一种吹扫气体相对于该内部空间构造出过压，

其特征在于，能够用一种吹扫气体加载的一个迷宫式密封件被安排在该盖板凸缘和该管件之间的一个环形间隙中。

迷宫式密封件是在蒸汽或燃气涡轮机、旋转式压缩机或飞机引擎中的经典的轴密封件。在此，该待密封介质很热并且轴转速很高。

这涉及到用于气体的节流式密封件，也就是说，一定程度上的气体泄漏是不可避免的。迷宫式密封件通常由间隔环和节流板构造成并且运行可靠。在专业文献中详细地描述了基本构造形式及其针对具体应用情形的计算，例如能够在“www.fachwissen-dichtungstechnik.de”中找到。因此在此应只描述原理上的解决方案。

根据本实用新型，最初针对旋转的部件开发的密封件类型被用于相对于热反应气体来密封静态的反应器部件。虽然由于缺少旋转运动限制了密封作用，但是期望(例如从在热交换器和压力罩之间的该环 形空间到该反应空间中的)较小的气体体积流量完全用于冷却这些节流孔板。

为了避免热的反应气体向在该冷却屏之后的该环形空间中回流，在溢流位置处必须在环形空间和反应空间之间的密封位置处存在一个正的压力差。在文献中充足地、准确地描述了迷宫式密封件的流动行为和压力差的计算。必须特别重视的是，要注意最少需要的间隙高度和涡流室高度的最佳比率以及间隙长度和间隙宽度的比率。在迷宫式密封件上的实际压力损失的计算在考虑到可允许的制造公差和密封间隙变化(由于热膨胀不同)的情况下进行。

优选地，该迷宫式密封件被安排在该盖板凸缘的一个横截面扩展部中。

优选地，该迷宫式密封件形成为在该管件处具有多个密封间隙的、开放式的迷宫。

该迷宫式密封件优选是由不锈钢制成的。

能够用来自该环形空间的吹扫气体来吹扫这些密封间隙。

该热学设备是一个气流式气化炉并且该热交换器是用于该压力罩的热学保护的一个冷却屏。

相对于已知的解决方案，本实用新型具有多个优点：

本实用新型在同时避免密封件伙伴的摩损性的表面接触的情况下能够实现足够的密封程度。在正确的安装顺序下，可能实现这些密封件部件相对彼此所需要的确切的定位。在冷的状态下安装时有利地存在大的密封间隙，然而在加热时由于密封件伙伴和节流环的径向的材料膨胀，密封间隙变得更小并且密封作用由此提高。为了生产该迷宫 式密封件，可以从耐磨损的材料的大范围变体中选择，优选使用不锈钢。该迷宫式密封件的模块式的构造能够使密封性简单地适配于在不同的热学设备中的具体条件。

附图说明

下面应以气化反应器为例来解释根据本实用新型的热学设备。所属的附图在此示出：

图1：示出了一个气化反应器的上部区段的截面图示

图2：示出了在该盖板凸缘中的一个迷宫式密封件的示意图

具体实施方式

在图1中示出的一个圆柱形的气化反应器(该气化反应器具有一个可压力密封地关闭的压力罩1)的上部区段中，一个内部的、接近壁的热交换器2(在气化反应器的情况下被称为冷却屏)被安排为共轴的。该冷却屏支承在一个设备底部(未示出)上并且形成一个相对于该压力罩1的环形空间4，其中该压力罩1具有一个可关闭的盖板凸缘5，该盖板凸缘相对于设备轴线居中地安排并且具有一个内部直径Di(图2)。

该盖板凸缘5(该盖板凸缘一般也用于接收气化燃烧室的夹持件)用一个凸缘盖(没有参考符号)压力密封地关闭。

正如从图2中的截面图示可看到的，该热交换器2具有多个气体密封地连接的冷却剂通道(在此通过一个上部的冷却管6象征性地示出)以及具有外部直径Da<Di的呈上部管件7构型的一个轴向的延长部，该上部的管件被焊接到该上部的冷却管6上并且向上膨胀直到该盖板凸缘5中。

在该环形空间4中能够用一种从外部可输送的吹扫气体8相对于在该热交换器中的该内部空间3(反应空间)构造出过压。

能够用吹扫气体8加载的一个轴向的迷宫式密封件9被安排在该盖板凸缘5和在该盖板凸缘中定中心的管件7之间的环形间隙中。

该迷宫式密封件9可以由一个紧凑的包(Paket)组装，该紧凑的包由多个、呈环形地围绕该管件7膨胀的节流点组成，这些节流点作为密封间隙11起作用。这些节流点例如能够通过环形的节流板实现，这些节流板通过对应地位于两个节流板之间的间隔环彼此间隔开，以便在这些节流板之间及在这些间隔环上形成多个在轴向上彼此并排的涡流室12。替代性地，迷宫式密封件的其他的、可比较的实施方式也是可行的。正如在图2中示出的，也可能由一个区段制成。在节流板的这些内部平面和该管件7之间，用于吹扫气体9的节流间隙在十分之一毫米的范围内形成。两个节流板彼此间的距离大约在15-20mm的范围内。在径向上在这些节流板之间的涡流室12的深度为这些节流间隙的高度的大约十倍。密封作用取决于节流间隙的数量，该数量能够相应地适配于对应的要求。在每个边缘尖锐的节流点之后在这些涡流室12中形成多个涡流，这些涡流在吹扫气体流中导致相应的压力损失并且借助每个节流点进一步减小了气体流。

由于作为开放式的迷宫的迷宫密封件的构型相对于该密封件类型的另外的、已知的变体产生更小的节流作用，例如一个带齿的迷宫(在该管件7和该盖板凸缘5的另一侧的节流板)或一个阶段式的迷宫(在管件7和盖板凸缘5上的阶梯状的直径分级)，所展示的构造形状对于安装到一个气化反应器中是最佳地适用的，这是由于更高的吹扫气体流量和对该密封件的由此更高强度的冷却以及由于小的制造成本。

在用于密封在冷却屏和压力罩1之间的环形空间4的迷宫式密封件的所描述的用途中，可以使用惰性气体来吹扫在这两个部件之间的该环形空间4。该吹扫气体8通常在该环形空间4(未示出)的下部被引入并且在该环形空间中向上流动。在该冷却屏的上部中，该吹扫气 体8通过为此提供的穿通部被转移到该气化反应器的内部空间3中。这例如可以通过一个或多个溢流通道(未示出)实现，这些溢流通道通向在该管件7的上部边缘处的迷宫式密封件9上方的间隙中。

为了竖直地固定该迷宫式密封件9，该迷宫式密封件被支承在该盖板凸缘5的一个机械加工的凹座中。所需要的径向的横截面扩展部能够以简单的方式通过在焊接到该压力罩1中之前拧下盖板凸缘5来生产。

配对件——该冷却屏(管件7)的管状的延长部——在外圆周处被机械地加工，以便减小形状偏差(在图2中通过较小的壁厚度示意性地示出)。

为了安装该迷宫式密封件9，首先将该圆柱形的管件7放置到该冷却屏的上部的盘管上。之后，将该迷宫式密封件9推入到该盖板凸缘5的该为此提供的凹座中。该迷宫式密封件9使该管件7在其机械加工的外部平面处在该冷却管6上定中心。最后将该定中心的管件7与该冷却屏的上部的冷却管6气体密封地焊接。

本领域的技术人员可以在其他的实施方式中便利地组合前面在本实用新型的不同的构型中实现的特征。

附图标记列表

1 压力罩

2 热交换器

3 内部空间

4 环形空间

5 盖板凸缘

6 冷却剂通道

7 管件

8 吹扫气体

9 迷宫式密封件

10 横截面扩展部

11 密封间隙

12 涡流室