DE10235485A1

DE10235485A1 - Hochtemperaturdichtung

Info

Publication number: DE10235485A1
Application number: DE10235485A
Authority: DE
Inventors: Reiner Dr. Götz
Original assignee: Linde GmbH
Current assignee: Linde GmbH
Priority date: 2002-08-02
Filing date: 2002-08-02
Publication date: 2004-02-12

Abstract

Es wird eine gasdichte und lösbare Verbindung (6) zwischen einem ersten keramischen (1) und einem zweiten keramischen und/oder metallischen Apparateteil (3) beschrieben. Um auch bei großen Druckdifferenzen und Temperaturschwankungen Gasdichtheit und Lösbarkeit zu gewährleisten, wird eine Verbindung (6) aus einem Verbundwerkstoff mit keramischer Matrix vorgeschlagen (Figur).

Description

Die Erfindung betrifft eine gasdichte Verbindung zwischen einem ersten keramischen und einem zweiten keramischen und/oder metallischen Apparateteil.
Bei Anlagen, die in einem hohen Temperaturbereich, zum Beispiel im Bereich bis 1000 °C, betrieben werden, können für bestimmte Anlagenteile keramische Werkstoffe vorteilhaft sein. Beispielsweise werden für Anlagen zur Sauerstoffgewinnung oder partiellen Oxidation von Kohlenwasserstoffen gelegentlich keramische Hochtemperatur-Rohrbündel-Wärmeübertrager bzw. Reaktoren und Membran-Rohrbündelmodule aus Keramik vorgeschlagen. Problematisch bei der Verwendung von Keramikmaterialien in solchen Anlagen ist jedoch die Herstellung einer gasdichten Verbindung zwischen dem Keramikmaterial und einem Verbindungskörper. Beim Einsatz von keramischen Rohren kommt es z.B. auf eine gasdichte Verbindung zwischen den keramischen Rohren und den metallischen oder keramischen Rohrböden bei hohen Drücken und Temperaturen von bis zu 1000 °C an.
Bisher wird in solchen Fällen die Gasdichtheit üblicherweise durch eine stoffschlüssige Verbindung mittels Löten hergestellt. Eine Lötverbindung Keramik/Keramik bzw. Keramik/Metall ist zwar machbar, erfordert jedoch ein aufwendiges Verfahren, da ein vorheriges Metallisieren der keramischen Flächen oder die Verwendung eines reaktiven Lotes notwendig ist. Außerdem ist eine solche Lötverbindung nicht lösbar. Eine Lötverbindung zwischen Keramik und Metall ist insbesondere bei Betriebstemperaturen von bis zu 1000 °C problematisch, da zwischen den Schmelztemperaturen von lot- und metallischen Werkstoffen nur ein geringer Unterschied besteht. Es kommt zu starken Spannungen innerhalb der Lötverbindung bei Temperaturwechsel infolge unterschiedlicher thermischer Dehnung von Keramik, Lot und Metall. Bei unterschiedlichen Rohrtemperaturen bei Verwendung mehrerer Rohre kommt es ebenfalls zu starken Spannungen in den Rohren in axialer Richtung, wobei bereits geringe Zugspannungen zum Bruch der keramischen Rohre führen können. Unabhängig davon muss ein Rohrbündelmantel mit axialem Dehnungskompensator versehen sein.

Eine ähnliche Verbindung wird auch bei Ersatz der metallischen Lote durch schmelzende Keramikmischungen erreicht ( US-PS 5 725 218 ). Bei diesen Verbindungen entfällt die Metallisierung. Die übrigen Nachteile lassen sich jedoch nicht beseitigen.

Aus der EP 1 067 320 A2 ist eine formschlüssige lösbare Verbindung mit selbstdichtenden metallischen Formringen bekannt. Hierbei wird das für eine Wellenabdichtung bekannte Prinzip angewendet, das auf metallischen Formringen beruht, welche koaxial zur Rohrachse am inneren Durchmesser auf der Rohroberfläche und am äußeren Durchmesser in einer Aussparung des Verbindungskörpers klemmen. Die Formringe sind hohl und zeigen nach der Montage mit ihrer offenen Seite in Richtung des höheren Druckes, wodurch unter Betriebsbedingungen die Klemmwirkung verstärkt wird und, elastische Beanspruchung vorausgesetzt, sich die Formringe den Dehnungsunterschieden in radiale Richtung anpassen und somit eine temperatur- und druckwechselbeständige Abdichtung gewährleisten. In den Rohren können in axialer Richtung keine größeren Spannungen infolge unterschiedlicher thermischer Dehnung auftreten. Von Nachteil ist jedoch, dass die Formringe aus Metall bestehen. Infolge der geringen Elastizität der einsetzbaren hochwarmfesten Stähle können nur geringe Dehnungsunterschiede elastisch kompensiert werden, ohne dass Undichtigkeiten auftreten oder schädigende Verformungen der Formringe entstehen. Weiterhin wird sich bei Einsatztemperaturen bis zu 1000°C das Kriechverhalten der metallischen Werkstoffe störend auswirken, was in Dauerbetrieb zu einer bleibenden Verformung bis zur Zerstörung der Formringe führen wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Verbindung der Eingangs genannten Art zur Verfügung zu stellen, die auch bei Druckdifferenzen und hohen Temperaturen sowie starken Temperaturschwankungen gasdicht und lösbar ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Verbindung aus einem Verbundwerkstoff mit keramischer Matrix gebildet ist. Grundgedanke der Erfindung ist es also, anstelle von metallischen Werkstoffen für die gasdichte Verbindung Verbundwerkstoffe mit keramischer Matrix, bekannt als Ceramic Matrix Composite (CMC), einzusetzen. Infolge der keramischen Matrix setzt bei derartigen Werkstoffen das unerwünschte Kriechen erst bei wesentlich höheren Temperaturen, im allgemeinen erst deutlich über 1000°C, ein. Als Füllstoff verwendete Verbundkomponenten besitzen hohe Temperaturbeständigkeit, hohe Elastizität und hohe Zugfestigkeit. Diese positiven Eigenschaften werden auf die keramische Matrix übertragen, so dass ein geeigneter CMC-Werkstoff gegenüber metallischen Werkstoffen eine vergleichsweise hohe Elastizität und hohe Kriechfestigkeit besitzt.

Die keramische Matrix kann aus reiner Keramik oder aus Glaskeramik oder aus reinem Glas oder auch aus Mischungen dieser Werkstoffarten bestehen. Ein Beispiel für einen einsetzbaren CMC-Werkstoff ist Glimmer/Perowskit-Oxidkeramik.

Die erfindungsgemäße gasdichte Verbindung wird vorzugsweise bei Rohren eingesetzt. In diesem Fall besteht das erste Apparateteil aus einem keramischen Rohr und das zweite Apparateteil aus einem keramischen oder metallischen Rohrboden. Außerdem weist die gasdichte Verbindung zweckmäßigerweise zumindest einen selbstdichtenden Formring auf. Der aus einem Verbundwerkstoff mit keramischer Matrix bestehende Formring sorgt für eine gasdichte und lösbare Verbindung zwischen dem keramischen Rohr und dem keramischen oder metallischen Rohrboden.

Die Erfindung eignet sich für alle denkbaren Apparateteile, bei denen es auf eine gasdichte und lösbare Verbindung zwischen einem ersten keramischen Apparateteil und einem zweiten keramischen und/oder metallischen Apparateteil ankommt. Mit Vorteil kann die Erfindung insbesondere bei Partial-Oxidations-Synthesegasreaktoren oder Sauerstoffseparatoren eingesetzt werden. Aber auch eine Anwendung in Brennstoffzellen ist denkbar.

Im Folgenden soll die Erfindung anhand eines in der Figur schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert werden:
In der Figur ist eine Hochtemperaturdichtung für keramische Rohre dargestellt.
Das Keramikrohr 1 wird durch die Öffnung 2 des keramischen oder metallischen Verbindungskörpers 3 (im vorliegenden Fall Rohrboden) geführt. Die einzelnen Dichtungselemente, die vorzugsweise alle aus CMC bestehen, befinden sich in einer ringförmigen Aussparung 4 des Verbindungskörpers 3 koaxial zur Achse des Keramikrohres 1. Zu den Dichtungselementen gehören der Grundring 5, auf dem sich der Formring 6 und auf diesem der Abstandsring 7 befindet. In analoger Weise sind zwei weitere Formringe 6 mit dazwischen befindlichem Abstandsring 7 angeordnet. Den Abschluss bildet der Kopfring 8. Mittels des vorzugsweise auch aus CMC bestehenden Federringes 9 werden alle Dichtungselemente in axialer Richtung fixiert. Die Formringe 6 zeigen mit ihrer offenen Seite nach oben in Richtung des höheren Gasdruckes (im Beispiel: Gasdruck oberhalb des Rohrbodens bzw. in den Keramikrohren höher als unterhalb des Rohrbodens). Dadurch werden die radialen Begrenzungsflächen der Formringe 6 gegen die innere Begrenzung (Keramikrohr 1) und äußere Begrenzung (Verbindungskörper 3) elastisch gedrückt, wodurch eine dauerhafte Abdichtung erzielt wird. Die Vorrichtung lässt eine axiale Bewegung des Keramikrohres 1 relativ zum Verbindungskörper 3 zu.
In der Vorrichtung kommen mindestens ein Formring 6, vorzugsweise drei Formringe 6 zur Anwendung. Bei nur einem Formring 6 entfallen die Abstandsringe 7.
Für die Formringe ist auch eine andere Gestaltung als in 1 dargestellt möglich. Allen Formringen ist jedoch gemeinsam, dass sie hohl und an einer Seite offen sind und die vorher beschriebene Wirkung erreicht wird.

Claims

Gasdichte Verbindung (6) zwischen einem ersten keramischen (1) und einem zweiten keramischen und/oder metallischen Apparateteil (3), dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung (6) aus einem Verbundwerkstoff mit keramischer Matrix gebildet ist.
Gasdichte Verbindung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Apparateteil (1) aus einem keramischen Rohr und das zweite Apparateteil (3) aus einem keramischen oder metallischen Rohrboden besteht.
Gasdichte Verbindung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung (6) mindestens einen selbstdichtenden Formring aufweist.
Gasdichte Verbindung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die keramische Matrix aus reiner Keramik, Glaskeramik, reinem Glas oder Mischungen dieser Werkstoffe besteht.