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Die Erfindung bezieht sich auf einen Wärmetauscher, insbesondere Zwischenwärmetauscher für gas- gekühlte Hochtemperaturreaktoren, mit zwei parallelachsig nebeneinander angeordneten Gegenstrom-Wärme- tauschereinheiten, die jeweils aus einem von einem Mantelrohr für das Heiz- bzw. Primärmittel umschlossenen, an einem Ende an einem Verteiler und am andern Ende an einem Sammler angeschlossenen
Geradrohrbündel für das Kühl- bzw. Sekundärmittel bestehen und in Reihe geschaltet sind, wobei die eine
Wärmetauschereinheit mit ihrem Verteiler an einer Zulaufleitung und mit ihrem Sammler am Verteiler der andern Wärmetauschereinheit angeschlossen ist, deren Mantelrohr an seinem kalten Ende mit dem heissen
Ende des Mantelrohres der andern Wärmetauschereinheit in Verbindung steht.
Zwischenwärmetauscher für Hochtemperaturreaktoren arbeiten primärseitig bei Temperaturen von zirka 950 bis 290 C und sekundärseitig von zirka 220 bis 900 C, so dass besondere Vorsorge getroffen werden muss, die bei diesen hohen Temperaturdifferenzen auftretenden Wärmedehnungen aufzufangen.
Dabei ergibt sich die zusätzliche Schwierigkeit, dass Rohre mit Längen von 30,40 und mehr Metern in
Kavernen untergebracht werden müssen, deren Höhe 20 bis 25 m beträgt, was dazu geführt hat, dass die
Rohre entweder U-förmig oder nach Schraubenlinien angeordnet werden. Diese Bauarten haben den
Nachteil, dass zwischen dem heissen und kalten Ende der Rohrbündel die volle Temperaturdifferenz wirkt, die bei der Befestigung zu berücksichtigen ist. Ausserdem müssen lange Rohre aus Einzelrohren zusammengeschweisst werden, wenn die Rohrlänge die Herstellänge der Rohre übersteigt. Die damit verbundene, in vorgeschriebenen Zeitabständen zu wiederholende Überprüfung der Nahtstellen lässt jedoch nicht gestückelte Rohre als vorteilhaft erscheinen.
Es wurde daher bereits vorgeschlagen, einen Wärmetauscher in zwei in Reihe geschaltete Wärmetau- schereinheiten zu teilen, wobei sich für jede Wärmetauschereinheit naturgemäss geringere Rohrlängen und geringere Temperaturdifferenzen ergeben, so dass sowohl das Problem bezüglich der Wärmedehnungen als auch hinsichtlich der Rohrführung leichter in den Griff zu bekommen ist. Für die Wärmetauschereinheiten können nämlich Geradrohrbündel Verwendung finden, die nicht nur einfacher herzustellen und zu überprüfen sind, sondern auch einfacher montiert werden können. Nachteilig bei diesen in Serie ge- schalteten Wärmetauschereinheiten ist jedoch, dass der Sekundärkreis nicht überprüft werden kann, ohne den Primärkreis zu öffnen, was wegen der Gefahr der radioaktiven Verseuchung des Primärkreises vermieden werden soll.
Die Verbindungsleitung zwischen dem Sammler der einen Wärmetauschereinheit und dem Verteiler der andern Wärmetauschereinheit führt nämlich durch die die beiden Wärmetauschereinheiten aufnehmende Kammer, die mit dem Primärmittel gefüllt ist und die Verbindung zwischen den beiden die
Strömungskanäle für das Primärmittel bildenden Mantelrohren der Wärmetauschereinheiten herstellt. Da für beide Wärmetauschereinheiten eine gemeinsame Kammer vorgesehen werden muss, ist die bekannte
Wärmetauscherkonstruktion an einen vergleichsweise grossen Raumbedarf gebunden. Dazu kommt noch, dass das in der Kammer befindliche Primärmittel die Eingangstemperatur der bezüglich des Sekundärmittels vorgeordneten Wärmetauschereinheit besitzt, was entsprechende Kühhnassnahmen für die Dichthaut bzw. den Spannbeton der die Kammer bildenden Kaverne bedingt.
Der Erfindung liegt demnach die Aufgabe zugrunde, diese Mängel zu vermeiden und einen
Wärmetauscher der eingangs geschilderten Art so zu verbessern, dass der Sekundärmittelkreis ohne Öffnen des Primärmittelkreises wiederholt überprüft werden kann, wobei eine einfache und raumsparende Konstruktion erhalten werden soll.
Die Erfindung löst die gestellte Aufgabe dadurch, dass die beiden Wärmetauschereinheiten ihren
Verteiler auf der gleichen Stirnseite tragen, dass die beiden auf der andern Stirnseite der Wärmetauscher- einheiten angeordneten Sammler jeweils an eine innerhalb des Rohrmantels zum zugehörigen Verteiler zurückgeführte Sammelleitung angeschlossen sind, wobei die Sammelleitung der bezüglich der Strömungsrichtung des Sekundärmittels vorgeordneten Wärmetauschereinheit in dem Verteiler der nachgeordneten
Wärmetauschereinheit endet, deren Sammelleitung in die Ablaufleitung übergeht, und dass die Mantelrohre der beiden Wärmetauschereinheiten jeweils von einem Ringkanal umschlossen sind, der verteilerseitig mit dem Mantelrohr in Strömungsverbindung steht,
während das sammlerseitige Ringkanalende der in
Strömungsrichtung des Sekundärmittels nachgeordneten Wärmetauschereinheit mit dem sammlerseitigen Ende des Mantelrohres der vorgeordneten Wärmetauschereinheit verbunden ist.
Da zufolge dieser Massnahmen die Sammler auf der einen und die Verteiler auf der andern Stirnseite der Wärmetauschereinheit angeordnet sind, wird das Primär- bzw. das Sekundärmittel beiden Wärmetau- schereinheiten von der gleichen Stirnseite her zugeführt, so dass die Zufuhr von Primär- und Sekundär-
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mittel auf einander gegenüberliegenden Seiten erfolgt. Der Kreis des Sekundärmittels, das über die Sammelleitungen von der Zuführseite für das Primärmittel jeweils auf die Zuführseite des Sekundärmittels zurückgeführt wird, kann demnach auf der Zuführseite des Sekundärmittels grossräumig geöffnet werden, ohne den Primärkreis öffnen zu müssen, so dass die Zugänglichkeit zu Wiederholungsprüfungen in besonders günstiger Weise gewährleistet wird.
Die die Mantelrohre umgebenden Ringkanäle dienen dabei für die Rückführung des Primärmittels auf die Zuführseite des Primärmittels. Der Zu- und Ablauf des Primärmittels erfolgt folglich räumlich getrennt vom Zu- und Ablauf des Sekundärmittels, was nicht nur die gewünschte Zugänglichkeit zum Sekundärkreis ermöglicht, sondern auch eine kompakte, raumsparende und fernbedient montierbare Konstruktion gewährleistet.
Besonders günstige Verhältnisse werden in weiterer Ausbildung der Erfindung dadurch erreicht, dass die beiden Wärmetauschereinheiten in zwei durch die Verteiler dicht abgeschlossene Kammer eingesetzt sind, die um den Ringkanal einen Ringraum freilassen, dass zwischen den beiden Kammern zwei Verbindungskanäle vorgesehen sind, von denen der eine die sammlerseitige Verbindungsleitung zwischen dem Ringkanal der in Strömungsrichtung des Sekundärmittels nachgeordneten Wärmetauschereinheit umgibt und der andere im Bereich der verteilerseitigen Kammerenden verläuft, und dass der das Mantelrohr der vorgeordneten Wärmetauschereinheit umschliessende Ringkanal mit seinem sammlerseitigen Ende an die Saugseite eines Gebläses angeschlossen ist, dessen Druckseite in den diesen Wärmetauscher umgebenden Ringraum mündet.
Durch den Ringraum um die in Strömungsrichtung des Sekundärmittels nachgeordnete Wärmetauschereinheit wird gemäss diesem Vorschlag das abgekühlte Primärmittel geleitet, so dass die Temperaturdifferenz zur Kammerwand auch bei dieser Wärmetauschereinheit gering im Vergleich zu den bekannten Wärmetauschern ist. Damit das abgekühlte Primärmittel durch den Ringraum hindurchgefördert werden kann, wird es zunächst durch den Ringraum der vorgeordneten Wärmetauschereinheit gefördert, von wo es über den Verbindungskanal im Bereich der verteilerseitigen Kammerenden in den Ringraum der nachgeordneten, auf einem höheren Temperaturniveau arbeitenden Wärmetauschereinheit strömt.
Ein Teil des Primärmittels I wird durch den andern Verbindungskanal gedrückt, der die sammlerseitige Verbindungsleitung zwischen dem Ringkanal der in Strömungsrichtung des Sekundärmittels nachgeordneten Wärmetauschereinheit umgibt, so dass die heissere Verbindungsleitung vom abgekühlten Primärmittel umströmt wird. Die Temperaturbelastung der Kammerwände ist folglich überall gleich niedrig. Um entsprechende Strömungsgeschwindigkeiten für das abgekühlte Primärmittel zu erzielen, ist ein Gebläse vorgesehen, das das abgekühlte Primärmittel ansaugt und in die Ringräume der beiden Kammern fördert.
Da die Kammern durch die Verteiler der beiden Wärmetauschereinheiten gegenüber dem Primärmittel dicht abgeschlossen sind, ergibt sich eine einfache Konstruktion, weil die beiden Wärmetauschereinheiten bezüglich ihres Sekundärkreises bereits vormontiert eingesetzt werden können.
Um einerseits unnötige Wärmeverluste zu vermeiden und anderseits die Wärmedehnungen auf ein geringes Mass herabsetzen zu können, können das Mantelrohr jeder Wärmetauschereinheit aussen, die Sammelleitung und der Ringkanal jedoch innen isoliert werden. Dadurch stellen sich zwischen dem Geradrohrbündel für das Sekundärmittel und dem mit der Sammelleitung verbundenen Sammler vergleichsweise geringe Temperaturunterschiede ein, weil sowohl die Geradrohrbündel als auch die Sammelleitungen vom Primärmittel umströmt werden und die nicht isolierten Wände gegen das Primärmittel weisen.
Mit einer mittleren Temperaturdifferenz von etwa 50 C zwischen dem Primärmittel und dem Sekundärmittel wird die mittlere Wandtemperatur der Rohrbündel an jeder Stelle um etwa 25 C niedriger als die Primärmitteltemperatur an der jeweiligen Stelle liegen. Dies bedeutet aber, dass die Temperaturdifferenz zwischen den Bündelrohren und der Sammelleitung, die ja wegen der Innenisolierung die Temperatur des Primärmittels annimmt, an jeder Stelle etwa 25 C betragen wird. Sind die Bündelrohre am Sammler steif angeschlossen, so werden die Bündelrohre entsprechend dem Querschnittsverhältnis gezogen, während die Sammelleitung gestaucht wird. Solche Verhältnisse stellen sich ein, wenn das Rohrbündel aus auf Evolventen angeordneten und miteinander verschweissten Flossenrohren besteht.
Ist hingegen der Anschluss der Bündelrohre am Sammler weich ausgebildet, so tritt eine Differenzdehnung auf, die bei einem 20 m langen Rohrbündel bei den angenommenen Temperaturverhältnissen maximal etwa 7 mm beträgt, was ohne besondere Massnahme konstruktiv berücksichtigt werden kann.
In den Zeichnungen ist der Erfindungsgegenstand in einem Ausführungsbeispiel schematisch dargestellt. Es zeigen : Fig. l einen erfindungsgemässen Wärmetauscher im vereinfachten Axialschnitt,
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Fig. 2 einen Querschnitt durch eine erfindungsgemässe Wärmetauschereinheit in einem grösseren Massstab und Fig. 3 eine Konstruktionvariante einer Wärmetauschereinheit bezüglich des Sammlers im Axialschnitt, ebenfalls in einem grösseren Massstab.
Wie aus Fig. 1 hervorgeht, besteht der erfindungsgemässe Wärmetauscher aus zwei in Reihe geschalteten Gegenstrom-Wärmetauschereinheiten--1 und 2--, die jeweils ein Geradrohrbündel --3-- für das Kühl- bzw. Sekundärmittel und ein Mantelrohr --4-- umfassen, das das Rohrbündel --3-- umschliesst und einen Strömungskanal für das Heiz-bzw. Primärmittel bildet. Die Rohrbündel --3-- sind auf der einen Seite über eine kreisringförmige Rohrplatte --5-- an einem Verteiler --6-- und am andern Ende an einem Sammler --7-- angeschlossen, der das Sekundärmittel über eine Sammelleitung --8-- zurück auf die Verteilerseite der Wärmetauschereinheiten leitet.
Die Sammelleitung --8-- der bezüglich der Strömungsrichtung des Sekundärmittels vorgeordneten Wärmetauschereinheit --6-- ist über eine den Verteiler --6-dieser Wärmetauschereinheit dicht durchsetzende Leitung --9-- an den Verteiler der nachgeordneten Wärmetauschereinheit --2-- angeschlossen, die das Sekundärmittel über eine in die Sammelleitung dieser
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--2-- übergehende Ablaufleitung --10-- verlässt.Verteiler --6-- auf der einen Seite des Wärmetauschers und die beschriebene Sekundärmittelführung wird erreicht,
dass sowohl die Zulaufleitung --11-- und die Ablaufleitung --10-- des Wärmetauschers als auch die sekundärseitige Verbindungsleitung --9-- zwischen den beiden Wärmetauschereinheiten --1 und 2-- auf der gleichen Wärmetauscherseite liegen und daher der Sekundärkreis überprüft werden kann, ohne den Primärkreis zu öffnen.
Das Primärmittel wird dem Wärmetauscher über einen Zuleitungskanal --12-- zugeführt und durchströmt das Mantelrohr --4-- gegensinnig zu dem im Rohrbündel --3-- geführten Sekundärmittel unter entsprechender Wärmeabgabe an das Sekundärmittel. Das in der Wärmetauschereinheit --2-- abgekühlte Primärmittel wird über einen das Mantelrohr --4-- umschliessenden Ringkanal --13-- auf die Zulaufseite zurückgeführt und über eine Verbindungsleitung --14-- in das Mantelrohr --4-- der sekundärseitig vorgeordneten Wärmetauschereinheit-l-geleitet. Das in der Wärmetauschereinheit --1-- auf seine Endtemperatur abgekühlte Primärmittel strömt vom sammlerseitigen Ende des Mantelrohres --4-- über einen auch dieses Mantelrohr umschliessenden Ringkanal --15-- zu einem
Gebläse --16--, über das es einerseits in einen den Ringkanal --15-- umgebenden Ringraum --17-- und anderseits in einen Verbindungskanal - 18-- gefördert wird, der die Verbindungsleitung --14-- koaxial umschliesst. Der sich zwischen der Dichthaut --8-- einer die Wärmetauschereinheit-l-aufnehmenden Kaverne eines Druckbehälters --19-- und dem Ringkanal --15-- ergebende Ringraum --17--, der durch die Rohrplatte --5-- dicht abgeschlossen ist, steht über eine Leitung --20-- mit der die andere Wärmetauschereinheit --2-- aufnehmenden Kaverne in Verbindung, die ebenfalls einen Ringraum --17-- um den Ringkanal --13-- frei lässt, so dass das auf die Endtemperatur abgekühlte Primärmittel auch den Ringkanal --13-- umströmt,
bevor es über den Ablaufkanal --21-- den Wärmetauscher verlässt. Die Dichthaut --18-- der Kaverne und Verbindungskanäle im Druckbehälter --19-- ist folglich einheitlich mit der niedrigen Endtemperatur des Primärmittels beaufschlagt.
Damit die Temperaturdifferenz zwischen der Sammelleitung --8-- und dem mit dieser Sammelleitung über den Sammler --7-- und die Rohrplatte --5-- verbundenen Rohrbündel --3-- möglichst niedrig gehalten werden kann, ist die Sammelleitung --8-- auf ihrer Innenseite mit einer Isolierung --22-- ausgekleidet. Diese Isolierung --22-- bewirkt, dass die Sammelleitung --8-- angenähert die Temperatur des Primärmittels aufnimmt, so dass zwischen dem Rohrbündel --3--, das ja ebenfalls vom Primärmittel umströmt wird, und der Sammelleitung lediglich eine geringe Temperaturdifferenz herrscht, die im wesentlichen von der halben Temperaturdifferenz zwischen Primär- und Sekundärmittel entlang des Rohrbündels bestimmt wird.
Da diese Temperaturdifferenz im Ausführungsbeispiel etwa 500C beträgt, kann die wirksame Temperaturdifferenz zwischen dem Rohrbündel und der Sammelleitung in erster Näherung mit 25 C angesetzt werden.
Die Axialdehnung der zur Führung des Primärmittels dienenden Konstruktionsteile kann einfach
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--23-- inLeitungen --9 und 14-- kann ohne weiteres vorgesehen werden. wobei wieder der Vorteil besteht, dass der für eine Überprüfung zugängliche Dehnungsausgleich für die Leitung --9-- ausserhalb des Primärmittelkreislaufes liegt.
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Damit zufolge der Rückführung von Primär- und Sekundärmittel auf die jeweilige Zulaufseite keine Wärmeverluste in Kauf genommen werden müssen, sind die entsprechenden Leitungen isoliert, u. zw. ist die Sammelleitung --8--, wie bereits ausgeführt wurde, innen isoliert, das sie umschliessende Mantelrohr - jedoch aussen. Die Isolierung des Mantelrohres --4-- ist in Fig. 2 mit --24-- bezeichnet. Die Innenisolierung der Ringkanäle --13 und 15-- trägt das Bezugszeichen --25--.
In Fig. 3 ist eine Konstruktionsvariante für den Sammler --7-- dargestellt. Im Gegensatz zum zylindrischen Sammler --7-- nach Fig. 1 wird hier eine Rohrplatte --26-- verwendet, die in gleicher Weise wie die Rohrplatte --5-- an der Sammelleitung --8-- befestigt ist. Über einen halbkugelförmigen Sammlerkopf ist diese Rohrplatte --26-- in Strömungsverbindung mit der Sammelleitung --8--. Da die Sammelleitung - und das Mantelrohr --4-- auf der jeweils voneinander abgewandten Seite isoliert sind, ist auch hier mit gleichen Wärmedehnungen zu rechnen.
Die Erfindung ist selbstverständlich nicht auf die Serienschaltung von zwei Wärmetauschereinheiten beschränkt. Es können bei grösseren Temperaturbereichen ohne weiteres mehrere Wärmetauschereinheiten in Reihe geschaltet werden, um für die einzelnen Wärmetauschereinheiten entsprechend engere Temperaturbereiche zu erhalten, die eine genaue Anpassung der Werkstoffe an die Temperaturniveaus der Wärmetauschereinheiten ermöglichen.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Wärmetauscher, insbesondere Zwischenwärmetauscher für gasgekühlte Hochtemperaturreaktoren, mit zwei parallelachsig nebeneinander angeordneten Gegenstrom-Wärmetauschereinheiten, die jeweils aus einem von einem Mantelrohr für das Heiz- bzw. Primärmittel umschlossenen, an einem Ende an einem Verteiler und am andern Ende an einem Sammler angeschlossenen Geradrohrbündel für das Kühl- bzw.
Sekundärmittel bestehen und in Reihe geschaltet sind, wobei die eine Wärmetauschereinheit mit ihrem Verteiler an einer Zulaufleitung und mit ihrem Sammler am Verteiler der andern sammlerseitig mit einer Ablaufleitung verbundenen Wärmetauschereinheit angeschlossen ist, deren Mantelrohr an seinem kalten Ende mit dem heissen Ende des Mantelrohres der andern Wärmetauschereinheit in Verbindung steht, da-
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ler (6) auf der gleichen Stirnseite tragen, dass die beiden auf der andern Stirnseite der Wärmetauschereinheiten (1, 2) angeordneten Sammler (7) jeweils an eine innerhalb des Mantelrohres (4) zum zugehörigen Verteiler (6) zurückgeführte Sammelleitung (8) angeschlossen sind, wobei die Sammelleitung (8) der bezüglich der Strömungsrichtung des Sekundärmittels vorgeordneten Wärmetauschereinheit (1) in dem Verteiler (6)
der nachgeordneten Wärmetauschereinheit (2) endet, deren Sammelleitung (8) in die Ablaufleitung (10) übergeht, und dass die Mantelrohre (4) der beiden Wärmetauschereinheiten (1, 2) jeweils von einem Ringkanal (13,15) umschlossen sind, der verteilerseitig mit dem Mantelrohr (4) in Strömungsverbindung steht, während das sammlerseitige Ringkanalende der in Strömungsrichtung des Sekundärmittels nachgeordneten Wärmetauschereinheit (2) mit dem sammlerseitigen Ende des Mantelroh-
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