DE1189572B - Roehrenwaermeaustauscher - Google Patents

Description

• Röhrenwärmeaustauscher Die Erfindung betrifft einen Röhrenwärmeaustauscher mit einem in Achsrichtung des zylindrischen Mantels zentrisch angeordneten, zugleich als Tragelement dienenden Hohlkörper und mit in dem zwischen Mantel und Hohlkörper bestehenden Strömungskanal im wesentlichen axial verlaufenden, ringförmig angeordneten Rohren sowie radial sich erstreckenden, am Hohlkörper befestigten Leitwänden, die den zwischen Mantel und Hohlkörper bestehenden Strömungskanal segmentartig unterteilen.
• Bei einem bekannten Wärmeaustauscher verlaufen die Leitwände parallel zu den Rohren, welche durch eine zylindrische Wand in einen Außen- und Innenkreis unterteilt werden. Die Anordnung der Leitwände und der Zylinderwand ist so getroffen, daß ein wärmeaustauschendes Medium, von einem innenliegenden Sektor ausgehend, nacheinander jeweils zum benachbarten Sektor und vom letzten inneren Sektor aus in den äußeren Kreis fließt, während das andere wärmeaustauschende Mittel den äußeren Kreis von Rohren in der einen und den inneren Kreis von Rohren in der anderen Richtung durchfließt. Eine Verwirbelung des außen an den Rohren strömenden Mittels tritt wegen der parallelen Anordnung der Leitwände und der Rohre nicht auf.
• Ein anderer Wärmeaustauscher weist zwischen einem Führungszylinder und einem zylindrischen Mantel gleichmäßig verteilte Rohre auf, welche unter einem nahezu rechten Winkel von einem schraubenförmig angeordneten Leitblech geschnitten werden. Das Leitblech kann in mehreren Gängen angeordnet sein. Die Steigung des Leitbleches zu den Rohren ist so gewählt, daß das außerhalb der Rohre fließende wärmeaustauschende Mittel möglichst häufig mit den Rohren an jeweils anderen Abschnitten in Verbindung kommt. Wegen des starken Strömungswiderstandes der Rohre kann unter wirtschaftlichen Verhältnissen keine für einen optimalen Wärmeübergang günstige Strömungsgeschwindigkeit erzielt werden.
• Es ist auch bei einem Wärmeaustauscher bekannt, die Rohre um ein mittig angeordnetes Verteilungsrohr und parallel dazu so vorzusehen, daß das Gehäuse des Wärmeaustauschers im wesentlichen von den Rohren ausgefüllt ist. Zwischen den Rohren erstrecken sich radiale Wände für .die Führung des aus dem Verteilungsrohr austretenden wärmeaustauschenden Mittels, das, im Querschnitt des Wärmeaustauschers gesehen, etwa zickzackförmig durch den Austauscher hindurchgeführt wird, wobei wegen der vielen Umlenkungen und der dichten Anordnung der Rohre das außerhalb der Rohre strömende Mittel nur eine geringe Geschwindigkeit aufweisen kann.
• Ferner ist bekannt, schraubenlinienförmig aufgewickelte, mit parallelen Schraubenlinienachsen angeordnete Rohre an einem mittleren Tragrohr zu befestigen. Wegen des geringen Widerstandes in der Mitte der schraubenlinienförmig gewickelten Rohre fließt hier das wärmeaustauschende Mittel schneller als in dem Bereich, der die den Wärmeträger aufnehmenden Rohre einschließt, ohne daß eine nennswerte Verwirbelung der beiden mit unterschiedlicher Geschwindigkeit fließenden Ströme auftritt. Trotz der verhältnismäßig komplizierten Ausbildung des Wärmeaustauschers kann dieser daher keinen ausreichenden Wirkungsgrad aufweisen.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, durch Verwirbelung des außerhalb der Rohre strömenden Wärmeaustauschenden Mittels einen optimalen Wärmeübergang zu schaffen. Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß die Rohre die Leitwände unter einem spitzen Winkel durchdringen und daß die ringförmig angeordneten Rohre nur im äußeren Teil der durch die Leitwände gebildeten Einzelströmungskanäle vorgesehen sind. Hierdurch wird eine Reihe von Durchflußkanälen gebildet, die außen durch den neben den Rohren liegenden Wandabschnitt, innen durch den Hohlkörper und seitlich durch die Leitwände begrenzt sind, wobei die Zwischenräume zwischen den Rohren wie Nebenkanäle wirken. Da die Rohre nur in einem Abschnitt der Durchflußkanäle angeordnet sind und diese nicht ganz ausfüllen, ist der Widerstand in den Kanälen verhältnismäßig gering, und es treten nur ein kleiner Strömungsverlust und ein geringer Druckabfall auf. Auch wird dem hindurchfließenden Gas eine Wirbelbewegung aufgezwungen, ohne daß eine Stockung des Gasflusses eintritt. Daraus ergibt sich, daß das zwischen den Rohren fließende Gas durch frisches Gas laufend ersetzt wird.
• Bei den bekannten Wärmeaustauschern muß wegen der eng nebeneinanderliegenden Rohre das Gas in engen Nebenkanälen und unter starker Einwirkung von an den Rohren befindlichen Grenzschichten fließen, wodurch sich, ein schlechter Wärmeübergang ergibt. Die große Turbulenz des Gasflusses und die laufende Zufuhr von Gas zu den Rohren sichert bei dem erfindungsgemäß ausgebildeten Wärmeaustauscher optimale Bedingungen für den Wärmeübergang zwischen den beiden Wärmeaustauschenden Mitteln. Auch können hier flache Heizrohre entfallen.
• Bei einer Ausbildung der Erfindung sind die Rohre auf mindestens den größten Teil ihrer Länge gerade, und die Leitwände verlaufen schraubenlinienförmig zu der Achse des Wärmeaustauschers, wobei die Ganghöhe der Schraubenlinie größer als der Halbmesser des Mantels ist. Hierdurch kann trotz der Wirbelbildung eine für den Wärmeübergang optimale Strömungsgeschwindigkeit erzielt werden.
• Bei einer anderen Ausbildung der Erfindung verlaufen die Rohre schraubenlinienförmig zu der Achse des Wärmeaustauschers und die Leitwände sind gerade.
• In der Zeichnung sind zwei Röhrenwärmeaustauscher als Ausführungsbeispiele des Gegenstandes der Erfindung schematisch dargestellt. Es zeigt F i g. 1 das erste Ausführungsbeispiel, F i g. 2 das zweite Ausführungsbeispiel.
• Gemäß F i g. 1 hat der erfindungsgemäß ausgebildete Wärmeaustauscher ein Gehäuse 1, von dem ein Teil in der Zeichnung als weggeschnitten zu denken ist. Innerhalb des Gehäuses befindet sich ein Rohrbündel, das ganz allgemein mit 2 bezeichnet ist. Dieses Rohrbündel umfaßt eine Vielzahl von Rohren 3, die ringförmig angeordnet sind und von sich radial erstreckenden Leitwänden 4 eines als Tragelement ausgebildeten Hohlkörpers (5) gehalten werden. Die Achse des letzteren fällt mit der Achse des Gehäuses zusammen, und die Leitwände 4 sind zu der Achse des Tragelementes schraubenlinienförmig angeordnet. Die Rohre werden in Schlitzen in den Kanten der Leitwände 4 gehalten. An jedem Ende des Tragelements 5 befindet sich ein Sammelstück, und zwar ist 6 ein Einlaßsammelstück für die Rohre 3 und 7, dessen vordere Hälfte in der Zeichnung weggeschnitten ist, ist das Auslaßsammelstück für die Rohre.
• Bei der Verbindung des Wärmeaustauschers mit einem gasgekühlten Kernreaktor strömt das von dem Reaktor kommende Kühlgas in axialer Richtung durch das Gehäuse 1 abwärts. Dem Tragelement 5 wird Wasser durch das Einlaßrohr 8 zugeführt; es strömt durch das Tragelement 5 hindurch abwärts in der gleichen allgemeinen Richtung wie das Kühlgas, bis es das Sammelstück 6 erreicht, von welchem aus es in die Rohre 3 eintritt und nun, entgegengesetzt zu der Hauptrichtung des Gasstromes aufwärts zu dem Auslaßsammelstück 7 fließt, wo es aus dem Wärmeaustauscher durch das Auslaßrohr 9 abfließt.
• Die Rohre 3 sind von gleicher Länge, jedoch sind benachbarte Rohre in der Vertikalen zueinander versetzt, um die Einlaßfläche für das zwischen den Rohren strömende Gas zu vergrößern.
• Wegen der vorstehend beschriebenen Anordnung der Rohre und der sich radial erstreckenden Leitwände hat das Gas das Bestreben, in den Räumen zwischen den Rohren in einer schraubenlinienförmigen Bahn zu strömen. Dem Gas wird zwischen den radialen Leitwänden 4 eine sekundäre schraubenlinienförmige Bahn aufgezwungen. Dies führt bei gegebenem Druckgefälle zu einer erheblichen Zunahme des Wärmeüberganges.
• Infolge der hierbei verfügbaren Rohroberfläche hat der Wärmeaustauscher einen besonders hohen Wirkungsgrad, wenn der Wärmeaustausch zwischen einem über die Rohre strömenden Wärmeaustauschmittel, das weniger dicht ist als das innerhalb der Rohre, und dem letzteren stattfindet, beispielsweise wenn über die Rohre ein Gas und in den Rohren eine Flüssigkeit strömt, jedoch kann der Wärmeaustauscher auch für einen Wärmeaustausch von Gas zu Gas oder von Flüssigkeit zu Flüssigkeit verwendet werden.
• In der in der F i g. 2 dargestellten wahlweisen Ausführungsform sind die Rohre schraubenförmig angeordnet, während die sich radial erstreckenden Leitwände gerade sind; der Strömungseffekt ist im wesentlichen der gleiche. In diesem Beispiel sind die Rohre 3' schraubenförmig zu der Hauptachse des Gehäuses 1' angeordnet, während die Leitwände 4' gerade sind. Bei der hier dargestellten Ausführungsform findet keine Umkehrung der Strömungsrichtung des die Rohre durchströmenden Wärmeaustauschmittels zwischen Einlaß und Auslaß statt, wie es in F i g.1 der Fall ist. Das eine Wärmeaustauschmittel strömt über die Außenseite der Rohre, beispielsweise abwärts, das andere von dem Einlaß 8' durch die Rohre hindurch zu dem Auslaß 9'. Es ist jedoch klar, daß die Strömung in F i g. 2 in der gleichen Weise erfolgen könnte wie in F i g. 1, wenn die Anordnung der Sammelstücke entsprechend abgeändert wird.
• Die Konstruktion nach F i g. 2 ist weniger geeignet, als diejenige nach F i g. 1, wenn das Wärmeaustauschmittel in den Rohren unter einem hohen Druck steht.
• Der erfindungsgemäße Wärmeaustauscher ist ganz besonders geeignet zur Verwendung in Kernkraftanlagen, da bei derartigen Anlagen der dampferzeugende Wärmeaustauscher in der Regel in mehreren Abschnitten in Richtung der Gasströmung angeordnet ist, wobei die Verschiedenen Abschnitte zum Vorwärmen und Verdampfen des Wassers und zum überhitzen des Dampfes bestimmt sind.
• Bei der vorliegenden Erfindung können die in F i g. 1 mit 2 und in F i g. 2 mit 2' bezeichneten Rohrbündel zweckmäßigerweise in einem gemeinsamen Gehäuse 1 bzw. 1' übereinander angeordnet werden, wobei ein Rohrbündel zum Vorwärmen des Wassers, ein anderes Rohrbündel zum Verdampfen und ein weiteres Rohrbündel zum überhitzen des Dampfes dient. Durch die Anordnung nach F i g. 1, bei welcher das Einlaß- und das Auslaßrohr nebeneinanderliegen, wird auch die Führung der Kanäle vereinfacht. Es können beliebig viele Abschnitte verwendet werden, und die Rohrbündel können zweckmäßig auch in einem Zweidruck-Kreislauf verwendet werden.
• Es können auch bei Bedarf mehrere Rohrbündel 2 bzw. 2' nebeneinander angeordnet werden, entweder in einem gemeinsamen Gehäuse oder auch in mehreren Gehäusen 1 bzw. 1'; ferner kann eine Anzahl solcher Gehäuse rund um einen Kernreaktor angeordnet werden.
• Der Wärmeaustauscher kann auch als Speisewasservorwärmer für einen Turbogenerator verwendet werden. Hierbei kann der in einer Turbinenstufe abgezapfte Dampf durch das Gehäuse 1 bzw. l', Kondensat aus einem Kondensator durch die Rohre 3 bzw. 3' strömen.
• Bei Abkühlen und Kondensieren des Dampfes tragen die Leitwände 4 bzw. 4' dazu bei, die Feuchtigkeitsteilchen aus dem Dampf abzuscheiden.

Claims (6)

1. Patentansprüche: 1. Röhrenwärmeaustauscher mit einem in Achsrichtung des zylindrischen Mantels zentrisch angeordneten, zugleich als Tragelement dienenden, Hohlkörper und mit in dem zwischen Mantel und Hohlkörper bestehenden Strömungskanal im wesentlichen axial verlaufenden, ringförmig angeordneten Rohren sowie radial sich erstreckenden, am Hohlkörper befestigten Leitwänden, die den zwischen Mantel und Hohlkörper bestehenden Strömungskanal segmentartig unterteilen, dadurch gekennzeichn e t, daß die Rohre (3, 3') unter einem spitzen Winkel die Leitwände (4, 4') durchdringen und daß die ringförmig angeordneten Rohre (3, 3') nur im äußeren Teil der durch die Leitwände (4, 4') gebildeten Einzelströmungskanäle vorgesehen sind.
2. 2. Wärmeaustauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohre (3) auf mindestens dem größten Teil ihrer Länge gerade sind und die Leitwände (4) schraubenlinienförmig zu der Achse des Wärmeaustauschers verlaufen, wobei die Ganghöhe der Schraubenlinie größer als der Halbmesser des Mantels (1) ist.
3. 3. Wärmeaustauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohre (3) beidendig an die Enden des Hohlkörpers (5) angeschlossen sind und daß .das Auslaßende (7) desselben an einen Auslaß (9) für das eine Wärmeaustauschmittel angeschlossen ist, während das Einlaßende (6) durch diesen selbst und durch das Auslaßende (7) hindurch mit einem Einlaß für das eine Wärmeaustauschmittel verbunden ist.
4. 4. Wärmeaustauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohre (3') schraubenlinienförmig zu der Achse des Wärmeaustauschers verlaufen und die Leitwände (4') gerade sind.
5. 5. Wärmeaustauscher nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohre (3') beidendig in Ringkammern angeschlossen sind, die an beiden Enden des Mantels (1') auf diesem angebracht sind, und daß für das die Rohre umströmende Mittel Gegenstrom vorgesehen ist.
6. 6. Wärmeaustauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch seine Verbindung mit einer Kernkraftanlage, wobei das aus einem Kernreaktor kommende Kühlgas als das die Rohre (3, 3') umströmende Heizmittel und Wasser als das durch die Rohre strömende Mittel vorgesehen ist. In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschriften Nr. 970 032, 809 816, 341382, 198 502; schweizerische Patentschrift Nr. 226 310; französische Patentschrift Nr. 1092 683; Zeitschrift »The Engineer« vom 14. 3. 1958, S.388.