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Wärmetauschvorrichtung, bestehend aus Rohren und zwischen den Rohren
angeordneten Drallführungskörpern Die Erfindung bezieht sich auf eine Wärmetauschvorrichtung,
bestehend aus mit gegenseitigem Abstand parallel zueinander angeordneten Rohren,
deren Achsen durch die Knotenpunkte eines regelmäßigen zweidimensionalen Netzes
gehen und zwischen denen seitlich miteinander verbundene Einzelströmungskanäle für
ein Strömungsmittel vorhanden sind, die im wesentlichen parallel zu den Rohren verlaufen
und koaxial zu jedem der Einzel strömungskanäle angeordnete, schraubenförmig mit
gleicher Ganghöhe gewundene, langgestreckte Drallführungskörper enthalten.
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Bei den durch die deutsche Patentschrift 149 234 bekannten Wärmetauschvorrichtungen
dieser Art wird der Wärmeübergang von der Außenfläche der parallelen Rohre zu dem
zwischen den Rohren und im wesentlichen parallel zu diesen strömenden wärmeübertragenden
Medium durch die zwischen den Rohren angeordneten langgestreckten schraubenförmig
gewundenen Leitelemente bzw. Drallführungskörper intensiviert. Die erzeugte Drehbewegung
führt zu einem besseren Temperaturausgleich innerhalb des Strömungsmittels und erteilt
diesem Bewegungskomponenten in Richtung der Rohre, die den Einfluß der Grenzschichterscheinungen
vermindern und/oder die Ausbildung von Dampffilmen an der Rohroberfläche verhindern
sollen, wenn das Strömungsmittel eine in der Wärmetauschvorrichtung verdampfende
Flüssigkeit ist.
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Bei der bekannten Wärmetauschvorrichtung dieser Art sind die Drallführungskörper
bzw. Leitelemente aller Einzelströmungskanäle in einem gewissen Abstand voneinander
zwischen den Rohren angeordnet und bilden bei dreidimensionaler Anordnung parallele
Reihen von Leitelementen, die innerhalb einer Reihe jeweils gleichsinnig gewunden
sind. Diese Leitelemente werden praktisch durch Verwinden bzw. Verdrillen langer
schmaler Blechstreifen gebildet.
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Diese bekannte Anordnung ist in der Weise unbefriedigend, daß zwischen
den benachbarten Einzelströmungskanälen mit Leitelementen mit gleichem Windungssinn
relativ große Strömungsenergieverluste auftreten, die jedoch nichts zum Wärmeaustausch
beitragen. Die zwischen den Rohren angeordneten Leitelemente haben voneinander einen
Abstand, der bei einer quadratischen Anordnung zumindest etwa gleich dem Rohrradius
ist, wenn Rohrquerschnitt und der Querschnitt der Umhüllenden der verdrillten Elemente
einander entsprechen. Bei einer solchen Anordnung besteht die Möglichkeit zur Ausbildung
von axialen Teilströmungen unmittelbar an den Rohrwänden und auch im Bereich zwischen
den Drallführungskörpern bzw. Leitelementen. Ziel der Erfindung ist daher die Verringerung
von Strömungsdruckverlusten und die gleichzeitige Unterbindung der Ausbildung von
axialen Teilströmungen und damit eine Intensivierung des Wärmeüberganges.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Drallführungskörper
in den jeweils einander unmittelbar benachbarten Einzelströmungskanälen entgegengesetzten
Windungssinn haben, ihre Hüllkurven den Querschnitt der Einzelströmungskanäle im
wesentlichen vollständig ausfüllen und ihre Kanten fortlaufend den Außenflächen
der Rohre angepaßt sind.
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Durch diese erfindungsgemäße Anordnung werden die Energieverluste
durch Reibung zwischen einzelnen Strömungskanälen sehr verringert und wird im gesamten
Wärmeaustauscher eine kohärente und stabile Ausbildung von Mehrfachwirbeln erreicht.
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Aus der schweizerischen Patentschrift 37 204 ist zwar bereits eine
Vorrichtung für den Wärmeaustausch zwischen zwei Strömungsmedien bekannt, bei der
verdrillte Bänder als Drallführungskörper für die Beeinflussung des ersten äußeren
Strömungsmittels vorgesehen sind, die in aufeinanderfolgenden Reihen
zwischen
den Rohren angeordnet sind, durch die das zweite Strömungsmedium hindurchströmt.
Über den Windungssinn der einzelnen verdrillten Bänder ist in der genannten Patentschrift
zwar wörtlich nichts ausgesagt, man kann jedoch den Zeichnungen entnehmen, daß auch
bei dieser Anordnung ein ständiger Wechsel des Windungssinnes von einem schraubenförmig
gewundenen Blechstreifen zum anderen vorgesehen werden soll.
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Abgesehen davon ist jedoch der aus dieser Patentschrift bekannte Wärmeaustauscher
mit dem erfindungsgemäßen nicht vergleichbar, da sich bei den senkrecht zu den Rohren
angeordneten verdrillten Bändern ein ganz anderer Strömungsverlauf ausbildet als
bei der Wärmetauschvorrichtung gemäß der Erfindung und der Abstand der einzelnen
Bänder voneinander relativ groß ist und beträchtliche Bereiche unvollkommener Strömungsführung
bzw. -beeinflussung innerhalb des Wärmeaustauschers vorhanden sind.
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Die besondere Anordnung und Gestaltung der Drallführungskörper gemäß
der Erfindung durch die insgesamt, wie weiter unten noch näher ausgeführt wird,
eine mechanisch besonders stabile Konstruktion geschaffen werden kann, ist im übrigen
auch der französischen Patentschrift 1163 014 nicht zu entnehmen, in der
hauptsächlich das Grundprinzip der Erzeugung von Drehströmungen einer verdampfenden
Flüssigkeit zur Vermeidung von Dampffilmen auf der heißen Oberfläche angegeben wird
und lediglich in einer speziellen Ausführungsform gezeigt ist, daß durch tangentiale
Einführung des Strömungsmediums in zwei aneinandergrenzende und über eine schmale
Fläche miteinander in Verbindung stehende zylindrische Einzelströmungskanäle zwei
Drehströme mit entgegengesetztem Drehungssinn erzeugt werden können, wobei für den
wärmeabgebenden Teil der Begrenzung der Einzelströmungskanäle Drallführungskörper
vorgesehen sind, die zugleich Wärmeabgaberippen darstellen.
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Ein wirtschaftlicher und möglichst intensiver Wärmeaustausch zwischen
einem Strömungsmittel und der Außenfläche eines Rohres bei guter mechanischer Stabilität
ist im Bereich der Reaktortechnik besonders interessant und gemäß einer bevorzugten
Ausführung der Erfindung werden daher die Rohre durch mit Brennstoff gefüllte Umhüllungen
von Brennstoffelementen eines Kernreaktors gebildet.
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Vorzugsweise liegen die Achsen der dem Strömungsmittel ausgesetzten
Rohre im Querschnitt senkrecht zur Hauptströmungsrichtung betrachtet, an den Ecken
bzw. Schnittpunkten eines Dreiecknetzes und die Achsen der Drallführungskörper an
den Ecken eines Sechsecknetzes.
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Eine weitere günstige Ausbildung ergibt sich auch dadurch, daß die
Achsen der Rohre sowie die Achsen der Drallführungskörper, in einem Querschnitt
senkrecht zur Hauptströmungsrichtung, betrachtet, an den Ecken bzw. Schnittpunkten
je eines Quadratnetzes angeordnet sind.
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Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die angefügten
Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt F i g. 1 die beiden äußeren von vier Drallführungskörpern
zwischen zwei ebenen Wärmeübergangsflächen, F i g. 2 einen Querschnitt durch die
Anordnung gemäß F i g. 1 und F i g. 3 ein Ausführungsbeispiel für einen erfindungsgemäßen
Wärmetauscher im Zusammenhang mit einem Kernreaktor.
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Die lediglich zur Veranschaulichung der Formgebung der Drallführungskörper
dienenden Fig..l und 2 zeigen statt den erfindungsgemäß vorgesehenen Rohren zwei
ebene Wärmetauschwände 2 und 3, zwischen denen eine Anzahl von miteinander in Verbindung
stehenden Einzelströmungskanälen l a, l b,
1c und 1d vorgesehen ist.
In jedem dieser Einzelströmungskanäle ist ein schraubenförmig gewundener Drallführungskörper
7 angeordnet. Aus Gründen der besseren Übersicht sind in F i g. 1 lediglich die
Drallführungskörper der beiden äußeren Strömungskanäle 1 a und 1 d gezeigt und die
Drallführungskörper der beiden mittleren Einzelströmungskanäle nur strichpunktiert
angedeutet.
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Die Achse der einzelnen Drallführungskörper 7 verläuft parallel zur
Hauptströmungsrichtung 4. Die Herstellung der Drallführungskörper 7 erfolgt beispielsweise
ausgehend von ebenen Streifen, die zunächst verdreht werden, woraufhin anschließend
die äußeren Teile so entfernt werden, daß die Umhüllende der Ablenkelemente einen
Quader (im Querschnitt also ein Quadrat; vgl. F i g. 2) darstellt. Auf diese Weise
umschließen die aneinandergrenzenden Hülllächen der Drallführungskörper praktisch
den gesamten freien Querschnitt zwischen den Wärmetauschwänden.
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Wie insbesondere F i g. 2 deutlich erkennen läßt, sind die Drallführungskörper
7 benachbarter Strömungskanäle (z. B. l a, 1 b) im entgegengesetzten
Schraubensinn gewunden, so daß sich an den Grenzflächen benachbarter Strömungskanäle
die gleiche Strömungsrichtung für die beiden Teilströmungen ergibt. Der Schraubensinn
der einzelnen Drallführungskörper 7 ist in F i g. 2 durch Pfeile 5 angedeutet.
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Findet der erfindungsgemäße Wärmetauscher im Zusammenhang mit einem
Kernreaktor Verwendung (F i g. 3), so werden die die Einzelströmungskanäle begrenzenden
Rohre 8 durch die Umhüllung der einzelnen festen Brennstoffelemente gebildet. Die
Drallführungskörper 7 werden hierbei zweckmäßig aus dem gleichen Material wie die
Rohre 8 hergestellt. Sie bilden zugleich eine erwünschte Versteifung und Lagesicherung
der Brennstoffelemente, so daß sich die Verwendung zusätzlicher Befestigungsmittel
erübrigt.
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Die Abmessungen der Drallführungskörper 7 werden dabei zweckmäßig
so gewählt, daß die Drallführungskörper bei Betriebstemperatur in Berührung mit
den Rohren 8 kommen und diese abstützen. Die durch das Abarbeiten der verdrillten
Streifen erreichte starke Zunahme der möglichen Berührungsfläche zwischen den Drallführungskörpern
und Rohren führt zu einem verbesserten mechanischen Verhalten der gesamten Anordnung
und zu einer Verminderung der Korrosion der einzelnen Teile gegenüber der punktförmigen
Berührung. Die Brennstoffelemente 6, die einen sechseckigen Querschnitt aufweisen,
sind an den Schnittpunkten eines regelmäßigen trigonalen Flächengitters angeordnet
und von die Umhüllungen darstellenden Rohren 8 umgeben, die die Wärmetauschwände
bilden. Zwischen den einzelnen Brennstoffelementen sind Strömungskanäle (z. B.1
a,1 b,1 c)
vorgesehen, in denen schraubenförmig gewundene Drallführungskörper
7 angeordnet sind, die in benachbarten Strömungskanälen im entgegengesetzten
Schraubensinn
gewunden sind. Alle Drallführungskörper weisen ferner gleiche Steigung auf und ihre
Achsen fallen mit den Schnittpunkten eines regelmäßigen hexagonalen Flächengitters
bzw. eines Sechsecknetzes zusammen.
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F i g. 3 veranschaulicht dabei zwei Formen von Drallführungskörpern
7: Die Drallführungskörper der oberen Hälfte der Zeichnung weisen drei um 120° gegeneinander
versetzte Stege auf, während die in der unteren Hälfte vorgesehenen Drallführungskörper
7 aus einem einzigen, diametral verlaufenden Steg bestehen.
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Das Strömungsmittel wird in den einzelnen Strömungskanälen (z. B.
1 a,1 b) in schraubenlinienförmig verlaufende Teilströmungen versetzt und kommt
daher in intensive Berührung mit den Rohren B. Dank der entgegengesetzten Windung
benachbarter Drallführungskörper stören sich die einzelnen Teilströmungen im Bereich
ihrer Berührungsflächen nicht.