DE1501618C3 - Wärmeübertrager - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Wärmeübertrager, insbesondere für Kernreaktoranlagen, für zwei Wärmeübertragungsmittel, bestehend aus mehreren Einheiten, die jeweils aus einem vom ersten Wärmeübertragungsmittel durchströmten, von einem Umfangsmantel begrenzten Kanal bestehen, in dem Rohre für das zweite Wärmeübertragungsmittel vorgesehen sind, bei dem die Einheiten in Strömungsrichtung des ersten Mediums Dehnspalten freilassend nebeneinander angeordnet sind.

Ein derartiger Wärmeübertrager ist aus der britischen Patentschrift 982 646 bekannt. Das die nebeneinander angeordneten Einheiten durchströmende Medium erfährt von seinem Eintritt bis zu seinem Austritt in den Einheiten, in welchen es um in Einheiten angeordnete Strömungskanäle geführt ist, einen unter Umständen erheblichen Druckabfall. Da es aus Gründen der Wärmedehnung erforderlich ist, die Einheiten mit Spiel gegeneinander in dem Wärmeübertrager anzuordnen, ist es erforderlich, die seitlichen ßegrenzungswiinde zu versteifen. Einerseits bedeutet dieses einen höheren Materialaufwand und andererseits einen größeren Raumbedarf der Einheiten. Bei dem bekannten Wärmeübertrager sind die einzelnen Einheiten von massiven Begrenzungswändcn umschlossen, wobei der Querschnitt der Einheiten kreisförmig ist. Da in den Spalten /wischen den einzelnen Einheiten sich Medium von praktisch dem Eintrittsdruck in den Einheiten befindet.

hat dieses zur Folge, daß die zylindrischen Begrenzungswände der Einheiten mindestens über einen großen Teil ihres Umfanges durch Überdruck von außen beansprucht werden und daher versteift werden müssen. Die Erfindung hat sich eine Ausbildung von Wärmeübertragereinheiten zum Ziel gesetzt, bei denen diese Nachteile vermieden werden. Aus der britischen Patentschrift 928 236 ist ein Reaktorkern bekannt, welcher mehrere parallelgeschaltete Brennstoffelemente

ίο aufweist. Letztere sollen aus einer Mehrzahl von Brennstoffstäben bestehen, die von einem durch eine mit den unteren Enden der Elemente verbundenen Leitung zugeführten und durch aus in den oberen Elementen angeordneten Öffnungen weggeführten Kühlmittel umströmt werden, wobei in dem in einem ersten Kreislauf strömenden Kühlmittel ein Wärmeaustauscher zur Abgabe von Wärme an ein sekundäres Mittel und eine Förderpumpe angeordnet sind. In der bekannten Anlage ist ein zweiter Kreislauf für die Moderatorflüssigkeit vorhanden, weiche die Zwischenräume zwischen den Brennstoffelementen durchströmt und von einer außerhalb des Reaktorkerns angeordneten Pumpe wieder in die Zwischenräume der Brennstoffe zurückgeführt wird. Obwohl in den Zwischenräumen der von massiven Wänden begrenzten Brennstoffelemente Schikanen angeordnet sind, um die ModeratorHüssigkeit derart zu drosseln, daß zwischen der die Brennstoffelemente umgebenden Moderatorflüssigkeit und dem innerhalb der Brennstoffelemente strömenden Kühlmittel Druckunterschiede weitgehend vermieden werden sollen, ist die Lösung der gestellten Aufgabe in befriedigendem Maße keinesfalls gewährleistet. Wenn beispielsweise nun eine der Pumpen der beiden Kreisläufe bei Betrieb nicht läuft bzw. durch eine Betriebsstörung nicht die für einen Druckausgleich erforderliche Menge an Kühlmittel bzw. Moderatorflüssigkeit durch den Reaktor fördert, kann die gewünschte Druckgleichheit zwischen dem Kühlmittel in den Brennstoffelementen und der Moderatorflüssigkeit nicht mehr erreicht werden.

Demgegenüber hat sich die Erfindung die Ausbildung eines Wärmeübertragers zum Ziel gesetzt, bei welchem die bei den vorgenannten bekannten Anlagen auftretenden Nachteile mit Sicherheit vermieden werden, und zwar soll ein erfindungsgemäß ausgebildeter Wärmeübertrager material- und raummäßig einen geringeren Bedarf aufweisen, als dieses bisher der Fall war.

Die Lösung dieser Aufgabe besteht darin, daß die Dehnspalten mehrere in Strömungsrichtung des ersten Mediums hintereinander angeordnete Sperrelemente aufweisen, die die Dehnspalten in mehrere Kammern unterteilten und jede Kammer über eine Öffnung im Umfangsmantel mit mindestens einem Kanal verbunden ist.

Die Wärmeübertragereinheiten können beispielsweise einen rechteckigen Querschnitt aufweisen, wobei der Querschnitt selbstverständlich aber auch eine andere Kontur, wie beispielsweise eine polygonartige Begren-/Ling, aufweisen kann. Durch die Erfindung wird erreicht, daß die Umfangsmantel der Einheiten druckmäßig nicht einseitig belastet werden, da auf beiden Seiten im wesentlichen dieselben Druckverhältnisse herrschen.

Als weiterer Vorteil ist hierbei anzusehen, daß wenigstens in gewissem Maße ein Temperaturausgleich des die Kanäle in den Einheiten durchströmenden ersten Warmeübertragi.ngsmiitels und des die Dehnspal-

te durchströmenden Mediums erfolgt. Dieser Temperaturausgleich kann noch weiter dadurch verbessert werden, daß beispielsweise die Öffnungen in den Umfangsmänteln benachbarter Einheiten zwischen je zwei Sperrelementen gegeneinander versetzt angeordnet werden, so daß ein gegenüber dem Längsstrom des den Kanal durchströmenden ersten Wärmeübertragungsmittels geringer Querstrom dieses Mediums zwischen den Einheiten und den Dehnspalten auftritt.

Für die Ausbildung der Sperrelemente selbst gibt es eine große Anzahl Ausführungsformen. So kann beispielsweise jedes Sperrelement aus einem Blechstreifen bestehen, der an dem Umfangsmantel der einen Einheit an einer tieferen Stelle gelagert ist als an dem Umfangsmantel der benachbarten Einheit. Es ist ebenfalls möglich, als Sperrelemente Schienenstücke z. B. mit U- oder T-Profil zu verwenden, durch welche die Umfangsmantel benachbarter Einheiten in Stufen miteinander verbunden werden können.

Im folgenden wird die Erfindung an Hand von in den Zeichnungen schematisch dargestellten Ausführungsbeispielen erläutert.

F i g. 1 zeigt eine Reaktoranlage im Schnitt mit einem erfindungsgemäßen Wärmeübertrager;

F i g. 2 einen Längsschnitt durch Teile von zwei nebeneinander angeordneten Einheiten eines Wärmeübertragers,

F i g. 3 eine Detaildarstellung eines Sperrelementes in Verbindung mit gegenüberliegenden Querstreben von zwei benachbarten Einheiten im Längsschnitt,

Fig.4 im Längsschnitt einen Teil der Gehäusewände eines Wärmeübertragers und einer angrenzenden Einheit mit erfindungsgemäß angeordneten Sperrelementen.

In F i g. 1 ist die Anordnung eines erfindungsgemäßen Wärmeübertragers in Verbindung mit einem Kernreaktor gezeigt. In einem druckfesten Bau B, z. B. aus Beton, ist ein Reaktorkern R untergebracht. Unter diesem Reaktorkern befinden sich in einem Kanal K, der in diesem Fall das Gehäuse des erfindungsgemäßen Wärmeübertragers bildet, eine größere Anzahl von der Wärmeübertragung dienenden Einheiten £! Die den Zwischenraum zwischen den Elementen und der Gehäusewand des Wärmeübertragers abdichtenden Abdeckbleche sind mit A bezeichnet. Bei dieser Ausführungsform sind die der Gehäusewand benachbarten Umfangsmantel der Einheiten als versteifte Blechwände ausgeführt, während die zwischen den Einheiten vorhandenen Spalte 5 in Stufen derart durch Sperrelemente verbunden sind, wie dieses aus der anschließend beschriebenen F i g. 2 deutlich hervorgeht.

Das Reaktorkühlmittel, ζ. Β. CCh, durchströmt den Reaktorkern von oben nach unten, gelangt aus diesem in den durch die Einheiten £ gebildeten Wärmeübertrager, in welchem es das den geschlossenen Strömungskanal durchsetzende Medium, z. B. Wasser, erwärmt, währnd es in den Dehnspalten zwischen den Einheiten durch die dort erfindungsgemäß in Etagen angeordneten Sperrelemente gedrosselt wird. Durch Umwälzleitungen L mit Umwälzgebläsen U wird das Reaktorkühlmittel aus dem Wärmeübertrager wieder nach oben geleitet, um erneut in den Reaktorkern einzutreten.

F i g. 2 zeigt Ausschnitte von zwei Einheiten 1 und 2 eines Wärmeübertragers, wie es beispielsweise gemäß F i g. 1 für den Einbau in eine Reaktoranlage eines gasgekühlten Kernreaktors vorgesehen ist. Die Einheiten, die z. B. im Grundriß einen quadratischen Querschnitt besitzen, sind oben und unten offen und werden von dem Reaktorkühlmittel in Richtung der Pfeile M durchsetzt. Ein zu erwärmendes Mittel wird in den einzelnen Einheiten in Rohrbündeln geführt, welche in einzelne, parallelliegende, ebene Rohrschlangen aufgeteilt sind, so daß die Rohre 3, die in F i g. 2 nur für die Einheit 1 dargestellt sind, von dem gasförmigen erstem Übertragungsmittel quer angeströmt werden. Um eine Vorstellung von den Größenabmessungen eines derartigen Wärmeübertragers zu geben, sei erwähnt, daß die Abmessungen für die einzelnen Einheiten z.B. 2x2, 5 χ 10 m³ betragen können, und diese je ein Gewicht von etwa 100 t besitzen können.

Die geraden, mit Zirkularrippen 4 versehenen parallelen Abschnitte der Rohre 3 sind durch rippenlose Umkehrbögen 5 zu ebenen, parallelen Rohrtafeln zusammengefaßt, die von dem zu erwärmenden zweiten Mittel durchströmt werden. Die Einheiten besitzen um die Rohrtafeln herum einen aus Längs- und Querstreben bestehenden gerüstartigen Aufbau. Dieser Aufbau besteht aus vier als Träger ausgebildeten Längsstreben 6, an denen in mehreren Etagen als T-Träger ausgebildete Querstreben 7,8 angeschweißt sind, die einen Umfangsmantel 7, 8 bilden. Winkelträger 9 und 10 bilden sodann einen oberen bzw. unteren Rahmen. Die Rohrtafeln sind mittels Briden 11 an den Tragborde 12 bildenden Stegen der Querträger 7 befestigt. Diese sind ihrerseits an den Schenkeln der auf den gegenüberliegenden Seiten angrenzenden Längsträger 6 angeschweißt. Zweckmäßig sind die Tragborde an den beiden gegenüberliegenden Seiten einer jeden Einheit versetzt zueinander angeordnet.

Beim Zusammenbau der Einheiten werden die Rohrtafeln in eine parallele Ebene zur Zeichenebene gebracht und dann zwischen die mit Tragborden versehenen Querstreben eingefahren und daran mittels der Briden befestigt. Am Schluß erst wird der vordere Rahmen angeschweißt. In der Zeichnung sind die sichtbaren Querstreben der hinteren Rahmen der Einheiten mit der Bezugsziffer 8 bezeichnet.

Nach der Erfindung sind die Querstreben nebeneinanderstehender Einheiten mindestens in mehreren Stufen durch Sperrelemente verbunden. Bei der in F i g. 2 dargestellten Ausführungsform wird der zwischen den Einheiten 1 und 2 bestehende Dehnungsspalt 13 in mehreren Etagen durch Sperrelemente 14 überbrückt, so daß die Strömung des um die Rohre strömenden Gases in den Dehnspalten stark gedrosselt wird. Da der Gasstrom sowohl im Bereich der unberippten Rohrbögen wegen der Tragborde 12 als auch in den Spalten benachbarter Einheiten durch die Sperrelemente 14 stark gedrosselt wird, verläuft die Gasströmung im wesentlichen im Bereich der mit Rippen versehenen, geraden Rohrabschnitte 3, so daß am Ende des Wärmeübertragers eine über den Querschnitt gleichmäßige Temperaturverteilung des Gases erreicht wird. Zudem wird zwischen den einzelnen Einheiten und den zwischen benachbarten Einheiten bestehenden Dehnspalten abschnittsweise ein Druckausgleich herbeigeführt, so daß keine einseitige Beanspruchung der Innen- oder Außenseiten der einzelnen Einheiten entstehen kann.

Wie bereits an vorstehender Stelle angegeben ist, findet außerdem ein gewisser Temperaturausgleich zwischen dem um die Strömungskanäle strömenden Medium und dem die Dehnspalte durchströmenden Medium statt. Vorteilhaft kann dieser Temperaturausgleich noch dadurch verbessert werden, daß durch eine besondere Ausbildung der Einheiten ein gegenüber

dem Längsstrom des die Einheiten durchströmenden Mediums geringer Querstrom dieses Mediums zwischen den Einheiten und den Dehnspalten erzeugt wird. Ein solcher Querstrom kann beispielsweise dadurch hervorgerufen werden, daß die Querstreben benachbarter Einheiten gegeneinander in der Höhe versetzt angeordnet sind, oder daß im Bereich der zwischen zwei Querstreben derselben Einheit angeordneten Rohrbogen geneigte Schikanen eingebaut sind oder auch dadurch, daß der Einströmquerschnitt des die Einheiten direkt durchsetzenden Mediums einer Einheit gegenüber demjenigen der anderen beispielsweise durch entsprechende Ausbildung des oberen Rahmens der Winkelträger 9 verkleinert wird und ebenfalls der Ausströmquerschnitt einer anderen von der erstgenannten Einheit durch mehrere Einheiten getrennten Einheit durch leiche Ausbildung der den unteren Rahmen bildenden Winkelträger 10 im gleichen Maße gegenüber den anderen Ausströmquerschnitten verkleinert wird.

Der in Längsrichtung durch die Dehnspalte, die beispielsweise eine Breite von 5 cm besitzen, hindurchtretende Gasstrom ist gegenüber dem die Einheiten durchströmenden Gasstrom sehr gering und wird zudem in den einzelnen Kammern 23 mit durch die Öffnungen 24 hindurchtretendem, bereits gekühltem Gas gemischt, so daß dieser Gasstrom eine annähernd gleiche Temperatur aufweist wie der Gasstrom in den Kanälen 25, 25' der Einheiten. Hierdurch wird die thermische Beanspruchung der Konstruktionselemente im wesentlichen gleich.

Im Ausführungsbeispiel sind die Querstreben 7 — wie auch die Querstreben 8— benachbarter Einheiten durch die Sperrelemente 14 miteinander verbunden. Wenn auch hierbei die Spalte in allen Etagen benachbarter Einheiten von Sperrelementen überbrückt sein sollen, so sind selbstverständlich auch Anordnungen möglich, bei welchen nur eine gewisse Anzahl der Querstreben benachbarter Einheiten durch Sperrelemente miteinander verbunden sind.

Im Ausführungsbeispiel bestehen die Sperrelemente 14 aus Blechstreifen, die sich auf an den Querstreben 7 der einen Einheit angebrachte durchlaufende Nasen oder Rinnen 15 abstützen. Die Blechstreifen sind breiter als der höchste je zwischen zwei benachbarten Einheiten bestehende Dehnspalt 13, vorzugsweise etwa l,4mal so breit. Die Blechstreifen stellen sich schräg über den Spalt und lehnen sich an einer höheren Stelle der entsprechenden Querstrebe der benachbarten Einheit an, und werden dort durch den leichten Gasüberdruck des wärmeübertragenden Mediums angepreßt. In F i g. 3 sind zwei benachbarte Querstreben 7 mit einem sie verbindenden schräggestellten Sperrelement 14 vergrößert dargestellt. Mit strichpunktierten Linien ist angedeutet, wie vor und nach dem Zusammenschieben der einzelnen Einheiten die Blechstreifen mittels zweckmäßigerweise nummerierten Haltebügeln 16 an der Querstrebe 7 festgehalten werden. Nach dem Zusammenschieben der Einheiten werden die Bügel 16 entfernt, wobei die Blechstreifen von selbst in die gezeichnete schräge Lage fallen. Die Nummerierung der Haltebügel erlaubt während der Montage laufend zu kontrollieren, ob wirklich alle Blechstreifen von den Haltebügeln befreit wurden.

Im Ausführungsbeispiel verlaufen die Dichtlinien zwischen den Blechstreifen und den beiden benachbarten Querstreben horizontal, doch sind selbstverständlich auch Anordnungen der Sperrelemente möglich, bei welchen die Dichtlinien gegen die Senkrechte geneigt verlaufen können. Diese richtet sich im wesentlichen nach der jeweiligen Anordnung und Ausbildung des Aufbaus der einzelnen Einheiten.

Nach F i g. 2 ist der Dehnspalt 13 an seiner oberen Seite von einer T-förmigen Schiene 17 abgedichtet, welche durch ihr Gewicht sowie den Druck des gasförmigen Wärmeübertragungsmittels auf die Winkelträger 9 von jeweils zwei benachbarten Einheiten gepreßt wird, wobei der Steg der Schiene zentrierend in den Dehnspalt greift, während die Flansche den Dehnspalt überbrücken. An Stelle der Blechstreifen als Sperrelemente 14 können z. B. auch die Querstreben 7 von benachbarten Einheiten stufenweise durch U-förmige Schienen 18 über dem Dehnspalt miteinander verbunden werden, wie dieses in F i g. 2 an einer Stelle in strichpunktierten Linien angedeutet ist. Die Einheiten sind im Ausführungsbeispiel auf einem aus Kastenträgern gebildeten Tragrost aufgestellt, von welchem ein Tragrost 19 in der Zeichnung sichtbar ist. Auf Grund der erfindungsgemäßen Ausbildung des Wärmeübertragers ist es nicht erforderlich, die Tragkästen am Fuße des Wärmeübertragers gegen die Einheiten besonders abzudichten.

Die äußeren Einheiten des Wärmeübertragers können beispielsweise an ihren Außenseiten mit einer versteiften, nicht durchbrochenen Wand versehen sein (Fig.l).

Vorzugsweise werden jedoch auch die Räume zwischen den Außenseiten der äußeren Elemente und der Gehäusewand des Wärmeübertragers in Etagen durch Sperrelemente überbrückt.

Dazu zeigt Fig.4 ein Ausführungsbeispiel. An der zylindrischen Gehäusewand 20 des Wärmeübertragers sind in Etagen Dichtborde 21 angebracht. Auf diesen stützen sich als Blechstreifen ausgebildete Sperrelemente 14 ab, die in Rinnen 15 der Querstreben 7 der benachbarten Einheiten gelagert sind. An der oberen Seite ist eine T-Schiene 22 angeordnet, deren Steg zentrierend in den Raum zwischen Gehäusewand und den äußeren Einheiten greift, während die Flansche der Schiene einerseits auf dem obersten Dichtbord 21 der Gehäusewand und andererseits auf den oberen Winkelträger 9 der äußeren Einheiten liegen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Wärmeübertrager, insbesondere für Kernreaktoranlagen, für zwei Wärmeübertragungsmittel, bestehend aus mehreren Einheiten, die jeweils aus einem vom ersten Wärmeübertragungsmittel durchströmten, von einem Umfangsmantel begrenzten Kanal bestehen, in dem Rohre für das zweite Wärmeübertragungsmittel vorgesehen sind, bei dem die Einheiten in Strömungsrichtung des ersten Mediums Dehnspalten freilassend nebeneinander angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Dehnspalten (13) mehrere in Strömungsrichtung des ersten Mediums hintereinander angeordnete Sperrelemente (14) aufweisen, die die Dehnspalten in mehrere Kammern (23) unterteilen und jede Kammer über eine Öffnung (24) im Umfangsmantel (7, 8) mit mindestens einem Kanal (25) verbunden ist.

2. Wärmeübertrager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jede Kammer (23) mit jedem der jeweils angrenzenden Kanäle (25, 25') über eine Öffnung (24) in dem jeweiligen Umfangsmantel verbunden ist.

3. Wärmeübertrager nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die jeweils von einer Kammer ausgehenden Öffnungen (24) in Strömungsrichtung des ersten Wärmeübertragungsmittels versetzt angeordnet sind.

4. Senkrecht angeordneter Wärmeübertrager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Sperrelement (14) aus einem Blechstreifen besteht, der an dem Umfangsmantel (7) einer Einheit gelagert ist und dessen obere Kante sich am Umfangsmantel (7) der benachbarten Einheit abstützt.