DE1811586A1

DE1811586A1 - Waermetauscher und Verfahren zu dessen Herstellung

Info

Publication number: DE1811586A1
Application number: DE19681811586
Authority: DE
Inventors: Coles Harold John
Original assignee: Atomic Power Constructions Ltd
Current assignee: Atomic Power Constructions Ltd
Priority date: 1967-12-01
Filing date: 1968-11-29
Publication date: 1969-10-16
Also published as: BE724748A; FR1597674A; US3545534A; GB1244611A

Description

betreffend:
Wärmetauscher und Verfahren zu dessen Herstellung.

Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher, insbesondere, ' wenn auch nicht ausschließlich, einen Wärmetauscher vom Spiraltyp, das heißt einen solchen, bei dem eines der Wärmetransfermedien in einer oder mehreren spiraligen Rohren enthalten ist. Wenn zwei oder mehr spiralig gewundene Rohre vorhanden sind, sind diese in zwei oder mehr, sich in der gleichen Richtung erstreckenden Lagen angeordnet.

Obwohl Wärmetauscher mit spiralig gewundenen, flachen, eine kleine Bohrung aufweisenden Rohren eine hohe Wärmetransferkapazität pro Volumeneinheit besitzen, sind sie bisher nur in geringem Umfang angewandt worden, weil ihre Herstellungskosten prohibitiv hoch sind. Die Rohre müssen ' abgestützt werden, um sie in einer vorgegebenen, relativen Lage festzuhalten, und .s ist bekannt, eine Abstützvorrichtung mit drei radial zur Achse der spiralig gewundenen Rohre angeordneten Halteplatten zu verwenden. Jede Platte weist eine Matrix von eingebohrten Löchern auf, deren Abstände entsprechend dem Anstieg der Spirale und dem· Abstand benachbarter Spiralen gewählt sind. Die radial innerste Rohrspirale wird festgelegt, indem sie axial gedreht wird und ihr Führungsende nacheinander durch die entsprechenden Löcher in den drei Halteplatten gefädelt wird. Eine Schweißung oder andere mechanische Befestigung wird bei jedem

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Loch zwischen Rohr und Platte ausgebildet, und der Vorgang wiederholt sich, bis aus allen Fohrspiralen der . vollständige Wärmetauscher aufgebaut worden ist. Offensichtlich ist ein solcher Verfanrensgang extrem zeitaufwendig und mithin kostspielig.

Ähnliche Probleme treten bei Wärmetauschern auf, deren Rohre nicht spiralig, sondern in anderen Konfigurationen angeordnet sind, wenn auch manchmal in wenige:· gekrümmter Form.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Wärmetauscher zu _t schaffen, dessen Herstellung einfacher ist als die des eben beschriebenen und mithin auon billiger als bei diesem.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß der Wärmetauscher eine Kehrzahl von Rohren, eine Mehrzahl von Haltern, die im wesentlichen quer zu den Rohren angeordnet sind, und eine Mehrzahl von Befestigungsgliedern aufweist zur Befestigung der Rohre an den Haltern.

Die Rohre können in parallelen Lagen angeordnet sein mit den Haltern jeweils zwischen benachbarten Lagen. In diesem Fall ist es zweckmäßig, wenn die Befestigungsglieder <=iner Rohrlage rugleich die Halter für die nächstgelegene Rohrlage tragen.

Die Befestigungsglieder können Klammern umfassen für die Befestigung eines, zweier oder mehrerer benachbarter Rohre an dem Halter.

Die Rohre können spiral- oder Schraubenlinien- oder wendelförmig angeordnet sein; der Ausdruck "spiral-" soll nicht im streng mathematischen Sinne verstanden werden, sondern soll alle allgemein wendeiförmigen Ausführungen umfassen, ob sie nun einen runden Querschnitt oder aber einen quadra-

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tischen, rechteckigen, ovalen oder noch anders geformten Querschnitt aufweisen. Darüberhinaus kann ein wendeiförmiges Rohr an aufeinanderfolgenden Haltepunkten seiner Länge absichtlich in verschiedenen Richtungen gebogen werden, um an den Haltepunkten eine die Lage sichernde Vorspannung einzuführen; derartige Systeme sind im einzelnen in der Britischen Patentanmeldung 37 398/68 beschrieben.

Die Befestigungsglieder können aus Klammern bestehen mit einem oder mehreren gekrümmten Haken, welche das Rohr umgreifen, und mit einem Basisteil, das mit dem Halter verbunden ist. Die Klammer kann einstückig hergestellt sein oder der oder die Haken können getrennt von dem Basisteil gefertigt werden.

Der oder die Haken können federnd ausgebildet sein.

Vorzugsweise ist jede Klammer so ausgebildet, daß sie eine Fläche zur Aufnahme des Halters der nächstbenachbarten Gruppe aufweist. Zum Beispiel können die Halter in regelmäßiger Teilung gelochte Streifen sein, in welchem Fall die Klammern Nasen auf v/eisen, so daß ein Halter auf der nächstbenachbarten Klammer befestigt wird, indem die Nasen derselben in die Löcher des Streifens eingeführt werden.

Die Rohre können spaltbares Material enthalten, in welchem Fall der Wärmetauscher ein Brennstoffelement in Wendeloder Spiralform wird. Der Wärmeaustausch erfolgt hier zwischen dem spaltbaren Material und einem über die Rohre zirkulierten Kühlmittel.

Ein Verfahren zur Montage eines Wärmetauschers gemäß der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß behelfsmäßig eine erste Gruppe von Haltern aufgebaut wird, daß ein erstes, im wesentlichen spiralig gewandeltes Rohr über die erste Haltergruppe gebracht wird, daß die erste Rohrwendel an

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der ersten Haltergruppe befestigt wird, daß eine zweite Haltergruppe rund um' das erste Rohr im Abstand von diesem positioniert wird, daß ein zweites im wesentlichen spiralig gewendeltes Rohr über die zweite Gruppe gebracht wird, und daß die zweite Rohrwendel an den Haltern der zweiten Gruppe bei festigt wird.

Gemäß diesem Verfahren wird der Wärmetauscher nach außen aufgebaut, indem man im'innersten Punkt beginnt, die Zwischenrohre hinzufügt und als letztes das äußerste Rohr befestigt.

Alternativ kann der Aufbau auch nach innen erfolgen. Das erste, zu positionierende Rohr wäre demnach das äußerste. Dieses Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß behelfsmäßig eine erste Haltergruppe aufgebaut wird, daß eine erste, im wesentlichen spiralige Rohrwendel in die erste Haltergruppe eingeführt wird, daß die erste Rohrwendel mit der ersten Haltergruppe verbunden wird, daß eine zweite Haltergruppe in die erste Wendel eingeführt wird, daß eine .zweite im wesentlichen spiral ige Rohrwendel in die zweite Haltergruppe eingeführt wird, und daß die zweite Rohrwendel an den Halterungen der zweiten Gruppe befestigt wird. :

Falls eine Rohrwendel zwischen der innersten und äußersten Wene del als Ausgangspunkt gewählt wird, kann der Aufbau durch gleichzeitiges oder aufeinanderfolgendes Anwenden beider oben beschriebener Verfahren erfolgen..Es ist festzuhalten, daß die Wahl des Aufbauverfahrens nicht notwendigerweise abhängt von dem Typ des Befestigungsglieds für die Verbindung von Rohr und Halter.

Ausführungsformen des Erfirrungsgegenstandes sollen nach-, stehend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert werden.

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Figur 1 ist die schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels;

Figur 2 zeigt einen Schnitt nach Linie II-II in Figur 1;

Figuren 3 und 4 sind Vorder- bzw. Seitenansicht eines Teils eines Halters;

Figur 5 zeigt einen Schnitt nach Linie V-V in Figur 3;

Figuren 6» 7 und 8 stellen die Drauf-, Vorder- bzw. Seitenansicht eines Befestigungsgliedes dar;

Figur 9 zeigt die Seitenansicht eines Teils des

ersten Ausführungsbeispiels nach dem Zusammenbau;

Figuren 10, 11 und 12 sind Vorder-, Drauf- bzw, Seitenansicht eines Teils einer anderen Ausführungsform des Befestigungsgliedes;

Figuren 13 und 14 zeigen Seiten- bzw. Vorderansicht

eines andern Teils einer andern Befestigungsgliedausführungsform; und

Figur 15 ist die Seitenansicht eines Teils der zweiten Ausführungsform nach dem Zusammenbau.

Figuren 1 und 2 zeigen - nur schematisch - einen zusammengebauten Wärmetauscher gemäß der. Erfindung. Er umfaßt eine äußere zylindrische Schale 1 und eine innere zylindrische Schale 2, die an ihren Enden mittels dreier radialer Speichen 3 verbunden sind. Der von den Schalen 1, 2 definierte Ringraum enthält eine Mehrzahl von koaxial gewendelten Rohren 4, die jeweils von einer Gruppe von Haltern gehalten werden, welche ihrerseits jeweils einen langgestreckten, von den obersten Speichen herabhängenden Streifen umfassen. Jedes Rohr ist an dem Halter der zugeordneten Haltergruppe mittels in den Figuren 1 und 2 nicht dargestellter Befestigungsglieder befestigt.

Es ist festzuhalten, daß die verschiedenen spiralig gewendelten Rohre untereinander verbunden sein können oder aach nicht, daß si© eine unterschiedliche Steigung, das heißt» unterschiedlichen Wendelwinkel, besitzen können, wenn auch

die Teilung vorzugsweise dieselbe ist, und daß sie sieh über die gesamte Länge des Kessels erstrecken können oder auch nicht. Es ist nicht erforderlich,, daß die Wendeln alle in derselben Richtung gewunden sind.

Aus den Figuren 3, ^ und k erkennt man, daß jeder langgestreckte Halter einen langen Streifen aus korrosionsfestem Stahl umfaßt, in welchen Streifen 6 in regelmäßigen Abständen Löcher 7 gebohrt sind. Im Schnitt ist der Streifen längs jeder Seite abgestuft, wie bei 8 in Figur 5* und die langen Seiten sind außerdem in regelmäßigen Abständen geschlitzt, wie bei 9 angedeutet.

Die Befestigungsglieder, die in Verbindung mit den Haltern nach den eben beschriebenen Figuren verwendet werden sollen, sind Klammern der in Figuren 6, 7 und 8 gezeigten Form. Jede Klammer besteht aus dem handelsüblichen Material "Nimonic 80A" und besitzt gebogene Rohrhaken 10, die sich von einem Mittelteil 11 erstrecken, das wie bei 12 geschlitzt ist und einwärts gebogene Enden 1J5 aufweist. Die Vorderseite der Klammer ist bei 14 abgestuft und weist eine mittige Nase 15 auf, die bei \6 a hg e fast" ist und deren Höhe gerade geringfügig geringer ist als die maximale Dicke des Streifens 6.

Beim: Zusammenbau des Wärmetausehers befaßt man sich zuerst mit der innersten Rohrwendel. Drei Streifen β werden benötigt, um die Wendel zu halten, und sie werden behelfsmäßig in der Stellung festgelegt, die sie nach dem vollständigen Zusammenbau einnehmen werden. Die Rohrwendel wird dann über die drei Streifen geschoben und behelfsmäßig in dieser Stellung festgelegt. Dann werden die Befestigungsklanimem mit der Wendel verbunden, indem die Haken IQ über benachbarte Windungen der Wendel gefedert werden nahe dem, Verbindungspunkt mit dem Kalter und danach die Klammer am Halter befestigt wird* wobei die einwärts gebogenen Enden 12 durch einen pausenden Schlitz. 9 ge~ führt werden Lind die Jflamjner läpgs dies; Streifens verschoben .wird» bis die richtige: Position erreicht ist*

Dieser' Vorgang wird wiederholt, bis alle Windungen mit allen Haltern bei jedem Vorbeigang verklammert sind. Dies ist in Figur 9 gezeigt, wo benachbarte Windungen 17, l8, 19 und 20 der Wendel mittels Klammern 21 und 22 an einem . streifenförmigen Halter 23 angeklammert sind.

Die drei nächsten Halterstreifen werden nun dazugebaut, indem sie so angeordnet werden, daß die Nasen 15 der bereits montierten Klammern in die Löcher 7 der nächsten Streifen greifen. Diese werden nun festgelegt, vorzugsweise durch Schweißen, an den Nasen der innersten Klammergruppe. Dann wird die nächstinnerste Wendel über die zweite Streifengruppe geschoben und an dieser mit weiteren Klammern befestigt. (| Dies ist in Figur 9 gezeigt. Benachbarte Windungen 24, 25 und 26 der zweitinnersten Wendel sind an dem Halterstreifen 27 mittels Klammern 28, 29 befestigt, während der Halterstreifen 27 an den Nasen der Klammern 21, 22 angeschweißt worden ist, xvie bei 30 angedeutet.

Der Vorgang wiederholt sich dann für jede folgende Wendel. Figur 9 zeigt Windungen 31» 32 zweier weiterer Rohrwendeln, die mittels Klammern 33, 34 an Streifen 35 bzw. 36 befestigt sind.

Die innere Schale wird dann durch die zusammengebauten ^

Rohrwendeln eingeführt und die äußere Schale rings um ™

die Wendeln angeordnet. Die RadialSpeichen werden in ihre Lage gebracht und an den Schalen und den Streifen befestigt.

Die Befestigungsklammer muß nicht einstückig ausgebildet sein; nachstehend soll eine andere Ausführungsform aus zwei Teilen beschrieben werden.

Die Klammer besitzt einen Basisteil 37, dargestellt in den Figuren 10, 11 und 12, mit einem Schlitz 38 und nach innen umgelegten Enden 39. Eine· Nase -40 erstreckt sich mittig von der Seite 41 des Basisteils.

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' Der Hakenabschnitt der Klammer ist vom Basisteil getrennt und in den Figuren-"IjJ und 14 gezeigt. Er umfaßt ein Blech 42, das in Form eines flachen U gebogen ist und eine Mittelöffnung 43 aufweist.

Der Basisteil der Klammer besteht zweckmäßig aus korrosionsfestem Stahl und der Hakenabschnitt aus "Nimonic 80A".

Der Zusammenbau der mehrteiligen Klammer wird nun unter Bezugnahme auf Pigur 15 erläutert. Die innerste Gruppe der Halterstreifen 44 wird in ihre Stellung gebracht und '' " die innerste Rohrwendel über die Gruppe geschoben. Die φ Basisteile 57 werden kraftschlüssig mit den Streifen 44 verbunden und die Hakenabschnitte 42 greifen mit ihren Löchern

43 über die Nasen 40 der Basisteile. Es ist festzuhalten, daß bis zu dieser Stufe des Zusammenbaus noch keine Verbindung der beiden Klammerteile miteinander erfolgt ist.

Die zweite Reihe der Halterstreifen wird nun angebracht, indem deren Löcher Über die Nasen 40 geschoben, werden* Diese werden nun mit den zweiten Halterstreifen verschweißt, und diese Schweißung hat nun die Doppelfunktlon, die zweite Halterstreifengruppe zu montieren und die beiden Teile der Klammer miteinander zu verbinden. Es kann zweckmäßig sein, zum Beispiel wenn das äußere Wärmetransferfluid ein

™ Reaktorkühlgas ist und wenn der Kessel relativ unzugänglich ist, die "Lose" oder das Spiel in der Befestigung zwischen dem Klammerbasisteil 37 (oder den Haken 10) und den Streifen

44 zu vermeiden im Hinblick auf die Gefahr des Korrosi^nsfressens, das an den Kontaktstellen erfolgen kann. Eine hierzu brauchbare Möglichkeit besteht darin, die Basisteile 37 (oder die Haken 10) mit den Halterstreifen 44 an einer Ana zahl gestaffelter Positionen zu verschweißen und an den übrigen Stellen auf eine "Steigbügel-"-Verbindung mit dem nächstgelegenen Streifen ganz zu verzichten. Auf diese Weise wird ein mögliches Fressen ganz vermieden, und durch Weglassen von einigen Verbindungen und Staffeln der übrigen

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wird ein Haltesystem aufgebaut, das in Radialrichtung flexibel ist. Diese Flexibilität ist wünschenswert zur Vermeidung übermäßiger Beanspruchung infolge thermischer Expansion, mit denen die Rohre belastet/sind. Eine solche Beanspruchung könnte sonst auftreten, weil die thermische Expansion der Halter (mit einem Temperaturbereich zwischen Raumtemperatur und der primären Wärmetransfertemperatur) größer ist als die des Rohres (mit einem Temperaturbereich zwischen Raumtemperatur und der sekundären Wärmetransfertemperatur) . Die relative Expansion der Rohre und Halter hängt außerdem von Unterschied der thermischen Eigenschaften ihrer Materialien ab.

Die oben beschriebenen Ausführungsformen sind vertikal angeordnet, doch ist die Erfindung gleichermaßen anwendbar auch auf jede andere Orientierung; wenn beispielsweise die Achse horizontal wäre, würden die Halter entweder erheblich belastet, oder sie würden zwischen ihren Enden abgestützt werden.

Die dargestellten Befestigungsglieder sind jeweils Klammern zum Halten von je zwei benachbarten Windungen der Rohrwendel gewesen; offensichtlich könnte auch jeder Windung eine eigene Klammer zugeordnet werden, oder mehr als zwei benachbarte Windungen könnten von einer einzigen Klammer getragen werden.

Die Erfindung ist beschrieben worden unter Bezugnahme auf ein System, bei dem die innerste Rohrwendel zuerst aufgebaut wird; wenn ein genügend großer Innendurchmesser der inneren Schale gegeben ist, können die Komponenten und der Zusammenbau umgekehrt werden und man kann von außen nach innen aufbauen. Es kann vorgesehen werden, zur Zeiteinspariing von einer mittleren. Windung auszugehen und gleichzeitig nach außen und nach innen zu bauen.

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Es vdrsteht sich, daß Gleichmäßigkeit von Steigung und Teilung der Wendeln oder Spiralen nicht erforderlich ist. Die Erfindung ist ohne weiteres anwendbar auf Halterungen für Wendeln mit unregelmäßiger Teilung und Steigung.

Patentansprüche:

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Claims

Patent a n Sprüche

1) Wärmetauscher, gekennzeichnet durch eine Mehrzahl von Rohren, eine Mehrzahl von im wesentlichen quer zu den Rohren artgeordneten Haltern und eine Mehrzahl von Befestigungsgliedern für die Befestigung der Rohre an den Haltern.

2) Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Halter eine langgestreckte Form besitzen und an mindestens einem Ende befestigt sind.

3) Wärmetauscher nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohre in parallelen Lagen angeordnet sind mit den Haltern zwischen den Lagen, und daß die Befestigungsglieder einer Rohrlage als Träger für die Halter der nächstfolgenden Rohrlage ausgebildet sind.

k) Wärmetauscher nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Befestigungsglieder Klammern umfassen für die Festlegung von jeweils zwei oder mehr Rohren an einem nächstgelegenen Halter.

5) Wärmetauscher nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohre im wesentlichen als ineinander angeordnete wendeiförmige Rohrschlangen ausgebildet sind.

6) Wärmetauscher naeh Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, daß mindestens einige der Halter gruppenweise angeordnet sind, daß jede Gruppe mehrere, parallel zu einer Achse einer im wesentlichen spiralig gewundenen Rohrschlange angeordnete und gleichmäßig längs eines um diese Achse gelegten Kreises verteilte Halter umfaßt, daß benachbarte Gruppen einen Abstand voneinander besitzen, der glefch ist dem Abstand benachbarter Rohre, und daß je eine Haltergruppe in Wirkverbindung steht mit je einer Rohrschlange.

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7) Wärmetauscher nach Anspruch 5 oder 6 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohrwendeln eine gemeinsame vertikale Achse besitzen und daß die Halter an ihrem oberen Ende mit Querspeichen abstützend verbunden sind.

8) Verfahren zur Herstellung eines Wärmetauschers nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Aufbau von innen nach außen in folgenden Schritten erfolgt:

Behelfsmäßiges Positionieren einer ersten Gruppe von Haltern,

Anordnen eines ersten, im wesentlichen spiralig gewendelten Rohres über der ersten Gruppe von Haltern, Befestigen des ersten Rohres an den Haltern der ersten Gruppe,

Positionieren einer zweiten Gruppe von Haltern im Abstand rings um das erste Rohr,

Anordnen eines zweiten, im wesentlichen spiralig gewendelten Rohres über der zweiten Gruppe von Haltern, und Befestigen des zweiten Rohres an den Haltern der zweiten Gruppe.

9) Verfahren zur Herstellung eines Wärmetauschers nach einem der Ansprüche 1-7» dadurch gekennzeichnet, daß der Aufbau von außen nach innen erfolgt in folgenden Schritten:

Behelfsmäßiges Positionieren einer ersten Gruppe von Haltern,

Anordnen eines ersten, im wesentlichen spiralig gewendelten Rohres in der ersten Gruppe von Haltern, Befestigen des ersten Rohres an der ersten Haltergruppe, Einführen einer zweiten Gruppe von Haltern in die erste Rohrwendel,

Anordnen eines zweiten, im wesentlichen spiralig gewendelten Rohres in die zweite Haltergruppe, und Befestigen des zweiten Rohres an den Haltern der zweiten Gruppe.

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10) Verfahren nach den Ansprüchen 8 und 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Aufbau des Wärmetauschers gleichzeitig oder nacheinander, ausgehend von einer mittleren Rohrwendel, nach außen und nach innen erfolgt.

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