DE1992049U - Wärmetauscher vom U-Rohrbündeltyp - Google Patents

Description

Die vorliegende Neuerung bezieht sich auf einen Wärmetauscher vom U-Rohrbündeltyp in stehender Bauart. Wärmetauscher dieser Bauart werden vielfach verwendet, beispielsweise als Verdampfer in der chemischen Industrie oder in Dampfkraftwerken. Besondere Bedeutung haben sie jedoch als Dampferzeuger in Kernkraftwerken erlangt, wo ein primärer Wärmetauscher Energie an ein sekundäres Arbeitsmittel, normalerweise zur Erzeugung von H[tief]2O-Dampf, überträgt. Die Baugröße und damit auch die Leistungsgröße derartiger Apparate wird praktisch durch die Größe des benötigten Rohrbodens begrenzt, da eine Vergrößerung allein durch Verlängerung des Rohrbündels nur insoweit möglich ist, als die Strömungsgeschwindigkeiten in den Rohren nicht zu groß werden und der Druckverlust im Rohrbündel nicht zu einem schlechten Kraftwerkswirkungsgrad führt. Zusätzlich ist hierbei auch der Naturumlauf auf der sekundären Seite zu berücksichtigen.

Die Herstellungsmöglichkeit des Rohrbodens wird begrenzt durch das maximale Blockgewicht beim Schmieden, von den verfügbaren Schmiedepressen und von den Eigenschaften der zur Verwendung kommenden Werkstoffe. Das Bohren der Rohrböden für den Einbau der Wärmetauscherrohre wird mit zunehmender Dicke derselben außerordentlich schwierig und sogar von einer gewissen Stärke ab wirtschaftlich nicht mehr vertretbar.

Bei Kernkraftwerken mit Druckwasserreaktoren wird beispielsweise die maximale Kreislaufleistung durch die maximale Baugröße eines Dampferzeugers bestimmt. Da bei Kernkraftwerken die Größe der Reaktorgebäude technisch und finanziell von großer Bedeutung ist, ist es aber zweckmäßig, möglichst große Dampferzeuger vorzusehen und damit die Zahl der parallelen Kreisläufe niedrig zu halten.

Es ergibt sich aus diesen Zusammenhängen, daß es zweckmäßig wäre, die Leistungsgrenze einer Dampferzeugereinheit bzw. eines normalen Wärmetauschers zu erhöhen und die Rohrbodendicke zu reduzieren, ohne die eingangs geschilderten Nachteile in Kauf nehmen zu müssen.

Dieses Ziel wird neuerungsgemäß dadurch erreicht, daß zwei Rohrbündelsysteme 8, 9 symmetrisch zum Ein- und Austritt 6, 7 des primären Wärmeträgers innerhalb eines gemeinsamen Kessels 10, 11 angeordnet sind. Es handelt sich also sozusagen um zwei einzelne Wärmetauscher vom U-Rohrbündeltyp, die auf der Rohrbodenseite zu einer Einheit miteinander verbunden sind und einen gemeinsamen Zu- und Ablauf des primären Wärmeträgers besitzen. Damit wird zunächst die Leistungsgrenze gegenüber einem einfachen U-Rohrbündeldampferzeuger um mindestens das

Doppelte erhöht. Das gleiche gilt damit auch für die Erhöhung der maximal möglichen Einheitsleistung eines Druckwasserreaktors. Der zwischen den beiden Rohrböden verbleibende Raum dient dabei als Sammelkammer für den zu- und abströmenden Wärmeträger. Er ist zu diesem Zweck z.B. durch Stege und Rohre unterteilt, wobei diese Bauelemente gleichzeitig auch der gegenseitigen Abstützung dienen. Damit wird es möglich, die Rohrböden selbst schwächer auszuführen, so daß die Schwierigkeiten hinsichtlich der Herstellung und des Bohrens derselben umgangen sind. Damit kann aber auch mit einer Reduzierung der Bohrlochtoleranzen und Verbesserung des Bohrlochverlaufens aufgrund der kleineren Wanddicke gerechnet werden. Infolge der Vergrößerung der Einheitsleistung ergibt sich eine geringere Zahl der benötigten Wärmetauscher, somit eine wesentliche Vereinfachung und Verringerung der Rohrleitungsführung des primären Kreislaufes, bei Kernkraftwerken damit die Ermöglichung eines kleineren Reaktorgebäudes sowie die einfachere Möglichkeit zur Erzeugung überhitzten Dampfes gegenüber einfachen U-Rohrbündeldampferzeugern, da obere oder untere Heizfläche getrennt von der Verdampfungsheizfläche als Überhitzer geschaltet werden können.

Unabhängig von der gegenseitigen Zusammenschaltung der beiden Wärmetauscherhälften läßt sich der neue Wärmetauscher zusammenfassend kurz etwa folgendermaßen beschreiben, siehe auch die Figuren 1 bis 8.

Der Wärmetauscher besitzt zwei Rohrböden 1 und 2, die durch einen Ring 3 miteinander verbunden sind und zusätzlich durch ein oder mehrere Rohre 4 bzw. durch ein oder mehrere Stege 5 oder auch durch Zuganker gegeneinander versteift sind. Diese zur Versteifung benutzten Bauteile dienen gleichzeitig zur Strömungsführung und sind so angeordnet, daß dadurch der Raum zwischen den Rohrböden in zwei gleiche Kammern 60 und 70 unterteilt wird. Jede dieser Sammelkammern erhält einen oder mehrere Stutzen 6 und 7 zum Zu- und Abführen des primären Wärmeträgers. Die Rohrböden sind in an sich bekannter Weise mit je einem Rohrbündel 8 und 9 aus U-förmig gebogenen Rohren bestückt.

An die beiden Rohrbündel 1 und 2 schließt sich beiderseits um die Rohrbündel ein zylindrischer Behältermantel 10 bzw. 11 an, der den Raum für den sekundären Wärmeträger bildet und der bei den in den Figuren dargestellten Beispielen auf der einen Seite durch einen Halbkugelboden 12 und auf der anderen Seite über einen konischen Schuß 13 erweitert, einen Dampfraum 14 umschließt und schließlich durch ebenfalls einen Halbkugel- oder Korbboden 15 abgeschlossen wird. Dieser Wärmetauscherkessel ist mit Speisewasserstutzen 16 sowie einem Dampfaustrittsstutzen 17 versehen. Zur sekundärseitigen Strömungsführung ist der Wärmetauscherkessel mit innen- oder außenliegenden Bauelementen ausgerüstet. Im Falle der Verwendung als Dampferzeuger befinden sich im Dampfraum 14 Wasserabscheider an sich bekannter Bauart zur Trennung des gebildeten Dampfwassergemisches.

Zur Verdeutlichung der mit derartig aufgebauten Wärmetauschern erzielbaren Möglichkeiten sei nunmehr auf die in den Figuren 1 bis 8 dargestellten Beispiele verwiesen. Figur 1 zeigt einen derartigen Wärmetauscher zur Erzeugung von Sattdampf, das Speisewasser tritt auf der Unterseite des senkrecht stehend angeordneten Dampferzeugers durch den Stutzen 16 ein, der Dampfauslaß 17 ist oberhalb des Dampfdomes 14 angeordnet. Die beiden Rohrplatten 1 und 2 sind durch das Rohr 4 gegeneinander versteift, das gleichzeitig für den Durchtritt des sekundären Wärmeträgers aus dem Kesselteil 11 in den Kesselteil 10 dient. Zur Bildung der Sammelkammern 60 und 70 ist der Raum zwischen den Rohrböden noch durch zwei plattenartige Stege 5, die gestrichelt eingezeichnet sind, geteilt. Das Rohrpaket 9 dient in dieser Schaltung im wesentlichen als Vorwärmer für das Speisewasser, das jedoch auch teilweise bereits verdampft wird. Es gelangt über das Rohr 4 in den oberen Teil des Wärmetauschers und wird dort innerhalb des dortigen Rohrpaketes 8 durch einen Dampfabscheider 18 in seine Bestandteile aufgeteilt. Das auf diese Weise in den oberen Wärmetauscherraum eintretende Speisewasser wird vom dortigen Rohrbündel 8 weiter aufgeheizt und verdampft. In dem oberhalb dieses Rohrbündels angeordneten Dampfabscheider 18 wird der Wasseranteil abgeschieden und außerhalb einer Leitwand 20 an der Kesselinnenwand entlang nach unten erneut in das Wärmetauscherpaket 8 geführt. Es findet also ein sogenannter Naturumlauf statt. Der primäre Wärmeträger, der über die Stutzen 6 in die Sammelkammer 60 eintritt, teilt sich dort auf und durchströmt in parallelen Zweigen die Wärmetauscherpakete 8 und 9. Er tritt gemeinsam durch die Stutzen 7 wieder aus dem Wärmetauschersystem aus.

Figur 2 zeigt im Unterschied zu dieser Zusammenschaltung der beiden Wärmetauschereinheiten 8 und 9 eine Abstützung der beiden Rohrböden 1 und 2 durch eine Platte 5, die gleichzeitig auch der Ausbildung der beiden Kammern 60 und 70 dient. Selbstverständlich sind auch noch andere, nicht dargestellte, Abstützmöglichkeiten zwischen diesen beiden Rohrböden anwendbar. Im Unterschied zu dem Beispiel in Figur 1 wird hier das im unteren Wärmetauscherpaket vorgewärmte und teilweise verdampfte Wasser durch Umwegleitungen 19 außerhalb des eigentlichen Wärmetauscherkessels dem oberen Rohrpaket 8 zugeführt. Ansonsten findet auch dort wieder ein Naturumlauf des sekundären Wärmeträgers mit Hilfe der Leitwand 20 statt. Da in diesem Beispiel keine zentrale Durchführung des sekundären Wärmeträgers vorgesehen ist, besteht die Möglichkeit, das obere Rohrpaket 8 mit einer größeren Heizfläche zu versehen.

Eine andere Schaltungsmöglichkeit des sekundären Wärmeträgers ist in Figur 3 dargestellt. Der primäre Wärmeträger läuft dabei wiederum in Parallelschaltung durch die beiden Rohrpakete 8 und 9. Die Konstruktion des Rohrbodens und der Kammern 60 und 70 ist in ähnlicher Weise durchgeführt wie die in Figur 1. Das Speisewasser wird jedoch abweichend von den bisherigen Beispielen durch einen Stutzen 16 im Dampfraum 14 zugeführt und wird über eine Ringleitung 25 gleichmäßig in den Ringraum zwischen der Leitwand 20 und der Kesselwandung eingeführt. Im oberen Wärmetauscher 8 strömt nun das Speisewasser nach unten und tritt um den unteren Rand der Leitwand 20 in das Wärmetaucherpaket 8 ein. Die Strömung bildet hier, wie in den bisherigen Beispielen, einen Naturumlauf. Selbstverständlich wäre auch ein Zwangsumlauf durchführbar.

Über Umwegleitungen 21 wird ein Teilstrom des Speisewassers aus dem oberen Teil des Kessels in den unteren überführt, strömt dort zunächst im Zwischenraum zwischen einer Leitwand 22 und der Kesselwandung 11 nach unten und tritt dort durch die Wärmetauscherflächen 9 hindurch. Durch das Versteifungsrohr 4 und entsprechende Bohrungen in den Rohrböden 1 und 2 gelangt dieses hier aufgeheizte Wasser-Dampfgemisch in den oberen Teil des Wärmetauschers und dort über ein Leitrohr 41 zu den Dampfabscheidern 18 oberhalb des Rohrpaketes 8. Hier findet in bekannter Weise wieder die Trennung von Wasser und Dampf statt, die, wie auch in den übrigen Beispielen, durch entsprechende Pfeile dargestellt ist.

In Figur 4 ist dieses Beispiel ähnlich wie Figur 2 abgewandelt.

Die Umwegleitungen 19 dienen nicht mehr der Führung des kalten Speisewassers, sondern des im unteren Wärmetauscherpaket 9 aufgeheizten sekundären Wärmeträgers, der auf diesem Weg den oberen Dampfabscheidern 18 zugeführt wird. Auch hier ergibt sich dadurch die Möglichkeit, im oberen Rohrpaket 8 mehr Heizfläche unterzubringen, da kein Platz für das Führungsrohr 41 vorgesehen werden muß. Die Zuführung des kalten Speisewassers erfolgt dabei durch besondere Leitungen 23, die die Sammelkammern 60 und 70 durchsetzen und neben ihrer Stützwirkung eine Verbindung zwischen den Ringräumen beider Wärmetauscherabschnitte herstellen, die jeweils aus der Kesselwand und den Leitwänden 20 bzw. 22 gebildet werden.

Die Figuren 5, 6 und 7 zeigen demgegenüber einen Wärmetauscher, der mit einer anderen Form der Sammelkammern am Ein- und Auslaß des primären Wärmeträgers ausgerüstet ist. Die Figuren 6 und 7 zeigen dabei Abschnitte des Wärmetauschers nach Figur 5 entlang der Linien VI-VI und VII-VII. Daraus ist ersichtlich, daß die Sammelkammern, hier mit 61 und 71 bezeichnet, aus Rohrabschnitten 62 und 72 bestehen, die durch die Deckel 63 und 73 abgeschlossen sind. Die beiden Sammelräume, die nach außen mit dem Zuführungs- und Abführungsstutzen 6 und 7 in Verbindung stehen, haben also keine direkte Berührung untereinander. Wärmespannungen, die durch die unterschiedliche Temperatur des primären Wärmeträgers hervorgerufen werden, können sich also hier nicht auswirken. Die Kesselwandung 10, 11 ist daher auch nur mit den

Reaktionskräften aus der unterschiedlichen Ausdehnung des U-förmigen Rohrbündels beaufschlagt. Diese sind jedoch ohne Schwierigkeiten beherrschbar. Diese Bauform der Sammelkammern 61 und 71 hat auch noch den Vorteil, daß gemäß Figur 6 mehr Platz für die Einführung der U-förmig gebogenen Wärmetauscherrohre vorhanden ist. Im übrigen sind selbstverständlich auch mit dieser Wärmetauscherbauform sekundärseitig die gleichen Strömungsschaltungen durchführbar, wie in den vorhergehenden Beispielen.

Mit dieser Bauform von Wärmetauschern sind selbstverständlich auch Überhitzerschaltungen möglich, wie eine in Figur 8 dargestellt ist. Hier werden ebenfalls beide Wärmetauscherpakete 8 und 9 parallel vom primären Wärmeträger durchströmt, der im oberen Rohrpaket erzeugte Dampf gelangt über die Leitung 30 und den Eintrittsstutzen 31 zum unteren Rohrpaket 9, wird dort durch Strömungsleitbleche 32 zu einem Kreuzstrom gezwungen, überhitzt und verläßt durch den Austrittsstutzen 33 den Überhitzerteil des Dampferzeugers.

Diese verschiedenen Beispiele zeigen, daß die Umströmung der Rohrbündel 8 und 9 nicht nur im Naturumlauf, sondern selbstverständlich auch im Zwangsdurchlauf gestaltet werden kann. Welche Schaltungsart gewählt wird, hängt natürlich von den jeweiligen Verhältnissen ab. So soll nicht unerwähnt bleiben, daß sich derartige Wärmetauscher nicht nur in aufrechtstehender Lage, sondern auch in horizontaler Lage verwenden lassen. In solchen Fällen muß dann die Anordnung der Dampfabscheider sowie des Dampfraumes - falls solche notwendig sind - entsprechend geändert werden. Auf die mechanische Verbindung der einzelnen Kesselteile 10, 11 wurde nicht näher eingegangen, da diese zum Stand der Technik gehören, gleich wie der Einbau der zylindrischen Sammelkammern 61 und 71 in Figur 5, mit den spannungsarmen Verbindungen der Ein- und Auslaßstutzen 6 und 7 mit der Kesselwandung.

Abschließend sei erwähnt, daß sich diese Dampferzeugerkonstruktion infolge der Verminderung des Primärvolumens gegenüber einem einfachen U-Rohrbündeldampferzeuger gleicher Leistung besonders für schwerwassergekühlte Kernreaktoren eignet.

Claims (5)

1. Wärmetauscher vom U-Rohrbündeltyp, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Rohrbündelsysteme (8, 9) symmetrisch zum Ein- (6) und Austritt (7) des primären Wärmeträgers innerhalb eines gemeinsamen Kessels (10, 11) angeordnet sind.

2. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohrböden (1, 2) beider Systeme gegeneinander abgestützt sind, wobei die Abstützelemente, wie Platten (5), Rohre (4) u. dgl. gleichzeitig für die Strömungsführung innerhalb der durch die Rohrböden gebildeten Verteilerkammern (60, 70) für den primären Wärmeträger ausgebildet sind.

3. Wärmetauscher nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohrböden beider Systeme (8, 9) aus gemeinsamen, für die Ein- und Austrittsseite der Wärmetauscher U-Rohre getrennten quer zur Längsachse des Kessels angeordneten Ringen (62, 72) mit jeweils beidseitigen Abschlußdeckeln (63, 73) bestehen, die mit durch die Kesselwand abdichtend geführten Zu- und Abführungsleitungen (6, 7) für den primären Wärmeträger versehen sind.

4. Wärmetauscher nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Rohrbündelsysteme (8, 9) für den primären Wärmeträger parallel für den sekundären Wärmeträger jedoch mit Hilfe besonderer, teilweise außerhalb des Kessels geführter Rohrleitungen (21, 19) parallel oder in Reihe geschaltet sind, wobei zur Gewährleistung eines inneren Wasserumlaufs des sekundären Wärmeträgers an sich bekannte Leiteinrichtungen (20) zur Strömungsführung vorgesehen sind.

5. Wärmetauscher nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung des Wärmetauschers als Verdampfer im Inneren des Kessels in an sich bekannter Weise Dampfabscheider (18) sowie Dampfsammelräume (14) vorgesehen sind.