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Die
Erfindung bezieht sich auf ein Kühlsystem zur Verwendung
in einem Mantelreaktor für katalytische exotherme Reaktionen
und auf einen solchen Mantelreaktor.
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Viele
katalytische exotherme Reaktionen werden in Mantelreaktoren mit
eingebauten Wärmetauschern durchgeführt, die Reaktionswärme
abführen.
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Eine
Ausführung solcher Reaktoren ist ein Fischer-Tropsch-Slurry-Reaktor.
Bei diesem Reaktor befindet sich in dem Mehrphasengemisch ein Wärmetauscher,
der in verschiedenartiger Weise ausgeführt sein kann. Die
bei den Reaktionen entstandene Reaktionswärme wird oftmals
durch einen verdampfenden Wärmeträger abgeführt.
Eine Ausführung solcher Reaktoren ist ein Kühlrohrreaktor
mit Kühlkerzen.
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Bei
katalytischen Gasphasenreaktionen wird ein Reaktionsgasgemisch durch
eine Katalysatorschüttung geführt. Die dabei entstehende
Reaktionswärme wird durch einen Wärmeträger
abgeführt, der von der Katalysatorschüttung durch
Trennwände beispielsweise in Form von Rohrwänden,
getrennt ist. Während sich bei den weit verbreiteten Rohrbündelreaktoren
eine Katalysatorschüttung innerhalb einer Vielzahl von
Reaktionsrohren befindet, die von einem Wärmeträger
umströmt werden, finden die Reaktionen bei einem hier in
Rede stehenden Kühlrohrreaktor in einer Katalysatorschüttung
statt, in der eine Vielzahl von Kühlrohren angeordnet ist,
die zur Abfuhr der entstehenden Reaktionswärme von einem Wärmeträger
durchströmt werden. Die Betriebsdrücke bei einem
solchen Kühlrohrreaktor können mantelseitig in
einem Bereich zwischen 5 und 120 bar liegen.
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Der
Vorteil dieser Konstruktionsart ist, dass eine große Querschnittsfläche
für die Katalysatordurchströmung realisiert werden
kann und sie somit besonders geeignet für hohe Gasdurchsätze
ist. In der Regel wird die Reaktionswärme an einen zumindest
teilweise verdampfenden Wärmeträger übertragen.
Charakteristisch ist hierbei, dass im Gleichgewichtszustand des
verdampfenden Wärmeträgers sowohl in der Flüssigphase
als auch in der Gasphase überall die gleiche Temperatur
herrscht und dass die Siedetemperatur druckabhängig ist.
Soll die für einen bestimmten Prozess optimale Reaktionstemperatur eingestellt
werden, so liegt damit automatisch der erforderliche Betriebsdruck
auf der Wärmeträgerseite fest. Die Reaktionswärme
kann hier direkt zur Erzeugung von Nutzdampf verwendet werden. Ein
aufwändiges System mit Primär- und Sekundärwärmeträ gerkreislauf
erübrigt sich. Als verdampfender Wärmeträger
wird bevorzugt Wasser eingesetzt. Übliche Betriebsdrücke
auf der Rohrseite liegen im Bereich von 20 bis 100 bar.
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Bei
den dabei verwendeten Wärmetauschern ist eine große
Anzahl von Bauarten bekannt. Ein oft verwendetes Prinzip ist die
Bauart mit Doppelrohren, wobei das Wärmeträgermedium über
zwei ineinander gesteckte Rohre zu- und wieder abgeführt wird.
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Zwei
Beispiele sind in der
GB 1 326
978 beschrieben. Bei dem Wärmetauscher gemäß der
dortigen
1 ragen Doppelrohre für
ein Kühlmedium (Medium 1) in einen zylindrischen Raum mit
dem Reaktionsmedium (Medium 2) hinein. Der zylindrische Raum ist
in Richtung seiner Längsachse vertikal angeordnet. Die
Doppelrohre sind als Kühlkerzen ausgebildet und bestehen
jeweils aus einem Aussenrohr mit verschlossenem unterem Ende und
einem in diesem befindlichen Innenrohr, welches an seinem unteren
Ende offen ist und mit geringem Abstand vor dem unteren Ende des
Aussenrohres endet. Die oberen offenen Enden der Aussenrohre durchlaufen
einen Rohrboden und sind an diesem dicht befestigt. In einem vorgegebenen
Abstand oberhalb des Rohrbodens bzw. der oberen Enden der Aussenrohre
ist eine Verteilerplatte angeordnet. Die oberen offenen Enden der
Innenrohre durchlaufen diese Verteilerplatte und sind an dieser
dicht befestigt. Oberhalb der Verteilerplatte erstreckt sich die
obere Reaktorhaube, die dort einen Zuführungsstutzen für
das Medium 1 aufweist und somit einen Verteiler ausbildet. Der Zwischenraum
zwischen der Verteilerplatte und dem Rohrboden bildet einen Sammler
für das Medium 1 aus und weist einen Ableitungsstutzen
auf. Das Aussenrohr ist in diesem Beispiel zur Verbesserung des Wärmeübergangs
außen mit einer Vielzahl von Stiften ausgestattet.
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Das
Medium 1 wird über den Zuführungsstutzen in die
obere Reaktorhaube, d. h. in den Verteiler, geführt und
fließt über die Verteilerplatte in die Innenrohre.
Es wird durch das Innenrohr bis zu dessen Ende geführt
und fließt im Zwischenraum zwischen Innenrohr und dem Aussenrohr
wieder zurück. Nach Verlassen des Aussenrohrs tritt das
Medium 1 in den beschriebenen Zwischenraum bzw. Sammler ein und verlässt
den Sammler durch den Ableitungsstutzen im Reaktormantel.
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Durch
diese Doppelrohrkonstruktion werden unzulässige Spannungen
vermieden, die durch unterschiedliche Längenausdehnungen
von Reaktormantel und Wärmetauscherrohren auftreten, wenn die
Wärmetauscherrohre an ihren beiden Enden fest in Rohrböden
befestigt sind und diese Rohrböden fest mit dem Reaktormantel
verbunden sind.
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Diese
Konstruktion ist einfach und für kleine Druckdifferenzen
zwischen Medium 1 und Medium 2 geeignet. Steigt die Druckdifferenz,
so wirkt diese unmittelbar auf den Rohrboden mit den Aussenrohren. Der
Rohrboden wird hierdurch immer dicker und unwirtschaftlicher. In 5 derselben
Druckschrift wird daher der Rohrboden durch mehrere Zwischenverteiler
und Zwischensammler ersetzt, die sich an eine Hauptverteilerleitung
bzw. an eine Hauptsammelleitung anschließen, die jeweils
durch den Reaktormantel aus dem Reaktor herausgeführt werden.
Bei dieser Ausführungsform ist somit auch die obere Reaktorhaube
mit dem Medium 2 gefüllt.
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Konstruktionen
mit sich verzweigenden Rohrleitungen haben den Nachteil einer aufwändigen Herstellung,
da eine Vielzahl von Teilen wie Sammlern, Rohrleitungen oder Bögen
teils bei schlechter Zugänglichkeit sicher verbunden werden
müssen. Weiterhin ist die Zugänglichkeit für
Wartung und Reparatur ebenfalls erschwert, da die Rohrleitungen systembedingt übereinander
liegen und erst die oberen Leitungen entfernt werden müssen,
um an die darunter liegenden Rohrleitungen zu gelangen. Mit Flanschverbindungen
oder mit Zusammenfassung einzelner Doppelrohre zu Gruppen wird die
Demontierbarkeit verbessert. Hierfür ist jedoch ein erhöhter konstruktiver
Aufwand nötig.
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Werden
die Innen- und Außenrohre jeweils in einem getrennten Rohrboden
erfasst, so sind die Konstruktionen kompakter und im Allgemeinen
leichter herzustellen. Müssen die Rohrböden bei
großen Apparaten allerdings zusätzlich noch Druckkräfte aufnehmen,
werden die Rohrböden – wie oben bereits erwähnt – unverhältnismäßig
dick und teuer. Darüber hinaus sind die Rohreinschweißungen
und hier speziell des unteren Rohrbodens für Reparaturzwecke
in der Regel schlecht zugänglich.
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Zudem
ist im Fall einer Leckage bei beiden Ausführungsformen
der Prüfaufwand für das Auffinden einer Undichtigkeit
sehr hoch, da jedes Doppelrohr einzeln geprüft werden muss.
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In
GB 894 504 und
FR 548 825 beschriebene Wärmetauscher
zeigen gegenüber der Ausführungsform gemäß
GB 1 326 978 ,
1,
den Vorteil einer besseren Zugänglichkeit durch mehrfache
Flanschverbindungen am Reaktorende bei Medium 1. Speziell bei großen
Reaktoren mit hohem Druck führt dies zu schweren Flanschen,
die aufwändig und teuer sind und zudem das Risiko von Undichtigkeiten
bergen.
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US 2 332 450 zeigt ein Kühlsystem,
das zur Verbesserung der Zugänglichkeit für Wartungs-
und Reparaturarbeiten eine Reihe von nebeneinander liegenden Kästen
aufweist, die jeweils einen Verteiler und Sammler für eine
Doppelrohrreihe ausbilden. Solche Kas tenkonstruktionen sind in der
Herstellung sehr aufwändig. Zudem sind aufgrund der Teilung des
Kühlsystems die Randabstände der Kühlrohre relativ
groß, so dass ein Teil des Reaktionsmediums nicht gekühlt
wird.
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In
der
DE 10 2004
055 598 B3 ist ein Rohrbündelhochdruckwärmetauscher
für hohe Drücke im Medium 1 beschrieben. Hier
wird das Medium 1 durch Bohrungen innerhalb des einen Rohrbodens den
Wärmetauschrohren zugeführt und durch Bohrungen
innerhalb des gegenüberliegenden Rohrbodens abgeführt.
Diese Konstruktion führt zu sehr kompakten Rohrböden,
jedoch nur solange, wie das Medium 2 keine hohen Drücke
besitzt und die Temperaturunterschiede von Medium 1 und Medium 2 nicht
zu groß werden. Weiterhin können bei dieser Konstruktion
die Wärmetauschrohre nicht mit den Rohrböden verschweißt
werden. Deshalb müssen die Zugkräfte der Vorköpfe
von zusätzlichen Ankern aufgenommen werden, und es besteht
die Gefahr von Leckagen zwischen den Medien 1 und 2.
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In
der
US 3 939 804 ist
ein dreistufiger Verdampfer mit Doppelrohren beschrieben, mit welchem in
einem ersten Schritt Wasser erhitzt wird, in einem zweiten Schritt
das Wasser zu Sattdampf erhitzt wird und in einem dritten Schritt
der Sattdampf überhitzt wird. Die Zuführung des
Speisewassers und die Entnahme des überhitzten Dampfes
erfolgt stirnseitig. Die Doppelrohre haben in dieser Ausführung
die Funktion von Verdampferrohren. In jedem Erwärmungsschritt
wird das Eintrittsmedium jeweils in einem Innenrohr nach oben geführt
und beim Abstrom erhitzt. Konstruktiv sind die Doppelrohre in jeder
Stufe ähnlich gestaltet wie eingangs bei
GB 1 326 978 ,
1 beschrieben.
Medium 2 ist hier heißes Helium. Die Verteilungs- und Sammelkammern
aller Wärmeübertragungsschritte liegen auf einer
Stirnseite des Verdampfers. Der Rohrboden hat somit die Funktion eines
Vorkopfes. Wegen der großen Beanspruchung im Wesentlichen
durch Druck und Temperatur ist der Rohrboden sehr dick.
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Die
US 5 954 128 beschreibt
eine Doppelrohr-Konstruktion für einen Einsatz bei hohen
Temperaturen und korrosiven Medien. Ein- und Ausführung
stehen hier rechtwinklig zueinander. Die keramischen Außenrohre
der Doppelrohre sind mit rohrförmigen dünnwandigen
Verteilerkanälen verbunden, die ihrerseits in einer verstärkten
Ausmauerung eingebettet sind. Für den Einsatz bei höheren
Drücken ist dieses Konzept nur bedingt geeignet.
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Die
US 7 108 835 B2 beschreibt
eine Variante des in
GB 1 326
978 ,
5 beschriebenen Kühlsystemtyps
in der Anwendung eines Fischer-Tropsch-Slurry-Reaktors. Hier ist
der Reaktor stehend angeordnet und die Doppelrohre sind hängend
angeordnet. Die Reaktio nen finden im Medium 2 statt und sind exotherm.
Bei diesem Reaktor wird das Speisewasser über einen Hauptverteiler
in den Reaktor geführt und über mehrere Zwischenverteiler zu
Gruppen von Doppelrohren geführt. Dabei bilden Gruppen
von vier oder zwölf Doppelrohren eine Gruppe. Die Zwischenverteiler
führen zu jeweils einem Verbindungskopf mit jeweils einem
ringförmigen Verteilerkanal. Von dort wird das Speisewasser
in die Innenrohre aller Doppelrohre einer Gruppe geführt. Am
Ende der Innenrohre wird das Speisewasser umgelenkt und strömt
im Ringraum zwischen Innenrohren und Aussenrohren wieder nach oben,
wobei es durch die Reaktionswärme des Mediums 2 teilweise verdampft
wird. Das Wasser-Dampf-Gemisch tritt am Ende des Aussenrohrs in
einen ringförmigen Sammlerkanal im Verbindungskopf. Von
dort führen Zwischensammler zu einem Hauptsammler, der
wieder aus dem Reaktor herausführt. Über Schienen
und eine Anzahl von Reaktorstutzen können diese Doppelrohr-Gruppen
aus dem Reaktor herausgezogen werden.
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Die
Aufgabe der Erfindung liegt darin, ein Kühlsystem zur Verwendung
in einem Mantelreaktor für katalytische exotherme Reaktionen
vorzuschlagen, das für hohe Druckdifferenzen zwischen dem Kühl-
und dem Reaktionsmedium geeignet ist und dessen Herstellung, Wartung
und Reparatur kostengünstig möglich ist.
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Zudem
soll auch ein solcher Mantelreaktor vorgeschlagen werden.
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Erfindungsgemäß wird
die Aufgabe durch ein Kühlsystem mit den Merkmalen des
Anspruchs 1 und einen Mantelreaktor mit den Merkmalen des Anspruchs
9 gelöst.
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Ein
erfindungsgemäßes Kühlsystem weist eine
hohe Tragfähigkeit und einen leichten Zugang zu sowohl
den Innenrohren als auch den Aussenrohren sowie auch eine einfache
Möglichkeit zur Dichtheitsprüfung auf, und dies
bei relativ geringen Herstellungskosten. So ist eine Platte ein
relativ kostengünstiges Bauteil und die Herstellung von
Nuten auf der Oberseite der Platte ein einfacher Arbeitsvorgang.
Im Rahmen dieser Anmeldung wird auch ein gewölbtes Flächenelement
bzw. eine gewölbte Form als Platte bezeichnet. Bevorzugt
ist die Platte eben ausgebildet. Die Nuten erfüllen mehrere
Funktionen gleichzeitig. So bilden sie, wenn sie mit einem Deckel verschlossen
sind, einen Hohlquerschnitt aus mit einem günstigen Verhältnis
von Tragfähigkeit zu Materialeinsatz. Denn der Rohrboden
kann relativ dünn ausgebildet sein, was die Materialkosten
erheblich senkt, und trotzdem können im Betriebszustand
hohe Differenzdrücke zwischen Kühlmedium und Reaktionsmedium
aufgenommen werden. Das Kühlsystem kann jedoch mit relativ
geringem Materialeinsatz nicht nur hohe Aussendrücke, sondern
auch hohe Innendrücke auf nehmen, da nur die Aussenwände
der Nuten druckbelastet sind. Dadurch, dass benachbarte Nuten durch
eine gemeinsame Innenwand voneinander getrennt sind, sind diese
Innenwände auch bei einem hohen Druck im Kühlmedium
druckentlastet, da der Druck auf beiden Seiten der Innenwand anliegt.
Deren Wandstärke kann daher gering sein, was zu einer entsprechenden
Materialeinsparung führt. Aufgrund der geringen Innenwandstärke
und da zudem die Aussenrohre mittels Schweißnähten
mit der Platte verbunden sind, können die Aussenrohre in sehr
engen Rohrabständen angeordnet sein. Somit sind sehr hohe
Kühlleistungen erzielbar. Jede Nut bildet einen separaten
Sammler für das Kühlmedium, das aus den Aussenrohren,
die in die Nut einmünden, in die Nut hineinströmt.
Durch diese Trennung der Nuten voneinander ist es möglich,
jede Nut für sich mit den Doppelrohren, die mit ihr in
Strömungsverbindung stehen, auf Dichtheit zu prüfen
und auf diese Weise im Kühlsystem festgestellte Leckagen örtlich,
d. h. auf eine bestimmte Nut, einzugrenzen. Zur Wartung und/oder
Reparatur kann der Deckel, mit dem eine Nut verschlossen ist, ohne
weiteres einschließlich der daran befestigten Innenrohre
entfernt werden, so dass die darunter liegenden Aussenrohre leicht
zugänglich sind. Die Aussenrohre sind jeweils auf dem Nutgrund
mit der Platte verschweißt, so dass sie bei abgenommenem
Deckel für Wartungs- und/oder Reparaturarbeiten ohne weiteres
erreichbar sind. Jedes einzelne Innen- und/oder Aussenrohr ist somit
zugänglich, ohne dass größere Ausbauten vorgenommen
werden müssen. Nach erfolgten Arbeiten wird der Deckel
mit den daran befestigten Innenrohren wieder auf dieser einzelnen
Nut montiert. Wartungs- und Reparaturarbeiten können auf
diese Weise leicht und schnell ausgeführt werden. Aufgrund
der wenigen und gut zugänglichen Schweißnähte
ist außerdem die Herstellung deutlich vereinfacht.
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Vorzugsweise
erstrecken sich die Seitenwände der Nuten nach oben über
den jeweils zugehörigen Deckel hinaus und ist das obere
Ende der Nuten mit einem zweiten Deckel verschlossen und münden
die Innenrohre in den Raum zwischen dem ersten und dem zweiten Deckel,
so dass dieser Raum einen Verteiler ausbildet. Mit diesen Maßnahmen
wird die Nut nicht nur als Sammler, sondern auch als Verteiler genutzt.
Die Ausbildung gesonderter Verteiler ist damit nicht mehr notwendig.
Die Herstellungskosten werden weiter gesenkt und die Zugänglichkeit
weiter verbessert, da in der oberen Reaktorhaube oberhalb der Nuten
kein Raum für Verteiler eingeplant wenden muss.
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Dabei
ist der zweite Deckel vorteilhafterweise bogenförmig ausgebildet.
Bogenförmige Deckel sind zur Aufnahme und Weiterleitung
von Druckkräften besonders gut geeignet.
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In
günstiger Weiterbildung der Erfindung ist die Platte nur
in ihrem Randbereich aufgela gert und die Wandstärke der
Platte unterhalb der Nutgründe so groß, dass die
Platte frei trägt. Eine Erhöhung der Tragfähigkeit
kann somit auf einfache Weise durch Anpassung dieser Wandstärke
erreicht werden. Zusätzliche Auflager-, Stütz-
und/oder Rippenkonstruktionen werden so vermieden.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung erstrecken
die Nuten sich als Längsnuten zwischen jeweils einander
gegenüberliegenden Randbereichen. Die Nuten können
auf diese Weise zum Zuführen und Ableiten des Kühlmediums
direkt an Anschlüsse angeschlossen werden, die sich durch
den Reaktormantel hindurch erstrecken.
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Dabei
enden besonders bevorzugt die Längsnuten vor dem Plattenumfangsrand.
Diese Ausführungsform ist sowohl für eine Platte
geeignet, deren Umfangsrand nicht mit der Mantelinnenseite verbunden
ist, als auch für eine Platte, die an ihrem Umfangsrand
beispielsweise mit der Mantelinnenseite verschweißt ist
und deren Nuten durch den Mantel hindurch angebohrt werden.
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In
einer günstigen Weiterbildung der Erfindung sind im Randbereich
der Platte Bohrungen angeordnet, die jeweils mit ihrem einen Ende
in den Plattenumfangsrand und mit ihrem anderen Ende in eine Nut
münden. Mit solchen Bohrungen ist ein Anschluss der Nuten
an Einrichtungen zum Zuführen bzw. Ableiten des Kühlmediums
besonders leicht möglich.
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Vorzugsweise
weist die Platte mindestens einen offenen, sich durch die gesamte
Plattendicke hindurch erstreckenden Querschnitt auf. Mit dieser Maßnahme
stehen – wenn das Kühlsystem in einen Mantelreaktor
eingebaut ist – der Raum unter der Platte und der Raum über
der Platte miteinander in Strömungsverbindung, so dass
bei hohen Drücken im Reaktionsmedium ein Druckausgleich
zwischen der Unter- und der Oberseite der Platte stattfindet.
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Ein
erfindungsgemäßer Mantelreaktor kann insbesondere
als Fischer-Tropsch-Slurry-Reaktor ausgebildet sein, jedoch auch
beispielsweise als Reaktor mit Festbett-Katalysator, z. B. als Methanol-Reaktor.
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Bei
einem erfindungsgemäßen Mantelreaktor ist die
Platte des Kühlsystems an ihrem Randbereich mit dem Mantel
vorzugsweise dicht verbunden. Besonders bevorzugt ist dabei die
Platte zwischen zwei Mantelschlüssen angeordnet und der
Plattenumfangsrand Teil der Mantelaussenseite. Der Plattenumfangsrand
kann bei dieser Ausführungsform schon für den
unmittelbaren Anschluss an Einrichtungen zum Zuführen und/oder
Ableiten des Kühlmediums vorbereitet werden. Alternativ
ist es aber auch möglich, den Plattenumfangsrand mit der
Mantelinnenseite dicht zu verschweissen.
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In
einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung verlaufen durch
den Mantel und den Randbereich der Platte Bohrungen, die jeweils
mit ihrem einen Ende in die Mantelaussenseite und mit ihrem anderen
Ende in eine Nut münden. Hierdurch wird eine kostengünstige
Möglichkeit zum Anschluss der Nuten an die Mantelaussenseite
erzielt.
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Vorzugsweise
ist bei einer dichten Verbindung des Randbereiches der Platte mit
dem Mantel auf der Mantelaussenseite eine Bypass-Leitung angeordnet,
die den Raum unter der Platte mit dem Raum über der Platte
verbindet. Hierdurch wird ein Druckausgleich zwischen der Unterseite
und der Oberseite der Platte erreicht.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung
ist der Plattenumfangsrand so geformt, dass zwischen ihm und der
Mantelinnenseite mindestens ein offener Querschnitt ausgebildet
ist, der den Raum unter der Platte mit dem Raum über der
Platte verbindet, um den Druckausgleich zwischen der Unterseite
und der Oberseite der Platten zu bewirken.
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In
noch einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung
ist die Platte in horizontaler Richtung aus mindestens zwei Teilen
gebildet, die nebeneinander liegen und zwischen sich einen Spalt vorgegebener
Größe ausbilden, der den Raum unter der Platte
mit dem Raum über der Platte verbindet. Mit dieser Ausgestaltung
wird nicht nur der besagte Druckausgleich erzielt, sondern auch
ermöglicht, dass beispielsweise im Falle einer Reparatur
der Platte das Kühlsystem nicht als Ganzes aus dem Mantelreaktor
herausgenommen werden muss. Vielmehr können die Teile einzeln
nacheinander oder gegebenenfalls auch nur das eine reparaturbedürftige Teil
aus dem Mantelreaktor herausgenommen werden. So kann mit solch einer
Teilung die Platte beispielsweise durch mehrere nebeneinander liegende Plattenstreifen
ausgebildet sein, die jeweils zwischen sich einen Spalt ausbilden.
Die Zugänglichkeit zu den Aussen- und den Innenrohren im
Reparaturfall ist dann wesentlich verbessert.
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Die
Erfindung ist nachfolgend anhand der Zeichnungen beispielshalber
noch näher erläutert. Es zeigen:
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1 einen
Querschnitt durch eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen
Kühlsystems;
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2 einen
Teilquerschnitt durch eine zweite Ausführungsform eines
erfindungsgemäßen Kühlsystems;
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3 einen
Teilquerschnitt durch eine dritte Ausführungsform eines
erfindungsgemäßen Kühlsystems;
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4 einen
Teilquerschnitt durch eine vierte Ausführungsform eines
erfindungsgemäßen Kühlsystems;
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5 einen
Teilquerschnitt durch eine erste Ausführungsform eines
erfindungsgemäßen Mantelreaktors, längs
Linie V-V in 6;
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6 einen
Teilquerschnitt längs Linie VI-VI in 5;
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7 einen
Teilquerschnitt durch eine zweite Ausführungsform eines
erfindungsgemäßen Mantelreaktors;
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8 in
schematischer Darstellung einen Längsschnitt durch eine
dritte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen
Mantelreaktors.
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Die
in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele erfindungsgemäßer
Kühlsysteme 1 weisen eine horizontale Platte 2 mit
auf deren Oberseite 3 ausgebildeten Nuten 4 auf,
die jeweils mit einem Deckel 5 verschlossen sind, wobei
Doppelrohre 6 die Platte 2 durchlaufen und an
dieser befestigt sind.
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Die
Nuten 4 verlaufen parallel zueinander und öffnen
nach oben. Sie können z. B. durch Fräsen oder
durch aufgeschweißte Stege ausgebildet sein. Jeweils benachbarte
Nuten 4 sind durch eine gemeinsame Innenwand 7 voneinander
getrennt. Die Innenwände 7 zwischen den Nuten 4 können
relativ dünn ausgebildet sein, da sie aufgrund des auf
beiden Seiten anliegenden Drucks druckentlastet sind und nur eine
Trenn- und Dichtfunktion ausüben. Die obere offene Seite
jeder Nut 4 ist durch den Deckel 5 verschlossen.
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Damit
die Platte 2 frei tragen kann, ist diese unter den Nutgründen 8 mit
einer entsprechend hohen Wandstärke ausgebildet. Es ist
aber auch denkbar, auf der Plattenunterseite 9 Rippen anzuordnen.
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Die
Doppelrohre 6 verlaufen vertikal und weisen ein Aussenrohr 10 und
ein Innenrohr 11 auf. Das Aussenrohr 10 ist an
seinem unteren Ende 12 geschlossen. Das obere Ende 13 jedes
Aussenrohrs 10 mündet in eine Nut 4.
Hierfür sind in der Platte 2 für die
Aussenrohre 10 Durchgangslöcher 15 ausgebildet,
deren Innendurchmesser dem Aussendurchmesser der Aussenrohre 10 entspricht.
Auf dem Nutgrund 8 ist das obere Ende 13 jedes
Aussenrohrs 10 mit der Platte 2 mittels einer
Schweißnaht 14 dicht verschweißt. Das
Innenrohr 11 verläuft in dem Aussenrohr 10 und
erstreckt sich von kurz oberhalb des unteren geschlossenen Endes 12 des
Aussenrohrs 10 durch die Nut 4 und durch den Deckel 5 hindurch. Mit
dem Deckel 5 ist das Innenrohr 11 mittels einer Schweißnaht 16 dicht
verschweißt. Beide Enden 17, 18 des Innenrohrs 11 sind
offen, wobei das obere Ende 18 in einen Verteiler mündet.
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Die
Achsabstände zwischen den Doppelrohren 6 quer
zur Längsrichtung der Nut 4 können aufgrund
der geringen Wandstärke der Innenwände 7 sowie
der Verbindung der Aussenrohre 10 mit dem Nutgrund 8 mittels
Schweißen sehr gering sein.
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Bei
dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel sind
die Deckel 5 eben ausgebildet und verlaufen jeweils bündig
mit den oberen Enden bzw. Stirnseiten 19 der Innenwände 7.
Sie sind an die Seitenwandungen 20 der Innenwände 7 dicht
angeschweißt. Die Innenrohre 11 erstrecken sich
durch die Deckel 5 hindurch und münden in einen
(nicht dargestellten) Verteiler.
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Das
Kühlmedium strömt von dem Verteiler in die Innenrohre 11 und
tritt aus deren unteren Enden 17 in die Aussenrohre 10 ein.
Dort strömt es in dem Zwischenraum 21 zwischen
Innenrohr 11 und Aussenrohr 10 nach oben in die
jeweilige Nut 4, die somit einen Sammler 22 für
das aus den Aussenrohren 10 austretende Kühlmedium
bildet. Auf Grund der Trennung voneinander bildet jede Nut 4 für
sich einen separaten Sammler 22 aus.
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Die
Nuten 4 erstrecken sich als Längsnuten zwischen
jeweils einander gegenüberliegenden Randbereichen der Platte 2.
In ihren Endbereichen sind die Nuten 4 an eine Einrichtung
zum Ableiten des gesammelten Kühlmediums angeschlossen.
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Bei
dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel ist über
jeden (ersten) ebenen Deckel 5 aus der Ausführungsform
gemäß 1 noch ein zweiter bogenförmiger
Deckel 23 angeordnet. In den jeweiligen Raum 24 zwischen
dem ersten und dem zweiten Deckel 5, 23 münden
die Innenrohre 11, so dass diese Räume 24 jeweils
einen Verteiler ausbilden, über den das Kühlmedium
in die Innenrohre 11 strömt. Die zweiten Deckel 23 sind
jeweils mit den Stirnflächen 19 der Innenwände 7 zwischen
den Nuten 4 dicht verschweißt.
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Im
Randbereich 25 weist die Platte 2 eine sie vertikal
durchlaufende Bohrung 26 auf. Wenn das Kühlsystem 1 in
einen Mantelreaktor eingebaut ist, stehen mittels dieser Bohrung 26 die
Oberseite 3 und die Unterseite 9 der Platte 2 miteinander
in Strömungsverbindung, wodurch ein Druckausgleich zwischen
der Unter- und der Oberseite 9, 3 erfolgt.
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In
den Ausführungsbeispielen gemäß 1 und 2 sind
die Nuten 4 durch spanende Bearbeitung aus einer entsprechend
dicken Platte 2 hergestellt.
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Bei
dem in 3 dargestellten Ausführungsbeispiel sind
die Nuten 4 durch Aufschweißen von Stegen 27 auf
eine dünne Platte 2 hergestellt. Die ersten Deckel 5,
die mit der Nut 4 jeweils die Sammler 22 ausbilden,
sind bogenförmig ausgebildet und auf den oberen Stirnseiten 19 der
Stege 27 mit diesen dicht verschweißt. Die Stege 27 bilden
die gemeinsamen Innenwände 7 der Nuten 4 aus.
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Die
Innenrohre 11 erstrecken sich durch die Deckel 5 hindurch
und münden in einen oberhalb der Platte 2 angeordneten
Verteiler 28, wobei bei diesem Ausführungsbeispiel
die Innenrohre 11 zweier benachbarter Doppelrohre 6 in
einen gemeinsamen Verteiler 28 münden.
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Bei
dem in 4 dargestellten Ausführungsbeispiel erstrecken
sich die Innenwände 7 zwischen den Nuten 4 über
die ersten Deckel 5 hinaus. Der oberhalb des ersten Deckels 5 entstandene
Raum 24 ist durch einen zweiten Deckel 23 abgeschlossen, der
auf den Stirnseiten 19 der Innenwände 7 mit
diesen dicht verschweißt ist. Die Innenrohre 7 münden in
diesen Raum 24 zwischen dem ersten und dem zweiten Deckel 5, 23,
der somit ähnlich wie im Ausführungsbeispiel gemäß 2 einen
Verteiler ausbildet. Sowohl der erste als auch der zweite Deckel 5, 23 sind
bogenförmig ausgebildet.
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In 4 ist
noch dargestellt, dass quer zur Längsrichtung der Nut 4 zwei
Doppelrohre 6 in die Nut 4 münden, d.
h. die Aussenrohre 10 in den Sammlerabschnitt 22 der
Nut 4 und die Innenrohre 11 in den Verteilerabschnitt 24 der
Nut 4.
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In
den 5 bis 8 sind Mantelreaktoren 50 bzw.
Ausschnitte aus Mantelreaktoren 50 mit eingebauten erfindungsgemäßen
Kühlsystemen 1 dargestellt.
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Bei
dem in den 5 und 6 dargestellten
Ausführungsbeispiel liegt die Platte 2 auf Konsolen 51 auf,
die an der Innenseite 52 des Mantels 53 angebracht
sind.
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In
den Nuten 4 ist jeweils durch einen ersten Deckel 5 ein
Sammler 22 und durch einen zweiten Deckel 23 auch
ein Verteiler 24 ausgebildet, ähnlich wie in dem
Ausführungsbeispiel gemäß 4.
In diesem Beispiel sind die ersten und die zweiten Deckel 5, 23 eben
ausgebildet, wobei der zweite Deckel 23 mit der Oberseite 19 der
Innenwände 7 fluchtet.
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In
jede Nut 4 mündet quer zu deren Längsrichtung
nur ein Doppelrohr 6. Die Aussenrohre 10 münden
jeweils in einen Sammler 22 und sind auf dem Nutgrund 8 mit
der Platte 2 mittels einer Schweißnaht 14 dicht
verschweißt. Die Innenrohre 11 durchlaufen die
Sammler 22 und die ersten Deckel 5 und münden
in die Verteiler 24, die jeweils zwischen dem ersten Deckel 5 und
dem zweiten Deckel 23 ausgebildet ist. Mit den ersten Deckeln 5 sind
die Innenrohre 7 mittels einer Schweißnaht 16 jeweils dicht
verschweißt.
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Die
Nuten 4, d. h. die in ihnen ausgebildeten Sammler 22 und
Verteiler 24, erstrecken sich bis in den Randbereich 25 der
Platte 2 und enden in einem vorgegebenen Abstand von dem
Plattenumfangsrand 29. In dem Randbereich 25 der
Platte 6 sind erste horizontale Bohrungen 30 ausgebildet,
die mit ihrem einen Ende 31 in einen Sammler 22 und
mit ihrem anderen Ende 32 in den Plattenumfangsrand 29 münden,
wobei dieses zweite Ende 32 jedoch mit einem Stopfen 33 dicht
verschlossen ist.
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Zweite
Bohrungen 34 erstrecken sich von der Oberseite 3 der
Platte 2 vertikal bis in die ersten Bohrungen 30 und
sind an der Plattenoberseite 3 an ein Ableitungsrohr 35 angeschlossen,
das sich durch den Mantel 53 hindurch bis auf dessen Aussenseite 54 erstreckt.
Das Kühlmedium 64 wird somit aus den Sammlern 22 durch
die ersten und zweiten Bohrungen 30, 34 und die
Ableitungsrohre 35 aus dem Mantelreaktor 50 herausgeführt.
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In
die Oberseite jedes Verteilers 24, d. h. in jeden der zweiten
Deckel 23, mündet ein Zuführungsrohr 36,
das sich von der Aussenseite 54 des Mantels 53 durch
den Mantel 53 hindurch erstreckt. Das Kühlmedium 64 wird
von ausserhalb des Mantelreaktors 50 durch das Zuführungsrohr 36 dem
Verteiler 24 zugeführt, von dem aus es in die
Innenrohre 11 der Doppelrohre 6 strömt.
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In 6 ist
dargestellt, dass die Platte 2 in horizontaler Richtung
geteilt ist. Die Plattenteile 2a, 2b liegen nebeneinander
und bilden zwischen sich einen Spalt 37 vorgegebener Größe
aus. Dieser Spalt 37 verbindet den Raum 55 unter
der Platte 2 mit dem Raum 56 über der
Platte 2 und sorgt somit für einen Druckausgleich
zwischen der Oberseite 3 und der Unterseite 9 der
Platte 2.
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Im
Bereich der Konsole 51 ist der Mantel 53 nach
aussen gekröpft. Der Abstand der radial aussen liegenden
Doppelrohre 6 zur Mantelinnenseite 52 unterhalb
der Kröpfung 57 wird dadurch gering gehalten,
so dass auch im Randbereich 58 des Mantelraums 59 eine
ausreichende Kühlung erfolgt und die horizontale Temperaturverteilung
bis einschließlich in den Randbereich 58 sehr
gleichmäßig ist.
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7 zeigt
ein Ausführungsbeispiel, bei dem die Platte 2 vollumfänglich
mit dem Mantel 53 dicht verschweißt ist. Der Randbereich 25 der
Platte 2 bildet hier einen Teil des Mantels 53 aus,
wobei der Plattenumfangsrand 29 Teil der Aussenseite 54 des Mantels 53 ist.
Hierfür ist der Randbereich 25 der Platte 2 T-förmig
ausgebildet und zwischen zwei Mantelschlüssen 53a, 53b angeordnet,
mit denen er mittels zweier Schweißnähte 60, 61 dicht
verschweißt ist.
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Die
Ausbildung der Sammler 22 und Verteiler 24 entspricht
dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel.
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Vom
Plattenumfangsrand 29 bzw. von der Aussenseite 54 des
Mantels 53 aus erstreckt sich jeweils eine Bohrung 30 in
eine Nut 4, d. h. in einen Sammler 22, hinein.
An der Mantelaussenseite 54 ist die Bohrung 30 an
eine Ableitungseinrichtung 62 zum Ableiten des Kühlmediums
aus dem Sammler 22 angeschlossen.
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Das
Zuführungsrohr 36 erstreckt sich wie bei dem Ausführungsbeispiel
gemäß 5 von ausserhalb des Mantelreaktors 50 durch
den Mantel 53 hindurch und mündet in die Oberseite 23 des
jeweiligen Verteilers 24, d. h. in den zweiten Deckel 23.
Auf der Mantelaussenseite 54 ist das Zuführungsrohr 36 an eine
Zuführungseinrichtung 63 für das Kühlmedium 64 angeschlossen.
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8 zeigt
in schematischer Darstellung einen vollständigen Längsschnitt
durch einen erfindungsgemäßen Mantelreaktor 50.
Der Plattenumfangsrand 29 ist in diesem Fall mit der Innenseite 52 des
Mantels 53 dicht verschweißt. Die Platte 2 erstreckt
sich einstückig zwischen den Innenseiten 52 des
Mantels 53.
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Die
Ausbildung der Sammler 22 und Verteiler 24 entspricht
dem Ausführungsbeispiel gemäß den 2 und 7,
wobei hier die Stirnseiten 38 der zweiten Deckel 23,
die über den ersten Deckeln 5 die Verteiler 24 ausbilden,
auf den ersten Deckeln 5 dicht verschweißt sind
und sich nicht in Längsrichtung der Nut 4 bzw.
des Sammlers 22 über diese bzw. diesen hinaus
erstrecken und nicht mit dem Randbereich 25 der Platte 2 dicht
verschweißt sind, wie dies in 7 dargestellt
ist.
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Darüber
hinaus sind die Sammler 22 und Verteiler 24 jeweils
in der Mitte ihrer Längserstreckung durch eine quer zu
ihrer Längsrichtung verlaufende Trennwand 39 halbiert, wobei
jede Hälfte über eigene Ableitungsbohrungen 30 bzw.
Zuführungsrohre 36 an Ableitungs- bzw. Zuführungseinrichtungen 62, 63 angeschlossen
ist.
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Mit
dieser Ausbildung wird das Lokalisieren eventueller Leckagen im
Kühlsystem 1 weiter erleichtert. Denn die Doppelrohre 6,
die in einen gemeinsamen Verteiler 24 bzw. Sammler 22 münden,
bilden ein geschlossenes System und können durch Anlegen
von entsprechend hohem Druck auf Dichtheit geprüft werden.
Sind die Nuten 4 bzw. Sammler 22 und Verteiler 24 durch
eine Trennwand 39 halbiert, bilden bereits die halbe Anzahl
der an die Nut 4 angeschlossenen Doppelrohre 6 ein
geschlossenes System und können für sich auf Dichtheit
geprüft werden. Bei einer Leckage kann somit die Anzahl
der in Frage kommenden Doppelrohre 6 wesentlich eingeschränkt werden.
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Das
in 8 dargestellte Ausführungsbeispiel eines
erfindungsgemäßen Mantelreaktors 50 weist
eine obere Reaktorhaube 65 auf, die mittels Flanschen 66 an
den zylindrischen Mantel 53 angeflanscht ist, und eine
untere Reaktorhaube 70 auf, die mit dem Mantel 53 verschweißt
ist. Das Reaktionsmedium 67 wird über einen Zuführungsstutzen 69 in die
untere Reaktorhaube 70 in den Mantelreaktor 50 eingeleitet
und über einen Ableitungsstutzen 68 in der oberen
Reaktorhaube 65 aus diesem wieder abgeleitet. Der Mantel 53 ist
in Richtung seiner Längsachse 71 vertikal aufgestellt,
so dass die Platte 2 horizontal und die Doppelrohre 6 vertikal
verlaufen. Über (nicht dargestellte) vertikale Durchgangsbohrungen
stehen der Raum 55 unter der Platte 2 und der
Raum 56 über der Platte 2 miteinander
in Strömungsverbindung.
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Das
Kühlmedium 64 strömt durch die Zuführungsrohre 36 in
die Verteiler 24 und aus diesen in die Innenrohre 11 der
Doppelrohre 6. In den Innenrohren 11 strömt
das Kühlmedium 64 nach unten und tritt am unteren
Ende 17 der Innenrohre 11 in die Aussenrohre 10 aus.
In dem Zwischenraum 21 zwischen Innenrohr 11 und
Aussenrohr 10 strömt das Kühlmedium 64 wieder
nach oben und aus den oberen Enden 13 der Aussenrohre 10 in
die Sammler 22. Von dort aus strömt es durch die
horizontalen Bohrungen 30 und jeweilige gegebenenfalls
vorhandene Ableitungsrohre 35 durch den Mantel 53 hindurch
nach aussen in die Ableitungseinrichtung 62.
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Wie
in 8 dargestellt, sind die Zuführungs- und
Ableitungsrohre 36, 35 für das Kühlmedium 64 jeweils
an die Zuführungs- bzw. Ableitungseinrichtung 63, 62 angeflanscht.
Zum Auffinden von Leckagen oder anderen Beschädigungen
können diese Flansche 63a, 62a gelöst
werden. Jede Bohrung 30, d. h. jede Nut 4, ist
dann auf der Aussenseite 54 des Mantels 53 an
eine Prüfeinrichtung anschließbar, mit der die
angeschlossene Nut 4 mit den an sie angeschlossenen Doppelohren 6 für
sich auf Dichtheit geprüft werden kann.
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Bei
erfindungsgemäßen Kühlsystemen 1 werden
nur wenige und einfache Bauteile benötigt: Platte 2,
Nuten 4 mit geraden Innen- und/oder Aussenwände,
ebene oder gleichmäßig gekrümmte Deckel 5, 23,
Doppelrohre 6.
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Durch
die Ausbildung der Sammler 22 und gegebenenfalls Verteiler 24 als
Nuten 4 auf einer Platte 2 ist auch die Formanpassung
an die Mantelinnenseite 52 eines Mantelreaktors 50 einfacher,
da lediglich der Verlauf des Plattenumfangsrands 29 entsprechend
geschnitten werden muss, beispielsweise ein Kreis bei einem kreiszylindrischen
Mantelreaktor 50.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - GB 1326978 [0007, 0014, 0017, 0019]
- - GB 894504 [0014]
- - FR 548825 [0014]
- - US 2332450 [0015]
- - DE 102004055598 B3 [0016]
- - US 3939804 [0017]
- - US 5954128 [0018]
- - US 7108835 B2 [0019]