DE2031041A1 - Haltegitter bzw Plattenfeder fur ein Bündel zylindrischer Elemente, die an einem Warmeaustauschvorgang teilnehmen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Stützgitter oder ein Haltegitter zur seitlichen Unterstützung eines Bündels von vorzugsweise zylindrischen Elementen, die an einem Wärmeaustauschvorgang teilnehmen, wobei das Stützgitter derart aus Bandmaterial zusammengesetzt ist, daß eine Anzahl von Abteilungen gebildet' wird.

Es ist ein Ziel der Erfindung, einen solchen Aufbau für ein derartiges Gitter anzugeben, bei dem eine Plattenfeder zumindest in einer Stellung in eine Seitenwand einer Abteilung eingefügt ist· Die Plattenfeder erstreckt sich in zwei Richtungen und weist in entspanntem Zustand in ihrem Haupt-Mittelteil in

109827/0872

einer Richtung eine Bogenform auf, während sich die äußeren Enden der Plattenfeder in starrer Verbindung mit Befestigungs— punkten der genannten Seitenwand befinden, wobei zwischen diesen Befestigungspunkten und einem Bereich nahe, zumindest eine,m _; - ■ Ende der Plattenfeder ein kleinerer Abschnitt in ähnlicher Weise in der Form einer Plattenfeder gewollt ist.

Die genannten zylindrischen Elemente können zum Beispiel aus Stäben oder Stangen aus Spalt- oder Brutmaterial bestehen, die in das Innere (core) eines Kernreaktors gebracht werden. Die , gleiche Anordnung kann jedoch auch für einen WärTOetauscher ver« wendet werden. In diesem Falle bestehen die zylindrischen Elemente aus Rohren, die von einem der zu kühlenden oder zu erwärmenden Medien umströmt werden.

Schließlich ist es auch möglich, die Anordnung für elektrische Heizelemente zu verwenden, die im Inneren der zylindrischen Ele-r mente angeordnet sind.

Die genannten Plattenfedern haben eine nicht lineare Fexiexcha* ak~ teristik. Je nach den jeweiligen Abmessungsverhältnissen der -gev. wölbten Teile der Federn steigt die Druckkjraft mit dem. Grad der Zusammendrückung an, bleibt über einen bestimmten Bereich konstant oder nimmt ab. Folglich ist es innerhalb bestimmter Grenzen möglich, auf alle zylindrischen Elemente eine gleiche Druckkraft aufzubringen, unabhängig von den Toleranzen der Herstellung und der Montage und den Temperatureinflüssen. Das ist in den-Fällen* iron besonderer Bedeutung, in denen die Druckkraft und die Federspannungen bestimmte zulässige Maximalwerte nicht überschreiten dürfen. Es ist nicht notwendig, die Plattenfeder in Längsrichtung symmetrisch auszubilden. So ist es durchaus möglich, eine Plattenfeder mit nur einem gekrümmten Abschnitt im Anschluß art den gewölbten Bereich zu verwenden. Bei dieser Ausführungsform ist die Plattenfeder kürzer. Das ist vorteilhaft für die Strömung um die Feder herum. , »- . χ-

109827/0872

Es ist ein weiteres Ziel der Erfindung, wenigstens ein Ende jeder Plattenfede: mit einer Verzweigung auszubilden.

Diese Verzweigung kann von demTTeil der Feder ausgehen, der

eine bogenförmige Wölbung aufweist· Die Verzweigung kann jedoch auch zwischen dem Übergang des gewölbten Teiles zu dem gekrümmten Teil beginnen. Beide Verzweigungsformen ergeben einen hoch wirksamen Kühleffekt. Es ist auch möglich, durch die Verzweigung eine Öffnung auszubilden, wobei die verzweigten Teile hinter der Öffnung wieder zusammen treten.

Weiterhin ist erfindungsgemäß eine einfache, billige seitliche Unterstützung der Stäbe aus Spaltmaterial mit Hilfe einer Rechteckanordnung der Stäbe vorgesehen.

Die Erfindung bezweckt weiterhin, eine praktikable Lösung für die Herstellung von seitlichen Halt bietenden Stützgittern anzugeben, bei der "Zircaloy" als Gittermaterial zuverlässig mit einem Federmaterial punktverschweißt ist.

Die Erfindung ist zudem darauf gerichtet, ein billiges Haltegitter nach Art einer Eierkiste auszubilden, bei dem die Plattenfedern eine verstärkte Basis aufweisen, die eine zusätzliche Gewähr für eine anhaltende Federwirkung bieten.

Im folgenden werden beispielsweise Ausführungsformen der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert:

Fig* 1 zeigt drei Federkennlinien j

Flg. 2 zeigt eine Draufsicht eines Haltegitters;

Fig. 3 stellt einen Längsschnitt durch das Haltegitter nach -. Fig. 2 darj

10982770872

Fig. 4 zeigt einen Längsschnitt durch die Plattenfeder der Fig. 2;

Fig. 5 zeigt eine Draufsicht eines Stützgitters für eine Rechteckverteilung der Stabe aus Spaltmaterial;

Fig. 6 ist eine Vorderansicht eines kreuzförmigen Stab-Schützelementes;

Fig. 7 zeigt eine Seitenansicht einer asymmetrischen Plattenfeder;

Fig. 8 stellt eine Abwandlungsform des Stützgitters nach Fig.5 dar;

Fig. 9 ist eine Vorderansicht der in Fig. 8 verwendeten Gegenplatte;

Fig. 10 ist eine zweite Abwandlungsform einer Rechteck-Stützgitter an Ordnung in Draufsicht;

Fig. 11 ist eine Details-Ansicht der streifenförmigen Trenneinrichtung nach Fig. 10.

In Fig. 1 sind die Federkennlinien von Plattenfedern der beschriebenen Art dargestellt.

Die Kraft K, durch die die Plattenfeder zusammengedrückt wird,, ist entlang der vertikalen Achse aufgetragen (siehe auch Figo 4)<=

Die Pcderverformung f wird durch die horizontale Achse dargestellt. Die Federverformung wird in der Mitfee 27 der Plattenfe-^er gemessen (siehe Fig. 4).

Insbesondere die Kennlinien b und c sind für den hier interessierenden Zweck von Bedeutung. Die Kennlinie b zeigt einen Verlauf, der zwischen den Grenzen d und e eine konstante Federkr it K sicherstellt.

Die Kennlinie b zeigt, daß es auch möglich ist, die Federkraft K mit zunehmender Verformung abnehmen zu lassen» Federn mit dieser

109827/08 72

Kennlinie sowie Federn mit der Kennlinie b sind geeignet, die Vibration von Rohren oder Brennstoffstäben aufzufangen. Solche Vibrationen, die durch DruckSchwankungen in dem Kühlmedium entstehen können, haben bisher häufig zu Schwierigkeiten geführt, da sie Ermüdungsbrüehe zur Folge haben können.

Fig. 2 zeigt in einer Draufsicht eines Stützgitters 1, wie eine Anzahl von Stäben 2 aus Spaltmaterial in diesem Gitter abgestützt wird. Das Gitter besteht aus einer Anzahl von zickzackförmig gebogenen Bändern 3, die an den Punkten 4, 5 und 6, an denen benachbarte zickzackförmige Bänder aneinanderliegen, fest miteinander verbunden sind. Auf diese Weise wird eine Anzahl von Gitterabteilungen 7 gebildet. Für eine dieser Abteilungen ist im einzelnen gezeigt, wie die Stäbe 2 aus Spaltmaterial durch eine Plattenfeder 8 zusammen mit zwei Streifen 9, die je eine Ausbuchtung 10 aufweisen, abgestützt werden. Das in der Figur dargestellte Stützgitter ist an zwei Seiten mit Distanzhaltern 11 versehen, die die Form eines gebogenen Streifens aufweisen und mit ihren Enden an einem Rohr 13 anliegen, in dem die aus Stäben 2 bestehenden Elemente aus Spaltmaterial enthalten sind· An vier weiteren Punkten liegt das Gitter mit seinen Enden 14 an der Innenseite des Rohres 13 an.

Fig. 3 zeigt in einem Längsschnitt des in Fig. 2 dargestellten Elementes aus spaltbarem Material, wie die verwendeten Plattenfedern gestaltet sind. Gemäß Fig. 3 weist jede Plattenfeder einen bogenförmigen Mittelteil 15 auf, der an seinen beiden Enden in kleinere Plattenfederteile 16 übergeht, die ähnlich wie der . Mittelteil 15 gewölbt sind.

Die Teile 16 besitzen in der Mitte einen verbreiterten Abschnitt 18, In der Mitte dieses verbreiterten Abschnittes ist eine Öffnung. 19 vorgesehen, durch die das Kühlmedium entlang der Stäbe 2 aus spaltbarem Material zum Beispiel auf die Unterseite entlang des Teiles 20 und anschließend aus dem Raum 21 heraus auf die Oberseite entlang des Pfeiles 22 strömen kann.

109827/0872

An den PunJcten 23 ist jedes Ende der Plattenfeder zum Beispiel durch Punktschweißen an einem Seitenwandteil 24 einer Abteilung 7 starr befestigt.

Dies ist nochmals zum Zwecke der Klarstellung in Fig. 4 in einem Längsschnitt der Plattenfeder dargestellt» Auch aus dieser Figur ist ersichtlich, daß in der Mitte des größeren Mittelteiles der Feder eine Ausbuchtung 27 vorgesehen ist, die an der angrenzenden Oberfläche des Stabes 2 aus spaltbarem Material anliegt.

Bei der rechts gezeigten Feder ist die Kraft K angegeben, durch die diese Feder zusammengedrückt wird.

Ein solches Element aus Spaltmaterial wird in einer Abteilung 7 eines Stützgitters 1 vorzugsweise durch eine Plattenfeder 8 und zwei Streifen 9 mit Ausbuchtungen 10 gehalten·

Fig. 7 zeigt eine Abwandlungsform, bei der die Plattenfeder asymmetrisch mit nur einem gewölbten Teil ausgebildet ist.

Wenn eine Rechteckanordnung der Stäbe aus Spaltmaterial vorgesehen werden soll, läßt sich eine einfache, billige Lösung entsprechend der Konstruktion der Fig· 5 finden· Entsprechend Fig. 5 werden senkrechte Bänder 66 und 67 durch kurze Querplatten 68 und 69 verbunden. Die Verbindung wird durch Punktschweißungen 70, 71, 72 und 73 hergestellt.

Die Plattenfedern 74 und "75 sind an den Querbändern 68 bzw. 69 befestigt. Diese Federn können von der Art sein, wie sie in Fig. 2 als Feder 8 oder in den Figuren 3 und 4 als Federn 15 und 16 dargestellt sind.

Stabhalter 76 und 77 geben dem Stab 80 aus Spaltmaterial an den Punkten 78 und 79 festen Halt. Fig. ~<Γ™ zeigt eine Drauf-

109827/08 7 2

sieht eines Stabhalters 77. Die gebogenen Klammern 81 und 82 geben einen festen Halt. Diese Klammern sind die entgegengesetzten Endendes Querbalkens bzw. -Streifens des kreuzförmigen Teiles 77. Der Längsstreifen 85 wird für Punktschweißungen an den Punkten 86 und 87 verwendet. .

Die senkrechten Platten 66, 67 und die ,Querplatten 68, 69 bestehen im allgemeinen aus "Zircaloy".

Die Punktschweißungen 70 bis 73 zwischen den "Zircaloy"-Teilen bereiten keine Schwierigkeiten, sofern diese Teile zuvor entfettet und abgebeizt und mit Handschuhen angefaßt werden, wie später ausführlicher beschrieben wird. Die Herstellung einer Stützeinheit verläuft in der Praxis wie folgt:

Die "Zircaloy"-Teile, die den "ahmen bilden, werden geformt und gebogen und anschließend in einer 'Zircaloy" HNCU-HF-Normallösung entfettet und abgebeizt» Dadurch wird die Oberfläche der Teile gereinigt, bevor diese für 10 bis 25 Stunden bei einer Temperatur zwischen 500 und 550⁰C im Hochvakuum einer Entspannungsbehandlung unterworfen werden. Eine solche Behandlung vor dem Zusammenbau ist notwendig, weil die Verformungsfähigkeit des"Zircaloy"an den Ecken durch den BiegungsVorgang praktisch erschöpft sein wird. Der Biegungswinkel würde sich; andernfalls gegenüber 90° bei der Betriebstemperatur des Stützgitters infolge von Entspannung verändern. Die vorherige Entspannung verhindert daher unerwünschte Veränderungen in der Geometrie der Anordnung, die sich bei der Betriebstemperatur ereignen würden·

Wenn die Teile nach der Vakuum-Wärmebehandlung nicht ganz die richtigeFForm aufweisen, kann eine Nachbearbeitung auf die richtige Foriu rf r?ierlich sein. Vor dem Verschweißen müssen die Teile wiederu gereinigt werden· Dieses Mal wird aber im

109827/0872

allgemeinen nach dem Entfetten eine kurzzeitige HNO^-Beize ohne HF ausreichen.

Nach der letzten Reinigungsbehandlung dürfen die Teile nur mit Nylonhandschuhen angefaßt werden» Die Teile können in einer Montagevorrichtung (vorzugsweise aus Messing) zusammengefügt werden, wodurch der richtigen Stellung zum Schweißen festgelegt sind. Vor dem Punktverschweißen der überlappenden Verbindungsteile müssen diese mit einer Flüssigkeit eingesprüht werden, die unter dem Einfluß der durch den Schweißstrom erzeugten Wärme schnell verdampft» Dadurch bildet sich fexplosionsartig ein Dampf, der durch seine Ausdehnung die Luft in dem Spalt zwischen den sich überlappenden Schweißteilen entfernt«. Schließlich werden die Verbindungsteile verschweißt«. Als eine solche Flüssigkeit kann eine leicht flüchtige Flüssigkeit, vorzugsweise ein rein organisches Gemisch ohne Schwefel, Fluor, Chlor und Jod, wie zum Beispiel Azeton oder Äthanol verwendet werden«, Die schnelle Verdampfung der leicht flüchtigen Flüssigkeit verhindert das Auftreten der nachteiligen Wirkung, die die Aufnahme von Stickstoff oder Sauerstoff im Schweißbereich auf die Festigkeit der Punktschweißung ausübt.,

Durch diese Maßnahmen kann das Auftreten von weißen Oxydringen um Jie Schweißpunkte herum gänzlich unterbunden werden«

Die Katerialien "Zircalloy" und "Inconei:■ ", die im folgenden ■ -: erwähnt werden, sollen wie folgt definiert werden? .·-■/. -■■".·_ .^ ■:/,-'

"Z-lrcalloy" bedeutet in dieser Beschreibung: eine Zirconium-Legierung, die als Baumaterial für Reaktoren verwendet wird und 2 1/2% Niob enthält. _; '

Tr-bnel" ist eine Legierung auf Nickelbasis mit 13% Chrom und 6,5% Eisen,· wie das Baumaterial für Reaktoren, das unter der Bezeichnung Inconei X 750,oder Inconei 718 erhältlich ist.

109827/0872

Als Material für die Plattenfedern hat sich in vielen Fällen Inconel als besonders zuverlässig erwiesen. Da es nicht möglich ist, Streifen aus Zircaloy und Inconel zusammenzuschweißen, da die Schweißung aus einem brüchigen Eutectoid bestehen würde, wird hier eine andere Lösung vorgesehen. An den Stellen der Querbänder 68 und 69, die den Punkten 86 und 87 des Teiles 77 entsprechen, die für die Punktschweißung vorgesehen sind, werden kleine Löcher angebracht. Durch Punktschweißen durch diese Löcher wird eine feste Verbindung zwischen den Teilen 74 und 76 bzw. 75 und 77 hergestellt. Wenn es für nötig ge- | halten wird, kann eines dieser Teile vor dem Verschweißen durch ein Loch hindurch ausgebaucht werden, bis es das andere Teil berührt. Das dient nicht nur dazu, diese Teile an den Querbändern 68, 69 zu befestigen, sondern bietet auch eine zusätzliche Sicherheit, daß die Plattenfedern 74, 75 die erforderliche Pederwirkung behalten. Für eine dauernde, nicht lineare Federkennlinie ist es nämlich erforderlich, daß die äußeren Enden jeder Federplatte im selben Abstand voneinander verbleiben, um eine ungedämpfte Federspannung sicherzustellen·

Einige Gittermaterialien, wie zum Beispiel Zircaloy, werden bei hohen Temperaturen in gewissem Maße weich. Andere Gittermaterialien können Kriecheffekte zeigen. Die Verwendung der ™ Gegenplatte 77 schützt vor diesem unerwünschten Effekt.

In einigen Fällen kann es wirtschaftlich sein, starre Stützklammem 84, 89 von den Querplatten oder Querbändern 88, 90 abzubiegen (siehe Fig. 8). An den Stellen 91 bis 98 befinden sich Schweißpunkte. Die Plattenfedern 99, 100 sind wiederum mit den Querplatten 88, 90 verschweißt. Die Gegenplatten 101, 102 besitzen jetzt eine einfache, rechtwinklige Form (siehe die Draufsicht der Platte 101 gemäß Fig. 9).

Fig. 10 zeigt eine Abwandlungsform, bei der es möglich ist, einen sogenannten Eierkisten-Aufbau zu verwenden, bei dem

109827/0872

das Gitter aus kreuzweise verbundenen Streifen 103, 105 bzw. 104, 106 aufgebaut ist.

Fig. 11 veranschaulicht in "exploded view"-Darstellung den verwendeten Aufbau. Schlitze 1D7 bis 110 sind in den Streifen vorgesehen, so daß die Streifen vollständig ineinander gefügt werden können.

An dsr oberen Kante 118 des Streifens 103 und an der unteren Kante 119 des Streifens 106 sind Finger 111 bis 117 ausgestanzt und abgebogen.

Die Finger gewährleisten den erforderlichen festen Halt für den Stab oder das Rohr mit der Bezugsziffer 80»

Gleichzeitig können diese Finger verwendet werden, um die Eierkisten-Streifen miteinander durch Punktschweißen an den Stellen 120 bis 127 fest zu verbinden. Die Plattenfedern 99, 100 werden befestigt, wie es im Zusammenhang mit Fig. 8 beschrieben worden ist.

109827/0872

Claims (1)

1. -lit— .

   Pate η tan sprüche

   SSSS SSSS'CS SS SIS SS SSSS SS SS SS SS SS SS SS SSS S SSSS S? SS SS SS SS SS SSS

   Stützgitter zum Abstützen einer Anzahl von festen Elementen, die an einem Wärmeaustauschprozess teilnehmen, gegen seitliche Verschiebung, welches Stützgitter aus Bandmaterial derart zusammengesetzt ist, daß eine Anzahl von Abteilungen gebildet wird, deren Achsen

   parallel zueinander liegen und die je eine Seitenwand "

   aufweisen, wobei eine Plattenfeder sich längs in zumindest einer Position in jeder Abteilung erstreckt, die in unbelastetem Zustand in ihrem größeren Mittelbereich in einer Richtung eine bogenförmige Biegung zum Zusammenwirken mit de?" jeweiligen Element aufweist, während die äußeren Enden der Plattenfeder mit festen Punkten an der Seitenwand der jeweiligen Abteilung starr verbunden sind, wobei zwischen zumindest einem der festen Punkte und dem bogenförmigen Bereich ein kleinerer Abschnitt der Plattenfeder in derselben Richtung wie der bogenförmige Bereich gekrümmt ist, " '"" ---· - ··-- ,wobei die Plattenfeder_.mit zumindest einer ..... M Durchlaßöffnung quer zu,der Oberfläche"¹ *" Z .7. der Abteilungs-Seitenwand versehen ist.

   Stützgitter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnung dadurch gebildet wird, daß sich der gekrümmte Abschnitt verzweigt und die verzweigten Teile sich hinter der Öffnung wieder treffen·

   Stützg:⁵ "er nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Off ng durch ein Loch in einem ortlich'erweiteten Äbschiiitt in einer: u^-r gekrümmten Bereiche der Plattenfedei gebildet wird«.

   109827/0872

   ÖADORIQINAL

   4. Stützgitter zum Abstützen einer Anzahl von stabförmigen Elementen gegen seitliche Verschiebung, dadurch gekennzeichnet, daß eine Anzahl von im Abstand voneinander stehenden, parallelen, senkrechten Streifen (66, 67) durch eine Anzahl von parallelen, querliegenden-Querstreifen (68, 69 ....) zu einer Anzahl von Abteilungen zur Aufnahme eines der stabförmigen Elemente verbunden sind, daß ein kreuzförmiges Stab-HaLteteil (77) in jeder Abteilung angebracht ist, dessen einerdas Kreuz bildende Streifen (83) an seinen gegenüberliegenden Enden zu steifen Klammern <8l, 82) umgebogen ist, die sich in die Abteilung erstrecken und das stabförmige Teil abstützen, während der andere Streifen (85) des kreuzförmigen Teiles (77) sich in Längsrichtung der Abteilung erstreckt und mit einem der Querstreifen (68,^% 69) verbunden ist, daß eine Plattenfeder (74, 75) mit der gegenüberliegenden Seite des Querstreifens (68, 69) verbunden ist, wobei ' der Querstreifen (68, 69) an der Stelle der Plattenfeder (74, 75) und dem Stab-Halteteil (77) zumindest eine Öffnung aufweist, und durch eine Punktverschweißung zwischen der Feder (74, 75) und dem Stab-Haiteteil (77) an der Stelle der Öffnung in dem Querstreifen (68, 69).

   5· Stützgitter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Querstreifen aus einer Zirkonium-Legierung, die insbesondere Zircalpy, d.h. eine Legierung aus Zirkonium mit 2 1/2% Niobium, besteht, während die Plattenfeder (74,-75) und das Stab-Halteteil (77) aus einer Legierung auf tfJickelbasis von der Art hergestellt sind, die 13% Chrom und 6,5% Eisen enthält, wie etwa Inconel X 750 oder Inconel 718,

   109827/0872

   6. Verfahren zur Herstellung eines Stützgitters nach Anspruch 4 durch Schweißen in freier Atmosphäre, dadurch gekennzeichnet, daß die Schweißstellen mit einer leicht flüchtigen Flüsigkeit, vorzugsweise einem rein organischem Gemisch ohne Schwefel, Fluor, Chor und Jod, wie etwa Azeton oder Äthanol, eingesprüht werden, und daß sodann punktgeschweißt wird.

   7. Stützgitter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß

   in Längsabstand querverlaufende Schlitze (107 bis 110) ä

   in den Streifen (103, 106) vorgesehen sind, daß die Streifen (103, 106) nach Art einer Eierkiste zusammengesetzt sind, daß der Bereich der Streifen (103, 106) zwischen den Schlitzen 0.07 und 108 bzw. 109 und 110) zu steifen Klammern (111 bis 115) umgebogen ist, die in die Fächer des Gitters hineinragen, und daß eine Feder (99, 100) in jedem Fach gegenüber den Klammern (111 bis. 115) vorgesehen ist·

   8. Stützgitter nach Ansprach 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Plattenfeder nur einseitig einen gekrümmten Abschnitt

   im Ansohluß an den gewölbten Bereich aufweist. μ

   109827/0872