DE2115351A1

DE2115351A1 - Wärmetauscher

Info

Publication number: DE2115351A1
Application number: DE19712115351
Authority: DE
Inventors: Owen Harwood Bolton Lancashire Hayden (Großbritannien)
Original assignee: UK Atomic Energy Authority
Current assignee: UK Atomic Energy Authority
Priority date: 1970-04-02
Filing date: 1971-03-30
Publication date: 1971-10-21
Also published as: JPS5417361B1; NL7104246A; FR2085800B1; FR2085800A1; GB1336555A

Description

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Ab«.: Patentanwalt Dipl.-Ing. SCHUBERT, 5» Siegen, Eiserner Straße 227 ' Deutsche Bank AG., Filialen Siegen u. Oberhausen (RhId.)

United Kingdom Atomic Energy Authority, 11,.. Charles II Street,

London, S.W.1, England

Pur diese Anmeldung wird die Priorität aus der britischen Patentanmeldung Nr. 15792/70 vom 2. April 1970 "beansprucht.

War met a u s c h e r

Die Erfindung bezieht sich auf Wärmetauscher und insbesondere auf diejenige Gattung von Wärmetauscher, bei welcher eine Reihe von Rohren in einem Behälter bzw, Kessel angeordnet ist, wobei das eine Värmeaustauschmedium durch den Kessel über die Außenoberfläche der Rohre geleitet wird, während ein anderes Wärmeaustauschmedium in den Rohren fließt

Auf derartige Wärmetauscher wird allgemein der Ausdruck "Rohrkesseltyp" angewandt.

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Bei einem bekannten "Rohrkessei"-Wärmetauscher erstrecken sich gerade Rohre in Längsrichtung parallel zueinander zwischen Rohrboden oder -platten an den Enden des Kessels, wobei die Enden der Rohre über Schweißnähte mit Aussparungen in den Rohrboden oder -platten verbunden sind.

Bei einem anderen "Rohrkessei"-Wärmetauscher sind Rohre von "Haarnadel"-Form bank- oder reihenweise im Kessel angeordnet, wobei sie sich von einem einzigen Rohrboden am einen Ende des Kessels erstrecken und die Enden der Rohre in Verbindung mit Aussparungen im Rohrboden verschweißt sind.

Die Erfindung befaßt sich mit einem Problem, welches bei Verwendung eines derartigen Wärmetauschers als Dampferzeuger, beispielsweise in einer Kernreaktoranlage, auftritt, bei welcher ein Flüssigmetall-Kiihlmittel, wie beispielsweise Natrium, verwendet wird. Bei einer solchen Anwendung wird erhitztes Natrium durch den Kessel des Wärmetauschers geleitet, und Wasser wird durch die Innenseite der Rohre zur Erzeugung von Dampf durch Wärmeaustausch mit dem heißen Natrium geschickt. Tritt ein Leck in einem der Wärmeaustauschrohre auf, dann reagiert unter hohem Druck stehendes Wasser oder Hochdruckdampf, welches bzw. welcher durch das Leck austritt, mit dem Natrium, um einen hochgradig erosiven "Düsenstrahl" zu bilden, der sich durch ein benachbartes Rohr sehr schnell "hindurchschneiden" kann, was zu weiteren Reaktionen bei Schadensausbreitung auf eine Anzahl von Rohren in der unmittelbaren Umgebung des anfänglichen Lecks führt. Wenn auch Mittel zum Feststellen eines undichten Rohres, gefolgt von einem Abschalten der Wasserzufuhr nach dem Wärmetauscher, vorgesehen werden können, so nimmt dies doch Zeit in Anspruch, und eine kostspielige Beschädigung des Wärmetauschers tritt aller Wahrscheinlichkeit immer noch auf.

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Erfindungsgemäß werden bei einem wärmetauscher des Rohrkesseltyps Abschirm- "bzw. .Ablenkeinrichtungen zwischen benachbarten Rohren an potentiellen Leckstellen in den Rohren vorgesehen, so daß bei einem Leck in einem der Rohre an einer potentiellen Leckstelle mit der Bildung eines erosiven Düsenstrahls aus dem Leck durch Reaktion des Wärmeaustauschmediums, welches durch das Leck austr-itt, mit dem die Rohre umgebenden Wärmeaustauschmedium der "Düsenstrahl" diese Abschirm- bzw« Ablenkeinrichtung trifft und auf diese Weise die Rohre in der Nähe des undichten Rohres vor einem unmittelbaren Angriff durch den "Düsenstrahl" geschützt werden.

Potentielle Leckstellen in den Rohren eines Rohrkessel-Wärmetauschers befinden sich an den Schweißstellen zwischen den Enden der Rohre und den Rohrboden sowie an den Bogenstücken der "Haarnadel"-Rohre, wo eine Wandstärkenverminderung während des Biegens der Rohre erfolgt ist. Außerdem ist es üblich, Querhaltegitter im Kessel eines solchen Wärmetauschers vorzusehen, die eine seitliche Abstützung für die Rohre bilden, um eine Rohrvibration zu verhindern und außerdem den Abstand zwischen den,Rohren beizubehalten, da sonst die Strömung des ^ärmeaustauschmediums zwischen den Rohren behindert werden kann und sich somit örtlich überhitzte Stellen entwickeln können, wenn die Rohre se weit nach der Seite deformiert werden, daß sie sich einander nähern oder sich berühren. Die Reibstellen solcher Haltegitter an den Rohren sind ebenfalls potentielle Leckstellen in den Rohren.

Ablenk- bzw. Abschirmmittel für die Schweißnähte zwischen den Enden der Rohre und einem Rohrboden können eine Abschirmoder Ablenkplatte oder Plattensegmente aufweisen, die an der Stirnfläche des Rwhrbodens befestigt sind und erweiterte Löcher aufweisen, welche die Rohre und die Schweißnähte zwischen den Rohrenden und dem Rohrboden mit Spiel umgeben.

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Abschirm- bzw. Ablenkmittel für die Rohre an deren Berührungsstellen mit einem Querhaltegitter für die Rohre können eine ähnliche Abschirm- oder Ablenkplatte oder Plattensegmente aufweisen, die auf jeder Seite des Haltegitters angeordnet sind und Löcher aufweisen, welche die Rohre in der Nähe der Berührungsstellen der.Rohre mit dem Haltegitter mit Spiel umgeben.- ■

Abschirm- oder Ablenkmittel für die Bogenstücke der Rohre können eine dünne rohrförmige Hülse aufweisen, die mit Spiel den Bogen jedes der Rohre umgibt.

Alternativ können Abschirm- bzw. Ablenkmittel für die Bogenstücke von "Haarnadel"-Wärmeaustauscherrohre einen zellenartigen Abschirm- bzw. Ablenkaufbau aus Blech aufweisen, wobei das Bogenstück jedes "Haarnadel"-Rohres im Wärmetauscher in einer Zelle des Abschirm- bzw. Ablenkaufbaus enthalten ist.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nunmehr anhand die sie beispielsweise wiedergebenden Zeichnung beschrieben, und zwar zeigt

Fig. 1 einen Längsschnitt durch einen Teil eines Rohrbodens und der zugeordneten Wärmetauscherrohre in einem "Rohrkessel"-Wärmetauscher,

Fig. 2 eine Detaildarstellung einer Anzahl von Wärmetauscherrohren sowie eines Querhaltegitters für die Rohre eines "Rohrkessel"-Wärmetauschers, wobei das Haltegitter im Querschnitt dargestellt ist,

Fig. 3 im Detail eine Abschirm- bzw. Ablenkeinrichtung in Anwendung bei Bogenstücken einer Reihe von "Haarnadel"-WärmGtauscherrohren,

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Fig. 4 im Detail alternative Abschirm- bzw. Ablenkmittel für die Anordnung nach Fig. 3, während

Fig. 5 einen Querschnitt nach der Linie V-V in Fig. 4 wiedergibt.

Bei der Anordnung nach Fig. 1 ist ein Teil eines Rohrbodens 1 eines "Rohrkessel"-Wärmetauschers dargestellt. Der Rohrboden 1 weist Aussparungen 2 auf, und Wärmetauscherrohre sind mit dem Rohrboden 1 an den Aussparungen 2 durch Schweißnähte 4 verbunden. Eine Abschirm- bzw. Ablenkplatte 5 ist an der Unterseite des Rohrbodens 1 befestigt. Die Abschirm- bzw. Ablenkplatte 5 weist Löcher 6 auf, die mit Spiel, die Rohre 3 umgeben. Die Abschirmplatte 5 kann als Ganzes an der Unterseite des Rohrbodens 1 befestigt werden oder kann in Form einer Anzahl von Plattensegmenten vorgesehen werden.

Bei Verwendung des Wärmetauschers als Dampferzeuger, beispielsweise durch Hindurchschicken von erhitztem Natrium durch die Hülle bzw. den Kessel des Wärmetauschers über die Außenseite der Rohre 3 und durch Hindurchschicken von Wasser durch das Innere der Rohre 3 zur Erzeugung von Dampf durch Wärmeaustausch mit dem heißen Natrium, kann ein Leck in einer der Schweißnähte 4» welche die Enden der Rohre 3 mit der Rohrplatte 1 verbinden, vorkommen. Unter hohem Druck stehendes Wasser oder Dampf, welches bzw. welcher durch das Leck austritt, reagiert mit dem Natrium, um einen ernsiven "Düsenstrahl" zu bilden. Bei fehlender Abschirmplatte 5 würde der Düsenstrahl ein benachbartes Rohr 3 bei schnellem Durchdringen des beeinträchtigten Rohres 3 beaufschlagen. Ein Durchstoßen des beeinträchtigten Rohres 3 würde zur Bildung eines weiteren erosiven Düsenstrahls führen, welcher noch ein weiteres Rohr 3 beaufschlagt, u.s.w., was zu einer ausgedehnten Beschädigung einer Reihe von Rohren im Bereich des ursprünglich undichten Rohres 3 führt. Sollte jedoch bei der Anordnung nach Fig. 1 ein Leck in einer der

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Schweißnähte 4, welche die Rohre 3 mit dem Rohrboden 1 verbinden, auftreten, so beaufschlagt der sich ergebende erosive Düsenstrahl die Platte 5, und es muß zunächst eine Erosion der Platte 5 erfolgen, bevor die benachbarten Rohre 3 angegriffen werden. Dadurch wird Zeit für die Ermittlung des Lecks und das Abschalten der Wasserzufuhr nach dem Wärmetauscher gewotmen, bevor eine Beschädigung anderer Rohre 3 im Bereich des Lecks stattfindet. Für einen maximalen Schutz kann die Platte 5 aus einem korrosionsbeständigen Material, wie beispielsweise "Incoloy" (eingetragenes Warenzeichen), hergestellt werden.

Fig. 2 der Zeichnung zeigt eine Anordnung, bei welcher die Rohre 3 eines Wärmetauschers gegen seitliches Vibrieren und Ausbiegen durch ein Querhaltegitter 7 abgestützt werden. Die iieibstellen der Rohre 3 am Haltegitter 7 sind potentielle Leckstellen. Abschirm- bzw. Ablenkplatten 8, ähnlich der Abschirmplatte 5 bei der Anordnung nach Fig. 1, sind auf beiden Seiten des Haltegitters 7 befestigt. Die Abschirmplatten 8 haben Löcher 9, die mit Spiel die Rohre 3 umgeben. Wiederum kann bei Verwendung des Wärmetauschers als Dampferzeuger, bei welchem erhitztes Natrium durch den Kessel des Wärmetauschers geleitet wird, ein Leck in einem der Rohre 3 an den Reibstellen mit dem Haltegitter 7 zur Reaktion des unter hohem Druck stehenden Wassers oder Dampfes, welches bzw. welcher durch das Leck austritt, mit Natrium führen, um einen erosiven Düsenstrahl zu bilden, der auf ein benachbartes Rohr 3 in der Bauteilgruppe gerichtet ist. Der Düsenstrahl wird aber durch die ihm zugewandte Abschirmplatte 8 !blockiert, um einen Angriff des benachbarten Rohres 3 und eine sich daraus ergebende kumulative Beschädigung anderer Rohre 3 im Bereich des undichten Rohres 3 zu verhindern.

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Pig. 3 zeigt zwei "Haarnadel"-Wärmetauscherrohre 10, die einen Teil eines Bündels solcher Rohre in einem Rohrkessel-Wärmetauscher bilden. Eine potentielle Leckstelle bei solchen Rohren 10 ist an den Bogenstücken vorhanden, wo eine Kaltbearbeitung oder Wandstärkenverminderung des Rohres während des Rohr-Formungsvorganges stattgefunden hat.

Daher wird eine dünne äußere Abschirmungshülse 11'um das Bogenstück jedes Rohres 10 herumgelegt. Die Abschirmungshülsen 11 sitzen mit Spiel auf den Bogenstücken der Rohre 10, um den Zugang des Wärmeaustauschmediums, wie beispielsweise Natrium, zwischen die Bogenstücke der Rohre 10 und die Innenseite der Abschirmungshülsen 11 zu ermöglichen. Jede Abschirmungshülse 11 weist ein Boden-Abflußloch 12 auf. Die Hülsen 11 können nach dem Biegen der Rohre 10 durch Wickeln von dünnem Blechmaterial um die Bogenstücke der Rohre 10 mit einem Überlappungssaum in den Hülsen 11 angebracht werden.

Bei einem leck im Bogenstück eines der Rohre 10, begleitet von der Bildung eines erosiven Düsenstrahls aus den Reaktionsprodukten von der Leckstelle her, verhindert die Hülse 11 auf dem Rohr 10 einen Angriff des Düsenstrahls auf benachbarte Rohre 10,' die zudem durch ihre eigenen Hülsen geschützt sind.

Die Fign. 4 und 5 zeigen eine Alternativanordnung für die Abschirmungshülsen 11 bei der Anordnung nach Fig. 3. Bei der Anordnung nach den Fign. 4 und 5 wird ein Abschirmungsaufbau 13 von "Eierkisten"-Form aus dünnem Blech während des Zusammenbaus der Rohre 10 im Wärmetauscher aufgebaut. Das Bogenstück jedes der Rohre 10 verläuft durch eine Zelle 14 im Abschirmungsaufbau 13 hindurch, so daß irgendein erosiver Düsenstrahl, der aus einem Leck im Bogenstück eines Rohres 10 austritt, von einem Angriff auf benachbarte Rohre 10 durch die Wände der jeweiligen Zelle 14 abgehalten wird, welche das Bogenstück des undichten Rohres 10 umgibt.

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Bei der Anordnung nach den Fign. 4 und 5 kann der Abschirmungs- bzw. Ablenkaufbau 13 außerdem dem nützlichen Zweck dienen, als ein Strömungsrichter für das"Natrium zu wirken, wo der Natrium-Strömungsweg, wie durch die Pfeile 15 in Fig. 4 angedeutet, d.h. abwärts entlang dem einen Schenkel der Rohre 10, um die Bogenstücke der Rohre 10 herum und aufwärts entlang dem anderen Schenkel der Rohre 10 verläuft. Normalerweise würde eine Querströmung und ein Vermischen des Natriums an den Bogenstücken der Rohre 10 mit einer örtlichen Zunahme der Wärmeübertragung stattfinden, was möglicherweise zu Austrocknungsbedingungen /dry out conditions/ an den Bogenstücken der Rohre 10 führt. Es kann davon ausgegangen werden, daß der Abschirmungsaufbau 13 die Natrium-Seitenströmung entlang dem Abwärtsschenkel jedes Rohres 10 an diesem Rohr zu halten sucht, während das Natrium um das Bogenstück des Rohres 10 herum rückströmt, wobei eine Natrium-Querströmung abgeschnitten und ein Anwachsen des örtlichen Wärmeübertragungskoeffizienten bis zu Austrocknungspegeln verhindert wird. Diese Funktion des Abschirmungsaufbaus 13 kann noch dadurch unterstützt werden, daß den horizontalen Streben des Abschirmungsaufbaus eine gekrümmte Form gegeben wird, welche den Bogenstücken der Rohre 10 folgt.

Die,Erfindung betrifft auch Abänderungen der im beiliegenden Anspruch 1 umrissenen Ausführungsform und bezieht sich vor allem auch auf sämtliche Erfindungsmerkmale, die im einzelnen — oder in Kombination — in der gesamten Beschreibung und Zeichnung offenbart sind.

Ansprüche

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Claims

A ns

(ft Wärmetauscher des Rohrkesseltyps, dadurch gekennzeichnet, daß Abschirm- bzw. Ablenkeinrichtungen (5»8;11;13) zwischen benachbarten Rohren (3;10) an potentiellen Leckstellen in den Rohren so vorgesehen sind, daß. bei einem Leck in einem der Rohre (3;10) an einer potentiellen Leckstelle, das von der Bildung eines erosiven Düsenstrahls aus der Leck-, stelle durch Reaktion des Wärmeaustauschmediums, welches durch die Leckstelle hindurch austritt, mit dem Wärmeaustauschmedium, welches die Rohre umgibt, begleitet wird, der Düsenstrahl die Abschirmungseinrichtung (5;8;11,13) trifft, derart, daß die dem undichten Rohr (3;10) benachbarten Rohre gegen unmittelbaren Angriff durch den Düsenstrahl geschützt sind.
2. Wärmetauscher nach Anspruch·1, dadurch gekennzeichnet, daß die potentiellen Leckstellen in den Rohren (3) sich an den Schweißnähten (4) zwischen den Enden der Rohre und den Rohrboden (1) befinden, daß die Abschirmungseinrichtungen für die Schweißnähte zwischen den Enden der Rohre und dem jeweiligen Rohrboden eine Abschirmungsplatte (5) aufweisen, die an der Stirnfläche des Rohrbodens (1) befestigt ist und Löcher (6) aufweist, welche die Rohre (3) um die Schweißnähte (4) zwischen den Enden der Rohre und dem Rohrboden (1) herum mit Spiel umgeben.
3. Wärmetauscher nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Abschirmungsplatte (5) aus Segmenten besteht.

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4. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich die potentiellen Leckstellen in den Rohren (3) an-den Berührungsstellen von Querhaltegittern (7) mit den Rohren (3) befinden, daß die Abschirmungseinrichtung für die Rohre (3) an deren Berührungsstellen mit jedem Querhaltegitter (7) eine Abschirmung splatte (8) auf jeder Seite des Querhaltegitters (7) aufweist, und daß diese Abschirmungsplatte (8) Löcher (9) aufweist, welche die den Berührungsstellen des Haltegitters (7) mit den Rohren (3) benachbarten Rohre (3) mit Spiel umgeben.
5. Wärmetauscher nach Anspruch 4> dadurch gekennzeichnet, daß die Abschirmungsplatten (8) aus Segmenten bestehen.
6. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich die potentiellen Leckstellen in den Rohren an Bogenstücken der Rohre-(10) befinden, wobei die Abschirmungseinrichtung für die Bogenstücke bei jedem Rohr eine rohrförmige Hülse (11) aufweist, die mit Spiel jedes Bogenstück des Rohres (10) umgibt.
7. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich die potentiellen Leckstellen in den Rohren an den Bogenstücken der Rohre befinden und daß die Abschirmungseinrichtungen für entsprechende Bogenstücke in einer Gruppe von Rohren einen zellenartigen Abschirmungsaufbau (13) aus Blech aufweisen, wobei das Bogenstück jedes Rohres (10) in der Gruppe von Rohren (10) in einer Zelle (H) des Abschirmungsaufbaus (13) enthalten ist.

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