DE2308317A1 - Waermetauscher mit rohrfoermig angeordnetem rohrbuendel - Google Patents

Description

DIPLOMINGENIEUR PATENTANWALT

θ M'ÜNCHEN 5 · OORNELIUSSTRASSE 42 · TELEFON 24Ο775

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Georges Trepaud Paris

Wärmetauscher mit rohrförmig angeordnetem Rohrbündel

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Wärmetauscher großer Abmessung, insbesondere für erhöhte Temperaturen und Drücke und ist anwendbar mit Dampferzeugern, bei denen eines der Strömungsmittel, beispielsweise unter Druck stehendes heißes Wasser zur Abkühlung eines Kernreaktors, durch die Rohre des Wärmetauschers zirkuliert, die innerhalb eines Mantels angeordnet sind, während das zu verdampfende Wasser innerhalb dieses Mantels in Kontakt mit diesen Rohren zirkuliert. Die Erfindung ist gleichermaßen anwendbar auf als Dampfüberhitzer dienende Wärmetauscher für große Turbinen und auf als Rekuperator dienende Wärmetauscher, wie auch für Anwendungsgebiete, bei denen das wärmeabführende Strömungsmittel, insbesondere ein geschmolzenes Metall wie z.B. Natrium, eine Zirkulationsbewegung in Längsrichtung der Rohre und um die Rohre herum ausführt, die im Gegenstrom von dem zu verdampfenden V/asser durchflossen werden.

*° Es ist bekannt, daß bereits verschiedene Arten von Dampfoo

co erzeugern vorgeschlagen worden sind, wobei am häufigsten

^ Dampferzeuger mit U-förmigen Rohren verwendet werden, und zwar für eine natürliche Zirkulation mit einer Wiederaufheizung °* des Sekundärwassers durch Abzapfung von Dampf und mechanische Trennung des Dampfes von der Flüssigkeit in einem Dampf-

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- 2 trockendom mit sehr großen Abmessungen.

Eine solche Anordnung v/eist eine gewisse Anzahl von Nachteilen auf. Sie führt von vornherein dazu, daß nicht alle Rohre identisch sind, wobei die Schwierigkeit im wesentlichen darin liegt, daß für die U-förmige Anordnung des Rohrbündels unterschiedliche Krümmungsradien erforderlich sind. Im einzelnen weisen einige Rohre, die sich in der Nähe der Achse des Gerätes aufweisen, einen sehr geringen Krümmungsradius auf und sind deshalb an dieser Stelle, besonders empfindlich. Dieser Nachteil 1st überdies besonders schwerwiegend, weil es nicht möglich ist, defekte Rohre auszuwechseln, weil sie unzugänglich sind.

Bei einer anderen bekannten Ausführungsform von rohrförmigen Wärmetauschern, bei denen mit Zwangsumlauf des zu verdampfenden Wassers und mit Überhitzung gearbeitet wird, sind die geraden Rohre mit ihren Enden in Perforationen eingesetzt, die in dicken Platten vorgesehen sind, die die Böden von zwei Köpfen darstellen, die die Einströmöffnung und die Abströmöffnung für das in den Röhren zirkulierende Strömungsmittel aufweisen, wobei insbesondere das heiße Strömungsmittel die Röhren von oben nach unten durchströmt, während das zu verdampfende Wasser in die Vorrichtung in der Nähe der unteren perforierten Platte eingeleitet wird. Die große Dicke der Platten, in welche die Rohre eingefügt sind, eine Dicke, die die mechanischen Belastungen berücksichtigt, denen sie unterworfen sind, hat zur Folge, daß die untere Platte ein starkes Temperaturgefälle aufweist, das beachtliche thermische Spannungen hervorruft, und zwar deshalb, weil die Oberseite dieser Platte die Temperatur des kalten Sekundärwassers aufweist, während ihre Unterseite der stark erhöhten Temperatur des aus den Rohren austretenden Primärwassers ausgesetzt ist.

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überdies sind bei allen bekannten Ausführungsformen die Rohre an einer Vibration dadurch gehindert, daß sie durch querverlaufende, für den Durchtritt der Rohre mit Perforationen versehene Scheiben gehalten werden, die zusätzlich öffnungen aufweisen, um den Durchtritt des in Kontakt mit den Rohren zirkulierenden Strömungsmittels zu ermöglichen. Dies hat zur Folge, daß die Rohre, seien sie U-förmig oder gerade, durch diese perforierten Scheiben eingezogen werden müssen, bevor sie eingebaut und an der Endscheibe oder an den Endscheiben festgeschweißt werden, was eine langwierige und schwierige Arbeit bedeutet. Wenn die Rohre einmal eingebaut und mit Endscheiben verschweißt sind, ist es überdies erforderlich, die Scheiben mit dem zylindrischen äußeren Mantel und mit den diese Platten bedeckenden Köpfen zusammenzufügen und zu verschweißen. Diese Schweißarbeiten rufen in den Platten Spannungen hervor, die durch Ausglühen ausgeglichen werden müssen, was oft für die Rohre des Rohrbündels schädlich ist.

Im übrigen besitzen die öffnungen in den Scheiben, die einen Durchtritt für das in Kontakt mit den Rohren zirkulierende Strömungsmittel bieten, einen im allgemeinen relativ geringen Querschnitt auf, wodurch eine erhöhte Durchströmgeschwindigkeit hervorgerufen wird und ein starker Druckabfall.

Die vorliegende Erfindung dient der Aufgabe, einen Wärmetauscher zu schaffen, bei dem alle diese Nachteile übervaxnden sind. Dieser Wärmetauscher ist dadurch gekennzeichnet, daß er eine schwere äußere Struktur umfasst, die durch einen äußeren Zylindermantel gebildet wird, der mit seinen Enden an einem ringförmigen Einlaßkopf bzw. einem ringförmigen Auslaßkopf für eines der Strömungsmittel befestigt ist, daß die inneren Böden dieser Köpfe perforiert sind, daß die Einzelteile dieser Struktur als Baugruppe vorab zusammengefügt, verschweißt und stabilisiert sind, und daß er eine leichtere innere Struktur umfasst, die anschließend

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in die äußere Struktur eingefügt ist und aus Rohren gebildet ist, die mit ihren Enden in diese Perforationen der inneren Böden eingesetzt und in konzentrischen Lagen in ringförmigen Bündeln angeordnet sind, die einen großen, zentralen Kanal umschließen, der durch die zylindrischen, axialen öffnungen der ringförmigen Köpfe zugänglich ist, um diese Rohre beginnend mit der äußeren, dem Mantel benachbarten Lage zu montieren, daß die konzentrischen Lagen der Rohre in mehreren Querebenen durch zwischen diesen Lagen angeordnete Stützringe gehalten sind, daß die Stützringe untereinander durch radiale, regelmäßig verteilte Querstege verbunden sind, die jeweils nach ihrer Positionierung verschweißt sind, daß eine ringförmige Wärmetauscherkammer zwischen dem zylindrischen äußeren Mantel und einem großen zentralen Schacht gebildet ist, der sich im wesentlichen über die gesamte Höhe des Rohrbündels erstreckt und nach diesem in seine Position gebracht worden ist, wobei dieser Schacht aus dünnem Blech derart hergestellt ist, daß er durchbrochen werden kann, um den Zugang zum Rohrbündel zu ermöglichen, um Reparaturen durchführen oder Rohre austauschen zu können.

Um eine freie Wärmedehnung der Rohre zu ermöglichen, besitzen diese zumindest für einen Teil ihrer Länge eine etwa sinusförmige Wellenform, die sich aus abwechselnd in entgegengesetzter Richtung gekrümmten Kreisbogen zusammensetzt, wobei der Krümmungswinkel vorzugsweise unterhalb oder bei 60° liegt und als Funktion der maximal möglichen Abweichung zwischen den mittleren Temperaturen der Rohre und des Mantels bestimmt ist.

Die Querebenen, in welchen die konzentrischen, die Rohre des ringförmigen Rohrbündels festhaltenden Stützringe angeordnet sind, befinden sich entweder in Höhe der Wendepunkte oder in Höhe der Gipfelpunkte der Rohre, wodurch die

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Dehnungen sich in allen Fällen als Zunahme der Krümmung der gekrümmten Abschnitte auswirken wird und nur eine sehr geringe Belastung der geradlinigen Rohrabschnitte bewirken wird.

Die Anzahl und der Abstand der Halteebenen für die Rohre wird als Funktion der Rohrabmessungen derart bestimmt, daß das Entstehen von Vibrationen der Rohre verhindert wird, und als Funktion dieser Abstände wählt man die Anzahl der gekrümmten Abschnitte der wellenförmigen Rohre und die Pfeilhöhe dieser Krümmungen.

Wie oben bereits erwähnt wurde, liegt einer der wesentlichen Vorteile des erfindungsgemäßen Wärmetauschers darin, daß die Möglichkeit besteht, mit dem Zusammenbau, dem Verschweißen und Stabilisieren der die äußere, schwere Konstruktion des Gerätes bildenden Konstruktion zu beginnen, d.h. mit der Montage des oberen und des unteren Kopfes mit ihren ringförmigen, perforierten Böden und dem äußeren Mantel. Unter Ausnützung des freien Zuganges durch die axialen Kanäle Innerhalb der Köpfe und aufgrund des großen zentralen Raumes, der inmitten des ringförmigen Rohrbündels ausgespart ist, kann man mit der Montage der Rohre im Inneren des Apparates fortfahren. Zu diesem Zweck befestigt man zunächst auf dem Mantel die äußeren Stützringe mit dem grössten Durchmesser, worauf man ein Ende eines Jeden Rohres der ersten Rohrlage in der entsprechenden Perforation einer der Platten befestigt. Sodann wird unter Ausnützung der Flexibilität der wellenförmig gestalteten Rohre ihr jeweils anderes Ende in die Perforation der anderen Platte eingesetzt, worauf der Stützring mit dem kleineren Durchmesser positioniert wird und die Querstege verschweißt werden, die die beiden Stützringe aneinander befestigen,

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worauf man die Montage der Rohre der Rohrlage mit kleinerem Durchmesser in der gleichen Weise fortsetzt, bis schließlich der kleinste Stützring und dann der zentrale Schacht eingebaut werden.

Die Rohre besitzen an ihren Enden geradlinige Abschnitte, wobei die Montage wiederum dadurch erleichtert wird, daß man die Rohre während des Einbaus in die Platten so drehen kann, daß sich die Ebene ihrer Krtimmungen in radialer Richtung erstreckt, worauf die Rohre dann, wenn sie in den Platten befestigt bzw. eingesetzt sind, wieder um die gemeinsame Achse ihrer geradlinigen Enden drehen kann, bis sie die gewünschte Lage in bezug auf den äußeren Ring der entsprechenden Lage einnehmen.

Falls ein Rohrbündel repariert werden soll oder die Rohre insgesamt oder teilweise ausgewechselt werden sollen, genügt es, den Zentralschacht aus dünnem Blech aufzuschneiden, um dann über den großen, zentralen Raum Zugang zu den Rohrbündeln zu haben.

Gemäß einer Ausführungsform umfasst der Dampferzeuger, dessen ringförmiges Rohrbündel durch unter Druck stehendes heißes Wasser gespeist wird, eine doppelte, konzentrische Ringanordnung in der Nachbarschaft des äußeren Umfanges des ringförmigen Rohrbündels, wobei der innere Ring mit der ring- und rohrförmigen oberen Platte verbunden ist, während der äußere Ring in einem gewissen Abstand von dieser Platte endet, wobei der untere Teil des zwischen den beiden Ringen gebildeten Ringraumes durch einen Kranz abgeschlossen ist, derart, daß das in diesen Ringraum in seinem unteren Teil um die in diesem Ringraum angeordneten und den Kranz durchquerenden Rohre des Rohrbündels eingespeiste Sekundärwasser in seiner aufsteigenden Zirkulationsbewegung im Gegenstrom zu dem durch die Rohre nach unten strömenden Primärwasser eine V/iederaufheizung erfährt, bevor es am äußeren

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Umfang zwischen dem äußeren Ring und dem Mantel des Wärmetauschers wieder nach unten wandert und letzteren erwärmt, worauf das wiedererwärmte Sekundärwasser unterhalb der doppelten Ringanordnung seine Richtung ändert und in der Verdampfungskammer zwischen dem inneren Ring und dem zentralen Schacht wieder nach oben steigt.

Es ergibt sich daraus, daß die untere Platte nicht mehr bedeutenden thermischen Spannungen ausgesetzt ist und beträchtlich leichter ausgebildet werden kann. Andererseits kann, falls man das Rohrbündel ausreichend lang gestaltet, der letzte Abschnitt des Wärmetauschers, wo sich der bereits gebildete Dampf in Kontakt mit einem Teil des Rohres befindet oder wo die Temperatur des unter Druck stehenden Primärwassers maximal ist, als Überhitzer des Dampfes benutzt werden, was es erlaubt, den Wärmetauscher dadurch zu erleichtern, daß man den schweren und sperrigen Trockendom einspart, wie auch die mechanischen Tröpfchenabscheider, die er enthält.

Es ist festzustellen, daß die Durchmesservergrößerung des ringförmigen Bündels in bezug auf ein nicht ringförmiges Bündel gleicher Oberfläche wegen der vorstehend erwähnten Vorteile vernachlässigbar ist, verglichen im Bereich der Durchmesser des zur Verfügung stehenden zentralen Abschnittes.

überdies erlaubt die Ausbildung des Vorwärmers für das sekundäre Speisewasser, wie sie bei dem Dampferzeuger in einfacher, wirtschaftlicher und wirksamer Weise eingebaut ist, einen bedeutenden Gewinn an Wärmetauscherfläche, wobei sich eine Zirkulation mit beabsichtiger, gleichförmiger Geschwindigkeit um die entsprechenden Rohre des RohrbUndels ausbildet, und zwar im Gegenstrom zum Primärwasser, d.h.

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unter direkter maximaler Ausnützung der mittleren logarhythmischen Temperaturdifferenz zwischen der Primär- und der Sekundärflüssigkeit.

Weit davon entfernt ist man im Falle des Systems mit Vorwärmung des Wassers durch Dampfabzweigung, bei dem im großen und ganzen eine Verdoppelung der Austauschfläche erforderlich ist für eine Veränderung von im allgemeinen 12 - 14 % des gesamten Wärmeübergangs.

Unter den am- häufigsten anzutreffenden Verhältnissen, bei denen die Temperatur des Primärwassers die Verdampfungstemperatur um mehr als 5O°C übersteigt und die Verdampfungstemperatur selbst die Eintrittstemperatur des Speisewassers um 50⁰C übertrifft, kann man sagen, daß der Gewinn an Austauschfläche in der gleichen Größenordnung liegt, wie die zusätzlich notwendige überhitzungsfläche, trotz der schlechten Oberflächenleitung des überhitzten Dampfes.

Selbst wenn die gesamte Austauschfläche in der gleichen Größenordnung liegt, bleibt doch festzustellen, daß folgendes entfällt:

Die schwere und sperrige Konstruktion des Trockendoms, die Apparate und Trennvorrichtungen, die er einschließt und

die lästigen Einrichtungen für die Dampferhitzung.

Wie bereits erwähnt wurde, sind beim erfindungsgemäßen Dampferzeuger alle Rohre identisch, was einen Fabrikationsvorteil darstellt, aber auch einen funktioneilen Vorteil, nämlich gleicher Durchfluß, gleiche Druckverluste, gleiche Temperaturen. Die großen Radien der Krümmungen, die die beträchtlichen Wärmedehnungen ermöglichen, bewirken, daß

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diese Dehnung keine übermäßige Schrumpfung des Rohrquerschnittes zur Folge haben, wie bei den mit U-förmigen
Rohren ausgestatteten Systemen, so daß man deshalb schwächere Rohre verwenden kann, die den Wärmeaustausch verbessern. Man weiß tatsächlich, daß der thermische Widerstand des
Metalls als Funktion seiner Dicke und seiner Wärmeleitfähigkeit zu einem sehr großen Teil in den Koeffizienten K für die Gesamtleitfähigkeit bei solchen Dampferzeugern eingeht, bei denen die Strömungsmittel, insbesondere das unter Druck stehende Primärwasser, von einer ausserordentlichen Reinheit sind. Ansonsten stellt der erfindungsgemäße Wärmetauscher zur Verringerung von Ermüdungserscheinungen thermischen Ursprungs keine besonderen Anforderungen hinsichtlich der Materialauswahl. Es kann also insbesondere für das Rohrbündel ein anderes Material als INCONEL (80 % Ni, 14 % Cr, 6 % Fe) benutzt werden, wenn sich aufgrund
der technischen und wirtschaftlichen Eigenschaften dafür ein Bedarf ergibt. Überdies kann festgestellt werden,
daß Jede der rohrförmigen Platten eine konstante Temperatur aufweist, und zwar die obere Platte die Einlaßtemperatur des unter Druck stehenden heißen Primärwassers, während die untere Platte die Austrittstemperatur des unter Druck
stehenden gekühlten V/assers aufweist.

Anhand der nun folgenden Beschreibung der in der Zeichnung dargestellten AusfUhrungsbeispiele der Erfindung, die sich auf einen Dampferzeuger mit Zwangsumlauf und überhitzung des Strömungsmittels in einem einzigen Durchlauf beziehen, wird die Erfindung näher erläutert.

Es zeigt:

Fig. 1 einen schematischen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Dampferzeuger,

Fig. 2 einen Detailschnitt in größerem Maßstab durch den unteren Abschnitt der Sekundär- bzw. Speisewasservorwärmung des in Fig.1 gezeigten Dampferzeugers ,

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Fig. 3 eine schematische Seitenansicht eines sinusförmig gekrümmten Rohres,

Fig. 4 eine schematische Darstellung der allgemeinen, einem Rohr gemäß Fig. 3 verliehenen Krümmung,

Fig. 5 einen Horizontalschnitt durch die Anordnung der Rohre in den Stützringen,

Fig. 6 eine schematische Seitenansicht des Durchtritts der Rohre durch den Stützring an den Wendepunkten der Rohre, wo deren schräger Verlauf am grössten ist,

Fig". 7 eine Abwandlung in der Ausführung der Dampferzeugerköpfe, die in diesem Fall halbkugelige Form besitzen,

Fig. 8 einen Querschnitt durch eine andere Ausführungsform der Röhrenmontage mit Spiel innerhalb der Halteringe,

Fig. 9 einen Querschnitt durch eine zweite Ausführungsform der Halteeinrichtung für die Rohre, die in den Wendepunkten mittels rohrförmiger Querstege gehalten werden,

Fig.10 eine Seitenansicht hierzu,

Fig.11 und 12 jeweils eine schematische Darstellung eines wellenförmigen Rohres, das in den Scheitelpunkten der Wellen gehalten wird,

Fig.13 eine Anwendungsform rohrförmiger Querstege, falls die Rohre durch die Stützringe in den Scheiteln ihrer Wellenform gehalten werden,

Fig.14 eine andere Ausführungsform eines solchen Rohrs,

Fig.15 einen Querschnitt durch ein Teilstück eines erfindungi gemäßen Rohrbündels, wobei die Teilung zwischen den Rohren in radialer Richtung und in Umfangsrichtung zu ersehen ist und

Fig.16 eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Wärmetauschers für den Fall, daß das wärmeabführende Strömungsmittel ein flüssiges Metall, wie Natrium ist.

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Der in Fig. 1 gezeigte Dampferzeuger besitzt einen äußeren zylindrischen Mantel 1, der vertikal angeordnet ist und an jedem Ende mit einem oberen Kopf 2 bzw. einem unteren Kopf 3 versehen ist. Jeder Kopf besitzt Ringform, d.h. er wird von einer ringförmigen Kammer 2a bzw. 3a gebildet, die auf diese Weise zwischen sich einen zentralen Kanal 2b bzw. 3b bilden.

Eine Klappe 3c deckt den zentralen Kanal 3b ab. Im oberen Kopf 2 ist eine öffnung 4 für den Zutritt des unter. Druck stehenden, heißen Primärwassers in das Innere der ringförmigen Kammer 2a vorgesehen. Im unteren Kopf 3 ist eine öffnung 5 vorgesehen, um den Austritt des abgekühlten, unter Druck stehenden· Primärwassers aus der ringförmigen Kammer 3a zu ermöglichen. Einsteigöffnungen 4a bzw. 5a sind im oberen Kopf und im unteren Kopf 3 vorgesehen.

Der untere Abschnitt des oberen Kopfes 2 wird durch eine ringförmige Platte 6 gebildet, während der obere Teil des unteren Kopfes 3 in ähnlicher Weise durch eine ringförmige Platte 7 gebildet wird. Mit diesen Platten 6 bzw. 7 sind die oberen bzw. unteren Enden eines ringförmigen Bündels biegsamer Rohre befestigt, die in der Zeichnung schematisch durch unterbrochene linien angedeutet sind.

In der Nachbarschaft des äußeren Umfanges des ringförmigen Rohrbündels ist eine konzentrische, doppelte Ringanordnung vorgesehen, die durch einen äußeren Ring 8 und einen inneren Ring 9 gebildet wird, die auf diese Weise einen Vorwärmer für das sekundäre Speisewasser bilden. Der innere Ring 9 ist mit der ring- oder rohrförmigen Platte 6 verbunden, während der äußere Ring 8 in einem gewissen Abstand vor dieser Platte endet, wie bei 8a gezeigt. Der untere Teil des ringförmigen "wischenraums 10 zwischen den beiden Ringen 8 und 9 wird curch einen Kranz 11 abgeschlossen, der für den Durchtritt für

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Rohre mit Öffnungen versehen ist und sich in einem gewissen Abstand von der ringförmigen oder rohrförmigen unteren Platte 7 befindet. Zum ringförmigen Rohrbündel gehörige Rohre, wie z.B. 12 in Fig. 2 sind in einer oder mehreren zylindrischen Lagen in dem Ringraum 10 zwischen den beiden Ringen 8 und 9 angeordnet und durchqueren den Kranz 11. Die Bauweise des Vorwärmers ist damit derart, daß eine freie Dehnung der beiden Ringe 8 und 9 möglich ist..

Im unteren Abschnitt des zwischen den Ringen 8 und 9 ausgebildeten Ringraumes 10 wird Sekundärwasser durch die öffnungen 13 einer Sammelleitung 14 eingespeist.

Ein zentraler Ring 15, der in dem frei gebliebenen Raum innerhalb des ringförmigen Bündels aus biegsamen Rohren angeordnet ist, bildet einen Schacht 16 in der Achse des zentralen Kanals 3b des unteren Kopfes 3. Dieser Schacht 16 erstreckt sich bis auf eine durch den Apparat unbeeinflußbare Höhe derart, daß oberhalb des Schachtes ein freier Raum 17 verbleibt, der mit dem zentralen Kanal 2b des oberen Kopfes 2 in Verbindung steht. Um den Zutritt zum Rohrbündel zu ermöglichen, besteht der Ring 15 vorzugsweise aus dünnem Blech, das leicht durchgeschnitten werden kann. Um auf leichte Weise die Drücke auf beiden Seiten des Bleches auszugleichen, bringt man darin öffnungen an. Beispielsweise kann eine kleine öffnung 18 am oberen Scheitel des Schachtes 16 vorgesehen sein, sowie öffnungen 19 an dessen Fuß. Möglicherweise kann man die Gestaltung so ausführen, daß im Inneren des Schachtes 16 ein geringer überdruck herrscht, um das Wasser in ihm abzusenken.

Es wird also das unter Druck stehende Primärwasser heiß bei

4 in die ringförmige Kammer 2a des oberen Kopfes 2 eingeleitet, worauf es durch das ringförmige Rohrbündel von der oberen Platte bis zur unteren Platte strömt, bevor es bei

5 wieder die ringförmige Kammer 3a des unteren Kopfes 3 verläßt. 30983S/0966

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Das Sekundärwasser wird im unteren Abschnitt des zwischen den Ringen 8 und 9 befindlichen Ringraumes 10 eingeleitet, wobei es die Sammelleitung 14 verläßt. Dieses Wasser erhitzt sich beim Aufsteigen im Ringraum 10, dh. im Gegenstrom zum durch die Rohre, wie z.B. 12, herabfließenden, unter Druck stehenden Wasser. Die Bahn des erwärmten, am oberen Ende des Ringraumes 10 ankommenden Wassers erfährt eine Umkehrung seines Bewegungssinnes im Bereich des Punktes 8a, derart, daß das Wasser in dem äußeren Urafangsraum 20 zwischen dem äußeren Ring 8 und dem äußeren Mantel 1 nach unten wandert und dabei letzteren erwärmt. Im unteren Abschnitt des äußeren Umfangsraumes 20 wechselt das sekundäre Strömungsmittel seine Richtung und tritt in die Zone 21 ein, die sich unterhalb des Kranzes 11 befindet, worauf es in die Verdampfungskammer einströmt, die sich zwischen dem inneren Ring 9 und dem den Schacht 16 umschließenden Ring 15 befindet. Der feuchte Dampf erreicht anschließend die Zone 17 und erfährt eine Überhitzung durch die Berührung mit dem oberen Abschnitt 23 des Rohrbündels, dessen Länge entsprechend dem gewünschten Uberhitzungsgrad gewählt ist. Tatsächlich tritt durch den Kanal 2b im Zentrum des oberen Kopfes 2 überhitzter Dampf zu einer ihn nutzbar machenden Einrichtung aus.

Weil das untere Ende des äußeren Ringes 8 sich teilweise in Kontakt mit dem aufgeheizten sekundären Strömungsmittel befindet, das in dem äußeren Ringraum 20 zirkuliert und andererseits in Kontakt mit dem kalten sekundären Strömungsmittel, das in den Ringraum 10 eingespeist wird, kann es vorteilhaft sein, an dieser Stelle eine thermische Abschirmung vorzusehen, die eine Abkühlung des sekundären Strömungsraittels in dem äußeren Ringraum 20 verhindert. Beispielsweise kann man im unteren Abschnitt des äußeren Ringes 8 zwei Blechstücke vorsehen, zwischen den sich ein isolierender Anstrich befindet. Im Gegensatz hierzu nimmt der Ring 9 in einem gewissen Ausmaß an der Aufheizung des Wassers teil.

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Der erfindungsgemäße, mit einem erzwungenen Kreislauf und bei einem einzigen Durchlauf des sekundären Strömungsmittels arbeitende Dampferzeuger weist eine im allgemeinen symmetrische Anordnung in bezug auf die Vertikalachse des Gerätes auf. Man kann gleicherweise eine gewisse Herstellungssymmetrie in bezug auf eine horizontale Mittelebene feststellen.

Gemäß einer Einzelheit derErfindung wird das ringförmige, von dem primären Strömungsmittel umströmte Rohrbündel von biegsamen Rohren gebildet, die eine beachtliche Dehnung erfahren können, als Ergebnis insbesondere von Belastungsänderungen, plötzlichen thermischen Stoßbeanspruchungen und so weiter.

Alle Rohre sind identisch und eines ist als Beispiel für eine Ausführungsform in Fig. 3 dargestellt. Ein derartiges Rohr, das mit 25 gekennzeichnet ist, besitzt regelmäßige Wellungen, die etwa sinusförmig ausgebildet sind und abwechselnde Krümmungen aufweisen mit Kreisbogen A oder B, die an Wendepunkten I ineinanderübergehen.

Es ist vorteilhaft für jeden Kreisbogen einen Zentrumswinkel gleich oder unterhalb von 60° zu verwenden. Dieser Winkelwert von 60° entspricht tatsächlich einer maximalen Schräge von der Tangente an eine Krümmung in bezug auf die Vertikale in diesem Punkt. Diese maximale Schräge bzw. Neigung tritt an den Wendepunkten auf, derart, daß die zur Rohrführung dienenden Stützringe in der Höhenlage vorgesehen sind, die den Wendepunkte¹ entspricht, wobei die Rohre in dieser Höhenlage eine Schräge auf weisen, die eine Annäherung der Rohre aneinander zur Folge hat. nichtsdestoweniger aber vereinbar ist mit der normalen Teilung der Bohrungen in den Rohrbefestigungsplatten 6 und 7.

Bei dem in Fig. 3 gezeigten Beispiel sind zehn Krümmungen vorgesehen, die an Jedem Ende durch eine halbe Krümmung und einem geradlinigen Abschnitt abgeschlossen werden, der Jeweils in eine der Rohrbefestigungsplatten führt .

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Zusätzlich zu der identischen, sinusartigen Form aller Rohre kann man in gewissen Fällen eine allgemeine Krümmung entsprechend einer Zylinderfläche überlagern, wobei sich diese Krümmung von Rohrlage zu Rohrlage ändert. Die Fig. A zeigt in einer horizontalen Projektion die Krümmungen, die den Rohren verliehen sind, die sich auf einen Zylinder mit grössten und auf einen Zylinder mit kleinstem Durchmesser befinden, in dem Fall, daß sinusförmige Krümmungen gemäß Fig. 3 vorhanden sind. Die Abstände der einzelnen Rohre voneinander ist so bemessen, daß er der Umfangsteilung P (Teilung der Bohrungen in den ringförmigen Platten 6 und 7 in Umfangsrichtung) und der radialen Teilung P_p (Abstand der Bohrungen in den gleichen Platten in radialer Richtung) entspricht.

In dem in Fig. 3 gezeigten Beispiel sind die Querebenen, in denen sich die konzentrischen Stützringe der Rohre befinden, schematisch dargestellt und durch das Bezugszeichen 26 gekennzeichnet. Diese Ebenen befinden sich in Höhe der Wendepunkte des Rohres 25. Da die Schräglage der Rohre gegenüber den Stützringen 26 in diesen Punkten am grössten ist, ist die Verlagerung der Rohre unter dem Einfluß einer Temperaturänderung dort praktisch gleich Null.

Die Fig. 5, die einen Horizontalschnitt durch die Ebene eines Etützringes darstellt, zeigt, wie die Rohre festgehalten werden und gestattet es, das Montageverfahren gemäß der vorliegenden Erfindung zu erläutern.

Man sieht, daß der äußere Ring O und der innere Ring 9 zwischen sich den Ringraum 10 einschließen. In diesem Ringraum befindet sich ein erster Stützring 26a, an dem in regelmäßigen Abständen Querstege 27 angeschweißt sind. Der Stützring 26a wird in einem geeigneten Abstand vom äußeren Ring 8 durch Distanzklötze 28 gehalten, die am äußeren Ring 8 vorher angeschweißt /orden sind und an die anschließend auch der Stützring 26a ^geschweißt wird. Es werden dann die Vorwärmerrohre 12 gegen

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den Stützring 26a und zwischen die Querstege 27 eingelegt und zwar gleichzeitig gegen die entsprechenden Stützringe und Querstege, die sich in den verschiedenen Horizontalebenen befinden. Beispielsweise kann in Urafangsrichtung der Abstand zwischen den Querstegen .27 so gewählt sein, daß zwischen zwei aufeinanderfolgenden Querstegen fünf Rohre angeordnet werden können. Die Distanzklötze 28 sind dazu bestimmt, den Durchtrittsquerschnitt in dem Ringraum des Vorwärmers so zu bemessen, daß die optimale Durchflußgeschwindigkeit erreicht wird.

Anschließend wird der Stützring 26b eingebaut durch Verschweißen mit den Querstegen 27 des vorangegangenen Stützringes, derart, daß die Rohre 12 nun zwischen den beiden konzentrischen Stützringen eingeschlossen sind.

Jenseits des inneren Ringes 9 fährt man nach und nach fort, wie es vorstehend erwähnt ist, indem man von aussen nach innen fortschreitet, d.h.:

Es wird der Stützring 26c eingebracht, an dem Querstege festgeschweißt sind,

man baut die Rohre 25 zwischen diese Querstege ein, man setzt den Stützring 26d in seine entsprechende Lage und verschweißt ihn mit den Querstegen 27 des vorhergehenden Stützringes 26c und so fort.

Wie die Fig. 8 zeigt, sind die Querstege 27 gegenüber der Horizontalebene des Stützringes 26 geneigt, und zwar mit dem gleichen Winkel, den die Rohre in diesem Höhenniveau gegenüber der Vertikalen aufweisen.

Schließlich ist das ringförmige Rohrbündel zum Zwecke der Reparatur oder der Auswechslung von beschädigten Rohren oder selbst zur Auswechslung des RohrbUndels nur durch den Schacht 16 zugänglich.

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Die Möglichkeit derartige Reparaturen vorzunehmen, bildet einen beträchtlichen Vorteil, wenn man die hohen Kosten solcher beachtlicher Geräte in Betracht zieht.

Die Bauform des erfindungsgeraäßen Dampferzeugers bietet weitere Vorteile, wenn die Leistung sehr hoch ist. Er kann beispielsweise für Leistungen in der Größenordnung von 300, 600 Megawatt oder selbst mehr ausgelegt sein, denn obwohl der erfindungsgemäße Dampferzeuger ein Maximum an Sicherheit und ein gutartiges Verhalten in bezug auf thermische Fehler aufweist, bietet er nichtsdestoweniger alle Eingriffsmöglichkeiten, um einen einwandfreien Betriebszustand aufrechtzuerhalten, und dies mit einem Minimum an Bedienungsvorgängen.

Statt im Querschnitt rechtwinklige Köpfe vorzusehen, wie sie in Fig. 1 mit 2 und 3 gekennzeichnet sind, kann man auch halbkugelige Köpfe gemäß Fig. 7 vorsehen.

Ein halbkugeliger Kopf 30 hat den Vorteil, daß er eine leichtere Konstruktion erlaubt, bei der man eine geringere Dicke der Wandung 31 benutzen kann. Er hat jedoch den Nachteil, daß ein leichter Zugang zu den die beiden ringförmigen Platten, von denen eine dargestellt und mit 6¹ bezeichnet ist, durchquerenden Rohrbündeln nicht mehr möglich ist, um einen eventuellen Austausch der Rohre vorzunehmen.

Wie gut verständlich ist, bildet der halbkugelige Kopf eine ringförmige Kammer 2'a, die von einem Kanal 2'b für das Abströmen des Dampfes durchquert wird.

Eine andere Ausführungsform für die Montage der Rohre zwischen den Stützringen 1st in Fig. 8 dargestellt, wo zum Zwecke der Vereinfachung nur drei konzentrische Lagen von Rohren 32,32' und 32" dargestellt sind, die durch vier Stützringe 33i3A, 35 und 36 gehalten werden, von denen der äußere Stützring den grössten Durchmesser aufweist und mit dem äußeren Mantel 1

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des Wärmetauschers verschweißt ist, während der innere Stützring 36 den kleinsten Durchmesser aufweist und auf die Wand 15 des zentralen, zylindrischen Schachtes 16 aufgeschweißt ist. Der äußere StUtzrlng 33 besitzt an seiner inneren Fläche Nuten, wie z.B. 37, 37', 37" und so weiter, die die Form von zylindrischen Schalen aufweisen, während der innere Stützring 36 entsprechende Nuten 38, 38', 38" usw. an seiner Aussenfläche besitzt und wobei die dazwischen liegenden Stützringe 34 und 35 ähnliche zylindrische Nuten an beiden Seitenflächen aufweisen, wo sie mit 39, 39', 39"; 40, 40', 40"; 41, 41', 41" und 42, 42', 42" usw. bezeichnet sind. Diese zylindrischen Nuten weisen einen etwas größeren Durchmesser auf als den Rohrdurchmesser und die Stützringe sind untereinander durch radial verlaufende Querstege ausgesteift, die mit ihnen verschweißt sind und mit 43, 43', 44, 44', 45, 45' bezeichnet sind, deren Länge derart bemessen ist, daß zwischen den Stutzringen und den Rohren ein minimales Spiel möglich ist, um die Rohre so zu halten, daß Vibrationen verhindert werden.

Wenn die Stutzebenen P, P', P" usw., in denen die Stützringe 33 - 36 angeordnet sind, wie oben beschrieben an den Stellen der Wendepunkte der Rohre angeordnet sind, müssen die Nuten 37 - 42 schräg angeordnet sein, was eine Erschwerung darstellt, die durch ein anderes Montageverfahren vermieden werden kann, das nachfolgend noch beschrieben wird.

Bei der Ausführungsform nach den Fig. 9 und 10 sind die einzelnen Lagen der Rohre 32, 32', 32" nicht direkt zwischen den Stutzringen befestigt. Diese Stützringe werden von flachen gekrümmten Bändern gebildet, die eine Dicke in der Größenordnung von 3 mm und eine Breite von 3 - 4 cm aufweisen, wobei der äußere Stützring 46 und der innere Stützring 49 wie bei dem vorhergehenden AusfUhrungsbeispiel mit dem zylindrischen Mantel 1 bzw. mit der Wand 15 des zentralen Schachtes verschweißt sind. Zwischen beiden Stutzringen, die dazu bestimmt sind, eine ringförmige Lage von Rohren festzuhalten, sind rohrförmige Querstege, wie z.B. 50, 50·, 50" usw,

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angeordnet, die durch entsprechende Verformung und Verschweißung von Stahlblechstreifen mit großer Länge und einer Dicke in der Größenordnung von 1 - 2 mm gebildet werden und anschließend in der gewünschten Länge (Fig.10) abgeschnitten werden. Diese Querstege besitzen seitliche, konkave Auflageflächen, die leicht konvergieren und zwei benachbarte Querstege jeder Reihe sind jeweils abwechselnd verkehrt zueinander derart angeordnet, daß sie eine Aufnahme für das zwischen sie einzufügende Rohr bilden, und wie obenerwähnt, ein geringes Spiel ermöglichen. Diese Querstege besitzen äußere und innere konvexe Stirnseiten, mit deren Scheitelpunkten 51, 51', 51" bzw. 52,.52', 52» sie an zwei Stützringen verschweißt sind, von denen sie eingeschlossen werden. Um die Montage dieser rohrförmigen Querstege zu erleichtern, sind sie abwechselnd mit ihren breiten konvexen Stirnflächen am äußeren oder am inneren Stützring des sie einschließenden Stützringpaares festgeschweißt. Beispielsweise sind die Querstege 50, 50", 50 mit ihren äußeren breiten, konvexen Stirnflächen am Stützring 46 festgeschweißt, während die Querstege 50', 50¹¹', 50^V mit ihren breiten Stirnflächen nach innen gewandt sind und dort am inneren Stützring 47 verschweißt sind. Es ist auch möglich, die Querstege mit den Stützringen zu verschweißen, bevor sie in das Gerät eingebaut werden. Ist jedoch der innere Stutzring 47 einmal

V " eingebaut, werden die Querstege 50', 50'·', 50 in gleicher

V/eise bei 52·, 52"', 52^V mit dem Stützring verschweißt. Nimmt man an, daß die Verbindung zweier benachbarter Stützringe jeweils nur durch jeden zweiten Quersteg erfolgt, d.h. durch diejenigen Querstege, die mit beiden benachbarten Stützringen verschweißt sind, so können die anderen Querstege, die nur mit dem inneren Stützring eines Stützringpaares verbunden sind, aus einem dünneren Blech von beispielsweise 1 nun Dicke und von größerer Biegsamkeit und Elastizität geformt sein, wodurch sie leichter verformbar sind, um insbesondere größere Toleranzen hinsichtlich des Rohrdurchmes-3ers bei deren Herstellung zu ermöglichen.

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Bei einer anderen, Gegenstand der Erfindung bildenden Verbesserung können die Stützringe durch flexible, geradlinige Elemente gebildet sein, beispielsweise durch sechs solcher Elemente pro Stützring, die mit ihren Enden ineinandergefügt sind und die hierfür entsprechend ausgebildet sind, wobei sie gekrümmt und miteinander verschweißt sind, bevor sie im Inneren des Apparates positioniert werden.

Um die Stabilität der Anordnung zu verbessern, kann der innere Stützring, der mit der Wand 15 des zentralen Schachtes verschweißt ist, eine Dicke aufweisen, die etwas größer ist als die der zwischen dem äußersten Stützring und dem innersten Stützring angeordneten Zwischenringe, die gegebenenfalls durch Zusammenfügung flacher, flexibler Elemente gebildet sein können.

Diese Ausführungsform des Rohrbündels ist insbesondere vorteilhaft für Wärmetauscher, bei denen das in der ringförmigen Wärmetauscherkammer längs und um die Rohre zirkulierende Strömungsmittel eine hohe Durchflußleistung besitzt, denn der Durchtrittsquerschnitt dieser ringförmigen Kammer wird verhältnismäßig wenig durch dünne und flache Stützringe verringert und durch dünne rohrförmige Querstege, weshalb man dadurch erreicht, daß die Durchtrittsgeschwindigkeit des Strömungsmittels für eine gegebene Durchflußleistung insgesamt um 30 - 50 % höher ist gegenüber der vorherrschenden Geschwindigkeit des gleichen Strömungsmittels durch einen Querschnitt, der nicht von Rohren belegt ist. Dieser Gewinn ist insbesondere beachtlich gegenüber der herkömmlichen Anordnung, bei der die Rohre des Rohrbündels den gesamten Querschnitt des Wärmetauschers einnehmen und in perforierten Platten befestigt sind, bei welcher Anordnung die Durchströmgeschwindigkeit des Strömungsmittels durch diese Hindernisse mehr als doppelt so groß ist gegenüber der Geschwindigkeit, die das Strömungsmittel bei gleicher Durchflußleistung aufweisen würde, wenn es durch einen nur von Rohren belegten Querschnitt strömen würde.

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In Verbindung mit Fig. 8 ist noch zu bemerken, daß in dem Fall, in dem sich die Ebenen der Stützringe in Höhe der V/endepunkte der wellenförmigen Rohre befinden, die rohrförmigen Querstege 50 gegenüber der vertikalen Richtung schräg angeordnet sein müssen, wie dies auch aus Fig. 10 hervorgeht, wie auch die verformten Rohre, aus denen sie gebildet werden, schräg abgeschnitten werden müssen. Nach einem anderen Montageverfahren der wellenförmigen Rohre des Rohrbündels, wie sie schematisch aus Fig. 11 ersichtlich ist, werden die Rohre 6 nicht mehr in den Ebenen festgehalten, die sich in Höhe ihrer Wendepunkte befinden, sondern in Höhe derjenigen Ebenen P₁, Pp, Pt usw., die sich in Höhe der Scheitelpunkte der Krümmungen 53, 53'» 53" bzw. 54, 54' und 54" usw. befinden, wobei diese Krümmungen durch Kreisbogen mit Zentrumswinkeln von 60° gebildet werden. Um eine freie Dehnung der Rohre in Längsrichtung zu ermöglichen, befinden sich in diesem Falle die Stützebenen in Höhe der Scheitelpunkte 53, 54', 53'^l! der sich auf zwei gegenüberliegenden Seiten der Achse der Sinusform sich befindenden Krümmungen, während die zwischen den vorstehend erwähnten Scheitelpunkten befindlichen Krümmungen, wie z.B. 54 und 53' frei sind und sich die Längsdehnung der Rohre durch Vergrößerung ihrer Pfeilhöhe ermöglichen läßt. Um geradlinige Querstege benutzen zu können, wie sie in Fig. 13 gezeigt sind, sind die Abschnitte der Rohre, die die Scheitelpunkte der Wellen 55, 55', 55*' und so weiter zwischen den Krümmungen geradlinig ausgeführt, und zwar über eine Höhe von 3 - 4 cm, die der Höhe der Stützringe, wie z.B. 56 und der rohrförmigen Querstege 57, 57', 57" usw. entspricht, wobei auch die Enden dieser Querstege rechtwinklig zu ihren Achsen abgeschnitten werden können.

Nach einer in Fig. 12 dargestellten Abwandlung können die Halteringe sich auch in allen Ebenen der Scheitelpunkte der Wellenform der Rohre befinden, von denen Jeweils eine Gruppe von Scheitelpunkten, wie z.B. P¹^₁ P^f ₂ auf der gleichen Seite befinden, wie die geradlinigen eingespannten Abschnitte 59,60.

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Diese Anordnung verbessert die Widerstandsfähigkeit der Rohre gegenüber Vibrationen, die durch eine Torsion der Rohre entstehen könnten, ohne die durch Dehnung entstehenden Spannungen zu erhöhen, weil sich die Rohre in den beiden Halbwellenabschnitten verformen können, die sich jeweils zu beiden Seiten der unbeweglichen Scheitelpunkte befinden.

Man kann die allgemeine Krümmung der Wellenform der Rohre verringern, indem man diejenige Krümmung verstärkt, die sich in denjenigen Abschnitten der Rohre befindet, die dem HaIbwellenabschnitt 58 entspricht, der dem oberen Endstück 59 und/ oder dem unteren Endstück 60 des Rohres vorangeht, das in den ringförmigen Platten 6 bzw. 7 der Köpfe 2 bzw. 3 der Vorrichtung eingefügt oder befestigt ist. Beispielsweise kann dieser letzte Halbwellenabschnitt einen Zentruuswinkel von 45° besitzen, während alle anderen Wellenkrümmungen einen Zentrumswinkel von 30° aufweisen.

Nach einem anderen Merkmal der Erfindung, das ebenfalls aus Fig. 11 ersichtlich ist, können die geradlinigen Enden 59,60 des Rohres 32, die in die Platten 6 bzw. 7 eingespannt oder an deren inneren Stirnflächen befestigt sind, zueinander in senkrechter Richtung ausgerichtet sein. Aufgrund dieser Anordnung erweist sich die Montage der Rohre in der Vorrichtung als wesentlich bequemer. Tatsächlich kann jedes Rohr zunächst in seiner Ebene radial ausgerichtet sein, und nachdem die Enden die Rohre in die entsprechenden Bohrungen der Platten 6 bzw. 7 eingefügt sind, kann das Rohr um die Achse 59-60 gedreht werden, um es in die Lage zu bringen, in der es sich in seine zugehörige ringförmige Rohrlage einfügt und in der es dann unbeweglich festgehalten wird.

Nach einer weiteren Abwandlung können die Rohre der ringförmigen Lagen nacheinander in der Weise angeordnet werden, daß sie sich an ihren Wendepunkten kreuzen, was die Festigkeit der Anordnung verbessert und einen gewissen Vorteil hinsichtlich der Wärmeübertragung bietet.

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Die wellenförmigen Rohre, die Stützringe und die rohrförmigen Querstege werden vorzugsweise aus dem gleichen Metall hergestellt, beispielsweise aus nicht oxydierendem Stahl, derart, daß die gesamte Anordnung eine große Gleichförmigkeit besitzt.

Ein praktisch bedeutsames Merkmal besteht in der Wahl des Abstandes zwischen den Rohrachsen der gleichen kreisförmigen Rohrlage, d.h. hinsichtlich der Umfängsteilung und hinsichtlich des Abstandes der Achsen zweier benachbarter kreisförmiger Rohrlagen, d.h. hinsichtlich der Radialteilung. Wenn die Radialteilung mit p_ bezeichnet wird und p_ die Umfangsteilung bezeichnet, wie dies aus Fig. 15 ersichtlich ist, und wenn η die Zunahme der Röhrenzahl von einer Rohrlage zur nächsten in einem von innen nach aussen fortschreitenden Sinn bezeichnet, so kann man folgende Beziehung aufstellen:

_r = η p_c
weil jede Rohrlage gegenüber der vorhergehenden Rohrlage eine Zunahme der Umfangslänge von 2-1Tp besitzt (d.h.

2U - mal die Radiuszunähme). Daraus ergibt sich für beide Teilungen

P_r ^

Wenn für η ein Wert gleich 6 gegeben ist, sind die beiden Teilungen im wesentlichen gleich und man erhält eine Anordnung annähernd in der in Fig. 8 gezeigten Weise, die einen minimalen Wert der Radialteilung und gleichzeitig einer guten Durchflußverteilung des Strömungsmittels zwischen den Rohren entspricht. Man kann auf diese Weise die Anzahl der Rohre von einer Rohrlage zur folgenden um den gleichen Wert erhöhen, was die Gestaltung der Vorrichtung beträchtlich vereinfacht.

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Die Fig. 16 zeigt eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Wärmetauschers entsprechend einer besonderen sehr wichtigen Anwendung, bei der das wärmeabführende Strömungsmittel ein flüssiges Metall, wie z.B. Natrium ist.Da der Dampfdruck des flüssigen Natriums vernachlässigbar ist, selbst bei hohen Temperaturen, kann seine Einleitung in den Dampferzeuger bei einer Temperatur in der Größenordnung von 500 - 55O⁰C unter schwachem Druck erfolgen. Überdies kann man, weil der Oberflächenleitwert eines flüssigen Metalls, insbesondere von Natrium größer ist als der von unter Druck stehendem heißen Wasser, die Zirkulationsgeschwindigkeit innerhalb des Wärmetauschers verringern, beispielsweise auf 1,5-2 m/sec anstelle von 5 m/sec bei Druckwasser. Unter diesen Bedingungen ist es vorteilhaft, das flüssige Natrium in dem Ringraum des Wärmetauschers zwischen und längs den Rohren strömen zu lassen, wo aufgrund der oben beschriebenen Anordnung der Stützringe und der rohrförmigen Querstege ein sehr großer Durchströmquerschnitt zur Verfügung steht, während man das zu verdampfende Wasser in den Rohren zirkulieren läßt, was es erlaubt, hinsichtlich des unter hohem Druck und starker Überhitzung stehenden Dampfes bessere Sicherheitsbedingungen zu schaffen. Aufgrund des geringen Druckes des Natriums weisen die zylindrischen, die ringförmige Wärmetauscherkammer umschließenden Wände eine massige Dicke auf.

überdies erlaubt es die relativ geringe Zirkulationsgeschwindigkeit des flüssigen Natriums wie auch die Verringerung der Druckverluste aufgrund des großen gebotenen Durchströmquerschnittes, die Größe der Natriumpumpen zu verringern, die äußeret kostspielige Geräte darstellen.

Der mit flüssigem Natrium betriebene und in Fig. 16 darge stellte Dampferzeuger wird von einer äußeren zylindrischen Wand 62 gebildet, die in ihrem oberen Abschnitt und in ihrem unteren Abschnitt zylindrische Wülste 63, 64 besitzt, die fest mit zylindrischen, ringförmigen Köpfen 65,66 verbunden

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sind, an deren ringförmigen Böden 67,68 die wellenförmigen Rohre des ringförmigen Rohrbündels 69 eingesetzt oder befestigt sind, wobei das Rohrbündel 69 in der oben beschriebenen Weise durch konzentrische Stützringe und zwischen diesen eingefügte Querstege in Ebenen P, P¹, P" usw. gehalten wird. Diese Stützeinrichtungen sind, wie oben bereits erwähnt, einerseits an der Wand eines zentralen Schachtes 82 und andererseits in einem mittleren Abschnitt des Gerätes an der zylindrischen Mantelfläche 62 befestigt, sowie im Bereich der Wülste 63, 64 dieser Mantelfläche an zwei Ringen 70,71, die in diese Wülste eingesetzt sind und Verlängerungen der Mantelfläche 62 darstellen und in ihrer Höhe so bemessen sind, daß sie bis zu einem Strömungsraum 72 reichen, der so ausgebildet ist, daß er dem flüssigen Natrium den Eintritt in die ringförmige Wärmetauscherkammer ermöglicht, wenn es in das Gerät durch einen Rohrstutzen 74 eingeleitet wird, der sich am oberen Wulst 63 befindet und bis zu einem Strömungsraum 73, durch den das die Wärmetauscherkammer verlassende Natrium über den Rohrstutzen 75 abgeleitet werden kann, der sich am unteren Wulst 64 befindet. Das zu verdampfende V/asser wird in den unteren Kopf 66 durch einen Rohrstutzen 76 eingeleitet und der unter hohem Druck stehende Dampf wird durch einen Rohrstutzen 77 am oberen Kopf 65 abgeleitet. Die Ringe 70 und dienen als Führungsplanken, die das Natrium bei seinem Eintritt in den ringförmigen Wärmetauscher und bei seinem Austritt aus diesem Ringraum leiten.

Die Tatsache, daß die ringförmigen Platten 67,68, an denen die Rohre des Rohrbündels befestigt sind, den Boden der rohrartigen Köpfe 65,66 bilden, schützt sie vor allen Deformationen, weil sie sowohl an ihrem Umfang als auch in ihrem Zentrum durch die zylindrischen äußeren und inneren Wände dieser Köpfe gehalten werden. Aufgrund dieser Anordnung ist es möglich, den ringförmigen Platten 67,68 eine relativ geringe Dicke zu geben, und trotzdem ihre mechanische Festigkeit zu gewährleisten.

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Die zentralen rohrförmigen Kanäle 78, 79 der Köpfe 65,66 werden durch Deckel 80,81 abgeschlossen, die in dem Notfall den Zutritt zum Inneren der Vorrichtung ermöglichen.

Die gewählte Anordnung erlaubt es, die Unfallgefahren maximal zu verringern, die dadurch gegeben sind, daß durch Lecks das Natrium mit Wasser in Berührung gelangt, denn der durch den dadurch freigesetzten Wasserstoff erzeugte Überdruck wird zumindest teilweise durch das Volumen des zentralen Schachtes aufgenommen, überdies sind in den oberen und unteren Deckeln 80,81 und im Abschlußdeckel 83 des zentralen Schachtes 82 Bruchscheiben vorgesehen, um eine Entleerung im Falle eines Überdruckes zu ermöglichen.

Zusammenfassend läßt sich sagen, daß der erfindungsgemäß ausgebildete Wärmetauscher ein Erzeugnis darstellt, das die nachfolgend aufgezählten Vorteile besitzt, die teilweise einzeln bei den verschiedenen bekannten Wärmetauschern bekannt sind, wie sie eingangs der vorliegenden Beschreibung erwähnt worden sind, und von denen ein anderer Teil, der bedeutsamere, vollständig neu ist:

1. Die Zugänglichkeit des zentralen Teils der Vorrichtung über d? gesamte Höhe erleichtert die Montage des Rohrbündels und erlaubt Reparaturen und Austausch von Rohren an der Einsatzstelle ohne die äußere Konstruktion der Vorrichtung zu berühren.

2. Die komplette Fertigstellung der äußeren schweren Konstruktio der Vorrichtung (Zusammenbau, Montage, Schweißarbeiten und Aussteifung der äußeren Hülle und der oberen und unteren Köpfe) vor der Montage des ringförmigen Rohrbündels, dessen Eigenschaften nicht mehr durch die GlUhbehandlung der schweren Konstruktion beeinflußt werden, die erforderlich ist, um innere Spannungen abzubauen, die sich durch das Schweißen der Einzelteile dieser Konstruktion ergeben haben.

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3. Die Möglichkeit, wellenförmige Rohre zu verwenden, verringert die thermischen Biegespannungen dieser Rohre auf einen festen Sicherheitswert, der abhängig ist von der maximalen, möglicherweise auftretenden Temperaturdifferenz zwischen den Rohren und dem äußeren Mantel.

4. Verringerung der perforierten Platten, in denen die Enden

der Rohre eingebettet sind um etwa 30 - 40 % infolge der Einfügung zwischen dem äußeren zylindrischen Teil und dem inneren zentralen rohrförmigen Teil des oberen bzw. des unteren Kopfes der Vorrichtung, wobei diese Verringerung der Dicke der Platten den Wert des Temperaturgradienten in diesen Platten verringert und damit auch die thermischen Spannungen. Überdies wird die Temperaturdifferenz zwischen den beiden Stirnseiten der unteren Platte verringert, deren obere Stirnfläche sich in Berührung mit bereits vorgeheiztem Wasser befindet.

5. Das kalte, zu verdampfende V/asser durchströmt den Vorwärmer zwischen zwei ringförmigen Wänden geringer Dicke, wodurch der Vorwärmer so begrenzt wird, daß die Temperaturen der beiden Seiten dieser ringförmigen Fläche rasch den gleichen Wert annimmt.

6. Die Vorrichtung erzeugt direkt überhitzten Dampf ohne irgendwelche zusätzlichen Einrichtungen.

7. Der überhitzte Dampf verläßt die Vorrichtung durch einen axialen Ausgang im oberen Kopf, was die Konstruktion des äußeren Mantels vereinfacht, der eine einfache zylindrische und weniger sperrige Form erhält.

8. Aufgrund der Vergrößerung des Durchtrittsquerschnittes für das ausserhalb des Rohres zirkulierende Strömungsmittel in der ringförmigen Wärmetauecherkammer werden die Durchströmverluste verringert.

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9. Eine spürbare Verbesserung der Wirtschaftlichkeit hinsichtlich des verwendeten Materials wird dadurch erreicht, daß es nicht mehr notwendig ist, INCONEL zu verwenden.

Schließlich wird noch eine beträchtliche Verbesserung der Wirtschaftlichkeit auf dem Gebiet der verwendeten Apparate für die Regelung und Steuerung erreicht.

PatentansOrüche:

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Claims (21)

1. Patentenwall 1622-23

   Dipl-Ing. H. Lamprecht

   ^München 5 -29- 2308317

   Corneliusstrafie 42

   Ansprüche :

   (1. Hfärmetauscher großer Abmessung und insbesondere anwendbar für hohe Temperaturen und Drücke, insbesondere bei Dampferzeugern, bei denen das primäre Strömungsmittel durch ein kühlendes Strömungsmittel eines Kernreaktors gebildet wird, dadurch gekennzeichnet, daß eine äußere, schwere Struktur durch einen äußeren zylindrischen Mantel (1) gebildet wird, der mit seinen Enden an einem ringförmigen Einströmkopf (2) und einem ringförmigen Ausströmkopf (3) für eines der Strömungsmittel befestigt ist, daß die inneren Böden (6,7) dieser Köpfe perforiert sind, wobei die Elemente (1,2,3) dieser Struktur vorab zusammengefügt, verschweißt und stabilisiert worden sind, daß eine innere leichte Struktur anschließend in dieser schweren Struktur montiert ist und aus Rohren (12,25; 32,32»,32") besteht, die mit ihren Enden in die Perforationen dieser Böden (6,7) eingesetzt und in konzentrischen Lagen in Form eines ringförmigen Rohrbündels angeordnet sind, das einen breiten zentralen Kanal umschließt, der durch zylindrische, axiale Öffnungen (2b,3b) in den ringförmigen Köpfen zur Montage der Rohre beginnend mit der äußersten Umfangslage in Nachbarschaft des äußeren Mantels zugänglich ist, daß die konzentrischen Rohrlagen in mehreren Querebenen (P₁, P₂, P·*... P,P¹,P" ...) durch konzentrisch angeordnete Gruppen von Stützringen (26a,26b,26c,26d; 46,47,48,49; 56) gehalten werden, die zwischen den Rohrlagen angeordnet und untereinander durch radiale, in regelmäßiger Teilung aufeinanderfolgend eingeschweißte Querstege (27; 43,44,45; 50; 57) untereinander befestigt sind, daß eine Y/ärmetauscherkammer vorgesehen ist, die sich zwischen dem äußeren zylindrischen Mantel und einem breiten zentralen Schacht (16,82) befindet, der sich im wesentlichen über die gesamte Höhe des Rohrbündels erstreckt und nach diesem eingebaut ist, wobei dieser Schacht aus dünnem Blech besteht, derart, daß er zerstörbar ist, um für die Durchführung von Reparaturen oder den Austausch von Rohren Zutritt zum Rohrbündel zu gestatten.

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2. 2. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

   daß in jeder der Querebenen, in der die Rohre festgehalten werden, der äußerste Stützring mit grösstem Durchmesser mit dem äußeren, zylindrischen Mantel (1) verschweißt ist, während der innere Stützring mit geringstem Durchmesser an der Wandung (15) des zentralen Schachtes (16, 82) befestigt ist.
3. 3. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohrbündel durch identische Rohre gebildet wird, die über wenigstens einen Teil ihrer Länge wellenförmig ausgebildet sind, derart, daß sie eine annähernd sinusförmige Gestalt mit jeweils entgegengesetzt verlaufenden, kreisbogenartigen Krümmungen aufweisen, wobei der Krümmungswinkel gleich oder kleiner ist als 60°.
4. 4. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 3» dadurch gekennzeichnet, daß die Stützringe für die wellenförmigen Rohre in Ebenen angeordnet sind, die sich in Höhe der V/endepunkte (B) der Rohre befinden.
5. 5. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 3» dadurch gekennzeichnet, daß sich die Ebenen der Stützringe, in Höhe der Scheitelpunkte der Wellenform der Rohre befinden, und daß die Rohre vorzugsweise über eine geringe Länge, beispielsweise in der Größenordnung von 3-4 cm, an ihren Scheitelpunkten geradlinig verlaufen, und daß die Stützringe in Höhe der Scheitel gewisser wellenförmiger Krümmungen angeordnet sind, die sich auch in bezug auf die Achse der annähernd sinusförmigen Welle auf gegenüberliegenden Seiten befinden, oder aber an allen Scheitelpunkten der Wellenform.
6. 6. Wärmetauscher nach Anspruch 5_f dadurch gekennzeichnet, daß die geradlinigen Enden eines jeden Rohres, die an den ringförmigen Platten (6,7) befestigt sind, zueinander ausgerichtet sind und insbesondere im Falle eines vertikalen Rohrbündels zueinander lotrecht angeordnet sind.

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7. 7. Wärmetauscher nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Krümmung der wellenförmigen Rohre in der Halbwelle stärker ist, die dem geradlinigen Ende vorangeht, das am oberen Ende und eventuell am unteren Ende eingespannt ist.
8. 8. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 3-7, dadurch gekennzeichnet, daß die wellenförmigen Rohre aufeinanderfolgender ringförmiger Lagen sich beispielsweise in Höhe ihrer V/endepunkte kreuzen.
9. 9. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl der Rohre sich von Lage zu Lage nach aussen fortschreitend um sechs erhöht, so daß die Umfangsteilung der Rohre, d.h. die Bogenlänge zwischen den Achsen benachbarter Rohre der gleichen Lage, im wesentlichen gleich ist der radialen Teilung, d.h.dem Abstand zwischen den Achsen benachbarter Rohre benachbarter Lagen.
10. 10. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß beim Aufbau des Rohrbündels die Querstege zunächst an der Innenseite des jeweils benachbarten äußeren Halteringes angebracht worden sind, worauf nach dem Einfügen der Rohre zwischen die am äußeren Stützring befestigten Querstege der innere Stützring mit den nach innen weisenden Stirnflächen der Querstege verschweißt worden ist.
11. 11. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in den gekrümmten Seitenflächen Nuten in Form von Zylinder-

    _o Segmenten angebracht sind, deren Durchmesser etwas größer ist *f* wie der Rohrdurchmesser.
    oo

    ^,
12. 12. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ^ die Stützringe für die Rohre flach geformt sind und *° daß zv/ischen benachbarten Rohren einer jeden kreisförmigen

    cn Rohrlage in jeder Ilalteebene zwischen den konzentrischen Stiitzrin^en jeweils rohrförmige Querstege (50,57) angeordnet sind, die aus dünnem Blech mit einer Dicke von etwa 1 - 2 mm bestehen und die konkave Seitenflächen aufweisen, während sie ;iit iliren 'Heeren wul inneren Stlrn.rU5r.Vien mit den b

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    - 32 benachbarten Stützringen verschweißt sind.
13. 13. Wärmetauscher nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die rohrförmigen Querstege (50,57) eine relativ breite Stirnfläche oder Basis besitzen, an die sich konkave Seitenwände anschließen, die gegen eine konvexe, schmälere Stirnfläche leicht konvergieren, wobei aufeinanderfolgende Querstege Jeweils in umgekehrter Lage abwechselnd mit ihren breiteren bzw. schmäleren konvexen Stirnflächen mit den Stützringen für die Rohre verschweißt sind.
14. 14. V/ärmetauscher nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die zwischen zwei benachbarten Stützringen angeordneten, rohrförmigen Querstege abwechselnd entweder mit beiden Stützringen und die dazwischen liegenden nur mit einem der beiden Stützringe verschweißt sind, wobei die letzteren aus schwächerein Blech derart angefertigt sind, daß sie beim Einsetzen der Rohre verformbar sind.
15. 15. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stützringe für die Rohre aus geradlinigen, flexiblen Elementen bestehen, z.B. aus sechs Elementen, die vorab mit ihren Querstegen ausgerüstet sind und sich mit ihren Enden überlappen und die bei der Hontage im Inneren des Wärmetauschers gekrümmt und miteinander verschweißt worden sind, wobei diese Elemente beispielsweise aus flachen Rändern mit einer Dicke in der Größenordnung von 3 mm bestehen.
16. 16. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß der innere Stützring mit kleinstem Durchmesser eine Dicke aufweist, die etwas größer ist als ^ene der anderen StUtzringe.

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17. 17. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stützringe und die Querstege aus dem gleichen Metall bestehen, wie die Rohre des ringförmigen Rohrbündel ε.
18. 18. Wärmetauscher nach Anspruch 1, insbesondere für eine Anwendung, bei der das primäre, wärmeabführende Strömungsmittel unter Druck stehendes heißes Wasser ist und zur Kühlung eines Kernreaktors dient sowie von oben nach unten durch das ringförmige Rohrbündel strömt, dadurch gekennzeichnet, daß der zentrale Schacht (16,82) mit einem gewissen Abstand unterhalb des oberen ringförmigen Kopfes (2) endet, derart, daß der durch die Verdampfung des von unten nach oben in Kontakt mit den Rohren zirkulierenden Sekundärwassers erzeugte Dampf durch die axiale, zylindrische Öffnung (2b) des oberen Kopfes entweichen kann, wobei die Höhe des Rohrbündels ausreichend ist, um überhitzten Dampf zu erzeugen und wobei der zentrale Schacht an seinem oberen Ende abgeschlossen und durchbrochen ist, derart, daß sich die Drücke auf beiden Seiten des Schachtes im wesentlichen ausgleichen können oder ein geringer überdruck im Inneren des Schachtes herrscht.
19. 19. Wärmetauscher nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß er in der Nachbarschaft des Uinfanges des ringförmigen Rohrbündels eine doppelte, konzentrische Ringanordnung (8,9) besitzt, wobei der innere Ring (9) mit der ringförmigen, die Rohre tragenden oberen Platte verbunden ist, während der äußere Ring (8) in einem gewissen Ab-

    _ω stand von dieser Platte (6) endet, daß der untere Ab- <=» schnitt des zwischen den beiden Ringen gebildeten Ring-

    c» raumes (10) durch einen Kranz (11) abgeschlossen ist, ^ derart, daß das in diesen Ringraum in seinem unteren Ab- ^ schnitt eingeleitete Sekundärwasser die Rohre den Rohres

    cd bündeis umströmt, die innerhalb dieses Rincraumoc ηηρ:ο-

    υ, ordnet sind und den Kranz durchqueren, wobei dieses SekundSrwü3ßer bei seinem Aufstieg im Goconstrom zu dem durch die Rohra nach unton flioßonden Primarwasoer öl no

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    Vorwärmung erfährt, anschließend zwischen dem äußeren Ring und dem zylindrischen ITantel des Gerätes wieder nach unten strömt und den Mantel erwärmt, worauf das vorgewärmte Sekundärwasser unterhalb der doppelten Ringanordnung seine Richtung wechselt und innerhalb der Verdampfungskammer zwischen dem inneren Ring (9) und . dem zentralen Schacht (16) nach oben strömt.
20. 20. Wärmetauscher nach Anspruch 1., insbesondere ververdbar als Dampferzeuger, bei dem das wänneabführende Strömungsmittel ein flüssiges Metall, wie z.B. Natrium ist, dadurch gekennzeichnet, daß der zylindrische Mantel (62) des Wärmetauschers in der Nähe seines oberen Endes einen Anschlußstutzen (74) für das Einströmen und in der Nähe seines unteren Endes einen Stutzen (75) für das Ausströmen des flüssigen Natriums besitzt, das innerhalb der ringförmigen Wärmetauscherkammer längs der Rohre strömt, während das zu verdampfende Wasser in die Rohre des Rohrbündels an dessen unterem Ende eingeleitet und aus diesen an seinem oberen Ende ausgeleitet wird, und zwar durch Rohrstutzen, die in den zylindrischen, die Rohre tragenden Köpfen (66,65) hinter den Bodenplatten (68,67) angeordnet sind, in denen die Enden der Rohre befestigt sind.
21. 21. Wärmetauscher nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß die inneren Kanäle der ringförmigen Köpfe (65,66) wie auch der zentrale Schacht (82) in öffnungen enden, die durch Sollbruchscheiben (80,81,83) abgeschlossen sind, um einen Überdruck auszugleichen, der durch Leckströmungen entstehen kann, durch die ein Kontakt zwischen Natrium und Wasser entsteht.

    309835/0965