DE2308317B2 - Waermetauscher grosser abmessung fuer den betrieb bei hohen temperaturen und druecken - Google Patents
Waermetauscher grosser abmessung fuer den betrieb bei hohen temperaturen und drueckenInfo
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Description
en Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher großer
Abmessung für den Betrieb bei hohen Temperaturen und Drücken, insbesondere als Dampferzeuger, bei
dem das primäre Fluid das Kühlmittel eines Kernre-
aktors ist und bei dem eine äußere schwere Struktur durch einen äußeren zylindrischen Mantel gebildet ist,
dessen Enden an einem Einströmkopf bzw. einem Ausströmkopf befestigt sind und wobei die Böden
dieser Köpfe zur Aufnahme der Enden von etwa sinusförmig
gewellten und in konzentrischen Gruppen angeordneten Wärmetauscherrohren mit Öffnungen
versehen sind, wobei die Wärmetauscherrohre in mehreren Querebenen durch konzentrische Stützringe
gehaltert sind, von denen die inneren Stützringe auf einem zentralen Rohr aufliegen.
Ein Wärmetauscher dieser Art ist durch die US-PS 3336974 bekannt. Bei dieser bekannten Konstruktion
füllen die Wärmetauscherrohre den Querschnitt des Wärmetauschers innerhalb des zylindrischen
Mantels bis auf einen zentralen Raum mit geringem Durchmesser, der von einem Stützrohr eingenommen
wird, praktisch vollständig aus. Eine derartige Konstruktion läßt sich nur dadurch herstellen, daß zunächst
die Wärmetauscherrohre zu einem Rohrbündel zusammengefügt werden, an dessen Ende dann mit
den Wärmetauscherrohren perforierte Endplatten verschweißt werden, worauf schließlich um dieses
vormontierte Rohrbündel die äußere Konstruktion zusammengefügt und verschweißt wird. Die mit den
Rohrenden verschweißten Endplatten weisen eine relativ große Dicke auf, um die mechanischen Belastungen
aufnehmen zu können, denen diese Endplatten unterworfen werden. Da beim Betrieb des Wärmetauschers
zu beiden Seiten dieser Endplatten sehr unterschiedliche Temperaturen auftreten werden, tritt
in den Platten ein starkes Temperaturgefälle auf, das beachtliche thermische Spannungen hervorrufen
kann.
Ein weiterer Nachteil der bekannten Konstruktion besteht darin, daß die äußere schwere Struktur, die
um das Wärmetauscherbündel montiert wird, durch den Zusammenbau, insbesondere durch das Verschweißen
der Einzelteile innere Spannungen erhält, die zweckmäßigerweise durch eine Glühbehandlung
der schweren Struktur beseitigt werden sollten. Diese Glühbehandlung kann aber ihrerseits zu einer unerwünschten
Beeinflussung des bereits fertig montierten Rohrbündels führen, insbesondere ist zu befürchten,
daß die Haltbarkeit der Schweißnähte zwischen den Wärmetauscherrohren und den Endplatten beeinträchtigt
wird. Es muß also bei einer derartigen Konstruktion berücksichtigt werden, daß der fertige Wärmetauscher
noch mit beträchtlichen internen Spannungen behaftet sein wird, die es erforderlich machen,
eine insgesamt relativ schwere, materialintensive und damit teure Konstruktion vorzusehen.
Noch ein weiterer Nachteil der bekannten Konstruktion besteht darin, daß für den Fall, daß das
Rohrbündel erneuert oder repariert werden muß, die aus den äußersten Konstruktionsteilen bestehende
Baugruppe zerstört bzw. zerlegt werden muß, um Zugang zum Rohrbündel zu schaffen, was mit einschließt,
daß der gesamte Wärmetauscher in das Herstellerwerk gebracht wird, wo er schwierigen, langen und
kostspieligen Arbeiten unterworfen werden muß.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Nachteile der bekannten Konstruktion zu überwinden
und einen Wärmetauscher der eingangs erwähnten Art so auszugestalten, daß bei gleichem Bauvolumen
ein insgesamt leichterer, einfacher herzustellender und zu reparierender, einer höheren thermischen Belastung
aussetzbarer Wärmetauscher geschaffen wird,
bei welchem das Bünde! aus Wärmetauscherrohren nach Fertigstellung der äußeren, schweren Struktur
montiert werden kann, also auch nach der zum Abbau von internen Spannungen dienenden Glühbehandlung
der äußeren Struktur, wobei zugleich auch das Rohrbündel ohne Zerstörung der äußeren, schweren
Struktur demontiert, repariert oder ausgetauscht werden kann. Weiterhin soll der erfindungsgemäße Wärmetauscher
derart ausgestaltet sein, daß einerseits eine freie Wärmedehnung der Rohre ermöglicht wird,
während andererseits die Wärmetauscherrohre festgehalten und an Vibration gehindert sein sollen.
Schließlich soll die gesamte Wärmetauscherkonstruktion so beschaffen sein, daß sie weitgehend spannungsfrei
herstellbar ist und die beim Betrieb auftretenden thermischen Spannungen möglichst gering
sind, so daß ohne Sicherheitsrisiko nicht nur hinsichtlich der Materialstärken, sondern auch hinsichtlich der
Materialqualität Einsparungen möglich werden.
Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe besteht darin, daß der Einströmkopf und der Ausströmkopf
jeweils als ein eine ringförmige, geschlossene Kammer umschließendes Gehäuse ausgebildet sind,
das eine innere zylindrische Wand und einen aus einer ringförmigen und zur Aufnahme der Enden der Wärmetauscherrohre
dienenden Lochplatte bestehenden Boden aufweist, wobei von der inneren zylindrischen
Wand ein breiter, zentraler Kanal umschlossen ist, und daß die äußeren Stützringe gegenüber der äußeren,
schweren Struktur durch Schweißung festgelegt und die inneren Stützringe mit dem aus dünnem Blech gebildeten,
einem breiten, zugänglichen Schacht bildenden zentralen Rohr verschweißt sind, während die
konzentrischen Stützringe zwischen den Robren in jeder Querebene untereinander durch rohrförmige
Zwischenstege verbunden sind, die die Stützringe im Abstand zu den Rohren halten und die sich an die
mit ihnen in Berührung stehenden Rohre teilweise anschmiegende konkave Seitenflächen sowie an den
Stützringen anliegende konvexe Basisflächen aufweisen, von denen mindestens eine Basisfläche eines jeden
Zwischenstegs mit einem Stützring verschweißt ist.
Diese Konstruktion bietet den Vorteil, daß zunächst die äußere, schwere Struktur fertiggestellt und
durch thermische Behandlung von Spannungen befreit werden kann, bevor im Inneren dieser schweren
Struktur von außen nach innen fortschreitend die Wärmetauscherrohre und die diesen zugeordneten
Stützringe montiert werden, wobei der breite, zentrale Kanal auch später Zugang zum Rohrbündel schafft,
um beispielsweise in entgegengesetzter Reihenfolge die Rohre und Stützringe wieder abzubauen und gegebenenfalls
durch neue Rohre oder Stützringe auszutauschen. Die Wärmetauscherrohre sind so angebracht,
daß sie sich beiderseits ihrer Stützringe frei verschieben und sich durch Biegung verformen können,
und daß sie trotz großer Zirkulationsgeschwindigkeit eines sie durchströmenden Strömungsmitteis
an einer Vibration gehindert sind. Da durch die erfindungsgemäße Konstruktion die thermischen Spannungen
verringert werden, denen die Rohre unterworfen sind, können diese aus einem dünneren Metall
und in gewissen Fällen aus einem weniger kostspieligen Metall als der in diesem Fall im allgemeinen verwendeten
hochwertigen Legierung hergestellt werden. Die Verringerung der Wandstärke der Rohre
erlaubt es andererseits, den Wärme übertragungsko-
effizienten zwischen den beiden Strömungsmitteln zu verbessern. Die besondere Ausgestaltung des Einström-
und des Ausströmkopfes in Form einer ringförmigen, geschlossenen Kammer verstärkt einerseits
die Konstruktion wesentlich und gestattet es andererseits, die Dicke der Lochplatten zur Aufnahme der
Wärmetauscherrohre wesentlich zu verringern, wodurch sich nicht nur thermische Spannungen beseitigen
lassen, sondern auch das Gesamtgewicht des Wärmetauschers gesenkt wird. Da die Stützringe der
jeweils gleichen Ebene untereinander durch rohrförmige, konkave Zwischenstege verbunden sind, die
demnach den gleichen Ausdehnungskoeffizienten aufweisen wie die Rohre, ist ihre Relativbewegung auf
Grund der Wärmedehnung praktisch vernachlässigbar.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, wobei eine besonders
vorteilhafte Ausgestaltung in einem Herstellungsverfahren gemäß Anspruch 10 besteht, durch
welches der erfindungsgemäße Wärmetauscher derart zusammengebaut werden kann, daß die mit der neuen
Wärmetauscherkonstruktion angestrebten Vorteile in optimaler Form erreicht werden. An Hand der nun
folgenden Beschreibung der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele 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, als Dampferzeuger ausgebildeten
Wärmetauscher,
Fig. 2 einen Detailschnitt in größerem Maßstab durch den unteren Abschnitt der Sekundär- bzw.
Speisewasservorwärmung des in Fig. 1 gezeigten Dampferzeugers,
Fig. 3 eine schematische Seitenansicht eines sinusförmig gekrümmten Rohres,
Fig. 4 einen Querschnitt durch eine Ausführungsform der Halteeinrichtung für die Rohre, die in den
Wendepunkten mittels rohrförmiger Zwischenstege gehalten werden,
Fig. 5 eine Seitenansicht hierzu,
Fig. 6 und 7 jeweils eine schematische Darstellung
eines wellenförmigen Rohres, das in den Scheitelpunkten der Wellen gehalten wird, und
Fig. 8 eine Anwendungsform rohrförmiger Querstege, falls die Rohre durch die Stützringe in den
Scheiteln ihrer Wellenform gehalten werden.
Der in Fig. 1 gezeigte Dampferzeuger besitzt einen äußeren zylindrischen Mantel 1, der vertikal angeordnet
ist und am oberen Ende mit einem Einströmkopf 2 und am anderen Ende mit einem Ausströmkopf 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 bildet.
Eine Klappe 3c deckt den zentralen Kanal 3b ab. Im Einströmkopf 2 ist eine Öffnung 4 für den Zutritt
des unter Druck stehenden, heißen Primärwassers in das Innere der ringförmigen Kammer 2a vorgesehen.
Im Ausströmkopf 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 Einströmkopf 2 und im Ausströmkopf 3 vorgesehen.
Der untere Abschnitt des Einströmkopfes 2 wird durch eine ringförmige Lochplatte 6 gebildet, während
der obere Teil des Ausströmkopfes 3 in ähnlicher Weise durch eine ringförmige Lochplatte 7 gebildet
> wird. Mit diesen Lochplatten 6 bzw. 7 sind die oberen bzw. unteren Enden eines ringförmigen Bündels biegsamer
Wärmetauscherrohre befestigt, die in Fig. 1 schematisch durch unterbrochene Linien angedeutet
sind.
In der Nachbarschaft des äußeren Umfanges des ringförmigen Rohrbündels ist eine konzentrische,
doppelte Innenmantelanordnung vorgesehen, die durch einen äußeren Mantelring 8 und einen inneren
Mantelring 9 gebildet wird, die auf diese Weise einen i> Vorwärmer für das sekundäre Speisewasser bilden.
Der innere Mantelring 9 ist mit der ringförmigen Lochplatte 6 verbunden, während der äußere Mantelring
8 in einem gewissen Abstand vor dieser Platte endet. Das obere Mantelringende ist mit 8a bezeich-
2i> net. Der untere Teil des ringförmigen Zwischenraums
10 zwischen den beiden Mantelringen 8 und 9 wird durch einen Kranz 11 abgeschlossen, der für den
Durchtritt von Rohren mit Öffnungen versehen ist und sich in einem gewissen Abstand von der ringförmigen
unteren Lochplatte 7 befindet. Zum ringförmigen Rohrbündel gehörige Rohre 12, die, wie in Fig. 2
gezeigt ist, in dem Zwischenraum 10 zwischen den beiden Mantelringen 8 und 9 angeordnet sind, durchqueren
den Kranz 11. Die Bauweise des Vorwärmers μ ist damit derart, daß eine freie Dehnung der beiden
Ringe 8 und 9 möglich ist.
Im unteren Abschnitt des zwischen den Mantelringen 8 und 9 ausgebildeten ringförmigen Zwischenraumes
10 wird Sekundärwasser durch die öffnungen i'i 13 einer Sammelleitung 14 eingespeist.
Ein zentrales Rohr 15, das in dem frei gebliebenen Raum innerhalb des ringförmigen Bündels aus biegsamen
Rohren angeordnet ist, bildet einen Schacht 16 in der Achse des zentralen Kanals 3fo des Ausström-(i
kopfes 3. Dieser Schacht 16 erstreckt sich bis auf eine Höhe derart, daß oberhalb des Schachtes ein freier
Raum 17 verbleibt, der mit dem zentralen Kanal 2b des Einströmkopfes 2 in Verbindung steht. Um den
Zutritt zum Rohrbündel zu ermöglichen, besteht das Rohr 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. Man kann die Gestaltung auch 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 durch die öffnung 4 in die ringförmige Kammer
2 a des Einströmkopfes 2 eingeleitet, worauf es durch das ringförmige Rohrbündel von der oberer
Lochplatte bis zur unteren Lochplatte strömt, bevoi w) es durch die öffnung 5 wieder die ringförmige Kammer
3a des Ausströmkopfes 3 verläßt.
Das Sekundärwasser wird im unteren Abschnitt de; zwischen den Mantelringen 8 und 9 befindlichen Zwischenraumes
10 eingeleitet, wobei es die Sammellei hr>
tung 14 verläßt. Dieses Wasser erhitzt sich beim Auf steigen im Zwischenraum 10 im Gegenstrom zun
durch die Wärmetauscherrohre 12, herabfließenden unter Druck stehenden Wasser. Die Bahn des er
wärmten, am oberen Ende des Zwischenraumes 10 ankommenden Wassers erfährt eine Umkehrung seiner
Strömungsrichtung am Mantelringende 8a, derart, daß das Wasser in dem äußeren Umfangsraum 20 zwischen
dem äußeren Mantelring 8 und dem äußeren "' Mantel 1 nach unten strömt und dabei letzteren erwärmt.
Im unteren Abschnitt des äußeren Umfangraumes 20 wechselt das sekundäre Strömungsmittel
nochmals seine Richtung und tritt in die Zone 21 ein, die sich unterhalb des Kranzes 11 befindet, worauf l(l
es in die Verdampfungskammer 22 einströmt, die sich zwischen dem inneren Mantelring 9 und dem den
Schacht 16 umschließenden Rohr 15 befindet. Der feuchte Dampferreicht anschließend die Zone 17 und
erfährt eine Überhitzung durch die Berührung mit '"> dem oberen Abschnitt 23 des Rohrbündels, dessen
Länge entsprechend dem gewünschten Überhitzungsgrad gewählt ist. Tatsächlich tritt durch den Kanal 2b
im Zentrum des Einströmkopfes 2 überhitzter Dampf zu einer ihn nutzbar machenden Einrichtung aus. -<
>
Weil das untere Ende des äußeren Mantelringes 8 sich teilweise in Kontakt mit dem aufgeheizten sekundären
Strömungsmittel befindet, das in dem äußeren Umfangsraum 20 zirkuliert und andererseits in Kontakt
mit dem kalten sekundären Strömungsmittel, das -">
in den Zwischenraum 10 eingespeist wird, kann es vorteilhaft sein, an dieser Stelle eine thermische Abschirmung
vorzusehen, die eine Abkühlung des sekundären Strömungsmittels in dem äußeren Umfangsraum
20 verhindert. Beispielsweise kann man im «> unteren Abschnitt des äußeren Mantelrings 8 zwei
Blechstücke vorsehen, zwischen denen sich ein isolierender Anstrich befindet. Im Gegensatz hierzu nimmt
der innere Mantelring 9 in einem gewissen Ausmaß an der Aufheizung des Wassers teil. i>
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 Geräts auf. w Man kann gleicherweise eine gewisse Herstellungssymmetrie in bezug auf eine horizontale Mittelebene
feststellen.
Das ringförmige, von dem primären Strömungsmittel umströmte Rohrbündel wird von biegsamen Roh- ·)>
ren gebildet, die eine beachtliche Dehnung erfahren können, als Ergebnis insbesondere von Belastungsänderungen,
von plötzlichen thermischen Stoßbeanspruchungen.
Alle Wärmetauscherrohre sind identisch. Eines ist >o
schematisch als Beispiel für eine Ausführungsform in Fig. 3 dargestellt und mit 25 bezeichnet. Es besitzt
regelmäßige Wellungen, die etwa sinusförmig ausgebildet sind und abwechselnde Krümmungen aufweisen
mit Kreisbogen A oder ö, die an Wendepunkten / ■>■->
ineinander übergehen.
Es ist vorteilhaft, für jeden Kreisbogen einen Zcntrumswinkel gleich oder unterhalb von 60° zu verwenden.
Dieser Winkelwert von 60° entspricht talsächlich einer maximalen Schräge von 30° der wi
Tangente an eine Krümmung in bezug auf die Vertikale in diesem Punkt. Diese maximale Schräge bzw.
Neigung tritt an den Wendepunkten auf, derart, daß, wenn die zur Rohrführung dienenden Stützringe in
der Höhenlage vorgesehen sind, die den Wendepunk- i,r,
ten entspricht, die Rohre in dieser Höhenlage eine Schräge aufweisen, die eine Annäherung der Rohre
aneinander zur Folge hat, nichtsdestoweniger aber vereinbar ist mit der normalen Teilung der Bohrungen
in den Lochplatten 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
Lochplatten führt. In Höhe der Wendepunkte des Rohres 25 befinden sich die Ebenen 26, in denen die
Stützringe angeordnet sind. Da die Schräglage der Rohre gegenüber den Stützringen in diesen Punkten
am größten ist, ist die Verlagerung der Rohre unter dem Einfluß einer Temperaturänderung dort praktisch
gleich Null.
Man sieht aus Fig. 2, daß sich in dem Zwischenraum 10 ein erster Stützring 26« befindet. An diesem
liegen in regelmäßigen Abständen rohrförmige Zwischenstege an, die entsprechend der in Fig. 4 mit SO,
50', 50" bezeichneten Zwischenstege ausgebildet sind. Der erste Stützring 26a wird durch Distanzklötze 28
in einem geeigneten Abstand vom äußeren Mantelring 8 gehalten, die am äußeren Mantelring 8 vorher
angeschweißt worden sind und an die anschließend auch der Stützring 26a angeschweißt wird. Die Distanzklötze
28 sind dazu bestimmt, den Durchtrittsquerschnitt in dem Zwischenraum 10 des Vorwärmers
so zu bemessen, daß die optimale Durchflußgeschwindigkeit erreicht wird. Die weiteren in Fig. 2 gezeigten
Stützringe sind mit 26£>, 26c und 26d bezeichnet.
Der Zusammenbau erfolgt fortschreitend von außen nach innen. Der innere Stützring wird schließlich
mit dem Rohr 15 des zentralen Schachtes 16 verschweißt.
In den Fig. 4 und 5 ist die Ausbildung und Anordnung der rohrförmigen Zwischenstege 50, 50', 50"
usw. näher gezeigt. Diese Zwischenstege weisen seitliche, konkave Auflageflächen auf, die leicht konvergieren.
Zwei benachbarte Zwischenstege jeder Reihe sind jeweils abwechselnd verkehrt zueinander derart
angeordnet, daß sie eine Aufnahme für das zwischen sie einzufügende Rohr bilden. Die Zwischenstege sind
so ausgebildet, daß sie die Stützringe 26e, 26/, 26g, 26Λ im Abstand von den Rohren 25e, 25/, 25g halten.
Sie 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 Zwischenstege zu erleichtern, sind sie abwechselnd mit ihren breiten konvexen Stirnflächen
am äußeren oder am inneren Stützring des sie einschließenden Stützringpaares festgeschweißt. Beispielsweise
sind die Zwischenstege 50' usw. mit ihren äußeren breiten, konvexen Stirnflächen am Stützring
26e festgeschweißt, während die Zwischenstege 50, 50" mit ihren breiten Stirnflächen nach innen gewandt
sind und dort am inneren Stützring 26/ verschweißt sind. Es ist auch möglich, die Zwischenstege mit den
Stützringen zu verschweißen, bevor sie in das Gerät eingebaut werden. Ist jedoch der innere Stützring 26/
einmal eingebaut, werden die Zwischenstege 50' usw. in gleicher Weise an den Scheitelpunkten 52' usw. mit
dem Stützring verschweißt. Bei einer Anordnung, bei der die Verbindung zweier benachbarter Stützringe
jeweils nur durch jeden zweiten Zwischensteg erfolgt, d. h. durch diejenigen Zwischenstege, die mit beiden
benachbarten Stützringen verschweißt sind, so können die anderen Zwischenstege, die nur mit dem inneren
Stützring eines Stützringpaares verbunden sind, aus einem dünneren Blech von beispielsweise 1 mm Dicke
und von größerer Biegsamkeit und Elastizität geformt sein, wodurch sie leichter verformbar sind, um insbesondere
größere Toleranzen hinsichtlich des Rohrdurchmessers bei deren Herstellung zu ermöglichen.
In dem Fall, in dem sich die Ebenen der Stützringe in Höhe der Wendepunkte der wellenförmigen Rohre
befinden, müssen die rohrförmigen Zwischenstege 50, 50', 50" usw. gegenüber der vertikalen Richtung
schräg angeordnet sein, wie dies Fig. 5 zeigt. Nach einem anderen Montageverfahren der wellenförmigen
Rohre des Rohrbündels, wie sie schematisch aus Fig. 6 ersichtlich ist, werden die Rohre 25 nicht mehr
in den Ebenen festgehalten, die sich in Höhe ihrer Wendepunkte befinden, sondern in Höhe derjenigen
Ebenen P1, P2, P3 usw., die sich in Höhe der Scheitelpunkte
der Krümmungen 53, 53', 53" bzw. 54, 54', 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'", der sich auf zwei gegenüberliegenden Seiten der Achse der Sinusform befindenden Krümmungen,
während die zwischen den vorstehend erwähnten Scheitelpunkten befindlichen Krümmungen, wie z. B.
54 und 53' frei sind. Um geradlinige Querstege benutzen zu können, wie sie in Fig. 8 gezeigt sind, sind die
Abschnitte der Rohre an den Scheitelpunkten der Wellen 55, 55', 55" usw. geradlinig ausgeführt, und
zwar über eine Höhe von 3-4 cm, die der Höhe der Stützringe, wie z. B. 56 und der rohrförmigen Zwischenstege
57, 57', 57" usw. entspricht, wobei auch die Enden dieser Zwischenstege rechtwinklig zu ihren
Achsen abgeschnitten werden können.
Nach einer in Fig. 7 dargestellten Abwandlung können die Stützringe sich auch in allen Ebenen der
Scheitelpunkte der Wellenform der Rohre befinden, von denen jeweils eine Gruppe von Scheitelpunkten,
wie z. B. P\, P'2 auf der gleichen Seite befinden, wie
die geradlinigen eingespannten Abschnitte 59, 60.
Diese Anordnung verbessert die Widerstandsfähigkeit der Wärmetauscherrohre gegenüber Vibratoren,
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.
Hierzu 3 Blatt Zeichnungen
Claims (10)
1. Wärmetauscher großer Abmessung für den Betrieb bei hohen Temperaturen und Drücken,
insbesondere als Dampferzeuger, bei dem das primäre Fluid das Kühlmittel eines Kernreaktors ist
und bei dem eine äußere, schwere Struktur durch einen äußeren zylindrischen Mantel gebildet ist,
dessen Enden an einem Einströmkopf bzw. einem Ausströmkopf befestigt sind und wobei die Böden
dieser Köpfe zur Aufnahme der Enden von etwa sinusförmig gewellten und in konzentrischen
Gruppen angeordneten Wärmetauscherrohren mit öffnungen versehen sind, wobei die Wärmetauscherrohre
in mehreren Querebenen durch konzentrische Stützringe gehaltert sind, von denen die inneren Stützringe auf einem zentralen Rohr
aufliegen, dadurch gekennzeichnet, daß der Einströmkopf (2) und der Ausströmkopf (3) jeweils
als ein eine ringförmige, geschlossene Kammer (2a, 3a) umschließendes Gehäuse ausgebildet
sind, das eine innere zylindrische Wand und einen aus einer ringförmigen und zur Aufnahme der Enden
der Wärmetauscherrohre (12, 25) dienenden Lochplatte (6, 7) bestehenden Boden aufweist,
wobei von der inneren zylindrischen Wand ein breiter, zentraler Kanal (2b, 3 b) umschlossen ist
und daß die äußeren Stützringe gegenüber der äußeren, schweren Struktur (1, 2, 3) durch Schweißung
festgelegt und die inneren Stützringe mit dem aus dünnem Blech gebildeten, einen breiten, zugänglichen
Schacht bildenden zentralen Rohr (15) verschweißt sind, während die konzentrischen
Stützringe zwischen den Rohren in jeder Querebene untereinander durch rohrförmige Zwischenstege
verbunden sind, die die Stützringe im Abstand zu den Rohren halten und die sich an
die mit ihnen in Berührung stehenden Rohre teilweise anschmiegende konkave Seitenflächen sowie
an den Stützringen anliegende konvexe Basisflächen aufweisen, von denen mindestens eine
Basisfläche eines jeden Zwischensteges mit einem Stützring verschweißt ist.
2. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stützringe in Ebenen angeordnet
sind, die sich in Höhe der Wendepunkte (/) der wellenförmigen Rohre befinden.
3. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Ebenen der Stützringe
in Höhe von abwechselnd entgegengesetzt gekrümmten Scheiteln der Wellenform der Rohre
befinden und daß die Rohre über eine geringe Länge an ihren Scheiteln geradlinig verlaufen.
4. Wärmetauscher nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Ebenen (26) der
Stützringe (26a-26h) in Höhe aller Scheitel befinden.
5. Wärmetauscher nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt der
rohrförmigen Zwischenstege (50,50', 50", 57,57', 57") eine erste breite Basis aufweist, an die sich
konkave Seiten anschließen, die gegen eine konvexe, schmälere zweite Basis leicht konvergieren,
wobei aufeinanderfolgende Zwischenstege jeweils in umgekehrter Lage mit ihren breiten bzw.
schmäleren konvexen Basisflächen an den Stützringen anliegen.
6. Wärmetauscher nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die zwischen zwei radial benachbarten
Stützringen angeordneten rohrförmigen Zwischenstege abwechselnd mit beiden Stützringen
oder nur mit einem der beiden Stützringe verschweißt sind, wobei die einseitig verschweißten
Zwischenstege aus schwächerem Blech bestehen und beim Einsetzen der Rohre verformbar
sind.
7. Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das primäre wärmeabführende
Fluid unter Druck stehendes heißes Wasser ist, das von oben nach unten durch das
ringförmige Rohrbündel strömt und bei dem das sekundäre Fluid zu verdampfendes Wasser ist, dadurch
gekennzeichnet, daß der unterhalb des oberen ringförmigen Kopfes (2) endende zentrale
Schacht (16) an seinem oberen Ende einen durchbrochenen Abschluß und an seinem unteren Ende
seitliche Öffnungen (19) aufweist.
8. Wärmetauscher nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die äußeren Stützringe zu ihrer
Festlegung gegenüber der schweren Struktur an einer aus zwei Mantelringen (8,9) bestehenden
Innenmantelanordnung verschweißt sind, daß der innere Mantelring (9) der Innenmantelanordnung
an der Lochplatte des oben liegenden Einströmkopfes befestigt ist und daß zwischen den zwei
Mantelringsn (8, 9) sowie zwischen dem äußeren Mantelring (8) und dem äußeren Mantel (1) des
Wärmetauschers ringförmige Strömungsräume (10, 20) ausgebildet sind.
9. Wärmetauscher nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der zwischen den Mantelringen
(8, 9) ausgebildete innere ringförmige Strömungsraum (10) an seinem unteren, mit Abstand
zur Lochplatte (7) des Ausström kopfes (3) liegenden Ende verschlossen ist und am äußeren Mantelring
(8) Einströmöffnungen für das sekundäre Fluid aufweist und am oberen Ende mit dem äußeren
(20) der ringförmigen Strömungsräume verbunden ist, der im Bereich der unteren Lochplatte
(7) mit dem Rohrbündel enthaltenden Innenraum (22) in Verbindung steht.
10. Verfahren zur Herstellung des Wärmetauschers nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch
folgende Merkmale:
a) Zusammenschweißen der äußeren schweren Struktur aus Mantel und Ein- und Ausströmkopf
b) Spannungsfreiglühen der äußeren schweren Struktur
c) Einbringung der sinusförmig gewellten Rohre und deren Befestigungsteile durch den
zentralen Kanal des Ein- oder Ausströmkopfes und Montage beginnend mit der äußeren
Rohrgruppe
d) Einbringen und Befestigen des zentralen Rohres.
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