DE2328556A1 - Waermetauscheranordnung fuer einen geschlossenen gaskreislauf z.b. einer waermekraftanlage - Google Patents

Waermetauscheranordnung fuer einen geschlossenen gaskreislauf z.b. einer waermekraftanlage

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Description

KEAPTWEEK UNION AKTIENGESELLSCHAFT Erlangen, 4* 6· 75
Werner-von-Siemens-Str.
Unser Zeichen: VPA 73/9311 O/Di
Wärmetauscheranordnung für einen geschlossenen G-askreislauf z.B. einer Wärmekraftanlage
Insbesondere zur Umwandlung der Wärme aus gasgekühlten Atomkernreaktoren in mechanische Energie lassen sich geschlossene G-askreisläufe verwenden, bei denen das den Eeaktor kühlende Gas nach seiner Erhitzung zu einer Gasturbine geleitet wird, um Arbeit zu leisten und elektrische Energie zu erzeugen.
Besonders geeignet für derartige Gaskreisläufe ist das Edelgas Helium. Zur Vermeidung von Gasverlusten wird ein derartiger Gaskreislauf geschlossen ausgeführt. Dabei gelangt das aus der Gasturbine strömende Abgas zur Abwärmeverwertung in einen ersten Wärmetauscher - auch Eekuperator genannt -, dessen die Abgaswärme aufnehmende Eohre dem Reaktor unmittelbar vorgeschaltet sind. Dieser Wärmetauscher nutzt also die in den Turbinenabgasen enthaltene Wärme aus, um den im Reaktor zu erhitzenden Gasstrom vorzuwärmen. Diesem Wärmetauscher zur Gasvorwärmung ist ein zweiter Wärmetauscher nachgeschaltet, der das Gas vor dem Eintritt in einen Verdichter abkühlt und so Wärme aus dem Kreislauf abführt. Die wärmetauschenden Rohre werden beispielsweise von Kühlwasser durchströmt. Das so abgekühlte Sas wird anschließend verdichtet, in den Rohren des Wärmetauschers zur Gasvorwärmung vorgewärmt und dann wieier dem Reaktor zugeführt.
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- 2 - YPA 73/9311
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Wärmetauscheranordnung für die gasseitig zueinander in Reihe geschalteten Wärmetauscher zur Gasvorwärmung und zur Wärmeabfuhr aus dem Kreislauf zu schaffen, die einerseits für Montage, Inspektion und Reparatur leicht zugänglich ist und andererseits kurze Verbindungsleitungen aufweist. Außerdem bietet die erfindungsgemäße Wärmetauscheranordnung den Vorteil, daß sie in kleinen zylindrischen Spannbetonbehältern, die an einen Spannbetonbehälter für den Reaktor unmittelbar anschließen können, unterzubringen ist.
Die Erfindung betrifft damit eine Wärmetauseheranordnung nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1. Das Neue besteht in der im Kennzeichen enthaltenen technischen Lehre» Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Uhteransprüchen beschrieben.
In figur 1 ist als Ausführungsbeispiel das Übersichtsschaltbild eines geschlossenen Gaskreislaufes dargestellt, bei dem als Wärmequelle ein Atomkernreaktor, als Wärmeverbraucher eine Gasturbine und als Wärmesenke ein wassergekühlter Wärmetauscher zur Wärmeabfuhr aus dem Kreislauf vorgesehen ist.
Figur 2 zeigt einen Schnitt durch eine derartige Anlage. In Figur 3 ist ein Schnitt entsprechend der Schnittlinie III-III dargestellt.
In Figur 1 ist einem Reaktor 1 eine Gasturbine 2 nachgeschaltet. Das aus der Gasturbine 2 ausströmende Gas gelangt in einen Wärmetauscher 3 zur Gasvorwärmung, von da aus in einen Wärmetauscher 4 zur Wärmeabfuhr aus dem Kreislauf und von da aus in einen auf der Welle der Gasturbine 2 angeordneten Verdichter 5· Die Druckseite des Verdichters 5 ist über die Rohre 6 des Wärmetauschers 3 zur Gasvorwärmung mit dem Reaktor 1 verbunden.
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- 3 - VPA 73/9311
In den Piguren 2 und 3 ist nun die räumliche Anordnung dieser Teile eines geschlossenen Gaskreislaufes für eine Wärmekraftanlage bei Verwendung der erfindungsgemäßen Wärmetauscheranordnung dargestellt. Die Gasturbine 2 mit dem auf gleicher Welle laufenden Verdichter 5 sind mit einem Generator zur Erzeugung elektrischer Energie in einem Turbinensicherheitsraum 8 angeordnet. Oberhalb dieses Turbinensicherheitsraumes befindet sich ein Spannbetonbehälter 9 zur Aufnahme des Reaktors 1, an den sich sternförmig kleinere zylindrische Außenbehälter 10 anschließen, die - mindestens zum Teil - die erfindUBgsgemäße Wärme taus cheranordziung, bestehend aus dem Wärmetauscher 3 zur Gasvorwärmung und dem Wärmetauscher 4 zur Wärmeabfuhr aus dem Kreislauf, enthalten.
Das im Verdichter 5 verdichtete Gas gelangt in den Außenbereich mehrerer zum Anschluß koaxialer Rohre vorgesehenen G-asanschlußstutzen 11 und von da aus über koaxiale Rohre 12 zum darüber angeordneten Reaktor 1. Dort strömt es an den Reaktorwänden nach oben und nimmt dabei die Verlustwärme des Reaktors 1 auf, so daß es zur Wärmeisolation des Spannbetonbehälters 9 beiträgt. Das Gas gelangt dann durch den äußeren Bereich eines ebenfalls koaxialen Rohres 13 vom Spannbetonbehälter 9 in einen der Außenbehälter 10 und strömt dann durch die Rohre 14 des Wärmetauschers 3 zur Gasvorwärmung, die um einen vom Wärmetauscher 4 zur Wärmeabfuhr aus dem Kreislauf ausgefüllten Raum konzentrisch angeordnet und in einer Rohrplatte 7 gehalten sind. Die Rohrplatte 7 liegt dabei auf einem in den Außenbehälter 10 eingeschobenen Einsatz 7a auf, so daß sich die Rohre 14 frei nach unten ausdehnen können und mit der Rohrplatte 7 nach oben herausgezogen werden können. Nach Durchströmen der Rohre 14 gelangt es in Sammelrohre 15, die im Bereich der wärmetauschenden Rohre 14 über Verbindungsrohre 15a miteinander verbunden sind und strömt dann durch den Innen— bereich des koaxialen Rohres 13 in das Innere des Reaktors 1. Dort dient es zur Kühlung der Brennelemente, erwärmt sich da-
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bei auf die Betriebstemperatur und strömt durch das Innere der koaxialen Rohre 12 und der Gasanschlußstutzen 11 in die Gasturbine 2. Es verläßt die Gasturbine 2 durch die Gasanschlußstutzen 16 und gelangt durch Verteilerrohre 17 in das· Innere koaxialer Rohre 18, von denen im Ausführungsbeispiel entsprechend der Anzahl der vorhandenen Wärmetauscheranordnungen vier vorgesehen sind. Die Rohre des Wärmetauschers 4 zur Wärmeabfuhr aus dem Kreislauf sind etwas kürzer gehalten als diejenigen des Wärmetauschers 3 zur Gasvorwärmung. Hierdurch entsteht im zentralen, von dem Wärmetauscher 3 zur Gasvorwärmung umschlossenen Raum ein freier Bereich 19, der zur Verteilung des im Innern des koaxialen Rohres 18 nach oben strömenden Abgases aus der Gasturbine dient.
Zwischen den Rohren des Wärmetauschers 3 zur Gasvorwärmung strömt das Gas senkrecht nach oben und tritt dann in Richtung der Pfeile 20 am oberen Ende der Wärmetauscheranordnung in den inneren, zentralen Raum ein, in dem die Rohre des Wärmetauschers 4 zur Wärmeabfuhr aus dem Kreislauf hineinragen. Diese Rohre werden durch eine Kühlwasserzuführungsleitung 21 mit Kühlwasser versorgt. Das Kühlwasser sammelt sich in einer halbkugelförmigen Wasserkammer 22 und verläßt durch ein Wasserabführungsrohr 23 den Wärmetauscher 4· Das hierbei abgekühlte Gas strömt in den Außenbereich des koaxialen Rohres 18 und von da aus durch Sammelleitungen 24 zum Verdichter 5·
Bei dieser Anordnung ist erreicht, daß zwischen den Wärmetauschern zur Gasvorwärmung und zur Wärmeabfuhr aus dem Kreislauf keine Verbindungsleitungen nötig sind. Die Rohre des Wärmetauschers 4 zur Wärmeabfuhr aus dem Kreislauf sind nur an ihren oberen Enden in einem Verschlußstopfen 26 gehalten und können daher aus dem Außenbehälter 10 nach oben herausgezogen werden. Anschließend lassen sich auch auf
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gleiche Weise die Rohre des Wärmetauschers 4 zur Gasvorwärmung entfernen.
Die erfindungsgemäße Wärmetauscheranordnung gestattet es, durch Verwendung koaxialer, das Gas führende Rohre jeweils innen heißes und außen kaltes Gas strömen zu lassen, so daß die Wärmeisolation des umgebenden Behälters erleichtert wird, Die Wand des Turbinensicherheitsraumes 8 dient gleichzeitig zur Abstützung des Spannbetonbehälters 9· Damit ist der gesamte Gaskreislauf durch Betonwände geschützt.
4 Patentansprüche
4 Figuren
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Claims (2)

Patentansprüche - 6 ~ VPA 73/9311
1. Wärmetauscheranordnung zum Einbau in einen geschlossenen Gaskreislauf in dem
1. eine Wärmequelle einem Wärmeverbraucher vorgeschaltet ist, in dem
2. das im Wärmeverbraucher abgekühlte Gas über einen Wärmetauscher zur Gasvorwärmung (Rekuperator) einem Wärmetauscher zur Wärmeabfuhr aus dem Kreislauf (Vorkühler) zugeführt wird und in dem
3- der Wärmetauscher zur Wärmeabfuhr aus dem Kreislauf über einen Verdichter und den Wärmetauscher zur Gasvorwärmung (Rekuperator) an die Wärmequelle angeschlossen ist,
dadurch gekennzeichnet, daß die Rohre eines der beiden Wärmetauscher (3,4) um einen zentral liegenden Raum angeordnet sind und daß die Rohre des anderen Wärmetauschers in diesen zentralen Raum hineinragen, daß die Zu- und Abfuhrleitungen (21,23; 13) der in den Rohren fließenden wärmetauschenden Arbeitsmittel am einen Ende jedes Wärmetausehers (3j4) liegen, daß die Abgaszuführung zum Wärmetauscher (3) zur Gasvorwärmung und der Gasaustritt aus dem Wärmetauscher (4) zur Wärmeabfuhr aus dem Kreislauf an dem anderen Ende vorgesehen sind und daß sich ferner zwischen dem zentralen und dem ihn umgebenden Raum an dem der Abgaszuführung und dem Gasaustritt gegenüberliegenden Ende eine Durchströmöffnung (Pfeil 20) für das Gas befindet.
2. Wärmetauscheranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohre des Wärmetauschers (4) im zentralen Raum verkürzt sind gegenüber den Rohren des Wärmetauschers (3) in dem den zentralen Raum umgebenden Raum und daß sich in dem dadurch gebildeten freien Bereich
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die Verteilungsroiire für das aus dem Wärmeverbraucher (2) strömende Abgas befinden.
Wärmetaus clierano rdnung nach. Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens die Rohre des den zentralen Raum füllenden Wärmetauschers (4) nur an einem Ende der Wärmetauscheranordnung (Verschlußstopfen 26) aufgehängt sind.
Wärmetauscheranordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmetauscher (3>4) sich in einem zylindrischen Behälter (Außenbehälter 10) "befinden und daß die Rohre des den Innenraum füllenden Wärmetauschers (4) an einem in den zylindrischen Behälter hineinragenden Verschlußstopfen (26) befestigt sind, während die Rohre des den Innenraum umgebenden Wärmetauschers (3) an einer Rohrplatte befestigt sind, die auf einem in den zylindrischen Behälter eingeschobenen Einsatz aufliegt.
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