DE2424355A1

DE2424355A1 - Waermeaustauscher von kreisfoermigem oder hexagonalem querschnitt

Info

Publication number: DE2424355A1
Application number: DE2424355A
Authority: DE
Inventors: Hans Ecker
Original assignee: Hochtemperatur Reaktorbau GmbH
Current assignee: Hochtemperatur Reaktorbau GmbH
Priority date: 1974-05-20
Filing date: 1974-05-20
Publication date: 1975-12-04
Also published as: CH587463A5

Description

7319

HOCHTEMPERATUR-REAKTORBAU GmbH

5 Köln 1 Zeppelinstraße 15

Wärmeaustauscher von kreisförmigem oder hexagonalem Querschnitt

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Wärmeaustauscher von kreisförmigem oder hexagonalem Querschnitt mit einer Vielzahl von innerhalb eines äußeren Leitmantels angeordneten und zu Rohrbündeln vereinigten Geradrohren, die parallel zur Mittelachse des Wärmeaustauschers verlaufen. Jeder Rohrbündel ist von einem beidseitig offenen inneren Leitmantel umgeben, und die Rohre jedes Rohrbündels sind an ihren beiden Enden mit einem Rohrboden verbunden.

Derartige Wärmeaustauscher werden bevorzugt in geschlossenen Gasturbinenanlagen und in der Kernkraftwerkstechnik eingesetzt, wo sie beispielsweise beim sogenannten integrierten Kernreaktor im selben Druckbehälter wie der Reaktorkern liegen.

509849/0429

So wird in der deutschen Offenlegungsschrift 2 120 544 ein aus parallel angeordneten Einzelelementen bestehender Wärmeaustauscher beschrieben, bei dem die Einzelelemente oder Rohrbündel einen runden oder polygonalen Querschnitt besitzen und von beidseitig offenen Mantelrohren umgeben sind. Das äußere Medium, z.B. das von einer Turbine kommende Abgas, wird entlang der Austauscherrohre innerhalb der beidseitig offenen Mantelrohre geführt, wobei seine Strömungsrichtung derjenigen des in den Rohren befindlichen Mediums entgegengesetzt ist. Jeder Rohrbündel ist durch ein Paar von Rohrboden mit eigenen Zu- und Abführungsleitungen versehen. Die Mantelrohre sind strömungsdicht in eine senkrecht zu ihnen verlaufende Platte eingesetzt, die ebenfalls strömungsdicht mit dem Gehäuse des Wärmeaustauschers verbunden ist. Mit dieser Platte soll eine leicht und funktionssicher herzustellende Führung für das äußere Medium und damit eine Verbesserung des Wärmeüberganges zwischen den beiden Medien erreicht werden.

Aus der deutschen Offenlegungsschrift 1 401 666 ist ebenfalls ein Wämeaustauscher bekannt, der in einem Mantel eine Anzahl von Rohrbündeln oder Rohrkörpernenthält, die sich aus einer Vielzahl von an ihren Enden mit Kopfstücken oder Rohrböden verbundenen Rohren zusammensetzen. Die im wesentlichen geraden Rohre sind in unmittelbarer Nähe der Kopfstücke derart auseinandergespreizt, daß sie über den größten Teil ihrer Länge eine gleichförmige Verteilung über den Querschnitt des Mantels einnehmen. Auf diese Weise läßt sich das Gesamtvolumen des Wärmeaustauschers für eine gegebene Wärmeübertragungsleistung gering halten.

Ein weiterer Wärmeaustauscher mit parallel zu seiner Längsachse angeordneten geraden Rohren, die zu einer Vielzahl

509849/0A29 ...3/

von Einzelelementen zusammengesetzt und durch Endplatten verbunden sind, ist in der deutschen Offenlegungsschrift 1 551 037 dargestellt. Alle Einzelelemente sind zwar mit Sekundäranschlüssen ausgerüstet, besitzen aber keine eigenen Gehäuse für das Primärmedium, und die Strömungsrichtung des primären Wärmeträgers verläuft im wesentlichen senkrecht zu der des sekundären Wärmeträgers. Der Wärmeaustauscher zeigt in seiner Gesamtheit eine ringzylindrische Gestalt, so daß bei seiner Verwendung in einem Kernreaktor der Brennelementwechsel ohne Behinderung vorgenommen werden kann.

Von diesem Stand der Technik geht die vorliegende Erfindung aus, wobei ihr die Aufgabe zugrunde liegt, einen Wärmeaustauscher der eingangs geschilderten Bauart anzugeben, bei dem bei geringem Bauvolumen die Möglichkeit des Abblendens oder Ausbaus einzelner Bereiche besteht und gleichzeitig durch eine gute Lagerungs- und VerSpannungsmöglichkeit der einzelnen Rohrbündel eine hohe Zuverlässigkeit gegeben ist.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß die Rohrbündel mit den zugehörigen Rohrboden und ihren inneren Leitmänteln ausbaubare Boxen bilden, die im Grundriß im Sechseckgitter angeordnet sind, daß die Rohrbündel an ihrem einen Ende axial und radial fixiert und an ihrem anderen Ende axial frei verschiebbar sind und daß zur radialen Festlegung an diesem Ende Mittel zum Verspannen der Boxen vorgesehen sind.

Der Wärmeaustauscher gemäß der Erfindung kann mit besonderem Vorteil als Rekuperator in einem geschlossenen Gasturbinenkreislauf oder im Primärkreislauf eines gasgekühlten Hochtemperaturkefnreaktors mit Heliumturbine eingesetzt werden,

509849/0429

da er bei guten Wärmeübertragungseigenschaften ein geringes Bauvolumen aufweist, denn infolge der Anordnung der Boxen im Secheckgifter kann der zur Verfugung stehende Raum sehr gut ausgenut fc werden. Durch die Unterteilung des Wärmeaustauschers" in einzelne Boxen wird es möglich, z.B. bei Undichtigkeiten einzelne Bereiche des Wärmeaustauschers
stillzulegen, um dort Reparaturen auszuführen, oder einzelne Boxen auszubauen. Die Zuverlässigkeit des Wärmeaustauschers erleidet dabei keine Einbuße, da die Rohrbündel an ihrem einen Ende axial und radial festgelegt sind und nur das andere Ende in radialer Richtung verspannt zu werden braucht. Haben die die Rohrbündel umgebenden inneren Leitmäntel einen runden Querschnitt, so läßt sich die Verspannung besonders leicht durchführen. Die inneren Leitmäntel können aber auch einen sechseckigen Querschnitt
aufweisen, wodurch sich eine noch günstigere Platzausnutzung ergibt als bei Leitmänteln mit rundem Querschnitt. Die Rohrböden, in die die Rohre jedes Rohrbündels eingesetzt sind, haben zweckmäßigerweise eine den Leitmänteln angepaßte Querschnittsform, d.h. sie sind entweder rund oder sechseckig.

Der Wärmeaustauscher gemäß der Erfindung kann im Gleichoder Gegenstromprinzip betrieben werden_β Die Größe der Drücke, Druckdifferenzen, Temperaturen und Temperaturdifferenzen des durch die Rohre strömenden inneren Mediums und des um die Rohre in den inneren Leitmänteln strömenden äußeren Mediums können dabei beliebig sein. Als wärmeaustauschende Medien kommen sowohl gasförmige als auch flüssige Medien in Betracht, wobei es freigestellt ist, ob das Hochdruck- oder das Niederdruckmedium durch die Rohre geführt wird.

Auch die Einbau- oder Betriebslage des Wärmeaustauschers

509849/0429

- z.B. horizontal, vertikal oder schräg - sowie die Art der verwendeten Werkstoffe kann beliebig gewählt werden.

Die mögliche .\nzahl der im Sechseckgitter angeordneten Boxen ergibt sich nach der mathematischen Formel

η - 6 (1+2+3+4+.. ) =

wenn mit i die Anzahl der im Gitter ineinanderliegenden Sechsecke bezeichnet wird. Bei größeren Stückzahlen (^>168) lassen sich in dem Bereich zwischen dem äußersten Secheck und dem äußeren Leitmantel des Wärmeaustauschers eventuell noch weitere Boxen unterbringen.

Vorteilhaft bestehen die Mittel zum Verspannen der Boxen in einem zentral angeordneten Spannkegel und in rahmenartigen Verstärkungen der inneren Leitmäntel im Bereich des axial frei verschiebbaren Endes der Rohrbündel. Um den Spannkegel herum ist das erste Sechseck des Gitters angeordnet. Die rahmenartigen Verstärkungen sind - entsprechend der Qüerschnittsform der inneren Leitmäntel entweder rund oder sechseckig ausgebildet. Mit Hilfe dieser Verstärkungen und des Spannkegels werden die Boxen und damit auch die Rohrbündel im Bereich ihres nicht fixierten Endes radial verspannt.

An die rund oder sechseckig gestalteten Rohrboden, die als Lochplatten ausgebildet sind, schließen sich Sammlerhauben an, die ihrerseits mit Ein- bzw. Austrittsstutzen für das in den Rohren strömende Medium verbunden sind. Die Hauben besitzen entweder halbkugelige Gestalt (bei runden Rohrböden) oder sie gehen (bei sechseckigen Rohrboden) von der Sechseckform in die halbkugelige Form über, an die sich dann die Ein- bzw. Austrittsstutzen für das innere Medium anschließen.

509849/0429 " "' ^6/

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung sind die Ein- bzw. Austrittsstutzen an der Fixpunktsei.te der Rohrbündel verlängert und strömungsdicht durch einen geschlossenen Boden geführt, der halbkugelförmig, tiefgewölbt oder auch
eben ausgebildet sein kann. Die Rohrbündel sind damit in radialer Richtung festgelegt. Die axiale Festlegung kann mittels eines Tragrostes erfolgen, der die Form eines Wagenrads aufweist, d.h. aus einem Außen- und Innenring und beide verbindenden Speichen besteht. Die Speichen können ihrerseits noch durch Querriegel miteinander verbunden sein. Die Verlängerungen der Ein- bzw. Austrittsstutzen sind in entsprechende Ausnehmungen des Tragrostes eingesetzt, der die Lasten von den Boxen übernimmt und sie an seinem äusseren Umfang an den äußeren Leitmantel des Wärmeaustauschers abgibt. Somit ist die radiale und axiale Fixierung der
Boxen sichergestellt. Die Zu- oder Ableitung des durch die Rohre strömenden Mediums wird bereits vor der Durchführung der verlängerten Stutzen durch den geschlossenen Boden durch entsprechend ausgebildete Abzweigungen vorgenommen.

Die Lagerung der Boxen mittels eines wagenradartigen Tragrostes läßt sich mit besonderem Vorteil bei stehender
Anordnung des Wärmeaustauschers bewerkstelligen, wobei
bevorzugt sechs Speichen der Tragarme gewählt werden.
Die gleiche Form des Tragrostes und die gleiche Anzahl
der Speichen kann jedoch auch für einen Wärmeaustauscher von hängender Bauart Verwendung finden.

Die Rückführung des in den Rohren strömenden Mediums, das durch die an den verlängerten Austrittsstutzen befindlichen Abzweigungen aus den Rohren abgezogen wird, erfolgt zweckmäßig durch Leitungen, die zwischen dem Secheckgitter der Boxen und dem äußeren Leitmantel des Wärmeaustauschers ver-

509849/0429

legt sind. In diesem Raum können auch die Leitungen für die Zuführung des inneren Mediums Vorgesehen sein.

Um zu ermögl chen, daß auch bei sehr dichter Anordnung der Boxen das um die Rohre strömende Medium ungehindert an den Rohrboden und Sammlerhauben vorbeigelangen kann, sind benachbarte Rohrboden mit den zugehörigen Sammlerhauben in horizontaler Richtung gegeneinander versetzt angeordnet; d.h. diese Rohrboden liegen in verschiedenen horizontalen Ebenen.

Bei Verwendung des Wärmeaustauschers als Rekuperator im Primärkreislauf eines gasgekühlten Hochtemperaturreaktors wird vorteilhafterweise das von der Turbine kommende heiße Gas niedrigen Druckes um die Rohre herum durch die inneren Leitmäntel der Boxen geführt, während das zu erwärmende Hochdruckgas durch die Rohre geleitet wird. Um zu verhindern, daß der Tragrost direkt von heißem Gas umsprült wird, ist für die Führung des heißen Gases zu den inneren Leitmänteln der Boxen ein zentrales Einströmrohr vorgesehen, das innerhalb des Innenringes des Tragrostes verlegt ist. Die Auslegungstemperatur für den Tragrost kann somit niedrig angesetzt werden, was für seine Dimensionierung günstig ist.

In der Zeichnung ist als Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Wärmeaustauschers der Rekuperator eines mit einer Heliumturbine gekoppelten Hochtemperaturreaktors dargestellt. Die Figuren zeigen:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch den Rekuperator mit runden Boxen,

Fig. 2 einen Querschnitt durch den Rekuperator,

50 9 849/0429

Fig. 3 eine Einzelheit in vergrößerter Darstellung und

Fig. 4 eine Ansicht des Tragrostes.

Die Fig. 1 läßt einen rekuperativen Wärmeübertrager oder Rekuperator erkennen, der zum Prxmärkreislauf eines Hochtemperaturreaktors mit Heliumturbine gehört und wie alle anderen Komponenten des Kreislaufs in einem vertikalen Pod I innerhalb des Spannbetondruckbehälters untergebracht ist. Der Rekuperator besteht im wesentlichen aus einem äußeren Leitmantel 2, aus einer Vielzahl von Boxen 3 mit rundem Querschnitt, aus einem Tragrost 4 und einem Auflagering 5. Nach oben ist der Rekuperator durch eine Platte 6 abgedichtet, während der Abschluß nach unten durch einen zum Zentrum hin geneigten Boden 7 bewirkt wird. An den Boden 7 schließt sich ein zentral geführtes Einströmrohr 8 für das äußere Medium an. Das Rohr 8 ist durch das Innere des Tragrostes 4 verlegt, der sich aus einem Außenring 9, einem Innenring 10 und sechs Speichen oder Tragarmen 11 zusammensetzt. Wie aus der Fig. 4 ersichtlich, sind die Speichen untereinander noch durch Zwischenriegel 12 verbunden (von diesen sind nur einige in der Zeichnung dargestellt).

Zu jeder Box 3 gehören ein aus einer Vielzahl von glatten, geraden Rohren bestehender Rohrbündel 13, zwei Rohrböden 14, 15, in die die beiden Enden der Rohre eingesetzt sind, und ein innerer Leitmantel 16, der an seinen beiden Enden offen ist. An die Rohrboden 14,15 schließen sich Sammlerhauben 17, 18 an, die kugelig ausgebildet sind. (Sie sind in der Fig* 3 vergrößert dargestellt») Die Rohrböden 14 mit den zugehörigen Sammlerhauben 17 sowie die Rohrböden 15 mit den zugehörigen Sammlerhauben 18 sind derart gegeneinander versetzt angeordnet, daß benachbarte Rohrböden in

609849/0A29

verschiedenen horizontalen Ebenen liegen. Die Sammlerhauben sind mit Eintrittsstutzen 19 für das innere Medium verbunden, während sich an die Sammlerhauben 18 Austrittsstutzen 20 für d .e-ses Medium anschließen. Innerhalb der Rohrbündel 13 werden die einzelnen Rohre durch Halterungen 21 in ihrer Lage gehalten,

Die Boxen 3 sind im Grundriß im Sechseckgitter angeordnet, wie in der Fig. 2 dargestellt ist.Bei drei ineinanderliegenden Sechsecken ergeben sich nach der Formel η = 6 (1+2+3) = somit 36 Boxen, die dicht nebeneinander angeordnet sind. In dem frei gebliebenen Raum zwischen dem äußersten Sechseck und dem äußeren Leitmantel 2 des Rekuperators ist eine Anzahl von Steigleitungen 24 verlegt, durch die das durch die Rohre strömende innere Medium wieder aus dem Rekuperator herausgeführt wird. Im Zentrum des Gitters befindet sich ein Spannkegel 22, und zwar im Bereich des oberen Endes der inneren Leitmäntel 16. Im gleichen Bereich sind an den Leitmänteln 16 rahmenartige Verstärkungen 23 vorgesehen.

Wie aus der Fig. 1 ersichtlich, sind die Austrittsstutzen für das innere Medium nach unten verlängert und strömungsdicht durch den Boden 7 hindurchgeführt. Oberhalb des Bodens 7 weisen die Austrittsstutzen 20 je eine Abzweigung auf, und diese Abzweigungen sind mit den Steigleitungen 24 verbunden.

Die Enden 27 der verlängerten Austrittsstutzen 20 sind in Ausnehmungen 26 des Tragrostes 4 gelagert, wie auch der Fig. 4 zu entnehmen ist. Die Lage einiger Boxen 3 ist in der Fig. 4 ebenfalls angedeutet.

Mit der Durchführung der verlängerten Austrittsstutzen 20

509 849/042 9

2^24355

- ίο -

durch den Boden 7 und ihrer Lagerung im Tragrost 4 sind die Boxen 3 im unteren Bereich horizontal und vertikal festgelegt. In ihrem oberen Bereich sind sie in vertikaler Richtung frei verschiebbar. Die horizontale Fixierung wird in diesem Bereich mittels des Spannkegels 22 über die rahmenartigen Verstärkungen 23 an den Boxen 3 vorgenommen .

Da das dargestellte Ausführungsbeispiel den Rekuperator eines Hochtemperaturreaktors mit Heliumturbine betrifft, sind die beiden miteinander im Wärmeaustausch stehenden Medien Helium. Das von der Turbine kommende heiße Niederdruckgas wird von unten durch das zentrale Einströmrohr in den Rekuperator eingeleitet, den es mantelseitig, d.h. innerhalb der beidseitig offenen inneren Leitmäntel 16, durchströmt. Der Tragrost 4 wird dabei nicht direkt von dem heißen Gas umspült. Der Strömungsverlauf des heißen Niederdruckgases ist in der Fig. 1 durch Pfeile angedeutet. Nachdem das Helium die Boxen 3 parallel durchströmt hat, tritt es am oberen Ende zwischen den Leitmänteln 16 und den Rohrboden 14 aus den Boxen 3 aus und gelangt durch Öffnungen 28 in dem äußeren Leitmantel 2 in einen Ringspalt 29 zwischen diesem Leitmantel und dem (mit einem Liner ausgekleideten) Pod I. Das abgekühlte Gas wird teilweise durch den Tragrost 4 geleitet, um diesen zu kühlen, und schließlich zu einem unterhalb des Rekuperators angeordneten Vorkühler weitergeführt (nicht dargestellt), den es ebenfalls mantelseitig durchströmt.

Nachdem das Helium den Vorkühler passiert hat und in einem Kompressor wieder auf hohen Druck verdichtet worden ist, wird es als Hochdruckgas zu dem Rekuperator zurückgeführt.

509849/0429

Durch die Eintrittsstutzen 19 und die Hauben 17 gelangt das Helium in die Rohre der Rohrbündel 13, die es von oben nach unten durchströmt, wobei es sich erwärmt. Nachdem es durch die Rohrböden 15 und die Sammlerhauben 18 hindurchgetreten ist, wird das erwärmte Hochdruckgas über die Abzweigungen 25 an den Austrittsstutzen 20 zu den Steigleitungen 24 geführt, die außerhalb der Heizfläche des Rekuperators liegen. Durch diese Leitungen strömt das Helium wieder dem Kern des Reaktors zu.

509849/0429

Claims

PATENTANSPRÜCHE

Wämeaustauscher von kreisförmigem oder hexagonalem Querschnitt mit einer Vielzahl von innerhalb eines äußeren Leitmantels angeordneten und zu Rohrbündeln vereinigten, parallel zur Mittelachse des Wärmeaustauschers verlaufenden Geradrohren, bei dem jedes Rohrbündel von einem beidseitig offenen inneren Leitmantel umgeben ist und die Rohre jedes Rohrbündels an ihren beiden Enden mit einem Rohrboden verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohrbündel (13) mit den zugehörigen Rohrböden (14,15) und ihren inneren Leitmänteln (16) ausbaubare Boxen (3) bilden, die im Grundriß im Sechseckgitter angeordnet sind, daß die Rohrbündel (13) an ihrem einen Ende axial und radial fixiert und an ihrem anderen Ende axial frei verschiebbar sind und daß zur radialen Festlegung an diesem Ende Mittel zum Verspannen der Boxen (3) vorgesehen sind.

Wärmeaustauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zum Verspannen der Boxen (3) in einem zentral angeordneten Spannkegel (22) und in rahmenartigen Verstärkungen (23) der inneren Leitmäntel (16) im Bereich des axial verschiebbaren Endes der Rohrbündel (13) bestehen.

Wärmeaustauscher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß sich an die Rohrböden (14,15) Sammlerhauben (17,18) anschließen, die mit Ein- bzw. Austrittsstutzen (19 bzw. 20) für das in den Rohren strömende Medium verbunden sind.

509849/0429

4. Wärmeaustauscher nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Lagerung der Rohrbündel (13) an der Fixpunktseite die Ein- bzw. Austrittsstutzen (19 bzw. 202, verlängert und strömungsdicht durch einen geschlossenen Boden (7) geführt sind.

5. Wärmeaustauscher nach Anspruch 1 oder 2 in stehender Anordnung, dadurch gekennzeichnet, daß die Boxen (3) auf einem wagenradartigen Tragrost (4) mit Außenring (9), Innenring (10) und Speichen (11) aufgestellt sind.

6. Wärmeaustauscher nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Speichen (11) durch Zwischenriegel (12) verbunden sind.

7. Wärmeaustauscher nach den Ansprüchen 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Enden (27) der verlängerten Ein- bzw. Austrittsstutzen (19 bzw. 20) in entsprechende Ausnehmungen (26) des Tragrostes (4) eingesetzt sind.

8. Wärmeaustauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für die Rückführung des in den Rohren strömenden Mediums im Raum zwischen dem Sechseckgitter der Boxen (3) und dem äußeren Leitmantel (1) liegende Leitungen (24) vorgesehen sind.

9. Wärmeaustauscher nach den Ansprüchen 1 und 3, dadurch gekennzeichnet. daß die Boxen (3) dicht nebeneinander angeordnet sind und daß benachbarte Rohrböden (14,15) mit den jeweils angeschlossenen Sammlerhauben (17,18) an der Ein- und Austrittsseite in horizontaler Richtung gegeneinander versetzt sind.

509849/0429

10. Wärmeaustauscher nach Anspruch I₁ d&riurch g^ie daß das heiße Medium um die Rohre herum durch die inne ren Leitmäntel (16) und das zu erwärmende Medium durch die RoIn geführt wird.

11. Wärmeaustauscher nach den Ansprüchen 5 und 10, dadurch gekennzeichnet, daß das heiße Medium von unten durch ein zentrales Einströmrohr (8) in den Wärmeaustauscher geleitet wird, das durch den Innenring (10) des Tragrostes (4) geführt ist.

509849/0429'

Leerseite