DE2437016A1

DE2437016A1 - Circular cross-section heat exchanger - having series of concentric annular straight tubes bundles with annular collectors and distributors

Info

Publication number: DE2437016A1
Application number: DE2437016A
Authority: DE
Inventors: Hans Ecker; Karl Gasch
Original assignee: Hochtemperatur Reaktorbau GmbH
Current assignee: Hochtemperatur Reaktorbau GmbH
Priority date: 1974-08-01
Filing date: 1974-08-01
Publication date: 1976-02-19
Also published as: CH591062A5

Abstract

Circular cross section ht. exchanger contains a number of straight parallel tubes inside a shell, the tubes being joined to collectors at each end. They are arranged as a series of concentric annular bundles with the collectors being concentric annular chambers arranged around the central axis of the shell. The annular chambers are sepd. by partition walls so that each collection chamber can be attached to a specific feed pipe. In one arrangement, the chambers can be arranged at various planes perpendicular to the exchanger axis, so that each are separated by about the height of a collector and the tube bundles are so close that in plan view the collectors overlap each other. The collectors can have a rectangular, circular or semi-circular profile. The exchanger is of particular use in the nuclear power generation field, as a stream raising boiler. It allows the max. possible amount of tubes to be included in the shell yet giving low press. drops with good heat transfer.

Description

74087408

HOCHTEMPERATUR-REAKTORBAU GmbHHIGH TEMPERATURE REAKTORBAU GmbH

5000 Köln 1
Zeppelinstraße 155000 Cologne 1
Zeppelinstrasse 15

Wärmeaustauscher von kreisförmigem QuerschnittHeat exchanger of circular cross-section

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Wärmeaustauscher von kreisförmigem Querschnitt mit einer Vielzahl von innerhalb eines Leitmantels angeordneten und zu Rohrbündeln vereinigten, parallel zur" Mittelachse des Wärmeaustauschers verlaufenden Geradrohren, wobei die Rohre jedes Bündels an ihren beiden Enden je zu einem Sammler zusammengefaßt sind.The present invention relates to a heat exchanger of circular cross-section having a plurality of within one Straight tubes arranged parallel to the "central axis of the heat exchanger" are arranged in the guide jacket and combined to form tube bundles, the tubes of each bundle being combined at both ends to form a collector.

Derartige Wärmeaustauscher werden bevorzugt in geschlossenen Gasturbinenanlagen und in der Kernkraftverkstechnik eingesetzt, wo sie beispielsweise beim sogenannten integrierten Kernreaktor im selben Druckbehälter wie der Reaktorkern liegen.Such heat exchangers are preferably closed Gas turbine systems and used in nuclear power technology, where they are used, for example, in the so-called integrated nuclear reactor lie in the same pressure vessel as the reactor core.

So ist aus der deutschen Offenlegungsschrift 1 551 037 ein Dampferzeuger bekannt, der aus einer Vielzahl von EinzelelementenFor example, German Offenlegungsschrift 1 551 037 describes a steam generator known that consists of a large number of individual elements

60S8Q8/.U497 ... 2/60S8Q8 / .U497 ... 2 /

aus dicht nebeneinander angeordneten geraden Rohren derart zusammengesetzt ist, daß sich eine im wesentlichen ringzylindrisehe Gestalt für den Dampferzeuger ergibt. Alle Einzelelemente sind mit Sekundäranschlüssen ausgerüstet, besitzen aber kein eigenes Gehäuse für das Primärmedium, und die Strömungsrichtung des primären Wärmeträgers verläuft im wesentlichen senkrecht zu der des sekundären Wärmeträgers. Durch diese Bauart des Dampferzeugers wird sichergestellt, daß der Reaktor für den Brennelementwechsel ausreichend zugänglich ist.composed of straight tubes arranged close together is that there is a substantially ring-cylindrical shape for the steam generator. All individual elements are equipped with secondary connections, but do not have their own housing for the primary medium and the direction of flow of the primary heat carrier runs essentially perpendicular to that of the secondary heat carrier. Due to this design of the steam generator it is ensured that the reactor is sufficiently accessible for changing the fuel assembly.

Ein weiterer Wärmeaustauscher mit kreisförmigem Querschnitt und parallel zu seiner Längsachse angeordneten Rohren ist in der ,deutschen Offenlegungsschrift 2 320 083 dargestellt. Er weist „ebenfalls eine im Querschnitt kreisförmige Strönningskammer auf, in der das primäre Medium zu einer perforierten Platte geleitet ~wird, durch die es in den Mantelraum des Wärmeaustauschers strömt. In diesem Raum wird es im Gegenstrom zu dem in den Rohren strömenden sekundären Medium geführt.Another heat exchanger with a circular cross-section and Pipes arranged parallel to its longitudinal axis are shown in German Offenlegungsschrift 2,320,083. He knows "Also has a Strönningskammer with a circular cross-section, in which the primary medium is directed to a perforated plate through which it enters the shell of the heat exchanger flows. In this space it is guided in countercurrent to the secondary medium flowing in the pipes.

Die deutsche Offenlegungsschrift 2 320 082 zeigt einen in der Anordnung der Rohre und der Ausbildung der Strömungskammern -itir das primäre Medium sehr ähnlichen Wärmeaustauscher. In eine kreisringförmige Rohrwand ist eine Anzahl von Rohren eingesetzt, durch die das sekundäre Medium von unten nach oben strömt, nachdem es in einem Zentralrohr nach unten geführt worden ist. Das primäre Medium wird im Gegenstrom an den Rohren entlang nach unten geleitet.The German Offenlegungsschrift 2 320 082 shows one in the Arrangement of the tubes and the design of the flow chambers - heat exchangers very similar to the primary medium. In a circular tube wall is a number of tubes inserted through which the secondary medium flows from bottom to top after it has been guided downwards in a central tube. The primary medium is countercurrently flowing down the pipes directed.

Aus der deutschen Offenlegungsschrift 2 331 563 ist ein Wärmeaustauscher bekannt, der aus mehreren zylindrischen Mänteln zusammengesetzt ist, die konzentrisch angeordnet und durch radiale Abstände getrennt sind. Die beiden wärmeaustauschenden Medien werden dabei in Kanäle geführt, die von an den zylindrischen Mänteln angebrachten Segmenten mit einer Vielzahl von Längs-A heat exchanger is disclosed in German Offenlegungsschrift 2,331,563 known, which is composed of several cylindrical shells, which are arranged concentrically and by radial Distances are separated. The two heat-exchanging media are guided into channels that lead to the cylindrical Sheaths attached segments with a variety of longitudinal

9808/04 9 7 ... 3/9808/04 9 7 ... 3 /

rippen'gebildet werden. Bei dem beschriebenen Wärmeaustauscher handelt es sich also nicht um einen Rohrbündel-Wärmeaustauscher; er läßt sich zudem nicht wirtschaftlich herstellen und besitzt eine schlechtere Wärmeübertragungsleistung als ein Wärmeaustauscher mit Rohrbündeln.ribs' are formed. In the case of the heat exchanger described So it is not a shell and tube heat exchanger; in addition, it cannot be manufactured economically and has a poorer heat transfer performance than a heat exchanger with tube bundles.

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 optimaler Ausnutzung des zur Verfügung stehenden Raumes durch das Bereitstellen möglichst großer Strömungsquerschnitte auf der Primär- und auf der Sekundärseite die Druckverluste gering gehalten werden und damit die Wärmeübertragungsleistung gesteigert wird.The present invention is based on this prior art, its object being a heat exchanger specify the type of construction described above, with the optimal use of the available space by providing the largest possible flow cross-sections on the primary and secondary side, the pressure losses are low are held and thus the heat transfer performance is increased.

.Diese-Aufgabe wird gemäß-der Erfindung dadurch gelöst,-daß die — Geradrohrbündel einen ringförmigen Querschnitt aufweisen und konzentrisch zur Mittelachse des Wärmeaustauschers angeordnet sind und daß die Sammler als^kreisringartige Kammern ausgebildet und ebenfalls konzentrisch zur Mittelachse des Wärmeaustauschers angeordnet sind..This object is achieved according to the invention in that the - Straight tube bundle have an annular cross section and are arranged concentrically to the central axis of the heat exchanger are and that the collector is designed as a ^ circular ring-like chambers and are also arranged concentrically to the central axis of the heat exchanger.

Der Wärmeaustauscher gemäß der Erfindung kann mit besonderem Vorteil als Rekuperator oder Vorkühler im Primärkreislauf eines gasgekühlten Hochtemperaturkernreaktors mit Heliumturbine eingesetzt werden, da er bei guten Wärmeübertragungseigenschaften ein geringes Bauvolumen aufweist. Der in einem Reaktor-Druckbehälter vorgesehene Raum zur Aufnahme der Rekuperatoren und Vorkühler besitzt nur einen begrenzten Querschnitt, der durch die ringzylindrische und konzentrische Anordnung der Geradrohrbündel und die ringförmige Ausbildung der Sammler sehr gut ausgenutzt wird. Auch wenn innerhalb eines Reaktor-Druckbehälters mehrere identische parallelgeschaltete Wärmenutzungskreisläufe vorgesehen sind, wobei als Wärmequelle ein einziger Reaktorkern zur VerfügungThe heat exchanger according to the invention can be used as a recuperator or pre-cooler in the primary circuit with particular advantage Gas-cooled high-temperature nuclear reactor with helium turbine can be used because it has good heat transfer properties has a low construction volume. The one in a reactor pressure vessel The space provided to accommodate the recuperators and pre-coolers has only a limited cross-section, which is through the ring-cylindrical and the concentric arrangement of the straight tube bundle and the annular design of the collector are used very well. Even if several identical heat utilization circuits connected in parallel are provided within a reactor pressure vessel, a single reactor core being available as a heat source

6Q9808/IU97 -..4/6Q9808 / IU97 - .. 4 /

steht,"kann der Wärmeaustauscher gemäß der Erfindung in den einzelnen Kreisläufen als Rekuperator und Vorkühler verwendet werden. Eine weitere Anwendungsmöglichkeit bietet sich bei Kernkraftwerken mit geschlossenem Gaskühlkreislauf zur Erzeugung von Prozeßwärme, bei denen die vom Kühlgas aufgenommene Energie über einen Wärmeaustauscher an einen Sekundärkreislauf abgegeben wird.stands, "can the heat exchanger according to the invention in the individual circuits can be used as recuperator and pre-cooler. Another possible application is with Nuclear power plants with a closed gas cooling circuit for the generation of process heat, in which the heat absorbed by the cooling gas Energy is delivered to a secondary circuit via a heat exchanger.

Der Wärmeaustauscher gemäß der Erfindung arbeitet nach dem Gegenstromprinzip; d.h. an der Austrittsstelle des in den Rohren strömenden Mediums tritt das außerhalb der Rohre strömende Medium in den Wärmeaustauscher ein und umgekehrt. Die Größe der Drücke, Druckdifferenzen, Temperaturen und Temperaturdifferenzen des äußeren und des inneren Mediums können dabei beliebig sein. Als wärmeaustauschende Medien kommen sowohl gasförmige als auch flüssige Medien in Betracht, Es können glatte, künstlich aufgerauhte oder auch längs- oder quergerippte Rohre verwendet werden. The heat exchanger according to the invention works according to the Countercurrent principle; i.e. at the exit point of the medium flowing in the pipes, the medium flowing outside the pipes occurs into the heat exchanger and vice versa. The size of the pressures, pressure differences, temperatures and temperature differences the outer and the inner medium can be arbitrary. Both gaseous and also come as heat-exchanging media liquid media into consideration, it can be smooth, artificially roughened or longitudinally or transversely ribbed tubes can be used.

Auch die Einbau- oder Betriebslage des Wärmeaustauschers - z.B. horizontal, vertikal oder schräg - sowie die Art der Werkstoffe kann beliebig gewählt werden.The installation or operating position of the heat exchanger - e.g. horizontal, vertical or inclined - as well as the type of material can be selected as desired.

"Für manche Anwendungsfälle kann es vorteilhaft sein, die kreisringartigen Kammern, die die Sammler bilden, derart durch Trennwände zu unterteilen, daß die Sammler die Form von Kreisringsegmenten hab^u. Jeder Sammler ist mit einer Zu- bzw. Ableitung für das in den Rohren strömende Medium verbunden. Es ist zweckmäßig, .eine geradzahlige Unterteilung zu wählen."For some applications it can be advantageous to use the circular ring-like Chambers, which form the collector, to be subdivided by partition walls in such a way that the collector has the shape of circular ring segments have ^ u. Each collector is equipped with an inlet or outlet for connected to the medium flowing in the pipes. It is advisable to choose an even-numbered subdivision.

In vorteilhafter Weiterentwicklung des erfindungsgeraäßen Wärmeaustauschers sind die benachbarte Kreisringe bildenden Sammler , in verschiedenen Ebenen senkrecht zur Mittelachse der Wärmeaustauschers angeordnet, wobei die Ebenen jeweils mindestens um die Höhe eines Sammlers voneinander beabstandet sind. DieIn an advantageous further development of the heat exchanger according to the invention are the adjacent circular rings forming collectors, in different planes perpendicular to the central axis of the heat exchanger arranged, wherein the levels are each spaced apart by at least the height of a collector. the

6Q9808/Q497 ...5/6Q9808 / Q497 ... 5 /

Rohrbündel sind bei dieser Ausführung so dicht nebeneinander angeordnet, daß sich die Sammler im Grundriß überdecken. Infolge dieser Versetzung der Sammler kann der zur Verfügung stehende Raum optimal ausgenutzt werden, da sich auf einem gegebenen Querschnitt eine größere Anzahl von Rohrbündeln unterbringen läßt.In this version, tube bundles are arranged so close to one another that that the collectors overlap in plan. As a result of this relocation the collector can use the available Space can be optimally used as it is on a given cross-section can accommodate a larger number of tube bundles.

Die ringförmigen Sammler können ein kastenartiges, ein kreisförmiges oder ein halbkreisförmiges Profil aufweisen; d.h. sie sind als Ringplatten,als Torusschalen oder als halbierte Torusschalen ausgebildet oder stellen Segmente dieser verschiedenen Ausfuhrungsformen dar.The ring-shaped collectors can be box-like or circular or have a semicircular profile; i.e. they are as ring plates, as torus shells or as halved torus shells formed or represent segments of these various embodiments.

Liegt eine Unterteilung der kreisringartigen Kammern in Kreisringsegmentevor, so ist.es zweckmäßig, die Kreisringsegmente einander benachbarter Kreisringe in Umfangsrichtung gegeneinander zu versetzen. Auf diese Weise lassen sich die Zu- bzw. Ableitungen zu den einzelnen Sammlern leichter aus dem Wärmeaustauscher herausführen.If there is a subdivision of the circular ring-like chambers into circular ring segments, So ist.es appropriate, the annulus segments of adjacent annuli against each other in the circumferential direction to move. In this way, the supply and discharge lines to the individual collectors can be more easily removed from the heat exchanger lead out.

Bei einer Ausführungsbrm des erfindungsgemäßen Wärmeaustauschers liegen die Sammler mit zunehmendem Abstand von der Mittelachse des Wärmeaustauschers auf Ebenen, die je um die Höhe eines Sammlers voneinander beabstandet sind. Der Sammler (oder bei Unterteilung in Segmente: die Sammler) mit dem geringsten Achsen-Abstand ist dabei am weitesten von dem mittleren Querschnitt des Wärmeaustauschers entfernt, so daß - bei senkrecht angeordnetem Wärmeaustauscher und im Längsschnitt gesehen - die Sammler von innen nach außen stufenartig absteigen.In one embodiment of the heat exchanger according to the invention With increasing distance from the central axis of the heat exchanger, the collectors lie on levels that are each around the height of a collector are spaced from each other. The collector (or if subdivided into segments: the collector) with the smallest axis distance is furthest away from the central cross section of the heat exchanger, so that - when arranged vertically Heat exchanger and seen in a longitudinal section - the collectors descend in stages from the inside to the outside.

Es sind auch andere Anordnungen der Sammler möglich; so können beispielsweise einige Sammler mit unterschiedlichem Abstand von der Mittelachse des Wärmeaustauschers auf der gleichen Ebene liegen, wobei sie durch mindestens einen auf anderer Ebene liegenden Sammler voneinander getrennt sind. In diesem FalleOther arrangements of the collectors are also possible; for example, some collectors can have different distances from the central axis of the heat exchanger lie on the same plane, with at least one lying on a different plane Collectors are separated from each other. In this case

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2 4 3 7 O 1 B2 4 3 7 O 1 B

brauchen weniger Ebenen vorgesehen zu sein.fewer levels need to be provided.

Besonders vorteilhaft ist es, den erfindungsgemäßen Wärmeaustauscher in Elementbauweise herzustellen. Er ist dann aus einer Anzahl von im Querschnitt ringförmigen oder ringsegmentförmigen Elementen zusammengesetzt, die von besonderen Mantelblechen umschlossen sind. Die einzelnen Elemente können auch völlig gegeneinander abgedichtet sein. Bei Undichtigkeiten im Wärmeaustauscher ist es somit möglich, einzelne Elemente stillzulegen und zu reparieren bzw. sie auszutauschen. Die Anzahl der Elemente ist beliebig.It is particularly advantageous to use the heat exchanger according to the invention to be produced in element construction. It is then made up of a number of ring-shaped or ring-segment-shaped cross-sections Assembled elements that are enclosed by special cladding sheets. The individual elements can also be completely opposed to one another be sealed. In the event of leaks in the heat exchanger, it is thus possible to shut down individual elements and to repair or replace them. The number of elements is arbitrary.

,Zweckmäßigerweise werden die Anschlußleitungen, die der Zuführung bzw. Weiterführung des in den Rohren strömenden Mediums dienen, von den einzelnen Sammlern zunächst zum äußeren Umfang des Wärmeaustauschers und sodann in Richtung der Achse des Wärmeaustauschers oder unter einem Winkel zu ihr geführt. Darauf werden sie in einem weiteren Schritt zur Mitte zurückgeführt und dort gebündelt, bevor sie zu einem Sammelkopf oder Endsammler geleitet werden.Appropriately, the connecting lines that the supply or the continuation of the medium flowing in the tubes, from the individual collectors initially to the outer circumference of the heat exchanger and then guided in the direction of the axis of the heat exchanger or at an angle to it. Then they will in a further step returned to the center and bundled there before being directed to a collecting head or end collector will.

In der Zeichnung sind mehrere Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Wärmeaustauschers schematisch dargestellt, und zwar zeigen:In the drawing are several embodiments of the invention Heat exchanger shown schematically, namely show:

Fig. 1 den Längsschnitt eines als Rekuperator in einem Kernkraftwerk eingesetzten Wärmeaustauschers,1 shows the longitudinal section of a heat exchanger used as a recuperator in a nuclear power plant,

Fig. 2 einen Schnitt durch diesen Wärmeaustauscher nach der Linie II - II der Fig. 1,FIG. 2 shows a section through this heat exchanger along the line II - II of FIG. 1,

Fig. 3 eine andere Ausführungsart eines Wärmeaustauschers gemäß der Erfindung im Längsschnitt mit versetzten Sammlern,Fig. 3 shows another embodiment of a heat exchanger according to the invention in longitudinal section with offset Collectors,

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2437 01 B2437 01 B

Flg. 4 einen Schnitt durch diesen nach' der Linie IV - IV der Fig. 3,Flg. 4 shows a section through this along the line IV - IV of Fig. 3,

Fig. 5 eine weitere Ausführungsart des Wärmeaustauschers mit ringsegmentartigen Sammlern im Längsschnitt,Fig. 5 shows a further embodiment of the heat exchanger with ring segment-like collectors in longitudinal section,

Fig. 6 einen Schnitt durch diesen Wärmeaustauscher nachFig. 6 shows a section through this heat exchanger

der Linie VI - VI der Fig. 5, in vereinfachter - - Darstellung,the line VI - VI of FIG. 5, in a simplified representation,

Fig. 7 eine Draufsicht auf den Wärmeaustauscher gemäß Fig. 5,7 shows a plan view of the heat exchanger according to FIG. 5,

Fig. 8 ein weiteres Beispiel für einen Wärmeaustauscher mit versetzten Sammlern, im Längsschnitt gesehen.8 shows a further example of a heat exchanger with offset collectors, seen in longitudinal section.

Die Fig. 1 läßt einen rekuperativen Wärmeüberträger oder Rekuperator erkennen, der zum Primärkreislauf eines Hochtemperatur- -r-eaktors-mit Heliumturbine gehört und wie alle anderen Komponenten des Kreislaufs in einem vertikalen Pod 1 in_der Wandung 2 des Spannbetondruckbehälters untergebracht ist. Der Pod 1 ist mit einem gasdichten Stahlliner 3 ausgekleidet, der mit Wasser gekühlt und mit einem Temperaturschutz versehen ist (nicht dargestellt). Der Rekuperator besteht im wesentlichen aus einem Leitmantel 4 mit kreisförmigem Querschnitt, aus einer Vielzahl von Rohrbündeln 5, die an ihren beiden Enden je an einen Sammler 6 bzw. 7 angeschlossen sind, und aus den Zu- bzw. Abführungs- -leitungen 8 bzw. 9 für die Sammler. Ferner weist der Wärmeaustauscher noch eine Umlenkeinrichtung 10 für das.äußere Medium auf, durch die der freie Querschnitt des Wärmeaustauschers eingeengt wird.Fig. 1 leaves a recuperative heat exchanger or recuperator recognize that is part of the primary circuit of a high-temperature -r-eaktors-mit heliumturbine belongs and like all other components of the circuit in a vertical pod 1 in_der wall 2 of the Prestressed concrete pressure vessel is housed. The pod 1 is lined with a gas-tight steel liner 3 which is cooled with water and is provided with a temperature protection (not shown). The recuperator essentially consists of one Guide jacket 4 with a circular cross-section, made up of a plurality of tube bundles 5, each of which is connected to a collector at both ends 6 and 7 are connected, and from the supply and discharge lines 8 and 9 for the collector. Furthermore, the heat exchanger another deflection device 10 for the outer medium, through which the free cross section of the heat exchanger is narrowed will.

Die Rohrbündel 5 bestehen aus parallel zur Mittelachse des Wärmeaustauschers verlaufenden Geradrohren, die glatt, aufgerauht oder gerippt sein können. Wie aus Fig. 2 ersichtlich,The tube bundles 5 consist of straight tubes that run parallel to the central axis of the heat exchanger and that are smooth and roughened or can be ribbed. As can be seen from Fig. 2,

9808/0497 . ... 8/9808/0497. ... 8th/

24370 Ί 624370 Ί 6

— ο —- ο -

besitzen die Rohrbündel einen ringförmigen Querschnitt und sind konzentrisch zur Mittelachse des Wärmeaustauschers angeordnet. Die Sammler 6 bzw. 7 sind ebenfalls im Querschnitt ringförmig ausgebildet und konzentrisch zur Mittelachse des Wärmeaustauschers angeordnet. Jeder Sammler stellt eine kreisringartige Kammer dar, die die Form eines halbierten Torus hat und deren Boden 11 von einer Lochplatte gebildet wird, in der die Rohre eines Rohrbündels 5 eingesetzt sind. Alle Sammler 6 sind je mit einer Zuführungsleitung 8 und alle Sammler 7 je mit einer Abführungsleitung 9 für das innere Medium verbunden. Das äußere Medium wird durch einen Ringspalt 12 in den Bereich des Wärmeaustauschers geführt und tritt dann seitlich in den Raum zwischen den Rohrbündeln 5 ein, den es von unten nach oben - also im Gegenstrom zu dem inneren Medium - durchströmt.the tube bundles have an annular cross section and are arranged concentrically to the central axis of the heat exchanger. The collectors 6 and 7 are also annular in cross section and are concentric to the central axis of the heat exchanger arranged. Each collector represents a circular ring-like chamber, which has the shape of a halved torus and its Bottom 11 is formed by a perforated plate in which the tubes of a tube bundle 5 are inserted. All collectors are 6 each with a supply line 8 and all collectors 7 each connected to a discharge line 9 for the inner medium. The outer Medium is led through an annular gap 12 into the area of the heat exchanger and then laterally enters the space between the tube bundle 5, which it moves from bottom to top - that is, in countercurrent to the inner medium - flows through.

-JDa 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, das durch den Ringspalt 12 dem Wärmeaustauscher zugeleitet wird, durchströmt diesen mantelseitig, wie durch Pfeile angedeutet. Durch einen Ringspalt 13 tritt das abgekühlte Helium seitwärts wieder aus dem Wärmeaustauscher aus und wird zu einem 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. Durch die Zuführungsleitungen 8 und die Sammler 6 gelangt das Helium -in die Rohre der Rohrbündel 5, die es von oben nach unten durchströmt, wobei es sich erwärmt. In den Sammlern 7 wird das Gas wieder gesammelt und durch die Abführungsleitungen 9 aus dem Rekuperator geführt. Hierauf wird das Helium zum Kern des Reaktors zurückgeleitet.-JDa the illustrated embodiment the recuperator one As far as high-temperature reactor with helium turbine is concerned, the two media exchanging heat with one another are helium. The hot low-pressure gas coming from the turbine, which is fed to the heat exchanger through the annular gap 12, flows through it this on the shell side, as indicated by arrows. The cooled helium emerges laterally through an annular gap 13 from the heat exchanger and is carried on to a pre-cooler (not shown), which is also on the shell side flows through. After the helium has passed the pre-cooler and has been compressed again to high pressure in a compressor, it is returned to the recuperator as high pressure gas. The helium passes through the supply lines 8 and the collectors 6 -in the tubes of the tube bundle 5, which it flows through from top to bottom, whereby it heats up. The gas is collected again in the collectors 7 and out of the recuperator through the discharge lines 9 guided. The helium is then returned to the core of the reactor.

6Q9808/CU976Q9808 / CU97

243701B243701B

Der zentrale Innenraum 14 des Wärmeaustauschers kann ebenfalls für die Wärmeübertragung ausgenutzt werden. Bei diesem Ausführungsbeispiel nimmt er ein weiteres Rohrbündel auf, das einen kreisförmigen Querschnitt besitzt. Es ist mit zwei Sammlern 15 und verbunden, an die sich ebenfalls eine Zuführungsleitung 8 und eine Abführungsleitung 9 anschließen.The central interior space 14 of the heat exchanger can also be used for heat transfer. In this embodiment, he takes on another tube bundle, which is a circular Has cross-section. It is connected to two collectors 15 and, to which a supply line 8 and connect a discharge line 9.

Die Figuren 3 und 4 zeigen einen Wärmeaustauscher, der in einem Kernkraftwerk mit geschlossenem Gaskühlkreislauf zur Erzeugung von Prozeßwärme eingesetzt ist. De* Wärmeaustauscher hat hier die Aufgabe, die vom Kühlgas - dem Primärgas - aufgenommene Energie an einen sekundären Kreislauf abzugeben. In dem gezeigten 'Ausführungsbeispiel wird in beiden Kreisläufen Helium verwendet; als Sekundärmedium kann aber beispielsweise auch Wasser benutzt werden. In allen Figuren sind gleiche Gegenstände mit den gleichen Bezugsziffern bezeichnet.Figures 3 and 4 show a heat exchanger in a Nuclear power plant with closed gas cooling circuit for generating process heat is used. De * has heat exchanger here the task that is absorbed by the cooling gas - the primary gas Transferring energy to a secondary circuit. In the embodiment shown, helium is used in both circuits; however, water, for example, can also be used as a secondary medium. In all figures, the same objects are the same Reference numerals denoted.

In. der Wandung 2 eines Spannbetondruckbehälters ist ein mit einem Stahlliner 3 ausgekleideter Pod 1 vorgesehen, der den Wärmeaustauscher aufnimmt. Der Wärmeaustauscher umfaßt eine Vielzahl von in einem Leitmantel 4 angeordneten Rohrbündeln 5 von kreiszylindrischer Gestalt. Jedes Rohrbündel 5 ist an seinen beiden Enden je mit einem Sammler 6 bzw. 7 verbunden, und an jeden Sammler 6 bzw. 7 schließt sich eine Zu- bzw. Abführungsleitung 8 bzw. 9 an.In. the wall 2 of a prestressed concrete pressure vessel is provided with a pod 1 lined with a steel liner 3, which supports the Receives heat exchanger. The heat exchanger includes a plurality arranged in a guide jacket 4 tube bundles 5 of circular cylindrical shape. Each tube bundle 5 is connected at its two ends to a collector 6 and 7, respectively, and to each Collectors 6 and 7 are followed by a supply and discharge line 8 and 9, respectively.

Die Sammler 6 und 7 bilden kreisringartige Kammern mit halbkreisförmigem Querschnitt, die konzentrisch zur Mittelachse des Wärmeaustauschers liegen; in den Boden 11 dieser Kammern sind die Rohre der Rohrbündel 5 eingesetzt. Um eine größere Anzahl von Rohrbündeln 5 auf dem vorgegebenen Querschnitt unterbringen zu können, sind die Sammler 6 bzw. die Sammler 7 in drei verschiedenen horizontalen Ebenen ABC bzw. EFG angeordnet, die je um mehr als die Höhe eines Sammlers voneinander beabstandet sind.The collectors 6 and 7 form circular ring-like chambers with a semicircular Cross-section which are concentric to the central axis of the heat exchanger; in the bottom 11 of these chambers are the Tubes of the tube bundle 5 are used. To accommodate a larger number of tube bundles 5 on the given cross section can, the collector 6 and the collector 7 are in three different arranged horizontal planes ABC and EFG, which are each spaced from one another by more than the height of a collector.

098 08/0497 ... 10/098 08/0497 ... 10 /

Benachbarte Sammler liegen stets auf verschiedenen Ebenen, und zwar in einem solchen Abstand von der Mittelachse des Wärmeaustauschers, daß sich die Sammler im Grundriß überdecken. In der Fig. 2 ist dies deutlich erkennbar. Die Sammler mit dem kleinsten Abstand von der Mittelachse des Wärmeaustauschers liegen auf der höchsten Ebene; mit zunehmendem Abstand steigen sie stufenweise nach unten. Der zentrale Innenraum 14 des Wärmeaustauschers bleibt frei von Rohrbündeln 5; er kann beispielsweise für die Zu- oder Rückführung des inneren oder äußeren Mediums ausgenutzt werden. Es ist aber auch möglich, ihn ebenfalls zur Wärmeübertragung heranzuziehen. Neighboring collectors are always on different levels, and at such a distance from the central axis of the heat exchanger that the collectors overlap in plan. In the This can be clearly seen in FIG. 2. The collectors with the smallest distance from the central axis of the heat exchanger are on top the highest level; as the distance increases, they gradually descend. The central interior 14 of the heat exchanger remains free of tube bundles 5; it can be used, for example, for the supply or return of the inner or outer medium will. But it is also possible to use it for heat transfer as well.

«Das im Reaktorkern erhitzte Primär-Helium tritt von oben in den Wärmeaustauscher ein, wie durch Pfeile angedeutet. Es wird an den Rohrbündeln 5 entlang nach unten geführt, wobei es sich durch das in den Rohrbündeln entgegenströmende Helium des Sekundärkreislaufes abkühlt. Nachdem das Primär-Helium den Wärmeaustauscher verlassen hat, wird es in einem Gebläse verdichtet (nicht dargestellt) und zum Kernreaktor zurückgeführt. Das Sekundär-Helium gelangt von unten durch die Zuführungsleitungen in die Sammler 6 und wird von diesen auf die Rohre der Rohrbündel 5 verteilt. Im Gegenstrom zu dem Primär-Heliura strömt es nach oben, erwärmt sich und verläßt den Wärmeaustauscher durch die Sammler 7 und die Abführungsleitungen 9. In (nicht dargestellten) Gasleitungen wird das heiße Sekundär-Helium schließlich aus dem Spannbetondruckbehälter herausgeführt und seiner weiteren Verwendung zugeleitet.“The primary helium heated in the reactor core enters the from above Heat exchanger on, as indicated by arrows. It is guided down along the tube bundles 5, whereby it is is cooled by the helium of the secondary circuit flowing in the opposite direction in the tube bundles. After the primary helium the heat exchanger has left, it is compressed in a fan (not shown) and returned to the nuclear reactor. The secondary helium comes from below through the supply lines into the collector 6 and is from these onto the tubes of the tube bundle 5 distributed. In countercurrent to the primary Heliura it flows upwards, heats up and leaves the heat exchanger the collector 7 and the discharge lines 9. The hot secondary helium is finally in gas lines (not shown) out of the prestressed concrete pressure vessel and forwarded to its further use.

Die Figuren 5, 6 und 7 zeigen ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Wärmeaustauschers, und zwar wird wieder ein zu einem Kernkraftwerk mit geschlossenem Gaskühlkreislauf gehörender Rekuperator dargestellt. Das Kernkraftwerk umfaßt jedoch mehrere V/ärmenutzungskreisläufe oder Loops, die untereinander identisch und über den Reaktorkern gekoppelt sind.Figures 5, 6 and 7 show a further embodiment of the heat exchanger according to the invention, namely a again A recuperator belonging to a nuclear power plant with a closed gas cooling circuit is shown. The nuclear power plant includes However, several V / arm usage circuits or loops, which are among each other are identical and coupled via the reactor core.

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Zu jedem dieser Kreisläufe gehören eine Heliumturbine, Verdichter und wärmetauschende Apparate (Rekuperatoren,Vorkühler und Zwischenkühler). Einer dieser Rekuperatoren - und zwar nur sein oberer Teil - ist in der Fig. 5 gezeigt.A helium turbine and compressor belong to each of these circuits and heat-exchanging devices (recuperators, pre-coolers and intercoolers). One of these recuperators - and that only its upper part - is shown in FIG.

Der Rekuperator ist wieder in einem vertikalen Pod 1 in der Wandung 2 des Spannbetondruckbehälters untergebracht. Der Pod 1 ist mit einem Stahlliner 3 ausgekleidet und der Rekuperator in einem Leitmantel 4 mit kreisförmigem Querschnitt angeordnet. Eine Vielzahl von parallel zur Mittelachse des Rekuperators verlaufenden Geradrohrbündeln 20 ist an ihren beiden Enden in Sammler eingesetzt, von denen nur die Sammler 21, die auf der Zuführungsseite liegen, zu sehen sind. An die Sammler 21 schließen sich Zuführungsleitungen 22 für das innere Medium an, die mit einem Endsammler oder Sammelkopf 23 verbunden sind. Der zentrale Innenraum des Rekuperators ist mit einem im Querschnitt kreisförmigen Rohrbündel 24 bestückt, an das sich oben ein Sammler 25 anschließt. Auch dieser Sammler ist über eine Zuführungsleitung 22 mit dem Sammelkopf 23 verbunden.The recuperator is again housed in a vertical pod 1 in the wall 2 of the prestressed concrete pressure vessel. Of the Pod 1 is lined with a steel liner 3 and the recuperator is arranged in a guide jacket 4 with a circular cross-section. A plurality of straight tube bundles 20 running parallel to the central axis of the recuperator are on both of them Ends inserted into collectors, of which only the collectors 21, which are on the feed side, can be seen. To the collectors Feed lines 22 for the inner medium, which are connected to an end collector or collecting head 23, are connected to it. The central interior of the recuperator is equipped with a tube bundle 24 which is circular in cross section and which is attached to the top a collector 25 connects. This collector is also connected to the collecting head 23 via a feed line 22.

Die konzentrisch angeordneten Rohrbündel 20 haben im Querschnitt die Form von Ringsegmenten, die von Mantelblechen 27 und radial angeordneten Blechen 28 umgeben sind, so daß sich einzelne Boxen oder Elemtne 26 herausgebildet haben. Aus der Fig. 6 sind die ringsegmentartigen Querschnitte der Elemente 26 sowie der Rohrbündel 20 gut zu erkennen, wobei der Übersichtlichkeit wegen nur jeweils e ne Wandung aneinandergrenzender Elemente eingezeichnet ist.The concentrically arranged tube bundles 20 have the shape of ring segments in cross section, those of jacket plates 27 and radially arranged metal sheets 28 are surrounded, so that individual boxes or elements 26 have formed. From Fig. 6 are the ring segment-like cross-sections of the elements 26 and the tube bundle 20 can be seen well, with only each e ne wall of adjoining elements is shown.

Die Sammler 21 haben ebenfalls die Form von Ringsegmenten, wobei die ursprünglich vorhandenen kreisringartigen Kammern durch radial verlaufende Trennbleche 19 unterteilt sind. Die Sammler besitzen ein kastenartiges Profil, so daß sie Teile von Ringplatten darstellen. Jedes Ringplatten-Segment ist mitThe collectors 21 also have the shape of ring segments, the originally present circular ring-like chambers are divided by radially extending partitions 19. the Collectors have a box-like profile so that they represent parts of ring plates. Each ring plate segment is with

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einer Zuführungsleitung 22 versehen, vie aus Fig. 7 ersieht- . lieh. Die einen Kreisring bildenden Segmente oder Sammler 21 liegen auf der gleichen horizontalen Ebene, während die Kreisringe untereinander auf verschiedenen Ebenen A, B, C, D senkrecht zur Hittelachse des Rekuperators angeordnet sind. Der Kreisring mit dem kleinsten Mittenabstand liegt auf der Ebene A, die um mehr als die Höhe einer Ringplatte von der nächsten Ebene B entfernt ist. Den gleichen Abstand voneinander weisen auch die Ebenen B und C sowie die Ebenen C und D auf, auf denen weitere Kreisringe angeordnet sind.a supply line 22 is provided, as seen from FIG. borrowed. The segments or collectors 21 forming a circular ring lie on the same horizontal plane, while the circular rings are arranged one below the other on different levels A, B, C, D perpendicular to the central axis of the recuperator. Of the The circular ring with the smallest center-to-center distance lies on plane A, which is more than the height of one ring plate from the next Level B is removed. The same distance from each other are also the planes B and C and the planes C and D on which further circular rings are arranged.

Die Zuführung des inneren Mediums und Verteilung auf die einzelnen Rohrbündel 20 erfolgt durch den Sammelkopf 23 und die mit den Sammlern 21 verbundenen Leitungen 22. Wie aus den Figuren 5 und 7 ersichtlich, sind die Leitungen 22 so verlegt, daß sie zunächst von den Sammlern 21 an den äußeren Umfang des Rekuperators und von dort parallel zur Achse des Rekuperators nach oben geführt werden. Hierauf werden sie in die Mitte geführt und gebündelt und darauf zu dem Sammelkopf 23 umgeleitet. Auf diese Weise wird der zur Verfügung stehende Raum optimal ausgenutzt, und das Leitungssystem besitzt eine große Elastizität. The supply of the inner medium and distribution to the individual The tube bundle 20 takes place through the collecting head 23 and the lines 22 connected to the collectors 21. As shown in the figures 5 and 7 can be seen, the lines 22 are laid so that they are initially from the collector 21 to the outer periphery of the Recuperators and from there are guided upwards parallel to the axis of the recuperator. They are then led to the center and bundled and then diverted to the collecting head 23. In this way, the available space is optimal exploited, and the line system has great elasticity.

Das von der Turbine kommende entspannte Gas tritt von unten in den Rekuperator ein, den es mantelseitig durchströmt, wobei es seine Wärme an das in den Rohrbündeln 20 geführte Gas abgibt, das in Gegenrichtung strömt. DurcJh einen Stollen in dem Spannbetonbehälter (nicht dargestellt) wird das abgekühlte Gas einem Vorkühler zugeleitet. Nachdem es in einem Kompressor wieder verdichtet worden ist, wird das Helium durch einen weiteren Stollen 27 zum Rekuperator zurückgeführt, wo es zunächst in den Sammelkopf 23 eintritt. Hier wird es auf die einzelnen Zuführungsleitungen 22 verteilt und tritt durch die Sammler 21 in die Rohrbündel 20 ein. Nachdem das erwärmte Gas durch die unterenThe expanded gas coming from the turbine enters the recuperator from below, through which it flows on the shell side, whereby it gives off its heat to the gas guided in the tube bundles 20, which flows in the opposite direction. Through a tunnel in the prestressed concrete tank (not shown) the cooled gas is fed to a precooler. After it is compressed again in a compressor has been, the helium is returned through a further tunnel 27 to the recuperator, where it is initially in the Collecting head 23 enters. Here it is distributed to the individual supply lines 22 and passes through the collectors 21 into the Tube bundle 20 a. After the heated gas through the lower

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Sammler und die Abführungsleitungen den Rekuperator verlassen hat, wird es in einem unteren Sammelkopf gesammelt und durch einen Gasführungspod zu dem Kernreaktor geleitet.Collector and discharge lines leave the recuperator it is collected in a lower collecting head and passed through a gas guide pod passed to the nuclear reactor.

In der Fig. 8 ist ein weiteres Beispiel eines Wärmeaustauschers mit versetzten Sammlern dargestellt, der wie der in der Fig. gezeigte Wärmeaustauscher als Rekuperator in einem Kernkraftwerk dient. An die ringzylindrischen Rohrbündel 5 schließen •sich oben ringförmige Sammler 30 an, die die Form von Torusschalen haben. Gleichgestaltete Sammler 31 sind an den unteren Enden der Rohrbündel 5 angeschlossen. Die Sammler 30 bzw. 31 sind mit Zuführungsleitungen 8 bzw. Abführungsleitungen 9 für das innere Medium verbunden. Der zentrale Innenraum 14 enthält keine Rohrbündel.FIG. 8 shows another example of a heat exchanger with offset headers which, like the one in FIG. The heat exchanger shown serves as a recuperator in a nuclear power plant. Close to the ring-cylindrical tube bundle 5 • At the top, annular collectors 30, which are in the form of torus shells to have. Identical collectors 31 are connected to the lower ends of the tube bundle 5. The collectors 30 and 31, respectively are connected to supply lines 8 and discharge lines 9 for the inner medium. The central interior 14 contains no tube bundles.

Die Sammler 30 sind derart gegeneinander versetzt angeordnet, daß benachbarte Sammler auf Ebenen liegen, die jeweils um mehr als die Höhe eines Sammlers voneinander beabstandet sind. Im ganzen sind fünf ringförmige Sammler vorgesehen, von denen der in der Mitte befindliche Sammler auf der höchsten Ebene - der Ebene A - liegt. Die beiden diesem Sammler benachbarten Sammler sind auf der nächstfolgenden Ebene - der Ebene B angeordnet, und die ringförmigen Sammler, die den größten und den kleinsten Abstand zur Mittelachse des Rekuperators besitzen, liegen gemeinsam auf der Ebene C. Die Sammler 31 sind in gleicher Weise auf den Ebenen E, F und G angeordnet. Die Rohrbündel 5 sind so d'ent nebeneinander installiert, daß sich die Sammler 30 bzw. 31 im Grundriß überdecken.The collectors 30 are offset from one another in such a way that adjacent collectors are on levels that are each by more are spaced apart from each other than the height of a header. A total of five ring-shaped collectors are provided, of which the collector in the middle is on the highest level - level A. The two neighboring this collector Collectors are arranged on the next level - level B, and the ring-shaped collectors, which have the greatest and the smallest distance to the central axis of the recuperator, lie together on level C. The collectors 31 are arranged in the same way on levels E, F and G. The tube bundle 5 are so d'ent installed side by side that the collectors Cover 30 or 31 in the plan.

Auch bei diesem Rekuperator wird das von einer Heliumturbine kommende heiße Gas mantelseitig von unten durch den Rekuperator geführt, während das zu erwärmende Gas im Gegenstrom durch die Rohre der Rohrbündel 5 geleitet wird. Nach Verlassen der Sammler 31 gelangt das Gas durch die Leitungen 9 und weitereThis is also done by a helium turbine in this recuperator The incoming hot gas is passed through the recuperator on the shell side from below, while the gas to be heated flows through in countercurrent the tubes of the tube bundle 5 is passed. After leaving the collector 31, the gas passes through the lines 9 and others

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Gasführungen (nicht dargestellt) zurück zum Kernreaktor.Gas ducts (not shown) back to the nuclear reactor.

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Claims

Heat exchanger disposed of circular cross section having a plurality of within a conduction sleeve and joined to tube bundles parallel to the central axis of the heat exchanger extending straight tubes, the tubes of each bundle are each gathered together at its two ends to a collector, eichnet gekennz characterized in that the Geradrohrbündel (5 , 20) have an annular cross-section and are arranged concentrically to the central axis of the heat exchanger and that the collectors (6,7,21,30,31) are designed as annular chambers and are also arranged concentrically to the central axis of the heat exchanger.

2. Heat exchanger according to claim 1, dadur c h characterized in that the circular ring-like chambers are subdivided by partition walls (19) in such a way that the collectors are in the form of circular ring segments (21) which are each connected to a connecting line (22).

3. Heat exchanger according to claim 1 or 2, characterized in that the adjacent circular rings forming collector (6,7,21,30,31) in different planes (A, B, C, D; E, F, G) perpendicular to The central axis of the heat exchanger is arranged, each of which is spaced from one another by at least the height of a collector, and that the tube bundles (5, 20) are arranged so close to one another that the collector (6, 7, 21, 30, 31) cover in plan.

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2 4 3 7 Π 1 6 2 4 3 7 Π 1 6

4. .Heat exchanger according to claim 1, 2 or 3, characterized in that the collector (21) have a box-like profile.

5. Heat exchanger according to claim 1, -2 or 3, characterized in that the collectors (30, 31) have a circular profile.

6. Heat exchanger according to claim 1, 2 or 3, characterized in that the collectors (6, 7) have a semicircular profile.

7. Heat exchanger according to claim 2, characterized in that the circular ring segments (21) of adjacent circular rings functioning as collectors are offset from one another in the circumferential direction.

8. Heat exchanger according to claim 3, characterized in that the collector (6 or 7, 21) with increasing distance from the central axis of the heat exchanger on planes (A, B, C, D or E, F, G) are which are each spaced from one another by the height of a collector, the collector or collectors with the smallest axial spacing being farthest from the central cross section of the heat exchanger.

9. Heat exchanger according to claim 3, characterized in that collectors (30 or 31) are at different distances from the central axis of the heat exchanger on the same plane (B or C or F or G), with at least one on another plane (A or E) lying collector (30 or 31) are separated from each other.

10. Heat exchanger according to claim 1, 2 or 3 and one or more of the preceding claims, characterized in -

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net that the heat exchanger consists of a number of elements (26) which are ring-shaped or ring-segment-shaped in cross-section and which are enclosed by cladding sheets (27). - "..- ..

11. A heat exchanger according to claim 1, 2 or 3 and one or more of the preceding claims, characterized ekennzei g seframe that the connection lines (8,9,22) for feeding or continuing the flowing in the tube bundles (5.20) medium from the individual collectors (6,7,21,30,31) first to the outer circumference of the heat exchanger and then in the direction of the axis of the heat exchanger or at an angle to it and that they are then returned to the center, where they are bundled and to a collecting head (23).

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