DE2459189A1

DE2459189A1 - Waermetauscher kreisfoermigen querschnitts fuer gasfoermige medien

Info

Publication number: DE2459189A1
Application number: DE19742459189
Authority: DE
Inventors: Alija Dipl Ing Hodzic; Heinrich Stach
Original assignee: Hochtemperatur Reaktorbau GmbH
Current assignee: Hochtemperatur Reaktorbau GmbH
Priority date: 1974-12-14
Filing date: 1974-12-14
Publication date: 1976-06-16
Also published as: CH601758A5; DE2459189C2

Description

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HOCHTEMPERATUR-REAKTORBAU GmbH

5 Köln 1
Zeppelinstraße 15

Wärmetauscher kreisförmigen Querschnitts für gasförmige

Medien

Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher kreisförmigen Querschnitts für gasförmige Medien mit einer Vielzahl von innerhalb eines Leitmantels angeordneten und zu Rohrbündeln vereinigten, parallel zur Mittelachse des Wärmetauschers verlaufenden Geradrohren, wobei die Rohre jedes Bündels an ihren beiden Enden je zu einem Sammler zusammengefaßt sind.

Derartige Wärmetauscher sind generell im Anlagenbau anwendbar; beispielsweise können sie in geschlossenen Gasturbinenanlagen

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eingesetzt werden. Ein bevorzugtes Anwendungsgebiet bildet die Kernkraftwerkstechnik, bei der die Wärmetauscher in voll- oder teilintegrierten Reaktorsystemen als Rekuperatoren (Wärmetauscher Gas/Gas) Verwendung finden. Sie sind dann mit dem Kernreaktor zusammen in einem Druckbehälter angeordnet, der aus Spannbeton oder vorgespanntem Metall hergestellt sein kann. Bei dem verwendeten Kernreaktortyp kann es sich um Schnelle Brüter oder auch um gasgekühlte Hochtemperaturreaktoren mit einem oder mehreren Wärmenutzungskreisläufen handeln, Es spielt auch keine Rolle, ob die im Kernreaktor erzeugte Wärmeenergie zur Gewinnung elektrischer Energie ausgenutzt oder an Prozeßwärmeanlagen abgegeben wird.

Aus der Offenlegungsschrift 1 551 037 ist ein Dampferzeuger bekannt, der aus einer Vielzahl von Einzelelementen aus dicht nebeneinander angeordneten geraden Rohren derart zusammengesetzt ist, daß sich eine im wesentlichen ringzylindrische 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, d.aß der Reaktor für den Brennelementwechsel ausreichend zugänglich ist.

Ein weiterer Wärmetauscher mit kreisförmigem Querschnitt und parallel zu seiner Längsachse angeordneten Rohren ist in der Offenlegungsschrift 2 320 083 dargestellt. Er weist ebenfalls eine im Querschnitt kreisförmige Strömungskammer auf, in der das primäre Medium zu einer perforierten Platte geleitet wird, durch die es in den Mantelraum des Wärmetauschers strömt. In diesem Raum wird es im Gegenstrom zu dem in den Rohren strömenden sekundären Medium geführt.

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•3.

Die Of.fenlegungsschrift 2 320 082 zeigt einen in der Anordnung der Rohre und der Ausbildung der Strömungskammern für das primäre Medium sehr ähnlichen Wärmetauscher. 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.

Aus der ,Offenlegungsschrift 2 331 563 ist ein Wärmetauscher bekannt, der aus mehreren zylindrischen Mänteln zusammengesetzt ist, die konzentrisch angeordnet und durch radiale Abstände getrennt sind. Die beiden wärmetauschenden Medien werden dabei in Kanälen geführt, die von an den zylindrischen Mänteln angebrachten Segmenten mit einer Vielzahl von Längsrippen gebildet werden. Bei dem beschriebenen Wärmetauscher handelt es sich also nicht um einen Rohrbündel-Wärmetauscher; er läßt sich zudem nicht wirtschaftlich herstellen und besitzt eine schlechtere Wärmeübertragungsleistung als ein Wärmetatischer mit Rohrbündeln.

Ferner wird noch auf die Offenlegungsschriften 1 401 666 und 2 120 544 hingewiesen, in denen Wärmetauscher aus parallel angeordneten Einzelelementen beschrieben sind, die sich aus einer Vielzahl von an ihren Enden mit Kopfstücken oder Rohrboden verbundenen Rohren zusammensetzen. Die so gebildeten Rohrbündel oder Rohrkörper besitzen einen runden oder polygonalen Querschnitt und sind mit eigenen Zu- und Abführungsleitungen versehen.

Von diesem Stand der Technik wird bei der vorliegenden Erfindung ausgegangen, wobei ihr die Aufgabe zugrunde liegt, einen Wärmetauscher der eingangs beschriebenen Bauart anzugeben, bei dem sich Montage, Demontage und Reparatur auch unter er-

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schwerten Bedingungen ohne großen Aufwand durchführen lassen. Unter erschwerten Bedingungen wird hier beispielsweise die Kontamination des Wärmetauschers oder seines Einsatzortes verstanden. Ein- und Ausbau des Wärmetauschers sowie auch das Dichtsetzen undichter Rohre ist in solchem Falle nur mittels Fernbedienung möglich.

Die gestellte Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß die Geradrohrbündel einen ringförmigen Querschnitt aufweisen und die Sammler für die einzelnen Rohrbündel als kreisringartige Kammern ausgebildet sind, daß Rohrbündel und Sammler konzentrisch zur Mittelachse des Wärmetauschers angeordnet sind, daß der Verteilerkopf für die Zuführung des gasförmigen Mediums zu den Rohrbündeln als Kugelboden ausgebildet ist in dem jeweils mit einer der kreisringartigen Kammern an dem einen Ende der Rohrbündel in Verbindung stehende Rohre eingesetzt sind, daß alle kreisringartigen Kammern am anderen Ende der Rohrbündel je in eine Rohrleitung münden und diese Rohrleitungen am Umfang des Wärmetauschers als Kompensationsschleifen geführt sind und daß oberhalb des Kugelbodens ein als Ringsammler ausgebildeter Endsammler angeordnet ist, in den die Rohrleitungen eintreten.

Der Wärmetauscher gemäß der Erfindung kann mit besonderem Vorteil als Rekuperator 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 besitzt nur einen begrenzten Querschnitt, der durch die ringzylindrische und konzentrische Anordnung der Geradrohrbündel und die ringförmige Ausbildung der Sammler für die einzelnen Rohrbündel sehr gut ausgenutzt wird. Die Ausgestaltung des Verteilerkopfes, der gleichzeitig die Funktion eines Tragrostes hat,als

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Kugelboden, die schleifenartig am Umfang des Wärmetauschers verlegten Rohrleitungen zur Rückführung des Mediums und die Ausbildung des Endsammlers als Ringsammler und seine Anordnung oberhalb des Kugelbodens erlauben es, die Montage und Demontage des Wärmetauschers ohne großen Aufwand fernbedient durchzuführen. Auch Reparaturen an den einzelnen Rohren lassen sich im Druckbehälter durch Fernbedienung vornehmen.

Der erfindungsgemäße Wärmetauscher arbeitet nach dem Gegenstromprinzip: d. h. an der Austrittsstelle des in den Rohren strömenden gasförmigen Mediums tritt das außerhalb der Rohre strömende Medium, das ebenfalls gasförmig ist, in den Wärmetauscher ein und umgekehrt. Die Größe der Drücke, Druckdifferenzen, Temperaturen und Temperaturdifferenzen des äußeren und des inneren Mediums können dabei beliebig sein. Es können glatte, künstlich aufgerauhte oder auch längs- oder quergerippte Rohre verwendet werden.

Die Einbau- oder Betriebslage des Wärmetauschers - z.B. horizontal, vertikal oder schräg - kann beliebig gewählt werden: bei seiner Verwendung als Rekuperator in einer Kernkraftanlage befindet er sich jedoch vorzugsweise in einer vertikalen Lage, da er wie die übrigen Kreislaufkomponenten üblicherweise in einem Pod in der Wandung des Spannbetondruckbehälters untergebracht ist.

In vorteilhafter Weiterentwicklung des erfindungsgemäßen Wärmetauschers sind einander benachbarte kreisringartige Kammern in verschiedenen Ebenen senkrecht zur Mittelachse des Wärmetauschers angeordnet, die jeweils mindestens um die Höhe einer kreisringartigen Kammer voneinander beabstandet sind. Die Rohrbündel sind bei dieser Ausführung so dicht nebeneinander angeordnet, daß sich die kreisringartigen Kammern - also die Sammler für die Rohrbündel - im Grundriß überdecken.

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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.

Es kann zweckmäßig sein, auch den zentralen Innenraum des Wärmetauschers zur Wärmeübertragung mit heranzuziehen; in solchem Fall wird in diesem Raum ein Rohrbündel mit kreisförmigem Querschnitt angeordnet.

Die Geradrohrbündel sind vorzugsweise jeweils mit einem beidseitig offenen inneren Leitmantel umgeben, und das um die Austauscherrohre strömende Medium wird durch diese Leitmäntel geführt, wodurch sich der Wärmeübergang zwischen den im Austausch stehenden Medien verbessern läßt. Das äußere Medium, z.B. das heiße Abgas einer Turbine, tritt unten in den Wärmetauscher ein, während das entgegenströmende kalte Gas oben zugeführt wird und in den Wärmetauscherrohren nach unten strömt, wobei es von dem heißen Gas Wärme aufnimmt. Durch die schleifenartig verlegten Rohrleitungen gelangt das erwärmte Gas wieder nach oben und tritt in den Ringsammler ein. Um Wärmeverluste möglichst niedrig zu halten, sind der Ringsammler und die Teile der Rohrleitungen, die sich oberhalb des Kugelbodens befinden, thermisch isoliert. Die Rohrleitungen sind innerhalb des Wärmetauscher-Leitmantels geführt und gasdicht durch den Kugelboden verlegt; dabei wird für diese Rohrleitungen beispielsweise der peripherische Bereich des Kugelbodens ausgenutzt, während der übrige Bereich den zu den kreisringartigen Kammern führenden Verteilerrohren vorbehalten bleibt.

Der Ringsammler steht vorteilhafterweise mit der inneren Leitung einer koaxialen Gasführung in Verbindung, deren äußere Leitung der Zuführung des gasförmigen Mediums zu dem Verteilerkopf dient. So braucht bei einem in einem Spannbetondruckbe-

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•ν.

hälter eingebauten Wärmetauscher nur ein Durchbruch in der Behältervandung vorgesehen zu sein, durch den sowohl die Abführung des erwärmten Gases als auch die Zuführung des kalten Gases zu dem Verteilerkopf erfolgt. Außerdem werden bei einer koaxialen Gasführung, durch deren innere Leitung erwärmtes und durch deren äußere Leitung relativ kaltes Gas strömt, die thermischen Belastungen des Beton bzw. des im Durchbruch vorgesehenen Liners stark reduziert.

Zweckmäßigerweise wird der Anschluß des Ringsammlers an die innere Leitung der koaxialen Gasführung durch eine Schiebeverbindung hergestellt. Durch diese Maßnahme wird erreicht, daß sich infolge von Wärmeeinwirkung auftretende Rohrdehnungen und Bewegungen ausgleichen können.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Wärmetauschers schematisch dargestellt, und zwar zeigt Fig. la, b im Längsschnitt einen als Rekuperator in einem Kernkraftwerk eingesetzten Wärmetauscher.

Der Rekuperator ist Teil des Primärkreislaufs eines Hochtemperaturreaktors mit Heliumturbine und wie alle anderen Komponenten des Kreislaufs (außer dem in einem horizontalen Stollen untergebrachten Gasturbosatz) in einem vertikalen Pod 1 in der Wandung 2 des Spannbetondruckbehälters installiert. Der Pod 1 ist mit einem gasdichten Stahlliner.3ausgekleidet, 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. Abführungsleitungen 8 bzw. 9 für die Sammler. Weitere Teile werden später beschrieben. Zur leichteren Zentrierung beim Einbau des Rekuperators weist dieser an seinem Umfang einen ringartigen Flansch 18 auf.

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Die Rohrbündel 5 umfassen eine Anzahl von parallel zur Mittelachse des Rekuperators verlaufenden Geradrohren 10, die glatt, aufgerauht oder gerippt sein können. Gemäß der Erfindung besitzen die Rohrbündel 5 einen ringförmigen Querschnitt und sind konzentrisch zur Mittelachse des Rekuperators angeordnet. Sie sind je von einem beidseitig offenen inneren Leitmantel 26 umgeben. Die Sammler 6 bzw. 7 sind ebenfalls im Querschnitt ringförmig ausgebildet und konzentrisch zur Mittelachse des Rekuperators 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,

Um eine größere Anzahl von Rohrbündeln 5 auf dem vorgegebenen Querschnitt unterbringen zu können, sind die Sammler 6 bzw. die Sammler 7 in vier verschiedenen horizontalen Ebenen A, B, C, D bzw. E, F, G, H angeordnet, die je um mehr als die Höhe eines Sammlers voneinander beabstandet sind. Benachbarte Sammler liegen stets auf verschiedenen Ebenen, und zwar in einem solchen Abstand von der Mittelachse des Rekuperators, daß sich die Sammler im Grundriß überdecken. Die Sammler mit dem kleinsten Abstand von der Mittelachse des Rekuperators liegen auf der höchsten Ebene; mit zunehmendem Abstand steigen sie stufenweise nach unten. Der zentrale Innenraum 23 des Rekuperators ist bei diesem Ausführungsbeispiel frei von Rohrbündeln.

Das äußere Medium wird durch eine Gasleitung 12 unten in den Rekuperator geführt und tritt dann in den Raum zwischen den Rohrbündeln 5 ein, den es von unten nach oben - also im Gegenstrom zu dem inneren Medium - durchströmt. Im oberen Bereich des Rekuperators ist eine weitere Gasleitung 13 vorgesehen, durch die das äußere Medium wieder aus dem Rekuperator austritt. Die beiden Gasleitungen 12 und 13 sind je in einem

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Durchbruch 24 bzw. 25 in der Wandung 2 des Spannbetondruckbehälters verlegt.

Das innere, also in den Rohren 10 strömende Medium gelangt durch die äußere Leitung 16 einer koaxial ausgebildeten und in einem Durchbruch 20 angeordneten Gasführung 14 zu einem Verteilerkopf 17, der oberhalb des Rekuperators in dem Pod I installiert ist. Der Verteilerkopf 17 dient gleichzeitig als Tragrost und ist als Kugelboden ausgebildet. Im oberen Teil des Kugelbodens 17 sind die Zuführungsleitungen 8 eingesetzt, die an die Sammler 6 angeschlossen sind. Durch die Sammler 6 tritt das innere Medium in die Rohre 10 der Rohrbündel 5 ein und strömt von oben nach unten durch den Rekuperator. Über die Sammler 7 gelangt das innere Medium in die Abführungsleitungen Diese sind am Umfang des Rekuperators innerhalb des äußeren Leitmantels 4 als Kompensationsschleifen geführt und durchstossen den als Kugelboden ausgebildeten Verteilerkopf 17. Sie münden in einen im oberen Bereich des Pods I installierten Ringsammler 21, der über eine Schiebeverbindung 22 an die innere Leitung 15 der koaxialen Gasführung 14 angeschlossen ist. Durch die Abführungsleitungen 9, den Ringsammler 21 und die Leitung 15 wird das innere Medium wieder aus dem Rekuperator herausgeführt.

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, das durch die Gasleitung 12 dem Rekuperator zugeleitet wird, durchströmt diesen mantelseitig. Durch die Gasleitung 13 tritt das abgekühlte Helium wieder aus dem Rekuperator 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

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verdichtet worden ist, wird es als Hochdruckgas zu dem Rekuperator zurückgeführt.

Durch die äußere Leitung 16 der koaxialen Gasführung 14 gelangt das kalte Helium in den Verteilerkopf 17, von dem es auf die Sammler 6 der einzelnen Rohrbündel 5 verteilt wird. In den Rohren 10 strömt das Gas nach unten, wobei es von dem entgegenströmenden Turbinengas Wärme aufnimmt. In den Sammlern 7 wird das Helium wieder gesammelt und durch die Abführungsleitungen 9 und die Kompensationsschleifen 19 zu dem oberhalb des Rekuperators befindlichen Ringsammler 21 geführt. Aus diesem tritt es in die innere Leitung 15 der koaxialen Gasführung 14 ein und wird zum Kern des Hochtemperaturreaktors geleitet. Das beim Durchgang durch den Reaktorkern erhitzte Helium wird der Turbine zugeführt, in der es sich entspannt; darauf wird es wieder dem Rekuperator zugeleitet. Damit ist der Kreislauf des Heliums geschlossen.

Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel umfaßt das Kernkraftwerk einen Wärmenutzungskreislauf oder Loop. Der erfindungsgemäße Rekuperator läßt sich jedoch mit den gleichen Vorteilen verwenden, wenn mehrere Wärmenutzungskreisläufe vorgesehen sind, die untereinander identisch und über den Reaktorkern gekoppelt sind. Zu jedem dieser Kreisläufe gehören eine Heliumturbine, Verdichter und wärmetauschende Apparate (Rekuperatoren, Vorkühler und gegebenenfalls auch Zwischenkühler).

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Claims

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Pa t e η t a η. s ρ r ü c, h e:

I)) Wärmetauscher kreisförmigen Querschnitts für gasförmige Me^v^ dien mit einer Vielzahl von innerhalb, eines Leitmantels angeordneten und zu Rohrbündeln vereinigten, parallel zur Mittelachse des Wärmetauschers verlaufenden Geradrohren, wobei die. Rohre jedes Bündels an ihren beiden Enden je zu einem Sammler zusammengefaßt sind,· dadurch gekennzeichnet, daß die Geradrohrbündel (5) einen ringförmigen Querschnitt aufweisen und die Sammler für die einzelnen Rohrbündel als kreisringartige Kammern (6, 7) ausgebildet sind, daß Rohrbündel (5) und Sammler (6, 7) konzentrisch zur Mittelachse des Wärmetauschers angeordnet sind, daß der Verteilerkopf (17) für die Zuführung des gasförmigen Mediums zu den Rohrbündeln (5) als Kugelboden ausgebildet ist, in dem jeweils mit einer der kreisringartigen Kammern (6) an dem einen Ende der Rohrbündel (5) in Verbindung stehende Rohre (8) eingesetzt sind, daß alle kreisringärtigen Kammern (7) am anderen Ende der Rohrbündel (5) je in eine Rohrleitung (9) münden und diese Rohrleitungen (9) am Umfang des Wärmetauschers als Kompensationsschleifen (19) nach oben geführt sind und daß oberhalb des Kugelbodens (17) ein als Ringsammler ausgebildeter Endsammler (21) angeordnet ist, in-den die= Rohrleitungen (9) eintreten.
2) Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß einander benachbarte kreisringartige Kammern (6 bzw.7) in verschiedenen Ebenen (A, B, C, D bzw. E, F, G, H) senkrecht zur Mittelachse des Wärmetauschers angeordnet sind, die jeweils mindestens um die Höhe einer kreisringartigen Kammer (6, 7) voneinander beabstandet sind, und daß die Rohrbündel (5) so dicht nebeneinander angeordnet sind, daß sich die kreisringartigen Kammern (6 bzw. 7) im Grundriß überdecken.

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3) Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zentrale Innenraum (23) des Wärmetauschers ebenfalls für die Wärmeübertragung ausgenutzt wird und ein Rohrbündel mit kreisförmigem Querschnitt aufweist.
4) Wärmetauscher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Rohrbündel (5) von einem beidseitig offenen inneren Leitmantel (26) umgeben ist.
5) Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,daß der Ringsammler (21) und die oberhalb des Kugelbodens (17) befindlichen Teile der nach oben geführten Rohrleitungen (9) thermisch isoliert sind.
6) Wärmetauscher nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die nach oben geführten Rohrleitungen (9) durch den Kugelboden (17) verlegt sind.
7) Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ringsanimier (21) mit der inneren Leitung (15) einer koaxial ausgebildeten Gasführung (14) in Verbindung steht, deren äußere Leitung (16) der Zuführung des gasförmigen Mediums zu dem Verteilerkopf (17) dient.
8) Wärmetauscher nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Anschluß des Ringsammlers (21) an die innere Leitung (15) der koaxialen Gasführung (14) mittels einer Schiebeverbindung (22) hergestellt ist.

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