DE2517694C2 - Wärmetauscher mit kreisförmigem oder hexagonalem Querschnitt mit einer Anzahl von Rohrbündeln - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher mit kreisförmigem oder hexagonalem Querschnitt mit einer Anzahl von innerhalb eines äußeren Leitmantds ange-

IC ordneten und zu Rohrbündeln vereinigten Geradrohren, wobei jedes Rohrbündel von einem beidseitig offenen Leitmantel umgeben ist und zusammen mit diesem Leitmantel und den an seinen beiden Enden befindlichen zugehörigen Rohrboden mit Sammlerhauben eine Baueinheit bildet und wobei die Baueinheiten im Grundriß im Sechseckgitter angeordnet und benachbarte Rohrboden an der Ein- und Austrittsseite der Rohrbündel in horizontaler Richtung in drei verschiedenen horizontalen Ebenen gegeneinander versetzt angeordnet sind derart, daß jeweils die Rohrboden dreier benachbarter, im Grundriß ein gleichseitiges Dreieck bildender Baueinheiten auf den verschiedenen Ebenen angeordnet sind, und daß der Abstand der Mittelachsen der Leitmäntel gleich oder annähernd gleich der Summe der Radien eines Leitmantels und eines Rohrbodens ist gemäß Patent 24 30 161.

Um das Gesamtvolumen des Wärmetauschers bei einer gegebenen Wärmeübertragungsleistung gering zu halten und seinen Wirkungsgrad zu verbessern, sind bei dem in dem obengenannten Patent unter Schutz gestellten Wärmetauscher die Rohrboden auf beiden Seiten der Rohrbündel in der beschriebenen Weise gegeneinander versetzt.
Die Baueinheiten können dann so dicht aneinandergerückt werden, daß zwischen den Leitmänteln benachbarter Baueinheiten so gut wie kein Zwischenraum bleibt. Hierdurch ergibt sich eine sehr gute Ausnutzung des zur Verfügung stehenden Raumes; außerdem treten nur geringe Druckverluste auf.

Die mit Hilfe der versetzten Anordnung der Rohrböden erreichte größere Kompaktheit des Wärmetauschers muß mit dem Nachteil erkauft werden, daß sich das Montieren des Wärmetauschers, das Schweißen beim Einbau und Trennen beim Ausbau des Apparates etwas schwieriger gestaltet. Außerdem ist ein Ausbau einzelner Boxen nicht möglich. Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, durch geeignete konstruktive Maßnahmen diese Nachteile zu beheben.

Bekannt ist es, bei einem Wärmetauscher (DE-OS 21 22 054) mit aus Einzelrohren bestehendem ringförmigem Rohrbündel ein den gesamten Heizflächenbereich durchquerendes Zentralrohr vorzusehen. Das beidseitig offene Zentralrohr dient der Zuleitung des Sekundärmediums zu den Einzelrohren, die oben und unten in einen Rohrboden eingesetzt sind. Das Sekundärmedium tritt unten aus dem Zentralrohr aus und wird durch den unteren Rohrboden auf die Bündelrohre verteilt, durch die es nach oben strömt. Durch eine oberhalb des oberen Rohrbodens vorgesehene weiterführende Leitung

bQ wird das Sekundärmedium aus dem Wärmetauscher geführt. Der aus Zentralrohr, ringförmigem Rohrbündel und den beiden Rohrboden bestehende Kern des Wärmetauschers ist in axialer Richtung aus dem Wärmetauschermantcl herausnehmbar; mit Bauteilen unterhalb

b5 des Heizflächenbereichs hat er keine Verbindung. Zum Ausbau des Kerns wird der zwischen einem ringförmigen Auflagcflansch und einem Einspannring eingespannte obere Rohrboden gelöst. Der Zugang zu dieser

Trennstelle zwischen Rohrboden und Wärmetauschermantel wird durch Abheben des Wärmetauscherkopfstücks und Ausbau eines trichterförmigen Teilstücks des Zentralrohres geschaffen.

Gemäß der Erfindung wird die oben beschriebene Aufgabe dadurch gelöst, daß ein an sich bekanntes, den Heizflächenbereich in seiner ganzen Länge durchlaufendes Zentralrohr im Zentrum des Sechseckgitters angeordnet ist, daß das Zentralrohr oben mit einem Flanschdeckel verschlossen ist und den Zugang zu einer unterhalb des Heizflächenbereichs vorgesehenen Trennstelle zwischen dem Wärmetauscher und einer weiterführenden Leitung für das in den Rohren strömende Medium ermöglicht, daß zwischen dem Zentralrohr und der Trennstelle ein als Kugel ausgebildeter Endsammler angeordnet ist, an den mit den unteren Rohrboden über Austrittsstutzen verbundene, schraubenförmig gewendelte Rückführungsrohre für das in den Rohren strömende Medium angeschlossen sind, und daß der Endsammler durch einen absperrbaren Stutzen mit dem Zemrairohr verbünden ist.

Das gemäß der Erfindung angeordnete Z;ntralrohr gestattet es, Montage- und Demontagearbeiten in direkter Weise oder mittels Fernbedienung vorzunehmen, falls eine zu hohe Strahlenbelastung den unmittelbaren Zugang zu der Trennstelle nicht zuläßt (wie in dem Patent 24 30 161 beschrieben, kann der Wärmetauscher gemäß der Erfindung mit besonderem Vorteil als Rekuperator im Primärkreislauf eines gasgekühlten Hochtemperaturreaktors mit Heliumturbine eingesetzt werden).

Wie beschrieben, ist der kugelförmige Endsammler durch einen absperrbaren Stutzen mit dem Zentralrohr verbunden. Diese Maßnahme schafft die Möglichkeit, für Reparaturzwecke einzelne Baueinheiten abzufinden, da durch das Zentralrohr der Zugang zu den in den kugelförmigen Sammler eintretenden Rückführungsrohren gegeben ist. Wenn infolge hoher Strahlenbelastung der direkte Zugang zu den Rückführungsrohren nicht möglich ist, kann das Abblinden einzelner Baueinheiten oder Bereiche mit Fernbedienung erfolgen. Für den erfindungsgemäßen Wärmetauscher ist es besonders wichtig, daß einzelne Baueinheiten für Reparaturen abgeblindet werden können, da sich die Baueinheiten nicht ausbauen lassen. Auf diese Möglichkeit muß zugunsten der Kompaktheit des Wärmetauschers verzichtet werden; da die Querschnitte der Sammlerhauben und Rohrboden normalerweise größer sind als die der Baueinheiten, lassen sieb bei versetzten Rohrboden die Baueinheiten zwar dicht aneinanderrücken, aber ein Ausbau der Baueinheiten in Richtung der Wärmetauscherachse ist nicht möglich.

Die Anordnung eines kugelförmigen Endsammlers für die Rückfühnmgsrohre unterhalb der Wärmetauscherflächen bietet die weiteren Vorteile, daß die Rückführungsrohre außerhalb des Heizflächenbereichs verlegt werden können und daß für den Wärmetauscher ein geringerer Einbaudurchmesser erforderlich ist.

Das Zentralrohr wird entweder an die Stelle der sonst im Sechseckgitter vorhandenen mittleren Baueinheit eingesetzt, oder es nimmt den Raum mehrerer im Zentrum gelegener Baueinheiten ein, z. B. der mittleren Baueinheit und der auf dem innersten Sechseck gelegenen weiteren sechs Baueinheiten.

Vorteilhafterweisc ist die Trennstelle als Bajonettverschluß ausgebildet, wodurch sich das Montieren des Wärmetiluschers sowie das Trennen beim Ausbau dieses Apparates besonders leicht gestaltet. Es ist jedoch auch möglich, die Trennstelle als einfache Schweißnaht auszuführen.

Zweckmäßigerweise sind die Eintritlsstutzen für das innere Medium durch Rohrleitungen mit einem Vertei-Ierkopf verbunden, der als gewölbter Boden ausgebildet ist Die Rohrleitungen sind in diesem Boden eingeschweißt. In seinem Zentrum besitzt der Verteilerkopf einen absperrbaren Durchgang, durch den man zu dem Zentralrohr gelangen kann.

Bei Verwendung des Wärmetauschers als Rekuperator im Primärkreislauf eines gasgekühlten Hoditeniperaturreaktors wird vorteilhafterweise das von der Turbine kommende heiße Gas niedrigen Druckes von unten um die Rohre herum durch die inneren Leitmäntel geführt, während das zu erwärmende Hochdruckgas von oben nach unten durch die Rohre geleitet wird.

Es ist Stand der Technik, das Kernkraftwerk als integrierte Anlage auszuführen (d. h. der Reaktor, die Turbine mit Kompressor und die wärmetauschenden Apparate sind gemeinsam in einem Spannr".ondruckbehälter untcrgcbrachi) und die wärmetauscnsnden Apparate und damit auch die Rekuperatoren in einem ausgekleideten Schacht zu installieren. In einem solchen Fall ist der Rekuperator mit Hilfe eines an dem Verteilerkopf angebrachten ringartigen Flansches an einem Wärmedehnungsausgleicher aufgehängt, der an der Auskleidung befestigt ist. Der ringartige Flansch erleichtert die Zentrierung beim Einbau des Rekuperators.

Der Endsammler für die Rückführungsrohre ist über eine Leitung mit einem unterhalb von ihm angeordneten Behälter verbunden, an den sich eine Gasführungsleitung anschließt, die seitlich unten aus dem Schacht austritt und zu dem Hochtemperaturreaktor weiterführt. In der Leitung zwischen dem kugelförmigen Endsammler und dem Behälter ist die gemäß der Erfindung vorhandene Trennstelle vorgesehen.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Wärmetauschers Schenktisch dargestellt, der als Rekuperator im Primärkreislauf eines mit einer Heliumturbine gekoppelten Hochtemperaturreakujrs eingesetzt ist. Die Figuren zeigen im einzelnen:

F i g. 1 a und Fig. Ib den oberen und den unteren Teil des Rekuperators mit runden Baueinheiten im Schnitt nach der Linie 1-1 der F i g. 2,

F i g. 2 einen Querschnitt durch den Rekuperator, der die Zuordnung der Rohrboden zu den einzelnen horizontalen Ebenen zeigt.

Fig. 3 eine Einzelheit der Fig. Ib die mit »x« bezeichnet ist. in größerem Maßstab.

F i g. 4 eine Alternativlösung zu der in der F i g. 3 dargestellten Einzelheit.

Die Fig. la und Ib lassen einen rekuperativen Wärn-eüt..r:räger oder Rekuperator in stehender Anordnung erkennen, der zum Primärkreislauf eines Hochtemperaturreaktors mit Heliumturbine gehen und wie alle anderen Komponenten des Kreislaufs in einem vertikalen Schacht 1 innerhalb des Spannbetondruckbehälters untergebracht ist. Der Schacht 1 ist mit einer Auskleidung versehen. Der Rekuperator besteht im wesent-

bo liehen aus einem Mantel 2, aus einer Vielzahl von Baueinheiten 3 mit rundem Querschnitt und einem Zentralrohr 4. das den Heizflächenbereich des Rekuperators auf dessen ganzer Länge durchlauft. Nach oben ist der Rekuperator durch "inen gewölbten Boden 5 abgedich-

h5 tet, während der Abschluß nach unten durch einen ebenen Boden 36 bewirkt wird.

Zu jeder Baueinheit 3 gehören ein «us einer Vielzahl von glatten, geraden Rohren 7 bestehendes Rohrbündel

13, zwei Rohrboden 14 und 15, in die die beiden Enden der Rohre 7 eingesetzt sind, und ein Leitmantel 16, der an seinen beiden Enden offen ist. Alle Rohrbündel 13 haben die gleiche Länge. An die Rohrboden 14 bzw. 15 schließen sich Sammlerhauben 17 bzw. 18 an, die kugelig ausgebildet sind. Die Rohrboden 14 mit den zugehörigen Sammlerhauben 17 sowie die Rohrboden 15 mit den zugehörigen Sammlerhauben 18 sind derart angeordnet, daß sie in sechs verschiedenen horizontalen Ebenen A, B, C. D. E, Fliegen, wobei benachbarte Rohrboden stets gegeneinander versetzt sind. Anhand der F i g. I a und 2 ist dies gut zu erkennen. Auf diese Weise können die Baueinheiten sehr dicht aneinandergerückt und eine gute Ein- und Ausströmung für das äußere Medium erreicht werden. Die Sammlcrhauben 17 sind mit Eintrittsstutzen 19 für das innere Medium verbunden, während sieh an die Sammlerhauben 18 Austrittsstutzen 20 für dieses Medium anschließen.

Die Baueinheiten sind im Grundriß im Sechseckgitter angeordnet, wie aus der F i g. 2 ersichtlich. Bei drei ineinanderliegendcn Sechsecken ergeben sich nach der im Hauptpatem angegebenen Formeln /7 = 6(1 +2+3) = 36 Baueinheiten, wenn das Zentrum des Sechseckgitters von dem Zentralrohr 4 eingenommen wird. In dem frei gebliebenen Raum zwischen dem äußersten Sechseck und dem äußeren Mantel 2 des Rekuperators kann eine Anzahl von Baueinheiten mit kleinerem Durchmesser vorgesehen sein, die ebenfalls der Wärmeübertragung dienen (nicht dargestellt). Durch die in den Rohrboden 14 eingeschriebenen Buch- jo stäben A. B, C. D. E. Fist angedeutet, in welcher Ebene diese Rohrboden (und entsprechend die jeweils zugehörigen Rohrboden 15) angeordnet sind. Es ist klar erkennbar, daß einander benachbarte Rohrboden 14 bzw. 15 stets in verschiedenen Ebenen liegen. In den Fig. la js und Ib sind die zu dem gleichen Sechseck gehörenden Rohrboden i4 jeweils untereinander auf den ihnen zugeordneten Ebenen dargestellt, wobei die in der Schnittlinie I-I der F i g. 2 liegenden Rohrböden mit ausgezogenen Linien und die anderen gestrichelt gezeichnet sind.

Wie aus der Fig. I ersichtlich, sind die Eintrittsstutzen 19 für das innere Medium mit Rohrleitungen 6 verbunden, die strömungsdicht in den als Verteilerkopf wirkenden gewölbten Boden 5 eingesetzt sind. In seinem Zentrum besitzt der gewölbte Boden 5 einen mit einem Flanschde.kcl 8 verschlossenen Durchgang 9, der sich direkt oberhalb des oberen Endes des ebenfalls mit einem Flanschdeckel 10 abgedichteten Zentralrohres 4 befindet. Am Umfang des gewölbten Bodens 5 ist ein ringartiger Flansch 11 angebracht, mit dem der Boden an einem an der Auskleidung la vorgesehenen Wärmedehnungsausgleicher 12 aufgehängt ist. Diese Vorkehrung dient der Vermeidung von Wärmespannungen.

Das äußere Medium wird durch eine Gasleitung 30 seitlich von unten in den Schacht 1 eingeführt, strömt innerhalb des äußeren Mantels 2 nach oben und tritt dann in die Leitrr.äntel 16 ein. die es im Gegenstrom zu dem inneren Medium durchströmt. Im oberen Bereich des Rekuperators, und zwar auf der Höhe der Rohrböden 14, ist eine weitere Gasleitung 31 vorgesehen, durch die das äußere Medium den Rekuperator wieder verläßt Die beiden Gasleitungen 30 und 31 sind je in einem Durchbrach in der Wandung des Spannbetondruckbehälters verlegt (nicht dargestellt).

Die Zuführung des inneren Mediums in den Rekuperator erfolgt durch eine Leitung 22. die oberhalb der Aufhängung des gewölbten Bodens 5 in die Auskleidung la eintritt. Die Verteilung auf die einzelnen Baueinheiten 3 geschieht mittels der in dem gewölbten Boden 5 eingesetzten Rohrleitungen 6.

Zur Rückführung des inneren Mediums sind Rückführungsrohrc 23 vorgesehen, die an die Austrittsstutzen 20 angeschlossen sind. Sie sind schraubenförmig gewendelt unterhalb der Wärmetauscherflächen des Rekuperators verlegt, und zwar in seinem äußeren Bereich. Die Rückführungsrohre 23 sind annähernd bis zu dem ebenen Boden 36 geführt und dann nach oben umgebogen, wo sie in einen kugelförmig gestalteten Endsammler 24 eintreten. Dieser befindet sich unmittelbar unter dem unteren Ende des Zentralrohres 4, mit dem er durch einen absperrbaren Stutzen 25 verbunden ist. Nach unten schließt sich an den kugelförmigen Endsammler 24 eine Leitung 26 an. die zu einem Behälter 27 führt. Dieser steht mit einer Gasführungsleitung 28 in Verbindung, die seitlich aus der Auskleidung \a austritt und in einem in den Schacht 1 mündenden Durchbruch verlegt ist (nicht dargestellt). Um den Sachverhalt besser darstellen zu können, sind sowohl die Gasführungsleitung 28 als auch der Behälter 27 in die Schnittebene gelegt worden.

In der Leitung 26 ist eine Trennstelle 29 vorgesehen, zu der man von oben Zugang durch das Zentralrohr 4 hat. Durch diese Trennstelle ist die Möglichkeit gegeben, mi'tels Fernbedienung den Rekuperator auszubauen, d. h. ihn von dem Behälter 27 und der Gasführungsleitung £8 zu trennen. Sollen nur an einzelnen Baueinheiten 3 Reparaturen vorgenommen werden, so lassen sich die zu den betreffenden Baueinheiten führenden Rückführungsrohre 23 von oben her durch das Zentralrohr 4 an ihrer Eintrittsstelle in den kugelförmigen Endsammler 24 abblinden.

In den F i g. 3 und 4 sind zwei Möglichkeiten dargestellt, wie die Trennstelle 29 ausgeführt sein kann. Die F i g. 3 zeigt einen Bajonettverschluß 32, der durch zwei Montage-Schweißnähte 33 abgesichert ist. Die Leitung 26 ist an dieser Stelle aufgetrennt; der untere Teil 34 der Leitung greift in ein ringartiges Teil 35 ein, daß einen Flansch 37 hintergreift, der sich am oberen Teil 36 der Leitung 26 befindet. Die in der F i g. 4 wiedergegebene Alternativlösung sieht eine einfache Schweißnaht 38 in der Leitung 26 vor.

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 tritt durch die Gasleitung 30 in den Rekuperator ein, den es mantelseitig, d. h. innerhalb der beidseitig offenen Leitmäntel 16, ' irchströmt. Durch die Gasleitung 31 verläßt das abgekühlte Helium den Rekuperator wieder 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 Leitung 22 gelangt das kalte Helium in den Raum oberhalb des gewölbten Bodens 5, der als Verteilerkopf arbeitet Das Gas verteilt sich auf die Rohrleitungen 6, in denen es zu den Eintrittsstutzen 19 und den Sammlerhauben 17 geführt wird. In den Rohrboden 14 wird das kalte Hochdruckgas auf die Rohre 7 der einzelnen Rohrbündel 13 verteilt, die es von oben nach unten durchströmt Dabei nimmt es von dem entgegenströmenden Turbinenabgas Wärme auf. In den Sammlerhauben 18 wird das Helium wieder gesammelt und tritt

durch die Austrittsstut/en 20 in die Rückführungsrohrc 23 ein, in denen es in den Endsammler 24 gelangt. Durch die Leitung 26 und den Behälter 27 strömt das Helium zur Gasführungsleitung 28, durch die es dann den Reku perator verläßt, um zum Kern des Hochtemperalurreaktors zurückzukehren. Beim Durchgang durch den Reaktorkern erhitzt sich das Helium, worauf es der Turbine zu₆aführt wird, in der es sich entspannt. Mit dem Eintritt des Niederdruckgases in den Rekuperator ist der Kreislauf des Heliums dann geschlossen.

Hierzu 5 Blatt Zeichnungen

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Claims (7)

Patentansprüche:

1. Wärmetauscher mit kreisförmigem oder hexagonalem Querschnitt mit einer Anzahl von innerhalb eines äußeren Leitmantels angeordneten und zu Rohrbündeln vereinigten Geradrohren, wobei jedes Rohrbündel von einem beidseitig offenen Leitmantel umgeben ist und zusammen mit diesem Leitmantel und den an seinen beiden Enden befindlichen zugehörigen Rohrboden mit Sammlerhauben eine Baueinheit bildet und wobei die Baueinheiten im Grundriß im Sechseckgitter angeordnet und benachbarte Rohrboden an der Ein- und Austrittsseite der Rohrbündel in horizontaler Richtung in drei ver- - schiedenen horizontalen Ebenen gegeneinander versetzt angeordnet sind derart, daß jeweils die Rohrböden dreier benachbarter, im Grundriß ein gleichseitiges Dreieck bildender Baueinheiten auf den verschiedenen Ebenen angeordnet sind, und daß der Abstand der Mittelachsen der Lcitrriär.ie! gleich oder annähernd gleich der Summe der Radien eines Leitmantels und eines Rohrbodens ist gemäß Patent 2430161, dadurch gekennzeichnet, daß ein an sich bekanntes, den Heizflächenbereich des Wärmetauschers in seiner ganzen Länge durchlaufendes Zentralrohr (4) im Zentrum des Sechseckgitters angeordnet ist. daß das Zentralrohr (4) oben mit einem Flanschdeckel (10) verschlossen ist und den Zugang zu einer unterhalb des Heizflächenbereichs vorgesehenen Trennstelle (29) zwischen dem Wärmetauscher und einer weiterführenden Leitung (28) für das in den Rohren (71 strömende Medium ermöglicht, daß zwischen dem Zervalrohr (4) und der Trennstelle (29) ein als Kugel ausgebildeter Endsammler (24) angeordnet ist, an den mit den unteren Rohrboden (15) über Austrittsstutzen (20) verbundene, schraubenförmig gewendelte Rückführungsrohre (23) für das in den Rohren strömende Medium angeschlossen sind, und daß der Endsammler (24) durch einen absperrbaren Stutzen (25) mit dem Zentralrohr (4) verbunden ist.

2. Wärmetauscher nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß das Zentralrohr (4) ein Platz einer Baueinheit (3) einnimmt.

3. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Zentralrohr (4) den Platz mehrerer Baueinheiten (3) einnimmt.

4. Wärmetauscher nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Trennstclle (29) als Bajonettverschluß (32) ausgebildet ist.

5. Wärmetauscher nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Trennstelle (29) als Schweißnaht (38) ausgeführt ist.

6. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß oberhalb des Heizflächenbereichs ein als gewölbter Boden ausgebildeter Vcrteilerkopf

(5) vorgesehen ist, dessen Zentrum einen absperrbaren Durchgang (9) zu dem Zentralrohr (4) aufweist und der über Eintrittsstutzen (19) und Rohrleitungen

(6) für das in den Rohren (7) strömende Medium mit den oberen Rohrboden (14) verbunden ist.

7. Wärmetauscher nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß der Endsammler (24) für die Rückführungsrohre (23) über eine Leitung (26) und einen Behälter (27) mit der seitlich unten aus dem Wärmetauseher-Mantel (2) austretenden Gasführungslcitung (28) in Verbindung sieht und daß die Trennstelle (29) in der erstgenannten Leitung (26) vorgesehen ist