DE2550035A1

DE2550035A1 - Halterung fuer waermetauscherrohre

Info

Publication number: DE2550035A1
Application number: DE19752550035
Authority: DE
Inventors: Donald Bertrand N Mc
Original assignee: Babcock and Wilcox Co
Current assignee: Babcock and Wilcox Co
Priority date: 1975-03-03
Filing date: 1975-11-07
Publication date: 1976-09-16
Also published as: US4050511A; DE2550035B2; ES442189A1; GB1477934A; AT339348B; NL7510739A; NL174297C; SE7513002L; BE835173A; NL174297B; BR7506924A; ATA803575A; CA1023341A; IL48115A0; FR2303257B1; JPS51101257A; FR2303257A1; JPS5415345B2; DE2550035C3; SE424369B

Description

28. 10. 1975 Anw.-Akte: 27.88

PATENTANMELDUNG

Anmelder; The Babcock & Wilcox Company 161 East 42nd Street, New York, N.Y. 10017 -USA-

Titel: Halterung für Wärmetauscherrohre

Die Erfindung betrifft eine Anordnung für die Unterstützung einer Vielzahl Wärmetauscherrohre in einem Wärmetauscher.

Ein Wärmetauscher weist einen Eintrittssammler auf, der strömungstechnisch mit einem Austrittssammler über ein Rohrbündel in Verbindung steht. Weiterhin ist das Rohrbündel in einem Mantel eingeschlossen, der es erlaubt, daß ein Medium in Berührung mit dem Rohrbündel kommt und Wärme von einem anderen Medium, das durch die Rohre in dem Bündel strömt, aufnimmt oder Wärme an dieses Medium abgibt.

Obwohl jedes der Rohre des Bündels im allgemeinen in den Sammlern befestigt ist, d. h. in dem Rohrboden des Sammlers

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befestigt ist, wird im allgemeinen noch eine andere Unterstützung vorgesehen, um den äußeren oder inneren Belastungen gewachsen zu sein, die dem Wärmetauscher und dem Rohrbündel auferlegt werden. Insbesondere sind für einen Wärmetauscher, der Rohre mit enger Teilung und beträchtlicher Länge aufweist, z. B. einem Durchlauf-Wärmetauscher der Größe, wie man sie in einer gewerblich genutzten Kraftanlage findet, Abstandshalter und Unterstützungen erforderlich. Diese Abstandshalter werden vorgesehen, um Rohrverlagerungen bei Wärmedehnung oder Schrumpfung, durch Strömung verursachten Schwingungen oder Gefälle zu vermeiden. Rohrverlagerungen, die sich z.B. aus Wärmedehnung oder mangelnde körperliche Unterstützung ergeben, sind unerwünscht, da Änderungen im Strömungsquerschnitt um benachbarte Rohre herum einen ungleichmäßigen Wärmeübergang und erhöhte Druckverluste innerhalb des Wärmetauschers verursachen und zu mechanischen Reibungen und Dampfblasenbildungen führen können.

Es sind verschiedene Unterstützungs- und Abstandshaltungsmethoden für Wärmetauscherrohre bekannt.

Ein Verfahren, verwendet auf Abstand angeordnete Lochbleche, die gewöhnlich mit Leitblechen bezeichnet werden und in Abständen über die Länge des Wärmetauschers zur Anordnung kommen. Die Rohre werden in den Löchern gehalten und die Bleche werden in experimentell und/oder theoretisch bestimmten Abständen gehalten, um Rohrschwingungen zu vermeiden. Andere bekannte Anordnungen schließen ein: Umwickeln der Rohre mit Draht, Anordnen eines elastischen Rohrstücks zwischen den Wärmetauscherrohren und Ausbilden eines Wärmetauscherrohrs, das einen Bogen in einer Ebene hat, um ein benachbartes Rohr in der gleichen Ebene durch einen Anker zu berühren.

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Bei einem Durchiauf-Wärmetauscher mit Rohren von beträchtlicher Länge, welche in enger Teilung zueinander angeordnet sind, werden die Probleme der Strömungsbeschränkung schon durch eine geringfügige Rohrverlagerung wesentlich verschärft. Weiterhin ist es bei der Wärmetauscher-Durchlauf-Bauart z.Zt. notwendig, behutsam das Rohr- und Mantelmaterial auszuwählen und sorgfältig deren Betriebstemperaturen zu überwachen, um übermäßige Beanspruchungen zu vermeiden, die auf unterschiedliche Wärmedehnung zwischen denselben zurückzuführen sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine einfabhe Vorrichtung zu schaffen, um Wärmetauscherrohre zu unterstützen, auf Abstand zu halten und um Wärmedehnungen in denselben zu erlauben, besonders in gewerblich genutzten Kraftwerks-Wärmetauschern die Rohre von beträchtlicher Länge und kleinem Durchmesser haben.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß für die Unterstützung und Distanzierung zwischen benachbarten Rohren durch eine neuartige Rohrkonstruktion gelöst. Das erfindungsgemäße Wärmetauscherrohr weist einen in Form eines Wendeis ausgebildeten Abschnitt auf; der Wendel ist mit einem spiralförmigen oder wirksamen zylindrischen Radius gebildet, der größer ist als der Rohrradius, so daß der wendelartige Abschnitt oder die Schleife tangential die unmittelbar benachbarten Rohre berührt.

In einem sechskantförmig ausgebildeten Rohrbündel mit Rohren gleicher Teilung ist der Wendel erfindungsgemäß mit einem wirksamen Radius gebildet, der gleich dem Rohrradius plus

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dem Raum zwischen zwei benachbarten Rohren ist, so daß der Wendel tangential die sechs Rohre berührt, die unmittelbar dazu benachbart sind, wenn der Wendel winklig um die Längsachse des Rohrs fortschreitet oder die Längsachse des Rohrs umgibt. Weiterhin werden die benachbarten Rohre auch durch zwei andere Wendel berührt, die in der gleichen Weise wie zuvor in den Rohren gebildet werden, die im gleichen Abstand um die benachbarten Rohre herum angeordnet sind. Demzufolge wird jedes benachbarte Rohr durch einen Dreipunktkontakt mit drei Wendeln unterstützt und distanziert, Die wendelförmig ausgebildeten Rohre werden ihrerseits durch einen Sechspunktkontakt mit den sehhs benachbarten Rohre, die sie umgeben, unterstützt und distanziert. Weiterhin kann der wendeiförmige Abschnitt sich winkelförmig um die Längsachse herum wiederholen, d. h. eine weitere umgebende Schleife beginnen und dadurch wiederum einige oder alle der benachbarten Rohre in einer längs vorgerückten axialen Lage berühren. Weiterhin kann der Wendel zuerst weniger als eine volle Schleife umfassen und dadurch nur eines oder mehrere der sechs benachbarten Rohre berühren, zu seiner ursprünglichen Geradrohr-Axiallage zurückkehren und dann seine wendeiförmige Schleifenausbildung an einer entfernten Längslage entlang des Rohrs fortsetzen, um die Berührung mit den restlichen benachbarten Rohren zu vollenden.

Weiterhin wird die erfindungsgemäße Wärmedehnung der Rohre durch den in den Rohren gebildeten gekrümmten Wendelabschnitt berücksichtigt. Deshalb kann bei einem Wärmetauscher der obengenannten Durchlaufart, bei der eine unterschiedliche Wärmedehnung ein Hauptgesxchtspunkt ist, die Erfindung an verschiedenen axialen Stellen in jedem Rohr des Rohrbündels angewandt werden. Auf diese Weise werden alle

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Rohre des Rohrbündels in der oben erläuterten Weise unterstützt und voneinander distanziert, während auch jedes Rohr mit Schleifen versehen wird, um eine unterschiedliche Wärmedehnung aufzunehmen. Da jedes Rohr des Rohrbündels mit einem wendeiförmigen Abschnitt versehen ist, ist außerdem der Druckverlust in jedem Rohr, d. h. das längs durch die Rohre strömende Medium, im wesentlichen der gleiche. Deshalb werden unausgeglichene Zustände, die auf ungleichmäßige Druckverhältnisse zurückzuführen sind, vermindert, während die thermische Belastung eines jeden Rohrs ebenfalls im wesentlichen gleich ist.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigt:

Fig. 1 eine schematische Längsansicht eines Durchlauf-Wärmetauschers, teilweise im Schnitt,

Fig. 2 eine vergrößerte Ansicht eines Teils eines Wärmetauscher-Rohrbündels in Draufsicht,

und

Fig. 3 eine vergrößerte Längaansicht einer Vielzahl von Wärme tausche rrohren.

Figur 1 zeigt einen Wärmetauscher, bei dem ein heißes Primärmedium, z. B. das Kühlmittel von einem Atomreaktorkern (nicht dargestellt), durch einen im allgemeinen stehenden Druckbehälter 10 geleitet wird und dabei, räumlich getrennt, einen Wärmetausch mit einem Sekundärmedium vollzieht, z. B. mit Wasser, das in den Behälter 10 eingespeist wird. Das Primärmedium tritt in eine Eintritts-

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kammer 11 an einem Ende des Behälters 10 ein und strömt durch die Rohre 12 des Rohrbündels 12A (das nur in Achslage dargestellt ist), welches in den Rohrboden 13 und

14 gehalten wird, und sammelt sich in einer Austrittskammer

15 am entgegengesetzten Ende des Behälters 10, wo es zur Rezirkulation austritt.

Innerhalb des Behälters 10 befindet sich ein Mantel 16, der das Rohrbündel 12A umgibt und an beiden Enden offen ist. Eine Ringplatte 17» die an ihrer Innenkante mit dem Mantel

16 und an ihrer Außenkante mit der Wand 18 des Behälters 10 verbunden ist, dient dazu, das durch einen Stutzen 19 eingeführte Speisewasser von dem durch einen anderen Stutzen 20 ausströmenden Medium zu trennen.

Im allgemeinen benötigt ein Wärmetauscherrohrbündel eine Rohrunterstützungskonstruktion oder Unterstützungsplatten (in Figur 1 nicht dargestellt), um den Rohren Unterstützung zu bieten und um den Abstand zwischen denselben aufrechtzuerhalten. Um Strömungsbeschränkungen und Wanneübergangsprobleme zu vermeiden, die im allgemeinen bei Unterstützungskonstruktionen auftreten, schlägt die Erfindung vor, daß die erforderliche Unterstützung und Distanzierung durch einen tangentialen Rohr-an-Rohr-Kontakt zwischen benachbarten Rohren in der gleichen Reihe und in benachbarten Reihen vorgenommen wird.

In Übereinstimmung mit dieser Erfindungn wird ein Segment der Rohre in Form eines Wendeis 21, wie er in den Figuren 2 und 3 dargestellt ist, ausgebildet.

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In diesem Zusammenhang ist darauf hinzuweisen, daß ein Wendel ein bestimmtes geometrisches Gebilde ist, das eine genaue mathematische Gleichung hat und als eine dreidimensionale kurve definiert wird, die auf einem Zylinder liegt und die Elemente desselben mit einem konstanten Winkel schneidet. In der Praxis ist es jedoch sehr wahrscheinlich, daß der Wendel ein wendelartiges Gebilde ist, das sich der genauen mathematischen Definition nur nähert. Obwohl die Form nicht notwendigerweise ein Wendel ist, wie er oben genau definiert wurde, so wird das Gebilde hierin mangels eines besseren Ausdrucks dennoch im folgenden als "Wendel" bezeichnet.

Ein Abschnitt der Rohre 12 wird erfindungsgemäß in Form eines Wendeis 21 ausgebildet, der entlang der Rohrachse verläuft und dann nach außen in den Raum zwischen dem wendelförmig gebildeten Rohr und den geraden Rohrabschnitten der unmittelbar benachbarten Rohre. Außerdem erlaubt es der Außenvorsprung des Wendeis bzw. der effektive Umfang 22 dem wendel/förmig gebildeten Rohr tangential die benachbarten Rohre zu berühren. Weiterhin sind die Wendel 21 in den Rohren 12 so angeordent, daß jeder gerade Rohrabschnitt tangential symmetrisch an seinem Umfang berührt und dadurch von den anliegenden wendeiförmigen Abschnitten unterstützt und auf Abstand gehalten wird.

Um die Beschreibung zu vereinfachen, ist das Segment des Rohrbündels 12A in den Figuren 2 und 3 in Sechskantform angeordnet und die Wendel 21 mit einem wirksamen Radius dargestellt, der gleich dem Rohrradius ist und plus dem Raum zwischen benachbarten Rohren. Wenn man in Richtung der Längsachse schaut (Figur 2), dann besagt diese symmetrische Rohranordnung, daß der Wendel 21 einen wirksamen

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Kreisumfang 22 hat, der tangential die sechs benachbarten Rohre an den Stellen 22A bis 22F berührt. Es ist darauf hinzuweisen, daß der Vereinfachung wegen die zu den Stellen 22E und 22F gehörenden Rohre nicht dargestellt sind. Gemäß der Darstellung in Figur 3 liegen diese Berührungsstellen 22A bis 22F auf einer wendeiförmigen Linie 23. Die wendeiförmige Linie 23 ist als eine gestrichelte Linie von der Stelle 22A¹ zur Stelle 22D dargestellt, um die Bertihrungsstellen entlang der rückwärtigen Seite des Wendeis 21 anzudeuten, und sie ist auch als eine stark durchgezogene Linie entlang der Vorderseite des Wendeis dargestellt, um die Berührungsstellen auf dieser Seite anzudeuten.

Gemäß der Darstellung in Fig. 3 berührt eine Schleife des Wendeis 21 alle sechs benachbarten Rohre an den Stellen 22A bis 22F. Der Wendel kann jedoch erfindungsgemäß stufenweise um die Längsachse herum fortschreiten, tangential irgendeine Anzahl benachbarter Rohre berühren, zu seiner "geraden" Rohrlage zurückkehren und dann seinen kurvenförmigen Weg wieder aufnehmen, bis alle benachbarten Rohre berührt sind. Außerdem kann der wendeiförmige Abschnitt seine Spirale mit konstantem Radius fortsetzen und wiederum irgendeine vorher festgelegte Anzahl Rohre an einer entferni^Liegenden Längsstelle berühren, wie z.B. bei 22A¹.

Weiterhin braucht bei dem sechseckförmigen Rohrbündel der wendelartige Abschnitt nur in jedem dritten Rohr in einer Rohrreihe ausgebildet zu werden, um jedes Rohr 12 mit einer Dreipunktunterstützung und den Abstand aufrechterhaltenden Berührung zu versehen, wie es in Figur 2 als Kontaktstellen 22B, 22G und 22H dargestellt ist. Das

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wendelförmig ausgebildete Rohr 21 wird dabei durch einen Sechspunktkontakt 22A bis 22P unterstützt und gehalten.

Bei einigen Wärmetauschern, wie z. B. bei Durchiaufdampferzeugern gemäß Figur 1, die man gewöhnlich in einer nuklearen Dampferzeugungs-Kraftanlage vorfindet, sind nicht nur Rohrunterstützung und Distanzierung erforderlich, sondern es müssen auch unterschiedliche Wärmedehnungen der Rohre aufgenommen werden. Im allgemeinen entsteht dieses Problem der unterschiedlichen Wärmedehnung durch die extrem langen Rohre, durch die unterschiedliche Temperatur der Rohre und des Wärmetauschermantels und/oder durch das unterschiedliche Material, d. h. die unterschiedlichen Wärmedehnungskoeffizienten der Rohre und des Mantels. Weiterhin ist es auch erforderlich, im wesentlichen den gleichen Druckverlust in jedem der Rohre vorzusehen und dadurch zu vermeiden, daß große und kleine Mengen durchströmen und daß heiße Stellen eventuell in denselben vorkommen.

Um also Unterstützung zu bieten, den Abstand aufrechtzuerhalten, im wesentlichen einen gleichen Druckverlust oder eine gleiche Mediumströmungslänge herzustellen und die unterschiedliche Wärmedehnung der typischerweise langen Rohre eines Durchlaufdampferzeugers zu berücksichtigen, schlägt eine Ausführungsform der Erfindung vor, die wendeiförmigen Abschnitte in jedem Rohr des Rohrbündels vorzusehen. Bei der schematisch in Figur 1 dargestellten Anordnung sind die Rohre 12 (nur in Achslage dargestellt) je mit einem wendeiförmigen Abschnitt 21 (nur in Achslage dargestellt) versehen, der tangential die unmittelbar benachbarten Rohre 12 berührt, wie es zuvor beschrieben worden ist. Außerdem sind die wendeiförmigen Abschnitte eines

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jeden der unmittelbar benachbarten Rohre in verschiedenen Rohrlängslagen hergestellt. Auf diese Weise hat jedes Rohr einen wendeiförmigen Abschnitt 21, der tangential einen nicht-wendelförinigen (geraden) Rohrabschnitt 24 der benachbarten Rohre 12 berührt und seinerseits von den wendeiförmigen Abschnitten 21 der benachbarten Rohre in seinem eigenen geraden Abschnitt 24 an einer anderen Längsstelle berührt wird.

Bei der in Figur 1 dargestellten Ausführungsform und zur Erläuterung ist das Rohrbündel 12A durch drei typische Längsabschnitte 25, 26 und 27 gekennzeichnet. Man kann leicht dieser Abbildung entnehmen, daß eine in Längsrichtung versetzte Anordnung von wendeiförmigen Abschnitten für jedes dritte Rohr in einer Rohrreihe des Rohrbündels 12A an jedem Längsabschnitt der Reihe eine tangentiale Berührung zwischen dem wendelförmig ausgebildeten Abschnitt eines Rohrs und den "geraden" Abschnitten der benachbarten Rohre herstellt. Auf diese Weise wird jedes Rohr 12 in dem Rohrbündel 12A durch seine Nachbarrohre unterstützt und von diesen auf Abstand gehalten. Dazu hat jedes Rohr einen wendeiförmigen Abschnitt, um unteröchiedliche Wärmedehnungen zu berücksichtigen. Außerdem weist jedes Rohr im wesentlichen die gleiche Lauflänge oder den gleichen Druckverlust bei seiner Durchströmung auf.

Natürlich kann die längs versetzte Anordnung nach Figur auch in anderen Mustern vorgesehen werden? Figur 1 soll also nicht zeigen, daß ein bestimmtes Muster erforderlich ist. Weiterhin kann der wendeiförmige Abschnitt entlang der ttohrlänge wiederholt werden, was u.a. von der jeweiliegen Wärmetauschergröße und den Strömungsverhältnissen

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abhängt. Obwohl die hierin gezeigten Rohre gleichen Durchmesser haben, sind außerdem die mit wendelförmigern Abschnitt ausgebildeten Rohre nicht notwendigerweise größenmäßig so beschränkt. Wiederum wurden jedoch unterschiedliche Größen der Wärmetauscherrohre oder der mit wendeiförmigen Abschnitten ausgebildeten Rohre in einem gewissen Ausmaß von den jeweiligen Merkmalen abhängen, wie z.B. Größe und Durchsatzmengen des jeweiligen Wärmetauschers.

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Claims

PATENTANSPRÜCHE:

.(Wärmetauscher mit einer Vielzahl im wesentlichen in -^ Längsrichtung ausgerichteter und mit Abstand angeordneter Wärmetauscher-Mediumströmungsrohre, dadurch gekennzeichnet , daß wenigstens einige der Rohre einen Abschnitt umfassen, der in Längsrichtung des Rohrs liegt und nach außen aus der Rohrlängsachse in einer ungefähren Wendelform gebogen ist, mit dem Rest des Rohrs kontinuierlich in strömungstechnischer Verbindung steht und in Längsrichtung aufeinanderfolgende nach außen verlaufende Teile in Tagentialberührung mit einigen der benachbarten Rohre aufweist.
2. Wärmetauscher einschließlich einer Vielzahl im wesentlichen in Längsrichtung ausgerichteter und auf Abstand angeordneter Wärmetauscher-Mediumströmungsrohre in einem Sechskantmuster, dadurch gekennzeichn e t , daß einige der Rohre einen Abschnitt umfassen, der in etwa eine wendeiförmige Achse hat, die in Längsrichtung der Rohrachse verläuft und außerhalb derselben angeordnet ist, wobei die Außenwand des Abschnitts aufeinanderfolgende Teile in tangentialer Berührung mit einigen der benachbarten Rohre steht.
3. Wärmetauscher nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenwand des Abschnitts alle darumliegenden benachbarten Rohre berührt.

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k. Wärmetauscher nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Abschnitt in Längsrichtung aufeinanderfolgende kontinuierliche Teile in tangentialer Berührung mit dem gleichen benachbarten Rohr an einer Vielzahl Längsstellen aufweist.

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