DE2600147A1

DE2600147A1 - Waermeaustauscher fuer hohe temperaturen

Info

Publication number: DE2600147A1
Application number: DE19762600147
Authority: DE
Inventors: Rene Gugenberger; Roger Martin
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 1975-01-06
Filing date: 1976-01-05
Publication date: 1976-07-08
Also published as: FR2296832A1; FR2296832B1; DE2600147C2; US4044825A

Description

Patentanwälte Dipl. -Ing. F. We ic km an ν, 2600147

Dipl.-Ing. H. Weickmann, Dipl.-Phys. Dr. K. Fincke SP/MY Dipl.-Ing. F. A.Weickmann, Dipl.-Chem. B. Huber

8 MÜNCHEN 86, DEN POSTFACH 860 820

MÖHLSTRASSE 22, RUFNUMMER 48 39 21/22

<983921/22>

Commissariat a I¹Energie Atomique

29, rue de la Federation, Paris 15^e/Frankreich

Wärmeaustauscher für hohe Temperaturen

Die Erfindung betrifft einen Wärmeaustauscher für hohe Temperaturen .

Es ist bekannt, daß man dann, wenn es sich um erhöhte Temperaturen handelt, Austauscher benutzt, deren primäre und sekundäre Kanäle in einem Stapel von Blöcken, vorzugsweise aus Graphit, angeordnet sind.

Jedoch sind die bisher bekannten Austauscher dieser Art solche für geringe- Leistung, die komplizierte Strukturen besitzen, insbesondere zur Sicherstellung der Verteilung der primären und sekundären Strömungsmittel in den geeigneten Kanälen oder der Sammlung der letzteren bei ihrem Austritt aus diesen Kanälen.

Deshalb können diese Austauscher nur in einer begrenzten Anzahl von bestimmten Anwendungsfällen Verwendung finden. Sie können nicht verwendet werden, wenn man beispielsweise das Maximum an Kalorien, die von dem Kühlstromungsmittel eines

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Kernreaktors mit hoher Temperatur aufgenommen worden sind, auf ein anderes Strömungsmittel übertragen will, und zwar im Hinblick auf gewisse chemische Vorgänge, weil in diesem Fall die Gesamtheit des Austauschers mit ausreichender Leistung in einem herabgesetzten bzw. engen Raum angeordnet sein muß, der in einem betonierten Kasten des Reaktors vorgesehen ist, wobei dieser Austauscher mit koaxialen Zuführungs- und Abführungsleitungen versehen sein muß.

Mit der Erfindung soll ein Wärmeaustauscher für hohe Temperaturen zur Verfügung gestellt werden, der gleichzeitig für hohe Leistungen geeignet ist und bei einem herabgesetzten Raumbedarf bleibt.

Darüberhinaus soll es möglich sein, in Übereinstimmung mit der erfindungsgemäßen Konzeption verschiedene geometrische Formen vorzusehen, von denen die eine bevorzugte den beiden obigen Bedingungen (große Leistung und koaxiale Leitungen) für die beabsichtigte Anwendung genügt.

Der erfindungsgemäße Wärmeaustauscher, der einen Stapel von Blöcken aufweist, die einerseits den eigentlichen Körper des Austauschers und andererseits die äußeren Teile bzw..die Endteile für den Anschluß bilden, wobei in den Blöcken primäre und sekundäre Kanäle ausgebildet bzw. gebohrt sind, zeichnet sich dadurch aus, daß jeder der äußeren Blöcke des Austauschers wenigstens zwei gegeneinander geneigte Oberflächen aufweist, auf denen bzw. über die jeweils die primären und sekundären Kanäle münden, wobei diese Oberflächen miteinander vereinigt sind und ein Trennteil bzw. -stück zur Trennung des primären und sekundären Strömungsmittels tragen.

Dieser Austauscher hat den Vorteil, daß er bei einem kleinen Volumen des gesamten Aufbaus eine große Anzahl von Kanälen besitzt, weil die äußeren Teile bzw. die Endteile aufgrund

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ihrer speziellen Struktur in Übereinstimmung mit denen bzw. derjenigen der Blöcke des Körpers unabhängig von der Anzahl der Kanäle ein leichtes Sortieren bzw. Trennen der primären und sekundären Strömungsmittel an den beiden Enden des Austauschers sicherstellen können.

Bei der Anordnung des Körpers und der äußeren Teile bzw. Stücke des Austauschers kann man eine gute Besetzung des Gesamtvolumens von Graphit durch eine Anordnung der Kanäle in parallelen Schichten bzw. Reihen erhalten, die parallel mit der größeren Dimension des Austauschers in den Blöcken des Körpers sind, während sie geneigt bezüglich dieser letzteren in den Blöcken der Endstücke bzw. -teile sind, wobei jede dieser Schichten bzw. Reihen gemäß einer alternativen bzw. abwechselnden Verteilung der Schichten bzw. Reihen von primärem oder sekundärem Strömungsmittel durchströmt wird.

Gemäß einer bevorzugten Abwandlung der Ausführungsform kann der erfindungsgemäße Austauscher in Verbindung mit einem zylindrischen Körper zwei äußere Teile bzw. Endteile bzw. -stücke aufweisen, welche die Form eines "Kraters" besitzen bzw. sich einer derartigen Form anpassen.

Eine solche Variante hat den Vorteil, daß sie die Zuführung und die Abführung des primären und sekundären Strömungsmittels durch koaxiale Leitungen gestattet, wodurch die Anwendung des Austauschers in einem Reaktor mit hoher Temperatur möglich gemacht wird, und zwar in vollständig zufriedenstellender Weise.

Die Erfindung wird nachstehend anhand einiger, besonders bevorzugter Ausführungsbeispiele, einschließlich eines Anwendungsbeispiels des Austauschers in einem Hochtemperaturreaktor, unter Bezugnahme auf die Fig. 1 bis 4 der Zeichnung näher erläutert; es zeigen:

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Fig. 1 schematisch in einer teilweisen Schnittansicht eine perspektivische Ansicht eines Austauschers von zylindrischer Form mit kreisförmiger Basis, der mit koaxialen Strömungsmittelzuführungs- und -abführungsleitungen versehen ist;

Fig. 2 eine teilweise Ansicht der äußeren Teile bzw. der Endteile eines zylindrischen Austauschers mit kreisförmiger Basis;

Fig. 3 eine perspektivische Ansicht eines Austauschers von Quader- bzw. Parallelepipedform; und

Fig. 4 den Austauscher der Fig. 1 in einem Hochtemperatur re ak to r.

In dem Austauscher, der schematisch in Fig. 1 dargestellt ist, befindet sich der Körper A des Austauschers, der zylindrische Blöcke mit kreisförmiger Basis aufweist, wie beispielsweise den Block 2, in denen eine große Anzahl von Kanälen gebohrt oder in sonstiger Weise vorgesehen ist, wie beispielsweise die Kanäle 4. Die Blöcke 2 sind einer auf dem anderen gestapelt, wobei sie mit Keilen bzw. Verriegelungsstücken zentriert sind, und zwar in der Weise, daß die Kontinuität jedes der Kanäle 4 bei ihrem Verlauf von einem Block zum folgenden sichergestellt wird. An den beiden äußeren Enden des Austauschers sind die Endteile B und C vorgesehen, wobei das Teil B den Block 8 und den zylindrischen Ring 12 aufweist, während das Teil C den Block 10 und den zylindrischen Ring besitzt. Diese Ringe 12 und 14 überragen jeweils die Blöcke und 10 in der Weise, daß sie mit den Ringen 16 und 18, welehe die gleiche Achse haben, die beiden Spalte bzw. Spielräume 20, 22 und 24, 26 zur Zuführung und zur Abführung jedes der Strömungsmittel abgrenzen.

Gemäß einem wesentlichen Merkmal der Erfindung weisen die Blöcke 8 und 10, die mit ihrer Basis an die äußersten Blöcke 2¹ und 2" des Körpers A des Austauschers angepaßt sind, jeder zwei Oberflächen auf, und zwar der Block 8 die beiden Ober-

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flächen 28 und 30 und der Block 10 die beiden Oberflächen und 34, wobei diese Oberflächen in Bezug aufeinander geneigt sind und sich längs der Umfange 36 und 38 vereinigen. Die Oberflächen 28 und 30 des Blocks 8 sind aufgrund der zylindrischen Form und der kreisförmigen Basis der Blöcke 2 des Körpers des Austauschers Kegelteile, deren scheinbare Spitzen beiderseits der Ebene des Umfangs 36 liegen, welcher seinerseits die Stelle repräsentiert, an denen sie sich schneiden; und das gleiche gilt für die Wände 32 und 34 des Blocks

Jeder der Kanäle 4, der die Blöcke, wie beispielsweise den Block 2, des Körpers A des Austauschers durchquert, läuft fort in die Blöcke 8 und 10, indem er im Inneren dieser Blöcke in der Weise angeordnet ist, daß er auf der einen oder der anderen der Wände der Blöcke 8 und 10 mündet, und zwar jenachdem, ob er von dem primären oder sekundären Strömungsmittel durchlaufen wird.

Im Hinblick darauf, daß die Druckverluste auf ein Maximum minimalisiert werden sollen, entscheidet man sich für die Geradlinigkeit der Kanäle 4 in der Gesamtheit des Körpers A des Austauschers, wobei diese Kanäle in dem Körper A parallel zur Achse 42 des Austauschers sind. Auch weisen die Kanäle keinen Sprung in der Neigung auf, wie das beim Durchgang vom Körper A in die Teile B oder C der Fall ist, in denen sie bezüglich der Achse 42 geneigt sind.

Um darüberhinaus den Austauscher mit einer wesentlichen Anzahl von Kanälen versehen zu können, ohne die Abmessung zu vergrößern, sind diese Kanäle 4 vorzugsweise in Schichten vorgesehen, die alternativ bzw. abwechselnd von primärem oder sekundärem Strömungsmittel durchströmt werden. Zwei Schichten 44 und 46, die jeweils von primärem und sekundärem Strömungsmittel durchströmt werden, sind in den Schnittebenen der Fig. 1 dargestellt. Man sieht, daß die Kanäle der Schicht 44,

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durch welche beispielsweise das primäre Strömungsmittel hindurchgeht, ihren Ursprung auf der äußeren Wand 30 des Blocks 8 haben, während sich ihr Ende auf der inneren Wand 32 des Blocks 10 befindet; hingegen haben die Kanäle der Schicht 46, durch die dann das sekundäre Strömungsmittel hindurchgeht, ihren Ursprung auf der äußeren Wand 34 des Blocks 10 und ihr Ende auf der inneren Wand 28 des Blocks 8.

Es sei darauf hingewiesen, daß es möglich ist, in Betracht zu ziehen, die Versorgung einer Gruppe von Schichten mit primärem oder sekundärem Strömungsmittel durch alle beiden inneren oder äußeren Wände auf jedem der Blöcke 8 und 10, wie beispielsweise durch die Wände 28 und 32, vorzunehmen, oder durch die inneren Wände auf den Blöcken 8 oder 10 und die äußeren Wände auf den anderen Blöcken, wie beispielsweise die Wände 30 und 34.

Es sei darauf hingewiesen, daß dann, wenn die erforderlichen Abmessungen für den Austauscher wichtig sind, die Blöcke, welche den Körper des Austauschers bilden,oder die Endteile nicht mehr einstückig sein müssen, sondern durch dichte Anordnung mittels Keilen bzw. Verriegelungsstücken von einer vorbestimmten Anzahl von Sektoren gebildet sein können, wie beispielsweise von den Sektoren 48.

Außerdem ist in gleicher Weise zu bemerken, daß es zum Zwecke der Erleichterung der Anordnung bzw. des Zusammenfügen möglich ist, in den äußeren Teilen bzw. den Endteilen Kanäle, die in Bezug auf die Achse 42 geneigt sein müssen, in einer vorbestimmten Anzahl in einem einzigen Schlitz bzw. einer einzigen Öffnung zu vereinigen; das ist in der Fig. 1 bei den Kanälen geschehen, welche die Schicht 44 bilden; denn diese Kanäle münden auf der äußeren Wand 30 durch den Spalt 50.

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Außerdem ist darauf hinzuweisen, daß es vorteilhaft ist, die Oberfläche des Austritts der Kanäle, die auf der inneren Wand 28 münden, dadurch zu vergrößern, daß man in dieser Wand Hohlräume 52 zwischen zwei aufeinanderfolgenden Sektoren 48 aushöhlt oder in sonstiger Weise ausbildet.

In der Fig. 2 ist der oberste Block 8, der aus mehreren Sektoren 48 zusammengesetzt ist, in näheren Einzelheiten dargestellt. Man erkennt, daß in jedem Sektor Kanäle in parallelen Schichten zu ihrer Symmetrieebene vorgesehen sind, und das ist im Hinblick darauf geschehen, um jede Störung zwischen primären und sekundären Schichten zu vermeiden.

Die Kanäle von Schichten, welche beispielsweise von primärem Strömungsmittel durchsetzt werden, wie z.B. die Kanäle 44, sind in einem einzigen Schlitz bzw. einer einzigen Öffnung im Inneren des Blocks 8 vereinigt und münden auf der Wand durch Schlitze bzw. Spalte 50·.

Die Kanäle der Schichten 46, die zwischen zwei Schichten angeordnet sind, münden einzeln auf den Sektoren 48 der Wand 28 oder auf einer der Flächen der Hohlräume 52, die zwischen zwei aufeinanderfolgenden Sektoren 48 vorgesehen

Die Wirkungsweise des unter Bezugnahme auf die Fig. 1 und erläuterten Wärmeaustauschers, durch welchen die Ströme der primären und sekundären Strömungsmittel entgegengesetzt verlaufen, ist wie folgt:

Das primäre Strömungsmittel, das sich in der Eintrittsleitung 22 befindet, wird von seinem Eintritt in den Austauscher in die ihm zugeordneten Kanäle verteilt, da allein diese letzteren auf der Wand 30 der Blocke 8 münden, auf welcher die Leitung 22 ruht. Nach der Durchquerung des Austauschers wird das primäre Strömungsmittel in dem Kanal 24 gesammelt,

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der einstückig mit der Wand 32 des Blocks 10 ist, auf welcher nur die Kanäle münden, die durch dieses primäre Strömungsmittel durchströmt werden.

Das Prinzip der Verteilung und des Sammelns ist für das sekundäre Strömungsmittel identisch, und dieses Verteilen und Sammeln geschieht über die Wände 34 bzw. 28 der äußeren Blöcke, die mit den Kanälen bzw. Leitungen 26 bzw. 20 vereinigt sind.

Das primäre und das sekundäre Strömungsmittel werden in sicherer Weise durch die Ringe 12 und 14 getrennt.

In der Fig. 3 ist schematisch eine andere Ausführungsform des Austauschers dargestellt, bei welcher der Körper des Austauschers quaderförmig ist, wobei jeder der Endblöcke zwei rechteckige, geneigte Wände besitzt, wie beispielsweise die Wände 54 und 56. Die Anordnung der Kanäle im Inneren der verschiedenen Blöcke des Körpers und der Endteile folgt einer analogen Konzeption, wie sie vorstehend für den zylindrischen Austauscher beschrieben worden ist.

Bei den beiden Ausführungsformen des Austauschers gemäß der Erfindung werden die Probleme der Abdichtung zwischen den primären und sekundären Kanälen dadurch gelöst, daß man in diesen letzteren primäre und sekundäre Strömungsmittel der gleichen Art zirkulieren läßt, wobei die Druckunterschiede auf den Wert der Druckverluste begrenzt werden.

Ansonsten ist es vorteilhaft, das sekundäre Strömungsmittel auf einem leichten Überdruck mit Bezug auf das primäre Strömungsmittel zu halten, was es insbesondere ermöglicht, daß dann, wenn ein solcher Austauscher in einem Kernreaktor benutzt wird, eine Wanderung von Spaltprodukten von den primären Kanälen nach den sekundären Kanälen zu vermieden wird.

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Andererseits ist es zum Zwecke der Unterdrückung jeder Gefahr von Entweichen bzw. Leckströmung zwischen zwei aufeinanderfolgenden Blöcken vorteilhaft, einen solchen Austauscher mit Graphitblöcken aufzubauen, die verschiedenen Bearbeitungen ausgesetzt worden sind, welche dazu bestimmt sind, ein vollständiges Anlegen bzw. Plattieren dieser Blöcke gegen diejenigen Blöcke, die sie tragen oder die auf ihnen angeordnet sind, erleichtern.

Tm Hinblick auf die Vermeidung jedes eventuellen Entweichens zwischen zwei Blöcken ist es in gleicher V/eise vorteilhaft, nicht nur eine gewisse Anzahl von Teilen bzw. Verriegelungsteilen 6 vorzusehen, sondern gleichzeitig elastische Einrichtungen, die nicht in der heißen Zone liegen und die dazu beitragen können, die Blöcke gegeneinander anzudrücken bzw. anzulegen.

Außerdem ist es zur Erzielung einer befriedigenden Dichtheit in der Masse des Wärmeaustauschers vorteilhaft, die bearbeiteten Blöcke verschiedenen Imprägnierungsbehandlungen auszusetzen, welche dazu bestimmt sind, die Porosität des Graphits herabzusetzen.

In Fig. 'ι ist eine Anwendung eines Wärmeaustauschers, der gemäß dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 ausgebildet ist, in einem Hochtemperaturreaktor veranschaulicht, v/obei letzterer mit komprimiertem Helium gekühlt wird.

In der Fig. 4 erkennt man den Kern 54 des Reaktors, .der im Inneren eines Betontanks bzw. -kastens 56 angeordnet ist, und der Austauscher 60 nach der Erfindung ist im Inneren von einem der Hohlräume 58 vorgesehen, welcher in der Wand des betonierten Tanks bzw. Kastens 56 ausgebildet ist.

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Der Austauscher 60 ist mit dem Kern 54 durch Leitungen 26 und 20 verbunden, di.e jeweils bezüglich dieses Austauschers 60 den Zuführungs- und Abführungsleitungen des primären Strömungsmittels entsprechen, das von dem Kühlstrümungsmittel des Reaktors gebildet wird.

Die Leitungen 22 und 24, welche die Wand des betonierten Tanks 56 jeweils durch die Öffnungen 62 und 64 durchsetzen, entsprechen für den Austauscher 60 jeweils den Zuführungsund Abführungsleitungen für das sekundäre strömungsmittel.

Man sieht, daß beim Austauscher 60, der so im Reaktor vorgesehen ist, die primären Kanäle auf den Wänden 34 und 20 der äußeren bzw. am Ende befindlichen Teile C und B münden, während die sekundären Kanäle auf den Wänden 30 und 32 der Teile B und C münden.

Wie man aufgrund dieses Entwurfs erkennt, ist der erfindungsgernäße Austauscher, der einen herabgesetzten Raumbedarf hat und mit koaxialen Kanälen versehen ist, besonders gut für diese Art der Anwendung geeignet.

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Claims

26Ü0H7 --11 — ..Patentansprüche

1. Wärmeaustauscher für hohe Temperaturen mit einem Stapel von Blöcken, welche einerseits den eigentlichen Körper des Austauschers und andererseits die äußeren Anschlußteile bilden, wobei die Blöcke mit primären und sekundären Kanälen versehen sind, dadurch gekennzeichnet , daß jeder der äußeren Blöcke (2',2") des Austauschers wenigstens zwei in Bezug aufeinander geneigte Oberflächen (28,30, 32,34;54,56) aufweist, auf denen bzw. über die jeweils die primären und sekundären Kanäle (4) münden, wobei diese Oberflächen miteinander vereinigt sind und ein Trennteil bzw. -stück (12,14) zur Trennung zwischen primärem und sekundärem Strömungsmittel tragen bzw. aufweisen.

2. Wärmeaustauscher nach Anspruch 1, dadurch g e kennzei chnet , daß die primären und sekundären Kanäle (4) parallel zu der größeren Dimension des Austauschers in den aufeinanderfolgenden Blöcken (2) des Körpers (A) des Austauschers und geneigt zu dieser Richtung in den die äußeren Anschlußteile (B,C) bildenden Blöcken (2',2") sind.

3. Wärmeaustauscher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzei chnet, daß die Kanäle (4) in Schichten, geradlinigen Reihen oder dergl. (44,46) angeordnet sind, wobei jede dieser Schichten oder dergl. entweder vom primären Strömungsmittel oder vom sekundären Strömungsmittel durchströmt wird, und zwar gemäß einer alternativen bzw. abwechselnden Verteilung der Schichten oder dergl.

4. Wärmeaustauscher nach Anspruch 1, 2 oder 3_f dadurch gekennzeichnet , daß der Körper (A) des Austauschers die Form eines Quaders, Parallelepipeds oder dergl. hat, wobei die genannten Oberflächen (54,56) rechteckig sind.

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5. Wärmeaustauscher nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet , daß der Körper (A) des Austauschers die Form eines aufrechten Zylinders mit kreisförmiger Basis hat, wobei die genannten Oberflächen (28,30,32,34) Teile von Kegeln sind, die in der Weise angeordnet sind, daß ihre fiktiven Spitzen beiderseits der Ebene ihrer Vereinigungs- bzw. Schnittlinie (36) liegen.

6. Wärmeaustauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die den Körper (A) bildenden Blöcke (2) und die äußeren bzw. am Ende liegenden Teile (B,C) des Austauschers durch die Zusammenfügung einer vorbestimmten Anzahl von Sektoren (48) gebildet sind, und daß die Kanäle (4) in jedem dieser Sektoren in Schichten, geradlinigen Reihen oder dergl. (44,46) liegen, die parallel zu ihrer Symmetrieebene liegen.

7. Wärmeaustauscher nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet , daß die Kanäle (4), welche vorbestimmte Schichten oder dergl. (44,46) bilden, auf den genannten Oberflächen durch einen einzigen Schlitz, eine einzige Öffnung oder dergl. (50,52) münden.

8. Wärmeaustauscher nach Anspruch 5, 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet , daß die Oberfläche (28), die von dem Teil des Kegels gebildet wird, dessen fiktive Spitze unterhalb der Ebene der genannten Vereinigungs- bzw. Schnittlinie (36) liegt, Hohlräume (52) aufweist, die in der Nähe der Vereinigung von zwei aufeinanderfolgenden Sektoren (48) vorgesehen sind.

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