DE2624621A1 - Waermeuebertragerelement fuer hohe temperaturen - Google Patents

Description

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Gebrüder Sulzer Aktiengesellschaft, Winterthur/Schweiz Wärmeübertragerelement für hohe Temperaturen

Die Erfindung betrifft ein Wärmeübertragerelement für hohe Temperaturen, insbesondere für gasgekühlte Hochtemperaturreaktoren. In Hochtemperaturreaktoren wird ein Primärgas, vorzugsweise Helium, auf Temperaturen von gegen 1000 OC erhitzt. Die Wärmeenergie dieses Gases kann zum Antrieb thermischer Kraftmaschinen oder zur Durchführung chemischer Prozesse verwendet werden. In beiden Fällen kann es zweckmässig oder notwendig sein, die Wärme an ein sekundäres Medium, vorzugsweise wieder ein Gas, zu übertragen. Die Wärmeübertragung geschieht dabei in einem Wärmeübertrager, dessen Heizflächen aussergewöhnlich hohe Temperaturen annehmen und hohen Wärmedehnungen unterliegen. Ueberdies treten an den Teilen solcher Wärmeübertrager Drücke und Kräfte auf, durch welche das Material zusätzlich belastet wird. Es ist Aufgabe der Erfindung, einen Wärmeübertrager zu schaffen, der sich für höchste Temperaturen eignet und überdies den Randbedingungen einer Reaktoranlage genügt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass am einen Ende eines vertikalen, aufzuheizendes Arbeitsmittel

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führenden, aussen wärmeisolierten Tragrohres ein Verteiler angeordnet ist, dass an diesem Verteiler ein Bündel wendelförmig gebogene Rohre angeschlossen sind, dass die Rohre, von einer am Tragrohr befestigten Stützkonstruktion getragen, in mehreren, das Tragrohr konzentrisch umgebenden Kreiszylinderflächen verlaufen und in einem das Tragrohr umgebenden Sammler enden und dass im Betrieb das Rohrbündel von einem kreiszylindrischen Mantel mit die Umströmung des Mantels verhindernden Mitteln umgeben ist.

Diese Lösung hat den besonderen, zusätzlichen Vorteil der einfachen Herstellbarkeit in einzelnen Modulen, die sich leicht auf -die Baustelle bringen und dort einbauen lassen. Weitere Vorteile liegen im guten Wärmeübergang, im geringen Materialaufwand sowie in der gleichmässigen Materialverteilung, welche rasche Temperatüränderungen erlaubt.

Die Erfindung ist an einem zeichnerisch dargestellten Ausführungsbeispiel näher erläutert. Figur 1 zeigt einen Längsschnitt durch ein Wärmeübertragerelement und die Figuren 2 und 3 zeigen, in vergrössertem Massstab, Schnitte durch zwei Varianten eines Dichtelementes, das zwischen benachbarten Wärmeübertragerelementen und zwischen Wärmeübertragerelementen und der benachbarten Wand eingesetzt werden kann.

In der Ausführungsform nach Figur 1 trägt ein zentrales, vertikal angeordnetes Tragrohr 1 einen kugelförmigen Verteiler 2, an dem, ein Bündel 3 bildende, wendelförmig gebogene Rohre

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angeschlossen sind. Diese Rohre 4 verlaufen in dem Bereich in dem sie wendelförmig gebogen sind durch Bohrungen 5 von vier Tragplatten 6, die durch Schweissnähte 7 am oberen Teil des Tragrohres 1 befestigt sind. Die unteren Enden der Rohre 4 münden in einen kugelförmigen Sammler 10, der das untere Ende des Tragrohres 1 umgibt und mit diesem in einer Ringnaht 11 verschweisst ist. An das untere Ende des Tragrohres 1 stossen ein Konus 12 und eine Kreisplatte 13 an. Am Konus 12 sind drei GabeIrohrstücke 14 angeschlossen, die an einem Blechkonus 15 münden, dessen Aussenkante in einer Kreisnaht 16 mit dem Sammler 10 verschweisst ist. Im Bereich dieser Kreisnaht ist sodann am Sammler 10 ein äusseres Verbindungsrohr 20, und am inneren Rand des Konuses 15 ist ein inneres Verbindungsrohr 21 angeschlossen. Durch die Gabel-

24 rohrstücke 14 ist somit der RingraumYzwischen den beiden Verbindungsrohren 20 und 21 mit dem Innenraum des Tragrohres 1, und das Innere des Sammlers 10 ist über die Zwischenräume zwischen den Gabelrohrstücken 14 mit dem Inneren des Verbindungsrohres 21 verbunden. 1 Das äussere Verbindungsrohr 20 ist in seinem obersten Bereich nach innen abgesetzt. Oberhalb dieser Absetzung bildet der Ringraum 24 einen ringförmigen Verteiler 25 zu den Gabelrohrstücken 14. Im Bereich dieses Verteilers 25 ist am äusseren Verbindungsrohr 20 ein flanschartig vorspringender Absatz 28 vorgesehen, über den sich das Verbindungsrohr 20 - und damit das ganze Wärmeübertragerelement - auf einer Oberplatte 30 abstützt, die mit einem Rohr 31 und einer Unterplatte 32 zusammen Teil eines doppelten Futterbodens einer in einem Reaktordruckgefäss aus Beton ausgesparten

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Kaverne 35 bildet. An das Rohr 31 schllesst unten ein Futterrohr 36 mit Balg 37 an, das unterhalb des Balges 37 auf nicht gezeichnete Weise mit dem äusseren Verbindungsrohr 20 gasdicht verbunden ist.

Die Tragplatten 6 sind, wie bereits gesagt, durch Schweissnähte 7 am Tragrohr 1 befestigt. Am unteren Ende stützen sie sich über Nasen 40 am Tragrohr 1 ab. Zwischen den Schweissnähten und den Nasen 40 weisen die Tragplatten je eine Ausnahme 41 auf. An der Aussenkante der Tragplatten ist in deren oberstem Bereich 42 ein sich über die Länge des wendelförmig gewundenen Teils der Rohre erstreckender Mantel 43 befestigt. Der Mantel wird unten durch Nasen 44 gestützt. Im Abschnitt zwischen den Nasen 44 und den Bereichen 42 sind die Stützplatten 6 leicht zurückgenommen. Am oberen Ende des Mantels 43 ist dieser von

gebogenem
einem im Grundriss sechseckig*ύ Band 50 umgeben, das über einen flanschartig vorspringenden Steg 51 mit der Oberkante des Mantels 43 dicht verbunden ist. Das Band 50 bildet mit dem Steg 51 zusammen eine radiale, elastisch nachgebende Schürze.

Der Verteiler 2, das Tragrohr 1 und der Sammler 10 sowie ein kurzer Abschnitt des Rohres 20 sind mit einer Schicht 60 keramischen Isolierstoffes bedeckt. Die Oberplatte 30 trägt eine Isolierschicht 61.

Im Betrieb strömt das aufzuheizende Arbeitsmittel, wie ein Pfeil 65 andeutet, durch den Ringraumizwischen den beiden Verbindungsrohren 20 und 21 über den Verteiler 25, die

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Gabelrohrstücke 14 und das Tragrohr 1 in den Verteiler 2. Dadurch werden die hauptsächlich tragenden Teile des Wärmeübertragers : Verbindungsrohr 20, Konus 15, Gabelrohrstücke 14, Konus 12, Tragrohr 1 und Verteiler 2 -wirksam gekühlt. Zur verbesserten Kühlung des untersten Bereiches des Tragrohres 1, der Gabelrohrstücke 14, der Konusse 12 und 15, der Kreisplatte 13 sowie des inneren Verbindungsrohres 21 können diese Teile auf der dem zugeführten Arbeitsmittel abgewendeten Seite eine zusätzliche, in der Zeichnung nicht angegebene Isoliermittelschicht tragen.

Das aufzuheizende Medium strömt sodann durch die Rohre 4, in denen es erhitzt wird, zum Sammler 10, aus dem es,zwischen den Gabelrohrstücken 14 hindurch, entsprechend einem Pfeil 66, durch das innere Verbindungsrohr 21 zur Nutzung abströmt.

Im Reaktor aufgeheiztes Helium tritt - als Primärgas - wie ein Pfeil 67 andeutet, zwischen der Oberplatte 30 und der unteren Kante des Mantels 43 in den Ringraum zwischen dem Tragrohr 1 und dem Mantel 43 ein. In diesem Ringraum gibt das Helium Wärme an das in den Rohren 4 strömende Arbeitsmittel ab. Es verlässt darauf, gekühlt, den Mantel 43 an seinem oberen Ende, worauf es, entsprechend einem Pfeil 68, einem nicht gezeichneten Gebläse und schliesslich dem Reaktor zugeführt wird. Das gekühlte Helium kann zusätzlich durch den Raum zwischen Ober- und Unterplatte 30 bzw. 32 geleitet werden um den Wärmeeinfall in die Betonkonstruktion 35 zu verringern.»

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Wie in den Figuren 2 und 3 dargestellt, können anstelle der Dichtschürzen 50, 51 am Mantel 43 gegen oben sich verdickende Flanschen 70, 71 mit vier- oder sechseckigem Umriss angeordnet sein.

In Figur 2 ist zwischen die starren Flanschen 70, 70' benachbarter, z.B. versetzt angeordneter Wärmeübertragerelemente ein federndes Dichtelement 75 aus dünnem, wärmebeständigem Federblech eingeführt, das durch seine, durch Vorspannung erzielte Spreizkraft der im Bereich des Flansches wirkenden Druckdifferenz des Primärgases das Gleichgewicht hält.

Figur 3 zeigt ein ähnliches Dichtelement 76, das durch die an ihm wirkende Druckdifferenz des Primärgases eine zusätzliche Spreizkraft erfährt, welche verhindert, dass das Diehtelement aus dem Spalt hinausgeblasen wird.

Die der Abstützung der Tragplatten 6 und der.Zentrierung des Mantels 43 dienenden Nasen 40 und 44 müssen nicht, wie in Figur 1 gezeigt, am unteren Ende der Tragplatten 6 angeordnet sein. Es kann vielmehr zweckmässig sein, sie höher, in einem Abschnitt tieferer Temperatur anzuordnen.

Die Figuren sind als schematische Darstellung zu verstehen. So kann es zweckmässig sein, Verteiler 2 und Sammler 10 mit kleinerem Durchmesser auszuführen und die Rchranschlüsse auf die ganze, von übrigen Anschlüssen freie Kugelfläche zu verteilen.

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Die Mäntel 43 können auch, statt an den Tragplatten 6 angeschweisst, von diesen getrennt, raumfest aufgestellt sein, sodass in Axrichtung geringe WärmedehnungsverSchiebungen
zwischen den Tragplatten 6 und den Mänteln 43 möglich sind.

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Claims (10)

26?Α621 Patentansprüche

1.J Wärmeübertragerelement zu gasgekühlten Hochtemperaturreaktoren, dadurch gekennzeichnet, dass am einen Ende eines vertikalen, aufzuheizendes Arbeitsmittel führenden, aussen wärmeisolierten Tragrohres (1) ein Verteiler (2) angeordnet ist, dass an diesem Verteiler (2) ein Bündel wendelförmig gebogene Rohre (4) angeschlossen sind, dass die Rohre (4), von einer am Tragrohr (1) befestigten Stützkonstruktion (6) getragen, in mehreren, das Tragrohr (1) konzentrisch umgebenden Kreiszylinderflächen verlaufen und in einem das Tragrohr (1) umgebenden Sammler (10) enden,und dass im Betrieb das Rohrbündel von einem kreiszylindrischen Mantel (43) mit die Umströmung des Mantels verhindernden Mitteln (50, 51, 70, 71, 75, 76) umgeben ist.

2. Wärmeübertragerelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Mantel (43) an der Stützkonstruktion (6) befestigt ist.

3. Wärmeübertragerelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Mantel (43), vorzugsweise an seiner im Betrieb kühleren Seite, mit einem flanschartig vorspringenden Dichtrand (50, 51, 70, 71) sechseckigen Umrisses endet.

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ORIGINAL

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4. Wärmeübertragerelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Stützkonstruktion (6) für das Rohrbündel aus mehreren, radial-axial zur Elementaxe verlaufenden, am Tragrohr (1) befestigten Lochplatten (6) besteht, wobei die Rohre des Rohrbündels durch Bohrungen (5) der Lochplatten (6) gesteckt sind.

5. Wärmeübertragerelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Tragrohr (1) im Bereich des Sammlers (10) über mehrere Gabelrohrstücke (14) an einen Ringraum (25) angeschlossen ist, der von zwei zum Tragrohr (1) koaxial verlaufende Verbindungsrohre (20, 21) gebildet ist und wobei das innere (21) der beiden Verbindungsrohre (20, 21) einen Anschluss an den Sammler (25) darstellt.

6. Wärmeübertragerelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Verteiler (2) und/oder der Sammler (10) kugelförmig ausgebildet sind.

7. Wärmeübertragerelement nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Dichtrand als Dichtschürze (50, 51) ausgebildet ist.

8. Wärmeübertragerelement nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Dichtrand aussen nach einer Pyramidenstumpffläche (70, 71) mit auf der heissen Seite liegenden Pyramidenspitze angeschrägt ist und dass elastisch nachgiebige Dichtelemente (75, 76) vorgesehen sind zum Einschieben zwischen die

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Dichtränder benachbarter Wärmeübertragerelemente.

9. Wärmeübertragerelement nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtelemente aus Blechstreifen (75) Jl-förmigen Profils bestehen.

10. Wärmeübertragerelement nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtelemente aus Blechstreifen (76) bestehen, die ein Profil aufweisen, das einer unten offenen 8'gleicht.

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