DE2658086A1 - Waermetauscher - Google Patents

Description

Vereinigte Österreichische Eisen- und Stahlwerke - Alpine Montan Aktiengesellschaft, Wien (Österreich)

Wärmetauscher

Die Erfindung bezieht sich auf einen Wärmetauscher, insbesondere Zwischenwärmetauscher für gasgekühlte Hochtemperaturreaktoren, mit einem um ein zentrales "Verteilerrohr für das Heiz- bzw. Primärmittel kreisringförmig angeordneten U-Rohrbündel für das Kühl- bzw. Sekundärmittel, wobei das Kühl- bzw. Sekundärmittel durch das U-Rohrbündel von einer äußeren Verteilerkammer in einen inneren Sammler strömt und das Heiz- bzw. Primärmittel im Gegenstrom entlang des U-Rohrbündels geführt ist.

Aus sicherheitstechnischen Gründen erscheint es heute als notwendig, Prozeßwärmeanlagen, beispielsweise Kohlevergasungsanlagen, die ihren Wärmebedarf aus einer nuklearen Wärmequelle decken, mit einem Zwischenkreislauf auszustatten, wobei die Wärmeauskoppelung in einem Zwischenwärmetauscher erfolgt. Das Heiz- bzw. Primärmittel, also das Reaktorkühlmittel, tritt in diese Zwischenwärmetauscher mit einer Temperatur von ca. 95O⁰C ein und verläßt sie mit einer Temperatur von ca. 250⁰C. Auf der Seite des Zwischenkreislaufes liegen die Temperaturen jeweils um etwa 50⁰C niedriger, d.h. das Kühl- bzw. Sekundärmittel tritt in die Zwischenwärmetauscher mit etwa 200⁰C ein und verläßt sie mit etwa 900⁰C. Es ergibt sich daher eine besonders hohe thermische Belastung des Materials und der Bauteile eines solchen Wärmetauschers.

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Bei bisher bekannten Wärmetauschern mit einem U-Rohrbündel und im Gegenstrom geführtem Primär- und Sekundärmittel werden die Rohrenden des Rohrbündels in einer gemeinsamen Rohrplatte zusammengefaßt, die gleichzeitig den Abschluß für die Verteilerkammer und für den Sammler bildet. Da also sowohl die kalten als auch die warmen Schenkel der U-Rohre in einer einzigen Rohrplatte eingesetzt sind, kommt es zu einer Aufteilung dieser in eine kältere und eine wärmere Hälfte und daher zu einer unsymmetrischen thermischen Belastung, so daß solche Wärmetauscher für höhere Temperaturdifferenzen zwischen Primär- und Sekundärseite nicht geeignet sind. Außerdem werden bei hohen Ubertragungsleistungen, also bei einem Bedarf an großen Wärmetauscherflächen die Abmessungen der Rohrplatte sehr groß, was,abgesehen vom dadurch bedingten Platzbedarf des Wärmetauschers, die Behirrschung der auftretenden Belastungen zusätzlich erschwert.

Es gibt nun auch schon Wärmetauscher mit einem U-Rohrbündel, das kreisringförmig auf einer Rohrplatte angeordnet ist, die eine ringförmige äußere Verteilerkammer und einen inneren Sammler abdeckt. Verteilerkammer und Sammler sind durch die kreisförmig angeordneten U-Rohre miteinander verbunden. Die kreisringförmige Anordnung des Rohrbündels ergibt zwar die Möglichkeit einer platzsparenderen und für die Wärmeübertragung von Primär- auf Sekundärmittel günstigeren Aufteilung der einzelnen U-Rohre, doch wird auch hier die Rohrplatte in einen inneren heißen Bereich und einen äußeren ringförmigen kühleren Bereich aufgeteilt, so daß auch hier die Rohrplatte einer überaus ungünstigen thermischen Belastung ausgesetzt ist. Um diese Beanspruchung zu verringern, kann nun die Rohrplatte geteilt werden, und zwar in einen kreisförmigen Innenteil, der mit den heißen U-Rohrenden verbunden ist und einen separaten ringförmigen Außenteil, in dem die kalten U-Rohrenden stecken. Wegen der niedrigen Beanspuchungskennwerte der Werkstoffe bei Temperaturen in der Höhe von etwa 930⁰C und der ungünstigen Festigkeitseigenschaften einer Rohrplatte würde aber bei so hohen Temperaturen die Wandstärke der heißen Rohrplatte überaus groß werden. Da weiters der

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Durchmesser derRohrplatte durch die Zahl der Rohre, die in der Rohrplatte zusammengefaßt sind, bestimmt wird, würden bei Zwischenwärmetauschern hoher Leistungen so große Rohrplatten erforderlich sein, daß diese aus den geeigneten Werkstoffen nicht mehr herstellbar wären.

Weiters sind bereits als zylindrische, dickwandige Rohrstücke ausgebildete Sammler bekannt, die jedoch nur mit mehr oder weniger gerade verlaufenden Rohrbündeln in Verbindung stehen, wodurch aus ßemessungs- und Platzgründen die erzielbaren Übertragungsleistungen in recht engen Grenzen bleiben müssen.

Auch gibt es Wärmetauscher mit einem zentralen, durch eine Trennwand axial geteilten Rohrstück, dessen eine Hälfte als Verteiler und dessen andere Hälfte als Sammler dient. Das doppel-U-förmige Rohrbündel steckt daher einerseits mit seinen kalten, anderseits mit seinen heißen Enden in diesem Rohrstück, so daß sich wiederum unsymmetrische Wärmebelastungen ergeben.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diese Nachteile zu beseitigen und einen Wärmetauscher der eingangs geschilderten Art zu schaffen, der bei relativ geringen Abmessungen und bester Funktionssicherheit hohen Temperaturdifferenzen standhält und gute Wärmeübertragungseigenschaften mit sich bringt.

Die Erfindung löst diese Aufgabe dadurch, daß als Sammler, wie an sich bekannt, ein zylindrisches, dickwandiges Rohrstück dient, das koaxial zum verteilerrohr liegt und in dessen Mantel das U-Rohrbündel mit jeweils den heißen Enden seiner Rohre eingesetzt ist. Da es keine gemeinsame Rohrplatte bzw. kein gemeinsames Verteiler- und Sammlerrohr für das Rohrbündel gibt, sondern nur einen von der Verteilerkammer getrennten Sammler, kommt es für den Sammler und für die Verteilerkammer stets zu einer gleichmäßigen thermischen Belastung. Die Verteilerkammer, die ja nur geringeren Temperaturen ausgesetzt ist, kann diese Belastung ohne Schwierigkeiten aufnehmen und der Gammler, der den hohen Temperaturen standhalten muß, ist

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durch seine gute Festigkeitseigenschaften mit sich bringende Hohlzylinderform ebenfalls in der Lage, ohne übermäßige Dimensionierung auch in Zwischenwärraetauschern hoher Übertragungsleistung eingesetzt zu werden. Weiters erlaubt der innerhalb des kreisförmig angeordneten Rohrbündels liegende zylindrische Sammler eine besonders enge Schachtelung der einzelnen U-Rohre des Rohrbündels, da deren Enden über den ganzen Mantel des Rohrstückes verteilt im Sammler eingesetzt werden können und die Teilung der Bohrungen im Rohrmantel unabhängig von der Teilung des U-Rohrbündels selbst gestaltet werden kann. Durch eine entsprechende Verringerung der Teilung wird der Wärmeübergang wesentlich verbessert, wodurch zusätzliche Umlenkbleche überflüssig sind und der strömungsbedingte Druckverlust reduziert ist.

In der Zeichnung ist der Erfindungsgegenstand schematisch in einem Ausführungsbeispiel dargestellt, und zwar zeigen Fig. 1 einen Axialschnitt durch einen erfindungsgemäßen Wärmetauscher und
Fig. 2 einen Querschnitt nach der Linie II-II der P'ig. 1.

Der erfindungsgemäße Wärmetauscher besteht im wesentlichen aus einem vom Sekundärmittel durchströmten U-Rohrbündel 1, das kreisringförmig um ein zentrales Verteilerrohr für das Primärmittel angeordnet ist. Zur Führung des Primärmittels im Gegenstrom entlang des U-Rohrbündels 1 ist weiters eine zylindrische Leitwand 3 vorgesehen, die zwischen den Schenkeln der einzelnen U-Rohre liegt und bis in deren Scheitelbereich ragt. Ein ebenfalls zylindrischer Hüllmantel 4 umgiDt das ganze U-Rohrbündel 1 und läßt zwischen sich und einer äußeren in Beton eingebetteten Dichthaut 5 einen Ringraum 6 für den Abzug des Primärmittels frei. Die einzelnen Rohre des Rohrbündels 1 sind mit ihrem kalten Ende in einer Ringplatte eingesetzt, die eine äußere Verteilerkammer 8 abschließt, und führen zu einem inneren, aus einem zylindrischen dickwandigen Rohrstück 9 gebildeten Sammler, dessen Mantel entsprechend verteilte Bohrungen aufweist, in die die heißen Enden der Rohre münden. Das Rohrstück 9 liegt koaxial zum kreisförmig ange-

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ordneten U-Rohrbündel 1 und schließt an das bis in den unteren bereich des Wärmetauschers führende Verteilerrohr 2 an. Eine nach außen führende axiale Verlängerung des Rohrstückes 9 ergibt dabei die Austrittsleitung 10 für das Sekundärmittel.

Das Primärmittel, also das Reaktorkühlmittel, gelangt durch den Eintrittsstutzen 11 von oben in das verteilerrohr 2, aus dem es im Endbereich der zum Sammler führenden heißen Schenkel des U-Rohrbündels 1 durch Öffnungen 12 austritt und, durch die Leitwand 3 und den Hüllmantel 4 geführt, im Gegenstrom den U-Rohren des U-Rohrbündels 1 entlangstreicht. Im Bereich der kalten, von der Verteilerkammer 8 ausgehenden Enden der U-Rohre strömt es durch Auslaßöffnungen 13 des Hüllmantels 4 in den Ringraum 6 zwischen Dichthaut 5 und Hüllmantel 4 und verläßt diesen und damit den Wärmetauscher aus einem oberen Austrittsstutzen 14. Das im Gegenstrom zum Primärmittel durch den Wärmetauscher strömende Sekundärmittel tritt durch einen unteren Eintrittsstutzen 15 in einen Vorraum 16, der vom das Primärmittel führenden bzw. das U-Rohrbündel 1 enthaltenden Wärmetauscherraum durch einen das Kohrstück 9 abstützenden Kegelmantel 17 abgetrennt ist. Von diesem Vorraum 16 gelangt das Sekundärmittel durch Öffnungen in die den Vorraum ringförmig umgebende Verteilerkammer 8, von wo aus es durch die Ringplatte 7 in das kreisförmig angeordnete U-Rohrbündel 1 eindringt und zum inneren Sammler strömt. Das heiße Sekundärmittel verläßt das den Sammler bildende Rohrstück 9 dann durch die Austrittsleitung 10 .

Der zentrale rohrförmige Sammler bietet vor allem den großen Vorteil einer durch seine Form bedingten hohen Festigkeit, der Vermeidung einer gemeinsamen Rohrplatte für die kalten und heißen Enden des U-Rohrbündels und damit einer gleichmäßigen thermischen Belastung von Sammler und Verteilerkammer sowie der Wahl einer beliebigen Teilung der U-Rohre, da deren Enden ja über den ganzen Mantel des Rohrstückes 9 verteilt in den Sammler eingesetzt werden können.

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Claims (1)

1. Patentanspruch

   Wärmetauscher, insbesondere Zwischenwärmetauscher für gasgekühlte Hochtemperaturreaktoren, mit einem um ein zentrales Verteilerrohr für das Heiz- bzw. Primärmittel kreisringförmig angeordneten U-Rohrbündel für das Kühlbzw. Sekundärmittel, wobei das Kühl- bzw. Sekundärmittel durch das U-Rohrbündel von einer äußeren Verteilerkammer in einen inneren Sammler strömt und das Heiz- bzw. Primärmittel im Gegenstrom entlang des U-Rohrbündels geführt ist, dadurch gekennzeichnet, daß als Sammler, wie an sich bekannt, ein zylindrisches, dickwandiges Rohrstück (9) dient, das koaxial zum Verteilerrohr liegt und in dessen Mantel das U-Rohrbündel (1) mit jeweils den heißen Enden seiner Rohre eingesetzt ist.

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   ORiGiMA INSPECTED