DE2700563B2 - Wärmeübertrager für einen Hochtemperaturreaktor - Google Patents
Wärmeübertrager für einen HochtemperaturreaktorInfo
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Description
Die Erfindung betrifft einen Wärmeübertrager für einen Hochtemperaturreaktor, mit ersten Heizflächen
zur Wärmeübertragung bei hoher Temperatur von vom Reaktor kommendem Primärgas an ein Sekundärgas
und mit zweiten, dem Primärgas anschließend ausgesetzten Heizflächen zur Erzeugung und gegebenenfalls
Überhitzung von Dampf, wobei die ersten Heizflächen aus einem von einem Mantel umgebenden Bündel
zueinander paralleler, in einer Rohrplatte endender Sackrohre mit je einem in diese hineinragenden
Innenrohr bestehen und das .Sekundärgas zuerst parallel
durch die jeweils zwischen dem Sackrohr und dem zugehörigen Innenrohr gebildeten Ringräume und
anschließend durch die Innenräume strömt, woseeen
das Primärgas diesen ersten Heizflächen über eine zum Bündel der Sackrohre koaxiale und an dem Mantel
angeschlossene Leitung zuströmt.
Bei einem bekannten Wärmeübertrager dieser Art
Bei einem bekannten Wärmeübertrager dieser Art
ι sind die zweiten Heizflächen rund um den die ersten
Heizflächen umgebenden Mantel angeordnet Diese Anordnung hat den Nachteil, daß sich für die die
zweiten Heizflächen innen und außen umgebenden Begrenaungswände in Umfangsrichtung eine große
ίο Länge ergibt. Solche Begrenzungswände bilden für das
die zweiten Heizflächen umströmende Primärgas immer gewisse Unstetigkeiten, die zu einer ungleichmäßigen
Temperaturverteilung innerhalb des Primärgasstromes führen können.
r> Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den eingangs genannten Wärmeübertrager so zu verbessern,
daß die die zweiten Heizflächen umgebenden Begrenzungswände in ihrer in Umfangsrichtung gemessenen
Länge wesentlich kleiner werden.
λ/ Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst,
daß die Zuströmleitung über eine trichterartige Erweiterung in den Mantel übergeht, daß an der
Rohrplatte ein den Mantel mit Abstand umgebendes, bis in den Bereich der Zuströmleitung reichendes Hemd
Γι befestigt ist und daß die zweiten Heizflächen im
Ringraum zwischen der Zuströmleitung und dem Hemd untergebracht sind.
Bei dem neuen Wärmeübertrager ist also die das Primärgas zu den ersten Heizflächen führende Leitung
»ι im Durchmesser kleiner als der diese Heizflächen
umgebende Mantel. Dadurch wird es in Verbindung mit dem an der Rohrplatte angebrachten Hemd möglich,
einen zwischen diesem Hemd und der Zuströmleitung befindlichen und für die Unterbringung der zweiten
r> Heizflächen genügend großen Raum zu schaffen. Damit
wird die in Umfangsrichtung gemessene Länge der die zweiten Heizflächen begrenzenden äußeren Wand,
nämlich des Hemdes, nicht wesentlich größer als die entsprechende Länge des die ersten Heizflächen
ι» umgebenden Mantels. Außerdem wird die in Umfangsrichtung
gemessene Länge der inneren Wand erheblich — um rund die Hälfte — kleiner. Das Auftreten von
Unstetigkeiten in der Strömung des Primärgases und damit von ungleichmäßiger Temperaturverteilung ist
ι > somit wesentlich vermindert. Diese Wirkung der
Vergleichmäßigung des Temperaturprofils wird noch dadurch unterstützt, daß zwischen dem Hemd und der
trichterförmigen Erweiterung ein sich in Strömungsrichtung des Primärgases diffusorartig erweiternder
~>" Raum ergibt, der die Strömung des Primärgases günstig
beeinflußt, bevor es die zweiten Heizflächen umströmt. Der kleinere Durchmesser der die zweiten Heizflächen
außen begrenzenden Wand hat besonders dann Vorteile, wenn der Wärmeübertrager in einer Kaverne
■>'· eines Betondruckgefäßes untergebracht ist, weil dadurch
das ganze Druckgefäß kleiner gebaut werden kann. In diesem Fall wird auch ein die Kaverne
verschließender Deckel kleiner, was sich nicht nur in konstruktiver I linsicht kostensparend auswirkt, sondern
i'" auch die Wartungsarbeiten am Wärmeübertrager
erleichtert.
Nach einer vorteilhaften Atisführungsform des erfindungsgemäßcn Wärmeübertragers, bei dem die
ersten und zweiten Hei/flächen in einer zylindrischen
"> Kaverne eines im Reaktor enthaltenden Hctondruckgcfässes
untergebracht sind, ist /wischen dem Hemd und der Kavernenwand ein Ringspult gebildet, der von
einem vom zum Reaktor ziiriirksirrimemlen Primären*-
strom abgezweigten Teilstrom durchströmt ist, und außerdem ist die Rohrplatte mit Kühlkanälen versehen,
die eintrittseitig mit dem Ringspalt verbunden sind und austrittsseitig in den Raum münden, in dem sich das
Bündel von Sackrohren befindet Durch diese Gestaltung wird es möglich, die Betonwand der Kaverne auf
einem relativ niedrigen Temperaturniveau zu halten und außerdem die Rohrplatte, an der die Sackroiire
angeschlossen sind, wirksam zu kühlen.
Ein Austphrungsbeispiel der Erfindung ist in der
folgenden Beschreibung anhand der Zeichnung näher erläutert, die einen Vertikalschnitt durch einen Wärmeübertrager
gemäß dar Erfindung zeigt.
In einem Betondruckgefäß 1 ist eine im wesentlichen zylindrische Kaverne 3 mit vertikaler Achse ausgebildet.
Die Kaverne 3 ist mit einem Futterblech 2 ausgekleidet und weist an ihrem unteren Ende einen vertikalen Kanal
geringeren Querschnitts auf. Der Kanal 4 ist ebenfalls mit dem Futterblech 2 ausgekleidet, das am unteren
Ende des Kanals in einen fnnenflansch 5 übergeht, an dem in nicht näher dargestellter Weise ein Deckel 6
lösbar befestigt ist. In ihrem oberen Bereich ist die Kaverne 3 etwas erweitert, wobei das auch diese
Erweiterung 7 auskleidende Futterblech 2 mit einem ringförmigen Abschnitt 16 in die Erweiterung hineinragt
und dort in einem Flansch 8 endet.
Innerhalb der Kaverne 3 ist ein Hemd 12 vorgesehen, das zwischen sich und dem Futterblech 2 einen
Ringspalt 9 freiläßt. Das Hemd 12 erstreckt sich vom Kavernenboden, mit dem es dicht verbunden ist, bis in
die Nähe der Erweiterung 7. Es kann in seinem unteren Viertel durch nicht gezeichnete Dehnelemente in zwei
Teile so unterteilt sein, daß eine axiale Relativbewegung zwischen den beiden Teilen möglich ist. In den oberen
drei Vierteln ist das Hemd 12 auf seiner Innenseite mit einer Wärnieisolation versehen.
Im unteren Bereich der Kaverne 3 ist im Betondruckgefäß
1 ein Kanal to runden Querschnitts vorgesehen, der die Kaverne 3 mit einer nicht näher dargestellten,
einen Hochtemperaturreaktor 81 aufnehmenden Kaverne verbindet. Innerhalb des Kanals 10 erstreckt sich
mit radialem Abstand zu diesem Kanal ein Rohr 13, das am Hemd 12 in dessen unterem Bereich angeschlossen
ist. Innerhalb des Rohres 13 erstreckt sich mit radialem Abstand zu diesem Rohr eine Leitung 14, die auf ihrer
Innenseite mit einer Wärmeisolation 15 versehen ist. Die Leitung 14 geht innerhalb des unteren Bereichs der
Kaverne 3 in eine vertikale Leitung 17 über, die mit ihrem oberen Ende an eine trichterartige Erweiterung
18 angeschlossen ist. Am oberen Ende der trichterartigen Erweiterung 18 ist ein Mantel 19 angeschlossen, der
kurz unterhalb des oberen Endes des Hemdes 12 endet. Auch die vertikale Leitung 17, die trichieranige
Erweiterung 18 und der Mantel 19 sind auf der Innenseite mit einer Wärmeisolation versehen. Zwischen
dem Mantel 19 und dem Hemd 12 ist ein Ringspalt 20 vorhanden.
Das obere Ende des Hemdes 12 ist konisch eingezogen und mit einer Rohrplatte 22 dicht
verbunden. In der Rohrplatte 22 enden mehrere Sackrohre 23, die nach einem Dreieckgitter verteilt in
der Rohrplatte angeordnet sind. Die Sackrohre sind mit der Rohrplatte 22 dicht verschweißt. In jedes Sackrohr
23 ragt ein Innenrohr 52, das zwischen sich und dem zugehörigen Sackrohr einen Zwischenraum bildet, der
im Betrieb des Wärmeübertragers von einem Sekundärgas durchströmt wird, das /.. B. zum Zwecke der
Spaltung beheizt ist. Die Sackrohre 23 mit den
Innenrohren 52 bilden ein Bündel von ersten Heizflächen.
Die Rohrplatte 22, die auf ihrer Oberseite und auf ihrer Unterseite mit einer Wärmeisolation 27 bzw. 28
versehen ist weist ein System von Kühlkanälen 25 auf, die von der Umfangsfläche der Rohrplatte 22 ausgehen
und somit eintrittsseitig mit dem Ringspalt 9 zwischen dem Futterblech 2 und dem Hemd 12 verbunden sind.
Die Kühlkanäle 25 enden auf der Unterseite der Rohrplatte 22; sie münden also austrittsseitig in den vom
Mantel 19 umgebenen Raum. Die Rohrplatte 22 ist mittels nicht gezeichneter Schrauben mit einem
Ringstück 30 verbunden, das aus einem unteren, sich nach oben erweiternden Konus 31, einem daran
anschließenden Flansch 32, einem oberen, sich nach oben verjüngenden Konus 33 und einem daran
anschließenden zylindrischen Abschnitt 34 mit Flansch 35 besteht Das Ringstück 30 ruht aufdem Flansch 8 des
Futterbleches 2 und ist mit diesem Flansch dicht verbunden.
Aus dem Flansch 35 des Ringstückes 30 liegt ein Deckel 40, der in seinem Zentrum von einer Leitung 42
durchdrungen wird, die über einen Wärmedehnungen zulassenden Balg 41 mit dem Deckel 40 dicht verbunden
ist. Um die Leitung 42 herum sind mehrere Leitungen 44 angeordnet, die nahe unterhalb des Deckels 40 enden
und mit diesem über je einen Wärmedehnungen zulassenden Balg 43 dicht verbunden sind und die das
Sekundärgas zuführen. Unterhalb des Deckels 40 erweitert sich die Leitung 42 nach unten und endet in
einem Flansch 50, der mit einer Rohrplatte 51 dicht verbunden ist, in der die Innenrohre 52 dicht eingesetzt
sind. Die Leitung 42, die Innenrohre 52 und die Rohrplatte 51 sind innen bzw. auf ihrer Oberseite mit
einer Wärmeisolation versehen. Außer ihrer Befestigung am Flansch 50 ist die Rohrplatte 51 über einen
leicht nachgiebigen, gelochten Konus 55 auf dem unteren Ende des Ringstücks 30 abgestützt.
An der vertikalen Leitung 17 sind außen vier radiale Kragarmpaare 60 angeordnet. An jedem Kragarmpaar
60 ist über ein Laschenpaar 61 eine mit Bohrungen versehene Tragplatte 62 aufgehängt. In die Bohrungen
der vier Tragplatten 62 sind in bekannter Weise schraubenlinienförmig gewundene Rohre 65 eingebracht,
die zwei Bündel 66 und 67 bilden. Diese Bündel bilden die zweiten Heizflächen des Wärmeübertragers.
Die unteren Rohrenden des Bündels 67 sind über Rohre 68, die sich durch den Kanal 4 erstrecken und den
Innenflansch 5 durchdringen, mit einem ringförmigen Verteiler 70 verbunden, an den eine nicht dargestellte
Speisewasserzufuhrleitung angeschlossen ist. Die oberen Rohrenden des Bündels 66 sind über Rohre 72, die
sich ebenfalls durch den Kanal 4 erstrecken und den Innenflansch 5 durchdringen, mit einem ringförmigen
Sammler 73 verbunden, an dem eine nicht dargestellte Dampfabfuhrleitung angeschlossen ist. Die Rohre 68
und 72 verlaufen im Bereich 90 etwa tangential zu den beiden Teilkreisen, auf denen s>e den Innenflansch 5
durchdringen, so daß im Bereich 90 relativ lange, horizontale Dehnschenkel gebildet werden. Die oberen
Rohrenden des Bündels 67 sind über nicht gezeichnete Rohre mit den unteren Rohrenden des Bündels 66
verbunden.
Der Ringraum zwischen der Leitung 14 und dem Rohr 13 innerhalb des Kanals 10 führt zu einem in der
Zeichnung nur schematisch angedeuteten Gebläse 80, das austrittsseitig einerseits über eine Leitung 78 mit
dem Reaktor 8! und andererseits über eine Leitune 79
und ein einstellbares Drosselorgan 82 mit dem Ringspalt 9 zwischen dem Futterblech 2 und dem Hemd 12
verbunden ist. Der Austritt des Reaktors 81 ist an die Rohrleitung 14 angeschlossen.
Der beschriebene Wärmeübertrager funktioniert wie folgt:
Vom Reaktor 81 strömt erhitztes Primärgas von beispielsweise 9500C über die Rohrleitungen 14 und 17
in den vom Mantel 19 umgebenen Raum, in dem das Bündel von Sackrohren 23 untergebracht ist. An diesen
Rohren 23 gibt das Primärgas einen Teil der im Reaktor 81 aufgenommenen Wärme ab und wird am oberen
Ende des Mantels 19 in den Ringraum 20 umgelenkt. Im Umlenkungsbereich wird diesem Primärgasstrom über
die Leitung 79, das Drosselorgan 82, den Ringspalt 9 und die Kühlkanäle 25 ein Gasstrom zugemischt, der am
Austritt des Gebläses 80 abgezweigt worden ist. Das so gebildete Gasgemisch durchströmt den Ringspalt 20
und trifft dann mit einer Temperatur von ungefähr 700°C auf das Bündel 66 der zweiten Heizfläche. Nach
Umströmen dieses Bündels und des darunterliegenden Bündels 67 ist das Primärgas auf ca. 3000C abgekühlt
und tritt mit dieser Temperatur in das Gebläse 80 ein. Danach gelangt es von neuem zum einen Teil über die
Leitung 78 in den Reaktor 81 und zum anderen Teil über die Leitung 79 in den Ringspalt 9. Das Zuführen einer
geringen Teilmenge von Primärgas durch die Kühlkanäle 25 hat den Vorteil, daß die Rohrplatte 22 gekühlt wird.
Das Sekundärgas strömt über die Zufuhrleitungen 44 und die Löcher des Konus 55 in den Raum zwischen den
beiden Rohrplatten 51 und 22. Aus diesem Raum gelangt das Sekundärgas durch die Ringräume zwischen den
Sackrohren 23 und den Innenrohen 52 zum unterer Ende der Sackrohre und von dort durch die Innenrohre
52 in den von der Erweiterung der Rohrleitung 42 gebildeten Sammelraum oberhalb der Rohrplatte 51
• Das erhitzte Sekundärgas strömt dann über die Leitung 42 zu einer nicht dargestellten Stufe eines verfahrenstechnischen
Prozesses, z. B. einer durch Katalysatoren geförderten endothermen chemischen Reaktion.
Vom ringförmigen Vereiler 70 gelangt Speisewasser
■ über die Rohre 68 in das Bündel 67, wo es erhitzt und
verdampft wird. Anschließend wird der Dampf dem Bündel 66 zugeführt, in dem eine Überhitzung des
Dampfes stattfindet. Der überhitzte Frischdampl gelangt dann über die Rohre 72 und den ringförmiger
Sammler 73 zu einem Dampfverbraucher, z. B. einer Dampfturbine, oder auch zu einer Stufe des verfahrenstechnischen
Prozesses.
Abweichend von dem beschriebenen Beispiel ist es auch möglich, die Laschen 61 der Tragplatten 62 am
Hemd 12 anzubringen und die zentrale Leitung 17 an den Tragplatten 62 oder deren Tragelementen anzuhängen.
Abhängig von den auftretenden Temperaturen und den verwendeten Werkstoffen kann es zweckmäßig
sein, die Tragplatten 62 vor hohen Temperaturen zu schützen. Dies kann dadurch geschehen, daß die Rohre
72 über die Tragplatten 62 hinaus nach oben zu Rohrschlaufen verlängert werden, die sich gegebenenfalls
in den Ringspalt 20 hinein erstrecken. Anstelle solcher Rohrschlaufen können auch in den Ringspalt 20
ragende Sackrohre mit darin angeordneten Innenrohren verwendet werden.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
Claims (4)
1. Wärmeübertrager für einen Hochtemperaturreaktor, mit ersten Heizflächen zur Wärmeübertragung
bei hoher Temperatur von vom Reaktor kommenden Primärgas an ein Sekundärgas und mit
zweiten, dem Primärgas anschließend ausgesetzten Heizflächen zur Erzeugung und gegebenenfalls
Überhitzung von Dampf, wobei die ersten Heizflächen aus einem von einem Mantel umgebenen
Bündel zueinander paralleler, in einer Rohrplatte endender Sackrohre mit je einem in diese hineinragenden
Innenrohr bestehen und das Sekundärgas zuerst parallel durch die jeweils zwischen dem
Sackrohr und dem zugehörigen !nnenrohr gebildeten Ringräume und anschließend durch die Innenrohre
ström!, wogegen das Primärgas diesen ersten Heizflächen über eine zum Bündel der Sackrohre
koaxiale und an dem Mantel angeschlossenen Leitung zuströmt, dadurch gekennzeichnet,
daß die Zuströmleitung (17) über eine trichterartige Erweiterung (18) in den Mantel (19)
übergeht, daß an der Rohrplatte (22) ein den Mantel (19) mit Abstand umgebendes, bis in den Bereich der
Zuströmleitung (17) reichendes Hemd (12) befestigt ist und daß die zweiten Heizflächen (66, 67) im
Ringraum zwischen der Zuströmleitung (17) und dem Hemd (12) untergebracht sind.
2. Wärmeübertrager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweiten Heizflächen (66,67)
aus mindestens einem Bündel von die Zuströmleitung (17) schraubenlinienförmig umgebenden, vom
Primärgas quer angeströmten Rohren (65) besteht.
3. Wärmeübertrager nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Bündel aus schraubenlinienförmig
gewundenen Rohren (65) an der Zuströmleitung (17) aufgehängt ist.
4. Wärmeübertrager nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem die ersten und die zweiten Heizflächen
in einer zylindrischen Kaverne eines den Reaktor enthaltenden Betondruckgefäßes untergebracht
sind, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Hemd (12) und der Kavernenwand ein Ringspalt (9)
gebildet ist, der von einem vom zum Reaktor (81) zurückströmenden gekühlten Primärgasstrom abgezweigten
Teilstrom durchströmt wird, und daß die Rohrplatte (22) mit Kühlkanälen (25) versehen ist,
die eintrittsseitig mit dem Ringspalt (9) verbunden sind und austrittsseitig in den Raum münden, in dem
sich das Bündel von Sackrohren (23) befindet.
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