DE2705314C2 - Thermisch isolierte Rohrleitung großer Nennweite - Google Patents

Description

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die dünnwandigen Dichtungselemente aus hohlen Toroiden elliptischen Querschnitts oder Teilstücken solcher Toroide bestehen, wobei der kleine Durchmesser des elliptischen Querschnitts im Einbauzustand kleiner ist als die Breite des Ringraums, im Betriebszustand jedoch dieser Breite entspricht, daß zusätzliche dünnwandige hohle Dichtungselemente gleichen elliptischen Querschnitts vorgesehen sind, die parallel zur Rohrleitungsachse in den ringförmigen Kammern angeurdnet sind, diese in Umfangsrichtung unterteilen und mit den Toroiden bzw. Toroid-Teilstücken verbunden sind, und daß die Lagen der Strahlungsbleche in den Kammern jeweils aus einzelnen sich überlappenden Teilstücken bestehen.

Die crfindungsgemäßige Rohrleitung enthält keinerlei feste Verbindungen zwischen Gasführungs- und Druckmantel, und die Dichtungselemente passen sich den im Betriebszustand vorliegenden Verhältnissen unbeschadet an. Durch die zusätzliche Unterteilung der ringförmigen Kammern mittels axial ausgerichteter Dichtungselemente in kleinere Räume, in d°nen die Strahlungsbleche angeordnet sind, und durch das Vorsehen von Blechleilslücken, die sich überlappen, wird zum einen für das Auftreten nur sehr geringer Wärmespannungen und zum anderen für deren Ausgleich gesorgt.

Im Betriebszustand der Rohrleitung verengt sich der Ringraum zwischen Gasführungsmantel und Druckmantel infolge der unterschiedlichen Temperaturen und Wärmeausdehnungskoeffizienten, wobei die Dichtungsclemente leicht verformt werden. Die auftretenden Spannungen liegen jedoch noch im elastischen Bereich des Werkstoffes.

Bei der erfindungsgemäßen Rohrleitung kann durch die thermische Isolierung die Wandtemperatur der druckbcaufschlagten Teile so niedrig gehalten werden, daß wirtschaftlich vertretbare Werkstoffqualiläien und Wanddicken eingesetzt werden können. 1st die Rohrleitung beispielsweise Teil eines koaxialen Gasführungssystems in einem Hochtemperaturreaktor mit Heliumturbine, so ist bei Normalbetrieb die Druckbeaufschlagung nur gering; in einem Störfall kann sie jedoch um ein Vielfaches ansteigen.

Auch nach langjähriger Betriebszeit bleibt die thermische Isolierung noch voll funktionsfähig, da Zersetzungserscheinungen — wie sie bei der Faserisolation bekannt sind — hier nicht auftreten können.

Die erfindung^.gemäße Rohrleitung kann gerade oder gekrümmt ausgebildet sein, wobei im ersteren Fall die am Umfang der Rohrleitung angeordneten dünnwandigen Dichtungselemente in sich geschlossene Ringe darsiellen. Die Ringe sind mit den sich in axialer Richtung erstreckenden dünnwandigen Dichtungselementen verschweißt. An den Verbindungsstellen sind sie ausgespart, wobei im Bereich der kleinen Ellipsenradien ein F.inbauspiel vorhanden ist. Die Verbindungsschweißnähte sind hier unterbrochen. Bei Rohrkrümmern sind die am Umfang der Rohrleitung angeordneten Dichtungselemente nicht als geschlossene Ringe, sondern als Tcilstückf von Ringen ausgeführt, die ebenfalls mit axialen Dichtungselementen verschweißt sind. Letztere folgen mit ihrer Längsachse der Achse der gekrümmten Rohrleitung. Besonders geeignet ist das erfindungsgeniäße Isolationsprinzip für gekrümmte Rohrleitungen mit kleinem Krümmungsradius, da bei mit hohen Strömungsgeschwindigkeiten beaufschlagten engen Rohrkrümmern große Druckdifferenzen zwischen Inneniintl Außenradius auftreten.

Vorteilhafterweise sind die Stiahlungsbleche jeder Kammer durch mehrere, alle Lagen der Strahlungsbleche durchdringende Hohibolzen, die an dem Gasführungsmantel angeschweißt sind, und mittels zwischen den Lagen angeordneter Distansscheiben fixiert. Die Bohrungen der Strahlungsbleche haben gegenüber den Hohlbolzen ein Übe:rmaß, das die unterschiedlichen thermischen Ausdehnungen der StraJilungsbleche und des Gasführungsmamels berücksichtigt.

Bei der Fertigung eines aus Rohrleitungen gemäß der Erfindung zusammengesetzten Gasführungssystems werden zunächst die Dichtungselemente und die Strahlungsbleche auf die Gasführungsmäntel montiert. Darauf werden die Druclcmäntel darübergeschoben, wobei

is ein Einbauspiel vorhanden sein muß. In den Gasführungsmänteln sind in an sich bekannter Weise Druckentlastungsbohrungen vorgesehen.

Der Raum zwischen den Strahlungsblechen kann mit Fasermatten ausgefüllt sein. Sollten sich nach längerer Betriebszeit durch zerkrümeltes und ausgeblasenes Isoliermaterial Kavernen in den Fasermatten bilden, so wird die Isolierwirkung trotzdem nicht beeinträchtigt.

Der Raum zwischen den Strahlungsblechen kann jedoch auch frei bleiben, wenn die Abstände der einzelnen Lagen der Strahlungsblechc klein genug gewählt sind.

Es ist vorteilhaft, die dünnwandigen Dichtungselemente ebenfalls mit Faserisoliermaterial auszufüllen und sie in regelmäßigen Abständen mit Druckentlastungsbohrungen zu versehen.

Um die unterschiedlichen thermischen Längsausdehnungen des Gasführungsmantels und der in axialer Richtung angeordneten Dichtungselemente auszugleichen, weisen letztere zweckmäßigerweise je eine Schiebeverbindung auf.

Der seitliche Abstand der Strahlungsbleche zu den dünnwandigen Dichtungselementen kann sehr klein gewählt werden, wobei in jeder Kammer nur ein Strahlungsblech mit den die Kammer begrenzenden Dichtungselementen verschweißt ist, und zwar das mittlere Strahlungsblech (bei einer ungeraden Anzahl vor. Lagen).

In der Zeichnung sind drei Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Rohrleitung schematisch dargestellt, und zwar beziehen sich alle drei Beispiele auf ein koaxiales Gasführungssystem für eine innerhalb eines Druckbehälters angeordnete Kernreaktoranlage, die einen Hochtemperaturreaktor, mindestens eine Heliumturbine und wärmetauschende Apparate wie Rekuperatoren und Vorkühler umfaßt. Die Figuren zeigen im

so einzelnen

F i g. 1 einen Längsschnitt durch die Wandung eines geraden Rohrleitungsstücks mit Fasermatten zwischen den Strahlungsblechen;

F i g. 2 die Abwicklung einer Kammer des Rohrleitungsstücks aus F i g. 1 unter Weglassung des Druckmantels;

Fig. 3 einen Längsschnitt durch die Wandung eines anderen geraden Rohrleitungsslücks ohne Fasermatten zwischen den Strahlungsblechen;

μ F i g. 4 einen Längsschnitt durch einen Rohrkrümmer; Fig. 5 einen Querschnitt nach der Linie A-A der Fig. 4.

Das in der Fig. 1 dargestellte Rohrleitungsstück besteht aus einem Druckmantel 1 und einem Gasführungsmantel 2, zwischen denen sich ein Ringraum 3 befindet. Der Ringraum 3 ist durch dünnwandige Dichtungselemente 4, die einen elliptischen Querschnitt aufweisen, in eine Vielzahl von Kammern 5 unterteilt.

Der kleine Durchmesser des elliptischen Querschnitts ist im Einbauzustand etwas kleiner als die Breite des Ringraumes 3, so daß zwischen den Dichtungselementen 4 und dem Druckmantel 1 ein Spalt 6 frei bleibt (dieser Sachverhalt ist auf der linken Seite der F i g. 1 dargestellt). Im Betriebszustand des Gasführungssystems verengt sich der Ringraum 3 infolge der unter schiedlichen Temperaturen und Wärmeausdehnungskoeffizienten, so daß sich der Spalt 6 schließt und eine vollkommene Abdichtung der einzelnen Kammern 5 erreicht wird (wie auf der rechten Seite der F i g. 1 gezeigt).

Die dünnwandigen Dichtungselemente 4 sind mit Faserisoliermaterial 7 ausgefüllt und weisen in regelmäßigen Abständen Druckentlastungsbohrungen 8 auf.

Ein Tei! der Dichtungseiernente 4 hat die Form von in sich geschlossenen Ringen und ist am Umfang des Gasführungsmantels 2 angeordnet. Diese Dichtungselemente sind mit 4a bezeichnet. Der andere Teil der Dichtungselemente 4 erstreckt sich parallel zur Achse des Rohrleitungsstücks und ist mit 4b bezeichnet. Wie aus der F i g. 2 zu ersehen, sind die Dichtungselemente Aa und 4b durch Schweißnähte 9 miteinander verbunden, wobei die Dichtungselement 4a an den Verbindungsstellen ausgespart sind. Im Bereich der kleinen Ellipsenradien ist ein Einbauspiel 10 vorhanden, und die Schweißnähte 9 sind an diesen Stellen unterbrochen. Jedes der Dichtungselemente 4b ist mit einer Schiebevorrichtung 11 versehen, um unterschiedliche Wärmedehnungen zu kompensieren.

In jeder Kammer 5 des Ringraumes 3 sind mehrere Lagen von Strahlungsblechen 12 parallel zueinander angeordnet, die jeweils aus mehreren sich überlappenden Tcilstücken f 2', 12" zusammengesetzt sind. Die Flächen der Strahlungsbleche 12 sind leicht gekrümmt, wobei ihre Krümmung der Wandkrümmung des Rohrleitungsstücks angepaßt ist

In jeder Kammer 5 sind mehrere Hohlbolzen 13 vorgesehen, die an dem Gasführungsmantel 2 angeschweißt sind. Sie durchdringen alle Lagen der Strahlungsbleche 12 und fixieren in Verbindung mit Distanzscheiben 14, die zwischen den einzelnen Lagen angeordnet sind, die Strahlungsbleche 12. Die in den Strahlungsblechen 12 für die Hohlbolzen !3 vorgesehenen Bohrungen 15 haben diesen gegenüber ein Übermaß, so daß die unterschiedlichen thermischen Ausdehnungen der Strahlungsbleche 12 und des Gasführungsmantels 2 sich nicht schädlich auswirken können.

Der Raum zwischen den Strahlungsblechen 12 ist mit Fasermatten 16 ausgefüllt Das einer mittleren Lage angehörende Strahlpngsblech 17 jeder Kammer 5 ist mit den vier die jeweilige Kammer begrenzenden Dichtungselemcnicn 4a und 4b durch Schweißnähte 18 verbunden. Die Strahlungsbleche 12 der übrigen Lagen jeder Kammer 5 weisen einen sehr kleinen seitlichen Abstand zu den Dichtungselementen 4a und 4b auf.

In der Fig.3 ist ein Rohrleitungsstück gemäß der Erfindung dargestellt das in vielen Einzelheiten mit dem in den F i g. 1 und 2 gezeigten Rohrleitungsstück übereinstimmt die daher auch mit den gleichen Bezugsziffern versehen sind. Im Unterschied zu dem ersten Ausführungsbeispiel ist hier jedoch der in Kammern 5 unterteilte Ringraum 3, in dem in mehreren Lagen die Strahlungsbleche 12 angeordnet sind, nicht mit Fasermatten ausgefüllt Die erforderliche Isolierwirkung wird dadurch erzielt daß die Lagen der Strahlungsbleche 12 sehr viel dichter nebeneinander liegen. Das in der Mitte angeordnete Strahlungsblech 19 jeder Kammer 5 ist auch hier an die vier die Kammer begrenzenden Dichtungselemente 4a und 4b angeschweißt. Jedes Dichtungselement 4b ist mit einer Schiebeverbindung 11 ausgerüstet (in der F i g. 3 nicht zu sehen). Das Rohrleitungsstück ist in der F i g. 3 im Betriebszustand dargestellt; d. h. der Ringraum 3 hat sich gegenüber seinem Einbauzustand verengt, wobei sich die Dichtungselemente 4 leicht verformt haben und eine vollständige Abdichtung der Kammern 5 bewirken.

Die Fig.4 und 5 zeigen einen Rohrkrümmer 20, der Teil einer Warmgasleitung ist, die von einem der Rekuperatoren der Kernreaktoranlage zu dem Hochtemperaturreaktor führt. Der Rohrkrümmer 20 sowie das sich nach unten an ihn anschließende Rohrstück 21 sind in einem senkrechten Schacht oder Pod 22 innerhalb eines Spannbetondruckbehäliers 23 installiert Die Rohrteile 20 und 21 sind durch eine Schiebeverbindung 24 mit gefederten Segmentdichtleisten miteinander verbunden. Seitlich oben schließt sich an den Rohrkrümmer 20 ein gerades Rohrstück 25 an, das in einem horizontalen Durchbruch 26 in dem Spannbetondruckbehältcr 23 angeordnet ist. Zur Verbindung zwischen dem Rohrkrümmer 20 und dem Rohrstück 25 ist ein dreiteiliger Klemmring 27 vorgesehen. Über den Umfang des gcra den Rohrstücks 25 verteilt sind mehrere Führungslager 28 sowie Einrichtungen zur Schwingungsdämpfung 24 angeordnet, wie besonders in der Fig.5 gut zu erkennen ist.

Die in den Fig.4 und 5 gezeigten Einzelheiten, die mit denen der Fig. 1 und 2 übereinstimmen, sind mit den gleichen Bezugsziffern bezeichnet Die Räume zwischen den Lagen der Strahlungsbleche 12 sind nicht mit Fasermatten ausgefüllt; der Übersichtlichkeit wegen sind jedoch nur wenige Lagen der Strahiungsbleche 12 in die Kammern 5 eingezeichnet.

In dem geraden Teil des Rohrkrümmers 20 sind die am Umfang des Gasführungsmantels 2 angeordneten Dichtungselemente 4 als geschlossene Ringe 4a ausgebildet. In seinem gekrümmten Bereich hingegen haben die Dichtungselemente 4 die Form von Ringteilstiickcn 4c, die mit Dichtungselementcn 4d verbunden sind. Die Dichtungselemente 4d sind parallel dem Verlauf der Achse 30 in dem Rohrkrümmer 20 angeordnet. An den Verbindungsstellen zwischen den Dichtungselemenlcn 4cund4c/sind letzlere ausgespart.

Hierzu 5 Blatt Zeichnungen

Claims (8)

Patentansprüche:

1. Thermisch isolierte Rohrleitung großer Nennweite für ein Gas hoher Temperatur und hoher Strömungsgeschwindigkeit, in dem schnelle Druckänderungen auftreten können, bestehend aus einem Druckmantel und einem koaxial in diesem verlegten Gasführungsmantel, wobei der Ringraum zwischen den beiden Mänteln durch dünnwandige Dichtungselemente in axialer Richtung in einzelne, voneinander abgedichtete ringförmige Kammern unterteilt und jede dieser Kammern mit mehreren Lagen von parallel zueinander angeordneten Strahlungsblechen ausgefüllt ist deren Form dem entsprechenden Wandabschnitt der Rohrleitung angepaßt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die dünnwandigen Dichtungselemente (4) aus hohlen Toroiden (4a) elliptischen Querschnitts oder Teilstücken (4c) solcher Toroide bestehen, wobei der kleine Durchmesser des elliptischen Querschnitts im Einbauzustand kleiner ist als die Breite des Ringraums (3), im Betriebszustand jedoch dieser Breite entspricht, daß zusätzliche dünnwandige hohle Dichtungselemente (4b bzw. 4d) gleichen elliptischen Querschnitts vorgesehen sind, die parallel zur Rohrleitungsachse in den ringförmigen Kammern (5) angeordnet sind, diese in Umfangsrichtung unterteilen und mit den Toroiden (4a) bzw. Toroid-Teilstücken (4c) verbunden sind, und daß die Lagen der Strahlungsbleche (12) in den Kammern (5) jeweils aus einzelnen sich überlappenden Teilstücken (12', 12") bestehen.

2. Rohrleitung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlungsbleche (12) jeder Kammer (5) durch mehrere, alle Lagen der Strahlungsbleche (12) durchdringende Hohlbolzen (13), die an dem Gasführungsmantel (2) angeschweißt sind, und mittels zwischen den Lagen angeordneter Distanzscheiben (14) fixiert sind.

3. Rohrleitung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Raum zwischen den Strahlungsblechen (12) mit Fasermatten (16) ausgefüllt ist.

4. Rohrleitung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Lagen der Strahlungsbleche (12) sehr kleine Abstände voneinander haben und der Raum zwischen ihnen frei bleibt.

5. Rohrleitung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die dünnwandigen Dichtungselemente (4) mit Faserisoliermaterial (7) gefüllt sind.

6. Rohrleitung nach Anspruch 1 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die dünnwandigen Dichtungselemente (4) in regelmäßigen Abständen mit Druckentlastungsbohrungen (8) versehen sind.

7. Rohrleitung nach einem der Ansprüche 1, 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die in axialer Richtung angeordneten dünnwandigen Dichtungselemente (Ab, 4d)'}e eine Schiebeverbindung (11) aufweisen.

8. Rohrleitung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der seitliche Abstand der Strahlungsbleche (12) zu den dünnwandigen Dichtungselementcn (4) sehr klein ist und daß in jeder Kammer (5) ein einer mittleren I.agc angehörendes Sti'iihlunpsblcch (17 li/w. 19) mil ilen die Kammer Ci) hojiren/eiulen

.·ι, ■!/< h/\v 4ι\ ·Ι./Λ«·ιμΙι\\ ril.il Die Erfindung betrifft eine thermisch isolierte Rohrleitung großer Nennweite für ein Gas hoher Temperatur und hoher Strömungsgeschwindigkeit, in dem schnelle Druckänderungen auftreten können, bestehend s aus einem Druckmantel und einem koaxial in diesem verlegten Gasführungsmantel, wobei der Ringraum zwischen den beiden Mänteln durch dünnwandige Dichtungselemente in axialer Richiung in einzelne, voneinander abgedichtete ringförmige Kammern unterteilt und jede dieser Kammern mit mehreren Lagen von parallel zueinander angeordneten Strahlungsblechen ausgefüllt ist, deren Form dem entsprechenden Wandabschnitt der Rohrleitung angepaßt ist

Eine derartige Rohrleitung ist aus der DE-OS 21 20 332 bekannt Als Anwendungsbereiche für solche Rohrleitungen kommen beispielsweise die Gasführungskomponenten von Anlagen mit geschlossenen Gaskreisläufen wie Hochtemperaturreaktoren und Prozeßv/ärmeanlagen oder auch Schnellen Brütern in Betracht wobei die Rohrleitungen bevorzugt als koaxiale Gasführungssysteme ausgebildet sind.

Um bei einer infolge eine Störfalls auftretenden schnellen Druckänderung in den genannten Anlagen eine übermäßig hohe mechanische Belastung der thermisehen Isolierung zu vermeiden, sind in der thermischen Isolierung bzw. in den das Isoliermaterial abdeckenden Blechen öffnungen vorgesehen, die den Gasaustausch der thermischen Isolierung mit ihrer Umgebung ohne große Behinderung gestatten. Bei einer solchen »offenen thermischen Isolierung« besteht jedoch die Gefahr, daß bei Vorhandensein eines merklichen Druckgradienten entlang der thermischen Isolierung die Isolierwirkung durch Zwangskonvektion zunichte gemacht wird. Bei der oben genannten DE-OS 21 20 332 wird die Ausbildung einer Zwangskonvektion durch die Unterteilung des Ringraumes zwischen Druckmanlel und Gasführungsmantel in voneinander abgedichtete Zellen unterbunden. Die Abdichtung der einzelnen, je mit einer Metallstruktur aus dünnem Blech ausgefüllten Zellen erfolgt jeweils durch ein profiliertes Abschlußblcch. Diese Abschlußbleche sind jedoch nur an einem Ende jeder ZeIIs vorhanden, so daß das durch die Rohrleitung strömende Medium in die Metallstruktur einströmen kann. Die Abschlußbleche sind an dem Gasführungs- und dem Druckmantel angeschweißt, so daß zwischen den beiden Mänteln eine feste Verbindung besteht Dies führt dazu, daß bereits beim Übergang vom Einbauzustand in den Betriebszustand infolge der unterschiedlichen Temperaturen und Wärmeausdehnungskoeffizienten der beiden Mäntel Wärmespannungen auftreten. Die Metallstrukturen in den Zellen sind ebenfalls durch Schweißnähte sowohl mit dem Gasführungs- wie auch mit dem Druckmantel verbunden. Zwischen benachbarten Zellen ist jeweils ein Zwischenraum vorgesehen, der als Druckausgleichsöffnung dient und Wärmedehnungen der Metallstrukturen in axialer Richtung zuläßt. Diese Zwischenräume sind aber mit dem Nachteil verbunden, daß das innen strömende heiße Medium unmittelbaren Zutritt zu dem außen befindlichen Druekman-

bo tcl hat. Hierdurch wird die Wirksamkeil der thermischen Isolierung beeinträchtigt.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, bei einer thermisch isolierten Rohrleitung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs I das Auftreten von Waimospan

i.> ιιιιιψ,οιι /wischen dem Di'iick und dem (iiisliiliiini):s inaiiU'l sowie an den Siriililiinp.shleehcii in den eiii/rliieu Kammern zu vermeiden, ohne cliiU das Cias direkten aiifi /U dein Druekmaiiiel hai.