DE2734060A1

DE2734060A1 - Waermetauscher mit einem rohrbuendel aus einer vielzahl von schraubenfoermig gewendelten rohren

Info

Publication number: DE2734060A1
Application number: DE19772734060
Authority: DE
Inventors: Hans Ecker
Original assignee: Hochtemperatur Reaktorbau GmbH
Current assignee: Hochtemperatur Reaktorbau GmbH
Priority date: 1977-07-28
Filing date: 1977-07-28
Publication date: 1979-02-15
Also published as: DE2734060C2

Description

7 5 2

HOCHTEMPERATUR-REAKTORBAU GmbH Hansaring 53 - 57

5OOO Köln

Wärmetauscher mit einem Rohrbündel aus einer Vielzahl von schraubenförmig gewendelten Rohren

909807/0128

Wärmetauscher mit einem Rohrbündel aus einer Vielzahl von schraubenförmig gewendelten Rohren.

Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher mit einem Rohrbündel aus einer Vielzahl von schraubenförmig gewendelten Rohren, die verschiedene Wendeldurchmesser haben und koaxial angeordnet sind, und mit einer Rohrhaiterung, bestehend aus einer Anzahl von sich parallel zur Achse des RohrbUndels durch das ganze Rohrbündel erstreckenden Stäben, die kreisförmige Öffnungen für die Windungen der Rohre enthalten und im Grundriß auf Radialstrahlen angeordnet sind. Die jeweils auf einem Radialstrahl liegenden und eine Reihe bildenden Stäbe sind dabei durch Zwischenräume getrennt.

Derartige Wärmetauscher kommen vorwiegend als Dampferzeuger in Kernreaktoranlagen oder als Kühler in Nachwärmeabfuhrsystemen dieser Anlagen zur Anwendung, bei denen hohe Temperaturdifferenzen zwischen dem in den Rohren strömenden und dem außen an den Rohren entlangströmenden Wärmetauschermedium vorhanden sind.

Es ist bekannt, die Rohre dieser Wärmetauscher mittels Tragplatten oder Abstandshalterungen abzustützen. So wird in der US-Patentschrift 3,520,356 eine Stützkonstruktion für Wärmetauscher-Rohrbündel beschrieben, die aus in axialer Rieh» tung angeordneten Tragplatten mit quer verlaufenden Bohrungen für die Rohre besteht. Aus der deutschen Offenlegungsschrift 26 01 6^5 ist eine Abstandshalterung aus einer Vielzahl von paarweise angeordneten parallelen Leisten bekannt, wobei in kreisförmigen Öffnungen innerhalb jedes Leistenpaares die Windungen einer Rohrwendel verklemmt sind. Die Leistenpaare

909807/0128

bilden zusammen eine Verbundkonfiguration, in der Spielraum für den Ausgleich der Wärmedehnungsdifferenzen in den angrenzenden Rohren vorhanden ist.

Die bekannten Stütz- bzw. Halterungskonstruktionen erzeugen bei hohen Temperaturdifferenzen zwischen dem inneren und dem äußeren Medium große Biegespannungen in den Rohrwendeln, abgesehen davon, daß in den Stütz- bzw. Halterungskonstruktionen selbst in Übergangszuständen (während des An- und Abfahrens des Wärmetauschers) infolge der Temperaturfelder große Wärmespannungen entstehen können. Nun hat aber eine Rohrhalterung in dem eingangs beschriebenen Wärmetauscher außer der Wahrung des Abstandes zwischen den Rohren des Bündels noch weitere wichtige Funktionen zu erfüllen, so die Lastübernahme vom Rohrbündel und Lastabtragung an eine oberhalb oder unterhalb des Rohrbündels vorgesehene Tragkonstruktion sowie (insbesondere bei vertikaler Rohrachse) eine ausreichende Versteifung des Rohrbündels in Horizontalrichtung im Hinblick auf Erdbebenstöße und Kippstellungen bei Verlade- und Montagevorgängen. Ferner wird mit Hilfe der Rohrhalterung eine Unterteilung der gewendelten Rohre in Abschnitte mit aufeinander abgestimmten Eigenschwingungszahlen vorgenommen, wobei die Grundform der Eigenschwingungszahlen im Regelfall mit einem festgelegten Sicherheitsabstand oberhalb der Erregerfrequenz liegen.

Die Rohrhalterung muß weiterhin über eine ausreichende Elastizität verfügen, um Wärmedehungsdifferenzen zwischen der Tragstruktur für das Rohrbündel und den Rohren ausgleichen zu können. Solche Wärmedehnungsdifferenzen entstehen in Betriebs-, Übergangs- und Störzuständen üblicherweise dadurch, daß die Tragstruktur die Temperatur des äußeren Mediums annimmt und die Rohre eine Temperatur aufweisen, die zwischen den Terape-

5/.

909807/0128

raturen der beiden Medien liegt.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen eingangs beschriebenen Wärmetauscher mit einer aus vielen einzelnen Stäben bestehenden Rohrhalterung anzugeben, die den genannten Anforderungen bei hohen Temperaturdifferenzen des inneren und des äußeren Wärmetauschermediums genügt und bei der insbesondere die infolge dieser Teniperaturdifferenzen auftretenden Biegespannungen in den Rohrwendeln erheblich reduziert sind.

Erfindungsgemäß wird die gestellte Aufgabe dadurch gelöst, daß jeder Stab die Windungen von wenigstens zwei in Radialrichtung nebeneinander liegenden Rohrwendeln aufnimmt, daß zwei Scharen von Stabreihen vorgesehen sind, wobei jeweils eine Stabreihe der einen Schar zwischen zwei Stabreihen der anderen Schar angeordnet ist, und daß zu derselben Schar gehörende Stäbe in jeder Stabreihe die gleichen Rohrwendeln verbinden, Stäbe verschiedener Scharen aber in Bezug auf die Rohrwendeln in Radialrichtung gegeneinander versetzt sind.

Die Querschnittsform der Stäbe kann beliebig gewählt werden. Zum Pestklemmen der Rohrwindungen in den Öffnungen der Stäbe können bekannte Mittel und Methoden benutzt werden. Der Zwischenraum zwischen den jeweils benachbarten Stäben einer Reihe wird vorzugsweise so festgelegt, daß einerseits eine ungehinderte Wärmeausdehnung erfolgen kann, andererseits, beispielsweise bei Erdbeben, keine großen kinetischen Energien entstehen können.

Durch die vertikale Aufteilung der Rohrhalterung in eine Anzahl von in Reihen angeordneten Stäben mit ausreichendem Zwischenraum zwischen den einzelnen Stäben jeder Reihe sowie durch das von Rohrwendel zu Rohrwendel unterschiedliche Zu-

909807/0128

sammenfassen der Rohrwindungen wird erreicht, daß auch bei hohen Temperat.irdiff erenzen zwischen dem äußeren und dem inneren Wärmetauschermedium wesentlich geringere Biegespannungen in den Rohrwendeln auftreten*

Ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Wärmetauschers kann in vorteilhafter Weise so ausgestaltet sein, daß in jeder Stabreihe die Stäbe der ersten Schar die Windungen einer Wendel η mit den Windungen der benachbarten kleineren Wendel verbinden und die Stäbe der zweiten Schar die Windungen der Wendel η mit der benachbarten größeren Wendel zusammenfassen, η soll hier die Zahlen 2,h,6 usw. bedeuten, wobei im Querschnitt des Rohrbündels von innen nach außen gezählt wird. So ist z.B. die zweite Rohrwendel durch einen Stab in jeder zur ersten Schar gehörenden Stabreihe mit der ersten Rohrwendel verbunden, während sie mit der dritten Rohrwendel durch einen Stab pro Stabreihe der zweiten Schar zusammengefaßt ist. Im Bereich der ersten Schar von Stabreihen besteht keine Verbindung zwischen der zweiten und der dritten Rohrwendel; im Bereich der zweiten Schar von Stabreihen hingegen ist keine Verbindung zwischen der ersten Rohrwendel und der zweiten Rohrwendel vorhanden.

Durch diese Ausbildung der Rohrhalterung wird einmal erreicht, daß immer nur die Würinedehnungsdlff erenzen der Rohrhalterung im Bereich zweier benachbarter RohrwendeJnBiegespannungen in den Rohren hervorrrufen, was sich technisch beherrschen läßt. Zum anderen ergibt sich durch die feste Verbindung jeder Rohrwendel mit den beiden benachbarten Rohrwendeln eine hinreichende Steifigkeit des gesamten RohrbUndels.

Bei einer anderen vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Wärmetauschers ist vorgesehen, daß die Stäbe

609807/0128

jeder Stabreihe die Windungen von drei benachbarten Wendeln miteinander verbinden, wobei zwischen dun Stäben jeder Reihe jeweils eine Wendel freibleibt und die Stäbe der einen Schar auf Lücke der Stäbe der anderen Schar sitzen. So können in den Stabreihen der ersten Schar die Wendeln 1,2,3» die Wendeln 5»6,7 usw. je durch einen Stab zusammengefaßt sein. In den Stabreihen der zweiten Schar hingegen sind die Wendeln 3,^,5» die Wendeln 7,8,9 usw. je durch einen Stab verbunden.

Zweckmäßigerweise sind die Stabreihen im Grundriß auf Radialstrahlen angeordnet, die eine gleiche Teilung aufweisen. Dabei entsteht eine ganzzahlige Anzahl von Kreisausschnitten oder Sektoren.

Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform des erfindungsgeinäßen Wärmetauschers läßt sich herstellen, wenn die Anzahl der in jeder Schar vorhandenen Stabreihen durch 3 teilbar ist. Bei beispielsweise infolge eines Erdbebens auftretenden HorizontalschUben ergibt sich hier eine günstige Drei-Punkt- Anlage .

In manchen Anwendungsfällen des Wärmetauschers gemäß der Erfindung kann es zweckmäßig sein, die Stabreihen im Grundriß auf Radialstrahlen anzuordnen, die eine ungleiche Teilung besitzen; d.h. die von den Radialstrahlen ausgeschnittenen Sektoren haben verschiedene Größe. Auf diese Weise läßt eich eine gezielte "Verstimmung" der einzelnen Stäbe erreichen (unter "Verstimmung" ist hier die Erzielung unterschiedlicher Eigenschwingungszahlen der Stäbe zu verstehen). Die verschiedene Größe der Sektoren kann mit Hilfe schwingungstechnischer Untersuchungen ermittelt werden.

Es kann auch vorteilhaft sein, die Rohrhalterung so auszugestalten, daß mindestens einige der Stabreihen das Wärme-

909807/0128

tauscher-Rohrbündel in Radialrichtung nicht vollständig durchsetzen. Mittels der Schwingungsanalyse läßt sich bestimmen, welche Rohrwendeln nicht durch die Stäbe der einen bzw. der anderen Schar zu erfassen siad, d.h. an welchen Stellen des Rohrbündelquerschnittw die Stabreihen anfangen und enden.

Bei manchen Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Wärmetauschers ist zweckmäßigerweise nur ein Teil der Stäbe an der oberhalb oder unterhalb des Rohrbündels befindlichen Tragstruktur befestigt. Es werden also nicht alle Stäbe zur Lastabtragung des Rohrbündels herangezogen.

In der Zeichnung sind vier Ausführungsbeispiele des Wärmetauschers gemäß der Erfindung schematisch dargestellt. Die Figuren zeigen im einzelnen:

Fig. 1 den aktiven Bereich einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Wärmetauschers im Längsschnitt nach der Linie A-B der Fig. 2,

Fig. 2 einen Querschnitt durch das Rohrbündel-

des in der Fig. 1 gezeigten Wärmetautsohors,

Fig. 3 die Draufsicht auf das Wärmetauscher-Rohrbündel eines zweiten AusfUhrungsbeispiels,

Fig. 4 die Draufsicht auf das Wärmetauscher-Rohrbündel eines dritten Ausführungsbeispiels, ,

Fig. 5 die Draufsicht auf das Wärmetauscher-Rohrbündel eines weiteren Ausfuhrungsbeispiels, teilweise dargestellt.

909807/0120

Die Figuren 1 und 2 lassen einen Wärmetauscher mit kreisförmigem Querschnitt erkennen, der im wesentlichen aus einein äußeren Mantel 1, einem Rohrbündel 2 und einer Tragstruktur 3 Tür das Rohrbündel 2 besteht, die (über nicht gezeigte Thermosleeves) oberhalb des Rohrbündels 2 an dem äußeren Mantel 1 befestigt ist. Im Inneren weist der Wärmetauscher einen Zentralkanal k auf. '

Das Rohrbündel 2 setzt sich aus einer Vielzahl von schraubenförmig gewendelten Rohren 5 zusamnunen, deren einzelne Windungen 6 in der Fig. 2 der Einfachheit halber als in einer Ebne liegende Kreisringe dargestellt sind. Die Rohrwendeln 5 haben verschiedene Durchmesser und sind koaxial ineinander angeordnet (Helixbauweise). In dem dargestellten Ausführungsbeispiel besteht das Rohrbündel 2 aus elf Rohrwendeln, deren Positionen mit I, II, III Usw. bezeichnet sind.

Zur Abstützung der Rohrwendeln 5 ist in dem Rohrbündel 2 eine Rohrhalterung vorgesehen, die eine Reihe von Stäben 7 umfaßt, welche sich durch das ganze Rohrbündel erstrecken. Ihre Längsachsen sind parallel zur Achse des Rohrbündels 2 ausgerichtet. Die Stäbe 7 weisen je zwei in senkrechter Richtung verlaufende und nebeneinander liegende Reihen von kreisförmigen Öffnungen 8 auf, deren Durchmesser demjenigen der gewendelten Rohre angepaßt ist und die zur Aufnahme dieser Rohre dienen.

Mehrere Stäbe 7 bilden jeweils eine Reihe 9, wobei alle Reihen 9 im Grundriß auf einem Radialstrahl 10 liegen. Die Radialstrahlen 10 weisen eine gleiche Teilung auf. In jeder Reihe 9 sind die einander benachbarten Stäbe 7 durch Zwischenräume 11 getrennt, deren Größe so bemessen ist, daß Wärmedehnungen nicht behindert werden, das Entstehen großer kinetischer Energien bei Erdbeben jedoch nicht möglich ist.

10/..

909807/0128

Die Stabreihen 9 sind in zwei Scharen 12a und 12b unterteilt, die ineinander angeordnet sind; d.h. jede zur Schar 12a gehörende Stabreihe 9 befindet sich zwischen zwei benachbarten Stabreihen 9 der Schar 12b und umgekehrt. Die Scharen 12a und 12b unterscheiden sich dadurch voneinander, daß ihre Stäbe 7 andere Windungen 6 der Rohrwendeln 5 miteinander verbinden, wie noch weiter ausgeführt wird.

Bei dem in den Figuren 1 und 2 gezeigten Ausführungsbeispiel werden nicht alle Stäbe 7 zur Lastabtragung des Rohr blinde Is auf die Tragstruktur 3 benutzt; d.h. nur ein Teil der Stäbe ist an der Tragstruktur 3 befestigt, wie aus der Fig. 1 ersichtlich.

In jeder Stabreihe 9 der Schar 12a sind die Windungen 6 der Rohrwendein5, die die Positionen I, II, die Positionen III, IV, die Positionen V, VI usw. einnehmen, jeweils durch einen Stab 7 verbunden. Zwischen den Rohrwendeln 5 auf den Positionen II,III, den Positionen IV, V sowie VI, VII usw. besteht keinerlei Verbindung in diesen Stabreihen.

Bei den zu der Schar 12b gehörenden Stabreihen 9 sind jeweils die Windungen 6 der Rohrwendeln 5 durch einen Stab 7 zusammengefaßt, die sich auf den Positionen II, III, den Positionen IV, V, den Positionen VI, VII usw. befinden, während die auf den Positionen I, II, den Positionen III, IV sowie V, VI usw. liegenden Rohrwendeln 5 nicht miteinander verbunden sind.

Der innerste und äußerste Stab 7 in jeder Reihe 9 der Schar 12b ist an der Wandung des Zentralkanals k bzw. an dem äußeren Mantel 1 des Wärmetauschers befestigt*

Die Fig. 3 zeigt ein ebenfalls aus 11 Rohrwendeln 5 bestehen-

11/...

909807/0128

des Wärmetauscher-Rohrbündel 2, dessen Rohrhalterung in ähnlicher Weise gestaltet ist wie bei dem in den Figuren 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispiel. Die in radial ausgerichteten Stabreihen 9 angeordneten Stäbe 13 sind mit drei in senkrechter Richtung verlaufenden und nebeneinander liegenden Reihen von kreisförmigen Öffnungen zur Aufnahme der Rohrwendeln 5 versehen. Die Stabreihen 9 sind auch hier in zwei Scharen i4a und i4b unterteilt, die ineinander liegen. Die Rohrwendeln 5 befinden sich auf Positionen I bis XI.

In jeder Stabreihe 9 sind jeweils drei Rohrwendeln 5 durch einen der Stäbe 13 verbunden, wobei hier zwischen den einzelnen Stäben ein größerer Zwischenraum 15 freibleibt. Die Stäbe 9 der Schar 14a fassen in jeder Stabreihe die Rohrwendeln auf Position I, II, III, auf Position V, VI, VII und auf Position IX, X zusammen. Die Rohrwendeln auf den Positionen IV unf VIII sind nicht mit den ihnen benachbarten Wendeln verbunden. Bei der Schar 1kh sind in jeder Stabreihe 9 die auf den Positionen III, IV, V sowie VII, VIII, IX befindlichen Rohrwende In 5 in je einem Stab 7 gehaltert. Hier bleiben die Rohrwendeln auf den Positionen I, II, VI, und X unverbunden.

Bei diesem Ausführungsbeispiel ist die Anzahl der in jeder Schar i4a, i4b vorhandenen Stabreihen 9 durch die Ziffer 3 teilbar, wodurch sich bei HorizontalschUben eine Drei-Punkt-Anlage ergibt. Die Stabreihen sind auf Radialstrahlen 10 gleicher Teilung angeordnet.

Die bisher beschriebenen Figuren zeigen Stabreihen 9, die das Wärmetauscher-Rohrbündel 2 in Radialrichtung vollständig durchsetzen. In der Fig. U ist ein Rohrbündel 2 dargestellt, bei dem nicht alle Rohrwendeln 5 durch die Stabreihen der einen bzw. der anderen Schar 12a bzw. 12b erfaßt sind. Die

12/...

909807/0128

Stäbe 7 weisen je zwei Reihen von Öffnungen für die Windungen

6 der Rohrwendeln 5 auf; d.h. es werden jeweils zwei Rohrwendeln durch einen Stab zusammengefaßt.

In der Schar 12a sind die auf den Positionen I, II sowie III, IV befindlichen Rohrwendeln 5 in jeder Stabreihe 9 durch einen Stab 7 verbunden. Die übrigen Rohrwendeln 5 sind in den Stabreihen dieser Schar ungehaltert, und zwischen den Rohrwendeln 5 der Positionen II, III besteht keinerlei Verbindung.

Die zu der Schar 12b gehörenden Stabreihen weisen drei Stäbe

7 auf, die jeweils die auf den Positionen IV, V, den Positionen VI, VII sowie VIII, IX liegenden Rohrwendeln 5 verbinden. Hier bleiben die Rohrwendeln der Positionen I, II, III frei. Unverbunden sind auch die auf den Positionen V, VI sowie VII, VIII befindlichen Rohrwendeln 5.

Wie aus der Fig. 5 zu ersehen, können die Stabreihen 9 in Radialstrahlen 16 angeordnet sein, die eine ungleiche Teilung besitzen, so daß die von den Radialstrahlen 16 ausgeschnittenen Sektoren 17 von unterschiedlicher Größe sind. Die Radialstrahlen 16 schließen z.B. die Winkel fcd.ß. j/-und £ ein. Es sind wieder zwei Scharen von Stabreihen 9 vorhanden, deren einzelne Stäbe 7 je zwei Rohrwendeln 5 in der Weise umfassen, wie es bei den Figuren 1 und 2 beschrieben ist.

909807/0128

Claims

Patentansprüche

Wärmetauscher mit einem Rohrbündel aus einer Vielzahl von schraubenförmig gewendelten Rohren, die verschiedene Vendeldurchmesser haben und koaxial angeordnet sind, und mit einer Rohrhaiterung, bestehend aus einer Anzahl von sich parallel zur Achse des Rohrbündels durch das ganze Rohrbündel erstreckenden Stäben, die kreisförmige Öffnungen für die Windungen der Rohre enthalten und im Grundriß auf Radialstrahlen angeordnet sind, wobei die jeweils auf einem Radialstrahl liegenden und eine Reihe bildenden Stäbe durch Zwischenräume getrennt sind, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Stab (7; 13) die Windungen (6) von wenigstens zwei in Radialrichtung nebeneinander liegenden Rohrwendeln (5) aufnimmt, daß zwei Scharen (i2a, 12b; i4a, 14b) von Stabreihen (9) vorgesehen sind, wobei jeweils eine Stabreihe (9) der einen Schar (12a; l4a) zwischen zwei Stabreihen (9) der anderen Schar (12b; i4b) angeordnet ist, und daß zu derselben Schar gehörende Stäbe (7,13) in jeder Stabreihe (9) die gleichen Rohrwendeln (5) verbinden, Stäbe (7)13) verschiedener Scharen aber in Bezug auf die Rohrwendeln (5) in Radialrichtung gegeneinander versetzt sind.
2. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in jeder Stabreihe (9) die Stäbe (?) der ersten Schar (i2a) die Windungen (6) der η-ten Wendel (5) mit den Windungen (6) der benachbarten kleineren Wendel (5) verbinden und die Stäbe (9) der zweiten Schar (i2b) die Windungen (6) der η-ten Wendel (5) mit der benachbarten größeren Wendel (5) zusammenfassen, wobei η fUr die Zahlen 2,4,6 usw. steht.

909807/0128
3. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stäbe (13) jeder Stabreihe (9) die Windungen (6) von drei benachbarten Wendeln (5) verbinden, wobei zwischen den Stäben (13) jeder Reihe (9) jeweils eine Wendel (5) freibleibt und die Stäbe (13) der einen Schar (i4a) auf Lücke der Stäbe (13) der anderen Schar (i4b) sitzen.
4. Wärmetauscher nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Stabreihen (9) im Grundriß auf Radialstrahlen (1O) gleicher Teilung angeordnet sind.
5. Wärmetauscher nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl der vorhandenen Stabreihen (9) jeder Schar (i4a, i4b) durch 3 teilbar ist.
6. Wärmetauscher nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Stabreihen (9) im Grundriß auf Radialstrahlen (16) ungleicher Teilung angeordnet sind.
7. Wärmetauscher nach Anspruch 1,4,5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens einige der Stabreihen (9) das Wärmetauscher-Rohrbündel (2) in Radialrichtung nicht vollständig durchsetzen.
8. Wärmetauscher nach Anspruch 1 und einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß nur ein Teil der Stäbe (7) an einer oberhalb oder unterhalb des Rohrbündels (2) befindlichen Tragstruktur (3) befestigt ist.

909807/0128