DE2742877C3

DE2742877C3 - Wärmeübertrager, insbesondere Rekuperator für Hochtemperaturreaktoren

Info

Publication number: DE2742877C3
Application number: DE2742877A
Authority: DE
Inventors: Heinz Effretikon Fischli
Original assignee: Gebrueder Sulzer AG
Current assignee: Sulzer AG
Priority date: 1977-09-14
Filing date: 1977-09-23
Publication date: 1981-05-14
Also published as: US4299273A; DE2742877B2; GB2004361B; DE2742877A1; JPS5453346A; GB2004361A; CH629586A5; FR2403533A1

Description

Die Erfindung betrifft einen Wärmeübertrager nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Ein ähnlicher Wärmeübertrager ist aus der FR-AS 22 72 360 bekannt, bei dem die Wärmeübertragungsrohre jedes Sechskantelementes zu einem Bündel zusammengebaut sind das durch Bänder zusammengehalten wird. Innerhalb jedes Bündels werden die Rohre durch Abstützgitter in ihrer gegenseitigen Lage gehalten, und zwischen den Bändern benachbarter Elemente sind federnde Abstandhalter vorgesehen. Nachteilig ist dabei, daß nach dem Einbau des Wärmeübertragers in seinen Mantel, der beispielsweise in einem Sackloch eines Betondruckbehälters untergebracht ist, bei unterschiedlichen Betriebszuständen wegen unterschiedlicher Dehnung des Bündels von Sechskantelementen einerseits und des Mantels andererseits lokal weite Spalte auftreten können. Durch solche Spalte kann das die Sechskantelemente umströmende Medium im Nebenschluß mit ungenügendem Wärmeaustausch strömen.

Es ist zwar möglich, durch Anbringen rohrförmiger Hüllen mit Schiebedichtungen, Dichtstreifen usw. an den Sechskantelementen solche Spalte zu vermeiden oder abzudichten. Die Anwendung solcher Hüllen bringt jedoch erhebliche Nachteile bezüglich des Raum- und des Materialbedarfs sowie Komplikationen mit sich, weil die Stellen, an denen sie angebracht werden müssen, schwer zugänglich und schlecht inspizierbar sind.

Es ist Aufgabe der Erfindung, den Wärmeübertrager der eingangs genannten Art auf konstruktiv einfache Weise so zu verbessern, daß das Auftreten weiter, den Wärmeaustausch beeinträchtigender Spalte vermieden wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Kennzeichens des Anspruchs 1 gelöst.

Durch diese Gestaltung wird erreicht, daß sowohl bei allen Lasten und transienten Übergangszuständen des Wärmeübertragers als auch im abgestellten Zustand der Spalt zwischen benachbarten Sechskantelementen und gegebenenfalls zwischen den Sechskantelementen und dem Mantel einen bestimmten zulässigen Wert nicht übersteigt.

Bei einer in bezug auf Konstruktion und Montage besonders zweckmäßigen Ausführungssform der Erfindung sind die Distanzierungsmittel jedes Sechskantelementes durch sechs miteinander verstrebte Längsschienen gebildet, von denen mindestens drei aus- und/oder einspringende Schwalbenschwanzprofile aufweisen, durch die — im zusammengebauten Zustand — die

Sechskantelemente miteinander bzw. mit an den räumlich fest angeordneten Distanzierungsmittein angebrachten Schwalbenschwanzprofilen mit Spiel verzahnt sind. Die Längsschienen bringen den zusätzlichen Vorteil, daß das Zusammenbauen des Wärmeübertragers vereinfacht wird, indem die Schienen das Einfahren der Sechskantelemente erheblich erleichtern. Weiter ist vorteilhaft, daß durch die Längsschienen die Sechskantelemente versteift werden, was für deren Transport günstig ist

Werden die Wärmeübertragungsflächen aus einer Vielzahl von achsparallelen Rohren gebildet, so bringt dies fabrikatorische Vorteile, sowie ferner den Vorteil, daß der Wärmeübertrager sich leicht berechnen läßt, weil über solche Rohranordnungen viele Erfahrungswerte vorliegen. Werden nach einer anderen Ausführungsform die Wärmeübertragungsflächen lamellenardg, der deutschen Patentanmeldung P 27 21 321.4-16 entsprechend ausgebildet, so ergeben si~h Vorteile in der Serienfabrikation. Überdies läßt sich ein solcher Wärmeübertrager besonders gedrungen bauen.

Einige Ausführungsbeispiele der Erfindung werden in der folgenden Beschreibung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine Ansicht einer Schmalseite eines Sechskantelementes für einen erfindungsgemäßen Wärmeübertrager,

F i g. 2 einen Schnitt durch den oberen und den mittleren Bereich des Sechseckelementes entsprechend der Linie II—II in Fig. 3,

Fig.3 links einen Schnitt entsprechend der Linie HIa-IIIa und rechts einen Schnitt entsprechend der Linie IIIö-IIIö in F i g. 2, wobei zusätzlich Randpartien zweier Nachbarelemente angedeutet sind,

F i g. 4 einen Schnitt durch ein Abstützgitter, von dem in F i g. 3 rechts schematisch ein Ausschnitt dargestellt ist,

F i g. 5 schematisch ein Ausführungsbeispiel mit einer minimalen Anzahl von Schwalbenschwänzen,

F i g. 6 schematisch einen Vertikalschnitt durch einen Wärmeübertrager,

F i g. 7 einen Querschnitt entsprechend der Linie VlI-VII in F ig. 6,

F i g. 8 einen Ausschnitt aus F i g. 7 in größerem Maßstab und

Fig.9 einen gleichen Ausschnitt eines abgewandelten Ausführungsbeispieles.

Das Sechskantelement 70 nach F i g. 1 bis 3 enthält ein aus drei Abschnitten 2,3 und 4 zusammengeschweißtes Zentralrohr 1, das über seine Länge unterschiedliche Innendurchmesser aufweist und mit einer Isolation 5 gefüttert ist. Der Abschnitt 3 ist zu einem Rohrboden 6 mit Sechskantumriß ausgebildet. Die Oberseite 7 und die Unterseite 8 des Rohrbodens 6 sind nach außen leicht ansteigend ausgebildet. An der Oberseite 7 ist außen ein nach oben etwas vorstehender Rand 10 vorgesehen, an dem ein Übergangsstück 12 angeschweißt ist, das den sechseckigen Rand 10 mit einem kreiszylindrischen Rohr 13 verbindet. Der Rohrboden 6 ist nach einem Hexagonalgitter gebohrt, wobei die t>o Achsen 15 der Bohrungen 16 auf einen außerhalb der Zeichnung befindlichen Punkt auf der Elementachse konvergieren. In die Bohrungen 16 der Rohrplatte sind Rohre 20 eingeführt und nach einem üblichen Verfahren darin dicht befestigt.

An den sechs parallelen Längskanten des Rohrbodens 6 ist als Distanzierungsmiuel je eine Längsschiene 18 aneeschweißt. Die Rohre 20 sind an mehreren Stellen ihrer Länge durch Abstützgitter 25 geführt Diese Abstützgitter bestehen aus einem inneren Ring 26 und einem äußeren Rahmen 27, der im wesentlichen dem Sechseckumriß des Elements folgt jedoch im Bereich der sechs Ecken, die Längsschienen 18 umgehend, einspringt Der Ring 26 und der Rahmen 27 sind durch ein Gitter 28, das in F i g. 4 in vergrößerter Darstellung gezeigt ist verbunden. Das Gitter 28 besteht aus vielfach um 45° abgekröpftc Blechstreifen 29, die aneinandergelegt und durch Punktschweißung 30 miteinander verbunden sind. Zwischen den durch Punktschweißung verbundenen Abschnitten der Blechstreifen 29 sind durch Stanzschnitte Lappen 31 gebildet, die abwechslungsweise gegen die Rohre 20 ausgebogen sind und diese mit geringer Pressung seitlich stützen. Während der Ring 26 nur am Stützgitter angeschweißt ist, ist der Rahmen 27 an den Längsschienen 18 durch Schweißung befestigt

Der Zentralrohrabschnitt 4 verläuft nur über den mittleren Bereich jedes Elementes zylindrisch, seine Endbereiche sind konisch verjüngt so daß seine Außenfläche dem Verlauf der innersten Reihe der Rohre 20 folgt und die hydraulischen Radien im Raum um die Rohre 20 über den Querschnitt des Sechskantelementes 70 möglichst wenig variieren. Aus demselben Grunde ist das Konstruktionsmaterial des Ringes 26 und des Rahmens 27 der Abstützgitter dünn gehalten.

Der Raster der Bohrungen 16 in den Rohrboden 6 und 35 ist dem Raster der Abstützgitter 25 geometrisch ähnlich. Das hat zur Folge, daß in den Rohrboden im Bereich der Sechseckkanten lochfreie Felder U auftreten (F i g. 3).

Die Längsschienen 18 haben, wie in Fig.3 zu sehen ist, einen abgewinkelten Querschnitt, der je ein aus- und ein einspringendes Schwalbenschwanzprofil aufweist. Im zusammengebauten Zustand der Sechskantelemente 70 greifen die Schwalbenschwanzprofile benachbarter Elemente mit Spiel ineinander. Die oben am Rohrboden 6 angeschweißten Längsschienen 18 enden — wie F i g. 1 zeigt — am untersten der Abstützgitter 25. Die dieses Gitter 25 durchdringenden Rohre 20 sind weitergeführt zu einem Rohrboden 35, der — ähnlich wie der Rohrboden 6 — innen mit dem Zentralrohr 1 verschweißt ist und außen einen sechseckig verlaufenden nach unten gerichteten Rand aufweist An diesem Rand ist eine Kalotte 36 dicht angeschweißt die sich über den Rohrboden 35 und die Mündung des Zentralrohrs 1 wölbt.

Die Herstellung der Sechskantelemente 70 geschieht wie folgt:

Zunächst werden die Abschnitte 3 und 4 des Zentralrohrs 1, die bereits entsprechende Abschnitte der Isolation 5 tragen, und der Rohrboden 35 zusammengeschweißt nachdem auf dem Zentralrohrabschnitt 4 eine Anzahl von Abstützgittern 25 aufgereiht wurden. Nun werden die Rohre 20 durch die Bohrungen des einen Rohrbodens, die entsprechenden öffnungen sämtlicher Abstützgitter 25 und schließlich in die entsprechenden Bohrungen des anderen Rohrbodens eingeführt. Die Abstützgitter sind dabei, alle aufeinanderliegend, etwa auf halber Höhe der Länge des Zentralrohrabschnittes 4 unterstützt Die Rohre 20 müssen zum Einführen elastisch gebogen werden. Sind alle Rohre in den Rohrboden 6, 35 eingeführt, so werrden die Abstützgitter 25 parallel zu sich selbst in Richtung der Längsachse an ihre endgültige Stelle verschoben, wobei die Rohre 20 so festgehalten werden, daß sie nicht aus den Rohrboden gestoßen werden. Nun

werden die Längsschienen 18 in die Ausnehmungen der Rahmen 27 eingefügt und an den Rahmen 27 wie auch an dem Rohrboden 6 verschweißt. Anschließend werden die Rohre 20 beidendig in den Rohrplatten 6 und 35 eingewalzt, eingeschweißt oder sonstwie darin dichtend befestig* Schließlich werden am Innenrand des Rohrbodens 6 der Zentralrohrabschnitt 2 und am äußeren Rand 10 das Übergangsstück 12 sowie am äußeren Rand des Rohrbodens 35 die Kalotte 36 angeschweißt Damit ist das Sechskantelement zur Kontrolle der Dichtheit und zum Zusammenbau bereit.

Der aus den beschriebenen Sechskantelementen 70 zusammengebaute Wärmeübertrager ist gemäß Fig. 6 und 7 in einem Betondruckgefäß 50 untergebracht, dessen den Wärmeübertrager umgebende Wand mit einem Blechfutter 51 ausgekleidet ist. Innerhalb des Futters 51 ist ein den Wärmeübertrager umgebender Mantel 52 vorgesehen, der - wie F i g. 7 zeigt prismatisch entsprechend dem äußeren Umriß des Wärmeübertragers verläuft. Der Mantel 52 ist über radiale Stege 53 mit dem Futter 51 verbunden, wobei zwischen diesen und dem Mantel ein ringförmiger Kanal 59 gebildet ist, der im Betrieb von dem die Sechskantelemente 70 umströmenden Medium abwärts durchströmt wird. Innerhalb des Mantels 52 sind die Sechseckelemente angeordnet, die mit ihren Zentralrohren 1 an einem kugelförmigen Sammler 54 und mit den kreiszylindrischen Rohren 13 an einer nach unten gewölbten Platte 55 angeschlossen sind. Die gewölbte Platte 55 ist über einen kegelstumpfförmigen Abschnitt jo 56 aus Blech mit dem Futter 51 verbunden. Oberhalb der Rohrplatte 55 wird das die Rohre 20 der Sechskantelemente 70 durchströmende Medium in nicht näher dargestellter Weise zugeführt, das nach Durchströmen der Rohre 20 über die Zentralrohre 1 zum Sammler 54 gelangt.

An seinem unteren Ende ist der Mantel 52 konisch eingezogen und mit einem radialen Blechkanal 57 versehen, durch den das die Sechskantelemente 70 umströmende Medium dem Wärmeübertrager zügeführt wird. Außerhalb des Blechkanals 57 ist ein Ringkanal 58 ausgebildet, der mit dem zwischen dem Mantel 52 und dem Futter 51 befindlichen Kanal 59 in Verbindung steht

Alle Sechskantelemente 70 sind über die in Fig.3 dargestellten Schwalbenschwanzprofile unter Einhaltung eines bestimmten Spiels miteinander verbunden. Die äußerste Reihe der Sechskanteiemente 70 des Wärmeübertragers ist über seine in bezug auf den WärmeübeKrager außen liegenden Längsschienen 18 mit dem ortsfest montierten Mantel 52 über ebenfalls als Distanzierungsmittei dienende Längsschienen öö verbunden, wie dies in F i g. 8 dargestellt ist. Die Längsschienen 60 sind einerseits mit dem Mantel 52 und andererseits mit den Stegen 53 verbunden. Sie weisen einspringende Schwalbenschwanzprofile auf, die im zusammengebauten Zustand mit ausspringenden Schwalbenschwanzprofilen der Längsschienen 18 zusammenwirken, wobei ebenfalls ein bestimmtes Spiei vorgesehen ist, das in F i g. 8 der Einfachheit halber nicht gezeichnet worden ist, jedoch dem in F i g. 3 entspricht

Im Ausführungsbeispiel gemäß Fig.9 ist der Mantel 52 nicht ortsfest montiert sondern Bestandteil der äußersten Reihe von Sechskantelementen 70. Zu diesem Zweck sind zwischen jeweils zwei außen liegenden Längsschienen 18 Mantelabschnitte bildende Bleche 62 eingeschweißt die also beim Zusammenbauen des Wärmeübertragers zusammen mit den Sechskanteiementen 70 in die am Futter 51 befestigten Längsschienen 60 eingeschoben werden.

Bei der in ihrer Höhenlage gestaffelten Anordnung der Sechskantelemente 70 gemäß Fig.6 hat das im Zentrum des Wärmeübertragers liegende Element auf seiner Außenseite verhältnismäßig schlechte Abströmbedingungen. Um dies zu vermeiden, kann an die Stelle des zentralen Sechskantelementes 70 ein Füllkörper, z. B. ein unten verschlossenes Sechskantrohr, angeordnet werden. Bei der äußersten Reihe von Sechskantelementen 70 bestehen auf der Zuströmseite des die Elemente umströmenden Mediums verhältnismäßig ungünstige Bedingungen. Diese Strömungsbedingungen lassen sich dadurch verbessern, daß in einem begrenzten Höhenbereich der Mantel 52 etwas erweitert wird.

Im Betrieb als Rekuperator eines Hochtemperaturreaktors strömt heißes Niederdruckmedium aus dem Kanal 57 in die zwischen den Rohren 20 gebildeten Längsräume, wobei die Abstützgitter 25 in erwünschtem Sinne Turbulenz erzeugen. Abgekühlt verläßt sodann das Niederdruckmedium die erwähnten Längsräume zwischen den obersten der Abstützgitter 25 und den Rohrboden 6 und gelangt in den Ringkanal 59, den es abwärts durchströmt. Das aufzuheizende Hochdruckmedium strömt durch die kreiszylindrischen Rohre 13 in die ringartigen Verteilräume, die zwischen dem Zentralrohrabschnitt 2 und den Übergangsstück 12 oberhalb je des Rohrbodens 6 gebildet sind, von dort durch die Rohre 20 zu den von den Kalotten 36 und den Rohrboden 35 gebildeten Sammelräumen und schließlich durch die Zentralrohre 1 nach oben in den Sammler 54. Die Wärmeübertragung von heißem Hochdruckmedium in den Zentralrohren 1 an das tragende Material der Zentralrohre wird durch die Isolation 5 herabgesetzt, deren Dicke nach kleinem Druckabfall und kleinem Wärmeverlust optimiert ist.

Die Spiele in den Schwalbenschwanzprofilen der Längsschienen 18 und der Schienen 60 entsprechen etwa dem Dehnungsunterschied zwischen Betrieb und Stillstand eines Sechskantelementes 70, so daß diese Dehnungsunterschiede sich nicht an einer Stelle aufsummieren können, sondern auf alle Abschnitte zwischen den Elementen 70 verteilt bleiben. Die Längsschienen 18 und 60 können, insbesondere im Bereich der Schwalbenschwanzprofile, durch Auftragen von besonderen Materialien, z. B. Chromkarbid, vor Frettingkorrosion und ungewolltem Zusammenschweißen geschützt werden. Die gleiche Maßnahme ist auch für die Lappen 31 der Abstützgitter 25 nützlich.

Um das Einschieben der Sechskantelemente 70 zu erleichtern, können die ausspringenden Teile der Schwa'ibenschwanzproiiie über deren Länge abschnittweise unterbrochen sein. Außerdem kann das Spiel in den einspringenden Schwalbenschwanzbereichen über die Länge der Längsschienen derart unterschiedlich gestaltet sein, daß es beim Einfahren in die endgültige Position einen kleineren Wert hat als auf dem letzten Teil der Einschiebestrecken vor der Endposition. Mit demselben Ziel können die Schwalbenschwanzpartien auch mit leichtem Anzug ausgeführt sein.

Zur Verminderung der Reibung beim Zusammenbau läßt sich auch die Anzahl der Schwalbenschwanzverbindungen vermindern, im Extremfall auf die in Fig.5 schematisch gezeigte Ausführungsform. Bei dieser weist ein Wärmeübertrager zwei Arten von Sechskantelementen auf, von denen die eine zwei ausspringende Schwalbenschwanzprofile und ein einspringendes Schwalbenschwanzprofil und die andere ein aussprin-

gendes Schwalbenschwanzprofil und zwei einspringende Schwalbenschwanzprofile aufweist.

Die Bohrungen 16 in den Rohrboden 6 und 35 konvergieren vorzugsweise so stark, daß unabhängig von den Betriebszustanden die Rohre einfach, d. h. ohne Wendepunkt, gekrümmt sind. Dadurch wird die Biegespannung der Rohre klein gehalten.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Wärmeübertrager, insbesondere Rekuperator für Hochtemperaturreaktoren, der einen prismatisch verlaufenden Mantel sowie eine Vielzahl von langgestreckten, innerhalb des Mantels und parallel zu dessen Hauptrichtung angeordneten Sechskantelementen aufweist, von denen jedes ein Zentralrohr und darum herum axial sich erstreckende, bis zu dem Sechskantumriß reichende Wärmeübertragungsflä- ι ο chen aufweist, die beidendig an Kollektoren angeschlossen sind, wobei jedes der Sechskantelemente mit Distanzierungsmitteln versehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Distanzierungsmittel (18) jeweils im Bereich der Kanten der Sechskantelemente (70) angeordnet sind, daß analoge Distanzierungsmittel (60) im Bereich des Mantels (52, 62) räumlich fest angeordnet sind, daß die Distanzierungsmittel (18) der Sechskantelemente (70) und die räumlich fest angeordneten Distanzierungsmittel (60) derart ausgebildet sind, daß sie im zusammengebauten Zustand des Wärmeübertragers zwischeneinander Spiel aufweisen, das so bemessen ist, daß die Summe der Spiele in jeweils einer Richtung über den Querschnitt des Wärmeübertra- 2^r> gers die größte Differenzdehnung, die zwischen dem als starr betrachteten Paket von Sechskantelementen (70) und den räumlich fest angeordneten Distanzierungsmitteln (60) in dieser Richtung bei extremen Betriebszuständen auftreten würde, eben noch zwanglos aufnehmen kann.

2. Wärmeübertrager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Distanzierungsmittel (18) jedes Sechskantelementes (70) durch sechs miteinander verstrebte Längsschienen gebildet sind, von denen mindestens drei aus- und/oder einspringende Schwalbenschwanzprofile aufweisen, durch die — in zusammengebautem Zustand — die Sechskantelemente (70) miteinander bzw. mit an den räumlich fest angeordneten Distanzieiungsmitteln (60) ange- ίο brachten Schwalbenschwanzprofilen mit Spiel verzahnt sind.

3. Wärmeübertrager nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Längsschienen (18) jedes Elementes am Umfang mindestens des einen der beiden Kollektoren (10,12; 35,36) befestigt sind.

4. Wärmeübertrager nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeübertragungsflächen jedes Elementes lamellenartig, entsprechend der deutschen Patentanmeldung so P 27 21 321.4-16 ausgebildet sind.

5. Wärmeübertrager nach einem der Ansprüche 1 bis 3, mit aus achsparallenen Rohren bestehenden Wärmeübertragungsflächen, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohre (20) im mittleren Bereich ihrer Länge parallel verlaufen und in den beiden relativ kurzen Endbereichen konvergent auf die Rohrböden (6,35) zuführen.

6. Wärmeübertrager nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß im mittleren Bereich die Rohre f>o (20) jedes Sechskantelementes (70) durch senkrecht zur Elementachse sich erstreckende Abstützgitter (25) seitlich geführt sind.

7. Wärmeübertrager nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstützgitter (25) jedes ^hS Sechskantelementes (70) mit den Längsschienen (18) des zugehörigen Sechskantelementes (70) fest verbunden sind.

8. Wärmeübertrager nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Sechskantelemente (70) einzeln in einen ortsfest montierten Mantel (52) einschiebbar sind, der auf seiner Innenseite die analogen Distanzierungsmittel (60) als axial verlaufende Längsschienen mit Schwalbenschanzprofilen aufweist

9. Wärmeübertrager nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die am äußeren Umfang des Wärmeübertragers befindlichen Sechskantelemente (70) an ihren in Bezug auf den Wärmeübertrager außen liegenden Sechseckflächen mit Blechen (62) versehen sind, die zusammen den Mantel bilden.