DE2757145A1 - Rohrbuendelanordnung fuer einen waermeaustauscher - Google Patents
Rohrbuendelanordnung fuer einen waermeaustauscherInfo
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Description
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/K. Fl
2757U
PATENTANWÄLTE DiPL.-IiIG. H. WeICK^ANN, DiPL.-PhYS. Dr/K. FlNCKE
r.™™ Dipl.-Ing. F. A.Weickmann, Dipl.-Chem. B. Huber
SPMY Dr.-Ing.H.Liska
Case G 1085 GEW 8 München 86, den 2 1, 0β2 JQ77
POSTFACH 860 820 ' ' * '
GENERAL ATOMIC COMPANY 10955 John Jay Hopkins Drive, San Diego, California, V.St.A.
Rolirbundelanordnung für einen Wärmeaustauscher
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Die Erfindung betrifft eine Rohrbündelanordnung für einen Wärmeaustauscher. Insbesondere betrifft die Erfindung
eine solche Rohrbündelanordnung, die als Nacherhitzungsabschnitt eines Dampferzeugers angewandt werden kann, der geeignet
ist, in Verbindung mit einem gasgekühlten Kernreaktor in einer Elektrizitätserzeugungsanlage verwendet zu werden.
Eine solche Anwendung ist besonders beispielhaft für die Schwierigkeiten, die durch die Erfindung überwunden
werden. In diesem Zusammenhang sei darauf hingewiesen, daß sich gasgekühlte Kernreaktoren als besonders leistungsfähige
und wirtschaftliche Einrichtungen zum Erzeugen von Elektrizität aus Wärmeenergie, die innerhalb des Reaktors entsteht, erwiesen
haben. Wichtige Betriebsbedingungen innerhalb solcher Reaktoren umfassen deren Betrieb bei Temperaturen, die genügend
hoch sind, damit man direkt Dampf bei Temperaturen und Drücken erzeugen kann, der für einen hochleistungsfähigen Betrieb
von Dampfturbinen bzw. für einen Betrieb von Dampfturbinen mit hohem Wirkungsgrad geeignet ist.
Im allgemeinen wird in gasgekühlten Kernkraftanlagen ein primäres Kühlmittel, wie z.B. Helium oder Kohlendioxid,
umgewälzt, um Wärmeenergie, die von dem Reaktor erzeugt worden ist, abzuführen; hierbei werden zum Zwecke des Erzielens eines
größeren Wirkungsgrades hohe Temperaturen angewandt. Der Dampf für den Betrieb von Turbinen wird normalerweise dadurch erzeugt,
daß man die Wärme von dem primären KUhlströmungsmittel auf ein sekundäres Strömungsmittel eines Wasser-Dampf-Systems
überträgt. Diese Übertragung von Wärme wird allgemein innerhalb eines Wärmeaustauschers oder eines Dampferzeugers durchgeführt,
der verschiedene, spezialisierte Abschnitte umfaßt, welche es ermöglichen, die Wärmeenergie, die von dem Reaktor
abgeführt worden ist, für die Erzeugung von überhitztem Dampf auszunutzen.
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Wenn der Wärmeaustauscher oder der Dampferzeuger innerhalb
des gleichen Druckbehälters wie der Reaktor selbst untergebracht ist, dann ist es wichtig, daß die Abmessung der
gesamten Wärmeaustauscheranordnung auf einem Minimum gehalten vird, wobei die verschiedenen Wärmeaustauscherabschnitte durch
notwendigerweise beschränkte Öffnungen in dem Containmentbzw. Einschließungsbehälter leicht entfernbar und austauschbar
sein sollen. Es ist jedoch auch wichtig, daß ein Minimum an Gasströmungswiderstand erzielt wird, so daß die Arbeit, die
zum Umwälzen des primären Gases durch das System aufzuwenden ist, minimalisiert wird.
Es ist notwendig, die Wärmeaustauscherrohre in vielen Abständen zu halten bzw. zu unterstützen, um sie gegen
eine durch die Strömung hervorgerufene Schwingung zu schützen sowie gegen Erdbeben und gegen ihre Eigengewichtsbelastungen.
In der Vergangenheit war es oft notwendig, diese Halterungen bzw. Unterstützungen sehr groß und stark auszubilden, weil
frühere V/ärmeaustauschergestaltungen so waren, daß die Halterungen
bzw. Unterstützungen auf eine geringe Anzahl beschränkt worden waren. Wenn die Rohre intern durch das sekundäre Strömungsmittel
gekühlt und die Halterungen bzw. Unterstützungen durch das primäre Strömungsmittel auf einer wärmeren bzw.
höheren Temperatur gehalten werden, dann dehnen sich die Strukturen mit unterschiedlichen Raten aus. Gemäß dem Stand der
Technik wurden allgemein komplizierte Anordnungen von Rohrleitungen zwischen den Wärmeaustauscherabschnitten angewandt, um
die unterschiedliche Aufdehnung aufzunehmen. Wegen der anderen
Gestaltungs- bzw. Auslegungsprobleme muß diese Rohrleitung üblicherweise nicht erhitzt sein, was zu einer Verminderung
der Leistungsfähigkeit bzw. des Wirkungsgrades des Wärmeaustauschers führt.
Wenn man die Auslegungskriterien der Art, wie sie vorstehend zusammenfassend dargelegt sind, erfüllen will, dann
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kommt es zu Schwierigkeiten bei der Gestaltung bzw. Auslegung eines 1 eistungsfälligen vrärmeaustauschers oder Dampferzeugers,
der in Anwendungsfällen, wie in gasgekühlten Kernreaktoren, betrieben werden soll. Ähnliche Schwierigkeiten, wie sie auftreten,
wenn man Forderungen einer Umhüllung beschränkten Raums und einer unterschiedlichen Ausdehnung erfüllen will,
während gleichzeitig eine leistungsfähige Einheit bzw. eine Einheit mit hohem Wirkungsgrad erzielt werden soll, ergeben
sich auch bei anderen Wärmeaustauscheranwendungen, bei denen die Wärmeaustauscheranordnung nach der Erfindung mit gleichem
Vorteil angewandt werden kann.
Mit der Erfindung soll infolgedessen eine Rohrbündelanordnung für einen Wärmeaustauscher mit einer kompakten,
ringförmigen Konfiguration zur Verfügung gestellt werden, die gleichzeitig wirksame Wärmeaustauschfähigkeiten hat bzw. einen
hohen Wärmeaustauschwirkungsgrad besitzt, bei der weiterhin der Gasströmungswiderstand auf einem Minimum gehalten wird,
und die eine unterschiedliche Ausdehnung ermöglicht, ohne daß es notwendig ist, nichterhitzte Querverbindungen zu verwenden.
Demgemäß wird mit der Erfindung eine Rohrbündelanordnung
für einen Wärmeaustauscher zur Verfügung gestellt, die eine langgestreckte bzw. längsverlaufende Einlaßsammelrohrleitung
umfaßt, welche einen inneren Durchgang bildet, mittels dessen ein Wärmeaustauschströmungsmittel mit der Rohrbündelanordnung
zum Zwecke seiner Zuführung in letztere verbunden wird; eine langgestreckte bzw. längsverlaufende Auslaßsammeirohrleitung,
die parallel zu der Einlaßsammelrohrleitung angeordnet ist und einen inneren Durchgang zur Entladung des Wärmeaustauschströmungsmittels
aus der Rohrbündelanordnung bildet; eine Mehrzahl von spiralförmigen Wärmeaustauscherrohren, die
ein ringförmiges Rohrbündel bilden, wobei jedes spiralförmige Rohr um eine Achse ausgebildet bzw. geformt ist, die parallel
zu der Einlaß- und der Auslaßsammelrohrleitung ist, und wenig-
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stens eine volle Schleife und eine teilweise Schleife umfaßt, wobei seine entgegengesetzten Enden in Strömungsmittelverbindung
mit der Einlaß- bzw. der Auslaßsammelrohrleitung verbunden
sind; und eine oder mehrere Verbindungseinrichtungen, welche
benachbarte Teile des spiralförmigen Rohrs miteinander verbinden.
Die Erfindung wird nachstehend anhand einiger, in den Fig. 1 bis 7 der Zeichnung im Prinzip dargestellter, besonders
bevorzugter Ausführungsbeispiele näher erläutert; es zeigen:
Fig. 1 eine Aufsicht auf eine Rohrbündelanordnung nach der Erfindung, die in einem Nacherhitzerabschnitt eines
Dampferzeugers verwendet wird;
Fig. 2 eine gegenüber Fig. 1 vergrößerte, teilweise Seitenansicht des Nacherhitzerabschnitts des Dampferzeugers
nach Fig. 1;
Fig. 3 eine perspektivische Ansicht eines Wärmeaustauschers
oder Dampferzeugers als Teil eines gasgekühlten Kernreaktors, und zwar einschließlich des Nacherhitzerabschnitts
der Fig. 1 und 2, wobei zum Zwecke der klareren Darstellung Teile weggebrochen sind;
Fig. 4 ein schematisches Diagramm, welchesdie Richtung
des primären und sekundären Strömungsmittelflusses durch den Wärmeaustauscher oder Dampferzeuger der Fig. 3 veranschaulicht,
und zwar insbesondere zum Zwecke des Hervorhebens der bevorzugten, radialen Strömung des primären Strömungsmittels
durch die Rohrbündelanordnung nach der Erfindung;
Fig. 5 eine schematische Darstellung der grundsätzlichen Komponenten der Nacherhitzerabschnitte der Fig. 1 und 2,
und zwar in einer Ansicht, die sich ergibt, wenn man nach abwärts längs der Achse der Anordnung blickt;
Fig. 6 eine ähnliche bzw. gleichartige schematische Darstellung des Nacherhitzerabschnitts in einer Seitenansicht;
und
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Fig.7 eine der Fig. 5 gleichartige bzw. ähnliche
Darstellung einer alternativen Ausführungsform der Erfindung.
Eine ringförmige Wärmeaustauscher-Rohrbündelanordnung 10 gemäß der Erfindung ist in den Fig. 1 und 2 dargestellt.
Die Anordnung 10 ist auch in Fig. 3 als Nacherhitzerteil eines Wärmeaustauschers oder Dampferzeugers in einem
gasgekühlten Kernreaktor veranschaulicht.
Der Wärmeaustauscher der Fig. 3 stellt eine bevorzugte Umgebung bzw. einen bevorzugten Anwendungsfall für die Erfindung
dar, und er umfaßt einen Hochtemperaturabschnitt 11, der eine Mehrzahl von langgestreckten, im wesentlichen geraden
Rohren 12 aufweist, die ein längsverlaufendes Rohrbündel bilden. Ein nichterhitzter Speisewasserexpansions-Rohrabschnitt
13 ist mit einem ringförmigen Niedrigtemperaturabschnitt 14 verbunden, der den Hochtemperaturabschnitt 11 koaxial umgibt.
Die Hauptwärmeaustauscher-Rohrbündelanordnung, welche den Niedrigtemperatur-Rohrabschnitt 14 und den Expansionsrohrabschnitt
13 umfaßt, ist wesentlich kurzer als der Hochtempe raturabschnitt 11, so daß sich ein ringförmiger Raum 15 ergibt.
Die Rohrbündelanordnung 10 ist innerhalb des ringförmigen Raums 15 angeordnet, um einen Nacherhitzerabschnitt
für den Dampferzeuger zu bilden. Der Aufbau der Rohrbündelanordnung
10 wird nachstehend in näheren Einzelheiten erläutert.
Im Betrieb tritt ein primäres Erhitzungsströmungsmittel
in den Dampferzeuger ein und geht durch den Nacherhitzerabschnitt
10, vorzugsweise in radialer Richtung, dann strömt das primäre Erhitzungsströmungsmittel nach aufwärts entlang
der Rohre des Hochtemperaturabschnitts 11. Am oberen Ende des Dampferzeugers wird das primäre Erhitzungsströmungsmittel
nach auswärts und abwärts geleitet, und zwar an dem Niedrigtemperatur-Rohrabschnitt
14 vorbei, wonach das Erhitzungsströ-
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mungsmittel nach aufwärts zum Zwecke der Rückführung zu einer Erhitzungsquelle geleitet wird.
In Fig. 3 ist nur ein Teil eines gasgekühlten Kernreaktorsystems veranschaulicht. Das Reaktorsystem umfaßt einen
vorgespannten Beton-Druckbehälter 27, der den Wärmeaustauscher oder den Dampferzeuger, auf die oben Bezug genommen worden
ist, aufnimmt. Vorspannungssehnen bzw. -bänder 29 erstrecken
sich axial durch den Beton des zylindrischen Druckbehälters 27. Zum Aufnehmen der sich in Umfangsrichtung erstreckenden
Vorspannungsbänder, die im übrigen nicht dargestellt sind, können
ringförmige Nuten 31 in der äußeren Oberfläche des Druckbehälters
ausgebildet sein.
Der Druckbehälter 27 umfaßt eine Hauptkammer 33 zur Aufnahme eines Reaktorkerns, der nicht dargestellt ist. Die
Kammer 33 ist mit einer Auskleidung 35 aus geeignetem Metall versehen, welche am Beton verankert ist. Wie oben angedeutet,
ist der Reaktorkern so ausgebildet, daß er mit Gas gekühlt werden kann, wobei Vorkehrungen zum Umwälzen eines primären Kühlgases,
wie z.B. Helium oder Kohlendioxid, über bzw. durch den Reaktorkern, der als Wärmequelle zur Erhitzung des primären
Gases dient, getroffen sind. Das primäre Strömungsmittel wird dann über bzw. durch die verschiedenen Wärmeaustauscherabschnitte
des Dampferzeugers zum Erzeugen von Dampf für den Betrieb von Maschinen, wie z.B. Turbinen, zum Zwecke des Erzeugens
von Elektrizität, umgewälzt. Das primäre Strömungsmittel wird zum Zwecke des erneuten Erhitzens anschließend
wieder zum Reaktorkern zurückgeführt.
Innerhalb des dargestellten Reaktors ist die Hauptkammer 33 von einer Mehrzahl von in Umfangsrichtung voneinander
im Abstand vorgesehenen Kammern 37 umgeben, von denen nur eine in der Zeichnung dargestellt ist. Jede der Kammern 37 ist
allgemein zylindrisch in ihrer Form und dient zum Aufnehmen
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einer gleichartigen bzw. ähnlichen Dampferzeuger- und Kühlmittelumwälzeinrichtung,
wie sie hier beschrieben ist.
Das Kühlgas wird von der Hauptkammer 33 durch ein Paar horizontaler Kanäle 43 zum Dampferzeuger geleitet. Das
Kühlmittel wird zur erneuten Umwälzung über bzw. durch den Reaktorkern zur Kammer 33 zurückgeführt. Geeignete Einschließungen
bzw. Wände (nicht dargestellt) sind an den oberen Enden der Kammern 33 und 37 vorgesehen.
Die Kammer 37 ist vom oberen Ende des Druckbehälters
27 her durch Durchdringungen 47 zugänglich, wie man am besten aus Fig. 3 ersehen kann. Jede der Durchdringungen 47 bildet
eine Verbindung für einen der Abschnitte innerhalb des Dampferzeugers, wie in näheren Einzelheiten weiter unten erläutert
ist.
Der Niedrigtemperatur-Rohrabschnitt 14 befindet sich
innerhalb des zylindrischen Gehäuses 59. Wie oben angedeutet wurde, umfaßt das Hochtemperaturrohrbündel 11 Rohre 12, die
sich nach abwärts durch das ringförmige Rohrbündel 10 erstrecken. Ein zylindrisches Gehäuse 61 trennt den Niedrigtemperaturrohrabschnitt
14 von dem HochtemperaturrohrbUndel und erstreckt sich nach abwärts in Richtung auf den ringförmigen
Raum 15. Ein perforierter Teil 61a des Gehäuses 61 erstreckt
sich zwischen dem HochtemperaturrohrbUndel 11 und dem ringförmigen Rohrbündel 10 nach abwärts. Infolgedessen
wirkt das perforierte Gehäuse als Leitfläche, welche die Strömungsverteilung des primären Kühlgases sowohl durch das ringförmige
Rohrbündel 10 als auch durch das HochtemperaturrohrbUndel 11 verbessert.
Die Gehäuse 59 und 61 werden durch einen ringförmigen Befestigungsflansch 65 gehalten, der an der Kammerauskleidung
51 befestigt ist. Der ringförmige Raum zwischen dem
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Gehäuse 59 und der umgebenden Kammerauskleidung 51 wird
außerdem durch den ringförmigen Flansch oder Ring 65 blockiert, so daß er von den hohen Temperaturen im unteren Teil des Wärmeaustauschers,
in welchem der Nacherhitzer 10 angeordnet ist, isoliert ist.
Durch Speisewassereinlaßrohre 71 wird Speisewasser für den Dampferzeuger zugeführt, und dieses fließt nach aufwärts
durch den Raum 15, der eine Verbindung zum Expansionsrohrabschnitt 13 bildet. Eine Sammelleitung 73 verbindet das
Speisewasser mit den Rohren 71. Der Niedrigtemperaturrohrabschnitt
14 ist mit den oberen Enden des Hochtemperaturrohrabschnitts
11 mittels Querrohren 75 verbunden, die flexibel sind, so daß sie unterschiedliche Wärmeausdehnung und -zusammenziehung
der Rohrbündel 11 und 14 aufnehmen. Überhitzter Dampf verläßt das untere Ende des Hochtemperaturrohrabschnitts
11 durch eine Sammelleitung 77 für überhitzten Dampf.
Eintretendes, heißes Gas, das vom Reaktorkern kommt, gelangt durch die Kanäle 43 in die Kammer 37. Nach radialer
Umwälzung durch den Nacherhitzungsabschnitt 10, wie weiter unten in näheren Einzelheiten erläutert ist, strömt das Gas
nach aufwärts längs des Hochtemperaturrohrabschnitts 11. Eine
umgekehrt becherförmige Gasströmungs-Umlenkungsplatte 79 ist oberhalb des oberen Endes des Gehäuses 61 angeordnet und an
den Gehäusen 59 befestigt. Das primäre Gas strömt durch den Raum zwischen dem oberen, offenen Ende des Gehäuses 61 und
den Platten 79 und wird dann nach abwärts über die spiralförmigen Rohre in dem Rohrbündel 14 geleitet. Nachdem es über die
spiralförmigen Rohre in dem Rohrbündel 14 geströmt ist, fließt das Gas durch Durchlässe 81 in dem Gehäuse 59» und es strömt
dann zwischen dem Gehäuse 59 und der Auskleidung 51 der Kammer 37 nach aufwärts zu einem einzigen, horizontalen, oberen
Kanal (nicht dargestellt) zum Zwecke der erneuten Umwälzung zum Reaktorkern.
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Der Hacherhitzerabschnitt 10 umfaßt eine vertikale
Einlaßsammelrohrleitung 101 und eine vertikale Auslaßsammelrohrleitung
103, die von Sammelrohrleitungsbasen bzw. -basisteilen 77 gehalten werden, und diese Sammelrohrleitungen
sind parallel zueinander und diametral entgegengesetzt innerhalb des ringförmigen Raums 15 angeordnet. Sekundäres Strömungsmittel
wird in die Einlaßsammelrohrleitung 101 des Nacherhitzerabschnitts 10 durch eine Einlaßleitung 105 eingeführt,
während erhitztes Strömungsmittel den Nacherhitzerabschnitt 10 von der Auslaßsammelrohrleitung 103 durch eine
Auslaßleitung 107 verläßt.
Es sei nun insbesondere auf den ringförmigen Nacherhitzer 10 der Fig. 1 und 2 eingegangen, in dem eine große
Anzahl von spiralförmigen Rohren 109 ein ringförmiges Rohrbündel
111 bilden, welches einen Teil des Hochtemperaturrohrabschnitts 11 des Dampferzeugers umgibt. Jedes der Rohre 109
ist an seinen entgegengesetzten Enden 113 und 115 mit der Einlaß-
bzw. der Auslaßsammelrohrleitung 101 bzw. 103 verbunden. Jedes der spiralförmigen Rohre 109 bildet wenigstens eine
volle Schleife innerhalb des Rohrbündels 111 und eine teilweise Schleife, welche eine Verbindung mit den im Abstand vorgesehenen
Einlaß- und Auslaßsammelleitungen 101 und 103 ermöglicht. Es ist ohne weiteres ersichtlich, daß jede Anzahl
voller Schleifen und eine teilweise Schleife eine solche Verbindung zwischen den Leitungen 101 und 103 ermöglicht. Benachbarte
Teile der Rohre 109 innerhalb des ringförmigen Rohrbündels 101 sind durch Verbindungsstangen 117 miteinander verbunden
oder werden durch diese Verbindungsstangen aneinander gehalten, damit sich ein größerer Schwingungswiderstand und
eine bessere strukturelle Einheit bzw. Unversehrtheit innerhalb des ringförmigen Rohrbündels 111 ergibt. Die Verbindungsstangen 117 können auch als Abstandsplatten dienen, welche
die spiralförmigen Rohre 109 leicht im Abstand voneinander halten, so daß die Verteilung des primären Erhitzungsströmungs-
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mittels durch das Rohrbündel 111 aufrechterhalten wird.
Es ist ersichtlich, daß die Einlaß- und Auslaßsammelleitungen
101 und 103 entweder radial innerhalb oder außerhalb des ringförmigen Rohrbündels 111 angeordnet sein können.
Vorzugsweise sind die Einlaß- und Auslaßsammelrohrleitungen 101 und 103 radial außerhalb des ringförmigen Rohrbündels
111 angeordnet, da dann anlere Komponenten des Dampferzeugers
der Fig. 1 auch in Umfangsrichtung im Abstand voneinander außerhalb des ringförmigen Rohrbündels 111 angeordnet werden
können. Beispielsweise sei auf die Speisewasserrohre 71 in Fig. 3 hingewiesen. Zusätzlich können, bei Anordnung der Sammelleitungen
außerhalb des ringförmigen Rohrbündels 111, die Rohrenden 113 und 115 als sich tangential erstreckende, gerade
Rohre ausgebildet sein, so daß sich eine leichtere Verbindung mit den Sammelleitungen 101 und 103 erreichen läßt (siehe
Fig. 1). Die Rohrenden sind vorzugsweise an den Sammelleitungen befestigt, und zwar z.B. durch Schweißen, so daß sich
eine strukturelle Halterung für die Rohre 109 und das gesamte, kreisförmige Rohrbündel 111 ergibt.
Wie man aus Fig. 4 ersieht, ist vorgesehen, daß das primäre Strömungsmittel, welches durch die Kanäle 43 in die
Kammer 37 eintritt, radial durch den Nacherhitzerabschnitt 10 hindurchgeht. Demgemäß sind verschiedene Umlenkelemente
vorgesehen, damit sichergestellt wird, daß eine relativ gleichförmige, radiale Strömung des primären Strömungsmittels durch
das ringförmige Rohrbündel 111 erfolgt. Es sei nun speziell
auf die Fig. 1 und 2 Bezug genommen, wonach ringförmige Ablenkplatten 119 und 120 oberhalb und unterhalb des Nacherhitzerrohrbündels
111 angeordnet sind und sich nach einwärts zu dem Gehäuse 61 erstrecken. Die Platten 119 und 120 verhindern,
daß primäres Strömungsmittel direkt in den Raum zwischen das Rohrbündel 111 und das Gehäuse 61 eintreten kann, und
sie erbringen infolgedessen eine gleichmäßiger Verteilung des
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primären Strömungsmittelflusses sowohl durch das Nacherhitzerrohrbündel
111 als auch das Hochtemperaturrohrbündel 11. Zusätzlich können ringförmige Ablenkplatten 124 axial im Abstand
innerhalb des Rohrbündels 111 angeordnet sein, wenn das erforderlich ist, um einen gleichförmigen Durchgang des primären
Strömungsmittels durch das Rohrbündel 111 sicherzustellen.
Eine tellerförmige Ablenk- oder Leitflächenplatte 122 richtet das primäre Strömungsmittel, das aus den Kanälen
A3 eintritt, von dem Expansionsabschnitt 13 weg.
Es sei nun wieder speziell auf die Fig. 1 und 2 Bezug genommen, wonach gewisse Rohre 109 innerhalb des ringförmigen
Rohrbündeis 111 diametral entgegengesetzt zueinander angeordnet
sind. Beispielsweise sind gewisse Rohre mit der Einlaß- und Auslaßsammelleitung 101 und 103 durch Rohrenden verbunden,
die bei 123 und 123 angedeutet sind. Die diametral
entgegengesetzt angeordneten Rohre sind mit der Einlaß- und Auslaßsammelleitung 101 und 103 mittels Rohrenden 133 und 135
verbunden. Diese Anordnung läßt sich deutlicher aus der schematischen Darstellung der Fig. 5 ersehen. In dieser Figur
sind diametral entgegengesetzte Rohre 109 gemäß der Darstellung in Verbindung mit der Einlaß- und Auslaßsammelleitung
101 und 103. Diese Anordnung erbringt zusammen mit den oben erläuterten Verbindungsstangen 117 eine noch größere strukturelle
Festigkeit innerhalb des ringförmigen Rohrbündels 111.
Zusätzlich hat diese Anordnung eine gleichartige bzw. ähnliche Wärmeübertragungskonfiguration von beiden Seiten des Rohrbündels
zur Folge.
Die Fig. 6zeigt jedes der spiralförmigen Rohre, das eine und eine halbe Schleife zwischen den Verbindungen mit
der Einlaß- und Auslaßsammelleitung 101 und 103 bildet.
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In Fig. 7 ist ein alternatives Ausführungsbeispiel von ringförmigen Rohren veranschaulicht, die zwischen zwei
Paare von Einlaß- und Auslaßsammelleitungen geschaltet bzw. eingefügt werden können. Die Sammelleitungen sind in einem
Abstand von etwa 90° voneinander angeordnet, wobei jede der Einlaßsammelleitungen 151 gegenüber einer der Auslaßsammelleitungen
153 angeordnet ist. In dem Ausführungsbeispiel der Fig. 7 sind spiralförmige Rohre 109' vorgesehen, die in
gleichartiger bzw. ähnlicher Weise jedes gegenüberliegende
Paar von Einlaß- und Auslaßsammelleitungen 151 und 153 miteinander verbinden.
Durch die Verwendung einer Wärmeaustauschrohranordnung, wie sie für den Nacherhitzerabschnitt 10 des oben erläuterten
Dampferzeugers beschrieben ist, wird eine Anzahl von Vorteilen erzielt. Beispielsweise werden die Einlaß- und Auslaßsammelleitungen
und die Rohre 109 durch das sekundäre Strömungsmittel, wie z.B. Dampf, das innen durch dieselben
strömt, direkt gekühlt. Der Dampf schützt diese Elemente vor nachteiligen Wirkungen der wesentlich höheren Temperaturen des
primären Erhitzungsströmungsmittels, das aus den Kanälen 43 austritt. Insbesondere schützt der Dampf die Einlaß- und Auslaßsammelleitungen,
da sie mit Isolierung auf ihren äußeren Oberflächen versehen sind. Da die Sammelleitungen diejenigen
Teile sind, welche die Hauptlast des Rohrbündels tragen, ist es außerordentlich wichtig, daß sie auf der niedrigstmöglichen
Temperatur gehalten werden. Die Verbindungsstangen 117
tragen relativ minimale Belastungen. Obwohl sie durch den Dampf nicht direkt gekühlt werden, werden sie wegen ihres
engen Kontakts mit den Rohren 109 indirekt gekühlt. Infolgedessen tendieren im wesentlichen alle signifikanten Elemente
der Wärmeaustauscheranordnung, die den Nacherhitzerabschnitt 10 bilden, dazu, Temperaturen aufzuweisen, die wesentlich
nJairiger als diejenige des primären Erhitzungsströmungsmittels sind.
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Zusätzlich ergeben die spiralförmigen Rohre 109 inhärent Expansionsschleifen, die dazu dienen, unterschiedliche
Wärmeausdehnung und -zusammenziehung innerhalb des Nacherhitzerabschnitts 10 aufzunehmen. Infolgedessen bilden die spiralförmigen
Rohre 109 ein besonders kompaktes Rohrbündel 111, das leine zusätzlichen Ausdehnungsschleifen erfordert und das eine
erhöhte strukturelle Betriebssicherheit bzw. Zuverlässigkeit in Verbindung mit einer minimalen Kompliziertheit und einem
minimalen Gewicht erbringt. Die selbsttragende Struktur des ringförmigen Rohrbündels 111 entweder allein oder in Verbindung
mit den Einlaß- und Auslaßsammelleitungen schaltet die Notwendigkeit von komplizierten Halte- bzw. Trägerelementen
aus und macht den Nacherhitzerabschnitt 10 geeignet, sowohl unter Bedingungen hoher Temperatur als auch in Umgebungen
mit hohen Stößen, wie sie z.B. in Erdbebenzonen auftreten können, verwendet zu werden.
Schließlich erbringt die Wärmeaustauscherkonfiguration des Nacherhitzerabschnitts 10 inhärent einen relativ
großen frontalen Bereich bzw. eine relativ große frontale Fläche, wodurch der Grenzschichtkoeffizient bzw. der Wärmeübertragungskoeffizient
des primären Erhitzungsströmungsmittels
und demgemäß die tatsächliche Temperatur der Metallrohre 109 herabgesetzt wird. Wegen der großen Frontalfläche
bzw. wegen des großen Frontalbereichs hat der Nacherhitzerabschnitt 10 einen relativ niedrigen Strömungswiderstand
gegenüber dem primären Strömungsmittel.
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Claims (10)
- 2757H5PatentansprücheHj Rohrbündelanordnung für einen Wärmeaustauscher, gekennzeichnet durch eine längsverlaufende bzw. langgestreckte Einlaßsammelleitung (101,151), die einen inneren Durchgang zum Zuführen eines Wärmeaustauschströmungsmittels in die Rohrbündelanordnung (111) bildet; eine längsverlaufende bzw. langgestreckte Auslaßsammelleitung (103,153)» die parallel zur Einlaßsammelleitung (101,151) angeordnet ist und einen inneren Durchgang zum Entladen bzw. Abführen des Wärmeaustauschströmungsmittels aus der Rohrbündelanordnung (111) bildet; eine Mehrzahl von spiralförmigen Wärmeaustauscherrohren (109,109'), die ein ringförmiges Rohrbündel bilden, wobei Jedes spiralförmige Rohr um eine Achse ausgebildet bzw. angeordnet ist, die parallel zu der Einlaß- und Auslaßsammelleitung ist, und wobei weiterhin jedes spiralförmige Rohr wenigstens eine volle Schleife und eine teilweise Schleife umfaßt, deren entgegengesetzte Enden (123,125,133,135, 123',125',133',135') in Strömungsmittelverbindung an der Einlaß- bzw. der Auslaßsammelleitung befestigt sind; und eine oder mehrere Verbindungseinrichtungen (117), welche benachbarte Teile der spiralförmigen Rohre miteinander verbinden.
- 2. Rohrbündelanordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine oder mehrere Leitflächeneinrichtungen (119, 120,124), welche ein externes Strömungsmittel um die Rohre richten bzw. lenken.
- 3. Rohrbündelanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß vorbestimmte der spiralförmigen Rohre (109,109') diametral entgegengesetzt zu den anderen spiralförmigen Rohren (109,109') angeordnet sind, wobei die Einlaß- und Auslaßsammelleitungen (101,103,151,153) außerhalb des Rohrbündels (111) angeordnet sind.809827/08122757H5
- 4. Rohrbündelanordnung gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Einlaß- und AuslaßsammelLeitungen (101, 103,151,153) diametral entgegengesetzt zueinander angeordnet sind, wobei jedes der spiralförmigen Rohre(109,109') wenigstens eine volle Schleife und eine halbe Schleife zur Verbindung seiner entgegengesetzten Enden (123,125,133,135, 123*,125',133',135') mit den diametral entgegengesetzt angeordneten Sammelleitungen umfaßt.
- 5. Rohrbündelanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, insbesondere nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß jedes der spiralförmigen Rohre (109,109') eine Mehrzahl von vollen Schleifen und eine halbe Schleife umfaßt.
- 6. Rohrbündelanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß jedes spiralförmige Rohr (109,109') eine Mehrzahl von vollen Schleifen und eine teilweise Schleife umfaßt.
- 7. Rohrbündelanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung (111) als Teil eines Wärmeaustauscher (11,14) montiert bzw. vorgesehen ist.
- 8. Rohrbündelanordnung nach einem der Ansprüche 1bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen Teil eines Dampferzeugers (11,13,14) eines gasgekühlten Kernreaktors bildet.
- 9. Rohrbündelanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmeaustauscher zusätzlich zu der Rohrbündelanordnung (111) eine Hauptwärmeaustauscherrohrbündelanordnung (11,14) für die interne Umwälzung eines Wärmeaustauschströmungsmittels aufweist, wobei beide Rohrbündelanordnungen (111 bzw. 11,14) in einer längsverlaufenden bzw. langgestreckten, im wesentlichen zylindrischen Kammer (37) angeordnet809827/08122757H5 3sind und der Wärmeaustauscher außerdem eine oder mehrere Einrichtungen (59f6ia,79,81,122) zum Richten bzw. Lenken eines Wärmeaustauschströmungsmittels durch die Kammer vorbei an den beiden Rohrbündelanordnungen umfaßt.
- 10. Rohrbündelanordnung nach Anspruch 9f dadurch gekennzeichnet , daß die HauptwärmeaustauscherrohrbUndelanordnung einen Hochtemperaturabschnitt (11) aufweist, der eine Mehrzahl von parallelen Rohren (12) hat, die ein längsverlaufendes bzw. langgestrecktes Rohrbündel bilden, das sich längs einer linearen Achse der zylindrischen Kammer (37) erstreckt, sowie einen Niedrigtemperaturabschnitt (14), der eine Mehrzahl von im wesentlichen spiralförmigen Rohren hat, die ein ringförmiges Rohrbündel bilden, das koaxial um einen Teil des Hochtemperaturabschnitts(11)herum angeordnet ist, wobei der Niedrigtemperaturabschnitt (14) eine axiale Dimension hat, die wesentlich geringer als diejenige des Hochtemperaturabschnitts (11) ist, und wobei der Niedrigtemperaturabschnitt weiterhin in der Nähe des einen Endes des Hochtemperaturabschnitts angeordnet ist; und daß die zuerst genannte Rohrbündelanordnung (111) einen Teil des Hochtemperaturabschnitts (11) in der Nähe des anderen Endes der zylindrischen Kammer (37) umgibt.809827/0812
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