DE2848025C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine thermisch isolierte Rohrleitung großer Nennweite, in der mit hoher Geschwindigkeit ein Gas hohen Druckes und hoher Temperatur strömt, vorzugsweise für den Einsatz als Heißgasleitung in einem Hochtemperaturreak­ tor, bestehend aus einem Druckmantel aus Metall und der in­ nerhalb des Druckmantels angeordneten thermischen Isolierung, die von einem aus einzelnen Rohrelementen zusammengesetzten Rohr aus hochtemperaturbeständigem Material gebildet wird, wobei die Stirnflächen der einzelnen Rohrelemente profiliert sind.

Eine thermisch isolierte Rohrleitung dieser Bauart ist aus der DE-OS 21 20 332 bekannt. Die Rohrelemente bestehen aus ringförmigen Zellen mit je einem Innen- und Außenmantel und einer Metallstruktur aus dünnem Blech. Sie sind je durch ein profiliertes Abschlußblech abgedichtet, das allerdings nur an einem Ende jedes Rohrelements vorhanden ist. Das durch die Rohrleitung strömende heiße Medium kann daher in die Metall­ struktur eindringen. Da zur Vermeidung von Wärmespannungen in axialer Richtung sowie als Druckausgleichsöffnungen zwi­ schen benachbarten Rohrelementen jeweils ein Zwischenraum vorgesehen ist, hat das heiße Medium auch unmittelbaren Zu­ tritt zu dem Druckmantel. Hierdurch wird die Wirksamkeit der Isolierung beeinträchtigt. Die Abschlußbleche sind jeweils an dem Innen- und Außenmantel des betreffenden Rohrelements angeschweißt, so daß eine feste Verbindung zwischen den bei­ den Mänteln besteht. Dies hat zur Folge, daß infolge der un­ terschiedlichen Temperaturen und Wärmeausdehnungskoeffizien­ ten von Innen- und Außenmänteln Wärmespannungen auftreten. Auch die Metallstrukturen der Rohrelemente sind mit den In­ nen- und den Außenmänteln durch eine Schweißnaht verbunden. Über­ dies steht der Druckmantel über Umfangsschweißnähte in direk­ tem wärmeleitendem Kontakt mit den Außenmänteln der Rohrele­ mente.

Von diesem Stand der Technik ausgehend, ist es Aufgabe der Erfindung, bei einer thermisch isolierten Rohrleitung gemäß Oberbegriff Wärmespannungen zwischen den einzelnen Bauele­ menten zu vermeiden, ohne daß das heiße Gas direkten Zugang zu dem Druckmittel hat.

Diese Aufgabe wird bei einem Gegenstand nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 durch die Merkmale gemäß dem kennzeich­ nenden Teil gelöst.

Eine gemäß der Erfindung ausgestaltete thermisch isolierte Rohrleitung läßt sich mit besonderem Vorteil im Gasführungs­ system eines Hochtemperaturreaktors verwenden, insbesondere als Heißgasleitung, die den unterhalb des Reaktors gelegenen Heißgassammelraum mit anderen Komponenten des Kühlgaskreis­ laufs verbindet (beispielsweise mit einem Dampferzeuger, ei­ ner Gasturbine oder einem Röhrenspaltofen). Die Heißgaslei­ tung ist nicht nur einer hohen Temperatur und einem hohen Betriebsdruck, sondern auch einem großen Drucktransienten und einer hohen Strahlenbelastung ausgesetzt. Als Werkstoff für die thermische Isolierung einer solchen Gasleitung kommt daher nur Graphit in Betracht.

Bei den hohen Gastemperaturen (bis zu 850°C) treten große Wärmedehnungen im metallischen Druckmantel sowie in der ther­ mischen Isolierung auf. Diese dürfen nicht behindert werden, um das Entstehen von Spannungen in den genannten Bauteilen zu vermeiden. Insbesondere muß bei dem Abdichten der Fugen in der thermischen Isolierung auf die Wärmedehnungen Rück­ sicht genommen werden. Bei der Rohrleitung gemäß der Erfin­ dung ist dieses Problem dadurch gelöst, daß die graphiti­ schen Dichtungsringe durch die angebrachten Einschnitte über einen weiten Elastizitätsbereich verfügen. Das gute Funktio­ nieren der thermischen Isolierung ist daher nicht von der Temperatur abhängig.

Vorteilhafterweise können die Ringnuten für die Dichtungs­ ringe derart gestaltet sein, daß sie jeweils in eines der beiden aneinandergrenzenden Rohrelemente tiefer hineinragen. In diese Kammern ist je ein Dichtungsring eingelegt, dessen die Fugen überbrückender Teil keine Einschnitte aufweist. Eine solche Art der Fugenabdichtung ist bei hinreichender Elastizität stabil genug, um einen Druckentlastungsstör­ fall (d. h. ein plötzliches Absinken des Gasdruckes infol­ ge eines Störfalls) unbeschadet zu überstehen.

In vielen Anwendungsfällen für die erfindungsgemäße Rohr­ leitung kann es zweckmäßig sein, das die thermische Isolie­ rung bildende Graphitrohr doppelwandig auszuführen, wobei die Fugen des Innenrohres gegenüber den Fugen des Außenroh­ res versetzt angeordnet sind. Die Dichtungsringe sind in diesem Falle sowohl im Bereich der Fugen des Innenrohres als auch derjenigen des Außenrohres vorgesehen.

Es ist vorteilhaft, zwischen dem Innenrohr und dem Außenrohr der thermischen Isolierung Abstandhalter aus Graphit anzu­ ordnen, durch die sich die beiden Rohre gegenseitig abstüt­ zen können. Der so gebildete Ringraum ist mit ruhendem Gas der gleichen Art beaufschlagt, das durch die Rohrleitung strömt. Die gleichen Abstandhalter können auch zwischen dem Außenrohr der thermischen Isolierung und dem Druckmantel vorgesehen sein, wodurch ein zweiter Ringraum gebildet wird. Dieser ist eben­ falls mit ruhendem Gas gefüllt. Ein einwandig ausgebildetes Graphitrohr kann sich ebenfalls über Abstandhalter auf dem Druckmantel abstützen, und auch hier kann der Ringraum zwi­ schen Graphitrohr und Druckmantel mit ruhendem Gas beaufschlagt sein.

In dem erstgenannten Ringraum - also in dem zwischen Graphit- Innenrohr und Graphit-Außenrohr befindlichen Ringraum - ist vorteilhafterweise in unmittelbarer Nähe jeder Fuge des In­ nenrohres ein weiterer Dichtungsring aus Graphit angeordnet. Bei diesen Dichtungsringen sind die Einschnitte jedoch alter­ nierend in den beiden Stirnflächen der Dichtungsringe vorge­ sehen und verlaufen radial über die gesamte Stirnfläche. Ih­ re Tiefe beträgt weit mehr als die Hälfte der Breite jedes Dichtungsringes.

Der Druckmantel aus Metall ist mit elastischen Elementen aus­ gestattet, die einen Ausgleich bei Wärmedehnungen zulassen. Zweckmäßigerweise erstrecken sich diese Ausgleichselemente von dem Druckmantel in den Ringraum zwischen Druckmantel und Graphit-Außenrohr hinein. Die Graphitrohre können sich an den Fugen ausdehnen.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der erfindungs­ gemäßen Rohrleitung schematisch dargestellt, und zwar handelt es sich hier um eine koaxiale Gasführung, in der in dem inne­ ren Leitungsteil heißes Gas und in dem äußeren Leitungsteil kaltes Gas geführt wird.

Die Figuren zeigen im einzelnen:

Fig. 1 einen Ausschnitt aus der Rohrleitungswandung im Längsschnitt,

Fig. 2 einen einzelnen Dichtungsring im Längsschnitt in vergrößerter Darstellung,

Fig. 3a einen Dichtungsring eines anderen Typs, eben­ falls vergrößert dargestellt, im Einbauzustand,

Fig. 3b den gleichen Dichtungsring nach Beanspruchung durch Wärmedehnungen in der thermischen Isolie­ rung.

Die Fig. 1 läßt eine Rohrleitung 1 von großer Nennweite er­ kennen, die aus einem Druckmantel 2 aus Metall und einer in­ nerhalb des Druckmantels 2 angeordneten thermischen Isolie­ rung 3 besteht. Diese wird von einem doppelwandigen Graphit­ rohr mit dem Innenrohr 4 und dem Außenrohr 5 gebildet. Sowohl das Innenrohr 4 als auch das Außenrohr 5 sind aus einzelnen Rohrelementen 4 a bzw. 5 a zusammengesetzt, wobei zwischen je­ weils aneinandergrenzenden Rohrelementen Fugen 4 b bzw. 5 b ge­ lassen sind, um einen Dehnungsausgleich zu ermöglichen. Für den gleichen Zweck sind an dem Druckmantel 2 elastische Ele­ mente 6 vorgesehen. Die Fugen 4 b und 5 b sind gegeneinander versetzt.

Die Rohrleitung 1 ist in einem Kanal 7 mit kreisförmigem Quer­ schnitt angeordnet, der in einen Reaktordruckbehälter 9 aus Spannbeton eingearbeitet und mit einem metallischen Liner 8 ausgekleidet ist. Rohrleitung 1 und Kanal 7 bilden eine ko­ axiale Gasführung, wobei in dem Rohrleitungsinneren 10 von dem Kernreaktor kommendes heißes Gas (ca. 850°C) hohen Druckes strömt, beispielsweise Helium, und in dem Kanal 7 kaltes Gas zu dem Kernreaktor zurückgeführt wird.

Innenrohr 4 und Außenrohr 5 der thermischen Isolierung 3 stützen sich über Abstandhalter 11 aus Graphit aufeinander ab. Die Abstandhalter 11 sind in einem Ringraum 12 zwischen dem Innenrohr 4 und dem Außenrohr 5 angeordnet. In einem zwei­ ten Ringraum 14, der sich zwischen dem Außenrohr 5 der thermi­ schen Isolierung 3 und dem Druckmantel 2 befindet, sind wei­ tere Abstandhalter 13 aus Graphit vorgesehen, durch die sich das Graphitrohr an dem Druckmantel 2 abstützt. Der Ringraum 14 dient auch zur Aufnahme der elastischen Elemente 6 des Druck­ mantels 2. In den beiden Ringräumen 12 und 14 ist ruhendes Gas vorhanden.

Die Stirnflächen 15 der einzelnen Rohrelemente 4 a und 5 a wei­ sen je eine Ringnut 16 auf, wobei bei jedem Rohrelement 4 a bzw. 5 a die Ringnut 16 in deren einer Stirnfläche tiefer ein­ gearbeitet ist als in der anderen Stirnfläche. Die Ringnuten 16 zweier aneinandergrenzender Rohrelemente 4 a bzw. 5 a bilden je­ weils eine ringartige Kammer 17 (siehe Fig. 2), und in jeder die­ ser Kammern ist ein Dichtungsring 18 aus Graphit eingelegt, der die Kammer 17 (zumindest in deren Ringbreite) ganz aus­ füllt.

Wie die Fig. 2 zeigt, weisen die Dichtungsringe 18 eine An­ zahl von ringförmig verlaufenden Einschnitten 19 auf, die al­ ternierend in die Innenwandung 20 und die Außenwandung 21 der Dichtungsringe 18 eingearbeitet sind und die sich bis weit über die Wanddicke der Dichtungsringe 18 erstrecken. Der Teil 22 der Dichtungsringe 18, der jeweils eine Fuge 15 über­ brückt, ist nicht mit Einschnitten 19 versehen. Die Einschnit­ te 19 geben den Dichtungsringen 18 genügend Elastizität, so daß sie temperaturunabhängig sind. Durch den nicht einge­ scnittenen Teil 22 verfügen sie andererseits über hinrei­ chend Stabilität, um auch bei einem Druckentlastungsstör­ fall in dem Kernreaktor nicht zu Bruch zu gehen.

In dem Ringraum 12 befinden sich weitere Dichtungsringe 23 aus Graphit, die jeweils in der Nähe einer Fuge 4 b des In­ nenrohres 4 angeordnet sind. Sie unterteilen den Ringraum 12 in einzelne, gegeneinander abgedichtete Abschnitte. Sollte einer der Dichtungsringe 18 seine Dichtfunktion nicht mehr voll ausüben können, so kann das heiße Gas aus dem Rohrlei­ tungsinneren 10 nur in einen der Abschnitte eindringen, und die Isolierwirkung der thermischen Isolierung 3 bleibt fast ganz erhalten.

Die Dichtungsringe 23 verfügen ebenfalls über einen weiten Elastizitätsbereich, und zwar weisen auch sie eine Anzahl von Einschnitten 24 auf, wie in den Fig. 3a und 3b genauer dargestellt. Die Einschnitte 24 , die jeweils über den gesam­ ten Dichtungsring verteilt sind, befinden sich hier jedoch alternierend in den beiden Stirnflächen 25 und 26 jedes Dich­ tungsringes 23 und verlaufen radial durch diese hindurch. Ih­ re Tiefe beträgt mehr als die Hälfte der Breite jedes Dich­ tungsringes 23.

Aus der Gegenüberstellung der beiden Fig. 3a und 3b - die einen der Dichtungsringe 23 im Einbauzustand und bei Bean­ spruchung durch Wärmedehnungen in den Graphitrohrteilen 4, 5 zeigen - geht hervor, daß der Dichtungsring 23 um so elasti­ scher ist, je mehr Einschnitte 24 vorhanden sind und je grö­ ßer die Breite s der Einschnitte 24 ist.

Claims (6)

1. Thermisch isolierte Rohrleitung großer Nennweite, in der mit hoher Geschwindigkeit ein Gas hohen Druckes und hoher Temperatur strömt, vorzugsweise für den Einsatz als Heiß­ gasleitung in einem Hochtemperaturreaktor, bestehend aus einem Druckmantel aus Metall und der innerhalb des Druck­ mantels angeordneten thermischen Isolierung, die von ei­ nem aus einzelnen Rohrelementen zusammengesetzten Rohr aus hochtemperaturbeständigem Material gebildet wird, wo­ bei die Stirnflächen der einzelnen Rohrelemente profi­ liert sind, dadurch gekennzeichnet, daß

• a) die Stirnflächen (15 ) der aus Graphit bestehenden Rohrelemente (4 a, 5 a) mit einer Ringnut (16) ver­ sehen sind, daß
• b) die von den Ringnuten (16) zweier aneinandergren­ zender Rohrelemente (4 a bzw. 5 a) gebildete Kammer (17) von einem Dichtungsring (18) aus Graphit aus­ gefüllt ist, und daß
• c) die Dichtungsringe (18) in ihrer Innenwandung (20) und ihrer Außenwandung (21) alternierend eine Reihe von ringförmig verlaufenden Einschnitten (19) auf­ weisen, die sich bis weit über die halbe Wanddicke der Dichtungsringe (18) erstrecken.

2. Rohrleitung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ringnuten (16) für die Dichtungsringe (18) jeweils in eines der beiden aneinandergrenzenden Rohrelemente (4 a bzw. 5 a) tiefer hineinragen und der Teil (22) der Dichtungsringe (18), der jeweils die Fuge (4 b bzw. 5 b) überbrückt, keine Einschnitte (19) aufweist.

3. Rohrleitung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß das Graphitrohr doppelwandig ausgeführt ist, wobei die Fugen (4 b) des Innenrohres (4) gegenüber den Fugen (5 b) des Außenrohres (5) versetzt sind, und daß die Dichtungsringe (18) sowohl im Bereich der Fugen (4 b) des Innenrohres (4) als auch der Fugen (5 b) des Außenroh­ res (5) vorgesehen sind.

4. Rohrleitung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß Innenrohr (4) und Außenrohr (5) der thermischen Isolie­ rung (3) sich über Abstandhalter (11) aus Graphit auf­ einander abstützen und zwischen sich einen ersten Ring­ raum (12) bilden, daß gleichartige Abstandhalter (13) auch zwischen dem Außenrohr (5) und dem Druckmantel (2) vorgesehen sind, wodurch ein zweiter Ringraum (14) gebil­ det ist, und daß in beiden Ringräumen (12, 14) ruhendes Gas vorhanden ist.

5. Rohrleitung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß in dem ersten Ringraum (12) in unmittelbarer Nähe jeder Fuge (4 b) des Graphit-Innenrohres (4) ein weiterer Dich­ tungsring (23) aus Graphit angeordnet ist, dessen ein­ schnitte (24) alternierend in den beiden Stirnflächen (25, 26) des Dichtungsringes (23) vorgesehen sind und radial verlaufen, wobei ihre Tiefe weit mehr als die Hälfte der Breite des Dichtungsringes (23) beträgt.

6. Rohrleitung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Druckmantel (2) elastische Elemente (6) zum Dehnungs­ ausgleich aufweist, die sich in den zweiten Ringraum (14) hinein erstrecken.