DE2927977A1

DE2927977A1 - Waermeaustauscher

Info

Publication number: DE2927977A1
Application number: DE19792927977
Authority: DE
Inventors: Helmut Dipl Ing Lang; Peter Wollschlegel
Original assignee: BBC Brown Boveri France SA
Current assignee: BBC Brown Boveri France SA
Priority date: 1979-06-20
Filing date: 1979-07-11
Publication date: 1981-01-22
Also published as: CH640631A5; US4330034A

Description

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Wärmeaustauscher

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Wärmeaustauscher, dessen Rohre zu mindestens zwei horizontal angeordneten Bündeln zusammengefasst sind, wobei in den Rohren Heizdampf und um die Rohre ein aufzuheizendes Arbeitsmittel strömt, wobei die Rohrbündel vom Heizdampf in Serie durchströmt und vom Arbeitsmittel in Serie umströmt.sind, bei dem die einzelnen Bündel stromaufwärts mit einer Verteilkammer und stromabwärts mit einer entwässerbaren Sammelkammer^:verbunden sind und wobei ferner die einzelnen Rohrbündel unterschiedliche Wärmeaustauschflächen aufweisen, derart, dass der Heizdampfströmungsquerschnitt der Rohrbündel in Strömungsrichtung des Heizdampfes abnimmt.

Derartige dampfbeheizte Wärmeaustauscher, beispielsweise zur Ueberhitzung von Hochdruckturbinenabdämpf in nuklear beheiz-

1_5 ten Satt dampf-Turbinenanlagen, bei welchen zur Erzielung höchster Wärmedurchgangsraten und Betriebssicherheit der wärmeabgebende Heizdampf in mehreren Durchgängen kondensiert wird, sind bekannt (DE-OS 22 00 916). Bei jedem Durchgang wird dabei nur so viel Heizdampf kondensiert, dass., selbst für das am ungünstigsten angeordnete Rohr die Dampf-/Kondensatströmung am Rohrende keine Instabilitäten

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aufweist, die zu periodischen Schwankungen der Rohrwandtemperatur und damit zu Langzeit schaden an den Rohren oder der Verbindung Rohr/Rohrboden führen können. Das anfallende Kondensat wird aus dem in den nächsten Durchgang strömenden Heizdampf ausgeschieden, um weder den Wärmedurchgang zu schmälern, noch den Druckverlust bei der Durchströmung der Rohre des folgenden Durchganges anzuheben. Derartige Wärmetauscher können entweder aus Geradrohren oder aus U-Rohren bestehen, wobei letztere den Vorteil haben, dass die geringfügig unterschiedlichen thermischen Ausdehnungen der Rohre besser beherrscht werden können.

Zur gezielten Heizdampfdrosselung sind bereits Lochplatten vorgeschlagen worden, welche auf der Eintrittsseite jedes Rohrbündels montiert werden.

Die Nachteile derartiger Lochplatten bestehen darin, dass eine Dichtung zwischen den einzelnen Rohrreihen nicht erreicht wird, da die Raupen der Rohreinschweissungen unterschiedlich vorstehen. Es entstehen Undefinierte Bypässe. Weiterhin muss die Platte beweglich fixiert werden, da sonst unzulässig hohe thermische Spannungen entstehen. Die Platte ist ferner so gross, dass sie nach dem Aufschweissen der Dampfkammer nicht mehr ohne Zerstückelung daraus entfernt werden kann.

Weiterhin wurden bereits Rohrabschnitte, die in die Zwischen-Überhitzerrohre am Eintritt eingeführt werden, verwendet. In der Längehmitte ist der "Insert" geteilt und eine Lochblende ist eingeschweisst. ·

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Nachteilig bei dieser Anordnung ist, dass der Insert nicht mehr ohne weiteres entfernt werden kann, -wodurch eine In- -spektion der Rohrinnenseite praktisch verunmöglicht wird, und derartige Inserts sind teuer in der Herstellung.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Drosselanordnung für einen Wärmeaustauscher zu schaffen, durch '-- welche die Anzahl der Heizdampfdurchgänge ohne Beeinträchtigung der Betriebssicherheit verringert werden kann, und ■-. zwar durch -Anpassung der Heizdampfdurchströmrafe an die jeweilige thermische Belastung der Rohre. Weiterhin soildie Drossel einfach und billig herstellbar und leicht zu montieren und zu demontieren sein.

Die vorgenannte Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass an-, den Eintrittsöffnungen der vom Heizdampf / durchströmten Rohre Blenden mit verschiedenen Einlassquerschnitten so angeordnet sind, dass in jedem Rohrbündel die Einlassquerschnitte in Strömungsrichtung des aufzuheizen- " den Arbeitsmittels kleiner werden.

Durch das Vorschalten von Blenden kann die Heizdampfströmungsrate genau der thermischen Belastung (^T) des jeweiligen Rohres so angepasst werden, dass die Spüldampfrate aus dem Rohr gerade nur der minimal erforderlichen Durchsatzrate entspricht. Da die Gesamtdruckverluste für den Kondensationsvorgang sehr gering sind, ist der thermodynamische Verlust zufolge der Drosselung vernachlässigbar gering. Gleichzeitig wird dadurch eine Minimalisierung der Anzahl Heizdampfdurchgänge ohne Beeinträchtigung der Betriebssicherheit des Apparates durch Anpassung der Heizdampf-

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durchströmrate an die jeweilige thermische Belastung der Rohre erzielt.

Gemäss einer vorteilhaften Ausgestaltung des Erfindungsgegenstandes bestehen die Blenden aus einem geschlitzten zylindrisch ausgebildeten Blendenkörper mit einem mit der Blendenöffnung versehenen Kragen, dessen Aussendurchmesser grosser als die Rohreintrittsöffnung ist.

Weiterhin kann die Oberfläche des Blendenkörpers zur Vermeidung" von Strömungsablösungen an der Austrittskante konisch ausgebildet sein. Ferner kann an der Aussenoberfläche des Blendenkörpers eine an den Kragen anschliessende Hinterdrehung vorgesehen sein.

Durch die Anordnung der Blende vor dem Rohreintritt ist eine der Blende vorangehende Beruhigungsstrecke nicht mehr erforderlich, und bei der Auslegung des Wärmeaustauschers ist eine genauere Druckabfallrechnung, mit einer von der Dampfdurchstromgeschwindigkeit unabhängigen Durchflusszahl mögrr lieh. Die geschlitzte zylindrische Form der Blendenkörper erlaubt durch deren Eigenelastizität einen Ausgleich von thermischen Dehnungsdifferenzen. Ferner können die Blendenkörper, bedingt durch deren einfache Geometrie billig und präzise hergestellt werden. Auch können die erfindungsgemässen Blendenkörper einfach durch Einschlagen in die Rohreintrittsöffnungen montiert werden. Durch entsprechend einfache Demontage ist eine Inspektion der Rohrinnenseite und der Rohrverbindungsstelle mit dem Rohrboden ohne grossen vorangehen-• den Aufwand möglich. Ebenfalls erlaubt dieses Blendenprinzip eine schnelle Anpassung an geänderte Betriebsbedingungen,sofern

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zuviel oder zuwenig Spüldampf vorhanden sein sollte (Verfügbarkeit). ; :

In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes vereinfacht dargestellt. '

Es zeigt:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Blenderieinbaus, wobei die HeizdämpfStrömungsrate an die thermische - ■** -- Belastung der Rohre angepasst-ist'/ - _ . ■_■

Fig. 2 eine-schematische Darstellung der Wärmeaustauscher-ΙΟ -"- ■_ bündel mit eingesetzten 'Blenden-,

Fig. 3 einen Längsschnitt durch eine erfindungsgemässe Blende. ■ .

Gemäss Fig. 1 sind mit 1 die"Rohre eines als Ueberhitzer ausgebildeten Wärmeaustauschers 6 dargestellt, an deren Heizdampfeintrittsenden 2,.Blenden 3 mit verschieden grossen Blendenöffnungen 4 eingesetzt sind. Durch die Vorschaltung von Blenden 3 mit verschieden grossen Blendenöffnungen Jf können die schwächer belasteten Rohre entsprechend der in der Zeichnung dargestellten Länge der Pfeile 5, welche die HeizdampfStrömungsrate wiedergeben, der thermischen Belastung AT so angepasst werden, dass die Spüldampfrate aus jedem Rohr 1 gerade des minimal not-

wendigen entspricht»

In der Fig. 2 sind mit 1 wiederum die zu Bündeln zusammen-¹

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gefassten Rohre eines mit zwei Durchgängen versehenen Ueberhitzers 6 bezeichnet, welche eine Verteilkammer 7 mit Sammelkammern 8, 8' verbinden. In der Verteilkammer 7 ist ein Heizdampfeintritt 9 angeordnet und die Verteilkammer J ist von der Sammelkammer 8^T durch eine Trennwand 10 abgeteilt. Die Sammelkammern 8, 8' weisen je eine Kondensatabflussöffnung 11, 11', sowie die Sammelkammer 8' noch einen Spüldampfaustritt 12 auf. An den Eintrittsöffnungen der Rohre I₃ 1' sind die Blenden 3 angeordnet, welche an den schwächer belasteten Rohren einen kleineren Eintrittsquerschnitt aufweisen, als an den thermisch hochbelasteten Rohren.

Die in der Fig. 3 dargestellte Blende 3 ist vorzugsweise aus rostfreiem Stahl angefertigt und besteht aus einer geschlitzten zylindrischen Hülse 14, welche eintrittsseitig eine definierte Blendenöffnung 4 aufweist, wodurch in den einzelnen Rohren 1 ein entsprechender Druckabfall eingestellt werden kann. Die Blendenöffnung 4 wird von einem . Kragen 13 umschlossen, welcher über die zylindrische Hülse 14 des Blendenkörpers hinausragt. Die zylindrische Hülse 14 wird bis zu diesem Kragen 13 in das jeweilige Rohr eingeschoben. Vorzugsweise weist die zylindrische Hülse 14 einen etwas grösseren Durchmesser als der Rohrinnendurch-· messer des Zwischenüberhitzers auf. An der Hülse ist ein Schlitz 15 angeordnet, wodurch eine elastische Verformung der zylindrischen Hülse 14 beim Einschlagen in die Rohre 1,· 1' erfolgen kann und welcher ein Festklemmen der Blende 3 im Rohreinlauf bewirkt. Am Austrittsende der zylindrischen Hülse 14 ist eine facettenartige Abschrägung 16 vorgesehen, durch welche das Einsetzen in die Rohre 1, l^f vereinfacht

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und Beschädigungen deren Innenoberfläche vermieden werden. Am Aussenumfang der zylindrischen Hülse 14 ist hinter dem Kragen 13 eine Hinterdrehung 17 angebracht, wodurch gewährleistet wird, dass die Blende 3 nur mit der austrittssei-/tigen Hälfte im Rohreinlauf anliegt, so dass der_- erforderliche Pederweg ohne plastische Deformation gewährleistet ist. Die Blendenöffnung 4. mündet über eine plötzliche" Querschnitt serweiterung 18 in den inneren zylindrischen Teil der Hülse 14, welchem ein sich konischer· erweiternder Teil 19 ansehliesst. Dadurch wird eine Abreisskante am ~ Blendenäustritt vermieden, welche erosionsgefährdende Wirbel: generieren könnte. -

Die Wirkungsweise der erfindungsgemässen Blendenanordnung ist folgende: ■-■■_-

Die Temperaturdifferenz nimmt zwischen Heiz- und Arbeitsdampf in" der Strömungsrichtung des letzteren ab. Innerhalb eines Durchganges^ gibt es daher immer Röhre mit grosser und solche mit kleiner Temperaturdifferenz. Von der Tempe- _;raturdiff erenz ist auch die ausgetauschte Wärme abhängig, so dass in den Rohren mit grossem Δ.T mehr Heizdampf kondensieren kann als in solchen mit kleinem AT· Unter der Voraussetzung, dass der Heizdampf-Druckverlust, welcher für Rohre eines Rohrbündels gleich gross sein muss, proportional dem Heizdampfdurchsatz-ist j so lässt sich in den stärker belasteten Rohren mit grossem ^T gerade die minimal· notwendige Spüldampfrate einstellen, während in weniger belasteten Rohren wesentlich mehr unkondensierter Heizdampf wieder austritt, als zur Betriebssicherheit notwendig wäre.

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Auf seinem Wege durch die Rohre der Bündel I₉ 1' strömt der Heizdampf durch die Rohrbündel 1, 1' (in der Zeichnung) von oben nach unten. Der Arbeitsdampf strömt im Gegenstrom dazu um die Rohre der Bündel von unten nach oben, wie durch die Pfeile veranschaulicht ist. Durch das Gegenstromprinzip innerhalb eines Elementes trifft der kälteste Arbeitsdampf zuerst auf jenen Restteil des Heizdampfes, der am meisten mit nicht-kondensierbaren Gasen angereichert ist und den tiefsten Druck und damit die tiefste Temperatur aufweist.

Nichtkondensierter Dampf und nichtkondensierbare Gase werden 1?eim Spüldampf austritt 12 abgezogen.

In der beispielsweisen Darstellung der Fig. 2 ist ein mit zwei Durchgängen I₃ l^f versehener Ueberhitzer 6 gezeigt ₃ bei welchem durch den Heizdampfeintritt 9 Dampf in die "Verteilkammer 7 gelangt, von wo er in die einzelnen Rohre 1 gelangt. An den Eintrittsöffnungen der Rohre 1 sind die Blenden 3 angeordnet, und zwar derart, dass an den Rohreintritten der Rohre 1 mit der niedrigsten thermischen Belastung Blenden 3 mit einer kleinen Blendenöffnung 4 angeordnet sind, d.h. der Dampfdurchtritt durch diese Rohre wird kleiner, so dass auch die Menge des nichtkondensierten Dampfes

ist

geringer/ohne dass die Gefahr einer Blockierung des Dampfdurchflusses durch Kondensat besteht. Nach dem Durchströmen der Rohre 1 gelangt der Heizdampf in die Sammelkammer 8 und wird in den zweiten Durchgang des Ueberhitzers 6 gemäss den strichpunktierten Linien geleitet. Vor dem Eintritt in die Rohre 1' sind wiederum Blenden 3 mit an den einzelnen Rohren 1' verschieden grossen Blendenöffnungen angeordnet. Nach dem Durchströmen der Rohre l^f gelangt der verbleibende nichtkondensierte Heizdampf über die Sammelkammer 8' zum

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ORIGINAL INSPECTED

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Spül dampf au s tritt 12. Das in den Sammelkanmiern 8, 8^f angesammelte Kondensat wird durch die Kondensatabflussöffnungen H₃ 11' abgeführt.

Während der Heizdampf ₃ wie in der Zeichnung beispielsweise: dargestellt, die Rohre I₁ 1' des Ueberhitzers 6 in horizontaler Richtung durchströmt^ werden die Rohre 1', 1 in vertikaler Richtung (entsprechend durch Pfeile angedeutet) vom Arbeitsdampf umspült _s welcher dort aufgeheizt wird., d.h. Arbeitsdampf und Heizdampf strömen relativ zueinander im Kreuzgegenstrom·. - - -

Durch die Möglichkeit der Kontrolle der Heizdampfdurchströmung kann die Anzahl Durchgänge von üblicherweise 3 auf 2 reduziert werden. - :

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Claims

. - - .■ - Hw/dh

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Patentansprüche

[1.1 Wärmeaustauscher, dessen Rohre zu mindestens zwei horizontal angeordneten Bündeln zusammengefasst -sind, wobei in den Rohren Heizdampf und um die Rohre ein aufzuheizendes. Arbeitsmittel strömt, wobei die Rohrbündel vom Heizdampf " in Serie-durchströmt und vom Arbeitsmittel in Serie umströmt sind, bei dem die einzelnen Bündel stromaufwärts mit einer Verteilkammer und stromabwärts mit einer ent- . wässerbaren Sammelkammer verbunden sind und wobei ferner die einzelnen Rohrbündel unterschiedliche Wärmeaustäuschflächen aufweisen., derart, dasis der Heizdampf Strömungsquerschnitt der Rohrbündel "in Strömungsrichtung des Heizdampfes abnimmt, dadurch gekennzeichnet, dass an den Eintrittsöffnungen der vom Heizdampf durchströmten Rohre (1) Blenden (3) mit verschiedenen Einlassquerschnitten

(4) so angeordnet sind, dass in jedem Rohrbündel die Einlassquerschnitte (4) in Strömungsrichtung des aufzuheizenden Arbeitsmittels kleiner werden. · -
2." Wärmeaustauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Blenden (3) aus einem geschlitzten zylindrisch ausgebildeten Blendenkörper mit einem die Blendenöffnung (4) aufweisenden Kragen (13) bestehen, wobei der Aussen-

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durchmesser des Kragens grosser als der Rohrinnendurchmesser ist.
3. Wärmeaustauscher nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenoberfläche des Blendenkörpers (3) zur Vermeidung von Strömungsablösungen an der Austrittskante konisch ausgebildet ist.
4. Wärmeaustauscher nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass an der Aussenoberflache des Blendenkörpers (3) eine an-den Kragen (13) anschliessende Hinterdrehung (17) vorgesehen ist.

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