DE3436549C1

DE3436549C1 - Wärmeübertrager, insbesondere zum Kühlen von Gas aus einem Hochtemperaturreaktor

Info

Publication number: DE3436549C1
Application number: DE3436549A
Authority: DE
Inventors: Hans Rickenbach Attikon Fricker
Original assignee: Sulzer AG; Gebrueder Sulzer AG
Current assignee: Sulzer AG
Priority date: 1984-08-21
Filing date: 1984-10-05
Publication date: 1985-08-29
Also published as: ATE40744T1; EP0172363A3; JPS6162787A; CH665019A5; US4687052A; EP0172363A2; EP0172363B1

Description

Die Erfindung betrifft einen Wärmeübertrager, insbesondere zum Kühlen von Gas aus einem Hochtemperaturreaktor, mit in einem Druckbehälter angeordnetem Rohrbündel von in koaxialen Zylinderflächen schraubenlinienförmig gewundenen Rohren, die in einem Tragsystem gehalten sind, das aus zwei in axialer Richtung hintereinander angeordneten Gruppen von Tragplatten besteht, von denen jede Gruppe aus mindestens drei über den Umfang des Rohrbündels verteilt angeordneten Tragplatten besteht, durch die sich die Rohrwindungen erstrecken.

Ein Wärmeübertrager dieser Art ist aus der DE-PS 37 386 bekannt. Bei diesem Wärmeübertrager, der zum Kühlen von Gas sehr hoher Temperatur, z. B. 800° C, bestimmt ist, ist im Zentrum des Rohrbündels ein Rohr vorgesehen, an dem die Austrittsenden der Rohre des Rohrbündels angeschlossen sind. Dieses zentrale Rohr dient also zum Abführen des sekundären Kühlmittels, nachdem dieses die Rohre des Bündels durchströmt und dabei Wärme aus dem heißen Gas aufgenommen hat. Jede Gruppe von Tragplalten ist beim bekannten Wärmeübertrager über relativ dünnwandige Hülsen an dem zentralen Rohr befestigt, wodurch das Tragsystem in radialer Richtung elastisch ausgebildet werden soll. Die Tragplalten einer oberen Gruppe können sich dabei auf den fluchtenden Tragplatten der darunter befindlichen Gruppe abstützen, um die an den Tragplatten wirkenden Drehmomente zum großen Teil von den Hülsen fernzuhalten. Bei dem bekannten Wärmeübertrager, der sich im Betrieb an sich bewährt hat, ist nachteilig, daß es zur Befestigung der Tragplatten des zentralen Rohres bedarf. Außerdem eignet sich der Wärmeübertrager hauptsächlich für Rohrbündel, deren axiale Erstreckung nur so groß ist, daß die Wärmedehnungen in axialer Richtung nicht von gravierender Bedeutung sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Wärmeübertrager der eingangs genannten Art so zu verbessern, daß auf ein zentrales Rohr zur Befestigung der Tragplatten verzichtet werden kann und das Tragsystem zur Halterung von Rohrbündeln sehr großer axialer Länge geeignet ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zwischen den beiden Gruppen des Tragsystems eine von Tragplatten freie Dehnzone vorgesehen ist und die beiden Gruppen an ihren voneinander abgewendeten Enden im Druckbehälter abgestützt sind.

Durch die erfindungsgemäßc Dehnzone können auch die Wärmedehnungsprobleme von Rohrbündeln mit sehr großer axialer Erslrcckung beherrscht werden. Außerdem besteht kein Zwang, im Zentrum des Rohrbündels eine Rohrleitung zum Abführen des Sekundiirmcdiuins vorzusehen oder-die Austrittsenden der Rohre des Rohrbündels jedes für sich mittels eines Rohres durch einen zentralen Raum des Rohrbündels zur Eintrittsseite zurückzuführen. Man kann also die Austrittsenden des Rohrbündels direkt an dessen Austrittsende aus dem Druckbehälter herausführen, was konstruktiv weniger aufwendig ist als beim bekannten Wärmeübertrager.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der Zeichnung näher erläutert, die schematisch einen Längsschnitt durch einen vertikalen Wärmeübertrager zeigt.

Der Wärmeübertrager weist einen zylindrischen Druckbehälter 102 auf, der durch einen unteren, nach außen gewölbten Boden 100 abgeschlossen ist. Nahe dem unteren Ende des Druckbehälteis 102 ist ein Ciaseintrittsstutzen 103 vorgesehen, der mil einer nichl gezeigten Leitung verbunden ist, die heißes Heliumgas aus einem Hochtemperaturreaktor dem Behälter zuführt. An seinem oberen Ende weist der Behälter 102 einen nach unten gewölbten Deckel 104 mit einer zentralen Gasauslrittsöffnung 14 auf. Der Deckel 104 stützt sich auf einem umlaufenden, nach innen vorstehenden Rand 15 des Druckbehälters 102 ab und ist an diesem mittels nicht dargestellter Schrauben befestigt. Im Druckbehälter 102 ist ein Rohrbündel 105 untergebracht, das aus wasser- bzw. dampfführenden Rohren 106 besteht. Die Rohre sind über den größten Teil ihrer Länge nach Schraubenlinien gewunden und bilden mehrere koaxiale Rohrzylinder, die sich auch koaxial zum Behälter 102 befinden.

Nahe unterhalb des Deckels 104 weist der Druckbehälter 102 einen dessen Wand seitlich durchdringenden Wassereintrittsstutzen 109 auf, der sich innerhalb des Druckbehälters erweitert und in einer vertikalen, horizontale Bohrungen aufweisenden Rohrplatte 19 endet. In gleicher Weise ist zwischen dem unteren finde des Rohrbündels 105 und dem Boden 100 ein Dampfaustrittsstutzen 110 vorgesehen, der in einer vertikalen, horizontale Bohrungen aufweisenden Rohrplatte 11 endet.

Auf einem inneren, unterhalb des Wassereinlritlsslutzens 109 angeordneten horizontalen Flansch 12 des Druckbehälters 102 ist ein zylindrischer, zum Behälter ebenfalls koaxialer und das Rohrbündel 105 umgeben-

der Mantel 114 befestigt, der sich nach unten bis auf eine /wischen dem Gaseintrittsstutzen 103 und dem Dampfaustrittsstutzen 110 gelegenen Höhe erstreckt.

Ebenfalls koaxial zum Behälter 102 ist im Zentrum des Rohrbündels 105 ein zylindrischer, am oberen Ende geschlossener Verdrängungskörper 112 angeordnet, der millels eines vierarmigen Kreuzes 13 am oberen Ende des Mantels 114 befestigt ist und sich nach unten bis auf eine Höhe etwas oberhalb des Gaseintrittsstutzens 103 erstreckt. An jedem Arm des Kreuzes 13 ist eine sich vertikal nach unten und radial erstreckende Tragplatte 113 befestigt, wobei diese vier Tragplatten 113 zusammen eine erste Gruppe von zwei Gruppen eines Tragsystems für die Rohre 106 bilden. Der untere Rand der Tragplatten 113 verläuft von innen nach außen schräg abwärts, so daß sich außen eine größere Länge der Tragplattcn ergibt als innen. Im unteren Bereich des Rohrbündels 105 erstreckt sich in dessen Zentrum ein weiterer Verdrängungskörper 112', der an seinem unteren Ende geschlossen ist und dessen oberes Ende im Durchmesser abgesetzt ist und in das untere Ende des Verdrängungskörpers 112 ragt, so daß die beiden Enden ineinander gleiten können.

Am Verdrängungskörper 112' sind vier vertikale und Im Betrieb des Wärmeübertragers fließt durch den Gaseintrittsstutzen 103 heißes Helium mit einer Temperatur von ca. 700° C und einem Druck von etwa 65 bar in den Druckbehälter 102 und verteilt sich im Ringraum zwischen der Druckbehälterwand und dem Mantel 114. Das heiße Gas strömt ferner in die untere Umlenkzone 118 unterhalb des Mantels 114 und durchströmt dann den Raum zwischen dem Mantel 114 und den Verdrängungskörpern 112 und 112', wobei es an den Rohren 106 abgekühlt wird. Es entweicht — immer noch einen Druck von ca. 65 bar, aber eine Temperatur von nur noch 280°C aufweisend — durch die zentrale Öffnung 14 zu einem nicht gezeigten Gebläse. Die Kühlung des Heliumgases geschieht durch Wärmeübertragung an Wasser, das über den Wassereintrittsstutzen 109 mit einer Temperatur von ca. 200°C den Rohren 106 zuströmt. In den schraubenlinienförmig gewickelten Rohrabschnitten verdampft das Wasser und verläßt mit etwa 53O⁰C und 185 bar den Wärmeübertrager über den Dampfaustrittsstutzen 110, von wo aus der Dampf zum Zwecke der Stromerzeugung und/oder der Heizung verwendet wird.

Obwohl der Dampfaustrittsstutzen 110 im heißesten Bereich des Wärmeübertragers angeordnet ist, ist die

sich radial erstreckende Tragplatten 113' befestigt, die 25 Formgebung der Rohre 106 in der unteren Umlenkzone je mit einer der Tragplatten 113 der ersten Gruppe 118 relativ einfach, wobei die Rohre nur geringfügige fluchten. Die vier Tragplatten 113' bilden zusammen die
/weite Gruppe des Tragsystems. Der obere Rand der

Tragplattcn 113' der zweiten Gruppe verläuft horizontal.

Die Rohre 106 sind an der Rohrplatte 19 des Wassereinlrittsstul/.ens 109 angeschlossen und verteilen sich zunächst in einer oberen Umlcnkzonc 116 gleichmäßig um den Verdrängungskörper 112 herum. Sie bilden dann als schraubenlinienförmig gewundene Rohre bis J5 /um unteren Ende des weiteren Verdrängungskörpers 112' das Rohrbündel 105. Anschließend durchlaufen die Rohre 106 eine untere Umlenkzone 118 und enden an der Rohrplatte 11 des Dampfaustrittsstutzens 110. Durch die Formgebung der Rohre in der Umlenkzone 118, die die heißeste Zone des Wärmeübertragers bildet, können sich die in dieser Zone liegenden Rohrabschnitle unter dem Einfluß von Wärmedehnungen gut verformen. In ihrem schraubenlinienförmigen Verlauf erstrek-Dehnungen in radialer Richtung auszugleichen haben. Noch einfacher ist die Gestaltung der Rohre 106 in der oberen Umlenkzone 116. Durch die Befestigung der ersten Tragplattengruppe an deren oberen Ende und die Befestigung der zweiten Tragplattengruppc mittels der Laschen 130 am Boden 100 des Druckbehälters können sich beide Gruppen innerhalb der auslegungsmäßigcn Wärmedehnungen des Wärmeübertragers wegen der Dehnzone in axialer Richtung gegeneinander bewegen, ohne daß wesentliche Spannungen entstehen. Radiale Wärmedehnungen des Rohrbündels 105 in seinem heißesten Bereich sowie der ebenfalls im heißesten Bereich des Wärmeübertragers befindlichen Tragplatten 113' der zweiten Gruppe können dank der gelenkigen Befestigung der Laschenenden praktisch spannungsfrei aufgenommen werden.

Bei der Montage des Wärmeübertragers können zum Schutz der Rohre 106 und auch zur Vereinfachung der

ken sich die Rohre 106 durch Löcher in den Tragplatten 45 Arbeiten die beiden Tragplattengruppen und/oder die 113 und 113', wodurch sie sicher geführt und gehaltert beiden Verdrängungskörper 112 und 112' miteinander

werden. Zwischen den Tragplatten 113 der ersten Gruppe und den Tragplatten 113' der zweiten Gruppe ist eine Dehnzone 120 vorgesehen, die frei von Tragplatten ist und durch die sich also die Windungen der Rohre 106 wie Schraubenfedern und mit im wesentlichen gleicher Steigung wie in ihrem Verlauf durch die Tragplatten ungestützl erstrecken. Infolge des schräg abwärts verlaufenden unteren Randes der Tragplatten 113 weisen starr verbunden werden, z. B. mittels Zugankern.

Abweichend von dem beschriebenen Ausführungsbeispiel kann der Wärmeübertrager auch mit horizon-50 taler Achse oder in irgendeiner beliebigen Neigung angeordnet werden. Die Dehnzone 120 kann in einem höheren Bereich liegen. Die Ein- und/oder die Austrittsstutzen für das Kühlmedium und das zu kühlende Medium können anders als gezeichnet angeordnet sein. Die die nahe den Verdrängungskörper 112 und 112'befindli- 55 an die Dehnzone grenzenden Ränder der Tragplatten chen Rohre eine größere axiale Länge innerhalb der 113 und 113' können, je nach gewünschten Dehneigen-Dehnzonc 120 auf als die außenliegenden Rohre, so daß
eine bessere Übereinstimmung des Dehnverhaltens
zwischen den inneren Rohren mit kleinem Windungsradius und den äußeren Rohren mit größerem Windungs- 60
radius erreicht wird. Die Tragpiatten 113' der zweiten
Gruppe sind an ihrem unteren Rand mittels je einer
Lasche 130 am Boden 100 des Druckbehälters gelenkig

befestigt, so daß die vier Laschen 130 zusammen die zweite Tragplattengruppe tragen. Die Tragplatten 113' weisen keine Verbindung mit dem Mantel 114 auf, so daß die zweite Gruppe sich unabhängig vom Mantel 114 in axialer Richtung dehnen kann.

schäften der schraubenlinienförmig gewickelten Rohre in der Dehnzone, einen gegenüber dem gezeichneten unterschiedlichen Verlauf haben. Der Mantel 114 kann weggelassen werden oder z. B. als berührte Wand ausgebildet sein. Bei entsprechend hohen Temperaturen kann der Druckbehälter innen oder außen oder auf beiden Seiten, mindestens im heißen Bereich, isoliert werden. Es ist auch möglich, mindestens eine der Tragplattengruppen mit dem Mantel gleitbar zu verbinden. Dabei kann im Mantel 114 im Bereich jeder Tragplatte 113 mindestens ein axialer Führungsschlitz vorgesehen sein, in den ein an der zugehörigen Tragplatte befestigter

Gleitschuh geführt ist, dessen Länge in axialer*Richtung kleiner ist als die axiale Länge des Schlitzes, gemäß Patent CH-PS 6 13 274.

Die Anzahl der Tragplatten kann auch größer als vier sein, und die Anzahl in einer Gruppe kann gegenüber derjenigen in den anderen Gruppen verschieden sein.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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Claims

Patentansprüche:

1. Wärmeübertrager, insbesondere zum Kühlen von Gas aus einem Hochtemperaturreaktor, mit in einem Druckbehälter angeordneten Rohrbündel von in koaxialen Zylinderflächen schraubenlinienförmig gewundenen Rohren, die in einem Tragsystem gehalten sind, das aus zwei in axialer Richtung hintereinander angeordneten Gruppen von Tragplatten besteht, von denen jede Gruppe aus mindestens drei über den Umfang des Rohrbündels verteilt angeordneten Tragplatten besteht, durch die sich die Rohrwindungen erstrecken, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den beiden Gruppen des Tragsystems eine von Tragplatten freie Dehnzone vorgesehen ist und die beiden Gruppen an ihren voneinander abgewendeten Enden im Druckbehälter abgestützt sind.

■ 2. Wärmeübertrager nach Anspruch 1, mit einem im Zentrum des Rohrbündels angeordneten, rohrartigen Verdrängungskörper, dadurch gekennzeichnet, daß der Verdrängungskörper im Bereich der Dehnzone in zwei teleskopartig ineinander geführte Abschnitte unterteilt ist und die Tragplatien einer der beiden Gruppen an dem ihnen benachbarten Abschnitt befestigt sind.

3. Wärmeübertrager nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die axiale Erstreckung der Dehnzone — in radialer Richtung gesehen — von innen nach außen abnimmt.

4. Wärmeübertrager nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß für das die Rohre des Rohrbündels durchströmende Sekundärmedium im Bereich der beiden Enden des Rohrbündels ein die Wand des Druckbehälters seitlich durchdringender Eintritts- bzw. Austrittsstutzen vorgesehen ist.