DE3610314A1 - Schlangenrohrwaermeuebertrager - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Wärmeenergie­ technik, insbesondere auf einen vorwiegend vertikalen Schlangen­ rohrwärmeübertrager.

Am zweckmäßigsten ist die Erfindung in der Wärmeübertragungs­ ausrüstung von Atomenergieanlagen zu verwenden, wenn man die Gedrungenheit des Wärmeübertragers und die hohe Beengung so­ wie die hohen Kosten von Räumen zur Aufstellung von Atomkraft­ werksausrüstungen berücksichtigt.

Die Erfindung kann auf beliebigen Gebieten des Energie- und des Chemiemaschinenbaus angewendet werden.

In der modernen Wärmeübertragungstechnik, besonders in Schlangenrohrwärmeübertragern, existiert eine Reihe von Problemen, von deren Lösung die Erhöhung der Fertigungsgerecht­ heit und der Betriebssicherheit sowie die Verringerung der das Gewicht und die Abmessungen betreffenden Kennziffern dieser Ausrüstung abhängen.

Zur Zeit sind zur Herstellung einer mehrgängigen, mehrreihigen Spirale aus Rohren eine Fixierung der Rohrenden durch spezielle technologische Andrückvorrichtungen und eine Wärmebehandlung zur Beseitigung von bleibenden Spannungen notwendig, was die Ver­ wendung von neutralem Gas, hermetisch abgeschlossenen Behältern und Elektroöfen, d.h. einer teueren und sperrigen Ausrüstung erforderlich macht.

Bei der Arbeit eines Wärmeübertragers entsteht die Gefahr eines Undichtwerdens der Verbindungen der Schlangenrohre mit den Rohrböden unter der Wirkung des Gewichts der Schlangenrohre und der zusätzlichen Kräfte, die bei Temperaturdehnungen der Rohre entstehen, sowie bei der Einwirkung von seismischen Bean­ spruchungen.

Die Zu- und Abführung des Mediums des Zwischenrohrraumes über die Stutzen am Gehäuse eines fertigen Wärmeübertragers führen zu einer ungleichmäßigen Umspülung der Wärmeaustauschfläche, wodurch der Ausnutzungsfaktor derselben abnimmt, was eine Vergrößerung der das Gewicht und die Abmessungen betreffenden Kennziffern zur Folge hat.

Es sind Konstruktionen von Schlangenrohrübertragern bekannt, deren Wärmeaustauschfläche sich in einem hohlen Gehäuse befindet und in Form einer mehrreihigen und mehrgängigen Spirale aus Schlangenrohren gebildet ist, die um einen zylindrischen Dorn gewickelt und in Rohrböden mit ihren Enden befestigt ist, die von der Masse der mehrgängigen Spirale und von Temperatur­ dehnungen der Wärmeaustauschfläche herrührende Belastungen sowie eventuelle seismische Beanspruchungen aufnehmen (CSSR-Patent­ schrift Nr. 1 08 075).

Ein Nachteil dieser Konstruktion ist deren niedrige Zuverlässig­ keit, die durch die Gefahr eines Undichtwerdens der Verbindun­ gen der Schlangenrohrenden mit den Rohrböden unter der Wirkung der Masse der mehrgängigen Spirale, der zusätzlichen Kräfte, die bei Temperaturdehnungen der Schlangenrohre während der Arbeit des Wärmeübertragers und beim Auftreten von seismischen Be­ anspruchungen entstehen, bedingt ist.

Bekannt ist weiterhin ein Schlangenrohrwärmeübertrager, der ein hohles Gehäuse mit an seinen Enden befestigten Rohrböden enthält, in dessen Innerem ein zylindrischer Dorn unterge­ bracht ist, auf welchen Windungsreihen von Schlangenrohren aufgewickelt sind, deren Enden in Bohrungen der Rohrböden befestigt sind, die Belastungen aufnehmen, welche vom Gewicht der mehrgängigen Spirale, von Temperaturdehnungen der Wärmeaustauschfläche und eventuellen seismischen Beanspruchungen herrühren (UdSSR-Urheberschein Nr. 4 59 658, IPK F 28 D 7/02).

Dieser Wärmeübertrager besitzt auf einer Seite des Gehäuses an­ gebrachte Stutzen zum Ein- und Austritt des Mediums des Zwischenrohrraumes.

Zu den Nachteilen dieser Konstruktion gehören ebenfalls deren niedrige Zuverlässigkeit wegen der Gefahr eines Undichtwerdens der Verbindungen der Schlangenrohrenden mit den Rohrböden unter der Wirkung der Masse der Schlangenrohre und der zusätzlichen Kräfte, die bei Temperaturdehnungen der Rohre während der Ar­ beit des Wärmeübertragers und beim Auftreten von seismischen Beanspruchungen entstehen, eine Verringerung des Ausnutzungs­ faktors der Wärmeaustauschfläche wegen einer ungleichmäßigen Zu- und Abführung des Mediums im Zwischenrohrraum sowie offen­ sichtliche Schwierigkeiten bei der Herstellung des Wärmeüber­ tragers unter der unbedingten Voraussetzung des Vorhandenseins einer speziellen Ausrüstung zur Wärmebehandlung der Rohr­ schlangenoberfläche, was die Arbeitsintensität erhöht und den Herstellungszyklus des Wärmeübertragers beträchtlich ver­ größert.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Wärmeübertrager zu schaffen, bei welchem dank konstruktiver Besonderheiten die Fertigungsgerechtheit und Betriebssicherheit desselben bei verringerten Kennziffern in bezug auf Gewicht und Abmessungen erhöht werden.

Das Wesen der Erfindung besteht darin, daß im Schlangenrohr­ wärmeübertrager, der ein hohles Gehäuse mit an seinen Enden befestigten Rohrböden enthält, in dessen Innerem ein zylin­ drischer Dorn untergebracht ist, auf welchen Windungsreihen von Schlangenrohren gewickelt sind, deren Enden in Bohrungen der Rohrböden befestigt sind, erfindungsgemäß innerhalb des Gehäuses an einem Ende eine erste und am anderen Ende eine zweite Stützplatte angebracht sind, die mit dem Dorn verbunden und mittels ihrer Peripherie an dem Gehäuse in einem gewissen Abstand von den Rohrböden starr befestigt sind, derart, daß dazwischen ein Raum gebildet ist, wobei die Stützplatten Bohrungen, durch welche die Enden der Schlangenrohre hin­ durchgeführt sind, sowie Bohrungen zum Durchtritt eines Fluidums aufweisen.

Eine solche Ausführung des Schlangenrohrwärmeübertragers gestattet es, das Fluidum solcherweise umzuverteilen, daß es in den Zwischenrohrraum gleichmäßig eintritt und die Windungen der Rohrschlangenoberfläche umspült, wobei die Entstehung von nichtumspülten Abschnitten ausgeschlossen wird, wodurch eine maximale Ausnutzung der Oberfläche während des Wärme­ übertragungsprozesses erreicht wird. Dies gibt die Möglichkeit, eine Konstruktion mit verbesserten, das Gewicht und die Abmessungen betreffenden Kennziffern des Wärmeübertragers zu schaffen.

Es ist vorteilhaft, daß bei dem Schlangenrohrwärmeübertrager eine der Stützplatten zusammengesetzt aus konzentrischen Ringelementen ausgeführt ist, bei denen die Zahl benachbarter Paare der Anzahl der Reihen der Schlangenrohre gleich ist, und die Bohrungen, durch welche die Schlangenrohrenden hin­ durchragen, sind durch sich gegenüberliegend angebrachte Halbbohrungen gebildet, welche an der äußeren und der inneren Peripherieoberfläche der benachbarten Ringelemente eingearbeitet sind.

Diese Ausführung eine der Stützplatten erlaubt es, die Herstellungstechnologie der Schlangenrohroberfläche dank der Möglichkeit zu verbessern, eine jede Reihe mit nachfolgendem Festhalten der Schlangenrohrenden durch jedes Paar der Halb­ bohrungen, die in den benachbarten Ringelementen sich gegen­ überliegend angebracht sind, aufzuwickeln.

Es ist wünschenswert, mindestens in einer der Stützplatten Bohrungen auszuführen, in denen mit ihren einen Enden Anschläge starr befestigt sind, deren andere Enden mit den Windungen der Schlangenrohre kontaktieren.

Eine solche Ausführung des Wärmeübertragers bietet die Möglichkeit, die Belastungen von den Windungen der Wärme­ austauschfläche über die Anschläge und die starr mit ihnen verbundenen Stützplatten auf das Gehäuse umzuverteilen, das mit der Peripherie der Stützplatten verbunden ist, wodurch die Verbindung der Schlangenrohrenden mit den Rohrböden von der Wirkung der Masse der Schlangenrohre und der zusätzlichen Kräfte, die bei Temperaturdehnungen der Rohre und beim Auftreten von seismischen Beanspruchungen entstehen, entlastet wird, weshalb die Funktionssicherheit des Wärmeübertragers während seiner Betriebszeit erhöht wird.

Im folgenden wird die Erfindung durch eingehende Beschreibung eines konkreten Ausführungsbeispiels unter Hinweis auf Zeichnungen erläutert, in denen zeigt

Fig. 1 die Gesamtansicht des erfindungsgemäßen Schlangen­ rohrwärmeübertragers mit teilweisen Längsschnitten;

Fig. 2 eine erste Stützplatte;

Fig. 3 eine zweite, zusammengesetzte Stützplatte;

Fig. 4 die Einzelheit A in Fig. 3 - eine Bohrung für das Schlangenrohr in den Ringelementen der zusammen­ gesetzten Stützplatte (ohne das durch die Bohrung hindurchgeführte Rohr);

Fig. 5 die Einzelheit B in Fig. 1 - einen Anschlag in der ersten Stützplatte.

Der erfindungsgemäße Schlangenrohrwärmeübertrager enthält ein Gehäuse 1 (Fig. 1), in dem ein zylindrischer Dorn 2 mit Windungsreihen von Schlangenrohren 3 untergebracht ist, deren Enden 4, 5 in Bohrungen 6, 7 von Rohrböden 8, 9 befestigt sind, welche mit dem Gehäuse 1 durch jeweilige Schweißver­ bindungen 10, 11 verbunden sind.

An einem Ende des Gehäuses 1 ist eine erste Stützplatte 12 und am anderen eine zweite Stützplatte 13 angebracht, die mit dem Dorn 2 verbunden und mittels ihrer Peripherie am Gehäuse 1 in einem gewissen Abstand von den Rohrböden 8, 9 derart starr befestigt sind, daß zwischen den Stützplatten 12, 13 und den Rohrböden 8, 9 jeweils ein Raum 14, 15 gebildet ist.

Die Stützplatten 12, 13 weisen jeweils Bohrungen 16, 17 auf, die mit den Bohrungen 6, 7 in den jeweiligen Rohrböden 8, 9 gleichachsig sind, durch welche die Enden 4, 5 der Schlangen­ rohre 3 hindurchgehen, sowie Bohrungen 18 (Fig. 2), 19 (Fig. 3) jeweils für den Durchtritt eines Fluidums.

Diese Ausführung des Schlangenrohrwärmeübertragers erlaubt es, das Fluidum in solcher Weise umzuverteilen, daß es über den Stutzen 20 (Fig. 1) den Raum 14 ausfüllt und nach Passieren der in der ersten Stützplatte 12 (Fig. 1) ausgeführten Boh­ rungen 18 (Fig. 2) gleichmäßig in den Raum zwischen den Windungsreihen der Schlangenrohre 3 einströmt, indem es die Entstehung von nichtumspülten Abschnitten ausschließt, wo­ durch eine maximale Ausnutzung der Oberfläche während des Wärmeübertragungsprozesses erreicht wird, worauf das Fluidum die Bohrungen 19 (Fig. 3) in der zweiten Stützplatte 13 passiert und in den Raum 15 (Fig. 1) gelangt und alsdann in einen Stutzen 21 austritt.

Die zweite Stützplatte 13 ist zusammengesetzt aus konzentrischen Ringelementen 22, 23, 24, 25, 26, 27 (Fig. 3) ausgeführt, bei denen die Zahl benachbarter Paare (22, 23; 23, 24; 24, 25; 25, 26; 26, 27) der Anzahl der Reihen der Schlangenrohre gleich ist, und die Bohrungen 17, durch welche die Enden 5 der Schlangenrohre 3 hindurchragen, sind durch sich gegenüber­ liegend angebrachte Halbbohrungen 28, 29 (Fig. 4) gebildet, welche an der äußeren 30 und der inneren Peripherieober­ fläche 31 der jeweiligen benachbarten Ringelemente, z. B. 23, 24, eingearbeitet sind.

Diese Ausführung einer der Stützplatten gestattet es, die Herstellungstechnologie der Rohrschlangenoberfläche dank der Möglichkeit zu verbessern, eine jede Reihe mit nachfolgendem Festhalten der Enden 5 der Schlangenrohre 3 durch jedes Paar der Halbbohrungen aufzuwickeln.

In mindestens einer der Stützplatten, beispielsweise in der Stützplatte 12, sind Bohrungen 32 (Fig. 2, 5) ausgeführt, in denen mit ihren Enden Anschläge 33 starr befestigt sind, deren andere Enden mit den Windungen der Schlangenrohre 3 (Fig. 5) kontaktieren.

Hierbei sind mehrere Varianten der Verwendung der Anschläge 33 möglich.

Bei einer beträchtlichen Masse der Windungen der Schlangen­ rohre 3 (Fig. 1) und bei fehlenden seismischen Beanspruchungen werden die Anschläge 33 in der unteren Stützplatte 13 einge­ setzt.

Bei einer beträchtlichen Masse der Windungen der Schlangen­ rohre 3 und bei Einwirkung von seismischen Beanspruchungen werden die Anschläge 33 in beiden Stützplatten 12 und 13 ein­ gesetzt.

Bei einer geringen Masse der Windungen der Schlangenrohre 3 (z. B. bei einer kleinen Anzahl der Reihen) und bei Einwir­ kung von seismischen Beanspruchungen kann man die Anschläge 33 nur in der oberen Stützplatte 12 einsetzen.

Diese Ausführung des Wärmeübertragers gestattet es, die Belastung von den Windungen der Schlangenrohre 3 über die Anschläge 33 und die fest mit ihnen verbundenen Stützplatten (zumindest eine Platte, beispielsweise 12) auf das Gehäuse 1 umzuverteilen, das mit der Peripherie der Stützplatten ver­ bunden ist.

Dadurch wird die Verbindung der Enden 4, 5 der Schlangenrohre 3 mit den jeweiligen Rohrböden 8, 9 von der Wirkung der Masse der Schlangenrohre 3 und von zusätzlichen Kräften, die bei Temperaturdehnungen der Rohre und bei der Einwirkung von seismischen Beanspruchungen entstehen, entlastet. Infolgedessen steigt die Funktionssicherheit des Wärmeüber­ tragers während der Betriebszeit.

An den Rohrböden 8, 9 sind mittels Schweißverbindungen 34, 35 Deckel 36, 37 mit Stutzen 38, 39 angeschlossen, welche jeweils Kammern 40, 41 für den Ein- und Austritt des Wärmeübertragungsmediums aus dem Zwischenrohrraum bilden.

Durch Pfeile in Fig. 1 ist die Richtung der Bewegung des Wärmeübertragungsmediums durch den Rohrinnenraum über die Stutzen 39, 38 und durch den Zwischenrohrraum über die Stutzen 20, 21 angedeutet.

Claims (3)

1. Schlangenrohrwärmeübertrager, der ein hohles Ge­ häuse (1) mit an seinen Enden befestigten Rohrböden (8, 9) enthält, in dessen Innerem ein zylindrischer Dorn (2) untergebracht ist, auf welchen Windungsreihen von Schlan­ genrohren (3) gewickelt sind, deren Enden (4, 5) in Bohrungen (6, 7) der Rohrböden (8, 9) befestigt sind, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb des Gehäuses (1) an einem Ende eine erste Stützplatte (12) und am anderen Ende eine zweite Stützplatte (13) ange­ bracht ist, die jeweils mit dem Dorn (2) verbunden und mittels ihrer Peripherie am Gehäuse (1) in einem gewissen Abstand von den Rohrböden (8, 9) starr befestigt sind, derart, daß da­ zwischen ein Raum (14, 15) gebildet ist, wobei die Stütz­ platten (12, 13) Bohrungen (16, 17), durch welche die Enden (4, 5) der Schlangenrohre (3) hindurchgeführt sind, sowie Bohrungen (18, 19) zum Durchtritt eines Fluidums aufweisen.

2. Schlangenrohrwärmeübertrager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine der Stützplatten (13) zusammengesetzt aus konzentrischen Ringelementen (22, 23, 24, 25, 26, 27) ausgeführt ist, bei denen die Zahl benachbarter Paare der Anzahl der Reihen der Schlangenrohre (3) gleich ist, und die Bohrungen (17) für die Enden (5) der Schlangenrohre (3) durch sich gegenüberliegend ange­ brachte Halbbohrungen (29, 28) gebildet sind, welche an der äußeren und der inneren Peripherieoberflächen (31, 30) jeweils benachbarter Ringelemente (24, 23) eingearbeitet sind.

3. Schlangenrohrwärmeübertrager nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens in einer der Stützplatten (12) Bohrungen (32) ausgeführt sind, in denen mit ihren einen Enden Anschläge (33) starr befestigt sind, deren andere Enden mit den Windungen der Schlangenrohre (3) kontaktieren.