EP0171558B1

EP0171558B1 - Wärmeübertrager

Info

Publication number: EP0171558B1
Application number: EP85107952A
Authority: EP
Inventors: Georg Hirschle
Original assignee: Gebrueder Sulzer AG
Current assignee: Sulzer AG
Priority date: 1984-08-15
Filing date: 1985-06-27
Publication date: 1989-08-30
Also published as: EP0171558A3; DE3572722D1; JPS6159189A; EP0171558A2; ATE46031T1; CH665020A5; US4784219A

Description

. Die Erfindung betrifft einen Wärmeübertrager gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Aus der CH-PS 613 274 ist ein solcher Wärmeübertrager bekannt, in dem ein heisses Gas - z. B. Helium - von in den Kühlrohren zirkulierendem Wasser gekühlt wird, das dabei verdampft. Bei relativ niedrigen Gastemperaturen, z. B. 600 bis 700 °C, weist dieser Wärmeübertrager keine besonderen Probleme auf. Bei höheren Gastemperaturen jedoch, z. B. 900 °C, und vor allem bei grossem Durchmesser des Gaszuges, z. B. mehr als 3,5 m, wie sie z. B. bei Wärmeübertragem zur Kühlung von Helium aus einem Hochtemperaturreaktor vorkommen, treten beim Durchströmen des Spaltkanals beachtliche, sogenannte Spaltverluste auf. Ursache dafür ist die beim Uebergang zur höheren Betriebstemperatur grössere radiale Wärmedehnung des zylindrischen Gaszuges gegenüber der radialen Wärmedehnung des Kühlrohrbündels, wodurch der Spaltkanal eine unverhältnismässig grosse Querschnittszunahme aufweist, so dass dann eine beträchtliche, ungenügend gekühlte Gasmenge durch den Spaltkanal strömt. Zusätzlich entsteht - über den Umfang des Spaltkanals gesehen - infolge unvermeidlicher Herstellungsungenauigkeiten des Wärmeübertragers eine schlechte Gasverteilung im Spaltkanal, wodurch heisse Gassträhnen im Austrittsbereich des Wärmeübertragers gebildet werden. Wegen der hohen Temperaturen vollziehen sich Wärmeübertragungsvorgänge so intensiv, dass in kürzester Zeit wesentliche Uebertemperaturen und damit zusammenhängende Festigkeitsverminderungen sowie Wärmespannungen bzw. Verformungen auftreten können. Somit können die Spaltverluste unter Umständen die Anwendbarkeit des bekannten Wärmeübertragers für hohe Temperaturen in Frage stellen.
Die bisherigen Versuche, das Problem der Spaltverluste zu lösen, sind davon ausgegangen, den Gasstrom im Spaltkanal einzudämmen, z. B. mittels Füllkörpern, quer zum Gasstrom gestellten, in das Rohrbündel ragenden Rippen und dgl. Solche Massnahmen sind jedoch bei hohen Temperaturen nicht anwendbar, da sie wegen der Materialanhäufungen zu Uebertemperaturen im Bereich des Spaltkanals führen. Darüber hinaus ergibt sich ein thermodynamisch sehr komplexes Verhalten, das sowohl rechnerisch als auch versuchsmässig schwer erfassbar ist.
Es ist Aufgabe der Erfindung, den Wärmeübertrager der eingangs genannten Gattung auf einfache und kostengünstige Weise unter Vermeidung von Uebertemperaturen und Spaltverlusten für die höhere Betriebstemperatur von beispielsweise 900 °C und für grosse Durchmesser verwendbar zu machen.
Eine Lösung dieser Aufgabe erfolgt erfindungsgemäss durch die Merkmale des Kennzeichens des Anspruchs 1, eine andere Lösung durch die Merkmale des Kennzeichens des Anspruchs 4. Sowohl durch den Schlitz im Gaszug als auch durch die Befestigung der äusseren Rohre am Gaszug wird bei Temperaturzunahme des Gases ein Aufweiten des Spaltkanals verhindert, so dass durch direkte Einwirkung die Spaltverluste auf einfache und sichere Weise vermieden werden. Damit können keine Uebertemperaturen mehr auftreten. Wegen des Verzichts auf ein Eindämmen des Gasstroms im Spaltkanal, wird das Verhalten des erfindungsgemässen Wärmeübertragers rechnerisch besonders gut erfassbar.
Einige Ausführungsbeispiele der Erfindung werden in der folgenden Beschreibung anhand der Zeichnung näher erläutert und ihre Vorteile deutlicher hervorgehoben. Es zeigen :

Fig. 1 einen schematischen Längsschnitt durch einen intern bekannten, vertikal angeordneten Wärmeübertrager zur Kühlung von Helium aus einem Hochtemperaturreaktor,
Fig. 2 eine Draufsicht auf das Detail A der Fig. 1 bei einem nach der Erfindung ausgebildeten Wärmeübertrager, in grösserem Massstab als Fig. 1,
Fig. 3 einen Schnitt nach der Ebene 111-111 in Fig. 2, jedoch in kleinerem Massstab als Fig. 2,
Fig. 4 eine Draufsicht des Details A der Fig. 1 bei einer anderen Ausführungsform der Erfindung, in vergrössertem Massstab und
Fig. 5 einen Schnitt nach der Ebene IV-IV in Fig. 5.

Der bekannte Wärmeübertrager nach Fig. 1 weist einen zylindrischen Druckbehälter 2 auf, der durch einen unteren, nach aussen gewölbten Boden geschlossen ist. Nahe dem unteren Ende des Druckbehälters 2 ist ein Gaseintrittsstutzen 3 vorgesehen, über den heisses Heliumgas aus einem nicht gezeigten Hochtemperaturreaktor zugeführt wird. In seinem oberen Bereich ist der Behälter 2 mit einem nach unten gewölbten, eine zentrale Oeffnung aufweisenden Gasaustrittsdeckel 4 versehen,. der sich auf einem in das Innere des Druckbehälters 2 vorstehenden Rand 15 abstützt und an diesem mittels nicht gezeichneter Schrauben befestigt ist. In der unteren Partie des Druckbehälters 2 ist ein Rohrbündel 5 angeordnet, das aus ca. 500 wasser- bzw. dampfführenden Kühlrohren besteht. Die Kühlrohre sind über den grössten Teil ihrer Länge nach Schraubenlinien gebogen, wobei die Rohre des äussersten Rohrzylinders des Rohrbündels 5 mit'" 7 und die übrigen Rohre des Rohrbündels mit 6 bezeichnet sind.
Nahe unterhalb des Gasaustrittsdeckels 4 weist der Druckbehälter 2 einen Dampfaustrittsstutzen 10 und unterhalb von diesem einen Wassereintrittsstutzen 9 auf. Beide Stutzen erweitern sich innerhalb des Druckbehälters 2 und enden in je einer vertikalen, horizontale Bohrungen aufweisenden Rohrplatte 10' bzw. 9'. Im Innern des Druckbehälters 2 ist an dem Dampfaustrittsstutzen 10 ein im wesentlichen C-förmiger Rohrkasten 11 befestigt, an dem sich ein Zentralrohr 12 koaxial zum Druckbehälter 2 anschliesst, das bis unterhalb des Gaseintrittsstutzens 3 reicht.
Die Kühlrohre 6 und 7 sind mit ihren einen Enden an der Rohrplatte 9' des Wassereintrittsstutzens 9 angeschlossen und mit ihren anderen Enden an der Rohrplatte 10' des Dampfaustrittsstutzens 10. Sie verteilen sich, von der Rohrplatte 9' ausgehend, zunächst gleichmässig um das Zentralrohr 12 herum und gehen dann konzentrisch zum Zentralrohr 12 in die schraubenlinienförmige Gestalt über. Unterhalb des Gaseintrittsstutzens 3 sind sie zum Zentralrohr 12 hin umgebogen und durchstossen eine in das Zentralrohr unten dicht eingesetzte, horizontale Abschlussplatte 12'. Die an der Durchstossstelle dicht eingeschweissten Kühlrohre 6, 7 erstrecken sich dann vertikal innerhalb des Zentralrohres 12 nach oben, verlaufen innerhalb des Rohrkastens 11 etwa C-förmig gebogen bis zur Rohrplatte 10'. Im Bereich ihres schraubenlinienförmigen Verlaufes sind die Kühlrohre 6, 7 in acht gleichmässig über den Umfang des Rohrbündels 5 verteilten Tragplatten 13 eingeschraubt, die am Zentralrohr 12 befestigt sind.
Auf einem inneren, unterhalb des Wassereintrittsstutzens 9 angeordneten, horizontalen Flansch 2' des Druckbehälters 2 ruht ein zylindrischer, zum Behälter 2 koaxialer und das Rohrbündel 5 umgebender Mantel 14, der den Gaszug bildet und sich bis unterhalb der Kühlrohre 6, 7 erstreckt. Die Innenseite des Mantels 14 und ein theoretischer vertikaler Zylinder, auf dem die Achsen der schraubenlinienförmig gebogenen, äusseren Kühlrohre 7 liegen, definieren einen ringförmigen Spaltkanal 8 mit einer Spaltbreite d. Ein Innenflansc_h 14' nahe dem unteren Ende des Mantels 14 führt die Kühlrohre 6, 7 in ihrem Verlauf zwischen den Tragplatten 13 und der Abschlussplatte 12'. Innerhalb des Zentralrohres 12 und des Rohrkastens 11 sind mehrere, nicht gezeigte Lochplatten angeordnet, die zum seitlichen Abstützen der Kühlrohre dienen.
Der Wärmeübertrager nach Fig. 1 funktioniert wie folgt : Durch den Gaseintrittsstutzen 3 fliesst heisses Helium mit ca. 700 °C und einem Druck von etwa 65 bar in den Druckbehälter 2, wo es sich in dem Ringraum zwischen dem Druckbehälter und dem Mantel 14 verteilt. Es strömt in dem Zwischenraum abwärts und fliesst dann innerhalb des Mantels 14 durch das Rohrbündel 5 nach oben und verlässt den Wärmeübertrager - immer noch einen Druck von ca. 65 bar, aber eine Temperatur von nur noch 280 °C aufweisend - über die zentrale Oeffnung des Gasaustrittsdeckels 4. Das zur Kühlung des Heliumgases dienende Wasser tritt über den Wassereintrittsstutzen 9 mit ca. 200 °C in die Kühlrohre 6, 7 ein, durchströmt deren schraubenlinienförmig gewickelten Abschnitte, wobei es verdampft und verlässt als Dampf mit etwa 530 °C und 185 bar den Dampfaustrittsstutzen 10.
Bei steigender Temperatur des Heliums auf eine Betriebstemperatur von 900 °C nimmt infolge Wärmedehnung des Mantels 14 und des Rohrbündels 5 die Breite d des SpaLtkanals 8 um einen bestimmten Betrag zu, wobei - wie bereits oben beschrieben - die durch den Spaltkanal 8 fliessende Heliumgasmenge unverhältnismässig stärker zunimmt als die Spaltbreite. So kann eine Zunahme der Spaltbreite von 5 mm die effektive Gasdurchflussmenge durch den Spaltkanal 8 um etwa 30 % anwachsen lassen. Entsprechend stark nimmt auch die Temperatur des Heliumgases im Spaltkanal 8 zu, da die von der vergrösserten Gasdurchflussmenge zusätzlich mitgeführte Wärmemenge nicht ohne weiteres von den äusseren Kühlrohren 7 abgenommen werden kann. Bei der angenommenen Zunahme von 5 mm beträgt die Temperaturzunahme schon mehr als 20 °C.
Infolge von unvermeidlichen Herstellungsungenauigkeiten hinsichtlich der Form und der Abmessung des Gaszuges kann zusätzlich innerhalb des Spaltkanals 8 noch eine ungleichmässige Massenstrom- und Temperaturverteilung auftreten, die dann zu den bereits erwähnten heissen Gassträhnen führt.
Gemäss Fig. 2 und 3 weist der Mantel 14 acht über seinen Umfang verteilte, vertikale Schlitze auf, von denen Fig. 2 zwei zeigt. Im Bereich jedes Schlitzes ist der Mantel - parallel zum Schlitz - nach aussen gekröpft. Jeweils die beiden Stirnflächen 24" der so gebildeten Kröpfungen 24' begrenzen einen Schlitz. Je zwei benachbarte Kröpfungen 24' sind zwischen zwei Blechstreifen 20 gleitbar geführt, die mittels den Schlitz radial durchdringenden Stiften 21 zusammengehalten werden. Jeder Stift 21 ist von einer Distanzhülse 22 umgeben, die den gegenseitigen Abstand zweier Blechstreifen 20 bestimmt. Die auf den Blechstreifen 20 gleitenden Flächen der Kröpfungen 24' sind mit einem gute Gleiteigenschaften aufweisenden Material beschichtet. Die Stifte 21 sind mit den Blechstreifen 20 durch Schweissen verbunden. Um den Mantel 14 herum verlaufen über die vertikale Länge der Schlitze gleichmässig verteilte Spannkabel 25, die sich auf dem Mantel 14 über Würfel 27 abstützen und deren Enden mittels Spannhülsen 26 miteinander verbunden sind. Die Spannkabel 25 bestehen aus einem Werkstoff, der in Umfangsrichtung des Mantels eine kleinere Wärmedehnung aufweist als der des Mantels 14; sie bewirken somit, dass bei zunehmender Temperatur des Heliumgases die Kröpfungen 24' zwischen den Blechstreifen 20 paarweise tangential gegeneinander gleiten, wobei der Durchmesser des Mantels 14 im wesentlichen gleich bleibt und die Spaltbreite d infolge der radialen Wärmedehnung des Kühlrohrbündels 5 abnimmt. Dadurch wird die Gasdurchflussmenge im Spaltkanal 8 klein genug gehalten und eine unzulässige Zunahme der Temperatur im Spaltkanal 8 verhindert. Prinzipiell arbeitet diese Variante auch ohne Spannkabel 25 ; diese bieten jedoch eine zusätzliche Sicherheit gegen eventuelle Verklemmungen - beispielsweise infolge von Verschmutzung - der Kröpfungen 24' zwischen den Blechstreifen 20.
Im Ausführungsbeispiel gemäss Fig. 4 und 5 weisen die Tragplatten 13 ein kleineres radiales Mass als in Fig. 1 auf, so dass sie nur die Kühlrohre 6 der Rohrbündel 5 aufnehmen. Die äusseren Kühlrohre 7 des Rohrbündels 5 sind in acht radialen, mit jeweils einer Tragplatte 13 fluchtenden Stegen 140 eingeschraubt, die einstückig mit dem Mantel 14 hergestellt sind oder in Form von Leisten am Mantel angeschweisst sind. Hierbei werden also bei steigender Temperatur die äusseren Kühlrohre 7 vom Mantel 14 bei dessen Durchmesservergrösserung mitgenommen, so dass die Spaltbreite d - abgesehen von einer kleinen radialen Wärmeausdehnung der Kühlrohre 7 selbst und der linearen Wärmeausdehnung der Stege 140 - praktisch bei allen Temperaturen konstant bleibt.
Abweichend von den bisher beschriebenen Ausführungsformen können die äusseren Kühlrohre 7 mit einer grösseren Steigung versehen sein als die übrigen Kühlrohre 6, wodurch für jede Höhenebene kühleres Kühlwasser im Bereich des Spaltkanals 8 zur Verfügung steht als in den übrigen Bereichen des Rohrbündels 5.
Es ist ferner möglich, den zylindrischen Gaszug horizontal oder sonst irgendwie geneigt anzuordnen.
Es ist auch möglich, die Temperatur im Spaltkanal 8 zu messen und abhängig vom Messergebnis mittels eines Steuerventils die das äussere Rohr 7 durchströmende Wassermenge zu beeinflussen.

Claims

1. Wärmeübertrager mit einem Druckbehälter, in dem sich ein aus schraubenlinienförmig gebogenen Rohren bestehendes Kühlrohrbündel und ein zylindrischer, das Kühlrohrbündel umgebender Gaszug befinden, der ein zu kühlendes Gas von einem Eintrittsbereich zu einem Austrittsbereich führt und der zwischen sich und den benachbarten, äusseren Rohren des Kühlrohrbündels einen ringförmigen, von zu kühlendem Gas durchströmten Spaltkanal freilässt, während sich im Ringraum zwischen dem Druckbehälter und dem Gaszug stagnierendes Gas befindet, dadurch gekennzeichnet, dass der Gaszug mindestens im Bereich der Gaseintrittsseite des Kühlrohrbündels mindestens einen etwa auf einer Mantellinie verlaufenden Schlitz aufweist, der eine Vergrösserung der Breite des Spaltkanals bei zunehmender Temperatur des Gases verhindert.

2. Wärmeübertrager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass um den Gaszug gelegte Spannelemente vorhanden sind, die bei zunehmender Temperatur des Gases in Richtung einer Verkleinerung des Durchmessers des Gaszuges wirken.

3. Wärmeübertrager nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Material des Gaszuges einen kleineren Wärmedehnungskoeffizienten aufweist als das Material des Kühlrohrbündels.

4. Wärmeübertrager mit einem Druckbehälter, in dem sich ein aus schraubenlinienförmig gebogenen Rohren bestehendes Kühlrohrbündel und ein zylindrischer, das Kühlrohrbündel umgebender Gaszug befinden, der ein zu kühlendes Gas von einem Eintrittsbereich zu einem Austrittsbereich führt und der zwischen sich und den benachbarten, äusseren Rohren des Kühlrohrbündels einen ringförmigen, von zu kühlendem Gas durchströmten Spaltkanal freilässt, während sich im Ringraum zwischen dem Druckbehälter und dem Gaszug stagnierendes Gas befindet, dadurch gekennzeichnet, dass die äusseren Rohre des Kühlrohrbündels an der Innenseite des Gaszuges befestigt sind, wodurch eine Vergrösserung der Breite des Spaltkanals bei zunehmender Temperatur des Gases verhindert wird.

5. Wärmeübertrager nach Anspruch 4, mit über den Umfang des Kühlrohrbündels verteilten Tragplatten für die Rohre, dadurch gekennzeichnet, dass der Gaszug auf seiner Innenseite mit den Tragplatten fluchtende Stege aufweist, in die die äusseren Rohre des Kühlrohrbündels eingeschraubt sind.