Die vorliegende Erfindung betrifft einen Wärmeaustauscher von kreisförmigem oder hexagonalem Querschnitt mit einer Anzahl innerhalb eines äusseren Leitmantels angeordneter und zu Rohrbündeln vereinigter, parallel zur Mittelachse des Wärmeaustauschers verlaufender Geradrohre, bei dem jedes Rohrbündel von einem beidseitig offenen inneren Leitmantel umgeben ist und die Rohre jedes Rohrbündels an ihren beiden Enden mit einem Rohrboden verbunden sind.
Derartige Wärmeaustauscher werden bevorzugt in geschlossenen Gasturbinenanlagen und in der Kernkraftwerkstechnik eingesetzt, wo sie beispielsweise beim sogenannten integrierten Kernreaktor im selben Druckbehälter wie der Reaktorkern liegen.
So wird in der deutschen Offenlegungsschrift 2 120 544 ein aus parallel angeordneten Einzelelementen bestehender Wärmeaustauscher beschrieben, bei dem die Einzelelemente oder Rohrbündel einen runden oder polygonalen Querschnitt besitzen und von beidseitig offenen Mantelrohren umgeben sind. Das äussere Medium, z. B. das von einer Turbine kommende Abgas, wird entlang der Wärmeaustauscherrohre innerhalb der beidseitig offenen Mantelrohre geführt, wobei seine Strömungsrichtung derjenigen des in den Rohren befindlichen Mediums entgegengesetzt ist. Jedes Rohrbündel ist durch ein Paar Rohrböden mit eigenen Zu- und Abführungsleitungen versehen. Die Mantelrohre sind strömungsdicht in eine senkrecht zu ihnen verlaufende Platte eingesetzt, die ebenfalls strömungsdicht mit dem Gehäuse des Wärmeaustauschers verbunden ist.
Mit dieser Platte soll eine leicht und funktionssicher herzustellende Führung für das äussere Medium und damit eine Verbesserung des Wärmeüberganges zwischen den beiden Medien erreicht werden.
Aus der deutschen Offenlegungsschrift 1 401 666 ist ebenfalls ein Wärmeaustauscher bekannt, der in einem Mantel eine Anzahl Rohrbündel oder Rohrkörper enthält, die sich aus einer Vielzahl an ihren Enden mit Kopfstücken oder Rohrböden verbundener Rohre zusammensetzen. Die im wesentlichen geraden Rohre sind in unmittelbarer Nähe der Kopfstücke derart auseinandergespreizt, dass sie über den grössten Teil ihrer Länge eine gleichförmige Verteilung über den Querschnitt des Mantels einnehmen. Auf diese Weise lässt sich das Gesamtvolumen des Wärmeaustauschers für eine gegebene Wärmeübertragungsleistung gering halten.
Von diesem Stand der Technik geht die vorliegende Erfindung aus, wobei ihr die Aufgabe zugrunde liegt, einen Wärmeaustauscher der eingangs geschilderten Bauart anzugeben, bei dem der zur Verfügung stehende Raum noch besser ausgenutzt und der Wirkungsgrad erhöht wird.
Diese Aufgabe wird gemäss der Erfindung dadurch gelöst, dass jedes Rohrbündel mit seinen zugehörigen Rohrböden und seinem inneren Leitmantel eine Box bildet, dass die Boxen im Grundriss im Sechseckgitter angeordnet sind und dass die Rohrböden zumindest an einer Seite der Rohrbündel in mindestens drei verschiedenen, senkrecht zur Achse des Wärmeaustauschers liegenden Ebenen derart angeordnet sind, dass benachbarte Rohrböden in Richtung der Mittelachse des Wärmeaustauschers gegeneinander versetzt sind, um den Zwischenraum zwischen benachbarten Boxen zu verringern.
Der Wärmeaustauscher gemäss der Erfindung kann mit besonderem Vorteil als Rekuperator in einem geschlossenen Gasturbinenkreislauf oder im Primärkreislauf eines gasgekühlten Hochtemperaturkernreaktors mit Heliumturbine eingesetzt werden, da er bei guten Wärmeübertragungseigenschaften ein geringes Bauvolumen aufweist, denn infolge der Anordnung der Boxen im Sechseckgitter und der Versetzung der Rohrböden kann der zur Verfügung stehende Raum sehr gut ausgenutzt werden. Ausserdem treten nur geringe Druckverluste auf. Die die Rohrbündel umgebenden inneren Leitmäntel können einen runden oder auch einen sechseckigen Querschnitt aufweisen. Bei letzteren ergibt sich eine noch güntigere Platzausnutzung als bei Leitmänteln mit rundem Querschnitt.
Die Rohrböden, in die die Rohre jedes Rohrbündels eingesetzt sind, haben zweckmässigerweise eine den Leitmänteln angepasste Querschnittsform, d. h. sie sind entweder rund oder sechseckig.
Der Wärmeaustauscher gemäss der Erfindung kann im Gleich- oder Gegenstromprinzip betrieben werden. Die Grösse der Drücke, Druckdifferenzen, Temperaturen und Temperaturdifferenzen des durch die Rohre strömenden inneren Mediums und des um die Rohre in den inneren Leitmänteln strömenden äusseren Mediums können dabei beliebig sein. Als wärmeaustauschende Medien kommen sowohl gasförmige als auch flüssige Medien in Betracht, wobei es freigestellt ist, ob das Hochdruck- oder das Niederdruckmedium durch die Rohre geführt wird.
Auch die Einbau- oder Betriebslage des Wärmeaustauschers - z. B. horizontal, vertikal oder schräg - sowie die Art der verwendeten Werkstoffe kann beliebig gewählt werden.
Die mögliche Anzahl der im Sechseckgitter angeordneten Boxen ergibt sich nach der mathematischen Formel
EMI1.1
wenn mit i die Anzahl der im Gitter ineinanderliegenden Sechsecke bezeichnet wird.
Die versetzte Anordnung der Rohrböden kann an beiden Seiten der Rohrbündel (an der Ein- und Austrittsseite) oder auch nur an einer Seite vorgesehen sein. In ersterem Falle können die einzelnen Bündel näher aneinandergerückt werden, wodurch sich eine grössere Anzahl von Rohrbündeln auf einem gegebenen Gesamtquerschnitt unterbringen lässt. Wenn die Rohrbündel alle gleiche Länge haben sollen, so kann man die Rohrböden derart anordnen, dass die auf der einen Seite vorgesehene Versetzung genau das umgekehrte Bild der auf der anderen Seite vorgenommenen Versetzung darstellt, auf den mittleren Querschnitt des Wärmeaustauschers bezogen.
Müssen an der Ein- und Austrittsseite besondere Bedingungen eingehalten werden, so kann die versetzte Anordnung der Rohrböden auch an den beiden Seiten verschieden ausgeführt werden.
An die rund oder sechseckig gestalteten Rohrböden, die vorzugsweise als Lochplatten ausgebildet sind, können sich Sammlerhauben anschliessen, die ihrerseits mit Ein- bzw.
Austrittsstutzen für das in den Rohren strömende Medium verbunden sind. Die Hauben besitzen z. B. entweder halbkugelige Gestalt (bei runden Rohrböden) oder sie gehen (bei sechseckigen Rohrböden) von der Sechseckform in die halbkugelige Form über, an die sich dann die Ein- bzw. Austrittsstutzen für das innere Medium anschliessen.
Die Rückführung des in den Rohren strömenden Mediums erfolgt zweckmässig durch Leitungen, die zwischen dem Sechseckgitter der Boxen und dem äusseren Leitmantel des Wärmeaustauschers verlegt sind. In diesem Raum können auch die Leitungen für die Zuführung des inneren Mediums vorgesehen sein.
Die eben beschriebene Randzone zwischen dem Sechseckgitter der Boxen und dem äusseren Leitmantel des Wärmeaustauschers kann auch zusätzlich zur Wärmeübertragung ausgenutzt werden, wozu in diesem Raum Boxen mit kleinerem Durchmesser als die Boxen im Sechseckgitter angeordnet sein können. Das in den Rohren strömende Medium wird dann mit Vorteil je an einer Stirnseite zu- bzw. abgeführt.
Es ist auch möglich, nur einen Teil der Randzone für die Wärmeübertragung auszunutzen und den anderen Teil für die Zu- oder Abführung des inneren Mediums zu verwenden.
Der Wärmeaustauscher kann - wenn er in vertikaler Lage eingebaut ist - zweckmässigerweise an einem Tragrost aufgehängt sein. Um Wärmespannungen zu vermeiden, wird die Aufhängung vorzugsweise mittels Wärmedehnungen ausgleichender Hülsen bewerkstelligt, die einerseits an den Rohren und anderseits am Tragrost befestigt sind.
Bei Verwendung des Wärmeaustauschers als Rekuperator im Primärkreislauf eines gasgekühlten Hochtemperaturreaktors wird vorteilhafterweise das von der Turbine kommende heisse Gas niedrigen Druckes von unten um die Rohre herum durch die inneren Leitmäntel der Boxen geführt, während das zu erwärmende Hochdruckgas von oben nach unten durch die Rohre geleitet wird.
Die mit Hilfe der versetzten Anordnung der Rohrböden erreichte grössere Kompaktheit des Wärmeaustauschers muss mit dem Nachteil erkauft werden, dass sich das Montieren des Wärmeaustauschers, das Schweissen beim Einbau und Trennen beim Ausbau des Wärmeaustauschers etwas schwieriger gestaltet. Um diesen Nachteil zu beheben, wird die Anordnung vorzugsweise so getroffen, dass im Zentrum des Sechseckgitters ein den Heizflächenbereich des Wärmeaustauschers in seiner ganzen Länge durchlaufendes Zentralrohr angeordnet ist, das von oben den Zugang zu einer unterhalb des Wärme austauscher-Heizflächenbereichs vorgesehenen, für den Anschluss des Wärmeaustauschers an weiterführende Leitungen bestimmten Trennstelle ermöglicht.
Ein derart angeordnetes Zentralrohr gestattet es, Montageund Demontagearbeiten in direkter Weise oder mittels Fernbedienung vorzunehmen, falls eine zu hohe Strahlenbelastung den unmittelbaren Zugang zu der Trennstelle nicht zulässt, was z. B. dann der Fall sein kann, wenn der Wärmeaustauscher als Rekuperator im Primärkreislauf eines gasgekühlten Hochtemperaturreaktors mit Heliumturbine eingesetzt wird.
Das Zentralrohr kann entweder an die Stelle der sonst im Sechseckgitter vorhandenen mittleren Box eingesetzt werden, oder es kann den Raum mehrerer im Zentrum gelegener Boxen einnehmen, z. B. der mittleren Box und der auf dem innersten Sechseck gelegenen weiteren sechs Boxen.
Vorteilhafterweise ist die Trennstelle als Bajonettverschluss ausgebildet, wodurch sich das Montieren des Wärmeaustauschers sowie das Trennen beim Ausbau des Wärmeaustauschers besonders leicht gestaltet. Es ist jedoch auch möglich, die Trennstelle als einfache Schweissnaht auszuführen.
Die Boxen können einen runden oder sechseckigen Querschnitt besitzen.
Zweckmässigerweise sind die Eintrittsstutzen für das innere Medium durch Rohrleitungen mit einem Verteilerkopf verbunden, der als gewölbter Boden ausgebildet ist. Die Rohrleitungen sind z. B. in diesem Boden eingeschweisst. In seinem Zentrum kann der Verteilerkopf einen absperrbaren Durchgang aufweisen, durch den man zu dem Zentralrohr gelangen kann.
Für die Rückführung des inneren Mediums werden mit Vorteil im äusseren Bereich des Wärmeaustauschers, aber ausserhalb des Heizflächenbereichs verlegte Rohre benutzt, die schraubenlinienförmig gewendelt sind. Dabei kann die Anordnung so getroffen sein, dass die Rückführungsrohre auf der einen Seite an die Austrittsstutzen angeschlossen sind, während sie auf der anderen Seite in einen als Kugel ausgebildeten Endsammler eintreten, der zwischen dem Zentralrohr und der Trennstelle angeordnet ist. Durch einen absperrbaren Stutzen lässt sich der Endsammler mit dem Zentralrohr verbinden. Diese Massnahme schafft die Möglichkeit, für Reparaturzwecke einzelne Boxen abzubilden, da durch das Zentralrohr der Zugang zu den in den kugelförmigen Sammler eintretenden Rückführungsrohren gegeben ist.
Wenn infolge hoher Strahlenbelastung der direkte Zugang zu den Rückführungsrohren nicht möglich ist, kann das Abbilden einzelner Boxen oder Bereiche mit Fernbedienung erfolgen. Für den erfindungsgemässen Wärmeaustauscher ist es besonders wichtig, dass einzelne Boxen für Reparaturen abgebildet werden können, da sich die Boxen nicht ausbauen lassen. Auf diese Möglichkeit muss zugunsten der Kompaktheit des Wärmeaustauschers verzichtet werden; da die Querschnitte der Sammlerhauben und Rohrböden normalerweise grösser sind als die Boxenquerschnitte, lassen sich bei versetzten Rohrböden die Boxen zwar dicht aneinanderrücken, aber ein Ausbau der Boxen in Richtung der Wärmeaustauscherachse ist nicht möglich.
Die Anordnung eines kugelförmigen Endsammlers für die Rückführungsrohre unterhalb der Wärmetauscherflächen bietet die weiteren Vorteile, dass die Rückführungsrohre ausserhalb des Heizflächenbereichs verlegt werden können und dass für den Wärmeaustauscher ein geringerer Einbaudurchmesser erforderlich ist.
Die Erfindung betrifft auch eine Verwendung des Wärmeaustauschers als Rekuperator im Primärkreislauf eines in einem Spannbetonbehälter installierten gasgekühlten Hochtemperaturreaktors mit Heliumturbine, dessen wärmeaustauschende Apparate in mit einem Liner ausgekleideten Pods untergebracht sind. Erfindungsgemäss ist der Wärmeaustauscher mittels eines an dem Verteilerkopf angebrachten ringartigen Flansches an einer an dem Liner befestigten, Wärmedehnungen ausgleichenden Hülse ( thermal sleeve ) aufgehängt. Der ringartige Flansch erleichtert die Zentrierung beim Einbau des Wärmeaustauschers.
Der Endsammler für die Rückführungsrohre kann über eine Leitung und einen Behälter mit einer seitlich unten aus dem Pod austretenden Gasführungsleitung in Verbindung stehen. In der erstgenannten Leitung kann die Trennstelle vorgesehen sein.
In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele des erfindungsgemässen Wärmeaustauschers dargestellt, der als Rekuperator eines mit einer Heliumturbine gekoppelten Hochtemperaturreaktors Verwendung finden kann. Es zeigen:
Fig. 1 einen Längsschnitt durch einen ersten Rekuperator in stehender Anordnung und mit im Querschnitt runden Boxen,
Fig. 2 einen Schnitt durch den Rekuperator nach der Linie A-A der Fig. 1,
Fig. 3 einen Längsschnitt durch einen zweiten Rekuperator in hängender Anordnung, ebenfalls mit im Querschnitt runden Boxen,
Fig. 4 und 5 den oberen und den unteren Teil eines dritten Rekuperators mit im Querschnitt runden Boxen im Schnitt nach der Linie B-B der Fig. 6,
Fig. 6 einen Querschnitt durch den Rekuperator nach den Fig. 4 und 5, der die Zuordnung der Rohrböden zu den einzelnen horizontalen Ebenen zeigt,
Fig. 7 eine Einzelheit der Fig.
5, die mit x bezeichnet ist, in grösserem Massstab,
Fig. 8 eine Alternativlösung zu der in der Fig. 7 dargestellten Einzelheit.
Die Fig. 1 und 2 lassen einen rekuperativen Wärmeübertrager oder Rekuperator in stehender Anordnung erkennen, der zum Primärkreislauf eines Hochtemperaturreaktors mit Heliumturbine gehört und wie alle anderen Komponenten des Kreislaufs in einem vertikalen Pod 1 innerhalb des Spannbetondruckbehälters untergebracht ist. Der Rekuperator besteht im wesentlichen aus einem äusseren Leitmantel 2, aus einer Vielzahl Boxen 3 mit rundem Querschnitt, aus einem Tragrost 4 und einem Auflagering 5. Nach oben ist der Rekuperator durch eine Platte 6 abgedichtet, während der Abschluss nach unten durch einen zum Zentrum hin geneigten Boden 7 bewirkt wird. Der Boden 7 weist eine Anzahl Öffnungen 8 zum Durchtritt für das äussere Medium auf. Der Tragrost 4, auf dem der Rekuperator aufgestellt ist, setzt sich aus einem Aussenring 9, einer Nabe 10 und sechs Speichen oder Tragarmen 11 zusammen.
Zu jeder Box gehören ein aus einer Vielzahl glatter, gerader Rohre bestehendes Rohrbündel 13, zwei Rohrböden 14, 15, in die die beiden Enden der Rohre eingesetzt sind, und ein innerer Leitmantel 16, der an seinen beiden Enden offen ist.
Alle Rohrbündel 13 haben die gleiche Länge. An die Rohrböden 14, 15 schliessen sich Sammlerhauben 17, 18 an, die halbkugelig ausgebildet sind. Die Rohrböden 14 mit den zugehörigen Sammlerhauben 17 sowie die Rohrböden 15 mit den zugehörigen Sammlerhauben 18 sind derart angeordnet, dass sie in drei verschiedenen horizontalen Ebenen I, II, III liegen, wobei benachbarte Rohrböden höhenmässig stets in verschiedenen Ebenen (siehe Fig. 2) angeordnet sind. Auf diese Weise können die einzelnen Boxen sehr dicht aneinandergerückt werden. Die Sammlerhauben 17 sind mit Eintrittsstutzen 19 für das innere Medium verbunden, während sich an die Sammlerhauben 18 Austrittsstutzen 20 für dieses Medium anschliessen. Innerhalb der Rohrbündel 13 werden die einzelnen Rohre durch Halterungen 21 in ihrer Lage gehalten.
Die Boxen 3 sind im Grundriss im Sechseckgitter angeordnet, wie in der Fig. 2 dargestellt ist. Bei drei ineinanderliegenden Sechsecken ergeben sich nach der weiter vorne erwähnten Formel n = 6 (1 + 2 + 3) + 1 = 37 Boxen. In dem freigebliebenen Raum zwischen dem äussersten Sechseck und dem äusseren Leitmantel 2 des Rekuperators ist eine Anzahl kleinerer Boxen 12 verlegt, die ebenfalls für die Wärmeübertragung ausgenutzt werden können. Durch die in der Fig. 2 in die Boxen 3 eingetragenen Ziffern I, II oder III ist angedeutet, in welcher Ebene die Rohrböden 14 oder 15 der entsprechenden Box angeordnet sind. Es ist klar erkennbar, dass einander benachbarte Rohrböden 14 oder 15 stets in verschiedenen Horizontalebenen liegen.
Wie aus der Fig. 1 ersichtlich ist, sind die Austrittsstutzen 20 für das innere Medium nach unten verlängert und strömungsdicht durch den Boden 7 hindurchgeführt. Oberhalb des Bodens 7 weisen die Austrittsstutzen 20 je eine Abzweigung 25 auf, und diese Abzweigungen sind mit (nicht dargestellten) Steigleitungen verbunden. Die Enden 27 der verlängerten Austrittsstutzen 20 sind in Ausnehmungen 26 des Tragrostes 4 gelagert.
Da das dargestellte Ausführungsbeispiel den Rekuperator eines Hochtemperaturreaktors mit Heliumturbine betrifft, sind die beiden miteinander im Wärmeaustausch stehenden Medien Helium. Das von der Turbine kommende heisse Niederdruckgas wird von unten durch die Öffnungen 8 in den Rekuperator eingeleitet, tritt in die beidseitig offenen inneren Leitmäntel 16 ein und durchströmt diese. Der Strömungsverlauf des heissen Niederdruckgases ist in der Fig. 1 durch Pfeile angedeutet.
Nachdem das Helium die Boxen 3 parallel durchströmt hat, tritt es am oberen Ende zwischen den Leitmänteln 16 und den Rohrböden 14 aus den Boxen 3 aus und gelangt durch Öffnungen 22 in dem äusseren Leitmantel 2 in einen Ringspalt 23 zwischen diesem Leitmantel und dem (mit einem Liner ausgekleideten) Pod 1. Das abgekühlte Gas wird sodann zu einem unterhalb des Rekuperators angeordneten Vorkühler weitergeführt (nicht dargestellt), den es ebenfalls mantelseitig durchströmt.
Nachdem das Helium den Vorkühler passiert hat und in einem Kompressor wieder auf hohen Druck verdichtet worden ist, wird es als Hochdruckgas zu dem Rekuperator zurückgeführt.
Durch die Eintrittsstutzen 19 und die Sammlerhauben 17 gelangt das Helium in die Rohre der Rohrbündel 13, die es von oben nach unten durchströmt, wobei es sich erwärmt.
Nachdem es durch die Rohrböden 15 und die Sammlerhauben 18 hindurchgetreten ist, wird das erwärmte Hochdruckgas über die Abzweigungen 25 an den Austrittsstutzen 20 zu den er wähnten Steigleitungen geführt, die ausserhalb der Heizfläche des Rekuperators liegen. Durch diese Leitungen strömt das
Helium wieder dem Kern des Reaktors zu.
Die Fig. 3 zeigt einen Rekuperator in hängender Anord nung, der ebenfalls in einem vertikalen Pod innerhalb des
Spannbetondruckbehälters untergebracht ist. Es ist hier nur der Liner 31 dargestellt, mit dem der Pod ausgekleidet ist. Die
Boxen 3, von denen der Übersichtlichkeit wegen nur eine gezeigt ist, weisen einen runden Querschnitt auf und bestehen aus einem Geradrohrbündel 13 sowie zwei Rohrböden 14 und
15, in die die beiden Enden der Rohre eingesetzt sind. Ferner gehört noch zu jeder Box ein innerer Leitmantel 16, der an seinen beiden Enden offen ist. Alle Rohrbündel 13 besitzen die gleiche Länge. An die Rohrböden 14, 15 schliessen sich Sammlerhauben 17, 18 an, die halbkugelig ausgebildet sind.
Die Sammlerhauben 17 sind mit Eintrittsstutzen 19 für das innere Medium verbunden, während sich an die Sammlerhau ben 18 Austrittsstutzen 20 für dieses Medium anschliessen.
Innerhalb der Rohrbündel 13 werden die einzelnen Rohre durch Halterungen in ihrer Lage gehalten (nicht dargestellt).
Die Rohrböden 14 mit den zugehörigen Sammlerhauben
17 sowie die Rohrböden 15 mit den zugehörigen Sammlerhauben 18 sind derart angeordnet, dass sie in drei verschiedenen horizontalen Ebenen I, II, III liegen, wobei benachbarte Rohrböden höhenmässig stets gegeneinander versetzt sind.
Dadurch kann eine grössere Anzahl von Boxen auf einem vorgegebenen Raum untergebracht werden, weil die inneren Leitmäntel 16 einen kleineren Durchmesser als die Rohrböden
L4, 15 aufweisen.
Im Grundriss stellt die Anordnung der Boxen 3 wieder ein Sechseckgitter dar, wie es in der Fig. 2 für den Rekuperator in stehender Anordnung gezeigt ist.
Auch bei dem Rekuperator in hängender Anordnung können in der Randzone zwischen dem äussersten Sechseck und dem (in der Fig. 3 nicht eingezeichneten) äusseren Leitmantel kleinere Boxen verlegt sein, die zusätzlich der Wärme übertragung oder der Zu- oder Rückführung des in den Rohren strömenden Mediums dienen.
Die Aufhängung des Rekuperators erfolgt mittels eines Tragrostes 32, der oberhalb der Sammlerhauben 17 angeordnet ist und Durchbrüche 33 für die Eintrittsstutzen 19 aufweist, von denen nur einer gezeigt ist. Die Verbindung zwischen den Eintrittsstutzen 19 und dem Tragrost 32 wird mit Hilfe von Wärmedehnungen ausgleichenden Hülsen 34 bewerkstelligt, die die Aufgabe haben, das Entstehen von Wärmespannungen zu verhindern. Eine gleichartige Verbindung 35 ist auch zwischen dem Tragrost 32 und dem Liner 31 vorgesehen. Nach unten ist der Rekuperator durch eine Platte 36 abgedichtet.
Die Zu- und Abführung des äusseren, durch die inneren Leitmäntel 16 strömenden Mediums kann in ähnlicher Weise erfolgen wie in der Fig. 1 gezeigt. Auf eine nochmalige Darstellung wurde daher bei der Fig. 3 verzichtet.
Die Fig. 4, 5 und 6 lassen einen rekuperativen Wärmeüberträger oder Rekuperator in stehender Anordnung erkennen, der zum Primärkreislauf eines Hochtemperaturreaktors mit Heliumturbine gehört und wie alle anderen Komponenten des Kreislaufs in einem vertikalen Pod 101 innerhalb des Spannbetondruckbehälters untergebracht ist. Der Pod 101 ist mit einem Liner 102 ausgekleidet. Der Rekuperator besteht aus einem Mantel 102a, aus einer Vielzahl Boxen 103 mit rundem Querschnitt und einem Zentralrohr 104, das den Heizflächen- bereich des Rekuperators auf dessen ganzer Länge durchläuft.
Nach oben ist der Rekuperator durch einen gewölbten Boden 105 abgedichtet, während der Abschluss nach unten durch einen ebenen Boden 106 bewirkt wird.
Zu jeder Box 103 gehören ein aus einer Vielzahl glatter gerader Rohre 107 bestehendes Rohrbündel 108, zwei Rohrböden 109 und 110, in die die beiden Enden der Rohre 107 eingesetzt sind, und ein Leitmantel 111, der an seinen beiden Enden offen ist. Alle Rohrbündel 108 haben die gleiche Länge. An die Rohrböden 109 bzw. 110 schliessen sich Sammlerhauben 112 bzw. 113 an, die halbkugelig ausgebildet sind. Die Rohrböden 109 mit den zugehörigen Sammlerhauben 112 sowie die Rohrböden 110 mit den zugehörigen Sammlerhauben 113 sind derart angeordnet, dass sie in sechs verschiedenen horizontalen Ebenen A, B, C, D, E, F liegen, wobei benachbarte Rohrböden höhenmässig stets gegeneinander versetzt sind. Anhand der Fig. 4 und 6 ist dies gut zu erkennen.
Auf diese Weise können die Boxen 103 sehr dicht aneinandergerückt und eine gute Ein- und Ausströmung für das äussere Medium erreicht werden. Die Sammlerhauben 112 sind mit Eintrittsstutzen 114 für das innere Medium verbunden, während sich an die Sammlerhauben 113 Austrittsstutzen 115 für dieses Medium anschliessen.
Die Boxen 103 sind im Grundriss im Sechseckgitter angeordnet, wie aus der Fig. 6 ersichtlich ist. Bei drei ineinanderliegenden Sechsecken ergeben sich nach der oben erwähnten Formel n = 6 (1 + 2 + 3) = 36 Boxen, wenn das Zentrum des Sechseckgitters von dem Zentralrohr 104 eingenommen wird.
In dem freigebliebenen Raum zwischen dem äussersten Sechs eck und dem Mantel 102 des Rekuperators kann eine Anzahl Boxen mit kleinerem Durchmesser vorgesehen sein, die ebenfalls der Wärmeübertragung dienen (nicht dargestellt). Durch die in den Rohrböden 109 eingetragenen Buchstaben A, B, C,
D, E, F ist angedeutet, in welcher Ebene diese Rohrböden (und entsprechend die jeweils zugehörigen Rohrböden 110) angeordnet sind. Es ist klar erkennbar, dass einander benach barte Rohrböden 109 bzw. 110 stets in verschiedenen Hori zontalebenen liegen. In den Fig. 4 und 5 sind die zu dem glei chen Sechseck gehörenden Rohrböden 109 jeweils unterein ander auf den ihnen zugeordneten Ebenen dargestellt, wobei die in der Schnittlinie B-B der Fig. 6 liegenden Rohrböden mit ausgezogenen Linien und die anderen gestrichelt gezeichnet sind.
Wie aus der Fig. 4 ersichtlich ist, sind die Eintrittsstutzen
114 für das innere Medium mit Rohrleitungen 116 verbunden, die strömungsdicht in den als Verteilerkopf wirkenden gewölb ten Boden 105 eingesetzt sind. In seinem Zentrum besitzt der gewölbte Boden 105 eine mit einem Flanschdeckel 118 ver schlossene Öffnung 117, die sich direkt oberhalb des oberen
Endes des ebenfalls mit einem Flanschdeckel 119 abgedichte ten Zentralrohres 104 befindet. Am Umfang des gewölbten
Bodens 105 ist ein ringartiger Flansch 120 angebracht, mit dem der Boden 105 an einer an dem Liner 102 vorgesehenen
Wärmedehnungen ausgleichenden Hülse 121 aufgehängt ist.
Diese Vorkehrung dient der Vermeidung von Wärmespannun gen.
Das äussere Medium wird durch eine Gasleitung 130 seit lich von unten in den Pod 101 eingeführt, strömt innerhalb des
Mantels 102a nach oben und tritt dann in die Leitmäntel 111 ein, die es im Gegenstrom zu dem inneren Medium durch strömt. Im oberen Bereich des Rekuperators, und zwar auf der
Höhe der Rohrböden 109, ist eine weitere Gasleitung 131 vorgesehen, durch die das äussere Medium den Rekuperator wieder verlässt. Die beiden Gasleitungen 130 und 131 sind je in einem Durchbruch in der Wandung des Spannbetondruck behälters verlegt (nicht dargestellt).
Die Zuführungen des inneren Mediums in den Rekupera tor erfolgt durch eine Leitung 122, die oberhalb der Aufhän gung des gewölbten Bodens 105 in den Liner 102 eintritt. Die
Verteilung auf die einzelnen Boxen geschieht mittels der in dem gewölbten Boden 105 eingesetzten Rohrleitungen 116.
Zur Rückführung des inneren Mediums sind Rohre 123 vorgesehen, die an die Austrittsstutzen 115 angeschlossen sind.
Sie sind schraubenlinienförmig gewendelt unterhalb der Wärmetauscherflächen des Rekuperators verlegt, und zwar in seinem äusseren Bereich. Die Rohre 123 sind annähernd bis zu dem ebenen Boden 106 geführt und dann nach oben umgebogen, wo sie in einen kugelförmig gestalteten Endsammler 124 eintreten. Dieser befindet sich unmittelbar unter dem unteren Ende des Zentralrohres 104, mit dem er durch einen absperrbaren Stutzen 125 verbunden ist. Nach unten schliesst sich an den kugelförmigen Endsammler 124 eine Leitung 126 an, die zu einem Behälter 127 führt. Dieser steht mit einer Gasführungsleitung 128 in Verbindung, die seitlich aus dem Liner 102 austritt und in einem in den Pod 101 mündenden Durchbruch verlegt ist (nicht dargestellt). Um den Sachverhalt besser darstellen zu können, sind sowohl die Gasführungsleitung 128 als auch der Speicherbehälter 127 in die Schnittebene gelegt worden.
In der Leitung 126 ist eine Trennstelle 129 vorgesehen, zu der man von oben Zugang durch das Zentralrohr 104 hat.
Durch diese Trennstelle ist die Möglichkeit gegeben, mittels Fernbedienung den Rekuperator auszubauen, d. h. ihn von dem Behälter 127 und der Gasführungsleitung 128 zu trennen.
Sollen nur an einzelnen Boxen 103 Reparaturen vorgenommen werden, so lassen sich die zu den betreffenden Boxen führenden Rohre 123 von oben her durch das Zentralrohr 104 an ihrer Antrittsstelle in den kugelförmigen Endsammler 124 abbilden.
In den Fig. 7 und 8 sind zwei Möglichkeiten dargestellt, wie die Trennstelle 129 ausgeführt sein kann. Die Fig. 7 zeigt einen Bajonettverschluss 132, der durch zwei Montage Schweissnähte 133 abgesichert ist. Die Leitung 126 ist an dieser Stelle aufgetrennt; der untere Teil 134 der Leitung greift in ein ringartiges Teil 135 ein, das einen Flansch 137 hintergreift, der sich am oberen Teil 136 der Leitung 126 befindet.
Die in der Fig. 8 wiedergegebene Alternativlösung sieht eine einfache Schweissnaht 138 in der Leitung 126 vor.
Da das dargestellte Ausführungsbeispiel den Rekuperator eines Hochtemperaturreaktors mit Heliumturbine betrifft, sind die beiden miteinander im Wärmeaustausch stehenden Medien Helium. Das von der Turbine kommende heisse Niederdruckgas tritt durch die Gasleitung 130 in den Rekuperator ein, den es mantelseitig, d. h. innerhalb der beidseitig offenen Leitmäntel 111, durchströmt. Durch die Gasleitung 131 verlässt das abgekühlte Helium den Rekuperator wieder und wird zu einem Vorkühler weitergeführt (nicht dargestellt), den es ebenfalls mantelseitig durchströmt. Nachdem das Helium den Vorkühler passiert hat und in einem Kompressor wieder auf hohen Druck verdichtet worden ist, wird es als Hochdruckgas zu dem Rekuperator zurückgeführt.
Durch die Leitung 122 gelangt das kalte Helium in den Raum oberhalb des gewölbten Bodens 105, der als Verteilerkopf arbeitet. Das Gas verteilt sich auf die Rohrleitungen 116, in denen es zu den Eintrittsstutzen 114 und den Sammlerhauben 112 geführt wird. In den Rohrböden 109 wird das kalte Hochdruckgas auf die Rohre 107 der einzelnen Rohrbündel 108 verteilt, die es von oben nach unten durchströmt. Dabei nimmt es von dem entgegenströmenden Turbinenabgas Wärme auf. In den Sammlerhauben 113 wird das Helium wieder gesammelt und tritt durch die Austrittsstutzen 115 in die Rückführungsrohre 123 ein, in denen es in den Endsamm ler 124 gelangt. Durch die Leitung 126 und den Behälter 127 strömt das Helium zur Gasführungsleitung 128, durch die es dann den Rekuperator verlässt, um zum Kern des Hochtemperaturreaktors zurückzukehren.
Beim Durchgang durch den Reaktorkern erhitzt sich das Helium, worauf es der Turbine zugeführt wird, in der es sich entspannt. Mit dem Eintritt des Niederdruckgases in den Rekuperator ist der Kreislauf des Heliums dann geschlossen.
The present invention relates to a heat exchanger of circular or hexagonal cross-section with a number of straight tubes arranged within an outer guide jacket and combined into tube bundles, running parallel to the central axis of the heat exchanger, in which each tube bundle is surrounded by an inner guide jacket open on both sides and the tubes of each tube bundle both ends are connected to a tube sheet.
Such heat exchangers are preferably used in closed gas turbine systems and in nuclear power plant technology, where they are, for example, in the so-called integrated nuclear reactor in the same pressure vessel as the reactor core.
For example, German Offenlegungsschrift 2 120 544 describes a heat exchanger consisting of individual elements arranged in parallel, in which the individual elements or tube bundles have a round or polygonal cross section and are surrounded by casing tubes that are open on both sides. The external medium, e.g. B. the exhaust gas coming from a turbine is guided along the heat exchanger tubes within the casing tubes open on both sides, its flow direction being opposite to that of the medium located in the tubes. Each tube bundle is provided with its own inlet and outlet lines through a pair of tube sheets. The casing pipes are inserted in a flow-tight manner into a plate running perpendicular to them, which is also connected in a flow-tight manner to the housing of the heat exchanger.
With this plate, a guide for the external medium that is easy and functionally reliable and thus an improvement in the heat transfer between the two media is to be achieved.
A heat exchanger is also known from German Offenlegungsschrift 1 401 666, which contains a number of tube bundles or tube bodies in a jacket, which are composed of a plurality of tubes connected at their ends to head pieces or tube sheets. The essentially straight tubes are spread apart in the immediate vicinity of the head pieces in such a way that they assume a uniform distribution over the majority of their length over the cross section of the jacket. In this way, the total volume of the heat exchanger can be kept low for a given heat transfer performance.
The present invention is based on this prior art, the object of which is to provide a heat exchanger of the type described at the beginning, in which the available space is used even better and the efficiency is increased.
This object is achieved according to the invention in that each tube bundle with its associated tube sheets and its inner guide jacket forms a box, that the boxes are arranged in plan in the hexagonal grid and that the tube sheets at least on one side of the tube bundle in at least three different, perpendicular to Axis of the heat exchanger lying planes are arranged such that adjacent tube sheets are offset from one another in the direction of the central axis of the heat exchanger in order to reduce the space between adjacent boxes.
The heat exchanger according to the invention can be used with particular advantage as a recuperator in a closed gas turbine circuit or in the primary circuit of a gas-cooled high-temperature nuclear reactor with a helium turbine, since it has a small structural volume with good heat transfer properties, because the arrangement of the boxes in the hexagonal lattice and the offset of the tube sheets can the available space can be used very well. In addition, there are only slight pressure losses. The inner guide jackets surrounding the tube bundle can have a round or hexagonal cross section. The latter results in an even more favorable use of space than with guide shells with a round cross-section.
The tube sheets, into which the tubes of each tube bundle are inserted, expediently have a cross-sectional shape that is adapted to the guide shells, i. H. they are either round or hexagonal.
The heat exchanger according to the invention can be operated on the cocurrent or countercurrent principle. The size of the pressures, pressure differences, temperatures and temperature differences of the inner medium flowing through the tubes and of the outer medium flowing around the tubes in the inner guide jackets can be of any size. Both gaseous and liquid media come into consideration as heat-exchanging media, it being optional whether the high-pressure or the low-pressure medium is passed through the pipes.
The installation or operating position of the heat exchanger - e.g. B. horizontal, vertical or inclined - and the type of materials used can be chosen arbitrarily.
The possible number of boxes arranged in the hexagonal grid results from the mathematical formula
EMI1.1
if i denotes the number of hexagons in the grid.
The offset arrangement of the tube sheets can be provided on both sides of the tube bundle (on the inlet and outlet side) or only on one side. In the first case, the individual bundles can be moved closer to one another, whereby a larger number of tube bundles can be accommodated on a given overall cross-section. If the tube bundles should all have the same length, the tube sheets can be arranged in such a way that the offset provided on one side is exactly the opposite of the offset made on the other side, based on the mean cross-section of the heat exchanger.
If special conditions have to be met on the inlet and outlet side, the staggered arrangement of the tube sheets can also be carried out differently on the two sides.
The round or hexagonal tube sheets, which are preferably designed as perforated plates, can be connected to collector hoods, which in turn are equipped with single or
Outlet stubs for the medium flowing in the pipes are connected. The hoods have z. B. either hemispherical shape (with round tube sheets) or they go (with hexagonal tube sheets) from the hexagonal shape to the hemispherical shape, which is then followed by the inlet and outlet ports for the inner medium.
The medium flowing in the pipes is expediently returned through lines that are laid between the hexagonal lattice of the boxes and the outer conductive jacket of the heat exchanger. The lines for the supply of the inner medium can also be provided in this space.
The just described edge zone between the hexagonal lattice of the boxes and the outer conductive jacket of the heat exchanger can also be used for heat transfer, for which purpose boxes with a smaller diameter than the boxes in the hexagonal lattice can be arranged in this space. The medium flowing in the pipes is then advantageously supplied or discharged at one end face.
It is also possible to use only part of the edge zone for heat transfer and to use the other part for supplying or removing the inner medium.
If it is installed in a vertical position, the heat exchanger can expediently be suspended from a support grid. In order to avoid thermal stresses, the suspension is preferably accomplished by means of sleeves compensating for thermal expansion, which are fastened on the one hand to the pipes and on the other hand to the support grid.
When using the heat exchanger as a recuperator in the primary circuit of a gas-cooled high-temperature reactor, the low-pressure hot gas coming from the turbine is advantageously guided from below around the pipes through the inner guiding jackets of the boxes, while the high-pressure gas to be heated is passed from top to bottom through the pipes .
The greater compactness of the heat exchanger achieved with the help of the staggered arrangement of the tube sheets has to be bought with the disadvantage that the assembly of the heat exchanger, the welding when installing and separating when removing the heat exchanger are somewhat more difficult. In order to remedy this disadvantage, the arrangement is preferably made such that a central tube running through the entire length of the heating surface area of the heat exchanger is arranged in the center of the hexagonal grid, which provides access from above to a connection provided below the heat exchanger heating surface area of the heat exchanger on further lines allows certain separation point.
A central tube arranged in this way allows assembly and disassembly work to be carried out directly or by remote control if too high radiation exposure does not allow direct access to the separation point, B. can be the case when the heat exchanger is used as a recuperator in the primary circuit of a gas-cooled high-temperature reactor with a helium turbine.
The central tube can either be used in place of the middle box otherwise present in the hexagonal grid, or it can take up the space of several boxes located in the center, e.g. B. the middle box and the further six boxes on the innermost hexagon.
The separation point is advantageously designed as a bayonet lock, as a result of which the assembly of the heat exchanger and the separation when removing the heat exchanger are particularly easy. However, it is also possible to design the separation point as a simple weld seam.
The boxes can have a round or hexagonal cross-section.
The inlet connections for the inner medium are expediently connected by pipelines to a distributor head which is designed as a curved base. The pipelines are z. B. welded into this floor. In its center, the distributor head can have a lockable passage through which one can get to the central pipe.
For the return of the inner medium it is advantageous to use tubes which are laid in the outer area of the heat exchanger but outside the heating surface area and are coiled in a helical manner. The arrangement can be such that the return pipes are connected on one side to the outlet nozzle, while on the other side they enter an end collector designed as a ball, which is arranged between the central pipe and the separation point. The end collector can be connected to the central pipe through a lockable socket. This measure creates the possibility of displaying individual boxes for repair purposes, since the central pipe provides access to the return pipes entering the spherical collector.
If direct access to the return pipes is not possible due to high radiation exposure, individual boxes or areas can be mapped with remote control. For the heat exchanger according to the invention, it is particularly important that individual boxes can be displayed for repairs, since the boxes cannot be removed. This option must be dispensed with in favor of the compactness of the heat exchanger; Since the cross-sections of the header hoods and tube sheets are normally larger than the box cross-sections, the boxes can be moved close together with offset tube sheets, but the boxes cannot be removed in the direction of the heat exchanger axis.
The arrangement of a spherical end collector for the return pipes below the heat exchanger surfaces offers the further advantages that the return pipes can be laid outside the heating surface area and that a smaller installation diameter is required for the heat exchanger.
The invention also relates to a use of the heat exchanger as a recuperator in the primary circuit of a gas-cooled high-temperature reactor with a helium turbine installed in a prestressed concrete container, the heat-exchanging apparatuses of which are housed in pods lined with a liner. According to the invention, the heat exchanger is suspended by means of a ring-like flange attached to the distributor head on a thermal sleeve which is attached to the liner and compensates for thermal expansion. The ring-like flange facilitates centering when installing the heat exchanger.
The end collector for the return pipes can be connected via a line and a container to a gas guide line exiting the pod at the bottom at the side. The separation point can be provided in the first-mentioned line.
In the drawing, exemplary embodiments of the heat exchanger according to the invention are shown, which can be used as a recuperator of a high-temperature reactor coupled to a helium turbine. Show it:
1 shows a longitudinal section through a first recuperator in a standing arrangement and with boxes that are round in cross section,
FIG. 2 shows a section through the recuperator along the line A-A of FIG. 1,
3 shows a longitudinal section through a second recuperator in a hanging arrangement, also with boxes that are round in cross section,
4 and 5 show the upper and lower parts of a third recuperator with boxes with round cross-section in section along the line B-B of FIG. 6,
6 shows a cross section through the recuperator according to FIGS. 4 and 5, which shows the assignment of the tube sheets to the individual horizontal planes,
7 shows a detail of FIG.
5, which is marked with x, on a larger scale,
8 shows an alternative solution to the detail shown in FIG.
1 and 2 show a recuperative heat exchanger or recuperator in a standing arrangement, which belongs to the primary circuit of a high-temperature reactor with a helium turbine and, like all other components of the circuit, is housed in a vertical pod 1 within the prestressed concrete pressure vessel. The recuperator essentially consists of an outer guide jacket 2, a multitude of boxes 3 with a round cross-section, a support grid 4 and a support ring 5. The recuperator is sealed at the top by a plate 6, while the bottom is sealed by a plate towards the center inclined floor 7 is effected. The bottom 7 has a number of openings 8 for the passage of the external medium. The support grid 4 on which the recuperator is set up is composed of an outer ring 9, a hub 10 and six spokes or support arms 11.
Each box includes a tube bundle 13 consisting of a large number of smooth, straight tubes, two tube sheets 14, 15 into which the two ends of the tubes are inserted, and an inner guide jacket 16 which is open at both ends.
All tube bundles 13 have the same length. The tube sheets 14, 15 are followed by collector hoods 17, 18, which are hemispherical. The tube sheets 14 with the associated header hoods 17 and the tube sheets 15 with the associated header hoods 18 are arranged in such a way that they lie in three different horizontal planes I, II, III, with adjacent tube sheets always being arranged in different planes in terms of height (see FIG. 2) are. In this way, the individual boxes can be moved very close together. The collector hoods 17 are connected to inlet nozzles 19 for the inner medium, while outlet nozzles 20 for this medium are connected to the collector hoods 18. Within the tube bundle 13, the individual tubes are held in their position by holders 21.
The boxes 3 are arranged in a hexagonal grid in plan, as shown in FIG. With three nested hexagons, the formula mentioned above results in n = 6 (1 + 2 + 3) + 1 = 37 boxes. In the remaining space between the outermost hexagon and the outer conducting jacket 2 of the recuperator, a number of smaller boxes 12 are laid, which can also be used for heat transfer. The numbers I, II or III entered in the boxes 3 in FIG. 2 indicate the level in which the tube sheets 14 or 15 of the corresponding box are arranged. It can be clearly seen that adjacent tube sheets 14 or 15 are always in different horizontal planes.
As can be seen from FIG. 1, the outlet nozzles 20 for the inner medium are extended downwards and passed through the base 7 in a flow-tight manner. Above the bottom 7, the outlet nozzles 20 each have a branch 25, and these branches are connected to risers (not shown). The ends 27 of the extended outlet nozzles 20 are mounted in recesses 26 of the support grid 4.
Since the illustrated embodiment relates to the recuperator of a high-temperature reactor with a helium turbine, the two media exchanging heat with one another are helium. The hot low-pressure gas coming from the turbine is introduced into the recuperator from below through the openings 8, enters the inner guide jackets 16, which are open on both sides, and flows through them. The flow course of the hot low-pressure gas is indicated in FIG. 1 by arrows.
After the helium has flowed through the boxes 3 in parallel, it exits the boxes 3 at the upper end between the guide jackets 16 and the tube sheets 14 and passes through openings 22 in the outer guide jacket 2 into an annular gap 23 between this guide jacket and the (with a Liner-lined) pod 1. The cooled gas is then passed on to a precooler (not shown) which is arranged below the recuperator and through which it also flows on the shell side.
After the helium has passed the pre-cooler and has been compressed to high pressure again in a compressor, it is returned to the recuperator as high-pressure gas.
The helium passes through the inlet connection 19 and the collector hoods 17 into the tubes of the tube bundle 13, through which it flows from top to bottom, whereby it heats up.
After it has passed through the tube sheets 15 and the collector hoods 18, the heated high-pressure gas is fed via the branches 25 to the outlet nozzle 20 to the risers mentioned, which are outside the heating surface of the recuperator. It flows through these lines
Helium back to the core of the reactor.
Fig. 3 shows a recuperator in a hanging Anord voltage, which is also in a vertical pod within the
Prestressed concrete pressure vessel is housed. Only the liner 31 is shown here, with which the pod is lined. The
Boxes 3, of which only one is shown for the sake of clarity, have a round cross section and consist of a straight tube bundle 13 and two tube sheets 14 and 14
15 into which the two ends of the tubes are inserted. Each box also has an inner guide jacket 16 which is open at both ends. All tube bundles 13 have the same length. The tube sheets 14, 15 are followed by collector hoods 17, 18, which are hemispherical.
The collector hoods 17 are connected to inlet nozzle 19 for the inner medium, while 18 outlet nozzle 20 for this medium are connected to the collector hoods.
Within the tube bundle 13, the individual tubes are held in their position by holders (not shown).
The tube sheets 14 with the associated collector hoods
17 and the tube sheets 15 with the associated collector hoods 18 are arranged in such a way that they lie in three different horizontal planes I, II, III, with adjacent tube sheets always being offset from one another in terms of height.
As a result, a greater number of boxes can be accommodated in a given space, because the inner guide jackets 16 have a smaller diameter than the tube sheets
L4, 15 have.
In plan, the arrangement of the boxes 3 again represents a hexagonal grid, as shown in FIG. 2 for the recuperator in a standing arrangement.
Even with the recuperator in a suspended arrangement, smaller boxes can be installed in the edge zone between the outermost hexagon and the outer conducting jacket (not shown in FIG. 3), which additionally facilitate the transfer of heat or the supply or return of the medium flowing in the pipes serve.
The recuperator is suspended by means of a support grid 32 which is arranged above the collector hoods 17 and has openings 33 for the inlet connection 19, only one of which is shown. The connection between the inlet connection 19 and the support grid 32 is accomplished with the aid of sleeves 34 which compensate for thermal expansion and which have the task of preventing thermal stresses from occurring. A similar connection 35 is also provided between the support grid 32 and the liner 31. The recuperator is sealed at the bottom by a plate 36.
The supply and discharge of the outer medium flowing through the inner guide jackets 16 can take place in a manner similar to that shown in FIG. 1. A repeated representation was therefore dispensed with in FIG. 3.
4, 5 and 6 show a recuperative heat exchanger or recuperator in a standing arrangement, which belongs to the primary circuit of a high-temperature reactor with a helium turbine and, like all other components of the circuit, is housed in a vertical pod 101 within the prestressed concrete pressure vessel. The pod 101 is lined with a liner 102. The recuperator consists of a jacket 102a, a multiplicity of boxes 103 with a round cross-section and a central tube 104 which runs through the heating surface area of the recuperator over its entire length.
The recuperator is sealed at the top by a curved base 105, while the closure at the bottom is effected by a flat base 106.
Each box 103 has a tube bundle 108 consisting of a plurality of smooth, straight tubes 107, two tube sheets 109 and 110 into which the two ends of the tubes 107 are inserted, and a guide jacket 111 which is open at both ends. All tube bundles 108 have the same length. Header hoods 112 and 113, which are hemispherical, are connected to the tube sheets 109 and 110. The tube sheets 109 with the associated header hoods 112 and the tube sheets 110 with the associated header hoods 113 are arranged in such a way that they lie in six different horizontal planes A, B, C, D, E, F, with adjacent tube sheets always being offset from one another in terms of height. This can be clearly seen from FIGS. 4 and 6.
In this way, the boxes 103 can be moved very close to one another and a good inflow and outflow for the external medium can be achieved. The collector hoods 112 are connected to inlet connections 114 for the inner medium, while outlet connections 115 for this medium are connected to the collector hoods 113.
The boxes 103 are arranged in a hexagonal grid in plan, as can be seen from FIG. With three nested hexagons, n = 6 (1 + 2 + 3) = 36 boxes result from the above-mentioned formula if the center of the hexagonal grid is occupied by the central tube 104.
In the remaining space between the outermost hexagon and the jacket 102 of the recuperator, a number of boxes with a smaller diameter can be provided, which are also used for heat transfer (not shown). Through the letters A, B, C, entered in the tube sheets 109,
D, E, F indicate the plane in which these tube sheets (and correspondingly the associated tube sheets 110) are arranged. It can be clearly seen that adjacent tube sheets 109 and 110 are always in different horizontal planes. 4 and 5, the tube sheets 109 belonging to the same hexagon are shown in each case unterein other on the levels assigned to them, the tube sheets lying in the section line B-B of FIG. 6 being drawn with solid lines and the others being shown in broken lines.
As can be seen from FIG. 4, the inlet nozzles are
114 connected to the inner medium with pipelines 116 which are used in a flow-tight manner in the vaulted bottom 105 acting as a distributor head. In its center, the curved bottom 105 has a ver with a flange cover 118 closed opening 117, which is located directly above the upper
The end of the central tube 104 also sealed with a flange cover 119 is located. At the circumference of the arched
A ring-like flange 120 is attached to the base 105, with which the base 105 is attached to a provided on the liner 102
Thermal expansion compensating sleeve 121 is suspended.
This precaution serves to avoid thermal stresses.
The external medium is introduced into the pod 101 from below through a gas line 130, flows inside the pod 101
Jacket 102a upwards and then enters the guide jackets 111, which it flows through in countercurrent to the inner medium. In the upper area of the recuperator, on the
At the height of the tube sheets 109, a further gas line 131 is provided through which the external medium leaves the recuperator again. The two gas lines 130 and 131 are each laid in an opening in the wall of the prestressed concrete pressure tank (not shown).
The inner medium is fed into the recuperator through a line 122 which enters the liner 102 above the suspension of the curved bottom 105. The
Distribution to the individual boxes takes place by means of the pipes 116 inserted in the curved floor 105.
To return the inner medium, pipes 123 are provided which are connected to the outlet stubs 115.
They are laid in a spiral shape below the heat exchanger surfaces of the recuperator, namely in its outer area. The tubes 123 are led approximately to the level floor 106 and then bent over upwards, where they enter a spherically shaped end collector 124. This is located directly below the lower end of the central tube 104, to which it is connected by a lockable connector 125. At the bottom, a line 126 connects to the spherical end collector 124, which leads to a container 127. This is connected to a gas guide line 128 which emerges laterally from the liner 102 and is laid in an opening opening into the pod 101 (not shown). In order to be able to illustrate the facts better, both the gas guide line 128 and the storage container 127 have been placed in the sectional plane.
In the line 126 a separation point 129 is provided, to which one has access from above through the central pipe 104.
This separation point enables the recuperator to be expanded by remote control, i.e. H. to separate it from the container 127 and the gas guide line 128.
If repairs are only to be carried out on individual boxes 103, the pipes 123 leading to the relevant boxes can be mapped from above through the central pipe 104 at their point of entry into the spherical end collector 124.
7 and 8 show two ways in which the separation point 129 can be designed. 7 shows a bayonet lock 132 which is secured by two assembly welds 133. The line 126 is disconnected at this point; the lower part 134 of the line engages in a ring-like part 135 which engages behind a flange 137 which is located on the upper part 136 of the line 126.
The alternative solution shown in FIG. 8 provides a simple welded seam 138 in the line 126.
Since the illustrated embodiment relates to the recuperator of a high-temperature reactor with a helium turbine, the two media exchanging heat with one another are helium. The hot low-pressure gas coming from the turbine enters the recuperator through the gas line 130. H. inside the baffles 111, which are open on both sides, flows through. The cooled helium leaves the recuperator again through the gas line 131 and is passed on to a precooler (not shown) through which it also flows on the shell side. After the helium has passed the pre-cooler and has been compressed to high pressure again in a compressor, it is returned to the recuperator as high-pressure gas.
The cold helium passes through the line 122 into the space above the curved floor 105, which works as a distributor head. The gas is distributed to the pipelines 116, in which it is guided to the inlet connection 114 and the collector hoods 112. In the tube sheets 109, the cold high-pressure gas is distributed to the tubes 107 of the individual tube bundles 108, through which it flows from top to bottom. It absorbs heat from the turbine exhaust gas flowing in the opposite direction. The helium is collected again in the collector hoods 113 and enters the return pipes 123 through the outlet nozzles 115, in which it reaches the end collector 124. The helium flows through the line 126 and the container 127 to the gas guide line 128, through which it then leaves the recuperator in order to return to the core of the high-temperature reactor.
The helium heats up as it passes through the reactor core, whereupon it is fed to the turbine, where it expands. When the low-pressure gas enters the recuperator, the helium cycle is closed.