CH637204A5

CH637204A5 - Heat exchanger for high temperatures and having a multiplicity of straight tube bundles

Info

Publication number: CH637204A5
Application number: CH279578A
Authority: CH
Inventors: Hans Ecker
Original assignee: Hochtemperatur Reaktorbau Gmbh
Priority date: 1977-03-17
Filing date: 1978-03-15
Publication date: 1983-07-15
Also published as: DE2711545A1; DE2711545C2

Description

Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher für hohe Temperaturen gemäss dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Bekannt ist die Verwendung von Geradrohr-Wärmetau-50 schern in Leichtwasserreaktoren zur Dampferzeugung. Hierbei arbeiten die Wärmetauscher bei einem niedrigen Temperaturniveau (ca. 300 °C), und die Wärmeübertragung erfolgt von dem innerhalb der Rohre strömenden heissen Medium, also dem Primärmedium oder Kühlmedium des Reaktors, im Längsstrom 55 auf das aussen an den Rohren entlangströmende sekundäre Medium. Die Geradrohre sind in plattierten Lochplatten eingesetzt, die als Sammler bzw. als Verteiler fungieren. Die Lochplatten sind aus Feinkornbaustahl hergestellt und weisen einen grossen Aussendurchmesser sowie grosse Wanddicken auf. so Bei grösseren Einheiten der Geradrohr-Wärmetauscher wird der Baudurchmesser nicht nur vom Querschnittsbedarf im aktiven Bereich, sondern auch von dem zusätzlich benötigten Platz für die Randbereiche der Sammler bzw. Verteiler bestimmt. Werden für die genannten Wärmetauscher vollberohrte 65 Bündel zugrunde gelegt (d.h. die Bündel sind im Grundriss voll mit Rohren besetzt), so werden entweder kompakte Sammler oder Lochplatten verwendet, oder die Bündel müssen in Teilbereiche mit Einzelsammlern für jeden Bereich aufgeteilt werden.

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Im ersten Fall sind grosse Wanddicken erforderlich, die bei höheren Temperaturen, also beispielsweise beim Einsatz der Wärmetauscher in Hochtemperaturreaktoranlagen, zu Werkstoffproblemen und Wärmespannungsproblemen führen. Infolge der grösseren Temperaturtransienten können Feinkornstähle nicht mehr eingesetzt werden. Für hochwarmfeste Werkstoffe dagegen ist die Schmiedbarkeit nicht mehr gewährleistet.

Bei Aufteilung der Bündel in Teilbereiche mit Einzelsammlern ergeben sich bei den Lochplatten grössere Randzonen, die zwangsläufig separate Leitmäntel für die erfassten Teilbereiche erfordern. Die Abdichtung der Spalte zwischen den Leitmänteln der einzelnen Teilbereiche stellt ein grosses Problem dar. Ein derartiger Wärmetauscher ist beispielsweise in der DE-OS 21 20 544 beschrieben. Die Einzelelemente, die einen runden oder polygonalen Querschnitt besitzen, sind von einem beidseitig offenen inneren Leitmantel umgeben. Alle Leitmäntel sind strömungsdicht in eine senkrecht zu ihnen verlaufende Platte eingesetzt, die ihrerseits ebenfalls strömungsdicht mit dem Gehäuse des Wärmetauschers verbunden ist. Interne Bypassströ-mungen werden hier zwar vermieden, aber die ungehinderte Ausdehnung der einzelnen Bereiche ist nicht gewährleistet.

Die Aufteilung der Rohrbündel in Einzelelemente mit separaten Leitmänteln bedeutet zudem wegen der verlorenen Zwischenräume eine Vergrösserung des Wärmetauscher-Quer-schnitts. Weitere Wärmetauscher mit einer grossen Anzahl von Einzelelementen, die mit ihrem inneren Leitmantel und den Rohrböden oder Lochplatten sogenannte Boxen bilden, sind aus den DE-OS 24 24 355,24 30 161 und 25 17 693 bekannt.

Von diesem Stand der Technik ausgehend, ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Wärmetauscher der eingangs beschriebenen Art zu schaffen, der für den Einsatz bei hohen Temperaturen geeignet ist und eine kompakte Bauform aufweist.

Diese Aufgabe wird gemäss dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 gelöst.

Der erfindungsgemässe Wärmetauscher kann z.B. als Dampferzeuger oder Zwischenüberhitzer in den Primärkreisläufen von Hochtemperaturreaktoren verwendet werden. Sind die Rohre eines Rohrbündels im Grundriss beispielsweise in Dreiecksteilung angeordnet, so sind in einem Zwischenverteiler bzw. Zwischensammler sieben Dampferzeugerrohre zusammen-gefasst. Die grosse Zahl der Einzelrohre im Bündel (bei einem Geradrohr-Dampferzeuger in einer Hochtemperaturreaktoranlage sind es etwa 28 000 Rohre) wird hier also um den Faktor 7 reduziert, und es ist nicht mehr notwendig, die kompakten Rohrbündel in Einzelelemente aufzuspalten. Durch die niedrige H20-Geschwindigkeit im Bündel ist es hier sogar möglich, die gleiche Abmessung des Bündels bis zur Anschlussstelle an der Lochplatte beizubehalten, wodurch relativ kleine Lochplatten ausreichen.

Der maximale Aussendurchmesser eines Zwischenverteilers bzw. Zwischensammlers ergibt sich für ein Bündel mit Dreiecksteilung aus der Beziehung

D^2 • V3 ■ t—da = 3,46 t—da

Hierzu bedeuten:

D = Aussendurchmesser des Zwischenverteilers bzw. Zwischensammlers t = Rohrleitungsabstand da = Aussendurchmesser des Einzelrohres

Das kleinstmögliche Teilungsverhältnis ergibt sich aus der Beziehung

3,46t — da =5 V2t + da

Die enge Anordnung der Zwischenverteiler bzw. Zwischensammler lässt sich durch die Versetzung der benachbarten Zwischenverteiler bzw. Zwischensammler in mindestens drei verschiedenen Ebenen erreichen. Auf diese Weise kann eine ununterbrochene Dreiecksteilung im Bündel beibehalten werden.

5 Der Einsatz des erfindungsgemässen Wärmetauschers in den Primärkreisläufen von Hochtemperaturreaktoren ist überall dort möglich, wo die Volumenströme der innen und aussen strömenden Medium starke Unterschiede aufweisen. Dies ist der Fall bei Dampferzeugern und Zwischenüberhitzern, bei Vor-io und Zwischenkühlern in mit Heliumturbinen gekoppelten Hochtemperaturreaktoren sowie bei den Kühlern von Nachwär-meabfuhrsystemen. In diesen Wärmetauschern werden die zulässigen Strömungsgeschwindigkeiten des in den Rohren strömenden Mediums im Bündelbereich nicht ausgeschöpft, wo-15 durch eine Querschnittsreduzierung durch Zwischenverteiler auf der Ein- und Zwischensammler auf der Austrittsseite des sekundären Mediums möglich ist. Die Abmessungen der Lochplatten an den beiden Bündelenden können somit wesentlich kleiner gehalten werden als bei direkt an die Heizfläche an-20 schliessenden Lochplatten. Dies hat zusätzlich den Vorteil, dass kleinere Lochplatten eine geringere Empfindlichkeit gegenüber Temperaturtransienten aufweisen, wie sie beispielsweise beim An- und Abfahren der Reaktoranlagen auftreten.

Neben der kompakten Bauform der in Zwischenverteilern 25 und Zwischensammlern zusammengefassten Geradrohrbündel wirkt sich noch vorteilhaft aus, dass die Bündel in kürzeren Zeiten gefertigt werden können als Bündel, die nur eine Lochplatte auf jeder Seite besitzen. Ausserdem ist kein Biegen der Rohre vor dem Eintritt in den Sammler erforderlich.

3o Die Wärmetauscher-Bündel können noch kompakter ausgebildet werden, wenn die gegeneinander versetzt angeordneten Zwischenverteiler bzw. Zwischensammler sich im Grundriss überdecken.

Vorzugsweise sind die Einzelrohre an dem ihnen zugewand-35 ten Teil der Zwischenverteiler bzw. Zwischensammler ange-schweisst bzw. in diesen eingeschweisst oder eingelötet und sind die weiterführenden Rohre jeweils an dem anderen Teil der Zwischenverteiler bzw. Zwischensammler angeschweisst. Der Durchmesser der weiterführenden Rohre ist vorzugsweise so 40 bemessen, dass alle Schweissnähte gut von innen besichtigt werden können. Nach einem in den letzten Jahren erfolgreich angewandten Schweissverfahren können die Einzelrohre von innen an den betreffenden Teil des Zwischenverteilers bzw. Zwischensammlers angeschweisst werden, wobei sie nicht direkt, sondern 45 über kurze Stutzen mit der Schale verbunden sind. Das An-schweissen der Einzelrohre von aussen ist natürlich ebenfalls möglich.

Vorteilhaft ist es, die beiden Teile der Zwischenverteiler und Zwischensammler als Pressteile oder Gesenkschmiedestük-50 ke herzustellen, da sich auf diese Weise die Fertigung sehr wirtschaftlich durchführen lässt. Besonders bei Geradrohrbündeln für hohe Drücke und hohe Temperaturen mit extrem kleiner Rohrteilung wirkt sich eine solche Herstellungsweise günstig aus. Ein positiver Effekt tritt auch bereits dann ein, wenn nur 55 die den Einzelrohren zugekehrten Schalenteile als Gesenkschmiedestücke vorgefertigt oder aus einem vollen Stück spangebend bearbeitet sind.

Die Fertigung der Zwischenverteiler und Zwischensammler wird z.B. in folgenden Schritten vorgenommen: 1. Vorfertigen 60 der den Einzelrohren zugewandten Schalenteile (und der anderen Schalenteile) als Pressteil, 2. Anschweissen der Einzelrohre nach Fertigstellung von Einzelpaketen oder des Gesamtbündels (nach Aufsetzen der Rohrhalterungen usw.), 3. Prüfen der Schweissnähte, 4. Anschweissen der den Einzelrohren zuge-65 wandten Schalenteile an die anderen Schalenteile, 5. Prüfen der Schweissnähte.

Für die Zwischenverteiler und Zwischensammler sind mehrere Bauformen möglich. So können die beiden Teile derselben

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als Halbkugelschalen ausgebildet sein, wobei die beiden Halbkugeln den gleichen Radius aufweisen, oder die genannten Teile können als kugelige Schalen mit verschiedenen Radien ausgebildet sein, wobei die beiden Schalen durch eine Torusschale miteinander verbunden sind.

Der den Einzelrohren zugewandte Teil der Zwischenverteiler und Zwischensammler weist vorzugsweise eine vieleckige, z.B. quadratische Querschnittsform auf, die bis zum Anschluss an den zugehörigen anderen Teil in Kreisform übergeht. Quadratische Querschnittsform wird für den erstgenannten Teil zweckmässigerweise dann gewählt, wenn die Bündel eine quadratische Rohrteilung aufweisen. Analog der Dreiecksteilung, bei der sieben Rohre eines Bündels zu einem Zwischenverteiler bzw. Zwischensammler zusammengefasst sind, treten hier jeweils vier Rohre in einen Zwischenverteiler bzw. Zwischensammler sein. Der maximale Aussendurchmesser des Zwischenverteilers bzw. Zwischensammlers ergibt sich in diesem Fall zu

D f= 2 • V2Ï5 ■ t—da = 3,16 t—da und für das kleinstmögliche Teilungsverhältnis besteht die Beziehung

3,16t-da^V2 • t+da

Auch hier wird durch Anordnung benachbarter Zwischenverteiler bzw. Zwischensammler in verschiedenen Ebenen eine ununterbrochene Quadratteilung im Bündel erreicht.

Es sind noch andere Rohrteilungen im Bündel möglich; beispielsweise können die Rohre auf konzentrischen Teilkreisen um die Wärmetauscherachse und auf Radialstrahlen angeordnet sein, so dass sich eine trapezförmige Rohrteilung ergibt. Auch hier können jeweils vier Einzelrohre in einem Zwischenverteiler bzw. Zwischensammler zusammengefasst werden.

Die den Einzelrohren abgewandten Teile der Zwischenverteiler und Zwischensammler weisen vorzugsweise eine runde Querschnittsform auf und sind z.B. kugelförmig oder besser halbkugelförmig ausgebildet. Bei manchen Anwendungsbeispielen des erfindungsgemässen Wärmetauschers kann es aber auch zweckmässig sein, diese Teile als Kegelschalen auszubilden, an die sich jeweils das weiterführende Rohr anschliesst.

Um den Durchmesser der Zwischenverteiler und Zwischensammler zu reduzieren und damit einen noch kompakteren Aufbau der Geradrohrbündel zu erreichen, können die Zwischenverteiler und Zwischensammler im Bereich der ringförmigen Anschlussstelle ihrer beiden Teile spangebend bearbeitet sein. Durch diese Massnahme kann auch eine gewisse Verschiebbarkeit der Zwischenverteiler und Zwischensammler erzielt werden, wenn der Abstand derselben unverändert bleibt.

Wenn die vorhandene Bauhöhe gross genug ist und die Strömungsgeschwindigkeit des sekundären Mediums es zulässt, können bei jedem Geradrohrbündel auf der Eintritts- und der Austrittsseite des sekundären Mediums mehrere Stufen von Zwischenverteilern bzw. Zwischensammlern vorgesehen sein. Ist z.B. in der ersten Stufe eine Reduktion der Rohrzahl um den Faktor 7 erfolgt, so kann in einer weiteren Stufe nochmals eine Herabsetzung der Rohrzahl um den gleichen Faktor vorgenommen werden und so fort.

Gemäss einer vorteilhaften Weiterentwicklung der Erfindung können bei einem Wärmetauscher, bei dem die Zuführung und Abführung des sekundären Mediums auf der gleichen Stirnseite des Wärmetauschers erfolgt, die Zwischenverteiler und Zwischensammler jedes Bündels auf dieser Stirnseite auf verschiedenen horizontalen Ebenen angeordnet und auf der dieser Stirnseite abgewandten Seite des Wärmetauschers aus zwei trogähnlichen Schalen gebildete Umkehrsammler angeordnet sein, die jeweils einem nebeneinanderliegenden Zwischenverteiler und Zwischensammler zugeordnet sind. In jeden dieser

Umkehrsammler münden dann die aus dem zugeordneten Zwischenverteiler und Zwischensammler austretenden Einzelrohre ein, wobei die von dem Zwischenverteiler ausgehenden Einzelrohre in entgegengesetzter Richtung von dem sekundären Me-" 5 dium durchströmt werden wie die zu dem Zwischensammler führenden Einzelrohre. Vorzugsweise überdeckt der Querschnitt jedes Umkehrsammlers die Querschnitte des zugeordneten Zwischenverteilers und Zwischensammlers. Die Umkehrsammler treten somit an die Stelle von U-förmig gebogenen io Rohren, die üblicherweise bei solchen Wärmetauschern verwendet werden und die infolge hoher Wärmedehnungsdifferenzen oft mit grossen Bögen versehen sein müssen.

Die bei derartig gebogenen Verbindungsrohren auftretenden Spannungsprobleme sowie der grössere Platzbedarf werden i5 durch die Umkehrsammler vermieden.

Die einem Umkehrsammler zugeordneten Zwischenverteiler und Zwischensammler sind hinsichtlich des in den Rohren strömenden Mediums hintereinandergeschaltet. Da das äussere Medium nur in einer Richtung strömt, handelt es sich hier also 20 in Bezug auf die Wärmeübertragung um einen Wärmeaustauscher, bei dem - im Grundriss gesehen - Gleichstrom- und Ge-genstromelemente gleichmässig gemischt sind.

Diese Umkehrsammler eignen sich nur für quadratische Rohrteilung, falls keine Gassen zwischen den einzelnen Ele-25 menten vorhanden sein dürfen. Wird eine andere Rohrteilung gewählt, d.h. sind solche Gassen zugelassen, so muss jedes Element mit einem separaten Leitmantel umgeben sein. Anwendungsmöglichkeiten für die Umkehrsammler ergeben sich für die Zwischenüberhitzer von in Hochtemperaturreaktoranlagen 30 befindlichen Dampferzeugern sowie für die Hilfswärmetauscher von in einer gleichen Anlage angeordneten Nachwärmeabfuhr-systemen.

Vorteilhafterweise sind an den Umkehrsammlern an der den Einzelrohren abgewandten Seite Stutzen angebracht, die 35 mit einer Tragkonstruktion für die Geradrohrbündel in Verbindung stehen. Die Umkehrsammler werden somit als Aufhängeoder Auf lagerfestpunkt benutzt, wobei das Gleichstrom- und das Gegenstromelement jedes Umkehrsammlers (d.h. die in Richtung bzw. Gegenrichtung zum äusseren Medium durch-40 strömten Einzelrohre mit dem anschliessenden Zwischenverteiler bzw. Zwischensammler) sich unabhängig voneinander in Achsenrichtung dehnen können. Eine Auflagerung oder Aufhängung der Geradrohrbündel sowohl an dem Eintritts- als auch an dem Austrittsstrang des sekundären Mediums ist nur 45 bei sehr geringen Temperaturdifferenzen der beiden im Wärmeaustausch befindlichen Medien denkbar. Eine Auflagerung oder Aufhängung nur an dem Eintritts- oder dem Austrittsstrang dürfte wegen der Aussermittigkeit des betreffenden Stranges nur in wenigen Einzelfällen möglich sein.

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Die Umkehrsammler können - wie die Zwischenverteiler und Zwischensammler - in drei verschiedenen, senkrecht zur Achse des Wärmetauschers liegenden Ebenen derart angeordnet sein, dass benachbarte Umkehrsammler gegeneinander ver-55 setzt sind und sich im Grundriss überdecken. Dies erlaubt einen kompakten Aufbau des Geradrohrbündels, wobei die Umkehrsammler so nahe aneinander gerückt werden können, dass ein Geradrohrbündel ohne Gassen entsteht.

Die Umkehrsammler lassen sich auf diese Weise zu einer 60 kompakten Struktur mit beliebiger Grundrissform, vorzugsweise jedoch zu einer Struktur mit kreisförmigem oder kreisringförmigem Grundriss zusammensetzen.

In der Zeichnung sind mehrere Ausführungsbeispiele des erfindungsgemässen Wärmetauschers sowie der Zwischen-65 Sammler schematisch dargestellt, bei denen es sich um zu dem Primärkreislauf einer Hochtemperaturreaktoranlage gehörende Komponenten handelt. Die Figuren zeigen im einzelnen:

Fig. 1 einen Geradrohr-Dampferzeuger für einen heliumge-

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kühlten Hochtemperaturreaktor mit zwei Wärmenutzungskreis- dient als Vorwärmer, in den das Wasser mit ca. 190 °C eintritt,

läufen im Längsschnitt, während das Helium sich in dem Vorwärmer bis auf ca. 310 °C

Fig. 2 die Anordnung der Zwischensammler dieses abkühlt.

Dampferzeugers im Längsschnitt nach der Linie A-A der Fig. 3, In der Fig. 2 sind Ausbildung und Anordnung der Zwi-

Fig. 3 einen Querschnitt nach der Linie B-B der Fig. 2, 5 schensammler 15 dargestellt, die analog auch für die Zwischen-

Fig. 4 eine andere Ausführungsform der Zwischensammler Verteiler 14 gelten. Jeder Zwischensammler 15 besteht aus zwei des Dampferzeugers der Fig. 1, zusammengeschweissten halbkugeligen Schalen 19 und 20 glei-

Fig. 5 eine weitere Ausführungsform der Zwischensammler chen Durchmessers, die als Pressteile oder Gesenkschmiede-

des Dampferzeugers der Fig. 1, stücke hergestellt sind. In die untere Schale 19 treten jeweils

Fig. 6 eine dritte Ausführungsform der Zwischensammler 10 sieben Einzelrohre 8 eines Geradrohrbündels 3 ein, die mit der sowie der Rohrteilung des Dampferzeugers der Fig. 1, Schale 19 bzw. mit an dieser Schale angesetzten Stutzen 21

Fig. 7 eine weitere Variante eines Zwischensammlers des verschweisst sind. An die obere Schale 20 jedes Zwischensamm-

Dampferzeugers nach Fig. 1 im Längsschnitt nach der Linie lers 15 schliesst sich eines der nach oben weiterführenden Rohre

C-C der Fig. 8, 16 an, wobei die Rohre 16 an in den Schalen 20 befindlichen

Fig. 8 einen Querschnitt nach der Linie D-D der Fig. 7, 15 Stutzen 22 angeschweisst sind. Die Achsen der Rohre 16, deren

Fig. 9 einen Teil der Heizfläche eines Zwischenüberhitzers oberes Ende mit einer der Lochplatten 17 verbunden ist, liegen in Geradrohrausführung mit Umkehrsammlern, parallel zu den Achsen der Einzelrohre 8.

Fig. 10 einen Schnitt durch einen Umkehrsammler nach der Die Zwischensammler 15 sind in drei verschiedenen hori-

Linie E-E der Fig. 9, zontalen Ebenen I, II, III angeordnet, wobei benachbarte Zwi-

Fig. 11 die Ansicht F des in der Fig. 9 gezeigten Zwischen- 20 schensammler stets gegeneinander versetzt sind. Auf diese Wei-

überhitzer-Ausschnittes, se ist es möglich, durch das ganze Bündel hindurch eine unun-

Fig. 12 zwei Querschnitte durch die Fig. 9, die die Anord- terbrochene Rohrteilung beizubehalten. Bei dem beschriebenen nung der Zwischenverteiler, Zwischensammler und der Um- Ausführungsbeispiel handelt es sich um eine Dreiecksteilung,

kehrsammler auf den verschiedenen horizontalen Ebenen wie aus der Fig. 3 zu erkennen ist. Aus dieser Figur geht hervor,

zeigen. 25 dass sich die versetzt angeordneten Zwischensammler 15 im

Die Fig. 1 lässt einen Dampferzeuger in Geradrohrführung Grundriss überdecken, wodurch sich ein besonders kompakter und in stehender Anordnung erkennen, der zum Primärkreis- Aufbau der Geradrohrbündel 3 ergibt. Durch die in die Zwi-

lauf eines heliumgekühlten Hochtemperaturreaktors gehört. Er schensammler 15 eingeschriebenen Ziffern I, II, III ist angedeu-

besteht im wesentlichen aus einem Stahlbehälter 1, einem aus- tet, in welcher Ebene jeder Zwischensammler 15 angeordnet ist. seren Leitmantel 2, der Heizfläche mit einer Anzahl von Gerad- 30 Es ist klar ersichtlich, dass einander benachbarte Zwischen-

rohrbündeln 3, einem Tragrost 4 und einem Auflagerflansch 5. sammler stets in verschiedenen Horizontalebenen liegen.

Oberhalb der Heizfläche ist ein Zwischenboden 6 installiert, der Die Fig. 4 zeigt eine andere Ausführungsform der Zwi-

mit dem äusseren Leitmantel 2 verbunden ist. schensammler 15 und Zwischenverteiler 14 des in den Fig. 1 bis

Ein Zentralrohr 7 führt vom Boden des Dampferzeugers 3 dargestellten Dampferzeugers. Es ist hier nur einer der Zwi-

durch die gesamte Heizfläche hindurch. Durch dieses Zentral- 35 schensammler 15 gezeigt. Dieser besteht aus zwei kugelig aus-

rohr tritt das primäre Medium, also Helium, in den Dampfer- gebildeten Schalenteilen 23,24, die durch eine Torusschale 25

zeuger ein und wird nach oben geführt, bis es an dem Zwischen- miteinander verbunden sind. Die beiden Schalenteile 23,24

boden 6 umgelenkt wird. Darauf strömt es an den Einzelrohren weisen einen verschiedenen Radius auf. Unterhalb des Zwi-

8 der Geradrohrbündel 3 entlang nach unten, wobei es seine schensammlers 15 ist ein Querschnitt durch die Einzelrohre 8 Wärme an das in den Einzelrohren 8 nach oben strömende Was- 40 dargestellt, die hier ebenfalls in Dreiecksteilung angeordnet ser als Sekundärmedium abgibt. In einem Ringspalt 9 zwischen sind. Es sind sieben Einzelrohre in einem Zwischensammler 15

dem äusseren Leitmantel 2 und dem Stahlbehälter 1 wird das zusammengefasst, die an Stutzen 26 angeschweisst sind. Das

Helium wieder nach oben geleitet und tritt durch Öffnungen 10 weiterführende Rohr 16 ist an dem Schalenteil 24 ange-

aus dem Dampferzeuger aus. schweisst.

In dem kalottenförmigen Abschlussteil am Boden des Stahl- « In der Fig. 5 ist ein Zwischensammler 15 gezeigt, dessen behälters 1 sind mehrere Stutzen 11 eingesetzt, an die sich oberer Schalenteil 27 von einer kugeligen Form in eine Form (nicht gezeigte) Rohrleitungen für die Zuführung des Speise- mit sechseckigem Querschnitt übergeht. Der untere Schalenteil wassers anschliessen. Unmittelbar oberhalb der Stutzen 11 be- 28 weist durchgehend, also auch an der Anschlussstelle 29, finden sich jeweils einem Geradrohrbündel 3 zugeordnete einen sechseckigen Querschnitt auf. Aus dem unterhalb des Lochplatten 12, die das Speisewasser auf eine Anzahl von Roh- so Zwischensammlers 15 dargestellten Grundriss durch die Einzelren 13 verteilen, von denen jedes mit einem Zwischenverteiler röhre 8 ist zu erkennen, dass diese Rohre in Dreiecksteilung 14 in Verbindung steht. Die Zwischenverteiler 14 sind analog angeordnet sind.

den in der Fig. 2 näher erläuterten Zwischensammlern 15 aus- Der in der Fig. 6 gezeigte Zwischensammler 15 ist für einen gebildet, die unterhalb des Zwischenbodens 6 angeordnet sind. Dampferzeuger gedacht, der eine quadratische Rohrteilung be-

Aus den Zwischenverteilern 14 tritt das Wasser in die Einzel- 55 sitzt, wie aus dem dargestellten Querschnitt unterhalb des Zwi-

rohre 8 ein und strömt in diesen nach oben bis in die Zwischen- schensammlers 15 ersichtlich ist. Dieser Rohrteilung ist der sammler 15. Durch von den Zwischensammlern 15 nach oben Zwischensammler 15 angepasst, dessen unterer Schalenteil 31

führende Rohre 16 gelangt das Wasser bzw. der in den Gerad- an der den Einzelrohren 8 zugewandten Seite einen quadrati-

rohrbündeln 3 erzeugte Dampf zu Lochplatten 17, wobei jede sehen Grundriss aufweist, der bis zu dem Anschluss 32 an den dieser Lochplatten einem Geradrohrbündel zugeordnet ist. In «so oberen, halbkugelig ausgebildeten Schalenteil 30 in einen kreis-

dem oberen Abschlussteil des Stahlbehälters 1 sind weitere förmigen Querschnitt übergeht. Im Bereich des Anschlusses 32

Stutzen 18 an dem Behälter 1 angesetzt, die sich jeweils über ist der Zwischensammler 15 spangebend bearbeitet, um seinen den Lochplatten 17 befinden und an die sich den Dampf abfüh- Durchmesser zu reduzieren und damit eine engere Bündelung rende Leitungen anschliessen (nicht dargestellt). zu erreichen. Es sind vier Einzelrohre 8 in einem Zwischen-

Das Helium tritt mit ca. 670 °C oben in die Dampferzeuger- 65 sammler 15 zusammengefasst.

Heizfläche ein, deren oberer Teil als Überhitzer arbeitet. Der in In den Fig. 7 und 8 ist eine weitere Variante des Zwischen-dem mittleren Teil erzeugte Dampf verlässt den Dampferzeuger sammlers 15 dargestellt. Hier ist der untere Schalenteil 33 wie-

mit ca. 520 °C. Der untere Teil der Dampferzeuger-Heizfläche der als Halbkugel ausgebildet, in die sieben Einzelrohre 8 einge-

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setzt sind. Diese sind — wie die Fig. 8 zeigt - in Dreiecksteilung angeordnet. Der obere Schalenteil besteht aus einer Kegelschale 34.

Die Fig. 9,10,11 und 12 zeigen einen Ausschnitt aus einem Zwischenüberhitzer in stehender Anordnung, bei dem das sekundäre Medium, also Wasser, auf der gleichen Seite zu- und abgeführt wird. Die Zwischenverteiler 14 und Zwischensammler 15, die aus zwei Halbkugelschalen 35,36 zusammengesetzt sind, befinden sich daher auf ein und derselben Seite des Zwischenüberhitzers, wenn auch auf verschiedenen horizontalen Ebenen, wie im Zusammenhang mit der Fig. 12 noch näher erläutert wird.

Auf der anderen Seite des Zwischenüberhitzers sind Umkehrsammler 37 vorgesehen, die jeweils aus zwei trogähnlichen Schalen 38,39 zusammengeschweisst sind und im Grundriss einen nebeneinander angeordneten Zwischenverteiler und Zwischensammler überdecken. Die Umkehrsammler 37 sind ebenfalls auf verschiedenen horizontalen Ebenen angeordnet, wie aus den Fig. 11 und 12 erkennbar ist.

Die Geradrohrbündel 3 weisen eine quadratische Rohrteilung auf, und dementsprechend gehen von jedem Zwischenverteiler 14 vier Einzelrohre 8 nach unten aus, die in den entsprechenden Umkehrsammlern 37 einmünden, und ebensoviele Rohre 8 treten aus diesem Umkehrsammler aus und führen zu dem zugehörigen Zwischensammler 15. Der Umkehrsammler 37 hat also die Stelle von U-förmig gebogenen Rohren eingenommen, die üblicherweise die Verbindung zwischen den von der Eintrittsseite kommenden und zu der Austrittsseite führenden Rohrsträngen herstellen. Diese beiden Rohrstränge werden in entgegengesetzter Richtung von dem sekundären Medium durchströmt. Da das äussere Medium nur in einer Richtung

(aufwärts oder abwärts) durch den Zwischenüberhitzer geführt wird, stellt die Heizfläche des Zwischenüberhitzers ein Gemisch von Gleichstrom- und Gegenstromelementen dar.

An dem Boden jedes Umkehrsammlers 37 ist ein Stutzen 40 5 angebracht, der mit einer (nicht gezeigten) Tragkonstruktion für den Zwischenüberhitzer verbunden ist und für die Lastabtragung verwendet wird. Bei einem Zwischenüberhitzer in hängender Anordnung, bei dem zudem die Umkehrsammler oben und die Zwischenverteiler und -sammler unten angeordnet sind, io können an den Umkehrsammlern ebenfalls Stutzen angebracht sein, die zur Aufhängung der Geradrohrbündel dienen.

Die Fig. 11 und 12 zeigen das Zusammenfügen einer Vielzahl von Umkehrsammlern 37 zu einer kompakten Struktur 41, 15 das durch die Anordnung der Umkehrsammler auf verschiedenen horizontalen Ebenen möglich ist. Dabei sind benachbarte Umkehrsammler 37 jeweils zueinander versetzt. Die horizontalen Ebenen sind hier mit I', II' und III' bezeichnet. Die Zwischenverteiler 14 und Zwischensammler 15 sind ebenfalls ver-2C setzt angeordnet, und zwar auf den horizontalen Ebenen I, II und III. Die Fig. 12 zeigt auf der rechten Seite die Struktur 42, die von den Zwischenverteilern 14 und Zwischensammlern 15 gebildet wird. Wie durch gestrichelte Linien und Schraffuren angedeutet ist, sind der auf der Ebene II befindliche Zwischensammler 15 und der auf der Ebene III befindliche Zwischenverteiler 14 dem auf der Ebene I' liegenden Umkehrsammler 37 zugeordnet. Zu dem auf der Ebene II' befindlichen Umkehrsammler 37 gehören der auf der Ebene III angeordnete Zwischensammler 14 und der auf der Ebene I liegende Zwischenverteiler 15. In gleicher Weise erfolgt die Zuordnung der übrigen Zwischensammler und -Verteiler zu den Umkehrsammlern.

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11 Blatt Zeichnungen

Claims

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1. Wärmetauscher für hohe Temperaturen, mit einer Vielzahl von Geradrohrbündeln, wobei jedes Geradrohrbündel für den Ein- und Austritt des durch die Rohre strömenden sekundären Mediums je eine Lochplatte aufweist, vorzugsweise für den Einsatz in Hochtemperaturreaktoranlagen, dadurch gekennzeichnet, dass bei jedem Geradrohrbündel (3) für die Zuführung des sekundären Mediums.eine Anzahl von Zwischenverteilern (14) und für die Abführung dieses Mediums eine Anzahl von Zwischensammlern (15) vorgesehen sind, die jeweils mehrere Einzelrohre (8) des Bündels (3) zusammenfassen, wobei die Achsen der gesammelten Einzelrohre (8) jedes Zwischenverteilers (14) und jedes Zwischensammlers (15) parallel zu der Achse eines weiterführenden Rohres (13,16) angeordnet sind, das den jeweiligen Zwischenverteiler (14) bzw. Zwischensammler (15) mit einer der beiden Lochplatten (12,17) des Geradrohrbündels (3) verbindet, dass die Zwischenverteiler (14) und Zwischensammler (15) je zwei schalenförmig ausgebildete Teile (19,20; 23,24; 27,28; 30,31; 33,34; 35,36) aufweisen und dass die Zwischenverteiler (14) und die Zwischensammler (15) jeweils in mindestens zwei verschiedenen, senkrecht zur Achse des Wärmetauschers liegenden Ebenen (I, II, III) derart angeordnet sind, dass benachbarte Zwischenverteiler bzw. Zwischensammler gegeneinander versetzt sind.

2. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die gegeneinander versetzt angeordneten Zwischenverteiler (14) bzw. Zwischensammler (15) sich im Grundriss überdecken.

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PATENTANSPRÜCHE

3. Wärmetauscher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Einzelrohre (8) an dem ihnen zugewandten Teil (19,23,28,31,33,35) der Zwischenverteiler (14) bzw. Zwischensammler (15) angeschweisst bzw. in diesen einge-schweisst oder angelötet sind und dass die weiterführenden Rohre (13,16) jeweils an dem anderen Teil (20,24,27,30,34, 36) der Zwischenverteiler (14) bzw. Zwischensammler (15) angeschweisst sind.

4. Wärmetauscher nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Teile (19,20; 23,24; 27,28; 30, 31 ; 33,34; 35,36;) der Zwischenverteiler (14) und Zwischensammler (15) als Pressteile oder Gesenkschmiedestücke hergestellt sind.

5 Durchmessers spangebend bearbeitet sind.

5. Wärmetauscher nach Anspruch 1 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Teile der Zwischenverteiler (14) und Zwischensammler (15) als Halbkugelschalen (19,20) ausgebildet sind, wobei die beiden Halbkugeln den gleichen Radius aufweisen.

6. Wärmetauscher nach Anspruch 1 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Teile der Zwischenverteiler (14) und Zwischensammler (15) als kugelige Schalen (23,24) mit verschiedenen Radien ausgebildet sind, die durch eine Torus-schale (25) miteinander verbunden sind.

7. Wärmetauscher nach Anspruch 1 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der den Einzelrohren (8) zugewandte Teil (31) der Zwischenverteiler (14) und Zwischensammler (15)

eine vieleckige, z.B. quadratische Querschnittsform aufweist, die bis zum Anschluss (32) an den zugehörigen anderen Teil (30) in Kreisform übergeht.

8. Wärmetauscher nach Anspruch 1 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die den Einzelrohren (8) abgewandten Teile (27) der Zwischenverteiler (14) und Zwischensammler (15)

eine runde Querschnittsform aufweisen und bis zum Anschluss (29) an die mit vieleckigem Querschnitt versehenen unteren Teile (28) ebenfalls in eine Form mit vieleckigem Querschnitt übergehen.

9. Wärmetauscher nach Anspruch 1 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die den Einzelrohren (8) abgewandten Teile der Zwischen Verteiler (14) und Zwischensammler (15) als Kegelschalen (34) ausgebildet sind.

10. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenverteiler (14) und Zwischensammler (15) im Bereich der ringförmigen Anschlussstelle (32) ihrer beiden Teile (30,31) zur Reduzierung des

11. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei jedem Geradrohrbündel (3) auf der Eintritts- und der Austrittsseite des sekundären Mediums mehrere Stufen von Zwischenverteilern (14) und Zwischensammlern (15) vorgese-

îohensind.

12. Wärmetauscher nach Anspruch 1, bei dem die Zuführung und Abführung des sekundären Mediums auf der gleichen Stirnseite des Wärmetauschers erfolgt, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenverteiler (14) und Zwischensammler (15) je-

15 des Bündels (3) auf dieser Stirnseite auf verschiedenen horizontalen Ebenen angeordnet sind, dass auf der dieser Stirnseite abgewandten Seite des Wärmetauschers aus zwei trogähnlichen Schalen (38,39) gebildete Umkehrsammler (37) angeordnet sind, die jeweils einem nebeneinanderliegenden Zwischenver-20teiler (14) und Zwischensammler (15) zugeordnet sind, dass in jeden Umkehrsammler (37) die aus dem zugeordneten Zwischenverteiler (14) und Zwischensammler (15) austretenden Einzelrohre (8) einmünden, wobei die von dem Zwischenverteiler (14) ausgehenden Einzelrohre (8) in entgegengesetzter 25 Richtung von dem sekundären Medium durchströmt werden wie die zu dem Zwischensammler (15) führenden Einzelrohre (8), und dass der Querschnitt jedes Umkehrsammlers (37) die Querschnitte des zugeordneten Zwischenverteilers (14) und Zwischensammlers (15) überdeckt.

so

13. Wärmetauscher nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass an den Umkehrsammlern (37) an der den Einzelrohren (8) abgewandten Seite Stutzen (40) angebracht sind, die mit einer Tragkonstruktion für die Geradrohrbündel (3) in Verbindung stehen.

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14. Wärmetauscher nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Umkehrsammler (37) in drei verschiedenen, senkrecht zur Achse des Wärmetauschers liegenden Ebenen (I', II', III') derart angeordnet sind, dass benachbarte Umkehrsammler (37) gegeneinander versetzt sind und sich im Grundriss 40 überdecken.

15. Wärmetauscher nach den Ansprüchen 12 und 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Umkehrsammler (37) zu einer kompakten Struktur (41) mit kreis- oder kreisringförmigem Grundriss zusammengesetzt sind.