DE1231270B - Rohr fuer Waermeaustauscher - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. CL:

F25h

Deutsche KL: 17 f-12/08

Nummer: 1 231270

Aktenzeichen: H 378741 a/17 f

Anmeldetag: 12. November 1959

Auslegetag: 29. Dezember 1966

Die Erfindung betrifft ein Rohr für Wärmeaustauscher für mindestens zwei aus Sicherheitsgründen zuverlässig voneinander getrennt zu haltende Medien, von denen eines radioaktiv ist, mit einer aus mehreren, aus aneinanderliegenden Metallschichten bestehenden Wandung.

In den französischen Patentschriften 1066959 und 1072416 sind bereits derartige Rohre für Wärmeaustauscher für miteinander unverträgliche, warme und kalte, strömende Medien beschrieben, die aus zwei übereinanderliegenden Metallscheiben bzw. konzentrisch ineinandergesetzten Rohren bestehen. Für den Fall, daß eine der Schichten bzw. eines der beiden Rohre eine Leckstelle besitzt und das Medium entweicht, sind in dem einen Rohr an der vom anderen Rohr abgedeckten Seite schraubenförmige Rillen vorgesehen, durch die das übergetretene Medium abgeführt wird. Eine derartige Anordnung, bei der das ausgetretene Medium durch die schraubenförmigen Rillen abgeführt wird, führt zu einer komplizierten und teueren Konstruktion. Außerdem gibt diese Anordnung keine völlige Sicherheit, da im Falle von Lecks in beiden Rohren eine Berührung der sich miteinander nicht vertragenden Medien erfolgt.

In der französischen Patentschrift 1158 011 ist eine Lösung beschrieben, bei der die miteinander unverträglichen Medien durch ein Zwischenmedium getrennt werden, welches zwischen zwei konzentrischen und im Abstand voneinander befindlichen Rohren vorgesehen ist. Diese Anordnung ist ebenfalls kompliziert in der Konstruktion und genügt insbesondere nicht den Sicherheitsanforderungen bei Kernenergieanlagen.

In der deutschen Patentschrift 833 824 ist ein Kondensatorrohr beschrieben, bei dem die Rohrwandung aus drei konzentrischen Schichten besteht, von denen die mittlere Schicht aus einem anderen Metall als die beiden äußeren, aus dem gleichen Metall bestehenden Schichten ausgeführt ist. Dabei besteht die mittlere Schicht aus Kupfer, während die beiden äußeren Schichten aus Messing sind. Solche Rohre sind somit gegen die Wirkung korrodierender Medien geschützt. Wenn man dieses bekannte Rohr jedoch für einen Wärmeaustauscher einer Kernenergieanlage verwenden würde, bei welchem ein Wärmeaustausch zwischen geschmolzenem Natrium und Wasser stattfinden soll, würde das flüssige Natrium in kurzer Zeit das gesamte Rohr auflösen. Es besteht weiterhin die Gefahr, daß die Auskleidung sich infolge von Wärmeausdehnungen von dem Kernrohr ablöst und damit aufhört, den gewünschten Rohr für Wärmeaustauscher

Anmelder:
Andre Huet, Paris

Vertreter:

Dr. W. Schalk, Dipl.-Ing. P. Wirth,

Dipl.-Ing. G. E. M. Dannenberg

und Dr. V. Schmied-Kowarzik, Patentanwälte

Frankfurt/M., Große Eschenheimer Str. 39

Als Erfinder benannt:
Andre Huet, Paris

Beanspruchte Priorität:

Frankreich vom 13. November 1958 (779 021)

Schutz zu gewährleisten. Insbesondere, wenn das Hauptrohr aus Stahl ist, stellt eine Auskleidung aus einem anderen Metall nur einen schwachen Schutz dar, der im Fall von radioaktiven Medien nicht ausreichend ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Rohr für Wärmeaustauscher in Kernenergieanlagen zu schaffen, welches die Nachteile der bekannten Rohre nicht aufweist und das insbesondere in der Lage ist, sehr steilen Temperaturgradienten standzuhalten. Außerdem soll sichergestellt sein, daß zwisehen den im Austausch miteinander stehenden Medien keine Berührung möglich ist.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist das neue Rohr für Wärmeaustauscher dadurch gekennzeichnet, daß die Rohrwandung aus drei konzentrischen Schichten besteht, von denen die mittlere Schicht aus ferritischem Stahl und die beiden äußeren Schichten aus austenitischem Stahl bestehen und alle drei Schichten durch Strangpressen oder Heißziehen miteinander vereinigt sind.

Während z. B. bei den aus den französischen Patentschriften 1066 959 und 1072416 bekannten Rohren Unterschiede in der Wärmeausdehnung der Schichten eine Gleitverschiebung der beiden sich berührenden Rohre gegeneinander mit sich bringen, werden solche Unterschiede beim Erfindungsgegenstand von der Rohreinheit durch innere Spannungen aufgenommen, ohne daß eine Gleitverschiebung ent-

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steht, und zwar durch Zusammendrückung bzw. Zugspannung an den miteinander verbundenen Schichten. Die austenitischen Stähle haben einen höheren Ausdehnungskoeffizienten als ferritische Stähle, so daß bei Einwirkung erhöhter Temperaturen die Ausdehnungen der austenitischen Außenschichten größer als die Ausdehnung der ferritischen Innenschicht sind. Hieraus ergibt sich, daß die Innenschicht eine Zugspannung erfährt, die die elastische Zusammenpressung der austenitischen Außenschichten kompensiert. Die Vereinigung der drei Schichten wird durch Strangpressen oder Heißziehen herbeigeführt, wobei sich eine Verschweißung zwischen den Schichten ergibt, derart, daß sie ein einstückiges Ganzes bilden. Ein weiterer Vorteil des neuen Rohres liegt darin, daß infolge der Zwischenschicht aus ferritischem Stahl, welcher ein bei weitem besseres Wärmeleitvermögen hat als der z. B. gegen Wasser und flüssiges Natrium beständige austenitische Stahl, eine bessere Wärmeübertragung möglich ist als bei einem Rohr, dessen Wandung nur aus austenitischem Stahl besteht.

Aber auch dann, wenn die auf die äußeren austenitischen Schichten wirkenden Temperaturen höher sind, als es die Elastizitätsgrenze der inneren ferritischen Schicht zuläßt, und diese stellenweise zerreißt, gewährleisten die äußeren Schichten immer noch eine Trennung der beiden Medien voneinander, wobei, da zwischen diesen äußeren Schichten noch genügend ferritischer Werkstoff liegt, auch der Wärmeübergang untereinander gewährleistet ist.

Ein weiterer Vorteil der neuen, aus zwei verschiedenen Stahlarten bestehenden Rohre besteht darin, daß sie sich mühelos zu größeren Rohrlängen miteinander verschweißen lassen.

Durch seinen einfachen Aufbau kann das neue Rohr wie ein normales Rohr für einen Wärmeaustauscher für Kernenergieanlagen verwendet werden, ohne daß sich dessen Raumbedarf erhöht.

Entsprechend einer vorteilhaften Ausführungsform kann die mehrschichtige Wandung, gewellt sein. Auf diese Weise wird der Ausgleich von Wärmeunterschieden zwischen den einzelnen Schichten erleichtert.

Die Erfindung wird im folgenden an Hand der Zeichnungen beispielsweise näher erläutert, und zwar stellt dar

Fig. 1 ein Rohr mit dreischichtiger Wandung im Schnitt,

Fig. 2 einen Schnitt durch dieses dreischichtige Rohr, das asymmetrische Wellungen aufweist und zwischen zwei normalen koaxialen Rohren angeordnet ist, deren Wandung nur einen einschichtigen Aufbau aufweist,

F i g. 3 im Schnitt zwei Rohrkrümmer mit 180°- Biegung, von denen der eine im Inneren des anderen angeordnet ist und der Innere aus einem dreischichtigen Rohr besteht,

Fig. 4 im Längsschnitt durch eine Rohrhälfte ein Teilstück eines dreischichtigen Rohres, an dessen Stirnende eine Schweißnaht angeordnet ist und

F i g. 5 einen Teillängsschnitt durch eine Rohrhälfte eines dreischichtigen Rohres, das mittels einer Schweißnaht auf einen Rohrstutzen oder einen 90°-Rohrkrümmer aus drei Schichten aufgeschweißt ist.

Ein erfindungsgemäßes Rohr für Wärmeaustauscher für eine Kernreaktoranlage weist mehrere Metallschichten auf, und zwar genauer gesagt, eine mittlere Schicht α aus ferritischem Stahl, die zwischen zwei Schichten b und c aus austenitischem Stahl angeordnet ist. Ein solches Rohr bildet in einem Wärmeaustauscher die die beiden wärmeaustauschenden Medien trennende Wandung. Das mehrschichtige Rohr kann glatt sein oder auch gewellt und z.B., wie das Rohr ti der Fig. 2, asymmetrische Wellungen aufweisen. Ein solches Rohr kann z. B. zwischen

ίο zwei gewöhnlichen koaxialen Rohren e und / angeordnet sein, wobei das Rohr e im Inneren und das Rohr / außerhalb des mehrschichtigen Rohres d angeordnet ist. Auf diese Weise werden zwei Strömungsräume für die Medien gebildet, von denen der eine einen kreisringförmigen Querschnitt hat, zwischen dem Rohr / und dem mehrschichtigen Rohr d liegt und im Sinne des Pfeiles F der Fi g. 2 von dem einen der Medien durchströmt wird, und von denen der andere Raum gleichfalls kreisringförmigen Querschnitt hat und zwischen dem mehrschichtigen Rohr d und dem Rohr e von dem zweiten Medium im Sinne des Pfeiles G durchströmt wird.

Die Wellungen des Rohres d rufen in den beiden Strömungen Änderungen der Richtung, der Geschwindigkeit und des Druckes hervor, die, wie bekannt, den Wärmeaustausch begünstigen.

Vielfache Kombinationen mit anderen koaxialen Rohren können dann vorgesehen sein, wenn mehr als zwei Medien vorhanden sind; und man kann z. B.

zwei gewellte oder glatte Rohre mit dreischichtiger Wandung zwischen zwei gewöhnlichen, koaxialen glatten Rohren anordnen.

Im allgemeinen wird durch das Vorhandensein von mehreren Metallschichten in der Wandung, die die beiden in dem Wärmeaustauscher strömenden Medien trennt, die Sicherheit erhöht, da, wenn die eine der Schichten zerstört ist, die andere die Aufgabe der Trennung der beiden Medien übernimmt. Bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel, bei dem die aus ferritischem Stahl bestehende mittlere Schicht α zwischen zwei austenitischen Stahlschichten b und c angeordnet ist, die einander gleiche Ausdehnungskoeffizienten besitzen, sind die auf die mittlere Schicht α ausgeübten Kräfte symmetrisch, wie bereits oben erwähnt wurde, wodurch die Auswirkung der Dehnungskräfte auf die mittlere Schicht α herabgesetzt wird. Die auf sie einwirkenden Temperaturen und die Dicken der metallischen Schichten sind so bemssen, daß die Kräfte, denen diese mittlere ferritische Schicht α infolge der Unterschiede der Wärmedehnung ausgesetzt ist, unterhalb der Elastizitätsgrenze dieser Schicht bleiben. Jedoch auch im Falle eines Reißens des- Metalls, das in der mittleren Schicht eintreten könnte, entsteht keine Gefahr einer Berührung der beiden Medien, und das in dieser mittleren Schicht enthaltene Metall gewährleistet in ausreichender Weise den Wärmeübergang von der einen zur anderen äußeren Schicht.

Es ist bekannt, daß zwei konzentrische Rohre derart gebogen werden können, daß ein Rohrkrümmer mit 180° Biegung erhalten wird, dessen eines Rohr im Inneren des anderen angeordnet ist. Nach der Erfindung kann auf diese Weise ein Rohrkrümmer erhalten werden, der ein Außenrohr g mit einer einzigen Wandungsschicht umfaßt, in dessen Innerem ein gekrümmtes Rohr h mit dreischichtiger Wandung enthalten ist. Hierbei werden zwei Strömungsräume erhalten, von denen einer mit einem Pfeil H für den

Umlauf im Inneren des mehrschichtigen Rohres h und der andere mit dem Pfeil / für den Umlauf im Inneren des kreisringförmigen Raumes zwischen den gekrümmten Rohren g und h bezeichnet ist. Es ist ersichtlich, daß das eine der Medien das andere immer vollständig umschließt. Selbstverständlich können auch drei Strömungsräume vorgesehen sein, indem drei konzentrische Rohrbogen verwendet werden.

Die Ausbildung der Wandung mit zwei äußeren Schichten b und c aus ein und demselben Metall, d. h. aus austenitischem Stahl, gestattet ein leichtes Anbringen einer Schweißnaht i am Ende des mehrschichtigen Rohres mittels austenitischen Stahls, der die beiden Schichten b und c verbindet, wie es F i g. 4 zeigt.

Auch ist ein solches mehrschichtiges Rohr leicht mittels einer Verschweißung aus austenitischem Stahl; mit einem Rohrstutzenk zu verbinden, der selbst mit dreischichtiger Wandung aus Metallen mit unterschiedlichen Eigenschaften versehen ist, wie dies F i g. 5 zeigt.

Die Erfindung bezieht sich auf die Gesamtheit der Merkmale des Hauptanspruches.

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Rohr für Wärmeaustauscher für mindestens zwei aus Sicherheitsgründen zuverlässig voneinander getrennt zu haltende Medien, von denen eines radioaktiv ist, mit einer aus mehreren, aus aneinanderliegenden Metallschichten bestehenden Wandung, dadurch gekennzeichnet, daß diese aus drei konzentrischen Schichten besteht, von denen die mittlere Schicht (a) aus ferritischem Stahl und die beiden äußeren Schichten (b und c) aus austenitischem Stahl bestehen und alle drei Schichten durch Strangpressen oder Heißziehen miteinander vereinigt sind,
ίο

2. Rohr nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die mehrschichtige Wandung (d) gewellt ist (Fig. 2).

3. Anwendungsart eines Rohres nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das gewellte, mehrschichtige Rohr (d) zwischen zwei gewöhnlichen, konzentrischen Rohren (e, f) angeordnet ist (F i g. 2).

4. Anwendungsart eines Rohres nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das mehrschichtige Rohr Qi) in gebogener Form innerhalb eines Außenrohres (g) angeordnet ist (F i g. 3).

In Betracht gezogene Druckschriften:

Deutsche Patentschriften Nr. 881199, 833 824;
französische Patentschriften Nr. 1158 011,
1072416, 1066959;
belgische Patentschrift Nr. 555 265.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen