DE2430161C2 - Wärmetauscher mit kreisförmigem oder hexagonalem Querschnitt - Google Patents

Description

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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Wärmetauscher mit kreisförmigem oder hexagonalem Querschnitt mit einer Anzahl von innerhalb eines äußeren Leitmantels angeordneten und zu .Rohrbündeln vereinigten Geradrohren, wobei jedes Rohrbündel von einem beidseitig offenen Leitmantel umgeben ist und zusammen mit diesem Leitmantel und den an seinen beiden Enden befindlichen zugehörigen Rohrboden mit Sammlerhauben eine Baueinheit bildet und wobei die Baueinheit im Grundriß im Sechseckgitter angeordnet und benachbarte Rohrböden an der Ein- und Austrittsseite der Rohrbündel in horizontaler Richtung gegeneinander versetzt sind.

Derartige Wärmetauscher, die im wesentlichen nach -*s der DE-OS 14 01 666 oder der FR-PS 8 96 877 bekannt sind, werden bevorzugt in geschlossenen Gasturbinenanlagen und in der Kernkraftwerkstechnik eingesetzt, wo sie beispielsweise beim sogenannten integrierten Kernreaktor im selben Druckbehälter wie der Reaktor- so kern liegen.

Stand der Technik ist auch ein in der DE-OS 21 20 544 beschriebener, aus parallel angeordneten Einzelelementen bestehender Wärmetauscher, 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 Austauschrohre innerhalb der beidseitig offenen Mantelrohre geführt, wobei seine Strömungsrichtung derjenigen des in den Rohren befindlichen Mediums entgegengesetzt ist. Jedes Rohrbündel ist durch ein Paar von Rohrböden mit eigenen Zu- und Abführungsleitungen versehen. Rohrbündel, Rohrböden und Mantelrohr bilden jeweils eine Baueinheit. <*

Aus der DE-OS 14 01 666 ist ebenfalls ein Wärmetauscher bekannt, der in einem Mantel eine Anzahl von Rohrbündeln enthält, deren Rohre an ihren Enden mit Kopfstücken oder Rohrböden verbunden sind. Die Rohrbündel bilden mit den Kopfstücken jeweils eine Baueinheit, 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. Die Rohre jedes Bündels werden durch Distanzplatten zueinander in der gewünschten Stellung gebalten. Um bei dicht aneinandergrenzenden Distanzplatten den nötigen Raum für die Zirkulation des Wärmetauschermediums durch den Mantel zu schaffen, sind die Baueinheiten vertikal gestaffelt angeordnet, wobei die Hälfte der Kopfstücke an einem Ende des Wärmetauschers in einer Ebene und die andere Hälfte in einer etwas tieferen Ebene liegt Der Durchmesser dt r Kopfstücke ist etwa gleich dem Durchmesser der auseinandergespreizten Rohrbündel. Von Nachteil ist bei diesem Wärmetauscher, daß in den Endbereichen der wärmeübertragenden Flächen, nämlich zwischen den Kopfstücken und den Distanzplatten, keine gleichmäßige Verteilung der Bündelrohre mehr vorliegt

In der FR-PS 8 96 877 wird ein weiterer Wärmetauscher mit zu Rohrbündeln zusammengefaßten Geradrohren beschrieben, die an den Bündelenden jeweils in einen Rohrboden mit anschließendem Sammler eingesetzt sind. Die Rohrbündel sind annähernd auf drei Teilkreisen angeordnet, wobei die Rohrbündel des mittleren Teilkreises gegenüber den Rohrbündeln der beiden anderen Teilkreise vertikal nach unten versetzt sind. Die Versetzung, die mehr als die gesamte Länge eines Sammlers ausmacht, ermöglicht eine dichtere Anordnung der Rohrbündel, ohne daß eine Behinderung des außen um die Bündelrohre strömenden Mediums eintritt

Aus der GB-PS 5 75 814 ist ebenfalls ein Rohrbündelwärmetauscher mit gestaffelter Anordnung der Rohrbündel bekannt Auch hier sind die Rohrbündel in der Höhe derart gegeneinander versetzt, daß sich die Sammler auf zwei verschiedenen horizontalen Ebenen befinden.

Bekannt ist es ferner, die einzelnen Rohre eines Wärmetauscher-Rohrbündels im Gmndriß in einem Sechseckgitter anzuordnen, wie in der US-PS 33 96 784 dargestellt.

Ausgehend von einem der eben beschriebenen Wärmetauscher mit in zwei verschiedenen horizontalen Ebenen angeordneten, aus Rohrbündeln mit ihren Rohrböden bestehenden Baueinheiten, liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Wärmetauscher der eingangs geschilderten Bauart so auszugestalten, daß ein zur Verfügung stehender beschränkter Raum optimal für die Wärmeübertragung ausgenutzt und der Wirkungsgrad erhöht wird.

Die Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß die Versetzung der Rohrboden in drei verschiedenen horizontalen Ebenen vorgenommen ist, und zwar derart, daß jeweils die Rohrboden dreier benachbarter, im Grundriß ein gleichseitiges Dreieck bildender Baueinheiten auf den verschiedenen Ebenen angeordnet sind, und daß der Abstand der Mittelachsen der Leitmäntel gleich oder annähernd gleich der Summe der Radien eines Leitmantels und eines Rohrbodens ist.

Durch die Versetzung der Rohrböden in drei Ebenen in der angegebenen Weise lassen sich die Leitmäntel der Baueinheiten in die dichteste Anordnung bringen, die möglich ist, ohne daß der Zutritt des außen um die Bündelrohre strömenden Mediums zu den von den Leitmänteln umschlossenen Räumen behindert wird.

Diese dichteste Anordnung Hegt dann vor, wenn gemäß der Erfindung der Abstand der Mittelachsen der Leitmäntel gleich der Summe der Radien eines Leitmantels und eines Rohrbodens ist, wenn sich die Rohrboden also überlappen, s

Der Wärmetauscher 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 ι ο Wärmeübertragungseigenschaften infolge der guten Platzausnutzung ein geringes Bauvolumen aufweist

Die die Rohrbündel umgebenden inneren Leitmäntel können einen runden oder auch einen sechseckigen Querschnitt aufweisen. Bei letzteren ergibt sich eine noch günstigere Platzausnutzung als bei Leitmänteln mit rundem Querschnitt Die Rohrboden, in die die Rohre jedes Rohrbündels eingesetzt sind, haben zweckmäßigerweise eine den Leitmänteln angepaßte Querschnittsform, d.h. sie sind entweder rund oder sechseckig.

Der Wärmetauscher kann im Gleich- oder Gegenstromprinzip betrieben werden. Die Größe da- Drücke, Druckdifferenzen, Temperaturen und TemperaUirdifferenzen des durch die Rohre strömenden inneren Mediums und des um die Rohre in den inneren Leitmänteln strömenden äußeren Mediums können dabei beliebig sein. Als wänneaustauschende 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.

Die mögliche Anzahl der im Sechseckgitter angeordneten Baueinheiten ergibt sich nach der mathematischen Formel:

n = 6(l

wenn mit /die Anzahl der im Gitter ineinanderliegenden Sechsecke bezeichnet wird.

Die versetzte Anordnung der Rohrböden ist an beiden Seiten der Rohrbündel (an der Ein- und Austrittsseite) vorgesehen. Wenn die Rohrbündel alle gleiche Länge haben sollen, so werden die Rohrböden derart angeordnet 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 Wärmetauschers bezogen. Müssen an der Ein- und Austrittsseite besondere Bedingungen eingehalten werden, so kann die versetzte Anordnung der Rohrböden auch an den beiden Seittn verschieden ausgeführt sein.

An die rund oder sechseckig gestalteten Rohrböden, die als Lochplatten ausgebildet sind, schließen sich die Sammlerhauben an, die ihrerseits mit Ein- bzw. Austrittsstutzen für das in den Rohren strömende Medium verbunden sind Die Hauben besitzen entweder halbkugelige Gestalt (bei runden Rohrböden) oder sie gehen (bei sechseckigen Rohrboden) von der Sechseckform in die halbkugelige Form über, an die sich dann die Ein- bzw. Austrittsstutzen für das innere Medium anschließen.

Der Wärmetauscher kann an einem Tragrost aufgestellt oder an einem solchen aufgehängt sein. Um Wärmespannungen zu vermeiden, wird im letzteren Falle die Aufhängung mittels sogenannter »thermal sleeves« bewerkstelligt, c*n einerseits an den Ein- bzw. Austrittsstutzen sowie an dem äußeren Leitmantel und andererseits am Tragrost befestigt sind.

Bei Verwendung des Wärmetauschers als Rekupemtor im Primärkreislauf eines gasgekühlten Hochtemperaturreaktors wird zweckmäßigerweise das von der Turbine kommende heiße Gas niedrigen Drucks um die Rohre herum durch die inneren Leittnäntel der Baueinheiten geführt, während das zu erwärmende Hochdruckgas durch die Rohre geleitet wird.

In der Zeichnung sind zwei Ausfuhrungsbeispiele des erfindungsgemäßen Wärmetauschers dargestellt der als Rekuperator eines mit einer Heliumturbine gekoppelten Hochtemperaturreaktor Verwendung finden kann. Es zeigt

F i g. 1 einen Längsschnitt durch einen ersten Rekuperator in stehender Anordnung und mit im Querschnitt runden Baueinheiten,

F i g. 2 einen Schnitt durch den Rekuperator nach der Linie A-A der F i g. I,

Fig.3 einen Längsschnitt durch einen zweiten Rekuperator in hängender Anordnung, ebenfalls mit im Querschnitt pjnden Baueinheiten.

Die Fig. 1 läßt einen rekuperadven Wärmeübertrager oder Rekuperator in stehender Anordnung erkennen, der zum Primärkreislauf eines Hochtemperaturreaktor mit Heliumturbine gehört und wie alle anderen Komponenten des Kreislaufs in einem vertikalen Schacht 1 innerhalb des Spannbetondruckbehälters untergebracht ist Der Rekuperator besteht im wesentlichen aus einem äußeren Leitmantel 2, aus einer Vielzahl von Baueinheiten 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 von 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 Baueinheit 3 gehören ein aus einer Vielzahl von glatten, geraden Rohren bestehendes Rohrbündel {3, zwei Rohrboden 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 Rohrboden 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 Sammlerhauben 18 Austrittsstutzen 20 für dieses Medium anschließen. Innerhalb der Rohrbündel 13 werden die einzelnen Rohre durch Halterungen 21 in ihrer Lage gehalten.

Die Baueinheiten sind im Grundriß im Sechseckgitter angeordnet wie in der F i g. 2 dargestellt ist Bei drei ineinanderliegenden Sechsecken ergeben sich nach der obenerwähnten Formel n=6(l+2+3)+1 =37 Baueinheiten. In dem frei gebliebenen Raum zwischen dem äußersten Sechseck und dem äußeren Leitmantel 2 des Rekuperators ist ehe Anzahl von kleineren Baueinheiten 12 verlegt die ebenfalls für die Wärmeübertragung ausgenutzt werden können.

Die Rohrböden 14 mit den zugehörigen Sammlerhauben 17 sowie die Rohrboden 15 mit den zugehörigen Sammlerhauben 18 sind in horizontaler Richtung gegeneinander verseht angeordnet, und zwar in der Weise, daß jeweils die Rohrboden 14 bzw. 15 dreier benachbarter, im Grundriß ein eleichseitiees Dreieck

bildender Baueinheiten 3 auf drei verschiedenen Ebenen I, II, HI liegen (siehe F i g. 2). Da die inneren Leitmäntel 16 einen kleineren Durchmesser als die Rohrboden 14, 15 besitzen, können die Baueinheiten 3 ganz dicht aneinandergerückt werden. Die dichteste Anordnung ergibt sich, wenn der Abstand der Mittelachsen der Leitmäntel 16 gleich oder annäherend gleich der Summe der Radien eines Leitmantels 16 und eines Rohrbodens 14 bzw. 15 ist.

In der Fig.2 ist durch die in die Baueinheiten 3 eingeschriebenen Ziffern I, II oder III angedeutet, in welcher Ebene die Rohrböden 14 oder 15 der entsprechenden Baueinheit angeordnet sind. Es ist klar erkennbar, daß einander benachbarte Rohrboden 14 oder 15 stets in verschiedenen Ebenen liegen.

Wie aus der Fig. I ersichtlich, 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, den es mantelseitig, d. h. innerhalb der beidseitig offenen inneren Leitmäntel 16, durchströmt Der Strömungsverlauf des heißen Niederdruckgases ist in der F i g. 1 durch Pfeile angedeutet Nachdem das Helium die Baueinheiten 3 parallel durchströmt hat, tritt es am oberen Ende zwischen den Leitmänteln 16 und den Rohrböden 14 aus den Baueinheiten 3 aus und gelangt durch öffnungen 22 in dem äußeren Leitmantel 2 in einen Ringspalt 23 zwischen diesem Leitmantel und dem (mit einer Auskleidung versehenen) Schacht 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 Rohrboden 15 und die Sammlerhauben 18 hindurchgetreten ist, wird das ervärmte Hochdrucicgas über die Abzweigungen 25 an den Austrittsstutzen 20 zu den erwähnten 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 Anordnung, der ebenfalls in einem vertikalen Schacht innerhalb des Spannbetondruckbehälters untergebracht ist. Es ist hier nur die Auskleidung 31 dargestellt, mit der der Schacht versehen ist. Die Baueinheiten 3, von denen der Übersichtlichkeit wegen nur eine vollständig gezeigt ist, weisen einen runden Querschnitt auf und bestehen aus einem Geradrohrbündel 13 sowie zwei Rohrboden 14 und 15, in die die beiden Enden der Rohre

in eingesetzt sind. Ferner gehört noch zu jeder Baueinheit 3 ein innerer Leitmantel 16, der an seinen beiden Enden offen ist. Alle Rohrbündel 13 besitzen die gleiche Länge. An die Rohrboden 14, 15 schließen sich Sammlerhauben 17, 18 an, die halbkugelig ausgebildet sind. Die

is Sammlerhauben 17 sind mit Eintrittsstutzen 19 fur 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 (nicht gezeigte)

jii Halterungen in ihrer Lage gehaiien.

Im Grundriß stellt die Anordnung der Baueinheiten 3 wieder ein Sechseckgitter dar, wie es in der Fig.2 für den Rekuperator in stehender Anordnung gezeigt ist. Die Rohrboden 14 mit den zugehörigen Sammlerhau ben 17 sowie die Rohrboden 15 mit den zugehörigen Sammlerhauben 18 sind derart angeordnet, daß sie in drei verschiedenen horizontalen Ebenen I₁II, III liegen, wobei benachbarte Rohrboden — wie bei F i g. 1 beschriebe» — stets gegeneinander versetzt sind.

Dadurch und weil die inneren Leitmäntel 16 einen

kleineren Durchmesser als die Rohrboden 14, 15 aufweisen, kann eine größere Anzahl von Baueinheiten auf einem vorgegebenen Raum untergebracht werden.

Auch bei dem Rekuperator in hängender Anordnung

können in der Randzone zwischen dem äußersten Sechseck und der gleichzeitig den äußeren Leitmantel bildenden Auskleidung 31 kleinere Baueinheiten verlegt sein, die zusätzlich der Wärmeübertragung 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 »thermal sleeves« 34 bewerkstelligt, die die Aufgabe haben, das Entstehen von Wärmespannungen zu verhindern. Eine gleichartige Verbindung 35 ist auch zwischem dem Tragrost 32 und der Auskleidung 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 F i g. 1 gezeigt Auf eine nochmalige Darstellung wird daher bei der F i g. 3 verzichtet

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. Patentanspruch?

   Wärmetauscher mit kreisförmigem oder hexagonalem Querschnitt mit einer Anzahl von innerhalb eines äußeren Leitmsntels angeordneten und zu Rohrbündeln vereinigten Geradrohren, wobei jedes Rohrbündel von einem beidseitig offenen Leitmantel umgeben ist und zusammen mit diesem Leitmantel und den an seinen beiden Enden befindlichen ι ο zugehörigen Rohrboden mit Sammlerhauben eine Baueinheit bildet und wobei die Baueinheiten im Grundriß im Sechseckgitter angeordnet und benachbarte Rohrboden an der Ein- und Austrittsseite der Rohrbündel in horizontaler Richtung gegeneinander versetzt sind, da durch gekennzeichnet,daß die Versetzung der Rohrböden (14 bzw. 15) in drei verschiedenen horizontalen Ebenen (I, II, III) vorgenommen ist, und zwar derart, daß jeweils die Rohrboden (14 bzw. 15) dreier benachbarter, im Grundriß ein gleichseitiges Dreieck bildender Baueinheiten (3) auf den verschiedenen Ebenen {I, II, III) angeordnet sind, und daß der Abstand der Mittelachsen der Leitmäntel (16) gleich oder annähernd gleich der Summe der Radien eines Leitmantels (16) und eines Rohrbodens (14 bzw. 15) ist