DE2459189C2 - Wärmetauscher kreisförmigen Querschnitts für gasförmige Medien - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher kreisförmigen Querschnitts für gasförmige Medien mit einer Vielzahl von innerhalb eines Leitmantels angeordneten und m Rohrbündeln vereinigten, parallel zur Mittelachse des; Wärmetauschers verlaufenden Geradrohren, wobei die Rohre jedes Bündels an ihren beiden Enden je zu einem Sammler zusammengefaßt und die Sammler jeder Seite jeweils durch, eine Rohrleitung mit einem TOh zwei Endsammiern verbunden sind. Wärmetauscher fiieser Gattung sind nach der DE-OS 14 Ol 666 bekannt

Derartige Wärmetauscher sind generell im Anlagenbau anwendbar; beispielsweise können sie in geschlossenen Gasturbinenanlagen eingesetzt werden. Ein bevorzugtes Anwendungsgebiet bildet die Kernkraftwerkstechnik, bei der die Wärmetauscher in voll- oder teiiintegrierten Reaktorsystemen als Rekuperatoren (Wärmetauscher Gas/Gas) Verwendung finden. Sie sind dann mit dem Kernreaktor zusammen in einem Druckbehälter angeordnet, der aus Spannbeton oder vorgespanntem Metall hergestellt sein kann. Bei dem verwendeten Kernreaktortyp kann es sch um Schnelle Brüter oder auch um gasgekühlte Hochtemperaturreaktoren mit einem oder mehreren Wärmenutzungskreisläufen handeln. Es spielt auch keine Rolle, ob die im Kernreaktor erzeugte Wärmeenergie zur Gewinnung elektrischer Energie ausgenutzt oder an Prozeßwärmeanlagen abgegeben wird.

Aus den Offenlegungsschriften 14 01666 und 21 20 544 sind Wärmetauscher aus parallel angeordneten Einzelelementen bekannt, die sich aus einer Vielzahl von an ihren Enden mit Kopfstücken oder Rohrböden verbundenen Rohren zusammensetzen. Die so gebildeten Rohrbündel oder Rohrkörper besitzen einen runden oder polygonalen Querschnitt und sinji mit eigenen Zu- und Abführungsleitungen versehen. Alle Zuführungsleitungen gehen von einem Endsammler aus; die Abführungsleitungen sind ebenfalls zu einem Endsammler zusammengefaßt

Stand der Technik ist es auch, Rohrplatte und Deckel eines Wärmetauschers, die zusammen sein Kopfstück bilden, kugelig zu gestalten. So wird in der britischen Patentschrift 1016 251 ein Wärmetauscher gezeigt, dessen Rohrplatte nach der Seite hin, an der die Wärmetauscherrohre eingesetzt sind, konvex ausgebildet ist. Der Deckel ist nach der anderen Seite gewölbt, so daß eine Kammer entsteht, die (mit Hilfe eines eingebauten Leitkanals) als Sammler und Verteiler fungiert

Aus der österreichischen Patentschrift 3 04 593 sind ebenfalls gewölbte Deckel für einen Wärmetauscher bekannt. Durch einen dieser Deckel sind Sammlerrohre geführt, die jeweils mit einer Rohrplatte verbunden sind. Die Rohrplatten sind ihrerseits z. B. über Rohrstutzen an einem zweiten Deckel angeschlossen, der sich innerhalb des Wärmetauscher-Druckgefäßes befindet,

Ausgehend vom Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Wärmetauscher der eingangs beschriebenen Bauart anzugeben, bei dem sich Montage, Demontage und Reparatur auch urter erschwerten Bedingungen ohne großen Aufwand durchführen lassen. Unter erschwerten Bedingungen wird hier beispielsweise die Kontamination des

Wärmetauschers oder seines Einsatzortes verstanden. Ein- und Ausbau .des Wärmetauschers sowie auch das Dichtsetzen undichter Rohre ist in solchem; Falle nur mittels Fernbedienung möglich.

Die gestellte Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß die Rohrbündel einen ringförmigen Querschnitt aufweisen und die Sammler für die einzelnen Rohrbündel als kreisringartige Kammern ausgebildet sind, wobei Rohrbündel und Sammler koaxial zur Mitteiachse des Wärmetauschers angeordnet sind, daß der für die Zuführung^des. gasförmigen Mediums zu: den Rohrbündeln vorgesehene Endsammler einerr kugeligen Bodea aufweist, in dem die zu den entsprechenden kreisringartigen Kammern führenden Rohrleitungen eingesetzt' sind,idaß der für die i> Abführung des gasförmigen Mediumsaus den Rohrbündeln vorgesehene Endsammlef- als/Ringsammler ausgebildet und oberhalb des kugeUgeh Bodens angeordnet ist und daß die von den entsprechenden kreisringartigen Kammern zu dem Ringsammier führenden Rohrleitun- 2» gen am Umfang des Wärmetauschers als Kompensalionsschleifen nach oben geführt sind.

Der Wärmetauscher gemäß der Erfindung ';ann mit besonderem Vorteil als Rekuperator im Primärkreislauf eines gasgekühlten Hochtemperaturreaktors mit Helir umturbine eingesetzt werden, da er bei guten Wärmeübertragungseigenschaften ein geringes Bauvolumen aufweist Der in einem Reäktor-Druckbehälter vorgesehene Raum zur Aufnahme der Rekuperatoren besitzt nur einen begrenzten Querschnitt, der durch die w ringzylindrische und koaxiale Anordnung der Geradrohrbündel und die ringförmige Ausbildung der Sammler für die einzelnen Rohrbündel sehr gut ausgenutzt wird. Die Ausgestaltung des einen Endsammlers, dessen kugeliger Boden gleichzeitig die ü Funktion eines Tragrostes hat, die schleifenartig am Umfang des Wärmetauschers verlegten Rohrleitungen zur Rückführung des Mediums und die Ausbildung des zweiten Endsammlers als Ringsammler und seine Anordnung oberhalb des kugeligen Bodens erlauben es, die Montage uüd Demontage des Wärmetauschers ohne großen Aufwand fernbedient durchzuführen. Auch Reparaturen an den einzelnen Rohren lassen sich im Druckbehälter durch Fernbedienung vornehmen.

Der erfindungsgemäße Wärmetauscher arbeitet nach *> dem Gegenstromprinzip; d. h. an der Austrittsstelle des in den Rohren strömenden gasförmigen Mediums tritt das außerhalb der Rohre strömende Medium, das ebenfalls gasförmig ist, in den Wärmetauscher ein und umgekehrt Die Größe der Drücke, Druckdifferenzen, '>·» Temperaturen und Tempev aturdifferenzen des äußeren und des inneren Mediums können dabei beliebig sein. Es können glaue, künstlich aufgerauhte oder auch längs- oder quergerippte Rohre verwendet werden.

Die Einbau- oder Betriebslage des Wärmetauschers « — z. B. horizontal, vertikal oder schräg — kann beliebig, gewählt werden; bei seiner Verwendung als Rekuperator in einer Kernkraftanlage befindet es sich jedoch vorzugsweise in einer vertikalen Lage, da er wie die übrigen Kreislaufkomponenten üblicherweise in einer ω Ausnehmung in der Wandung des Spannbetondruckbehälters untergebracht ist.

In vorteilhafter Weiterentwicklung des erfindungsgemäßen Wärmetauschers sind einander benachbarte kreisringartige Kammern in verschiedenen Ebenen t,5 senkrecht zur Mittslachse des Wärmetauschers angeordnet, die jeweils mindestens um die Höhe einer kreisringartigen Kamme voneinander beabstandet sind. Die Rohrbündel sind bei dieser Ausführung so dicht nebeneinander.angeordnet, daß sich die kreisringartigen Kammern — also die Sammler für die Ruhrbündel — im Grundriß überdecken.

Infolge dieser Versetzung der Sammler kann der zur Verfugung stehende Raum optimal ausgenutzt werden, da sich auf einem gegebenen Querschnitt eine größere Anzahl von Rohrbündeln unterbringen läßt

Es kann zweckmäßig sein, auch den zentralen Innenraum des Wärmetauschers zur Wärmeübertragung mit heranzuziehen; in solchem Fall wird hi diesem Raum ein Rohrbündel mit kreisförmigem Querschnitt angeordnet . <

Die Rohrbündel sind vorzugsweise jeweils mit einem beidseitig offenen inneren Leitmantel umgeben, und das um die, Austauscherrohre strömende Medium wird durch diese Leitmäntel geführt, wodurch sich der Wärmeübergang zwischen den im Austausch stehenden Medien verbessern läßt Das äußere Medium, z.B. das heiße Abgas einer Turbine, tritt unten in den Wärmetauscher ein, während das entgegenströmende kalte Gas oben zugeführt wird und in -des Wärrnetauscherrohren nach unten strömt wobei es von dem heißen Gas Wärme aufnimmt Durch die schleifenartig verlegten Rohrleitungen gelangt das erwärmte Gas wieder nach oben und tritt in den Ringsammler ein. Um Wärmeverluste möglichst niedrig zu halten, sind der Ringsammier und die Teile der Rohrleitungen, die sich oberhalb des kugeligen Bodens befinden, thermisch isoliert Die Rohrleitungen sind innerha'b des Wärmetauscher-Leitmantels geführt und gasdicht durch den kugeligen Boden verlegt; dabei wird für diese Rohrleitungen beispielsweie der peripherische Bereich des kugeligen Bodens ausgenutzt, während der übrige Bereich den zu den kreisringartigen Kammern führenden Rohrleitungen vorbehalten bleibt

Der Ringsammler steht vorteilhafterweise mit der inneren Leitung einer koaxialen Gasführung in Verbindung, deren äußere Leitung der Zuführung des gasförmigen Mediums zu dem als Verteiler fungierenden Endsammler dient. So braucht bei einem in einem Sparuhetondruckbehälter eingebauten Wärmetauscher nur ein Durchbruch in der Behälterwandung vorgesehen zu sein, durch den sowohl die Abführung des erwärmten Gases als auch die Zuführung des kalten Gases zu dem einen Endsammler erfolgt. Außerdem werden bei einer koaxialen Gasführung, durch deren innere Leitung erwärmtes und durch deren äußere Leitung relativ kaltes Gas strömt, die thermischen Belastungen des Betons bzw. des im Durchbruch vorgesehenen Liners stark reduziert.

Zweckmäßigerweise wird der Anschluß des Ringsammlers an die innere Leitung der koaxialen Gasführung durch eine Schiebeverbindung hergestellt. Durch diese Maßnahme wird erreicht, daß sich infolge von Wärmeeinwirkung auftretende Rohrdehnungen und Bewegungen ausgleichen können.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Wärmetauschers schematisch dargestellt, und zwar zeilen

F i g. la und Ib im Längsschnitt einen als Rekuperator in einem Kernkraftwerk eingesetzten Wärmetauscher.

Der Rekuperator ist Teil des Primärkreislaufs eines Hochtemperaturreaktors mit Heliumturbine und wie alle anderen Komponenten des Kreislaufs (außer dem in einem horizontalen Stollen untergebrachten Gasturbosatz) in einer vertikalen Ausnehmung 1 in der Wandung 2 des Spannbetondruckbehälters installiert. Die Ausneh-

mung ist mit einem gasdichten Stahlmantel 3 ausgekleidet, der mit Wasser gekühlt und mit einem Temperaturschutz versehen ist (nicht dargestellt). Der Rekuperator besteht im wesentlichen aus einem Leitmantel 4 mit kreisförmigem Querschnitt, aus einer Vielzahl von Rohrbündeln 5, die an ihren beiden Enden je an einen Sammler 6 bzw. 7 angeschlossen sind, und aus den Zu- bzw. Abführungsrohrleitungen 8 bzw. 9 für die Sammler. Zur leichteren Zentrierung beim Einbau des Rekuperators weist dieser an seinem Umfang einen ringartigen flansch 18 auf.

Die Rohrbündel S umfassen eine Anzahl von parallel zur Mittelachse des Rekuperators verlaufenden Geradrohren 10, die glatt, aufgerauht oder gerippt sein können. Gemäß der Erfindung besitzen die Rohrbündel 5 einen ringförmigen Querschnitt und sind koaxial zur Mittelachse des Rekuperators angeordnet. Sie sind je von einem beidseitig offenen inneren Leitmantel 26 umgeben. Die Sammler 6 hzw. 7 sind ebenfalls im Querschnitt ringförmig ausgebildet und koaxial zur Mittelachse des Rekuperators angeordnet. Jeder Sammler stellt eine kreisringartige Kammer dar, die die Form eins halbierten Toms hat und deren Boden 11 von einer Lochplatte gebildet wird, in der die Rohre eines Rohrbündels 5 eingesetzt sind. Alle Sammler 6 sind je mit einer Zuführungsrohrleitung 8 und alle Sammler 7 je mit einer Abführungsrohrleitung 9 für das innere Medium verbunden.

Um eine größere Anzahl von Rohrbündeln 5 auf dem vorgegebenen Querschnitt unterbringen zu können, sind die Sammler 6 bzw. die Sammler 7 in vier verschiedener* horizontalen Ebenen A, B, C. D bzw. E, F, G, H angeordnet, die je um mehr als die Höhe eines Sammlers voneinander beabstandet sind. Benachbarte Sammler liegen stets auf verschiedenen Ebenen, und zwar in einem solchen Abstand von der Mittelachse des Rekuperators, daß sich die Sammler im Grundriß überdecken. Die Sammler mit dem kleinsten Abstand von der Mittelachse des Rekuperators liegen auf der höchsten Ebene; mit zunehmendem Abstand steigen sie stufenweise nach unten. Der zentrale Innenraum 23 des Rekuperators ist bei diesem Ausführungsbeispiel frei von Rohrbündeln.

Das äußere Medium wird durch eine Gasleitung 12 unten in den Rekuperator geführt und tritt dann in den Raum zwischen den Rohrbündeln 5 ein, den es von unten nach oben — also im Gegenstrom zu dem inneren Medium — durchströmt Im oberen Bereich des Rekuperators ist eine weitere Gasleitung 13 vorgesehen, durch die das äußere Medium wieder aus dem Rekuperator austri't Die beiden Gasleitungen 12 und 13 sind je in einem Durchbruch 24 bzw. 25 in der Wandung 2 des Spannbetondruckbehälters verlegt

Das innere, also in den Geradrohren 10 strömende Medium gelangt durch die äußere Leitung 16 einer koaxial ausgebildeten und in einem Durchbruch 20 angeordneten Gasführung 14 zu einem Endsammler, der sich oberhalb des Rekuperators in der Ausnehmung 1 befindet und einen kugeligen Boden 17 aufweist Dieser

dient gleichzeitig als Tragrost. Im oberen Teil des kugeligen Bodens 17 sind die Zuführungsrohrleitungen 8 eingesetzt, die an die Sammler 6 angeschlossen sind. Durch die Sammler 6 tritt das innere Medium in die Geradrohre 10 der Rohrbünde! 5 ein und strömt von oben nach unten durch den Rekuperator. Über die Sammler 7 gelangt das innere Medium in die Abführungsrohrleitungen 9. Diese sind am Umfang des Rekuperators innerhalb des äußeren Leitmantels 4 als Kompensationsschleifen 19 geführt und durchstoßen den kugeligen Boden 17. Sie münden in einen im oberen Bereich der Ausnehmung 1 installierten Ringsammler 21, der über eine Schiebeverbindung 22 an die innere Leitung 15 der koaxialen Gasführung 14 angeschlossen ist. Durch die Abführungsrohrleitungen 9, den Ringsammler 21 und die Leitung 15 wird das innere Medium wieder aus dem Rekuperator herausgeführt.

Da das dargestellte Ausführungsbeispiel den Rekuperator eines Hochtemperaturreaktor«; mit Heüumiurbine betrifft, sind die beiden miteinander im Wärmeaustausch stehenden Medien Helium. Das von der Turbine kommende heiße Niederdruckgas, das durch die Gasleitung 12 dem Rekuperator zugeleitet wird, durchströmt diesen mantelseitig. Durch die Gasleitung 13 tritt das abgekühlte Helium wieder aus dem Rekuperator aus und wird zu einem Vorkühler weitergeführt (nicht dargestellt), den es ebenfalls mantelsrftig 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 äußere Leitung 16 der koaxialen Gasführung 14 gelangt das kalte Helium in den oberen Endsammler, durch dessen kugeligen Boden 17 es auf die Sammler 6 der einzelnen Rohrbündel 5 verteilt wird. In den Geradrohren 10 strömt das Gas nach unten, wobei es von dem entgegenströmenden Turbinengas Wärme aufnimmt In den Sammlern 7 wird das Helium wieder gesammelt und durch die Abführungsrohrleitungen 9 und die Kompensationsschleifen 19 zu dem oberhalb des Rekuperators befindlichen Ringsammler 21 geführt. Aus diesem tritt es in die innere Leitung 15 der koaxialen Gasführung 14 ein und wird zum Kern des Hochtemperaturreaktors geleitet. Das beim Durchgang durch den Reaktorkern erhitzte Helium wird der Turbine zugeführt, in der es es sich entspannt; darauf wird es wieder dem Rekuperator zugeleitet Damit ist der Kreislauf des Heliums geschlossen.

Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel umfaßt das Kernkraftwerk einen Wärmenutzungskreislauf oder Loop. Der erfindungsgemäße Rekuperator läßt iich jedoch mit den gleichen Vorteilen verwenden, wenn mehrere Wärmenutzungskreisläufe vorgesehen sind, die untereinander identisch und über den Reaktorkern gekoppelt sind. Zu jedem dieser Kreisläufe gehören eine Heliumturbine, Verdichter und wärmetauschende Apparate (Rekuperatoren, Vorkühler und gegebenenfalls auch Zwischenkühler).

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (8)

Patentansprüche:

1. Wärmetauscher.kreisförmigen Querschnitts für gasförmige: Medien mit einer Vielzahl vpri innerhalb eines Leitmantels angeordneten und zur Rohrbündein vereinigten, parallel zur Mittelachse des Wärmetauschers verlaufenden Geradrohren, wobei die Rohre jedes Bündels an ihren beiden Enden je zu einem Sammler zusammengefaßt und die Sammler jeder Seite jeweils durch eine Rohrleitung mit einem von zwei Endsairimiern verbunden sind; dadurch gekennzeichnet, daß die Rohrbündel (5) einen ringförmigen Querschnitt aufweisen und die Sammler für die einzelnen Rohrbündel als kreDsringartige Kammern (6,7) ausgebildet sind* wobei Rohrbündel (5) und Sammler (6,7) koaxial zpr Mittelachse des Wärmetauschers angeordnet sind, daß der für die Zuführung des gasförmigen Mediums zu den -Rohrbündeln >(5) yorgeseheiiei Ehdsammlereinen

kugeligen Boden (17) aufweist, in dem die zu den entspreche/*den kreisringartigen Kammern (6) führenden Rohrleitungen (8) eingesetzt sind, daß der für die Abführung des gasförmigen Mediums aus den Rohrbündeln (5J vorgesehene Endsammler als Ringsammler (21) ausgebildet und oberhalb des kugeligen Bodens (17) angeordnet ist und daß die von den entsprechenden kreisringartigen Kammern (7) zu dem Ringsammler (21) führenden Rohrleitungen (9) am Umfang des Wärmetauschers als Kompensationsschleifen (19) nach oben geführt sind, jo

2. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß einander benachbarte kreisringartige Kammern J6 bzw T) in verschiedenen Ebenen (A, B, QD bzw. E, F, G, H) senkrecht zur Mittelachse des Wärmetauscher* angeordnet sind, die jeweils mindestens um die Höhe einer kreisring,-artigen Kammer (6, 7) voneinander beabstandet sind, und daß die Rohrbündel (5) so dicht nebeneinander angeordnet sind, daß sich die kreisringartigen Kammern (6 bzw. 7) im Grundriß überdecken.

3. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zentrale Innenraum (23) de.> Wärmetauschers ebenfalls für die Wärmeübertragung ausgenutzt wird und ein Rohrbündel mit kreisförmigem Querschnitt aufweist.

4. Wärmetauscher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Rohrbündel (5) von einem beidseitig offenen inneren Leitmantel (26) umgeben ist 5r>

5. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ringsammler (21) und die oberhalb des kugeligen Bodens (17) befindlichen Teile der nach oben geführten Rohrleitungen (9) thermisch isoliert sind.

6. Wärmetauscher nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die nach oben geführten Rohrleitungen (9) durch den kugeligen Boden (17) verlegt sind.

7. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ringsammler (21) mit der inneren Leitung (15) einer koaxial ausgebildeten Gasführung (14) in Verbindung steht, deren äußere Leitung (16) der Zuführung des gasförmigen Mediums zu dem anderen Endsammler dient.

8. Wärmetauscher nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Anschluß des Ringsammlers (21) an die innere Leitung (15) der koaxialen Gasführung (14) mittels einer Schiebeverbindung (22) hergestellt ist