DE2550035C3 - Wärmetauscher mit einer Vielzahl mit Abstand voneinander angeordneter Wärmetauschmedium-Strömungsrohre - Google Patents

Description

25

Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher mit einer Vielzahl in Längsrichtung ausgerichteter und mit Abstand voneinander angeordneter Wärmetauschmedium-Strömungsrohre großej Länge und kleinen Durchmessers mit den Rohraußendurchmesser erweiternden windungsförmigen Elementen zum gegenseitigen Abstützen der Rohre.

Ein Wärmetauscher weist einen Eintrittssammler auf, der strömungstechnisch mit einem Austrittssammler über ein Rohrbündel in Verbindung steht Weiterhin ist das Rohrbündel in einen Mantel eingeschlossen, der es erlaubt, daß ein Medium in Berührung mit dem Rohrbündel kommt und Wärme von einem anderen Medium, das durch die Rohre in dem Bündel strömt, aufnimmt oder Wärme an dieses Medium abgibt

Obwohl jedes der Rohre des Bündels im allgemeinen in den Sammlern befestigt ist, d. h. in dem Rohrboden des Sammlers befestigt ist, wird im allgemeinen noch eine andere Unterstützung vorgesehen, um den äußeren oder inneren Belastungen gewachsen zu sein, die dem Wärmetauscher und dem Rohrbündel auferlegt werden. Insbesondere sind für einen Wärmetauscher, der Rohre mit enger Teilung und beträchtlicher Länge aufweist, z. B. einem Durchlauf-Wärmetauscher der Größe, wie man sie in einer gewerblich genutzten Kraftanlage findet, Abstandshalter und Unterstützungen erforderlich. Diese Abstandshalter werden vorgesehen, um Rohrverlagerungen bei Wärmedehnung oder Schrumpfung, durch Strömung verursachten Schwingungen oder Gefälle zu vermeiden. Rohrverlagerungen, die sich z. B. aus Wärmedehnung oder mangelnde körperliche Unterstützung ergeben, sind unerwünscht, da Änderungen im Strömungsquerschnitt um benachbarte Rohre herum einen ungleichmäßigen Wärmeübergang und erhöhte Druckverluste innerhalb des Wärmetauschers verursachen und zu mechanischen Reibungen und Dampfblasenbildungen führen können.

Zur Abstandssicherung ist es bereits bekannt, Kühlrohre vollständig aus ihrer Längsachse heraus spiralförmig in Form einer Federspirale zu wickeln und dementsprechend über die zu kühlenden Rohre zu schieben. Dabei sind die Rohre praktisch gewendelt und um durchgehend gleichmäßige Zylinder, die gekühlt werden sollen, gelegt (FR-PS 5 87 352).

Zur Sicherung des gegenseitigen Abstandes zwischen zu kühlenden Rohren ist es ebenfalls bekannt, einen Runddraht einzulegen, der an die zu kühlenden Rohre angepreßt wird, so daß die Runddrähte als Abstfitzkö.*- per wirken, die die Rohre des zylindrischen Rohrbündels halten(CH-PS219 263).

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine einfache Vorrichtung zu schaffen, um Wärmetauscherrohre ohne zusätzliche Hilfsmittel zu unterstützen, auf Abstand zu halten und um Wärmedehnungen in denselben zu erlauben, besonders in gewerblich benutzten Kraftwerks-Wärmetauschern, die Rohre von beträchtlicher Länge und kleinem Durchmesser aufweisen. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß für die Unterstützung und Distanzierung zwischen benachbarten Rohren dadurch gelöst, daß wenigstens einige der Rohre einen aus der Rohrlängsachse etwa in Form einer Wendel ausgebogenen Abschnitt umfassen, der kontinuierlich in das Rohr übergeht und in Rohrlängsrichtung aufeinanderfolgend benachbarte Rohre tangential berührt

Die Wendel ist erfindungsgemäß mit einem Radius ausgebildet, der größer ist als der Rohrradius, so daß der wendelartige Abschnitt oder die Schleife tangential die unmittelbar benachbarten Rohre berührt

In einem sechskantförmig ausgebildeten Rohrbündel mit Rohren gleicher Teilung ist die Wendel mit einem Radius ausgebildet, der gleich dem Rohrradius plus dem Raum zwischen zwei benachbarten Rohren ist, so daß die Wendel tangential die sechs Rohre berührt, die unmittelbar dazu benachbart sind, wenn der Wendel winklig um die Längsachse des Rohres fortläuft oder die Längsachse des Rohres umgibt. Weiterhin werden die benachbarten Rohre auch durch zwei andere Wendel berührt, die in der gleichen Weise wie zuvor in den Rohren gebildet werden, die im gleichen Abstand um die benachbarten Rohre herum angeordnet sind. Demzufolge wird jedes benachbarte Rohr durch einen Dreipunktkontakt mit drei Wendeln unterstützt und distanziert. Die wendelförmig ausgebildeten Rohre werden ihrerseits durch einen Sechspunktkontakt mit den sechs" benachbarten Rohre, die sie umgeben, unterstützt und distanziert. Weiterhin kann der wendeiförmige Abschnitt sich winkelförmig um die Längsachse herum wiederholen, d.h. eine weitere umgebende Schleife beginnen und dadurch wiederum einige oder alle der benachbarten Rohre in einer längs vorgerückten axialen Lage berühren. Weiterhin kann die Wendel zuerst weniger als eine volle Schleife umfassen und dadurch nur eines oder mehrere der sechs benachbarten Rohre berühren, zu seiner ursprünglichen Geradrohr-Axiallage zurückkehren und dann seine wendeiförmige Schleifenausbildung an einer entfernten Längslage entlang des Rohres fortsetzen, um die Berührung mit den restlichen benachbarten Rohren zu vollenden.

Weiterhin wird die Wärmedehnung der Rohre durch den in den Rohren gebildeten gekrümmten Wendelabschnitt berücksichtigt. Deshalb kann bei einem Wärmetauscher, bei dem eine unterschiedliche Wärmedehnung ein Hauptgesichtspunkt ist, die Erfindung an verschiedenen axialen Stellen in jedem Rohr des Rohrbündels angewandt werden. Auf diese Weise werden alle Rohre des Rohrbündels in der oben erläuterten Weise unterstützt und voneinander distanziert, während auch jedes Rohr mit Schleifen versehen werden kann, um eine unterschiedliche Wärmedehnung aufzunehmen. Da jedes Rohr des Rohrbündeis mit einem wendelförmigen

Abschnitt versehen ist, ist außerdem der Druckverlust in jedem Rohr, & h. das längs durch die Rohre strömende Medium, im wesentlichen der gleiche. Deshalb werden unausgeglichene Zustände, die auf ungleichmäßige Druckverhältnisse zurückzuführen sind, vermindert, während die thermische Belastung eines jeden Rohres ebenfalls im wesentlichen gleich ist

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigt

F i g. 1 eine schematische Längsansicht eines Durchlaufwärmetauschers, teilweise im Schnitt,

Fig.2 eine vergröUerte Ansicht eines Teils eines Wärmetauscher-Rohrbündels in Draufsicht und

F i g. 3 eine vergrößerte Längsansicht einer Vielzahl von Wärmetauscherrohren.

F i g. 1 zeigt einen Wärmetauscher, bei dem ein heißes Primärmedium, z. B. das Kühlmittel von einem Atomreaktorkern (nicht dargestellt), durch einen im allgemeinen stehenden Druckbehälter 10 geleitet wird und dabei, räumlich getrennt, einen Wärmetausch mit einem Sekundärmedium vollzieht, z. B. mit Wasser, das in dem Behälter 10 eingespeist wird. Das Primärmedium tritt in eine Eintrittskammer 11 an einem Ende des Behälters 10 ein und strömt durch die Rohre 12 des Rohrbündels 12A (das nur in Achslage dargestellt Ist), welches in den Rohrböden 13 und 14 gehalten wird, und sammelt sich in einer Austrittskammer 15 am entgegengesetzten Ende des Behälters 10, wo es zur Rezirkulation austritt

Innerhalb des Behälters 10 befindet sich ein Martel 16, der das Rohrbündel 12A umgibt und an beiden Enden offen ist Eine Ringplatte 17, die an ihrer Innenkante mit dem Mantel 16 und an ihrer Außenkante mit der Wand 18 des Behälters 10 verbunden ist, dient dazu, das durch einen Stutzen 19 eingeführte Speisewass,er von dem durch einen anderen Stutzen 20 ausströmenden Medium zu trennen.

Im allgemeinen benötigt ein Wärmetauscherrohrbündel eine Rohrunterstützungskonstruktion oder Unterütützungsplatten (in F i g. 1 nicht dargestellt), um den Rohren Unterstützung zu bieten und um den Abstand !■.wischen denselben aufrechtzuerhalten. Um Strömungsbeschränkungen und Wärmeübergangsprobleme ::u vermeiden, die im allgemeinen bei Unterstützungskonstruktionen auftreten, schlägt die Erfindung vor, daß die erforderliche Unterstützung und Distanzierung durch einen tangentialen Rohr-an-Rohr-Kentakt zwischen benachbarten Rohren in der gleichen Reihe und in benachbarten Reihen vorgenommen wird.

In Übereinstimmung mit dieser Erfindung wird ein Segment der Rohre in Form einer Wendel 21, wie sie in den F i g. 2 und 3 dargestellt ist, ausgebildet

In diesem Zusammenhang ist darauf hinzuweisen, daß cine Wendel ein bestimmtes geometrisches Gebilde ist, das eine genaue mathematische Gleichung hat und als eine dreidimensionale Kurve definiert wird, die auf einem Zylinder liegt und die Elemente desselben mit einem konstanten Winkel schneidet In der Praxis ist es jedoch sehr wahrscheinlich, daß die Wendel ein wendelartiges Gebilde ist, das sich der genauen mathematischen Definition nur nähert Obwohl die Form nicht notwendig eine Wendel ist, wie sie oben j;enau definiert wurde, so wird das Gebilde hierin mangels eines besseren Ausdrucks dennoch im folgenden als »Wendel« bezeichnet

Ein Abschnitt der Rohre 12 wird erfindungsgemäß in Form einer Wendel 21 ausgebildet, der entlang der Rohrachse verläuft und dann nach außen in den Raum zwischen dem wendelförmig gebildeten Rohr und den geraden Rohrabschnitten der unmittelbar benachbarten Rohre. Außerdem erlaubt es der Außenvorsprung der Wendel bzw. der effektive Umfang 22 dem wendelförmig gebildeten Rohr tangential die benachbarten Rohre zu berühren. Weiterhin sind die Wendel 21 in den Rohren 12 so angeordnet, daß jeder gerade Rohrabschnitt tangential symmetrisch an seinem Umfang berührt und dadurch von den anliegenden wendelförmigen Abschnitten unterstützt und auf Abstand gehalten wird.

Um die Beschreibung zu vereinfachen, ist das Segment des Rohrbündels 12Λ in den F i g. 2 und 3 in Sechskantform angeordnet und die Wendel 21 mit

is einem wirksamen Radius dargestellt, der gleich dem Rohrradius ist und plus dem Raum zwischen benachbarten Rohren. Wenn man in Richtung der Längsachse schaut (Fig.2), dann besagt diese symmetrische Rohranordnung, daß die Wendel 21 einen wirksamen Kreisumfang 22 hat, der tangential die sechs benachbarten Rohre an den Stellen 22/4 bis 22F berührt Der Vereinfachung wegen sind die zu den Stellen 22£ und 22F gehörenden Rohre nicht dargestellt Gemäß F i g. 3 liegen diese Berührungsstellen 22Λ bis 22F auf einer wendeiförmigen Linie 23. Diese ist als eine gestrichelte Linie von der Stelle 22/4'zur Stelle 22D dargestellt um die Berührungsstellen entlang der rückwärtigen Seite der V/endel 21 anzudeuten, und sie ist auch als eine stark durchgezogene Linie entlang der Vorderseite der Wendel dargestellt um die Berührungsstellen auf dieser Seite anzudeuten.

Gemäß der Darstellung in Fig.3 berührt eine Schleife der Wendel 21 alle sechs benachbarten Rohre an den Stellen 22/4 bis 22F Die Wendel kann jedoch erfindungsgemäß stufenweise um die Längsachse herum fortschreiten, tangential irgendeine Anzahl benachbarter Rohre berühren, zu seiner »geraden« Rohrlage zurückkehren und dann seinen kurvenförmigen Weg wieder aufnehmen, bis alle benachbarten Rohre berührt sind. Außerdem kann der wendeiförmige Abschnitt seine Spirale mit konstantem Radius fortsetzen und wiederum irgendeine vorher festgelegte Anzahl Rohre an einer entfernt liegenden Längsstelle berühren, wie z.B.bei22A'.

•»5 Weiterhin braucht bei den sechseckförmigen Rohrbündel der wendelartige Abschnitt nur in jedem dritten Rohr in einer Rohrreihe ausgebildet zu werden, um jedes Rohr 12 mit einer Dreipunktunterstützung und den Abstand aufrechterhaltenden Berührung zu versehen, wie es in Fig.2 als Kontaktstellen 22B, 22G und 22// dargestellt ist Das wendelförmig ausgebildete

Rohr 21 wird dabei durch einen Sechspunktkontakt 22Λ

bis 22Funterstützt und gehalten.

Bei einigen Wärmetauschern, wie z. B. bei Durchlauf-

dampferzeugern gemäß Fi g. 1, die man gewöhnlich in einer nuklearen Dampferzeugungs-Kraftanlage vorfindet sind nicht nur Rohrunterstützung und Distanzierung erforderlich, sondern es müssen auch unterschiedliche Wärmedehnungen der Rohre aufgenommen werden. Im allgemeinen entsteht dieses Problem der unterschiedlichen Wärmedehnung durch die extrem langen Rohre, durch die unterschiedliche Temperatur der Rohre und des Wärmetauschermantels und/oder durch das unterschiedliche Material, d. h. die unterschiedlichen Wärme-

t>5 dehnungskoeffizienten der Rohre und des Mantels. Weiterhin ist es auch erforderlich, im wesentlichen den gleichen Druckverlust in jedem der Rohre vorzusehen und dadurch zu vermeiden, daß große und kleine

Mengen durchströmen und daß heiße Stellen eventuell in denselben vorkommen.

Um also Unterstützung zu bieten, den Abstand aufrechtzuerhalten, im wesentlichen einen gleichen Druckverlust oder eine gleiche Mediumströmungslänge herzustellen und die unterschiedliche Wärmedehnung der typischerweise langen Rohre eines Durchlaufdampferzeugers zu berücksichtigen können nach einer Ausführungsform der Erfindung, die wendeiförmigen Abschnitte in jedem Rohr des Rohrbündels vorgesehen sein. Bei der schematisch in F i g. 1 dargestellten Anordnung haben die Rohre 12 (nur in Achslage dargestellt) je einen wendeiförmigen Abschnitt 21 (nur in Achslage dargestellt), der tangential die unmittelbar benachbarten Rohre 12 berührt, wie es zuvor beschrie- \ί ben worden ist Außerdem sind die wendeiförmigen Abschnitte eines jeden der unmittelbar benachbarten Rohre in verschiedenen Rohrlängslagen hergestellt Auf diese Weise hat jedes Rohr einen wendeiförmigen Abschnitt 21, der tangential einen nichtwendelförmigen (geraden) Rohrabschnitt 24 der benachbarten Rohre 12 berührt und seinerseits von den wendeiförmigen Abschnitten 21 der benachbarten Rohre in seinem eigenen geraden Abschnitt 24 an einer anderen Längsstelle berührt wird.

Bei der in F i g. 1 dargestellten Ausführungsform und zur Erläuterung ist das Rohrbündel 12/4 durch drei typische Längsabschnitte 25,26 und 27 gekennzeichnet. Man kann leicht dieser Abbildung entnehmen, daß eine in Längsrichtung versetzte Anordnung von wendelför- ω migen Abschnitten für jedes dritte Rohr in einer Rohrreihe des Rohrbündels HA an jedem Längsabschnitt der Reihe eine tangentiale Berührung zwischen dem wendelförmig ausgebildeten Abschnitt eines Rohrs und den »geraden« Abschnitten der benachbarten Rohre herstellt. Auf diese Weise wird jedes Rohr 12 in dem Rohrbündel 12Λ durch seine Nachbarrohre unterstützt und von diesen auf Abstand gehalten. Dazu hat jedes Rohr einen wendeiförmigen Abschnitt, um unterschiedliche Wärmedehnungen zu berücksichtigen. Außerdem weist jedes Rohr im wesentlichen die gleiche Lauflänge oder den gleichen Druckverlust bei seiner Durchströmung auf.

Natürlich kann die längs versetzte Anordnung nach Fig. 1 auch in anderen Mustern vorgesehen werden F i g. 1 soll also nicht zeigen, daß ein bestimmtes Mustei erforderlich ist. Weiterhin kann der wendeiförmige Abschnitt entlang der Rohrlänge wiederholt werden was u. a. von der jeweiligen Wärmetauschergröße und den Strömungsverhältnissen abhängt Obwohl die hierin gezeigten Rohre gleichen Durchmesser haben, sind außerdem die mit wendeiförmigem Abschnitt ausgebildeten Rohre nicht notwendigerweise größenmäßig se beschränkt Wiederum würden jedoch unterschiedliche Größen der Wärmetauscherrohre oder der mil wendeiförmigen Abschnitten ausgebildeten Rohre ir einem gewissen Ausmaß von den jeweiligen Merkmaler abhängen, wie z. B. Größe und Durchsatzmengen de; jeweiligen Wärmetauschers.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

1 Pateniansprüche:

1. Wärmetauscher mit einer Vielzahl in Längsrichtung ausgerichteter und mit Abstand voneinander angeordneter Wärmetauschmedium-Strömungsrohre großer Länge und kleinen Durchmessers mit den Rohraußendurchmesser erweiternden windungsförmigen Elementen zum gegenseitigen Abstützen der Rohre, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens einige der Rohre (12) einen aus der to Rohrlängsachse etwa in Form einer Wendel ausgebogenen Abschnitt (21) umfassen, der kontinuierlich in das Rohr übergeht und in Rohrlängsrichtung aufeinanderfolgend benachbarte Rohre tangential berührt

2. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Abschnitt (21) in Längsrichtung aufeinanderfolgende kontinuierliche Teile in tangentialer Berührung mit dem gleichen benachbarten Rohr an einer Vielzahl von Berührungsstellen aufweist