DE2624688B2

DE2624688B2 - Wärmeübertraganlage für gasgekühlte Hochtemperaturreaktoren

Info

Publication number: DE2624688B2
Application number: DE2624688A
Authority: DE
Inventors: Max Wiesendangen Weber (Schweiz)
Original assignee: Gebrueder Sulzer AG
Current assignee: Sulzer AG
Priority date: 1976-05-11
Filing date: 1976-06-02
Publication date: 1978-10-19
Also published as: FR2351472B1; DE2624688C3; DE2624688A1; CH592942A5; FR2351472A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Wärmeübertraganlage für gasgekühlte Hochtemperaturreaktoren, die z. B. einzeln oder zu mehreren im den Reaktor enthaltenden Abschirmkörper untergebracht ist bzw. sind, in der vom Reaktor kommendes, hoch erhitztes Primärgas Wärme an ein Arbeitsgas abgibt, mit einem inneren und einem äußeren zylindrischen Mantel und mehreren im Ringraum zwischen den Mänteln achsparallel angeordneten Gegenstrom-Rohrwärmeübertragern, die vom Primärgas umströmt und vom Arbeitsgas durchströmt werden und zumindest die oberen Enden jedes Gegenstrom-Rohrwärmeübertragers in einem Rohrboden eingesetzt sind. Das erhitzte Arbeitsgas dient beispielsweise zum Antrieb thermischer Maschinen oder der Wärmezufuhr in einem chemischen Prozeß, wobei der chemische Prozeß auch im Arbeitsgas selbst sich abspielen kann.

Eine Wärmeübertraganlage dieser Art ist aus der DE-OS 24 37 016 bekannt. Bei dieser Anlage sind die im Ringraum angeordneten Gegenstrom-Rohrwärmeübertrager als konzentrische Ringe ausgebildet, indem die Rohre sich zwischen ringförmigen Verteilern und Sammlern für das Arbeitsgas erstrecken. Das heiße Primärgas tritt von oben in den Ringraum ein und trifft zuerst auf die Sammler der Gegenstrom-Rohrwärmeübertrager. Dies ist ungünstig, denn die hohe Temperatur des Primärgases bedingt hohe Temperaturen in der das Primärgas vom Arbeitsgas trennenden Wärmeübertragungsstruktur der Anlage, so daß diese Struktur starken Temperaturbelastungen ausgesetzt ist. Außer durch die hohe Temperatur wird die Struktur auch durch hohe Drücke und Kräfte sowie Wärmspannungen belastet, insbesondere infolge der Formgebung der Sammler als Torusschalen. Außerdem sind die ringförmigen Wärmeübertrager nicht gut transportierbar, so daß sie auf der Baustelle zusammengeschweißt werden müssen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Wärmeübertraganlage der eingangs genannten Art so zu verbessern, daß trotz der hohen Temperatur des Primär- und des Arbeitsgases die Belastungen des Materials der Wärmeübertragungsstruktur nicht zu unlässigem Fließen oder gar zum Bruch führen und außerdem die Anlage sich in Einheiten unterteilen läßt, die in der Werkstatt leicht herstellbar und damit gut zur Baustelle transportierbar sind.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß innerhalb des inneren zylindrischen Mantels achsparallel zu diesem mit ihrem oberen Ende in einen Rohrboden eingesetzte Sackrohre mit je einem

koaxialen, einen Ringspalt freilassenden Einsteckrohr angeordnet und zu den Gegenstrom-Rohrwärmeübertragern so geschaltet sind, daß das heiße Primärgas vor der Umströmung der Gegenstromwärmeübertrager die Sackrohre im Mantel längs umströmt, ",vährend das Arbeitsgas nach Durchströmen der Gegenstrom-Rohrwärmeübertrager die Ringspalte in den Sackrohren und dann darin die Einsteckrohre durchströmt.

Diese Wärmeübertraganlage hat die Vorteile, daß sie sich auf der Baustelle leicht und mit relativ wenigen Schweißungen aus großen, in der Werkstatt zu fertigenden, gut transportierbaren Einheiten zusammenfügen läßt und daß sie in den Bereichen, in denen die höchsten Temperaturen auftreten, durch günstige Formgebung mit geringen Wandstärken und geringen Materialanhäufungen auskommt. Geringe Wandstärken bedeuten geringen Verbrauch teuren Materials und geringe Materialanhäufungen kleine Wärmespannungen, so daß rasche Temperaturänderungen zulässig sind.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird in der folgenden Beschreibung anhand der Zeichnung näher erläutert, die einen Vertikalschnitt durch eine Wärmeübertraganlage zeigt.

In einem als Abschirmkörper dienenden Betondruckgefäß 1 mit zentral angeordnetem, nicht gezeichnetem Reaktorkern sind peripher mehrere, etwa kreiszylindrische Hohlräume 2 mit vertikaler Achse vorgesehen, von denen einer in der Zeichnung dargestellt ist. Der Hohlraum 2 ist mit einer mit Blech abgedeckten Isolation 3 gefüttert und oben zweifach gestuft. Auf der unteren Stufe 4 sitzt ein Tragrost 5 und der Flanschring einer kalottenförmigen Haube 6. Auf der oberen Stufe 10 ruht, durch nicht gezeichnete Mittel niedergehalten, ein betonbewehrter Deckel 11. Der Hohlraum 2 ist über einen horizontalen Kanal 15 mit einer Kammer für den Reaktorkern verbunden.

Am Tragrost 5 hängt an mehreren schmalen Stegen 20 ein innerer zylindrischer Mantel 21, der unten in einer Ebene 22 schräg an einen kurzen Zylinder 23 elliptischen Querschnitts stößt, der über ein sich verjüngendes Übergangsstück 24 mit einer Primärgaszufuhrleitung 25 verbunden ist. Zwischen der Primärgaszufuhrleitung 25 und der Wand des Kanals 15 ist ein Ringkanal 26 gebildet. Im Raum des kurzen, elliptischen Zylinders 23 ist ein statischer Mischer 27 untergebracht, der beispielsweise aus einem System von kreuzweise, unter 45° zur Strömungsrichtung des Primärgases angeordneten Graphitstäben besteht. Der Mantel 21, der kurze Zylinder 23, das Übergangsstück 24 und die Primärgaszufuhrleitung 25 bestehen aus hochtemperaturbeständigen Metallblechen, die auf der Innenseite thermisch isoliert sind, so daß sie im wesentlichen die Temperatur des auf der Außenseite strömenden Primärgases annehmen.

Der Tragrost 5 weist in der Mitte einen kreisförmigen Ausschnitt zur Aufnahme eines mit einem Flansch versehenen Rohrbodens 30 auf, in dem ein Bündel von Sackrohren 31 endet. Peripher um den Rohrboden 30 herum ist im Tragrost 5 eine Reihe von kleineren, kreisförmigen Ausschnitten angeordnet, die je einen mit einem Flansch versehenen Rohrboden 40 aufnehmen. Die Sackrohre 31 sind am unteren Ende durch je eine Kalotte 32 geschlossen und in ihnen ist je ein Einsteckrohr 33 koaxial angeordnet. Die Einsteckrohre 33 hängen oben an einer Rohrplatte 34 und enden unten im Bereich der Kalotten 32 offen. An die Rohrplatten 34 schließen oben zwei konische Rohrstücke 35 und 36 und eine das Arbeitsgas wegführende Leitung 37 an. Die zusammen mit der Rohrplatte 34 einen Sammler 38 bildenden Rohrstücke 35 und 36 sowie die Leitung 37 bestehen aus hochtemperaturbeständigem Blech, das ebenfalls mit einer beispielsweise keramischen Wärmeisolation gefüttert ist.

In jedem Rohrboden 40 sind die oberen Enden von Hohlkörpern in Form von Rohren 41 eingesetzt, die in einem Ringbereich um ein zentrales Rohr 42 angeordnet sind. Die unteren Enden der Rohre 41 und das untere

ίο linde des zentralen Rohres 42 sind in einer Rohrplatte 44 befestigt, die unten von einer Kalotte 45 überspannt ist, so daß sich ein Verteiler 46 bildet. Die Rohrboden 40 mit den Rohren 41 und den Verteilern 46 bilden Gegenstrom-Rohr wärmeübertrager 47, die in einen von dem inneren Mantel 21 und einem äußeren zylindrischen Mantel 70 begrenzten Ringraum 48 ragen.

Die Rohre 42 sind über geneigt-tangential geführte und damit federnd angeordnete Zweigleitungen 50 an einen konischen Ringraum 51 angeschlossen, der sich zwischen dem Rohrstück 36 und einem konischen Rohrstück 52 erstreckt und der oben in einen zylindrischen Ringraum 53 übergeht, der von der Arbeitsgas wegführenden Leitung 37 und einer kühles Arbeitsgas führenden Leitung 54 begrenzt ist. Zwischen

2> der Leitung 54 und der diese umgebenden öffnung im Deckel 11 erstreckt sich eine Hülse 56, die oberhalb des Deckels dient mit der Leitung 54 und unterhalb des Deckels dicht mit der Haube 6 verbunden ist. Der Deckel 11 ist sodainn über ein Wellrohr 58 mit der Hülse

Ji) 5'6 gasdicht verbunden.

Die Rohre 41 jedes Gegenstrom-Rohrwärmeübertragers 47 sind von einem an den Rohren 41 hängenden Hüllrohr 60 umfaßt. Diese Hüürohre 60 enden oben bündig mit dem inneren Mantel 21 und lassen auch unten einen Durchtrittsquerschnitt 61 oberhalb der Verteiler 46 frei.

An der Unterseite des Tragrostes 5 ist außerhalb der Ausschnitte für die Rohrböden 40 der äußere Mantel 70 angeschweißt, der im unteren Bereich eine seitliche Aushalsung 71 zum Durchführen des Übergangsstückes 24 sowie einen geschweiften Boden 72 mit axialer öffnung 73 aufweist. In der öffnung 73 sitzt der Rotor eines Gebläses 74, das von einem Motor 75 mit vertikaler Achse angetrieben wird. Im Ringraum zwischen dem äußeren Mantel 70 und der Isolation 3 ist eine zylindrische Leitwand 80 vorgesehen, die diesen Ringraum in zwei Kühlspalte 78 und 79 unterteilt. Die Leitwand 80 läßt an der Oberkante eine Durchtrittsöffnung 81 frei und ist unten am Boden des Hohlraumes 2

so sowie auf der Außenseite der Aushalsung 71 gasdicht angeschweißt.

Der freie Querschnitt des Ringraumes 48 zwischen dem inneren Mantel 21, dem äußeren Mantel 70 und den Hüllrohren 60 ist durch an den Mänteln 21 und 70 befestigte Trennschotten 82 abgesperrt.

Im Betrieb strömt heißes Primärgas über die Primiirgaszufuhrleitung 25, das Übergangsstück 24 und den statischen Mischer 27, in dem die Temperatur des Primärgases über den Strömungsquerschnitt ausgegli-

w) chen wird, in Längsrichtung um die Sackrohre 31, an denen Wärme abgegeben wird. Das Primärgas gelangt sodann durch die Schlitze zwischen den Stegen 20 des inneren Mantels 21 in die Räume zwischen den Rohren 41 uer Gegenstrom-Rohrwärmeübertrager 47. Diese umströmend, durchfließt es die Hüllrohre 60 und gelangt — nach Umströmung der Verteiler 46 — zum Gebläse 74. Das Gebläse 74 fördert das gekühlte Primärgas in den Kühlspalt 78, den es aufwärts durchströmt, wonach

es den Kühlspalt 79 abwärts durchströmt. Am Boden des Hohlraumes 2 angelangt, fließt es über den Ringkanal 26 zum Reaktor zurück.

Das kühle Arbeitsgas tritt über den zylindrischen Ringraum 53, den konischen Ringraum 51, die Zweigleitungen 50 und die zentralen Rohre 42 in die Verteiler 46 und strömt dann im Gegenstrom zum Primärgas durch die Rohre 41, in denen eine Aufheizung erfolgt, zum Raum unter der Haube 6. Aus diesem Raum strömt das Arbeitsgas durch die Ringspalte zwischen in den Sackrohren 31 und den Einsteckrohren 33, wobei es auf seine höchste Temperatur erhitzt wird. In den Kalotten 32 der Sackrohre 31 kehrt das Arbeitsgas seine Strömungsrichtung um und gelangt durch die Einsteckrohre 33, die auf der Innenseite eine Isolation tragen, über die das heiße Arbeitsgas wegführende Leitung 37 zum Verbraucher, z. B. einer Gasturbinengruppe oder einer Chemieanlage.

Durch diese Anordnung treten die höchsten Temperaturen an den Kalotten 32 und in den unteren Bereichen der Sackrohre 31 auf. Diese Partien sind im Normalbetrieb nahezu spannungsfrei, so daß hohe Endtemperaturen des Arbeitsgases zulässig sind.

Beim Eintritt in die Gegenstrom-Rohrwärmeübertrager 47 ist die Temperatur des Primärgases bereits so weit abgebaut, daß sich Metalltemperaturen ergeben, die bei den dort dauernd zu erwartenden, erheblichen Spannungen noch zulässig sind.

Zur Zentrierung der Einsteckrohre 33 in den Sackrohren 31 können an den Einsteckrohren 33 Abstandhalter vorgesehen sein, die vorzugsweise in einem Abstand von der Rohrplatte 34 angebracht sind, der etwa ²Aj der Länge der Einsteckrohre beträgt.

Anstelle der im Ausführungsbeispiel relativ wenigen Sackrohre 31 können beispielsweise hundert vorhanden sein, die alle in dieselben Rohrboden 30 münden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnuncen

Claims

Patentansprüche:

1. Wärmeübertraganlage für gasgekühlte Hochtemperaturreaktoren, die z. B. einzeln oder zu mehreren in den Reaktor enthaltenden Abschirmkörper untergebracht ist bzw. sind, in der vom Reaktor kommendes, hoch erhitztes Primärgas Wärme an ein Arbeitsgas abgibt, mit einem inneren und einem äußeren zylindrischen Mantel und mehreren im Ringraum zwischen den Mänteln achsparallel angeordneten Gegenstrom-Rohrwärmeübertragern, die vom Primärgas umströmt und vom Arbeitsgas durchströmt werden und zumindest die oberen Enden jedes Gegenstrom-Rohrwärmeübertragers in einem Rohrboden eingesetzt sind, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb des inneren zylindrischen Mantels (21) achsparallel zu diesem mit ihrem oberen Ende in einen Rohrboden (30) eingesetzte Sackrohre (31) mit je einem koaxialen, einen Ringspalt freilassenden Einsteckrohr (33) angeordnet und zu den Gegenstrom-Rohrwärmeübertragern (47) so geschaltet sind, daß das heiße Primärgas vor der Umströmung der Gegenstrom-Rohrwärmeübertrager (47) die Sackrohre (31) im Mantel (21) längs umströmt, während das Arbeitsgas nach Durchströmen der Gegenstrom-Rohrwärmeübertrager (47) die Ringspalte in den Sackrohren (31) und dann darin die Einsteckrohre (33) durchströmt.

2. Wärmeübertraganlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohrboden (30, 40) auf einem gemeinsamen Tragrost (5) dicht befestigt sind, den eine im wesentlichen kartenförmige Haube (6) überspannt, innerhalb der die Einsteckrohre (33) in mindestens einem Sammler (38) enden.

3. Wärmeübertraganlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Gegenstrom-Rohrwärmeübertrager (47) langgestreckte, das Arbeitsgas führende Hohlkörper (41) sind, die von einem beidendig offenen Hüllrohr (60) umgeben sind, wobei der außerhalb des Hüllrohres (60) verbleibende Teil des Ringraumes (48) gegen Längsdurchströmung seitens des Primärgases durch Trennschatten (82) abgesperrt ist.

4. Wärmeübertraganlage nach einem der Ansprüehe 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Ringraum (48) von mindestens einem Kühlspalt (78) umgeben ist, in dem kühles Arbeitsgas oder kühles Primärgas strömt.

5. Wärmeübertraganlage nach einem der Ansprü- so ehe 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß im Zufuhrkanal (25) für das heiße Primärgas ein statischer Mischer (27) angeordnet ist.

6. Wärmeübertraganlage nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Ringraum (48) an seinem dem Tragrost (5) gegenüberliegenden Ende mit der Saugseite eines Gebläses (74) für das gekühlte Primärgas verbunden ist, dessen Druckseite mit dem Kühlspalt (78) verbunden sein kann.

7. Wärmeübertraganlage nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlspalt (78) von einem zweiten Kühlspalt (79) umgeben ist, der tragrostseitig mit dem ersten Kühlspalt (78) und gegenüberliegend mit einem den Zufuhrkanal (25) für das heiße Primärgas umgebenden Ringkanal (26) verbunden ist.

8. Wärmeübertraganlage nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine vom Sammler (38) für das heiße Arbeitsgas wegführende Leitung (37) von einer, kühles Arbeitsgas führenden Leitung (54) umgeben ist, die auch den Sammler (38) mindestens partiell umhüllt, und daß von dieser Leitung (54) Zweigleitungen (50) zu den Gegenstrom-Rohrwärmeübertragern (47) führen.

9. Wärmeübertrageranlage nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Zweigleitungen (50) die Rohrboden (40) der Gegenstrom-Rohrwärmeübertrager (47) durchdringen und sich parallel zu den Hohlkörpern (41) bis zu deren unteren Enden erstrecken und dort mit den Hohlkörpern an Verteiler (46) angeschlossen sind.