DE2729526C2 - - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen senkrecht stehenden Wärmetauscher kreisförmigen Querschnitts mit einem innerhalb eines Leitmantels angeordneten kompakten Geradrohrbündel in Dreiecks- oder Quadratteilung nach dem Oberbegriff des Patent­ anspruchs 1.

Bekannt sind Wärmetauscher mit einer Vielzahl von innerhalb ei­ nes äußeren Leitmantels angeordneten Geradrohrbündeln, die je von einem beidseitig offenen inneren Leitmantel umgeben und an ihren beiden Enden mit einem Rohrboden verbunden sind, an den sich eine Sammlerhaube anschließt. Jedes Rohrbündel bildet mit den zugehörigen Rohrböden und dem inneren Leitmantel eine Box, wobei alle Boxen im Grundriß im Sechseckgitter angeordnet sind. Die Rohrböden sind auf beiden Seiten der Boxen in verschiedenen Ebenen senkrecht zur Achse des Wärmetauschers installiert. Be­ nachbarte Rohrböden können sich im Gundriß überdecken, oder es ist nur sehr geringer Zwischenraum zwischen den Rohrböden der einen Box und dem inneren Leitmantel der dieser Box benachbar­ ten Boxen vorhanden.

Ein derartiger Wärmetauscher ist in der DE-OS 24 30 161 be­ schrieben. Er wird bevorzugt in geschlossenen Gasturbinenanla­ gen und in der Kernkraftwerkstechnik eingesetzt, wo er bei­ spielsweise beim sogenannten integrierten Kernreaktor im selben Druckbehälter wie der Reaktorkern installiert ist.

Aus der DD-PS 47 030 ist ein aus einem kompakten Geradrohrbün­ del bestehender Wärmetauscher für Kernreaktoranlagen bekannt, bei dem jeweils mehrere Rohre zu einem Teilbündel zusammenge­ faßt sind, die von einem Druckmantel umschlossen sind. Jedes Teilbündel ist an seinem oberen und unteren Ende mit einem Sammler versehen. Die Rohre der einen Hälfte der Teilbündel werden im Gegenstrom und die Rohre der anderen Hälfte der Teil­ bündel im Gleichstrom zu dem äußeren Medium von dem inneren Me­ dium durchströmt. Außerhalb des Druckmantels sind zwei Vertei­ lerrohre vorgesehen, von denen das eine der Zuführung des inne­ ren Mediums dient und durch Verzweigungsrohre mit der einen Hälfte der oberen Sammler verbunden ist, während das andere Verteilerrohr der Abführung des inneren Mediums dient und durch Verzweigungsrohre mit der anderen Hälfte der oberen Sammler in Verbindung steht. Am unteren Ende sind die Sammler der beiden Hälften der Teilbündel durch U-förmige Rohrleitungen miteinan­ der verbunden. Bei an dem Wärmetauscher auftretenden Schäden werden die Rohrbündel einzeln oder gruppenweise herausgezogen und durch neue Rohrbündel ersetzt. Eine Überprüfung von ein­ zelnen Rohren ist hier nicht möglich.

Zum Stand der Technik gehört ferner ein Wärmetauscher, in des­ sen Leitmantel eine Anzahl von Rohrkörpern angeordnet ist, die sich aus einer Vielzahl von an ihren Enden mit Kopfstücken oder Rohrböden verbundenen Rohren zusammensetzen. Die im wesentli­ chen geraden Rohre sind in unmittelbarer Nähe der Kopfstücke derart auseinandergespreizt, daß sie über den größten Teil ih­ rer Länge eine gleichförmige Verteilung über den Querschnitt des Mantels einnehmen. Auf diese Weise läßt sich bei einer ge­ gebenen Wärmeübertragungsleistung das Gesamtvolumen des Wärme­ tauschers gering halten. Ein derartiger Wärmetauscher ist in der GB-PS 9 91 915 beschrieben (die der DE-OS 14 01 666 ent­ spricht).

Von diesem Stand der Technik wird bei der vorliegenden Erfin­ dung ausgegangen, wobei ihr die Aufgabe zugrunde liegt, einen Wärmetauscher gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 1 dahinge­ hend zu verbessern, daß sich eine noch günstigere Ausgangslage zur Durchführung von Wiederholungsprüfungen ergibt und Rohr­ schwingungen auf ein zulässiges Maß gedämpft werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.

Der Wärmetauscher gemäß der Erfindung kann mit besonderem Vor­ teil als Hilfswärmetauscher des Nachwärmeabfuhrsystems von Hochtemperaturreaktoren sowie als Zwischenüberhitzer eingesetzt werden, da er bei guten Wärmeübertragungseigenschaften ein ge­ ringes Bauvolumen aufweist und guten Zugang für die Durchfüh­ rung von Wiederholungsprüfungen bietet. Ferner treten innerhalb seines aktiven Bereichs keine Abdichtungsprobleme auf, wie es bei dem bekannten Wärmetauscher in Boxenbauweise (DE-OS 24 30 161) der Fall sein kann. Ein weiterer Vorteil des erfindungsge­ mäßen Wärmetauschers liegt darin, daß er aus wenigen voneinan­ der verschiedenen Einzelbauteilen zusammengefügt werden kann, die jeweils in großen Serien anfallen; es ergibt sich somit eine kostengünstige Herstellung.

Bei dem erfindungsgemäßen Wärmetauscher sind jeweils zwei be­ nachbarte Teilbündel zu einer Wärmetauscher-Einheit zusammenge­ schaltet, wobei die Rohre des einen Teilbündels im Gegenstrom und die Rohre des anderen Teilbündels im Gleichstrom von dem inneren Medium durchströmt werden. Jedes Rohr eines im Gegen­ strom durchflossenen Teilbündels ist durch die zugeordnete U- förmig gebogene Rohrleitung gleichen Durchmessers mit einem Einzelrohr eines im Gleichstrom durchflossenen Teilbündels der gleichen Wärmetauscher-Einheit verbunden.

Die für die Halterung der einzelnen Rohre alle Wärmetauscher- Einheiten vorgesehenen Stützgitter können Waben-, Rhombus- oder Ringform haben. Zweckmäßigerweise sind jeweils die Rohre einer Wärmetauscher-Einheit oder weniger Einheiten in einem Stützgit­ ter zusammengefaßt. Die Anzahl der Bereiche, in denen Stützgit­ ter erforderlich sind, läßt sich durch Berechnungen ermitteln. Die Stützgitter haben die Aufgabe, die Ausschläge der aus der Anregung des außen strömenden Mediums reslutierenden Rohr­ schwingungen in zulässigen Grenzen zu halten.

Die Stützgitter der verschiedenen Wärmetauscher-Einheiten kön­ nen in jedem Bereich derart gegeneinander versetzt sein, daß sie in verschiedenen horizontalen Ebenen angeordnet sind.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterentwicklung der Erfindung kön­ nen auch in mindestens einem Bereich alle Stützgitter in der gleichen horizotalen Ebene angeordnet und in einem gemeinsamen Führungsrost längsverschiebbar geführt sein, wobei sie gleich­ zeitig durch den Führungsrost horziontal abgestützt werden (um z. B. Erdbebenkräfte aufnehmen zu können). Bei der Zuordnung der Teilbündel bzw. der Wärmetauscher-Einheiten, die jeweils durch ein Stützgitter gehaltert sind, muß darauf Rücksicht ge­ nommen werden, wie sich eine Führung dieser Teilbündel bzw. Einheiten in dem Führungsrost realisieren läßt. Bei entspre­ chender Zusammenfassung der Teilbündel bzw. Wärmetauscher-Ein­ heiten kann der komplette Führungsrost auf das komplett vorge­ fertigte Geradrohrbündel des Wärmetauschers montiert werden.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel des Wärmetauschers gemäß der Erfindung schematisch dargestellt, der für den Ein­ satz als Hilfswärmetauscher in dem Nachwärmeabfuhrsystem eines mit Helium gekühlten Hochtemperaturreaktors bestimmt ist. Die Figuren zeigen im einzelnen:

Fig. 1 den Hilfswärmetauscher im Längsschnitt nach der Linie A-A der Fig. 2 mit in Dreiecksteilung angeordneten Rohren und im Grundriß sechseckigen Sammlern,

Fig. 2 einen Querschnitt nach der Linie B-B der Fig. 1,

Fig. 3 einen Ausschnitt aus dem Sammler-Bereich des Hilfs­ wärmetauschers, ebenfalls im Querschnitt,

Fig. 4 einen einzelnen Sammler des Hilfswärmetauschers der Fig. 1 im Längsschnitt,

Fig. 5 den Grundauffbau des Tragrostes dieses Hilfswärmetau­ schers,

Fig. 6 das Stützgitter für eine Wärmetauscher-Einheit,

Fig. 7 den Grundaufbau des Führungsrostes des Hilfswärmetau­ schers der Fig. 1.

Die Fig. 1 bis 7 zeigen ein Ausführungsbeispiel des in ste­ hender Anordnung installierten Hilfswärmetauschers 1, der zu dem Primärkreislauf des Hochtemperaturreaktors gehört und wie alle anderen Komponenten dieses Kreislaufs in einem vertikalen Schacht innerhalb eines Spannbetondruckbehälters untergebracht ist (nicht dargestellt). Der Hilfswärmetauscher 1 ist von einem Leitmantel 2 umgeben, in den unten eine Gaseintrittsleitung 3 mündet. Das abgekühlte Helium wird oben aus de Leitmantel 2 abgezogen.

Innerhalb des Leitmantels 2 ist ein kompaktes Geradrohrbündel installiert, dessen einzelne Rohre 4 in Dreiecksteilung an­ geordnet sind. Jeweils sieben der Rohre 4 sind zu einem Teil­ bündel 5 zusammengefaßt, wie aus der Fig. 3 ersichtlich.

Jedes Teilbündel 5 ist an seinem oberen Ende mit einem Sammler 6 versehen, der im Grundriß eine sechseckige Form aufweist. Er besteht aus einer sechseckigen Lochplatte 7 mit abgerundeten Ecken, einem Stutzen 8 und einer gewölbten Haube 9, die von der Sechseckform an der Anschlußstelle 10 zur Lochplatte 7 in eine halbkugelige Form übergeht. Die Rohre 4 sind in die Lochplatte 7 eingeschweißt. Ein solcher Sammler wird in Fig. 4 gezeigt.

Der Teilungsabstand t der Rohre 4 im Dreiecksgitter ist mit Rücksicht auf die Ausführbarkeit der im Grundriß sechseckigen Sammler 6 der folgenden Gesetzmäßigkeit unterworfen:

Darin bedeutet d _a den Durchmesser der Einzelrohre 4; die Bedeu­ tung von r und s ist der Fig. 4 zu entnehmen. Nach einigen Um­ formungen ergibt sich aus dieser Gesetzmäßigkeit für den Tei­ lungsabstand t im Dreiecksgitter:

Die Teilbündel 5 sind im Grundriß im Sechseckgitter angeordnet, wie aus der Fig. 2 zu erkennen ist. Im Zentrum des Hilfswärme­ tauschers 1 befindet sich ein sechseckiger Füllkörper 11; wei­ tere Füllkörper 12 (nur teilweise gezeigt) sind am ganzen Um­ fang des Hilfswärmetauschers zwischen den Teilbündeln 5 und dem Leitmantel 2 vorgesehen. Die Sammler 6 sind in zehn verschiede­ nen horizontalen Ebenen I bis X angeordnet, wobei benachbarte Sammler stets gegeneinander versetzt sind, wie aus Fig. 1 er­ sichtlich. Auf diese Weise ist es möglich, durch das gesamte Geradrohrbündel hindurch eine ununterbrochene Dreiecksteilung der Einzelrohre beizubehalten. Wie die Fig. 3 zeigt, überdecken sich die versetzt angeordneten Sammler 6 im Grundriß, wodurch sich ein besonders kompakter Aufbau des Hilfswärmetauschers 1 ergibt. In der Fig. 2 ist durch die in einige der Teilbündel 5 eingeschriebenen Ziffern I bis X angedeutet, in welcher Ebene der zu dem Teilbündel gehörige Sammler 6 angeordnet ist. Es ist klar ersichtlich, daß einander benachbarte Sammler stets in verschiedenen Horizontalebenen liegen.

Je zwei der Teilbündel 5 sind zu einer Wärmetauscher-Einheit 13 vereinigt, und zwar sind jeweils benachbarte Teilbündel 5 zu­ sammengefaßt. Alle Wärmetauscher-Einheiten 13 sind derart ge­ schaltet, daß die Einzelrohre 4 des einen Teilbündels 5 a im Ge­ genstrom und die Einzelrohre 4 des anderen Teilbündels 5 b im Gleichstrom zu dem außen an den Rohren entlangströmenden Helium durchflossen werden. Am unteren Ende der Wärmetauscher-Ein­ heiten 13 sind zur Umkehrung der Strömungsrichtung des inneren Mediums U-förmig gebogene Rohrleitungen 14 vorgesehen, wie in der Fig. 1 angedeutet. Diese besitzen den gleichen Durchmesser wie die Einzelrohre 4 und verbinden jeweils ein Einzelrohr eines der Teilbündel 5 a mit einem Einzelrohr des zur gleichen Wärmetauscher-Einheit gehörenden Teilbündels 5 b.

Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel sind insgesamt 111 Wärme­ tauscher-Einheiten 13 vorhanden, wobei jede Wärmetauscher-Ein­ heit 13 zwei Sammler 6 und 14 Einzelrohre 4 aufweist. Dieses Konzept ergibt für den erfindungsgemäßen Hilfswärmetauscher die geringste Bauhöhe und die günstigste Durchmischung des äußeren Mediums Helium.

Das gesamte aus den Teilbündeln 5 bestehende Geradrohrbündel ist an einem Tragrost 15 aufgehängt, der sich oberhalb der Sammler 6 in dem Hilfswärmetauscher 1 befindet. Er weist Durchbrüche für die Stutzen 8 auf, mit denen er jeweils durch eine Wärmeausgleichhülse verbunden ist, um das Entstehen von Wärmespannungen zu verhindern (nicht dargestellt). Der Tragrost 15 besteht aus einem Außenring 16, einem Innenring 17 und sechs radial angeordneten Tragarmen 18, wie in der Fig. 5 gezeigt. Die Tragarme 18 sind untereinander durch Zwischenriegel 19 ver­ bunden, an denen sowie an den Tragarmen 18 die Teilbündel 5 aufgehängte sind. In der Fig. 5 ist die Anordnung der Zwischen­ riegel 19 nur in einem Kreisausschnitt dargestellt. Der zen­ trale Füllkörper 11 ist ebenfalls an dem Tragrost 15 befestigt.

Um die Schwingungen der Einzelrohre 4 in zulässigen Grenzen zu halten, ist eine erste Reihe von Stützgittern 20 vorgesehen, in denen jeweils die Rohre 4 einer Wärmetauscher-Einheit 13 gehal­ tert sind, wie aus der Fig. 6 ersichtlich. Die Stützgitter 20 sind bei diesem Ausführungsbeispiel als Wabengitter ausgebil­ det. Ihre Anordnung erfolgt in verschiedenen horizontalen Ebe­ nen, beispielsweise in den Ebenen A bis D, wie die Fig. 1 zeigt. Im unteren Teil des Hilfswärmetauschers 1 ist eine wei­ tere Gruppe von Stützgittern 20′ vorgesehen, die in horizontale Ebenen A′ bis D′ angeordnet sind. Jede Wärmetauscher-Einheit 13 ist somit in einem Stützgitter 20 und einem Stützgitter 20′ ge­ haltert.

Um auch eine horizontale Abstützung der Einzelrohre 4 zu erreich­ chen, sind je eine Wärmetauscher-Einheit 13 umfassende Stütz­ gitter 21 im unteren Teil des Hilfswärmetauschers 1 vorgesehen, die in einer horizontalen Ebene liegen. Die Stützgitter 21 sind längsverschiebbar in einem Führungsrost 22 geführt, wie aus Fig. 1 zu erkennen. Der Grundaufbau des Führungsrosts 22 ist in der Fig. 7 dargestellt. Er besteht aus einem Außenring 23, ei­ nem Innenring 24 mit vieleckigem Grundriß und sechs radialen Armen 25. Zwischen den radialen Armen 25 befindet sich ein Git­ terwerk 26, das zusammen mit den Stützgittern 21 die Einzelroh­ re 4 der Teilbündel 5 abstützt. Die Stützgitter 21 sind in gleicher Weise ausgebildet wie die Stützgitter 20 und 20′. Falls erforderlich, kann eine solcher Führungsrost 22 noch in einer weiteren horizontalen Ebene vorgesehen sein, z. B. in der halben Höhe des Geradrohrbündels.

Claims (4)

1. Senkrecht stehender Wärmetauscher kreisförmigen Quer­ schnitts mit einem innerhalb eines Leitmantels angeordne­ ten kompakten Geradrohrbündel in Dreiecks- oder Quadrat­ teilungs, das parallel zu den Rohrachsen von einem inneren und einem äußeren Medium druchströmt wird und bei dem je­ weils mehrere Rohre zu einem Teilbündel zusammengefaßt sind, wobei

• a) die Rohre der einen Hälfte der Teilbündel im Gegen­ strom und die Rohre der anderen Hälfte der Teilbün­ del im Gleichstrom zu dem äußeren Medium von dem inneren Medium durchströmt werden,
• b) am unteren Ende die Teilbündel durch U-förmig gebo­ gene Rohrleitungen verbunden sind,
• c) die Teilbündel im Grundriß im Sechseckgitter ange­ ordnet sind,
• d) jedes Teilbündel an seinem oberen Ende einen Sammler aufweist und
• e) die Sammler in mindestens drei verschiedenen horizon­ talen Ebenen derart angeordnet sind, daß benachbarte Sammler gegeneinander versetzt sind,

gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

• f) jeweils zwei benachbarte Teilbündel (5 a, 5 b) sind zu einer Wärmetauscher-Einheit (13) zusammengeschaltet;
• g) bei jeder Wärmetauscher-Einheit (13) ist jedes Ein­ zelrohr (4) des im Gegenstrom durchflossenen Teil­ bündels (5 a) mit einem Einzelrohr (4) des im Gleich­ strom durchflossenen Teilbündels (5 b) durch eine U-förmig gebogene Rohrleitung (14) verbunden, die den gleichen Durchmesser hat wie die Einzelrohre (4);
• h) für jede Wärmetauscher-Einheit (13) sind zur Halterung ihrer Einzelrohre (4) in mehreren Bereichen des Wär­ metauschers (1) angeordnete Stützgitter (20, 20′, 21) vorgesehen.

2. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stützgitter (20 bzw. 20′) der verschiedenen Wär­ metauscher-Einheiten (13) in jedem Bereich derart gegen­ einander versetzt angeordnet sind, daß sie in verschie­ denen horizontalen Ebenen (A, B, C, D bzw. A′, B′, C′, D′) liegen.

3. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in mindestens einem Bereich die Stützgitter (21) aller Wärmetauscher-Einheiten (13) in der gleichen horizontalen Ebene angeordnet und in einem gemeinsamen Führungsrost (22) längsverschiebbar geführt sind, wobei sie gleichzeitig horizontal abgestützt sind.