DE2757145A1

DE2757145A1 - Rohrbuendelanordnung fuer einen waermeaustauscher

Info

Publication number: DE2757145A1
Application number: DE19772757145
Authority: DE
Inventors: John Ashley Kissinger
Original assignee: General Atomics Corp
Current assignee: General Atomics Corp
Priority date: 1976-12-23
Filing date: 1977-12-21
Publication date: 1978-07-06
Also published as: JPS61165304U; FR2375564A1; GB1586480A; US4182413A; JPS5379101A

Description

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/K. Fl

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PATENTANWÄLTE DiPL.-IiIG. H. WeICK^ANN, DiPL.-PhYS. Dr/K. FlNCKE

r.™™ Dipl.-Ing. F. A.Weickmann, Dipl.-Chem. B. Huber

SPMY Dr.-Ing.H.Liska

Case G 1085 GEW 8 München 86, den 2 1, 0β2 JQ77

POSTFACH 860 820 ' ' * '

MÖHLSTRASSE 22, RUFNUMMER 9S 3921/22

GENERAL ATOMIC COMPANY 10955 John Jay Hopkins Drive, San Diego, California, V.St.A.

Rolirbundelanordnung für einen Wärmeaustauscher

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Die Erfindung betrifft eine Rohrbündelanordnung für einen Wärmeaustauscher. Insbesondere betrifft die Erfindung eine solche Rohrbündelanordnung, die als Nacherhitzungsabschnitt eines Dampferzeugers angewandt werden kann, der geeignet ist, in Verbindung mit einem gasgekühlten Kernreaktor in einer Elektrizitätserzeugungsanlage verwendet zu werden.

Eine solche Anwendung ist besonders beispielhaft für die Schwierigkeiten, die durch die Erfindung überwunden werden. In diesem Zusammenhang sei darauf hingewiesen, daß sich gasgekühlte Kernreaktoren als besonders leistungsfähige und wirtschaftliche Einrichtungen zum Erzeugen von Elektrizität aus Wärmeenergie, die innerhalb des Reaktors entsteht, erwiesen haben. Wichtige Betriebsbedingungen innerhalb solcher Reaktoren umfassen deren Betrieb bei Temperaturen, die genügend hoch sind, damit man direkt Dampf bei Temperaturen und Drücken erzeugen kann, der für einen hochleistungsfähigen Betrieb von Dampfturbinen bzw. für einen Betrieb von Dampfturbinen mit hohem Wirkungsgrad geeignet ist.

Im allgemeinen wird in gasgekühlten Kernkraftanlagen ein primäres Kühlmittel, wie z.B. Helium oder Kohlendioxid, umgewälzt, um Wärmeenergie, die von dem Reaktor erzeugt worden ist, abzuführen; hierbei werden zum Zwecke des Erzielens eines größeren Wirkungsgrades hohe Temperaturen angewandt. Der Dampf für den Betrieb von Turbinen wird normalerweise dadurch erzeugt, daß man die Wärme von dem primären KUhlströmungsmittel auf ein sekundäres Strömungsmittel eines Wasser-Dampf-Systems überträgt. Diese Übertragung von Wärme wird allgemein innerhalb eines Wärmeaustauschers oder eines Dampferzeugers durchgeführt, der verschiedene, spezialisierte Abschnitte umfaßt, welche es ermöglichen, die Wärmeenergie, die von dem Reaktor abgeführt worden ist, für die Erzeugung von überhitztem Dampf auszunutzen.

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Wenn der Wärmeaustauscher oder der Dampferzeuger innerhalb des gleichen Druckbehälters wie der Reaktor selbst untergebracht ist, dann ist es wichtig, daß die Abmessung der gesamten Wärmeaustauscheranordnung auf einem Minimum gehalten vird, wobei die verschiedenen Wärmeaustauscherabschnitte durch notwendigerweise beschränkte Öffnungen in dem Containmentbzw. Einschließungsbehälter leicht entfernbar und austauschbar sein sollen. Es ist jedoch auch wichtig, daß ein Minimum an Gasströmungswiderstand erzielt wird, so daß die Arbeit, die zum Umwälzen des primären Gases durch das System aufzuwenden ist, minimalisiert wird.

Es ist notwendig, die Wärmeaustauscherrohre in vielen Abständen zu halten bzw. zu unterstützen, um sie gegen eine durch die Strömung hervorgerufene Schwingung zu schützen sowie gegen Erdbeben und gegen ihre Eigengewichtsbelastungen. In der Vergangenheit war es oft notwendig, diese Halterungen bzw. Unterstützungen sehr groß und stark auszubilden, weil frühere V/ärmeaustauschergestaltungen so waren, daß die Halterungen bzw. Unterstützungen auf eine geringe Anzahl beschränkt worden waren. Wenn die Rohre intern durch das sekundäre Strömungsmittel gekühlt und die Halterungen bzw. Unterstützungen durch das primäre Strömungsmittel auf einer wärmeren bzw. höheren Temperatur gehalten werden, dann dehnen sich die Strukturen mit unterschiedlichen Raten aus. Gemäß dem Stand der Technik wurden allgemein komplizierte Anordnungen von Rohrleitungen zwischen den Wärmeaustauscherabschnitten angewandt, um die unterschiedliche Aufdehnung aufzunehmen. Wegen der anderen Gestaltungs- bzw. Auslegungsprobleme muß diese Rohrleitung üblicherweise nicht erhitzt sein, was zu einer Verminderung der Leistungsfähigkeit bzw. des Wirkungsgrades des Wärmeaustauschers führt.

Wenn man die Auslegungskriterien der Art, wie sie vorstehend zusammenfassend dargelegt sind, erfüllen will, dann

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kommt es zu Schwierigkeiten bei der Gestaltung bzw. Auslegung eines 1 eistungsfälligen vrärmeaustauschers oder Dampferzeugers, der in Anwendungsfällen, wie in gasgekühlten Kernreaktoren, betrieben werden soll. Ähnliche Schwierigkeiten, wie sie auftreten, wenn man Forderungen einer Umhüllung beschränkten Raums und einer unterschiedlichen Ausdehnung erfüllen will, während gleichzeitig eine leistungsfähige Einheit bzw. eine Einheit mit hohem Wirkungsgrad erzielt werden soll, ergeben sich auch bei anderen Wärmeaustauscheranwendungen, bei denen die Wärmeaustauscheranordnung nach der Erfindung mit gleichem Vorteil angewandt werden kann.

Mit der Erfindung soll infolgedessen eine Rohrbündelanordnung für einen Wärmeaustauscher mit einer kompakten, ringförmigen Konfiguration zur Verfügung gestellt werden, die gleichzeitig wirksame Wärmeaustauschfähigkeiten hat bzw. einen hohen Wärmeaustauschwirkungsgrad besitzt, bei der weiterhin der Gasströmungswiderstand auf einem Minimum gehalten wird, und die eine unterschiedliche Ausdehnung ermöglicht, ohne daß es notwendig ist, nichterhitzte Querverbindungen zu verwenden.

Demgemäß wird mit der Erfindung eine Rohrbündelanordnung für einen Wärmeaustauscher zur Verfügung gestellt, die eine langgestreckte bzw. längsverlaufende Einlaßsammelrohrleitung umfaßt, welche einen inneren Durchgang bildet, mittels dessen ein Wärmeaustauschströmungsmittel mit der Rohrbündelanordnung zum Zwecke seiner Zuführung in letztere verbunden wird; eine langgestreckte bzw. längsverlaufende Auslaßsammeirohrleitung, die parallel zu der Einlaßsammelrohrleitung angeordnet ist und einen inneren Durchgang zur Entladung des Wärmeaustauschströmungsmittels aus der Rohrbündelanordnung bildet; eine Mehrzahl von spiralförmigen Wärmeaustauscherrohren, die ein ringförmiges Rohrbündel bilden, wobei jedes spiralförmige Rohr um eine Achse ausgebildet bzw. geformt ist, die parallel zu der Einlaß- und der Auslaßsammelrohrleitung ist, und wenig-

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stens eine volle Schleife und eine teilweise Schleife umfaßt, wobei seine entgegengesetzten Enden in Strömungsmittelverbindung mit der Einlaß- bzw. der Auslaßsammelrohrleitung verbunden sind; und eine oder mehrere Verbindungseinrichtungen, welche benachbarte Teile des spiralförmigen Rohrs miteinander verbinden.

Die Erfindung wird nachstehend anhand einiger, in den Fig. 1 bis 7 der Zeichnung im Prinzip dargestellter, besonders bevorzugter Ausführungsbeispiele näher erläutert; es zeigen:

Fig. 1 eine Aufsicht auf eine Rohrbündelanordnung nach der Erfindung, die in einem Nacherhitzerabschnitt eines Dampferzeugers verwendet wird;

Fig. 2 eine gegenüber Fig. 1 vergrößerte, teilweise Seitenansicht des Nacherhitzerabschnitts des Dampferzeugers nach Fig. 1;

Fig. 3 eine perspektivische Ansicht eines Wärmeaustauschers oder Dampferzeugers als Teil eines gasgekühlten Kernreaktors, und zwar einschließlich des Nacherhitzerabschnitts der Fig. 1 und 2, wobei zum Zwecke der klareren Darstellung Teile weggebrochen sind;

Fig. 4 ein schematisches Diagramm, welchesdie Richtung des primären und sekundären Strömungsmittelflusses durch den Wärmeaustauscher oder Dampferzeuger der Fig. 3 veranschaulicht, und zwar insbesondere zum Zwecke des Hervorhebens der bevorzugten, radialen Strömung des primären Strömungsmittels durch die Rohrbündelanordnung nach der Erfindung;

Fig. 5 eine schematische Darstellung der grundsätzlichen Komponenten der Nacherhitzerabschnitte der Fig. 1 und 2, und zwar in einer Ansicht, die sich ergibt, wenn man nach abwärts längs der Achse der Anordnung blickt;

Fig. 6 eine ähnliche bzw. gleichartige schematische Darstellung des Nacherhitzerabschnitts in einer Seitenansicht; und

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Fig.7 eine der Fig. 5 gleichartige bzw. ähnliche Darstellung einer alternativen Ausführungsform der Erfindung.

Eine ringförmige Wärmeaustauscher-Rohrbündelanordnung 10 gemäß der Erfindung ist in den Fig. 1 und 2 dargestellt. Die Anordnung 10 ist auch in Fig. 3 als Nacherhitzerteil eines Wärmeaustauschers oder Dampferzeugers in einem gasgekühlten Kernreaktor veranschaulicht.

Der Wärmeaustauscher der Fig. 3 stellt eine bevorzugte Umgebung bzw. einen bevorzugten Anwendungsfall für die Erfindung dar, und er umfaßt einen Hochtemperaturabschnitt 11, der eine Mehrzahl von langgestreckten, im wesentlichen geraden Rohren 12 aufweist, die ein längsverlaufendes Rohrbündel bilden. Ein nichterhitzter Speisewasserexpansions-Rohrabschnitt 13 ist mit einem ringförmigen Niedrigtemperaturabschnitt 14 verbunden, der den Hochtemperaturabschnitt 11 koaxial umgibt. Die Hauptwärmeaustauscher-Rohrbündelanordnung, welche den Niedrigtemperatur-Rohrabschnitt 14 und den Expansionsrohrabschnitt 13 umfaßt, ist wesentlich kurzer als der Hochtempe raturabschnitt 11, so daß sich ein ringförmiger Raum 15 ergibt.

Die Rohrbündelanordnung 10 ist innerhalb des ringförmigen Raums 15 angeordnet, um einen Nacherhitzerabschnitt für den Dampferzeuger zu bilden. Der Aufbau der Rohrbündelanordnung 10 wird nachstehend in näheren Einzelheiten erläutert.

Im Betrieb tritt ein primäres Erhitzungsströmungsmittel in den Dampferzeuger ein und geht durch den Nacherhitzerabschnitt 10, vorzugsweise in radialer Richtung, dann strömt das primäre Erhitzungsströmungsmittel nach aufwärts entlang der Rohre des Hochtemperaturabschnitts 11. Am oberen Ende des Dampferzeugers wird das primäre Erhitzungsströmungsmittel nach auswärts und abwärts geleitet, und zwar an dem Niedrigtemperatur-Rohrabschnitt 14 vorbei, wonach das Erhitzungsströ-

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mungsmittel nach aufwärts zum Zwecke der Rückführung zu einer Erhitzungsquelle geleitet wird.

In Fig. 3 ist nur ein Teil eines gasgekühlten Kernreaktorsystems veranschaulicht. Das Reaktorsystem umfaßt einen vorgespannten Beton-Druckbehälter 27, der den Wärmeaustauscher oder den Dampferzeuger, auf die oben Bezug genommen worden ist, aufnimmt. Vorspannungssehnen bzw. -bänder 29 erstrecken sich axial durch den Beton des zylindrischen Druckbehälters 27. Zum Aufnehmen der sich in Umfangsrichtung erstreckenden Vorspannungsbänder, die im übrigen nicht dargestellt sind, können ringförmige Nuten 31 in der äußeren Oberfläche des Druckbehälters ausgebildet sein.

Der Druckbehälter 27 umfaßt eine Hauptkammer 33 zur Aufnahme eines Reaktorkerns, der nicht dargestellt ist. Die Kammer 33 ist mit einer Auskleidung 35 aus geeignetem Metall versehen, welche am Beton verankert ist. Wie oben angedeutet, ist der Reaktorkern so ausgebildet, daß er mit Gas gekühlt werden kann, wobei Vorkehrungen zum Umwälzen eines primären Kühlgases, wie z.B. Helium oder Kohlendioxid, über bzw. durch den Reaktorkern, der als Wärmequelle zur Erhitzung des primären Gases dient, getroffen sind. Das primäre Strömungsmittel wird dann über bzw. durch die verschiedenen Wärmeaustauscherabschnitte des Dampferzeugers zum Erzeugen von Dampf für den Betrieb von Maschinen, wie z.B. Turbinen, zum Zwecke des Erzeugens von Elektrizität, umgewälzt. Das primäre Strömungsmittel wird zum Zwecke des erneuten Erhitzens anschließend wieder zum Reaktorkern zurückgeführt.

Innerhalb des dargestellten Reaktors ist die Hauptkammer 33 von einer Mehrzahl von in Umfangsrichtung voneinander im Abstand vorgesehenen Kammern 37 umgeben, von denen nur eine in der Zeichnung dargestellt ist. Jede der Kammern 37 ist allgemein zylindrisch in ihrer Form und dient zum Aufnehmen

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einer gleichartigen bzw. ähnlichen Dampferzeuger- und Kühlmittelumwälzeinrichtung, wie sie hier beschrieben ist.

Das Kühlgas wird von der Hauptkammer 33 durch ein Paar horizontaler Kanäle 43 zum Dampferzeuger geleitet. Das Kühlmittel wird zur erneuten Umwälzung über bzw. durch den Reaktorkern zur Kammer 33 zurückgeführt. Geeignete Einschließungen bzw. Wände (nicht dargestellt) sind an den oberen Enden der Kammern 33 und 37 vorgesehen.

Die Kammer 37 ist vom oberen Ende des Druckbehälters 27 her durch Durchdringungen 47 zugänglich, wie man am besten aus Fig. 3 ersehen kann. Jede der Durchdringungen 47 bildet eine Verbindung für einen der Abschnitte innerhalb des Dampferzeugers, wie in näheren Einzelheiten weiter unten erläutert ist.

Der Niedrigtemperatur-Rohrabschnitt 14 befindet sich innerhalb des zylindrischen Gehäuses 59. Wie oben angedeutet wurde, umfaßt das Hochtemperaturrohrbündel 11 Rohre 12, die sich nach abwärts durch das ringförmige Rohrbündel 10 erstrecken. Ein zylindrisches Gehäuse 61 trennt den Niedrigtemperaturrohrabschnitt 14 von dem HochtemperaturrohrbUndel und erstreckt sich nach abwärts in Richtung auf den ringförmigen Raum 15. Ein perforierter Teil 61a des Gehäuses 61 erstreckt sich zwischen dem HochtemperaturrohrbUndel 11 und dem ringförmigen Rohrbündel 10 nach abwärts. Infolgedessen wirkt das perforierte Gehäuse als Leitfläche, welche die Strömungsverteilung des primären Kühlgases sowohl durch das ringförmige Rohrbündel 10 als auch durch das HochtemperaturrohrbUndel 11 verbessert.

Die Gehäuse 59 und 61 werden durch einen ringförmigen Befestigungsflansch 65 gehalten, der an der Kammerauskleidung 51 befestigt ist. Der ringförmige Raum zwischen dem

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Gehäuse 59 und der umgebenden Kammerauskleidung 51 wird außerdem durch den ringförmigen Flansch oder Ring 65 blockiert, so daß er von den hohen Temperaturen im unteren Teil des Wärmeaustauschers, in welchem der Nacherhitzer 10 angeordnet ist, isoliert ist.

Durch Speisewassereinlaßrohre 71 wird Speisewasser für den Dampferzeuger zugeführt, und dieses fließt nach aufwärts durch den Raum 15, der eine Verbindung zum Expansionsrohrabschnitt 13 bildet. Eine Sammelleitung 73 verbindet das Speisewasser mit den Rohren 71. Der Niedrigtemperaturrohrabschnitt 14 ist mit den oberen Enden des Hochtemperaturrohrabschnitts 11 mittels Querrohren 75 verbunden, die flexibel sind, so daß sie unterschiedliche Wärmeausdehnung und -zusammenziehung der Rohrbündel 11 und 14 aufnehmen. Überhitzter Dampf verläßt das untere Ende des Hochtemperaturrohrabschnitts 11 durch eine Sammelleitung 77 für überhitzten Dampf.

Eintretendes, heißes Gas, das vom Reaktorkern kommt, gelangt durch die Kanäle 43 in die Kammer 37. Nach radialer Umwälzung durch den Nacherhitzungsabschnitt 10, wie weiter unten in näheren Einzelheiten erläutert ist, strömt das Gas nach aufwärts längs des Hochtemperaturrohrabschnitts 11. Eine umgekehrt becherförmige Gasströmungs-Umlenkungsplatte 79 ist oberhalb des oberen Endes des Gehäuses 61 angeordnet und an den Gehäusen 59 befestigt. Das primäre Gas strömt durch den Raum zwischen dem oberen, offenen Ende des Gehäuses 61 und den Platten 79 und wird dann nach abwärts über die spiralförmigen Rohre in dem Rohrbündel 14 geleitet. Nachdem es über die spiralförmigen Rohre in dem Rohrbündel 14 geströmt ist, fließt das Gas durch Durchlässe 81 in dem Gehäuse 59» und es strömt dann zwischen dem Gehäuse 59 und der Auskleidung 51 der Kammer 37 nach aufwärts zu einem einzigen, horizontalen, oberen Kanal (nicht dargestellt) zum Zwecke der erneuten Umwälzung zum Reaktorkern.

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Der Hacherhitzerabschnitt 10 umfaßt eine vertikale Einlaßsammelrohrleitung 101 und eine vertikale Auslaßsammelrohrleitung 103, die von Sammelrohrleitungsbasen bzw. -basisteilen 77 gehalten werden, und diese Sammelrohrleitungen sind parallel zueinander und diametral entgegengesetzt innerhalb des ringförmigen Raums 15 angeordnet. Sekundäres Strömungsmittel wird in die Einlaßsammelrohrleitung 101 des Nacherhitzerabschnitts 10 durch eine Einlaßleitung 105 eingeführt, während erhitztes Strömungsmittel den Nacherhitzerabschnitt 10 von der Auslaßsammelrohrleitung 103 durch eine Auslaßleitung 107 verläßt.

Es sei nun insbesondere auf den ringförmigen Nacherhitzer 10 der Fig. 1 und 2 eingegangen, in dem eine große Anzahl von spiralförmigen Rohren 109 ein ringförmiges Rohrbündel 111 bilden, welches einen Teil des Hochtemperaturrohrabschnitts 11 des Dampferzeugers umgibt. Jedes der Rohre 109 ist an seinen entgegengesetzten Enden 113 und 115 mit der Einlaß- bzw. der Auslaßsammelrohrleitung 101 bzw. 103 verbunden. Jedes der spiralförmigen Rohre 109 bildet wenigstens eine volle Schleife innerhalb des Rohrbündels 111 und eine teilweise Schleife, welche eine Verbindung mit den im Abstand vorgesehenen Einlaß- und Auslaßsammelleitungen 101 und 103 ermöglicht. Es ist ohne weiteres ersichtlich, daß jede Anzahl voller Schleifen und eine teilweise Schleife eine solche Verbindung zwischen den Leitungen 101 und 103 ermöglicht. Benachbarte Teile der Rohre 109 innerhalb des ringförmigen Rohrbündels 101 sind durch Verbindungsstangen 117 miteinander verbunden oder werden durch diese Verbindungsstangen aneinander gehalten, damit sich ein größerer Schwingungswiderstand und eine bessere strukturelle Einheit bzw. Unversehrtheit innerhalb des ringförmigen Rohrbündels 111 ergibt. Die Verbindungsstangen 117 können auch als Abstandsplatten dienen, welche die spiralförmigen Rohre 109 leicht im Abstand voneinander halten, so daß die Verteilung des primären Erhitzungsströmungs-

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mittels durch das Rohrbündel 111 aufrechterhalten wird.

Es ist ersichtlich, daß die Einlaß- und Auslaßsammelleitungen 101 und 103 entweder radial innerhalb oder außerhalb des ringförmigen Rohrbündels 111 angeordnet sein können. Vorzugsweise sind die Einlaß- und Auslaßsammelrohrleitungen 101 und 103 radial außerhalb des ringförmigen Rohrbündels 111 angeordnet, da dann anlere Komponenten des Dampferzeugers der Fig. 1 auch in Umfangsrichtung im Abstand voneinander außerhalb des ringförmigen Rohrbündels 111 angeordnet werden können. Beispielsweise sei auf die Speisewasserrohre 71 in Fig. 3 hingewiesen. Zusätzlich können, bei Anordnung der Sammelleitungen außerhalb des ringförmigen Rohrbündels 111, die Rohrenden 113 und 115 als sich tangential erstreckende, gerade Rohre ausgebildet sein, so daß sich eine leichtere Verbindung mit den Sammelleitungen 101 und 103 erreichen läßt (siehe Fig. 1). Die Rohrenden sind vorzugsweise an den Sammelleitungen befestigt, und zwar z.B. durch Schweißen, so daß sich eine strukturelle Halterung für die Rohre 109 und das gesamte, kreisförmige Rohrbündel 111 ergibt.

Wie man aus Fig. 4 ersieht, ist vorgesehen, daß das primäre Strömungsmittel, welches durch die Kanäle 43 in die Kammer 37 eintritt, radial durch den Nacherhitzerabschnitt 10 hindurchgeht. Demgemäß sind verschiedene Umlenkelemente vorgesehen, damit sichergestellt wird, daß eine relativ gleichförmige, radiale Strömung des primären Strömungsmittels durch das ringförmige Rohrbündel 111 erfolgt. Es sei nun speziell auf die Fig. 1 und 2 Bezug genommen, wonach ringförmige Ablenkplatten 119 und 120 oberhalb und unterhalb des Nacherhitzerrohrbündels 111 angeordnet sind und sich nach einwärts zu dem Gehäuse 61 erstrecken. Die Platten 119 und 120 verhindern, daß primäres Strömungsmittel direkt in den Raum zwischen das Rohrbündel 111 und das Gehäuse 61 eintreten kann, und sie erbringen infolgedessen eine gleichmäßiger Verteilung des

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primären Strömungsmittelflusses sowohl durch das Nacherhitzerrohrbündel 111 als auch das Hochtemperaturrohrbündel 11. Zusätzlich können ringförmige Ablenkplatten 124 axial im Abstand innerhalb des Rohrbündels 111 angeordnet sein, wenn das erforderlich ist, um einen gleichförmigen Durchgang des primären Strömungsmittels durch das Rohrbündel 111 sicherzustellen.

Eine tellerförmige Ablenk- oder Leitflächenplatte 122 richtet das primäre Strömungsmittel, das aus den Kanälen A3 eintritt, von dem Expansionsabschnitt 13 weg.

Es sei nun wieder speziell auf die Fig. 1 und 2 Bezug genommen, wonach gewisse Rohre 109 innerhalb des ringförmigen Rohrbündeis 111 diametral entgegengesetzt zueinander angeordnet sind. Beispielsweise sind gewisse Rohre mit der Einlaß- und Auslaßsammelleitung 101 und 103 durch Rohrenden verbunden, die bei 123 und 123 angedeutet sind. Die diametral entgegengesetzt angeordneten Rohre sind mit der Einlaß- und Auslaßsammelleitung 101 und 103 mittels Rohrenden 133 und 135 verbunden. Diese Anordnung läßt sich deutlicher aus der schematischen Darstellung der Fig. 5 ersehen. In dieser Figur sind diametral entgegengesetzte Rohre 109 gemäß der Darstellung in Verbindung mit der Einlaß- und Auslaßsammelleitung 101 und 103. Diese Anordnung erbringt zusammen mit den oben erläuterten Verbindungsstangen 117 eine noch größere strukturelle Festigkeit innerhalb des ringförmigen Rohrbündels 111. Zusätzlich hat diese Anordnung eine gleichartige bzw. ähnliche Wärmeübertragungskonfiguration von beiden Seiten des Rohrbündels zur Folge.

Die Fig. 6zeigt jedes der spiralförmigen Rohre, das eine und eine halbe Schleife zwischen den Verbindungen mit der Einlaß- und Auslaßsammelleitung 101 und 103 bildet.

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In Fig. 7 ist ein alternatives Ausführungsbeispiel von ringförmigen Rohren veranschaulicht, die zwischen zwei Paare von Einlaß- und Auslaßsammelleitungen geschaltet bzw. eingefügt werden können. Die Sammelleitungen sind in einem Abstand von etwa 90° voneinander angeordnet, wobei jede der Einlaßsammelleitungen 151 gegenüber einer der Auslaßsammelleitungen 153 angeordnet ist. In dem Ausführungsbeispiel der Fig. 7 sind spiralförmige Rohre 109' vorgesehen, die in gleichartiger bzw. ähnlicher Weise jedes gegenüberliegende Paar von Einlaß- und Auslaßsammelleitungen 151 und 153 miteinander verbinden.

Durch die Verwendung einer Wärmeaustauschrohranordnung, wie sie für den Nacherhitzerabschnitt 10 des oben erläuterten Dampferzeugers beschrieben ist, wird eine Anzahl von Vorteilen erzielt. Beispielsweise werden die Einlaß- und Auslaßsammelleitungen und die Rohre 109 durch das sekundäre Strömungsmittel, wie z.B. Dampf, das innen durch dieselben strömt, direkt gekühlt. Der Dampf schützt diese Elemente vor nachteiligen Wirkungen der wesentlich höheren Temperaturen des primären Erhitzungsströmungsmittels, das aus den Kanälen 43 austritt. Insbesondere schützt der Dampf die Einlaß- und Auslaßsammelleitungen, da sie mit Isolierung auf ihren äußeren Oberflächen versehen sind. Da die Sammelleitungen diejenigen Teile sind, welche die Hauptlast des Rohrbündels tragen, ist es außerordentlich wichtig, daß sie auf der niedrigstmöglichen Temperatur gehalten werden. Die Verbindungsstangen 117 tragen relativ minimale Belastungen. Obwohl sie durch den Dampf nicht direkt gekühlt werden, werden sie wegen ihres engen Kontakts mit den Rohren 109 indirekt gekühlt. Infolgedessen tendieren im wesentlichen alle signifikanten Elemente der Wärmeaustauscheranordnung, die den Nacherhitzerabschnitt 10 bilden, dazu, Temperaturen aufzuweisen, die we_sentlich nJairiger als diejenige des primären Erhitzungsströmungsmittels sind.

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Zusätzlich ergeben die spiralförmigen Rohre 109 inhärent Expansionsschleifen, die dazu dienen, unterschiedliche Wärmeausdehnung und -zusammenziehung innerhalb des Nacherhitzerabschnitts 10 aufzunehmen. Infolgedessen bilden die spiralförmigen Rohre 109 ein besonders kompaktes Rohrbündel 111, das leine zusätzlichen Ausdehnungsschleifen erfordert und das eine erhöhte strukturelle Betriebssicherheit bzw. Zuverlässigkeit in Verbindung mit einer minimalen Kompliziertheit und einem minimalen Gewicht erbringt. Die selbsttragende Struktur des ringförmigen Rohrbündels 111 entweder allein oder in Verbindung mit den Einlaß- und Auslaßsammelleitungen schaltet die Notwendigkeit von komplizierten Halte- bzw. Trägerelementen aus und macht den Nacherhitzerabschnitt 10 geeignet, sowohl unter Bedingungen hoher Temperatur als auch in Umgebungen mit hohen Stößen, wie sie z.B. in Erdbebenzonen auftreten können, verwendet zu werden.

Schließlich erbringt die Wärmeaustauscherkonfiguration des Nacherhitzerabschnitts 10 inhärent einen relativ großen frontalen Bereich bzw. eine relativ große frontale Fläche, wodurch der Grenzschichtkoeffizient bzw. der Wärmeübertragungskoeffizient des primären Erhitzungsströmungsmittels und demgemäß die tatsächliche Temperatur der Metallrohre 109 herabgesetzt wird. Wegen der großen Frontalfläche bzw. wegen des großen Frontalbereichs hat der Nacherhitzerabschnitt 10 einen relativ niedrigen Strömungswiderstand gegenüber dem primären Strömungsmittel.

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Claims

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Patentansprüche

Hj Rohrbündelanordnung für einen Wärmeaustauscher, gekennzeichnet durch eine längsverlaufende bzw. langgestreckte Einlaßsammelleitung (101,151), die einen inneren Durchgang zum Zuführen eines Wärmeaustauschströmungsmittels in die Rohrbündelanordnung (111) bildet; eine längsverlaufende bzw. langgestreckte Auslaßsammelleitung (103,153)» die parallel zur Einlaßsammelleitung (101,151) angeordnet ist und einen inneren Durchgang zum Entladen bzw. Abführen des Wärmeaustauschströmungsmittels aus der Rohrbündelanordnung (111) bildet; eine Mehrzahl von spiralförmigen Wärmeaustauscherrohren (109,109'), die ein ringförmiges Rohrbündel bilden, wobei Jedes spiralförmige Rohr um eine Achse ausgebildet bzw. angeordnet ist, die parallel zu der Einlaß- und Auslaßsammelleitung ist, und wobei weiterhin jedes spiralförmige Rohr wenigstens eine volle Schleife und eine teilweise Schleife umfaßt, deren entgegengesetzte Enden (123,125,133,135, 123',125',133',135') in Strömungsmittelverbindung an der Einlaß- bzw. der Auslaßsammelleitung befestigt sind; und eine oder mehrere Verbindungseinrichtungen (117), welche benachbarte Teile der spiralförmigen Rohre miteinander verbinden.
2. Rohrbündelanordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine oder mehrere Leitflächeneinrichtungen (119, 120,124), welche ein externes Strömungsmittel um die Rohre richten bzw. lenken.
3. Rohrbündelanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß vorbestimmte der spiralförmigen Rohre (109,109') diametral entgegengesetzt zu den anderen spiralförmigen Rohren (109,109') angeordnet sind, wobei die Einlaß- und Auslaßsammelleitungen (101,103,151,153) außerhalb des Rohrbündels (111) angeordnet sind.

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4. Rohrbündelanordnung gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Einlaß- und AuslaßsammelLeitungen (101, 103,151,153) diametral entgegengesetzt zueinander angeordnet sind, wobei jedes der spiralförmigen Rohre(109,109') wenigstens eine volle Schleife und eine halbe Schleife zur Verbindung seiner entgegengesetzten Enden (123,125,133,135, 123*,125',133',135') mit den diametral entgegengesetzt angeordneten Sammelleitungen umfaßt.
5. Rohrbündelanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, insbesondere nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß jedes der spiralförmigen Rohre (109,109') eine Mehrzahl von vollen Schleifen und eine halbe Schleife umfaßt.
6. Rohrbündelanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß jedes spiralförmige Rohr (109,109') eine Mehrzahl von vollen Schleifen und eine teilweise Schleife umfaßt.
7. Rohrbündelanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung (111) als Teil eines Wärmeaustauscher (11,14) montiert bzw. vorgesehen ist.
8. Rohrbündelanordnung nach einem der Ansprüche 1

bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen Teil eines Dampferzeugers (11,13,14) eines gasgekühlten Kernreaktors bildet.
9. Rohrbündelanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmeaustauscher zusätzlich zu der Rohrbündelanordnung (111) eine Hauptwärmeaustauscherrohrbündelanordnung (11,14) für die interne Umwälzung eines Wärmeaustauschströmungsmittels aufweist, wobei beide Rohrbündelanordnungen (111 bzw. 11,14) in einer längsverlaufenden bzw. langgestreckten, im wesentlichen zylindrischen Kammer (37) angeordnet

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sind und der Wärmeaustauscher außerdem eine oder mehrere Einrichtungen (59_f6ia,79,81,122) zum Richten bzw. Lenken eines Wärmeaustauschströmungsmittels durch die Kammer vorbei an den beiden Rohrbündelanordnungen umfaßt.
10. Rohrbündelanordnung nach Anspruch 9_f dadurch gekennzeichnet , daß die HauptwärmeaustauscherrohrbUndelanordnung einen Hochtemperaturabschnitt (11) aufweist, der eine Mehrzahl von parallelen Rohren (12) hat, die ein längsverlaufendes bzw. langgestrecktes Rohrbündel bilden, das sich längs einer linearen Achse der zylindrischen Kammer (37) erstreckt, sowie einen Niedrigtemperaturabschnitt (14), der eine Mehrzahl von im wesentlichen spiralförmigen Rohren hat, die ein ringförmiges Rohrbündel bilden, das koaxial um einen Teil des Hochtemperaturabschnitts(11)herum angeordnet ist, wobei der Niedrigtemperaturabschnitt (14) eine axiale Dimension hat, die wesentlich geringer als diejenige des Hochtemperaturabschnitts (11) ist, und wobei der Niedrigtemperaturabschnitt weiterhin in der Nähe des einen Endes des Hochtemperaturabschnitts angeordnet ist; und daß die zuerst genannte Rohrbündelanordnung (111) einen Teil des Hochtemperaturabschnitts (11) in der Nähe des anderen Endes der zylindrischen Kammer (37) umgibt.

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