DE3023239A1

DE3023239A1 - Waermeaustauscher und rohr zur anwendung darin

Info

Publication number: DE3023239A1
Application number: DE19803023239
Authority: DE
Inventors: J Hubert Huigen; Theodor Jan Tromp; Jan Vrijen; Johan Karel Van Westenbrugge
Original assignee: Neratoom BV
Current assignee: Neratoom BV
Priority date: 1979-06-29
Filing date: 1980-06-21
Publication date: 1981-01-15
Also published as: JPS5616091A; US4723602A; IT8022989A0; GB2056042B; FR2460464A1; IT1131661B; NL7905101A; GB2056042A; FR2460464B1; SE8004765L

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Wärmeaustauscher, umfassend ein Gehäuse, versehen mit Oeffnungen zum Zuführen bzw. Abführen eines ersten Mediums und mit einem oder mehreren in dem Gehäuse aufgestellten Rohren zum Transport des ersten Mediums durch das Gehäuse von einem Raum in der Nähe der Zufuhröffnung nach einem Raum in der Nähe der Abfuhröffnung, sowie versehen mit Oeffnungen zum Zuführen bzw. Abführen eines zweiten Mediums und mit Mitteln zum wenigstens teilweise um das Rohr oder die Rohre durch das Gehäuse Transportieren des zweiten Mediums. Die Erfindung betrifft weiter ein Rohr zur Anwendung in einem solchen Wärmeaustauscher.

Wärmeaustauscher der umschriebenen Art sind allgemein bekannt und werden auf vielen Gebieten der Technik angewendet. Ein Problem, das bei solchen Wärmeaustauscheern aufkommen kann, ist das Auftreten eines Leckes in einem der Rohre, durch welche das erste Medium strömt. Beim Auftreten eines Leckes kann das erste Medium mit dem zweiten Medium in Berührung kommen, was höchst unerwünscht sein kann, insbesondere in Fällen, in denen mit zwei heftig miteinander reagierenden Medien gearbeitet wird. Ein Beispiel eines Wärmeaustauschers mit zwei heftig reagierenden Medien ist der Dampfgenerator in dem Kühlkreis eines mit flüssigem Natrium gekühlten Kernreaktors. Zur Verringerung der Gefahr des Auftretens von Lecken und daraus folgender Reaktionen werden wohl Mehrschichten-Rohre angewendet. Solche Mehrschichten-Rohre bestehen in Wirklichkeit aus zwei oder mehreren konzentrischen Rohren, die solche Abmessungen haben, dass angrenzende Rohre einander gerade berühren. Obwohl die Aussenoberflache eines einwärts liegenden Rohres oder einer solchen Schicht direkt an die Innenoberfläcne eines auswärts liegenden Rohres oder einer solchen Schicht grenzt, hat die Berührungsfläche zwischen zwei angrenzenden Schichten einen verhältnismässig grossen Wärmewiderstand, wodurch die Wärmeübertragung von einem aussen um das Mehrschichten-Rohr strömenden Medium auf ein durch das Rohr strömendes Medium, nicht optimal erfolgt. Der Wärmewiderstand kann dadurch herabgesetzt werden, dass die Schichten des Rohres aneinandergelötet werden, aber dies hat als Nachteil den Verlust der riss-stopfenden Wirkung der Trennfläche.

Die Erfindung bezweckt nun die Verschaffung eines Wärmeaustauscher und eines darin anzuwendenden Rohres, bei denen die geschilderten Probleme

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nicht oder wenigstens in viel geringerem Masse auftreten. Dieser Zweck wird gemäss der Erfindung erreicht mit einem Wärmeaustauscher, bei dem das Rohr oder die Rohre aus. zwei oder mehreren aneinandergrenzenden konzentrischen Schichten bestehen, wobei bei zvei angrenzenden Schichten auf der Aussenoberfläche der Innenschicht und auf der Innenoberfläche der Aussenschicht ein dünner Ueberzug oder dünne üeberzüge eines verhältnismässig weichen Materials angebracht ist bzw. sind- Ein aus zwei oder mehreren aneinandergrenzenden konzentrischen Schichten aufgebautes Rohr wird gemäss der Erfindung gekennzeichnet durch einen oder mehreren dünne Üeberzüge aus einem verhältnismässig weichen Material auf der Aussenoberfläche der Innenschicht und der Innenoberfläche der Aussenschicht zweier angrenzender Schichten.

Vorzugsweise bestehen gemäss der Erfindung die Üeberzüge oder besteht der Ueberzug von verhältnismässig weichem Material aus einem Stoff mit guter Wärmeleitfähigkeit. Geeignetes Material ist ein reines Metall, beispielsweise reines Kupfer oder Aluminium oder eine Paste, abhängig von der bezweckten Betriebstemperatur. Die Üeberzüge haben vorzugsweise eine mittlere Dicke in der Grössencrdnung des Rauheitsprofils der betreffenden Berührungsoberflächen. Gute Resultate wurden z.B. mit einem einfachen Ueberzug mit einer Dicke von 25-50 ,um bei einer Rauheit von 5 ,um für beide Berührungsoberflächen erreicht.

Gemäss der Erfindung wird gleichsam die Berührungsfläche zwischen jedem Paar angrenzenden Schichten eines Mehrschichten-Rohres mit einer weichen Schicht ausgefüllt, wodurch die metallische Berührung zwischen den Rohrschichten verbessert wird. Dadurch wird der Wärmewiderstand verringert während die riss-stopfenden Qualitäten beibehalten bleiben- Die Verbesserung der Wärmeleitfähigkeit lässt sich wie folgt erklären. Im allgemeinen erfolgt die Wärmeleitung nur über die Spitzen des Rauheitsprofils, wo die Schichten des Rohres einander berühren, und über im allgemeinen in dem Zwischenraum zwischen den Rohrschichten gehaltenes Gas, das sogar bis 95% der Wärmeübertragung versorgt. Dadurch, dass die Täler des Rauheitsprofils mit einem verhältnismässig weichen und gut wärmeleitenden Stoff ausgefüllt werden, wild die Berührungsoberfläche zwischen den beiden Rohrschichten, die ohne "Füllung" nur einige Prozentsätze der

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nominalen Oberfläche beträgt, erheblich vergrössert. Dadurch wird auch die Wärmeleitfähigkeit vergrössert.

Die Erfindung wird an Hand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Wiedergabe im Schnitt einer Ausführungsform des erfindungsgemässen Wärmeaustauschers;

Fig. 2 eine Wiedergabe im Schnitt eines aus zwei Schichten aufgebauten Rohres des Wärmeaustauschers nach Fig. 1;

Fig. 3 eine Wiedergabe im Schnitt, und stark vergrössert, eines Teiles der Berührungsfläche zwischen zwei Schichten eines Rohres, wobei die Erfindung nicht angewendet wurde und

Fig. 4 eine ähnliche Wiedergabe eines Teiles eines Rohres gemäss der Erfindung.

In Fig. 1 ist eine Ausführungsform eines Wärmeaustauschers gemäss der Erfindung wiedergegeben. Der Wärmeaustauscher umfasst das Gehäuse 1, das im Wesen aus einem zylindrischen Behälter besteht, der an der Ober- und Unterseite durch kuppeiförmige Deckel 2 und 3 abgeschlossen ist. In dem Gehäuse 1 ist ein Innenmantel 4 aufgestellt. Innerhalb des Innenmantels 4 befindet sich das Bündel Rohre 5. Jedes Rohr 5 des Bündels verläuft zwischen einer oberen Rohrplatte 6 und einer unteren Rohrplatte 7. Zwischen der Rohrplatte 6 und dem Deckel 2 befindet sich die Sammelkammer 8. In dem Deckel 2 befindet sich eine Oeffnung, an welche die Leitung 9 angeschlossen ist. Zwischen der Rohrplatte 7 und dem Deckel 3 befindet sich die Sammelkammer 10. In dem Deckel 3 befindet sich gleichfalls eine Oeffnung, an welche die Leitung 11 angeschlossen ist. Im Betrieb wird über die Leitung 9 ein erstes Medium in die Sammelkammer 8 eingebracht. Von der Sammelkammer 8 geht das Medium durch die Rohre 5 nach der Sammelkammer 10, aus der es durch die Leitung 11 abgeführt wird.

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In der Seitenwand des Gehäuses 1 befinden sich zwei Oeffhungen. An die erste Oeffnung ist eine Leitung 12 abgeschlossen und an die zweite Oeffnung die Leitung 13- Im Betrieb wird über die Leitung 12 ein zweites Medium zugeführt. Dieses zweite Medium bewegt sich durch das Gehäuse um die Rohre zwischen den Rohrplatten 6 und 7 nach der zweiten Oeffnung, von der das Medium über die Leitung 13 abgeführt wird. Um zu verhindern, dass das zweite Medium durch den Raum zwischen dem Gehäuse 1 und dem Innenmantel 4 von der einen Oeffnung nach der anderen Oeffnung strömt, ist eine ringförmige Trennwand 14 in diesem Raum angeordnet.

Das erste Medium, das durch den Wärmeaustauscher geführt wird, ist z.B. ein kühles Medium und das zweite Medium ist z.B. eine heisses Medium. Das heisse Medium umströmt die Rohre 5, durch welche das kühle Medi um geführt wird, und gibt dem kühlen Medium einen Teil seiner Wärme ab. So verlässt das zweite, verhältnismässig heisse Medium den Wärmeaustauscher mit einer niedrigeren Temperatur als die Temperatur, die das Medium beim Eintreten hatte, umgekehrt wird das kühle Medium beim Verlassen der Vorrichtung eine höhere Temperatur haben als beim Eintreten.

In Wärmeaustauschern werden erste und zweite Medien sehr verschiedener Art angewendet. Bei einem Wärmeaustauscher, der z.B. in den Kühlkreis eines natriumgekühlten Kernreaktors aufgenommen ist, besteht das heisse Medium aus flüssigem Natrium und kann das kühlere Medium Wasser sein, das von dem heissen Medium in Dampf umgesetzt wird. Bei einem Wärmeaustauscher dieses Typs ist es äusserst unerwünscht, dass das erste Medium (Wasser oder Dampf) mit dem zweiten Medium (flüssigem Natrium) in Berührung kommen könnte. Ein solcher Kontakt könnte vorkommen, wenn ein Leck in einem der Rohre 5 auftritt. Damit möglichst vermieden wird, dass beim Auftreten eines Leckes in einem der Rohre 5 ein unerwünschter Kontakt zwischen dem ersten und dem zweiten Medium entsteht, sind die Rohre 5 in der erfindungsgemässen Vorrichtung als Mehrschichten-Rohre ausgebildet. Ein Schnitt eines solchen Rohres in Form eines Zweischichten-Rohres ist in Fig. 2 wiedergegeben.

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In Figur 2 besteht das Rohr aus einer Aussenschient oder einem Aussenrohr 15 und einer darin aufgestellten Innenschicht oder einem Innenrohr 16. Die Schichten 15 und 16 sind konzentrisch und grenzen aneinander. Durch das Innere 17 des Rohres 5 wird das erste Medium geführt. Die Uebertragung von Wärme von einem um das Rohr geführten Medium auf das Medium im Inneren 17, ist, wenn keine Massnahmen getroffen werden, nicht immer gleich gut, was im Nachstehenden erläutert werden wird.

Die Schichten 15 und 16 grenzen gewöhnlich sehr dicht aneinander, während weiter eventuelle noch zwischen den Schichten vorkommende Räume mit einem Inertgas, z.B. Helium, ausgefüllt sein können. In Figur 3 ist ein stark vergrösserter Schnitt der zwei Schichten 15 und 16 an der Stelle der Berührungsfläche wiedergegeben. Die Schichten haben eine gewisse Oberflächerauheit, so dass Berührung zwischen den Schichten nur dort stattfindet, wo Spitzen in dem Profil einer Schicht die angrenzende Schicht berühren. Der Raum 18 zwischen den Schichten 15 und 16.ist, abgesehen von eventuell vorhandenem Gas, nicht gefüllt. Wärmeübertargung erfolgt bei diesem Aufbau über die Stellen, wo Kontakt zwischen den Schichten 15 und 16 besteht, also über die Spitzen des Rauheitsprofils, und über das vorhandene Gas. Die Berührungsoberfläche der Spitzen ist nur einige Prozentsätze der nominalen Oberfläche. In der Praxis hat es sich gezeigt, dass das Gas bis 95% der Wärmeübertragung übernimmt. Diese Weise der Wärmeübertragung ist bedeutend schlechter als wenn mehr direkter Kontakt zwischen den Schichten 15 und 16 bestehen würde.

Gemäss der Erfindung wird eine verbesserte Wärmeübertragung zwischen den angrenzenden Schichten eines Mehrschichten-Rohres dadurch erreicht, dass auf den einander zugewandten Oberflächen angrenzender Schichten ein dünner Ueberzug aus einem weichen Metall oder einer wärmeleitenden Paste vorgesehen ist. Ein stark vergrösserter Schnitt durch zwei so behandelte Schichten 15 und 16 an der Stelle der Berührungsfläche ist in Fig. 4 wiedergegeben. Durch das Auftragen eines dünnen Ueberzugs 19 auf die Rohrschicht oder das Innenrohr 16 sind die Täler des Rauheitsprofils ausgefüllt. Dasselbe gilt für das Aussenrohr 15, in dem ein dünner Ueberzug 20 angebracht ist. Durch Anwendung eines dünnen Ueberzugs aus einem verhältnismässig weichen, gut wärmeleitenden Material wird die

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Wärmeübertragung zwischen den Schichten 15 und 16 erheblich verbessert. Dadurch, dass der aufgetragene dünne Ueberzug aus weichem Material besteht, wird nämlich das Rauheitsprofil geglättet, so dass die Berührungsoberfläche beträchtlich vergrössert wird.

Wie in Figur 4 wiedergegeben, kann sowohl auf der Aussenoberflache der Innenschicht des Zweischichten-Rohres wie auf die Innenoberfläche der Aussenschicht ein dünner Ueberzug aus einem verhältnismässig weichen Material angebracht sein. Statt dessen ist es jedoch auch möglich, eine einfache dünne Schicht zwischen beiden Rohrschichten anzuordnen. Dabei kann an eine Folie aus weichem Kupfer gedacht werden. Eine solche Folie kann z.B. eine Dicke haben, die dem mittleren Abstand zwischen den zwei Rohrschichten gleich ist. Dadurch, dass die Folie aus verhältnismässig weichem Material besteht, wird sie beim Einklemmen zwischen die Rohrschichten dein Rauheitsprofil der Rohrschichten folgen und so die Täler in dem Profil ausfüllen.

In dem in Fig. 4 dargestellten Fall, in dem gesonderte dünne Ueberzüge auf den Rohrschichtoberflächen wiedergegeben sind, kann z.B. an üeber·-- züge aus wärmeleitender Paste gedacht werden, die in geeigneter Weise, z.B. durch Einwalzen oder mit Hilfe eines Abstreiforgans angebracht sind.

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Claims

20. Juni 1980 33 574 B B.V. Neratoom, Laan van Nieuw Oost Indie 129-135, 's-Gravenhage, Niederlande "Wärmeaustauscher und Rohr zur Anwendung darin" PATENTANSPRüECHE

1. Wärmeaustauscher, umfassend ein Gehäuse, versehen mit Oeffnungen zum Zuführen bzw. Abführen eines ersten Mediums und mit einem oder mehreren in dem Gehäuse aufgestellten Rohren zum Transport des ersten Mediums durch das Gehäuse von einem Raum in der Nähe der Zufuhröffnung nach einem Raum in der Nähe der Abfuhröffnung, sowie versehen mit Oeffnungen zum Zuführen bzw. Abführen eines zweiten Mediums und mit Mitteln zum wenigstens teilweise um das Rohr oder die Rohre durch das Gehäuse Transportieren des zweiten Mediums, dadurch gekennzeichnet, dass das Rohr oder die Rohre aus zwei oder mehreren anexnandergrenzenden konzentrischen Schichten bestehen, wobei bei zwei angrenzenden Schichten auf der Aussenoberfläche der Innenschicht und auf der Innenoberfläche der Aussenschicht ein dünner Ueberzug oder dünne Ueberzüge eines verhältnismäs'sig weichen Materials angebracht ist bzw. sind.

2. Wärmeaustauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der ueberzug oder die Ueberzüge von verhältnismässig weichem Material aus einem Stoff mit guter Wärmeleitfähigkeit besteht oder bestehen.

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INSPECTED

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3. Wärmeaustauscher nach den Ansprüchen 1-2, dadurch, gekennzeichnet, dass der üeherzug oder die üeberzüge von verhältnismässig weichem Material aus. einem reinen Metall oder einer Paste bestehen.

4. Wärmeaustauscher nach den Ansprüchen 1-3, dadurch gekennzeichnet, dass die Üeberzüge eine mittlere Dicke in der Grössenordnung des Rauheitsprofils der betreffenden Berührungsoberflächen haben-

5. Aus zwei oder mehreren aneinandergrenzenden konzentrischen Schichten aufgebautes Rohr, gekennzeichnet durch einen oder mehrere dünne Üeberzüge aus einem verhältnismässig weichen Material auf der Aussenoberfläche der Innenschicht und der Innenoberfläche der Aussenschicht von zwei angrenzenden Schichten.

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