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Druckgasbeheizter, zur Dampferzeugung dienender Wärmetauscher, insbesondere
zur Ausnutzung der Abwärme eines aus einem Kernreaktor herausgeleiteten Kühlkreislaufes
Die Erfindung bezieht sich auf einen druckgasbeheizten, zur Dampferzeugung dienenden
Wärmetauscher, insbesondere zur Ausnutzung der Abwärme eines aus einem Kernreaktor
herausgeleiteten Kühlkreislaufes, mit in einem lotrecht stehenden, zylindrischen
Mantel angeordneten, von einem weiteren, koaxial zu dem ersteren vorgesehenen zweiten
Mantelrohr umgebenden Wärmetauscherrohren und in dem Ringraum zwischen beiden Mänteln
bis an den Gaseinlaß zurückströmendem, schon gekühltem Druckgas, wobei in Strömungsrichtung
hinter dem Einlaß für das Druckgas eine allmähliche Erweiterung vorgesehen ist.
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Bei einem bekannten Wärmetauscher der genannten Art wird das Heizmittel
durch einen Ringraum zwischen zwei konzentrisch angeordneten Mänteln nach aufwärts
geleitet und beaufschlagt hierbei Heizflächen, die in diesem Ringraum angeordnet
sind. Das obere Ende des Ringraumes ist durch eine Umlenkhaube abgeschlossen, durch
welche das Heizmittel um 180° umgelenkt wird und durch den inneren Mantel, in welchem
gleichfalls Heizflächen angeordnet sind, nach abwärts und zum Austrittsstutzen strömt.
Die Strömung wird hierbei durch einen am Austrittsstutzen angeordneten Saugzugventilator
bewirkt. Die Innenwandung des Einlaßstutzens und des äußeren Mantels ist im Eintrittsbereich
des Heizmittels durch Wandkühlrohre geschützt.
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Bei einem weiterhin bekannten Wärmetauscher sind die innerhalb eines
zylindrischen Außenmantels befindlichen Heizflächen im wesentlichen mit rechteckigem
Zugquerschnitt angeordnet, während die zylindrischen Innenwände des Mantels gegen
Überbeanspruchung durch das Heizmittel mit Kühlschlangen abgedeckt sind. Bei diesem
bekannten Wärmetauscher bedingen die Kühlschlangen einen erheblichen zusätzlichen
Aufwand bei der Fertigung der Anlage.
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Auch ist ein weiterer Wärmetauscher bekannt mit einem von einem zylindrischen
Außenmantel durch eine Zwischenwand getrennten quadratischen Feuerzug, welcher durch
heiße und unter hohem Druck stehende Gase beheizt wird. Um sowohl die Zwischenwand
als auch den zylindrischen Außenmantel gegen Überbeanspruchung im Eintrittsbereich
der heißen Gase zu schützen, wird dieses am Ende des Feuerzuges, nachdem es einen
wesentlichen Teil seiner Hitze an die Heizflächen abgegeben hat, um 180° umgelenkt
und strömt zwischen dem zylindrischen Außenmantel und der Zwischenwand zum Eintritts-Bereich
zurück. Die Einlaßöffnung ist diffusorartig erweitert, um eine möglichst verlustarme
Umsetzung der Gasgeschwindigkeit in Druck zu bewirken. Bei einem solchen Wärmetauscher
bilden sich insbesondere im Eintrittsbereich der heißen Gase Toträume durch Stauung
der abgekühlten Gase vor der Austrittsöffnung, so daß die oberen Teile des Mantelrohres
und der Zwischenwand nur wenig gekühlt werden.
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Zweck der Erfindung ist es jedoch, einen Wärmetauscher der eingangs
genannten Art einfacher Bauweise zu schaffen, dessen Bauelemente im Eintrittsbereich
eines heißen und unter hohem Druck stehenden Gases optimal gegen Überbeanspruchung
geschützt sind. Dies erfolgt erfindungsgemäß dadurch, daß in Strömungsrichtung vor
der diffusorartigen Gaseinlaßerweiterung eine Staudüse mit im verengten Teile angebrachten
Wandöffnungen für rückgesaugtes Gas aus dem Ringraum zwischen beiden Mänteln angeordnet
ist, so daß ein Kühlschutz für die Innenwand
der Gaseinlaßerweiterung
und den Mantel vorhanden ist.
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Ein solcher Wärmetauscher bedarf im Gaseinlaßbereich keiner zusätzlichen
Kühlschlangen, da das abgekühlte Gas nach Durchströmen des Ringraumes zwischen dem
Außenmantel und der Zwischenwand angesaugt und von dem heißen Druckgas mitgerissen
wird. Es bilden sich keine Toträume im oberen Bereich des Ringraumes, wodurch eine
optimale Kühlung des zylindrischen Außenmantels und der Zwischenwand gewährleistet
wird. Außerdem wird der durch die Staudüse strömende heiße Druckgasstrahl vom radial
durch die Wandöffnungen angesaugten kühleren Gas mantelförmig umgeben, wodurch im
Eintrittsbereich eine wesentliche Dämpfung der Wärmestrahlung bewirkt wird, ohne
daß eine direkte Vermischung des kühleren Gases mit dem heißen Druckgasstrahl erfolgt.
Der heißeste Teil des Druckgasstrahls im unmittelbaren Eintrittsbereich wird von
abgekühltem Gas mantelförmig umgeben, das sich beim Weiterströmen allmählich erwärmt,
so daß sich über den Zugquerschnitt eine gleichmäßige Beaufschlagung der Heizflächen
ergibt.
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Gemäß der Erfindung kann auch an dem Stirnende des Mantels, an dem
das Druckgas eintritt, ein taschenartiger Schutzraum vorgesehen sein, der bereits
abgekühltes Gas enthält und mit dem Ringraum in Verbindung steht, wobei die Wandungen
der Tasche vorzugsweise so gewellt sind, daß sich Unterschiede in der Wärmeausdehnung
ausgleichen können. Durch einen solchen Schutzraum kann die Wandung der diffusorartig
erweiterten Einlaßöffnung wirksam gekühlt werden. Außerdem kann das in dem durch
die Mäntel gebildeten Ringraum strömende Gas am unteren Teil oder am Ausgang der
Kolonne bzw. des Mantels abgezweigt werden und mittels eines Ventilators oder einer
ähnlichen Vorrichtung in den Ringraum zurückgedrückt werden.
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Der nicht zurückgesaugte Teil des abgekühlten Gases kann nach dem
Austritt aus der Kolonne durch einen Verbindungsstutzen einem dem Wärmetauscher
nachgeordneten Gerät, beispielsweise einem Elberhitzer oder Speisewasservorwärmer,
zugeleitet werden.
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In der Zeichnung sind fünf Ausführungsbeispiele und Einzelheiten des
Erfindungsgegenstandes dargestellt, es zeigt F i g. 1 einen Längsschnitt des oberen
Teiles eines erfindungsgemäßen Wärmetauschers, F i g. 2 einen Längsschnitt eines
weiteren Ausführungsbeispieles, F i g. 3 einen Längsschnitt eines dritten Ausführungsbeispieles
mit Zwangumlauf des Kühlmittels (Einzelheiten im Inneren des Wärmetauschers sind
weggelassen), F i g. 4 einen Längsschnitt eines vierten Ausführungsbeispieles, F
i g. 5 und 6 Einzelheiten des Wärmetauschers gemäß F i g. 4 im Schnitt und F i g.
7 einen Längsschnitt eines weiteren erfindungsgemäßen Wärmetauschers mit Zwangumlauf
des Kühlmittels.
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Der erfindungsgemäße Wärmetauscher besteht aus einem zylindrischen
Mantel a, der an beiden Enden und insbesondere oben mittels einer oberen Stirnwand
b verschlossen ist. Das Heizmittel, beispielsweise ein aus einem Kernreaktor ausströmendes
Druckgas, tritt durch die in der Stirnwandung b vorgesehene Öffnung c in den oberen
Teil des Mantels a ein und strömt in diesem von oben nach unten. Dieser Mantel a
enthält die notwendigen Dampferzeugungseinrichtungen, von denen in der Zeichnung
nur der obere überhitzer d und der obere Teil des Verdampfers e dargestellt sind.
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Nach der Erfindung sind Mittel vorgesehen, die den oberen Teil des
Mantels a und seine Stirnwand b
kühlen und die außerdem derart angebracht
sind, daß diese Teile mit dem heißen, bei einer Temperatur von etwa 600° C und einem
verhältnismäßig hohen Druck eintretenden heißen Gas nicht in Berührung kommen.
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Bei dem in F i g. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel ist für die zu schützenden
Bereiche mittels eines Mantelrohres o eine doppelte Wand geschaffen, die für den
oberen Teil des Mantels a und die Stirnwand b
einen Schutzmantel bildet.
Diese Doppelmantelhülle wird von heißem Gas durchströmt, das in Richtung der Pfeile
G im unteren Teil an einer Stelle abgezweigt wird, an der das Gas bereits etwas
abgekühlt ist. Um eine Umlaufströmung des Gases in dem Doppelmantelraum zu gewährleisten,
ist der Eintrittsteil des Heizmittels als Venturidüse p ausgebildet, und es ist
in Höhe der Verjüngung des Venturirohres bei q eine Öffnung vorgesehen, die mit
dem Doppelmantelraum derart in Verbindung steht, daß durch den Unterdruck ein kleiner
Teil des innerhalb des Doppelmantels strömenden Gases in Richtung der Pfeile H aus
dem Doppelmantelraum abgesaugt wird und sich mit dem Heizmittel F mischt.
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Man kann gewünschtenfalls im Innern des Doppelmantels Rohre r anordnen,
die beispielsweise von Wasser durchströmt werden und als Vorwärmer oder Ekonomiser
wirken. Diese Rohre r werden dann mit dem im Innern des äußeren Mantels vorgesehenen
Vorwärmer oder den Vorwärmern verbunden.
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Wie F i g. 1 zeigt, kann man auch die Stirnwand b von außen mit vorzugsweise
dicht beieinanderliegenden oder einander berührenden Wasserrohren s versehen, die
als äußere Vonvärmer für die Vorwärmung des Wassers im Mantel a arbeiten.
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Bei dem in F i g. 2 gezeigten Ausführungsbeispiel ist zwischen dem
Diffensor p und der Stirnwandung b
ein aus Metall bestehender taschenartiger
Schutzraum v angeordnet, dessen Wandungen, wie in F i g. 2 gezeigt, vorzugsweise
derart gewellt sind, daß sich Unterschiede in der Wärmeausdehnung ausgleichen können.
Dieser in F i g. 2 im Schnitt dargestellte Schutzraum v besitzt eine Öffnung w,
durch die das durch die Doppelmantelhülle strömende Gas eindringen kann. So entsteht
ein Schutzraum, welcher ruhendes Gas enthält, das als Wärmeisolierung wirkt und
eine allzu plötzliche Übertragung der Wärme des Heizmittels F auf die Stirnwand
b verhindert.
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In F i g. 3 ist der Mantel a an seinem unteren Teil mittels eines
Bodenteils x verschlossen, der mit einer Öffnung y für den Austritt des Heizmittels
versehen ist.
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Der obere Teil des Mantels a und die obere Stirnwand b sind mit einem
Mantelrohr o ausgekleidet, so daß ein Schutzmantelraum gebildet wird, in dem das
bereits abgekühlte und beispielsweise bei G zurückgeleitete Gas strömt, und zwar
unter der Ansaugwirkung einer bei H vorgesehenen Öffnung q in dem
verjüngten Teil einer Venturidüse p, durch die das Heizmittel F eintritt.
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Das abgekühlte Heizmittel F kann beispielsweise bei z aus dem unteren
Teil des Wärmetauschers
zurückgeleitet werden, und ein Ventilator
1 drückt oder bläst dieses rückgeführte Gas durch einen Kana12 ins Innere des Ringraumes
zwischen dem Mantelrohr o und der Wandung des äußeren Mantels a. So entsteht in
dem Ringraum eine erzwungene Gasströmung, wobei die in der Zeiteinheit strömende
Menge mittels eines Ventilators nach Maßgabe der für die Stirnwandung
b des Mantels a erforderlichen Kühlung geregelt werden kann.
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In Kombination mit der vorstehend beschriebenen Ausführung oder unabhängig
von dieser kann außerdem eine Rückströmung von bereits abgekühltem Gas mittels einer
Leitung 3 bewirkt werden, die in den Innenraum einer äußeren Hülle 4 mündet, die
den oberen Teil des Mantels a und die Stirnwand b umgibt, wobei das bei 1 austretende
Gas entweder abgeführt oder statt dessen, wie weiter unten ausgeführt wird, in den
Strom des Heizmittels F zurückgeführt wird. Dieser Umlaufkanal 3, 4 an der Außenseite
des Mantels a kann auch mit Luft aus der Umgebung oder mit einem anderen Kühlmittel
gespeist werden.
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Gemäß F i g. 4 wird der zylindrische, den Wärmetauscher enthaltende
Mantel a von dem Heizmittel in Richtung des Pfeiles F durchströmt und tritt durch
das Venturirohr p ein. Die Stirnwand b und der obere Teil des äußeren Mantels a
erhalten zum Schutz ein Mantelrohr o, so daß ein Doppelmantel gebildet wird.
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Am unteren Teil des Mantelrohres o ist eine Rinne 5 gebildet; diese
Rinne bildet, wie in größerem Maßstab in F i g. 5 und 6 gezeigt ist, mit dem unteren
Teil des Mantelrohres o bei A einen sich verjüngenden Kanal, an den sich ein um
180° gebogener Teil anschließt, der sich bei B zwischen dem Mantelrohr O und dem
Mantel a erweitert. In diesen sich erst verengenden und dann erweiternden Kanal
wird die kinetische Energie bzw. der dynamische Druck des bereits abgekühlten, in
Richtung der Pfeile Il eintretenden Gases in statische Energie bzw. statischen Druck
umgewandelt und der Druck des Gases in dem Schutzmantelraum O bei q an der Stelle
erhöht, an der es in Richtung der Pfeile H ins Innere der Venturidüse p eintritt,
wodurch deren Ansaugungswirkung unterstützt wird. Diese verbesserte Auffangwirkung
an der Rinne 5 gestattet es auch, bereits abgekühltes Gas an Stellen abzuzweigen,
die weiter von der Heizmitteleintrittsstelle entfernt sind. An diesen Stellen besitzt
das Heizmittel eine niedrigere Temperatur und erweist sich infolgedessen als wirksamer
zum Kühlen des Doppelmantels.
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Innerhalb des Ringraumes können Kühlrohre angeordnet sein, die sich
in der Nähe der Rinne 5, beispielsweise bei 6 befinden können (s. F i g. 4). Der
Querschnitt dieser Rohre ist langrund bis oval und behindert das Abströmen des Gases
nicht. Diese Kühlrohre können entweder mit Wasser oder mit gesättigtem Dampf gespeist
werden.
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Diese Vorrichtung hat den Vorteil, daß das heiße Gas, da es zusätzlich
gekühlt wird, an einer weniger weit von der Heizmittel-Eintrittsstelle entfernt
liegenden Stelle abgezweigt und infolgedessen einem geringeren Druckverlust unterworfen
werden kann, so daß der Druck des Mediums in dem Ringraum stärker und seine Ausströmung
durch die Öffnungen q wirkungsvoller ist.
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Bei der in F i g. 5 dargestellten Ausführungsform haben die Kühlrohre
7 kreisförmigen Querschnitt und sind auf einem Kreisbogen in dem gebogenen Bereich
der Rinne 5 in der Nähe ihres Bodens angeordnet.
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Bei der in F i g. 6 gezeigten abgewandelten Ausführungsform ist ein
einziges Rohr 8 vorgesehen, dessen Querschnitt der Form eines Flugzeugflügels oder
einer Bohne ähnlich ist und das der bei II eintretenden Strömung nur einen geringen
Widerstand bietet und dennoch eine Kühlwirkung auf sie ausübt.
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Nach F i g. 7 ist zum Kühlen des oberen Teiles des Mantels a eine
äußere Hülle 4 vorgesehen, innerhalb derer das bereits abgekühlte Gas, das am Ausgang
des Wärmetauschers bei z abgezweigt wird, vermittels des Gebläses 1 und einer vorzugsweise
in den unteren Teil des Kühlmantels 4 endenden Leitung 3 in Umlauf gebracht wird.
Im Innern des Kühlmantels sind beispielsweise schraubenlinienförmig Ablenkflächen
5' derart angebracht, daß das abgekühlte Gas im wesentlichen im Gegenstrom über
die gesamte Oberfläche des oberen Teiles des Mantels a strömt. Am Ausgang wird das
Kühlmedium über eine Leitung 6' abgeleitet und an einer Stelle in das Innere des
Mantels a zurückgeleitet, an der die Temperatur des im Innern strömenden Heizmittels
der des durch die Leitung 6' eintretenden Gases praktisch gleich ist. Die Leitung
6' kann, wie auf der linken Seite der F i g. 7 gezeigt, durch den unteren Teil des
Bodenteiles hindurchführen, oder aber eine Leitung 7' (in F i g. 7 auf der rechten
Seite gezeigt), die die Rolle der Leitung 6' übernimmt, tritt in den Mantel a in
der Höhe ein, in der das im Innern des Mantels befindliche Heizmittel die Temperatur
des in der Leitung 7' strömenden Gases erreicht hat.