DE2224841A1

DE2224841A1 - Wärmetauscher

Info

Publication number: DE2224841A1
Application number: DE19722224841
Authority: DE
Inventors: David Lees Fearnmead Warrington Lancashire Linning (Großbritannien)
Original assignee: UK Atomic Energy Authority
Current assignee: UK Atomic Energy Authority
Priority date: 1971-05-26
Filing date: 1972-05-20
Publication date: 1972-12-07
Also published as: FR2139076B1; JPS5527277B1; FR2139076A1

Description

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19. ΜΑΠ97Ζ

72 028 Kü/h.

United Kingdom Atomic Energy Authority, 11 Charles II Street,

London, S.W.1, England

Die Prioritäten aus den britischen Patentanmeldungen Nr. 17294/71 und Nr. 17295/71, beide vom 26„ Mai 1971, werden in Anspruch genommen.

Wärmetauscher

Die Erfindung bezieht sich auf Wärmetauscher und insbesondere auf eine solche Gattung von Wärmetauschern, bei welchen sich ein Bündel von parallelen Wärmetauscherrohren zwischen Rohrboden an jedem Ende des Bündels erstreckt. Die Wärmetauscherrohre sind an ihren Enden mit Bohrungen in den Rohrboden beispielsweise durch Schweißung befestigt. Das Bündel von Wärmetauscherrohren ist innerhalb eines äußeren Mantels oder Kessels angeordnet, an welchem die Rohrböden befestigt sind.

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Bei einer Verwendungsweise eines derartigen Wärmetauschers, beispielsweise als Dampferzeuger oder Dampfüberhitzer, wird ein Flüssigmetall-Wärmeübertragungsmedium, z.B. Natrium, durch den Kessel über die Rohre geleitet, und es wird Wasser zur Dampferzeugung oder Dampf zum Überhitzen durch die Rohre hindurchgeleitet ο In diesem Falle findet der Wärmeaustausch zwischen Strömungsmitteln statt, die heftig reagieren, wenn sie in Berührung miteinander kommen, beispielsweise durch Entweichen von Dampf oder Wasser in die Hauptmasse des Natriums im Kessel über eine fehlerhafte Schweißnaht zwischen Rohr und Rohrboden. Bei derzeitigen Konstruktionen von Hatrium/WasserWärmetauschern muß man sich auf die Qualität der Schweißnähte an den Rohren und zwischen Rohr und Rohrboden sowie auf eine genaue Überprüfung verlassen, um einen hohen Grad von Integrität zu gewährleisten. Doch muß die Möglichkeit einer größeren Natrium/ Wasser-Reaktion in Betracht gezogen werden, und es ist deshalb notwendig, den Wärmetauschermantel so auszulegen, daß er den beträchtlichen Innendrücken widersteht, die bei Auftreten einer derartigen Reaktion entstehen würden. Daher müssen der Wärmetauschermantel und die Rohrplatten mit beträchtlicher Dicke ausgeführt werden.

Die zugehörige britische Patentanmeldung 15 899/69 bezieht sich auf einen Rohrkessel-Wärmetauscher, bei welchem der Hoohdruck-Wasserdampf im Kessel und daa Natrium innerhalb der Rohre aufgenommen wird, so daß sich ein Rohrbruch nicht duroh Überhitzung und Korrosion von weiteren Rohren in der Nähe des geborstenen Rohres fortpflanzen kann. Da das Hochdruckmedium innerhalb des Kessels gehalten wird, müssen auch in diesem Falle der Mantel und die Rohrboden eine beträchtliche Dicke bzw. Schichtstärke aufweisen, um dem hohen Innendruck standzuhalten.

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Außerdem müssen in Rohrkessel-Wärmetauschern Mittel vorgesehen werden, um eine unterschiedliche Wärmelängsausdehnung der Rohre relativ zum Kessel sowohl "beim Ansteigen auf den ständigen Wärmezustand als auch unter Übergangsbedingungen aufzunehmen. Dies kann dadurch erreicht werden, daß den Rohren eine U-Form innerhalb des Kessels gegeben wird, wobei .-.beide Rohrböden am einen Ende des Kessels angeordnet sind. Bei einer anderen Anordnung haben die Rohre eine J- oder Hockeyschlägerform innerhalb eines Mantels von ähnlicher Form, so daß der Rohrboden am einen Ende des Kessels in einer Ebene im rechten Winkel zur Ebene der Anordnung der Rohrplatte am anderen Ende des Kessels liegt. Beide Lösungen erhöhen die Kosten und die Kompliziertheit der Herstellung solcher Wärmetauscher.

Erfindungsgemäß ist bei einem Rohrkessel-Wärmetauscher jeder Rohrboden entlang seiner Außenkante am Kessel des Wärmetauschers durch einen Zwischenringbauteil befestigt, der sich über einen Spalt zwischen der Außenkante des Rohrbodens und des Kessels erstreckt, wobei der radiale Querschnitt des Ringbauteils eine Bogenform aufweist.

Vorzugsweise ist der radiale Querschnitt des Ringbauteils halbkreisförmig, so daß der Ringbauteil die Form eines halben rohrförmigen Toroids aufweist. Der Ringbauteil ist vorzugsweise so angeordnet, daß seine Innen- und Außenkante im wesentlichen in der Ebene liegen, in welcher auch der Rohrboden liegt, wobei Innen- und Außenkante des Ringbauteils mit dem Rohrboden und dem Kessel bzw. dem Mantel durch Schweißen verbunden sind« Der bogenförmige radiale Querschnitt des Ringbauteils verleiht diesem die Fähigkeit, einen hohen Druck auf-

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zunehmen, aο daß der Ringbauteil aus relativ dünnem Material hergestellt werden kann. Auf diese Weise erhält der Ringbauteil einen gewissen Grad von Flexibilität in Richtung senkrecht zur Ebene des Rohrbodens·, so daß sioh der Rohrboden in Iiängsrichtung zum Wärmetauscherkessel bewegen kann, um eine relative Wärmeläng saus dehnung zwischen den Wärmetauscherrohren und dem Mantel aufzunehmen. TJm die Flexibilität des Ringbauteils bei gleichzeitiger Aufrechterhaltung der Druckaufnahmefähigkeit zu erhöhen, kann der^Ringbauteil aus mehreren Schichten oder lamellen hergestellt werden.

Ferner ist es bei solchen Natrium/Wasser-Wärmetauschern des Rohrkesseltyps, bei dem erhitztes Natrium durch die Wärmetauscherrohre und Wasser durch den Kessel über die Rohre zur Erzeugung von Dampf geleitet wird, vorteilhaft, außerdem eine Wärmeisolierung an den Seiten der Rohrböden innerhalb des Kessels vorzusehen, da die Rohrböden gleichzeitig in engem Wärmekontakt mit Natrium und Wasser oder Dampf stehen. Die Wärmeisolierung ist in der Weise wirksam, daß sie die Dauer-Wärmebeanspruchungen in den Rohrboden wie auch vorübergehende Beanspruchungen infolge plötzlicher Änderungen in den Betriebsbedingungen auf ein Mindestmaß herabsetzt. Insbesondere der Rohrboden am Dampfauslaßende des Wärme-causcherkessels, wenn nicht isoliert, würde besonders ernsthaften Bedingungen ausgesetzt sein, da bei nassem Dampf FlüBsigkeitströpfchen auf den Rohrboden auftreffen würden, durch welchen Natrium mit hoher Einlaßtemperatur hindurchgeleitet wird.

Eine bekannte Ausführungsform von Wärmeisolier-aufbau weist eine Anzahl von Prall- oder Leitplatten auf, die parallel zum Rohrboden und zueinander angeordnet sind. Die Leitplatten sind

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für den Durchgang der Eohre an deren dem Rohrboden benachbarten Enden durchbohrt und so angeordnet, daß sichergestellt wird, daß stagnierendes Strömungsmittel, d.h. Dampf oder Wasser in Räumen zwischen den leitplatten, eingefangen wird, um die gewünschte Wärmeisolierung zu schaffen.

Diese Art von Wärmeisoiieraufbau hat einen Hauptnachteil, der in seinen hohen Herstellungskosten liegt, da es notwendig ist, einige tausend Löcher in die leitplattenfür den Durchgang der Enden der Wärmetauscherrohre zu bohren.

Die wirtschaftliche Einbuße ist insbesondere dann hoch, wenn ein hoher Grad von Wärmeisolierung gefordert wird, der durch Vorsehen eines derartigen Wärmeisolieraufbaus erzielt wird, welcher aus einer beträchtlichen Anzahl von leitplatten besteht. Ein weiterer möglicher Nachteil ist auf den Umstand zurückzuführen, daß die Räume zwischen den Rohrboden nur einen begrenzten Zugang für den Hauptkörper des Wärmetauscherkessels haben. So kann eine schnelle Verdampfung von Wasser in den Räumen zwischen den leitplatten beim Anlaufen des Wärmetauschers oder infolge einer vorübergehenden Änderung der Betriebsbedingungen zu einem raschen Druckaufbau in den Räumen führen, der nicht so ohne weiteres durch Entlüften der Bäume zwischen den leitplatten nach dem Hauptkörper des Kessels hin freigegeben werden kann. Es kann daher die Gefahr eines ortlichen Rohrbruchs infolge übermäßigen Druckaufbaus entstehen.

Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung weisen die Rohrboden eines Rohrkessel-Wärmetauschers, · wie vorerwähnt, eine Wärmeisolierung auf, die aus einer Reihe von Plattenbauteilen

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besteht, welche mit der Kante aufrecht auf dem Rohrboden stehen und parallel zueinander zwischen aufeinanderfolgenden Reihen der Wärmetauscherrohre angeordnet sind. Wo gerade Durchgänge zwischen den Reihen von Rohren vorhanden sind, können die Plattenbauteile eine ebene Form haben. Im Falle eines Wärmetauschers mit in dichter Seilung bzw. eng angeordneten Rohren, wo keine geraden Durchgänge zwischen den Rohren vorhanden sind, können die Plattenbaüteile eine gewellte Form aufweisen, damit sie zwischen die Rohrreihen passen. Diese Anordnung stellt sicher, daß jedes Wärmetauscherrohr an seiner Verbindungstelle mit dem Rohrboden in einem stehenden Strömungsmittel, entweder Dampf oder Waeser, je nach den Bedingungen, eingeschlossen ist, welches in den Taschen eingefangen ist, die zwischen den Plattenbauteilen und den Rohren gebildet werden. Auf diese YiTeise kann durch eine Änderung der Bedingungen, welche zu einem schnellen Verdampfen des in den [Taschen eingefangenen Wassers führt, kein lokaler übermäßiger Druck erzeugt werden, da jede der Taschen nach dem Hauptkörper des Kessels hin völlig offen ist.

Diese Wärmeisolierung hat außerdem den Vorteil der Wirtschaftlichkeit, da es beispielsweise nicht notwendig ist, eine große Anzahl von Löchern in eine Reihe von Platten zur Herstellung der notwendigen Leitkörper zu bohren. Der erzielte G-rad von Wärmeisolierung ist lediglich abhängig von der Tiefe der Plattenbauteile. Bin hoher G-rad von Wärmeisolierung ^kann einfach dadurch erzielt werden, daß die Plattenbauteile in einer ausreichenden Tiefe hergestellt,werden. Außerdem ist die erfindungsgemäße Wärmeisolierung in Bezug auf die Rohrboden leicht zusammenzubauen, da es lediglich notwendig ist, die

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Reihen von Plattenbauteilen aufrecht auf den Rohrboden zwischen parallelen Reihen von Wärmetauscherrohren einzusetzen. Die Platt enbaut eile, welche die isolierung "bilden, können von ihren Enden her durch einen Ring gehalten werden,- der auf der Fläche des Rohrbodens sitzt, welche die Wärmetauscherrohre umgibt. Alternativ kann der Haltering für die Plattenbauteile auch um die Innenwand des Wärmetauscherkessels herum unmittelbar unterhalb der Höhe des Rohrbodens angebracht werden.

Die Erfindung wird nunmehr anhand der sie beispielsweise wiedergebenden Zeichnung ausführlicher beschrieben^ und zwar zeigt

Fig. 1 im Längsschnitt einen Wärmetauscher gemäß der Er~ findung,

Figo 2 einen vergrößerten Längsschnitt einer Abänderungsform der Rohr/Rohrboden-Bauteilgruppe des Wärmetauschers nach Fig. 1,

Fig. 3 einen Schnitt naoh der Linie III-III in Fig. 2, während

Fig. 4 entsprechend der Fig. 3 in vergrößerter Darstellung eine Einzelheit einer Alternativanordnung wiedergibt.

Der Wärmetauscher nach Fig. 1 der Zeichnung weist einen zylindrischen Mantel oder Kessel 1 auf, der ein Bündel von parallelen Wärmetauscherrohren 2 enthält. Die Wärmetauscherrohre 2 erstrecken sich in Längsrichtung durch den Kessel 1 hindurch zwischen Rohrboden 3> die an jedem Ende des Kessels 1 angeordnet sind. Die Wärmetauscherrohre 2 sind im Abstand voneinander und in Querrichtung im Kessel 1 entweder durch

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Gitter in Abständen auf der Länge der Rohre 1 oder alternativ durch Drahtwickel oder durch einstückige Rippen an den Rohren fixiert, wobei die Rohre im Bündel* durch eine äußere Wickelanordnung zusammengehalten werden, wie sie in der zugehörigen britischen Patentanmeldung 15 899/69 offenbart ist.

Der Kessel bzw. Mantel 1 weist einen Einlaßstutzen 4 am unteren Ende und einen Auslaßstutzen 5 am oberen Ende auf. Die Rohre 2 erstrecken sich durch Bohrungen 6 im Rohrboden 3 am oberen Ende des Kessels 1 und münden an den oberen Enden in eine Einlaß-Sammelkammer 7. In ähnlicher Weise erstrecken sich die Rohre 2 durch Bohrungen 6 im Rohrboden 3 am unteren Ende des Kessels 1 und münden an ihren unteren Enden in eine Auslaß-Sammelkammer 8ο Die Rohre 2 sind an ihrem Durchgang durch die Bohrungen 6 in den Rohrböden 3 und außerdem an ihren in Verbindung mit den Einlaß- und Auslaß-Sammelräumen 7 und 8 stehenden Enden hartgelötet.

Jeder der Rohrböden 3 ist mit dem Mantel 1 in ähnlicher Weise verbunden. Der Rohrboden 3 am oberen Ende des Mantels 1 ist von kleinerem Außendurchmesser als dem Innendurchmesser des oberen Endes des Mantels 1, so daß ein Ringspalt 9 zwischen der Außenkante des Rohrbodens 1 und der Kante des Mantels bzw. Kessels vorhanden ist. Der Spalt 9 wird durch einen Ringbauteil 10 überbrückt, der einen halbkreisförmigen radialen Querschnitt aufweist.Der Bauteil 10 kann als die Hälfte eines rohrförmigen Giroids beschrieben und aus mehreren Schichten oder Lamellen aufgebaut werden. Er ist an seiner Innenkante 12 mit der Außenkante des Rohrbodens 3 durch eine Schweißnaht 13 und an seiner Außenkante H mit der Kante des Mantels 1 durch eine Schweißnaht 15 verbunden.

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Bei Gebrauch des Wärmetauschers, z.B. als Direktdurchgangsboiler, wird Wasser in den Kessel 1 über den unteren Einlaßstutzen 4 hineingelassen, und Dampf wird im Kessel 1 durch Wärmeaustausch mit "beispielsweise erhitztem Natrium erzeugt, welches durch die Wärmetauscherrohre 2 geleitet wird. Das erhitzte Natrium wird in die Rohre 2 über die obere Einlaß-Sammelkammer eingelassen, und nachdem es abwärts durch die Wärmetauscherrohre 2 geströmt ist, wird es über die untere Auslaß-Sammelkammer 8 abgeführt. Dampf, der beispielsweise mit einem Druck von 2500 psi (176 atü) im Kessel 1 erzeugt wird, verläßt den Kessel 1 über den oberen Auslaßstutzen 5·

Eine hohe axiale Druckkraft wirkt auf die Rohrboden 3 ein, doch wird der H_aUptteil dieser axialen Druckkraft von den,Wärmetauscherrohren aiigenommen, indem diese unter Längs-Zugspannung stehen. Daher können die Rohrboden 3 eine relativ geringe Dicke haben, beispielsweise 3" (76,2mm), im Vergleich zu einer Dicke von 12" (304,8 mm), die für Rohrplatten erforderlich wäre, welche den gesamten Innendruck auf den Kessel 1 übertragen.

Die Form der Ringbauteile 10 erlaubt es, den hohen Innendruck im Kessel 1 mit einer verhältnismäßig geringen Metalldicke in den Ringbauteilen 10 zu halten. Infolge geometrischer Faktoren und weil die Ringbauteile 10 aus relativ dünnen Schichten oder Lamellen 11 bestehen, haben die Ringbauteile 10 eine Flexibilität in Richtung der Längsachse des Kessels 1, d.h. in Richtung senkrecht zur Ebene der Rohrboden 3· Dies gibt den Rohrboden 3 die Möglichkeit, sich in Längsrichtung mit Bezug auf den Wärmetauschermantel 1 dadurch zu bewegen, daß die

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Ringbauteile 10 gebogen werden, um eine Wärmelängsausdehnung der Wärmetauscherrohre 2 relativ zum Kessel 1 aufzunehmen. Eine Wärmelängsausdehnung der Wärmetauscherrohre 2 relativ zum Kessel 1 tritt infolge der Temperaturdifferenz auf, die zwischen den
Rohren 2 und dem Kessel 1 entsteht, wenn der Wärmetauscher in seinen Betriebstemperatursustand gebracht wird.

Der erfindungsgemäße Wärmetauscher hat den Vorteil, daß
er leicht zusammenzubauen ist, da die Rohre 2 mit den Rohrboden 3 außerhalb des Viärmetauschermantels 1 zusammengesetzt werden können, und die Bauteilgruppe aus Rühren 2 und Rohrboden 3 kann dann in den Kessel 1 eingesetzt, und die Rohrboden 3 können
mit den Enden des Kessels 1 durch Anschweißen der Ringbauteile 10 verbunden werden, welche den Spalt 9 zwischen den Rohrboden 3 und den Enden des Kessels 1 überbrücken. Die Schichten bzw. Lamellen 11 der Ringbauteile 10 können einzeln nacheinander
in richtiger Lage angeschweißt werden, oder alternativ können die Schichten oder Lamellen 11 an separate Ringe angeschweißt werden, wobei diese Ringe dann nachfolgend an die Rohrboden 3 und den Mantel 1 angeschweißt werden. Dieser letztere Vorgang erleichtert die Überprüfung und Wärmebehandlung der Lamellensohweißnähte.

Die abgeänderte Rohr/Rohrboden-Bauteilgruppe, die in den Fign. 2 und 3 der Zeichnung dargestellt ist, weist einen Rohrboden 21 auf, mit dem eine Anzahl von Wärmetauscherrohren 22 verbunden ist. Die Wärmetauscherrohre 22 sind in einem Bündel parallel zueinander angeordnet und an ihren Enden in Verbindung mit Bohrungen 23 im Rohrboden 21 verschweißt. Der
Wärmeisolieraufbau für die Unterseite des Rohrbodens 21 weist

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eine Reihe von parallelen Platten 24 auf, die aufreohtstehend auf der Fläche des Rohrbodens 21 angeordnet sind. Die Platten 24 sitzen zwischen parallelen Reihen der Wärmetauscherrohre 22. Ein Haltering 25 für die Platten 24 ist auf die fläche des Rohrbodens 21 aufgeschv/eißt, welche das Bündel von Wärmetauscherrohren 22 umgibt. Die Enden der Platten 24 ruhen auf einem einstückigen Flansch 26 am unteren Ende des Ringes 25. Das Bündel von Wärmetauscherrohren 22 sitzt im Innern des Mantels 1 (Figo 1), an welchen die Rohrboden an jedem Ende des Bündels von Rohren 22 über die Ring"bauteile 10 (Fig. 1) befestigt sind.

Wenn der Wärmetauscher vom Natrium/Wasser-Iyp ist, dann wird erhitztes Natrium durch die Wärmetauscherrohre 22 hindurchgeleitet, während Wasser zur Erzeugung von Dampf durch den Mantel "bzw. Eessel 1 über die Rohre 22 hinweg geleitet wird.

Der V/ärmeisolieraufbau nach der Erfindung bildet eine Wärmeisolierung für die Rohrboden 21 durch Einfangen von stagnierendem Dampf oder Wasser in den Taschen, die auf der Seite der Rohrboden zwischen den Platten 24 und den Enden der Wärmetauscherrohre 22 gebildet werden.

Bei der Anordnung nach Fig. 3 sind gerade Yfege zwischen den Reihen von Wärmetauscherrohren 22 vorhanden, so daß die Platten 24 eine ebene Form aufweisen können. Bei der Alternativanordnung nach Fig. 4 sind die Rohre 22 dichter angeordnet, so daß keine geraden Durchgänge zwischen den Rohrreihen vorhanden sind. In diesem Fall werden die Platten 24¹ in gewellter Form hergestellt, damit sie zwischen die Rohre 22 passen.

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Die Erfindung betrifft auoh Abänderungen der im beiliegenden Patentanspruch 1 umrissenen Auäuhrungsform und bezieht sich vor allem auch auf sämtliche Erfindungsmerkmale, die im einzelnen — oder in Kombination — in der gesamten Beschreibung und Zeichnung offenbart sind.

Patentansprüche

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Claims

- 13 72 028 Kü/sl

19. MAl 1972

Patentansprüche

y Rohrkessel-Wärmetauscher, bei welchem ein Bündel von

parallelen Wärmetauscherrohren sich zwischen Rohrboden an jedem Ende des Bündels erstreckt, wobei die Rohre mit Bohrungen in den Rohrboden verbunden sind und ein Mantel bzw. Kessel vorgesehen ist, innerhalb welchem das Bündel von Rohren angeordnet ist, mit einer Einrichtung zum Befestigen der Rohrboden am Mantel oder Kessel, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Befestigen jedes Rohrbodens (3) am Mantel oder Kessel (l) einen Ringbauteil (10) zwischen jedem Rohrboden (3) und dem Kessel (l) aufweist, daß der Ringbauteil (10) an der äußeren Kante des jeweiligen Rohrbodens (3) und am Mantel bzw. Kessel (l) so befestigt ist, daß er sich über einen Spalt (9) zwischen diesen erstreckt, und daß der radiale Querschnitt des Ringbauteils (10) eine Bogenform aufweist.
2. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der radiale Querschnitt des Ringbauteils (10) halbkreisförmig ist.
3. Wärmetauscher nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Ringbauteil (10) so angeordnet ist, daß seine Innen- und Außenkante im wesentlichen in einer Ebene liegen, in welcher der jeweilige Rohrboden (3) liegt, und daß diese Kanten mit der Rohrplatte (3) und dem Mantel (l) durch Schweißen verbunden sind.

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4. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ringbauteil (10) aus mehreren Schichten bzw. Lamellen (11) besteht.
5. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohrböden (J) jeweils eine Wärmeisolierung aufweisen, die aus einer Reihe von Plattenbauteilen (24,24') besteht, die aufrecht auf dem jeweiligen Rohrboden (3) stehen und parallel zueinander zwischen aufeinanderfolgenden Reihen von Wärmetauscherrohren (2) angeordnet sind.
6. Wärmetauscher nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, daß die Plattenbauteile (24) eben sind und sich in geraden Durchgängen zwischen den Rohren (2) erstrecken.
7. Wärmetauscher nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, daß die Plattenbauteile (24*) gewölbt sind und sich zwischen den Rohren (2) dort erstrecken, wo diese in enger Teilung angeordnet sind.
8. Wärmetauscner nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, daß die Plattenbauteile (24,24') von ihren Enden aus durch einen Ring (25) gehalten sind, der auf der die Wärmetauscherrohre (2) umgebenden Fläche des jeweiligen Rohrbodens (3) angebracht ist.

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