DE2430161A1

DE2430161A1 - Waermeaustauscher mit kreisfoermigem oder hexagonalem querschnitt

Info

Publication number: DE2430161A1
Application number: DE2430161A
Authority: DE
Inventors: Hans Ecker
Original assignee: Hochtemperatur-Reaktorbau 5000 Koeln GmbH; Hochtemperatur Reaktorbau GmbH
Current assignee: Hochtemperatur Reaktorbau GmbH
Priority date: 1974-06-24
Filing date: 1974-06-24
Publication date: 1976-01-15
Also published as: DE2430161C2

Description

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HOCHTEMPERATUR-REAKTORBAU GmbH

5 Köln 1 Zeppelinstraße 15

Wärmeaustauscher mit kreisförmigem oder hexagonalem Querschnitt

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Wärmeaustauscher von kreisförmigem oder hexagonalem Querschnitt mit einer Anzahl von innerhalb eines äußeren Leitmaneis angeordneten und zu Rohrbündeln vereinigten Geradrohren, die parallel zur Mittelachse des Wärmeaustauschers verlaufen. Jeder Rohrbündel ist von einem beidseitig offenen inneren Leitmantel umgeben, und die Rohre jedes Rohrbündels sind an ihren beiden Enden mit einem Rohrboden verbunden.

Derartige Wärmeaustauscher werden bevorzugt in geschlossenen Gasturbinenanlagen und in der Kernkraftwerkstechnik eingesetzt, wo sie beispielsweise beim sogenannten integrierten Kernreaktor im selben Druckbehälter wie der Reaktorkern liegen.

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So wird in der deutschen Offenlegungsschrift 2 120 5^ ein aus parallel angeordneten Einzelelementen bestehender Wärmeaustauscher beschrieben, bei dem die Einzelelemente oder Rohrbündel einen runden oder polygonalen Querschnitt besitzen und von beidseitig offenen Mantelrohren umgeben sind. Das äußere Medium, z.B. das von einer Turbine kommende Abgas, wird entlang der Austauscherrohre innerhalb der beidseitig offenen Mantelrohre geführt, wobei seine Strömungsrichtung derjenigen des in den Rohren befindlichen Mediums entgegengesetzt ist. Jeder Rohrbündel ist durch ein Paar von Rohrboden mit eigenen Zu- und Abführungsleitungen versehen. Die Mantelrohre sind strömungsdicht in eine senkrecht zu ihnen verlaufende Platte eingesetzt, die ebenfalls strömungsdicht mit dem Gehäuse des Wärmeaustauschers verbunden "ist. Mit dieser Platte soll eine leicht und funktionssicher herzustellende Führung für das äußere Medium und damit eine Verbesserung des Wärmeüberganges zwischen den beiden Medien erreicht werden.

Aus der deutschen Offenlegungsschrift 1 401 666 ist ebenfalls ein Wärmeaustauscher bekannt, der in einem Mantel eine Anzahl von Rohrbündeln oder Rohrkörpern enthält, die sich aus einer Vielzahl von an ihren Enden mit Kopfstücken oder Rohrboden verbundenen Rohren zusammensetzen. Die im wesentlichen geraden Rohre sind in unmittelbarer Nähe der Kopfstücke derart auseinandergespreitzt, daß sie über den größten Teil ihrer Länge eine gleichförmige Verteilung über den Querschnitt des Mantels einnehmen. Auf diese Weise läßt sich das Gesamtvolumen des Wärmeaustauschers für eine gegebene Wärmeübertragungsleistung gering halten.

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Von diesem Stand der Technik geht die vorliegende Erfindung aus, wobei ihr die Aufgabe zugrunde liegt, einen Wärmeaustauscher der eingangs geschilderten Bauart anzugeben, bei dem der zur Verfügung stehende Raum noch besser ausgenutzt und der Wirkungsgrad erhöht wird.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß jedes Rohrbündel mit seinen zugehörigen Rohrboden und seinem inneren Leitmantel eine Box bildet, daß die Boxen im Grundriß im Sechseckgitter angeordnet sind und daß die Rohrboden zumindest an einer Seite der Rohrbündel in mindestens drei verschiedenen, senkrecht zur Achse des Wärmeaustauschers liegenden Ebenen derart angeordnet sind, daß benachbarte Rohrboden gegeneinander, versetzt sind und zwischen den Rohrboden der einen Box und dem inneren Leitmantel der dieser Box benachbarten Boxen ein sehr geringer Zwischenraum bleibt.

Der Wärmeaustauscher gemäß der Erfindung kann mit besonderem Vorteil als Rekuperator in einem geschlossenen Gasturbinenkreislauf oder im Primärkreislauf eines gasgekühlten Hochtemperaturkernreaktors mit Heliumturbine eingesetzt werden, da er bei guten Wärmeübertragungseigenschaften ein geringes Bauvolumen aufweist, denn infolge der Anordung der Boxen im Sechseckgitter und der Versetzung der Rohrboden . kann der zur Verfügung stehende Raum sehr gut ausgenutzt werden. Außerdem treten nur geringe Druckverluste auf. Die die Rohrbündel vngebenden inneren Leitmäntel können einen runden oder auch einen sechseckigen Querschnitt aufweisen. Bei letzteren ergibt sich eine noch günstigere Platzausnutzung als bei Leitmänteln mit rundem Querschnitt. Die Rohrboden, in die die Rohre jedes Rohrbündels eingesetzt sind, haben zweckmäßigerweise eine den Leitmänteln angepaßte Querschnittsform, d,h. sie sind entweder rund oder sechseckig.

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Der Wärmeaustauscher gemäß der Erfindung kann im Gleich- oder Gegenstromprinzip betrieben werden. Die Größe der Drücke, Druckdifferenzen, Temperaturen und Temperaturdifferenzen des durch die Rohre strömenden inneren Mediums und des um die Rohre in den inneren Leitmänteln strömenden äußeren Mediums können dabei beliebig sein. Als wärmeaustauschende Medien kommen sowohl gasförmige als auch flüssige Medien in Betracht, wobei es freigestellt ist, ob das Hochdruck- oder das Niederdruckmedium durch die Rohre geführt wird.

Auch die Einbau- oder Betriebslage des Wärmeaustauschers - z.B. horizontal, vertikal oder schräg - sowie die Art der verwendeten Werkstoffe kann beliebig gewählt werden.

Die mögliche Ari zahl der im Sechseckgitter angeordneten Boxen ergibt sich nach der mathematischen Formel

wenn mit i die Anzahl der im Gitter ineinanderliegenden Sechsecke bezeichnet wird.

Die versetzte Anordnung der Rohrboden kann an beiden Seiten der Rohrbündel ( an der Ein- und Austrittsseite ) oder auch nur an einer Seite vorgesehen sein. In ersterem Falle können die einzelnen ""ündel näher aneinandergerückt werden, wodurch sich eine größere Anzahl vor» Rohrbündeln auf einem gegebenen Gesamtquerschnitt unterbringen läßt. Wenn die Rohrbündel alle gleiche Länge haben sollen, so werden die Rohrboden derart angeordnet, daß die auf der einen Seite vorgesehene Versetzung genau das umgekehrte Bild der auf der anderen Seite vorgenommenen Versetzung darstellt, auf den mittleren Querschnitt des Wärmeaustauschers bezogen. Müssen an der Ein- und Austrittsseite besondere Bedingungen eingehalten werden, so kann die versetzte Anordnung der Rohrboden auch an den beiden Seiten

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verschieden ausgeführt werden.

An die rund oder sechseckig gestalteten Rohrboden, die als Lochplatten ausgebildet sind, schließen sich Sammlerhauben an, die ihrerseits mit Ein- bzw. Austrittsstutzen für das in den Rohren strömende Medium verbunden sind. Die Hauben besitzen entweder halbkugelige Gestalt ( bei runden Rohrboden ) oder sie gehen ( bei sechseckigen Rohrboden ) von der Sechseckform in die halbkugelige Form über, an die sich dann die Ein- bzw. Austrittsstutzen für das innere Medium anschließen.

Die Rückführung des in den Rohren strömenden Mediums erfolgt zweckmäßig durch Leitungen, die zwischen dem Sechseckgitter der Boxen und dem äußeren Leitmantel des Wärmeaustauschers verlegt sind. In diesem Raum können auch die Leitungen für die Zuführung des inneren Mediums vorgesehen sein.

Die eben beschriebene Randzone zwischen dem Sechseckgitter der Boxen und dem äußeren Leitmantel des Wärmeaustauschers kann auch zusätzlich zur Wärmeübertragung ausgenutzt werden, WOZU^ in diesem Raum Boxen mit kleinerem Durchmesser als die Boxen im Sechseckgitter angeordnet sind. Das in den Rohren strömende Medium wird dann je an einer Stirnseite zu- bzw. abgeführt.

Es ist auch möglich, nur einen Teil der Randzone für die Wärmeübertragung auszunutzen und den anderen Teil für die Zu- oder Abführung des inneren Mediums zu verwenden.

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Der Wärmeaustauscher kann - wenn er in vertikaler Lage eingebaut ist - zweckmäßigerweise an einem Tragrost aufgehängt sein. Um Wärmespannungen zu vermeiden, wird die Aufhängung mittels sogenannter "thermal sleeves" bewerkstelligt, die einerseits an den Rohren und andererseits am Tragrost befestigt sind.

Bei Verwendung des Wärmeaustauschers als Rekuperator im Primärkreislauf eines gasgekühlten Hochtemperaturreaktors wird vorteilhafterweise das von der Turbine kommende heiße Gas niedrigen Druckes um die Rohre herum durch die inneren Leitmäntel der Boxen geführt, während das zu erwärmende Hochdruckgas durch die Rohre geleitet wird.

In der Zeichnung sind zwei Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäß en Wärmeaustauschers dargestellt, der als Rekuperator eines mit einer Heliumturbine gekoppelten Hochtemperaturreaktors Verwendung finden kann.

Es zeigen:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch einen ersten Rekuperator ±xi stehender Anordnung und mit runden Boxen,

Fig. 2 einen Schnitt durch den Rekuperator nach der Linie A-A der Fig. 1,

Fig. 3 einen Längsschnitt durch einen zweiten Rekuperator in hängender Anordnung, ebenfalls mit runden Boxen.

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Die Fig. 1 läßt einen rekuperativen Wärmeübertrager oder Rekuperator in stehender Anordnung erkennen, der zum Primärkreislauf eines Hochtemperaturreaktors mit Heliumturbine gehört und wie alle anderen Komponenten des Kreislaufs in einem vertikalen Pod 1 innerhalb des Spannbetondruckbehälters untergebracht ist. Der Rekuperator besteht im wesentlichen aus einem äußeren Leitmantel 2, aus einer Vielzahl von Boxen 3 mit rundem Querschnitt, aus einem Tragrost k und einem Auflagering 5· Nach oben ist der Rekuperator durch eine Platte 6 abgedichtet, während der Abschluß nach unten durch einen zum Zentrum hin geneigten Boden 7 bewirkt wird. Der Boden 7 weist eine Anzahl von Öffnungen 8 zum Durchtritt für das äußere Medium auf. Der Tragrost 4, auf dem der Rekuperator aufgestellt ist, setzt sich aus einem Außenring 9» einer Narbe 10 und sechs Speichen oder Tragarmen 11 zusammen.

Zu jeder Box gehören ein aus einer Vielzahl von glatten, geraden Rohren bestehendes Rohrbündel 13> zwei Rohrboden 14, 15j in die die beiden Enden der Rohre eingesetzt sind, und ein innerer Leitmantel i6, der an seinen beiden Enden offen ist. Alle Rohrbündel 13 haben die gleiche Länge. An die Rohrboden 14,15 schließen sich Sammlerhauben 17>18 bxi, die kugelig ausgebildet sind. Die Rohrboden 14 mit den zugehörigen Sammlerhauben 17 sowie die Rohrboden 15 mit den zugehörigen Sammlerhauben 18 sind derart angeordnet, daß sie in drei verschiedenen horizontalen Ebenen I,II,III liegen,

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wobei benachbarte Rohrböden stets gegeneinander versetzt sind. ( siehe Pig. 2 ). Auf diese Weise können die einzelnen Boxen sehr dicht aneinandergerückt werden. Die Sammlerhauben 17 sind mit Eintrittsstutzen 19 für das innere Medium verbunden, während sich an die Sammlerhauben 18 Austrittsstutzen 20 für dieses Medium anschließen. Innerhalb der Rohrbündel 13 werden die einzelnen Rohre durch Halterungen 21 in ihrer Lage gehalten.

Die Boxen 3 sind im Grundriß im Sechseckgitter angeordnet, wie in der Fig. 2 dargestellt ist. Bei drei ineinanderliegenden Sechsecken ergeben sich nach der oben erwähnten Formel η = 6 (i+2+3)+1=37 Boxen. In dem frei gebliebenen Raum zwischen dem äußersten Sechseck und dem äußeren Leitmantel 2 des Rekuperators ist eine Anzahl von kleineren Boxen 12 verlegt, die ebenfalls für die Wärmeübertragung ausgenutzt werden können. Durch die in die Boxen 3 eingeschriebenen Ziffern 1,11 oder III ist angedeutet, in welcher Ebene die Rohrböden 14 oder 15 der entsprechenden Box angeordnet sind. Es ist klar erkennbar, daß einander benachbarte Rohrböden 14 oder 15 stets in verschiedenen Ebenen liegen.

Wie aus der Fig. 1 ersichtlich, sind die Austrittsstutzen für das innere Medium nach unten verlängert und strömungsdicht durch den Boden 7 hindurchgeführt. Oberhalb des Bodens 7 weisen die Austrittsstutzen 20 je eine Abzweigung 25 auf, und diese Abzweigungen sind mit ( nicht dargestellten ) Steigleitungen verbunden. Die Enden 27 der verlängerten Austrittsstutzen 20 sind in Ausnehmungen 26 des Tragrostes 4 gelagert.

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Da das dargestellte Ausführungsbeispiel den Rekuperator eines Hochtemperaturreaktors mit Heliumturbine betrifft, sind die beiden miteinander im Wärmeaustausch stehenden Medien Helium.Das von der Turbine kommende heiße Niederdruckgas wird von unten durch die Öffnungen 8 in den Rekuperator eingeleitet, den es mantelseitig, d.h. innerhalb der beidseitig offenen inneren Leitmäntel 16, durchströmt. Der Strömungsverlauf des heißen Niederdruckgases ist in der Fig.1 durch Pfeile angedeutet. Nachdem das Helium die Boxen 3 parallel durchströmt hat, tritt es am oberen Ende zwischen den Leitmäntein 16 und den Rohrböden 14 aus den Boxen 3 aus und gelangt durch Öffnungen 22 in dem äußeren Leitmantel 2 in einen Ringspalt 23 zwischen diesem Leitmantel und dem ( mit einem Liner ausgekleideten ) Pod. 1. Das abgekühlte Gas wird sodann zu einem unterhalb des Rekuperators angeordneten Vorkühler weitergeführt ( nicht dargestellt ), den es ebenfalls mantelseitig durchströmt.

Nachdem das Helium den Vorkühler passiert hat und in einem Kompressor wieder auf höhen Druck verdichtet worden ist, wird es als Hochdruckgas zu dem Rekuperator zurückgeführt.

Durch die Eintrittsstutzen 19 und die Hauben 17 gelangt das Helium in die Rohre der Rohrbündel 13> die es von oben nach unten durchströmt, wobei es sich erwärmt. Nachdem es durch die Rohrboden 15 und die Sammlerhauben 18 hindurchgetreten ist, wird das erwärmte Hochdruckgas über die Abzweigungen 25 an den Austrittsstutzen 20 zu den erwähnten Steigleitungen geführt, die außerhalb der Heizfläche des Rekuperators liegen. Durch diese Leitungen strömt das Helium wieder dem Kern des Reaktors zu.

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Die Fig. 3 zeigt einen Rekuperator in hängender Anordnung, der ebenfalls in einem vertikalen Pod innerhalb des Spannbetondruckbehälters untergebracht ist. Es ist hier nur der Liner 31 dargestellt, mit dem der Pod aiisgekleidet ist. Die Boxen 3» von denen der Übersichtlichkeit wegen nur eine gezeigt ist, weisen einen runden Querschnitt auf und bestehen aus einem Geradrohrbündel 13 sowie zwei Rohrboden 14 und 15> in die die beiden Enden der Rohre eingesetzt sind. Ferner gehört noch zu jeder Box ein innerer Leitmantel 16, der an seinen beiden Enden offen ist. Alle Rohrbündel 13 besitzen die gleiche Länge. An die Rohrboden 14,15 schließen sich Sammlerhauben 17>18 an, die kugelig ausgebildet sind. Die Sammlerhauben 17 sind mit Eintrittsstutzen 19 für das innere Medium verbunden, während sich an die Sammlerhauben 18 Austrxttsstutzen 20 für dieses Medium anschließen. Innerhalb der Rohrbündel 13 werden die einzelnen Rohre durch Halterungen in ihrer Lage gehalten ( nicht dargestellt ).

Die Rohrboden 14 mit den zugehörigen Sammlerhauben 17 sowie die Rohrboden 15 mit den zugehörigen Sammlerhauben 18 sind derart angeordnet, daß sie in drei verschiedenen horizontalen Ebenen I,II,III liegen, wobei benachbarte Rohrboden stets gegeneinander versetzt sind. Dadurch kann eine größere Anzahl von Boxen auf einem vorgegebenen Raum untergebracht werden, weil die inneren Leitmäntel 16 einen kleineren Durchmesser als die Rohrboden 1^,15 aufweisen.

Im Grundriß stellt die Anordnung der Boxen 3 wieder ein Sechseckgitter dar, wie es in der Fig. 2 für den Rekuperator in stehender Anordnung gezeigt ist.

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Auch bei dem Rekuperator in hängender Anordnung können in der Randzone zwischen dem äußersten Sechseck und dem ( in der Fig. 3 ni.cht eingezeichneten ) äußeren Leitmantel kleinere Boxen verlegt sein, die zusätzlich der Wärmeübertragung oder der Zu- oder Rückführung des in den Rohren strömenden Mediums dienen.

Die Aufhängung des Rekuperators erfolgt mittels eines Tragrostes 32, der oberhalb der Sammlerhauben 17 angeordnet ist und Durchbrüche 33 für die Eintrittsstutzen 19 aufweist, von denen nur einer gezeigt ist. Die Verbindung zwischen den Eintrittsstutzen 19 und dem Tragrost 32 wird mit Hilfe von "thermal sleeves" Jk bewerkstelligt, die die Aufgabe haben, das Entstehen von Wärme spannungen zu verhindern. Eine gleichartige Verbindung 35 ist auch zwischen dem Tragrost 32 und dem Liner 31 vorgesehen. Nach unten ist der Rekuperator durch eine Platte 36 abgedichtet.

Die Zu- und Abführung des äußeren, durch die inneren Leitmäntel 16 strömenden Mediums kann in ähnlicher Weise erfolgen, wie in der Fig. 1 gezeigt. Auf eine nochmalige Darstellung wurde, daher bei der Fig. 3 verzichtet.

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Claims

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PATENTANSPRÜCHE

Wärmeaustauscher mit kreisförmigem oder hexagonalem Querschnitt mit einer Anzahl von innerhalb eines äußeren Leitmantels angeordneten und zu Rohrbündeln vereinigten, parallel zur Mittelachse des Wärmeaustauschers verlaufenden Geradrohren, bei dem jedes Rohrbündel von einem beidseitig offenen inneren Leitmantel umgeben ist und die Rohre jedes Rohrbündels an ihren beiden Enden mit einem Rohrboden verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Rohrbündel (13^ mit seinen zugehörigen Rohrboden (i4,15) und seinem inneren Leitmantel (i6) eine Box (3) bildet, daß die Boxen (3) im Grundriß im Sechseckgitter angeordnet sind und daß die Rohrboden (14,15) zumindest an einer Seite der Rohrbündel (13) in mindestens drei verschiedenen, senkrecht zur Achse des Wärmeaustauschers liegenden Ebenen (i,II,III) derart angeordnet sind, daß benachbarte Rohrboden (i4 bzw. 15) gegeneinander versetzt sind und zwischen den Rohrboden der einen Box und dem inneren Leitmantel (16) der dieser Box benachbarten Boxen ein sehr geringer Zwischenraum bleibt.
2. Wärmeaustauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die versetzte Anordnung der Rohrboden (1 ^t,15) auf beiden Seiten der Rohrbündel (13)vorgesehen ist.

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3. Wärmeaustauscher nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die auf der einen Seite vorgesehene Versetzung der
Rohrboden (14,15) - auf den mittleren Querschnitt des
Wärmeaustauschers bezogen - das umgekehrte Bild der auf der anderen Seite vorgenommenen Versetzung darstellt.
h. Wärmeaustauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich an die Rohrboden (i4 bzw. 15) Sammlerhauben (17 bzw. 18) anschließen, die mit Ein- bzw. Austrittsstutzen (19 bzw. 20 ) für das in den Rohren strömende Medium verbunden sind.
5. Wärmeaustauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für die Rückführung des in den Rohren strömenden Mediums im Raum zwischen dem Sechseckgitter der Boxen (3) und dem äußeren Leitmantel (2) liegende Leitungen vorgesehen sind.
6. Wärmeaustauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der Randzone zwischen dem Sechseckgitter der Boxen (3) und dem äußeren Leitmantel (2) zusätzliche Boxen (12) mit kleinerem Durchmesser angeordnet sind, die ebenfalls für die Wärmeübertragung ausgenutzt werden.
7· Wärmeaustauscher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß der Wärmeaustauscher in vertikaler Lage
eingebaut und an einem Tragrost (32) aufgehängt ist.
8. Wärmeaustauscher nach Anspruch 7> dadurch gekennzeichnet, daß die Aufhängung mittels an den Rohren (19) befestigter "thermal sleeves" (3^) erfolgt.

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