DE2700563A1

DE2700563A1 - Waermeuebertrager fuer einen hochtemperaturreaktor

Info

Publication number: DE2700563A1
Application number: DE19772700563
Authority: DE
Inventors: Robert Faeh
Original assignee: Sulzer AG
Current assignee: Sulzer AG
Priority date: 1976-12-21
Filing date: 1977-01-07
Publication date: 1978-07-06
Also published as: DE2700563C3; US4193447A; FR2375565A1; JPS5378982A; AT362465B; JPS6023860B2; DE2700563B2; GB1597509A; CH612785A5; ATA873077A

Description

P. 5131/St/un

Gebrüder Sulzer Aktiengesellschaft, Winterthur/Schweiz

Wärmeübertrager für einen Hochtemperaturreaktor

Die Erfindung betrifft einen Wärmeübertrager für einen Hochtemperaturreaktor, mit ersten Heizflächen, an denen Wärmeübertragung bei hoher Temperatur von vom Reaktor kommendem Primärgas an ein Sekundärgas stattfindet, und mit zweiten, dem Primärgas ausgesetzten Heizflächen zur Erzeugung und gegebenenfalls Ueberhitzung von Dampf, wobei die ersten Heizflächen aus einem von einem Mantel umgebenen Bündel zueinander paralleler, in einer Rohrplatte endender Sackrohre mit je einem in diese hineinragenden Innenrohr bestehen und das Sekundärgas zuerst parallel durch die jeweils zwischen dem Sackrohr und dem zugehörigen Innenrohr gebildeten Ringräume und anschliessend durch die Innenrohre strömt, wogegen das Primärgas den ersten Heizflächen über eine zum Bündel der Sackrohre koaxiale und an dem Mantel angeschlossene Leitung zuströmt.

Bei einem bekannten Wärmeübertrager dieser Art sind die zweiten Heizflächen rund um den die ersten Heizflächen umgebenden Mantel angeordnet. Diese Anordnung hat den Nachteil, dass sich für die die zweiten Heizflächen innen und aussen umgebenden Begrenzungswände in Umfangsrichtung eine grosse Länge ergibt. Solche Begrenzungswände bilden für das die zweiten Heizflächen umströmende Primärgas immer gewisse Unstetigkeiten, die zu einer ungleichmässigen Temperaturverteilung innerhalb des Primärgasstromes führen können.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den eingangs genannten Wärmeübertrager so zu verbessern, dass die die zweiten Heizflächen umgebenden Begrenzungswände in ihrer in Umfangsrichtung gemessenen Länge wesentlich kleiner werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass die Zuströmleitung über eine trichterartige Erweiterung koaxial mit dem Mantel verbunden ist, dass an der Rohrplatte ein den Mantel mit Abstand umgebendes, bis in den Bereich der Zuströmleitung reichendes Hemd vorgesehen ist und dass die zweiten Heizflächen in dem Ringraum zwischen der Zuströmleitung und dem Hemd untergebracht sind.

Bei dem neuen Wärmeübertrager ist also die das Primärgas zu den ersten Heizflächen führende Leitung im Durchmesser kleiner als der diese Heizflächen umgebende Mantel. Dadurch wird es in Verbindung mit dem an der Rohrplatte angebrachten Hemd möglich, el-

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nen zwischen diesem Hemd und der Zuströmleitung befindlichen und für die Unterbringung der zweiten Heizflächen genügend grossen Raum zu schaffen. Damit wird die in Umfangsrichtung gemessene Länge der die zweiten Heizflächen begrenzenden äusseren Wand, nämlich des Hemdes, nicht wesentlich grosser als die entsprechende Länge des die ersten Heizflächen umgebenden Mantels. Ausserdem wird die in Umfangsrichtung gemessene Länge der inneren Wand erheblich - um rund die Hälfte - kleiner. Das Auftreten von Unstetigkeiten in der Strömung des Primärgases und damit von ungleichmässiger Temperaturverteilung ist somit wesentlich vermindert. Diese Wirkung der Vergleichmässigung des Temperaturprofils wird noch dadurch unterstützt, dass zwischen dem Hemd und der trichterförmigen Erweiterung ein sich in Strömungsrichtung des Primärgases diffusorartig erweiternder Raum ergibt, der die Strömung des Primärgases günstig beeinflusst, bevor es die zweiten Heizflächen umströmt. Der kleinere Durchmesser der die zweiten Heizflächen aussen begrenzenden Wand hat besonders dann Vorteile, wenn der Wärmeübertrager in einer Kaverne eines Betondruckgefässes untergebracht ist, weil dadurch das ganze Druckgefäss kleiner gebaut werden kann. In diesem Fall wird auch ein die Kaverne verschliessender Deckel kleiner, was sich nicht nur in konstruktiver Hinsicht kostensparend auswirkt, sondern auch die Wartungsarbeiten am Wärmeübertrager erleichtert.

Nach einer vorteilhaften Aus führungsform des erfindungsgemässen Wärmeübertragers, bei dem die ersten und die zweiten Heizflächen in einer zylindrischen Kaverne eines im Reaktor enthaltenden

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Betondruckgefässes untergebracht sind, ist zwischen dem Hemd und der Kavernenwand ein Ringspalt gebildet, der von einem vom zum Reaktor zurückströmenden Primärgasstrom abgezweigten Teilstrora durchströmt ist, und ausserdem ist die Rohrplatte mit Kühlkanälen versehen, die eintrittsseitig mit dem Ringspalt verbunden sind und austrittsseitig in den Raum münden, in dem sich das Bündel von Sackrohren befindet. Durch diese Gestaltung wird es möglich, die Betonwand der Kaverne auf einem relativ niedrigen Temperaturniveau zu halten und auseerdem die Rohrplatte, an der die Sackrohre angeschlossen sind, wirksam zu kühlen.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der folgenden Beschreibung anhand der Zeichnung näher erläutert, die einen Vertikalschnitt durch einen Wärmeübertrager gemäss der Erfindung zeigt.

In einem Betondruckgefäss 1 ist eine im wesentlichen zylindrische Kaverne 3 mit vertikaler Achse ausgebildet. Die Kaverne 3 ist mit einem Futterblech 2 ausgekleidet und weist an ihrem unteren Ende einen vertikalen Kanal geringeren Querschnitts auf. Der Kanal 4 ist ebenfalls mit dem Futterblech 2 ausgekleidet, das am unteren Ende des Kanals in einen Innenflansch 5 übergeht, an dem in nicht näher dargestellter Weise ein Deckel 6 lösbar befestigt ist. In ihrem oberen Bereich ist die Kaverne 3 etwas erweitert, wobei das auch diese Erweiterung 7 auskleidende Futterblech 2 mit einem ringförmigen Abschnitt 16 in die Erweiterung hineinragt und dort in einem Flansch 8 endet.

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Innerhalb der Kaverne 3 ist ein Hemd 12 vorgesehen, das zwischen sich und dem Futterblech 2 einen Ringspalt 9 freilässt. Das Hemd 12 erstreckt sich vom Kavernenboden, mit dem es dicht verbunden ist, bis in die Nähe der Erweiterung 7. Es kann in seinem unteren Viertel durch nicht gezeichnete Dehnelemente in zwei Teile so unterteilt sein, dass eine axiale Relativbewegung zwischen den beiden Teilen möglich ist. In den oberen drei Vierteln ist das Hemd 12 auf seiner Innenseite mit einer Wärmeisolation versehen.

Im unteren Bereich der Kaverne 3 ist im Betondruckgefäss 1 ein Kanal 10 runden Querschnitts vorgesehen, der die Kaverne 3 mit einer nicht näher dargestellten, einen Hochtemperaturreaktor 81 aufnehmenden Kaverne verbindet. Innerhalb des Kanals 10 erstreckt sich mit radialem Abstand zu diesem Kanal ein Rohr 13, das am Hemd 12 in dessen unterem Bereich angeschlossen ist. Innerhalb des Rohres 13 erstreckt sich mit radialem Abstand zu diesem Rohr eine Leitung 14, die auf ihrer Innenseite mit einer Wärmeisolation 15 versehen ist. Die Leitung 14 geht innerhalb des unteren Bereiches der Kaverne 3 in eine vertikale Leitung 17 über, die mit ihrem oberen Ende an eine trichterartige Erweiterung 18 angeschlossen ist. Am oberen Ende der trichterartigen Erweiterung

18 ist ein Mantel 19 angeschlossen, der kurz unterhalb des oberen Endes des Hemdes 12 endet. Auch die vertikale Leitung 17, die trichterartige Erweiterung 18 und der Mantel 19 sind auf der Innenseite mit einer Wärmeisolation versehen. Zwischen dem Mantel

19 und dem Hemd 12 ist ein Ringspalt 20 vorhanden.

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Das obere Ende des Hemdes 12 1st konisch eingezogen und mit einer Rohrplatte 22 dicht verbunden. In der Rohrplatte 22 enden mehrere Sackrohre 23, die nach einem Dreieckgitter verteilt in der Rohrplatte angeordnet sind. Die Sackrohre sind mit der Rohrplatte 22 dicht verschweisst. In jedes Sackrohr 23 ragt ein Innenrohr 52, das zwischen sich und dem zugehörigen Sackrohr einen Zwischenraum bildet, der im Betrieb des Wärmeübertragers von einem Sekundärgas durchströmt wird, das z.B. zum Zwecke der Spaltung beheizt ist. Die Sackrohre 23 mit den Inrienrohren 52 bilden ein Bündel von ersten Heizflächen.

Die Rohrplatte 22, die auf ihrer Oberseite und auf ihrer Unterseite mit einer Wärmeisolation 27 bzw. 28 versehen ist, weist ein System von Kühlkanälen 25 auf, die von der Umfangsfläche der Rohrplatte 22 ausgehen und somit eintrittsseltig mit dem Ringspalt 9 zwischen dem Futterblech 2 und dem Hemd 12 verbunden sind. Die Kühlkanäle 25 enden auf der Unterseite der Rohrplatte 22; sie münden also austrittsseitig in den vom Mantel 19 umgebenen Raum. Die Rohrplatte 22 ist mittels nicht gezeichneter Schrauben mit einem Ringstück 30 verbunden, das aus einem unteren, sich nach oben erweiternden Konus 31, einem daran anschliessenden Flansch 32, einem oberen, sich nach oben verjüngenden Konus 33 und einem daran anschliessenden zylindrischen Abschnitt 34 mit Flansch 35 besteht. Das Ringstück 30 ruht auf dem Flansch 8 des Futterbleches 2 und ist mit diesem Flansch dicht verbunden.

Auf dem Flansch 35 des Ringstückes 30 liegt ein Deckel 40, der

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in seinem Zentrum von einer Leitung 42 durchdrungen wird, die über einen Wärmedehnungen zulassenden Balg 41 mit dein Deckel dicht verbunden ist. Um die Leitung 42 herum sind mehrere Leitungen 44 angeordnet, die nahe unterhalb des Deckels 40 enden und mit diesem über je einen Wärmedehnungen zulassenden Balg dicht verbunden sind und die das Sekundärgas zuführen. Unterhalb des Deckels 40 erweitert sich die Leitung 42 nach unten und endet in einem Flansch 50, der mit einer Rohrplatte 51 dicht verbunden ist, in der die Innenrohre 52 dicht eingesetzt sind.

die Innenrohre 52
Die Leitung 42,/und die Rohrplatte 51 sind innen bzw. auf ihrer Oberseite mit einer Wärmeisolation versehen. Ausser ihrer Befestigung am Flansch 50 ist die Rohrplatte 51 über einen leicht nachgiebigen, gelochten Konus 55 auf dem unteren Ende des Ringstücks 30 abgestützt.

An der vertikalen Leitung 17 sind aussen vier radiale Kragarmpaare 60 angeordnet. An jedem Kragarmpaar 60 ist über ein Laschenpaar 61 eine mit Bohrungen versehene Tragplatte 6 2 aufgehängt. In die Bohrungen der vier Tragplatten 6 2 sind in bekann-

65 ter Weise schraubenlinienförmig gewundene Rohre/eingebracht, die zwei Bündel 66 und 67 bilden. Diese Bündel bilden die zweiten Heizflächen des Wärmeübertragers. Die unteren Rohrenden des Bündels 67 sind über Rohre 68, die sich durch den Kanal 4 erstrecken und den Innenflansch 5 durchdringen, mit einem ringförmigen Verteiler 70 verbunden, an den eine nicht dargestellte Speisewasserzufuhrleitung angeschlossen ist. Die oberen Rohrenden des Bündels 66 sind über Rohre 7 2, die sich ebenfalls

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durch den Kanal 4 erstrecken und den Innenflansch 5 durchdringen, mit einem ringförmigen Sammler 73 verbunden, an dem eine nicht dargestellte Dampfabfuhrleitung angeschlossen ist. Die Rohre und 72 verlaufen im Bereich 90 etwa tangential zu den beiden Teilkreisen, auf denen sie den Innenflansch 5 durchdringen, so dass im Bereich 90 relativ lange, horizontale Dehnschenkel gebildet werden. Die oberen Rohrenden des Bündels 67 sind über nicht gezeichnete Rohre mit den unteren Rohrenden des Bündels 66 verbunden.

Der Ringraum zwischen der Leitung 14 und dem Rohr 13 innerhalb des Kanals 10 führt zu einem in der Zeichnung nur schematisch angedeuteten Gebläse 80, das austrittsseltig einerseits über eine Leitung 78 mit dem Reaktor 81 und andererseits über eine Leitung 79 und ein einstellbares Drosselorgan 82 mit dem Ringspalt 9 zwischen dem Futterblech 2 und dem Hemd 12 verbunden ist. Der Austritt des Reaktors 81 ist an die Rohrleitung 14 angeschlossen.

Der beschriebene Wärmeübertrager funktioniert wie folgt:

Vom Reaktor 81 strömt erhitztes Primärgas von beispielsweise 950° C über die Rohrleitungen 14 und 17 in den vom Mantel 19 umgebenen Raum, in dem das Bündel von Sackrohren 23 untergebracht ist. An diesen Rohren 23 gibt das Primärgas einen Teil der im Reaktor 81 aufgenommenen Wärme ab und wird am oberen Ende des Mantels 19 in den Ringraum 20 umgelenkt. Im Umlenkungsbe-

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reich wird diesem Primärgasstrom über die Leitung 79, das Drosselorgan 82, den Ringspalt 9 und die Kühlkanäle 25 ein Gasstrom zugemischt, der am Austritt des Gebläses 80 abgezweigt worden ist. Das so gebildete Gasgemisch durchströmt den Ringspalt 20 und trifft dann mit einer Temperatur von ungefähr 700° C auf das Bündel 66 der zweiten Heizfläche. Nach Umströmen dieses Bündels und des darunterliegenden Bündels 67 ist das Primärgas auf ca. 300° C abgekühlt und tritt mit dieser Temperatur in das Gebläse 80 ein. Danach gelangt es von neuem zum einen Teil über die Leitung 78 in den Reaktor 81 und zum anderen Teil über die Leitung 79 in den Ringspalt 9. Das Zuführen einer geringen Teilmenge von Primärgas durch die Kühlkanäle 25 hat den Vorteil, dass die Rohrplatte 22 gekühlt wird.

Das Sekundärgas strömt über die Zufuhrleitungen 44 und die Löcher des Konus 55 in den Raum zwischen den beiden Rohrplatten 51 und 22. Aus diesem Raum gelangt das Sekundärgas durch die Ringräume zwischen den Sackrohren 23 und den Innenrohren 52 zum unteren Ende der Sackrohre und von dort durch die Innenrohre 52 in den von der Erweiterung der Rohrleitung 42 gebildeten Sammelraum oberhalb der Rohrplatte 51. Das erhitzte Sekundärgas strömt dann über die Leitung 42 zu einer nicht dargestellten Stufe eines verfahrenstechnischen Prozesses, z. B. einer durch Katalysatoren geförderten endothermen chemischen Reaktion.

Vom ringförmigen Verteiler 70 gelangt Speisewasser über die Rohre 68 in das Bündel 67, wo es erhitzt und verdampft wird. Anschlies-

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send wird der Dampf dem Bündel 66 zugeführt, in dem eine Ueberhitzung des Dampfes stattfindet. Der überhitzte Frischdampf gelangt dann über die Rohre 72 und den ringförmigen Sammler 73 zu einem Dampfverbraucher, z. B. einer Dampfturbine, oder auch zu einer Stufe des verfahrenstechnischen Prozesses.

Abweichend von dem beschriebenen Beispiel 1st es auch möglich, die Laschen 61 der Tragplatten 6 2 am Hemd 12 anzubringen und die zentrale Leitung 17 an den Tragplatten 6 2 oder deren Tragelementen anzuhängen. Abhängig von den auftretenden Temperaturen und den verwendeten Werkstoffen kann es zweckmässig sein, die Tragplatten 6 2 vor hohen Temperaturen zu schützen. Dies kann dadurch geschehen, dass die Rohre 7 2 über die Tragplatten 6 2 hinaus nach oben zu Rohrschlaufen verlängert werden, die sich gegebenenfalls in den Ringspalt 20 hinein erstrecken. Anstelle solcher Rohrschlaufen können auch in den Ringspalt 20 ragende Sackrohre mit darin angeordneten Innenrohren verwendet werden.

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Claims

Patentansprüche

1. Wärmeübertrager für einen Hochtemperaturreaktor, mit ersten

■~" Heizflächen, an denen Wärmeübertragung bei hoher Temperatur von vom Reaktor kommendem Primärgas an ein Sekundärgas stattfindet, und mit zweiten, dem Primärgas ausgesetzten Heizflächen zur Erzeugung und gegebenenfalls Ueberhitzung von Dampf, wobei die ersten Heizflächen aus einem von einem Mantel umgebenen Bündel zueinander paralleler, in einer Rohrplatte endender Sackrohre mit je einem in diese hineinragenden Innenrohr bestehen und das Sekundärgas zuerst parallel durch die jeweils zwischen dem Sackrohr und dem zugehörigen Innenrohr gebildeten Ringräume und anschliessend durch die Innenrohre strömt, wogegen das Primärgas den ersten Heizflächen über eine zum Bündel der Sackrohre koaxiale und an dem Mantel angeschlossene Leitung zuströmt, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuströmleitung über eine trichterartige Erweiterung koaxial mit dem Mantel verbunden ist, dass an der Rohrplatte ein den Mantel mit Abstand umgebendes, bis in den Bereich der Zuströmleitung reichendes Hemd vorgesehen ist und dass die zweiten Heizflächen in dem Ringraum zwischen der Zuströmleitung und dem Hemd untergebracht sind.

2. Wärmeübertrager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zweiten Heizflächen aus mindestens einem Bündel von die Zuströmleitung schraubenlinienförmig umgebenden Rohren besteht.

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ORIGINAL INSPECTED

3. Wärmeübertrager nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Bündel aus schraubenlinienförmig gewundenen Rohren an der Zuströmleitung aufgehängt ist.

4. Wärmeübertrager nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem die ersten und die zweiten Heizflächen in einer zylindrischen Kaverne eines den Reaktor enthaltenden Betondruckgefässes untergebracht sind, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Hemd und der Kavernenwand ein Ringspalt gebildet ist, der von einem vom zum Reaktor zurückströmenden gekühlten Primärgasstrom abgezweigten Teilstrom durchströmt ist, und dass die Rohrplatte mit Kühlkanälen versehen ist, die eintrlttsseitig mit dem Ringspalt verbunden sind und austrittsseitig in den Raum münden, in dem sich das Bündel von Sackrohren befindet.

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