DE2733926A1

DE2733926A1 - Waermeaustauscher

Info

Publication number: DE2733926A1
Application number: DE19772733926
Authority: DE
Inventors: Donald William Culver
Original assignee: General Atomics Corp
Current assignee: General Atomics Corp
Priority date: 1976-07-29
Filing date: 1977-07-27
Publication date: 1978-02-02
Also published as: US4098329A; FR2360057A1; JPS5316954A

Description

Patentanwälte Dipl.-Ing. H. Weickmann, Dipl.-Phys. Dr. K. Fincke

Dipl.-Ing. F. A.Weickmann, Dipl.-Chem. B. Huber Dr.-Ing. H. Liska

8 MÜNCHEN 86, DEN

POSTFACH 860820

MÖHLSTRASSE 22, RUFNUMMER 98 39 21/22

GENERAL ATOMIC COMPANY
10955 John Jay Hopkins Drive
San Diego, California, V. St. A.

Wärmeaustauscher

709RRB/0979

Beschreibung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Wärmeaustauscher und insbesondere auf einen Wärmeaustauscher, der geeignet ist für die Verwendung in einem Hochtemperatur- und Hochdruckbereich, wie er beispielsweise in Kernreaktoren vorliegt. Die vorliegende Erfindung ist ferner insbesondere auf einen Wärmeaustauscher eines solchen Typs gerichtet, bei dem ein Wärmeaustauscher-Rohrbündel aus entsprechenden Moduln gebildet ist.

Wärmeaustauscher werden in einer Vielzahl von Anwendungsfällen dazu herangezogen, einen Wärmeaustauschkontakt zwischen physikalisch voneinander getrennten Fluids herbeizuführen. In derartigen Anwendungsfällen zirkuliert ein primäres Fluid mit einer relativ hohen Temperatur zwischen dem Wärmeaustauscher und einer Wärmequelle, und ein sekundäres Fluid mit relativ niedriger Temperatur zirkuliert durch den Wärmeaustauscher zwecks Ableitung der Wärme von diesem Wärmeaustauscher.

Die beiden Fluids, nämlich das primäre Fluid und das sekundäre Fluid, die durch den Wärmeaustauscher zirkulieren, können entweder Gase oder Flüssigkeiten sein. Der Wärmeaustauscher gemäß der vorliegenden Erfindung ist insbesondere geeignet für die Verwendung in Verbindung mit Gasen, wie Helium, das üblicherweise zur Zirkulation durch den Reaktorkern von gasgekühlten Hochtemperatur-Reaktoren verwendet wird. Das Helium, das durch den nuklearen Kern zirkuliert, kann als das mit der relativ hohen Temperatur auftretende primäre Fluid betrachtet werden. Innerhalb derartiger Reaktor-Anwendungsfälle ist das primäre Helium sowohl dem Zustand sehr hoher Tempera-

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tür als auch dem Zustand sehr hohen Drucks ausgesetzt. Da das primäre Heliumfluid überdies durch den Reaktorkern zirkuliert, ist es außerdem erforderlich sicherzustellen, daß das Fluid innerhalb des Reaktors festgehalten wird, während der Austritt des betreffenden Fluids in den umgebenden Bereich oder in Zusatzsysteme, die mit dem Reaktor verbunden sind, vermieden ist.

Gleichzeitig ist es erforderlich, eine effiziente Wärmeaustauscheranordnung bereitzustellen, durch die eine große Kontaktoberfläche für die Wärmeübertragung von dem primären Fluid auf das sekundäre Fluid zur Verfügung gestellt wird. Dies ist normalerweise mit einem Rohrbündel verbunden, bei dem das primäre Fluid um das Rohrbündel herum zirkuliert, während das sekundäre Fluid durch die Röhren zirkuliert. Es ist bei einer derartigen Anordnung selbstverständlich erforderlich, Einrichtungen bereitzustellen, die das sekundäre Fluid in das Rohrbündel und aus diesem heraus unter den oben erwähnten Bedingungen hoher Temperatur und hohen Drucks zirkulieren lassen.

Es ist besonders wichtig, eine vollständige Trennung zwischen dem primären Fluid und dem sekundären Fluid im Bereich der Rohrbündel sicherzustellen. Dies ist mit Rücksicht auf die große Anzahl der Röhren und aufgrund der Forderung nach Bildung von durchgehenden Schweißverbindungen oder dergleichen am jeweiligen Ende jedes Rohres schwierig. Die Konstruktion des Rohrbündels mit zusammenhängenden Anschlüssen für die Rohre bzw. Röhren sowohl an Einlaß-Rohrleitungen als auch an Auslaßrohrleitungen muß außerdem wirtschaftlich ausgeführt werden, um einen wirtschaftlichen Betrieb des Wärmeaustauschers innerhalb eines Kernreaktors oder in anderen Anwendungsfällen zu ermöglichen. Gleichzeitig ist es zumindest bei

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einer Kernreaktoranwendung wünschenswert, daß selektiv ausgewählte Teile der Rohrbündel abgesperrt werden können. Bisher ist es im allgemeinen erforderlich gewesen, das primäre Fluid aus dem Reaktor abzuführen, bevor ein Zugang sowohl zu den einlaßseitigen als auch zu den auslaßseitigen Rohrleitungsverbindungen der Rohrbündel erhalten werden konnte.

Es ist schließlich bei derartigen Wärmeaustauschern von Bedeutung, daß die Rohrbündel und andere Komponenten des Wärmeaustauschers in kompakter Anordnung innerhalb von Bereichen ausführbar sind, die begrenzten Raum und Zugriff bieten. In einem Kernreaktor kann der Wärmeaustauscher in einer zylindrischen Kammer angeordnet sein, bei der ein Zugang lediglich von einem Ende her möglich ist. Demgemäß ist es wünschenswert, daß sowohl die Einlaßseite als auch die Auslaßseite für das sekundäre FL_uid an einem Ende der Kammer zusammen mit Einrichtungen vorgesehen sind, die einen Zugang zu den Rohrbündeln ermöglichen, und zwar insbesondere zu der Rohrleitung am jeweiligen Ende des Rohrbündels.

Der Erfindung liegt demgemäß die Aufgabe zugrunde, einen eines oder mehrere der oben aufgezeigten Probleme überwindenden Wärmeaustauscher zu schaffen.

Gelöst wird die vorstehend aufgezeigte Aufgabe erfindungs gemäß durch einen Wärmeaustauscher, der dadurch gekennzeichnet, daß ein langgestreckter Wärmeaustauschermodul vorgesehen ist, welcher geeignet ist für eine gebündelte Anordnung mit einer Vielzahl von entsprechenden Moduln, daß der Wärmeaustauschermodul eine langgestreckte Ummantelung enthält, die eine sechseckige Querschnittsform besitzt und die die Bündelung einer Vielzahl von Moduln

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zu einer weitgehend durchgehenden Anordnung erleichtert, daß eine Vielzahl von thermisch leitenden Röhren in der Ummantelung derart angeordnet ist, daß die betreffenden Röhren in Längsrichtung dieser Ummantelung verlaufen, daß an einem Ende der Ummantelung ein Einlaß-Sammelrohr vorgesehen ist, welches mit dem einen Ende der Röhren in Verbindung steht, daß an dem anderen Ende der Ummantelung ein Auslaß-Sammelrohr vorgesehen ist, welches mit dem anderen Ende der Röhren in Verbindung steht, daß innerhalb der Ummantelung ein Fluiddurchgang gebildet ist, durch den ein primäres Fluid durch die betreffende Ummantelung und um die thermisch leitenden Röhren zu strömen vermag, und daß die Einlaß- und Auslaß-Sammelrohre an einer Einlaß-Rohrleitung bzw. an einer Auslaß-Rohrleitung für die Hindurchleitung eines sekundären Fluids durch die in der Ummantelung angeordneten Röhren anschließbar sind.

Anhand von Zeichnungen wird die Erfindung nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert.

Fig. 1 zeigt einen Längsschnitt eines Wärmeaustauschers gemäß der Erfindung in einer Teil eines Kernreaktors bildenden zylindrischen Kammer.

Fig. 2 zeigt eine Schnittansicht längs der in Fig. 1 eingetragenen Schnittlinie II-II.

Fig. 3 zeigt eine Schnittansicht über das eine Ende eines Moduls in einem Röhrenbündel des Wärmeaustauschers gemäß Fig. 1.

Fig. 4 zeigt in einem Axialschnitt eine Teilansicht eines Sammelrohres und einer Anzahl von Röhren an einem Ende eines Moduls in einem derartigen Röhrenbündel.

Ein gemäß der vorliegenden Erfindung aufgebauter Wärmeaustauscher ist insbesondere für die Verwendung in einem

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Kernreaktor vorgesehen. Bei einer derartigen Anwendung ist der Wärmeaustauscher sowohl extrem hohen Temperaturen als auch extrem hohen Drucken ausgesetzt, währenddessen vorgesehen ist, den Wärmeaustauscher in einem zuverlässigen Betrieb über lange Zeitspannen hinweg zu halten. Es wird aus der nachstehenden Beschreibung noch ersichtlich werden, daß der betreffende Wärmeaustauscher auch in anderen Anwendungsfällen benutzt werden kann. Innerhalb eines Kernreaktorbereichs, wie er oben ausgeführt worden ist, erfüllt der Wärmeaustauscher jedoch vorzugsweise eine Übergangs-Wärmeaustauscherfunktion, gemäß der ein primäres Fluid, vorzugsweise Helium, durch den Reaktorkern eines gasgekühlten Hochtemperaturreaktors zirkuliert. Das primäre Helium zirkuliert durch einen Übergangs-Wärmeaustauscher, um Wärme auf ein sekundäres Fluid zu übertragen, welches vorzugsweise ebenfalls Helium ist und welches dazu dient, Wärme oder Energie von dem Wärmeaustauscher abzuführen. Es dürfte einzusehen sein, daß entweder das primäre Fluid oder das sekundäre Fluid ein anderes Gas als Helium oder sogar eine Flüssigkeit sein könnte, und zwar in Abhängigkeit von dem besonderen Anwendungsfall. Innerhalb des oben beschriebenen Kernreaktorbereichs ist der Übergangs-Wärmeaustauscher nahe des Reaktorkerns angeordnet, wobei eine Zirkulation des primären Heliums auf den Reaktorkern und den Wärmeaustauscher beschränkt ist, um eine Verunreinigung des Reaktorbereichs oder von Systemen zu verhindern, die weiter entfernt von dem Reaktorkern vorgesehen sind. Das sekundäre Fluid, welches nicht dem Reaktorkern ausgesetzt ist, kann demgemäß dazu herangezogen v/erden, Wärme oder Lnergie an Systeme zu übertragen, wie an Turbinen oder dergleichen, die relativ v/eit entfernt von dem Reaktorkern vorgesehen sind.

Innerhalb eines derartigen Systems kann das primäre

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Fluid oder Helium an den Wärmeaustauscher bei einer Temperatur im Bereich von etwa 1000⁰C und unter einem Druck von etwa 480 bis 520 Newtcn/cm abgegeben werden. Als Beispiel für die Betriebsbedingungen wird in Betracht gezogen, daß das primäre Fluid oder Helium den Wärmeaustauscher mit einer Temperatur von beispielsweise etwa 500⁰C verläßt; ein sekundäres Fluid, welches aus Helium besteht, tritt in den Wärmeaustauscher mit einer Temperatur von etwa 400°C ein und verläßt den Wärmeaustauscher mit einer Temperatur von etwa 90O⁰C. Das sekundäre Fluid oder Helium wird auf einem etwas höheren Druck innerhalb des Wärmeaustauschers gehalten als das primäre Helium, um nämlich vollständig die Begrenzung des primären Heliums auf einen Kreis zu unterstützen, der den Reaktorkern und den vorliegenden Ubergangs-Wärmeaustauscher enthält.

Nunmehr sei auf die Zeichnungen näher eingegangen, und zwar insbesondere auf Fig. 1. Ein derartiger Wärmeaustauscher ist in Fig. 1 generell mit 10 bezeichnet; er bildet vorzugsweise einen Teil eines Kernreaktors, Ein Teil eines Behälters für den Reaktor ist mit 12 bezeichnet. Der Wärmeaustauscher 10 ist in einem zylindrischen Gehäuse 5 bzw. in einer Auskleidung 14 untergebracht, die ihrerseits in einer langgestreckten Öffnung oder einem langgestreckten Durchgang 16 innerhalb des Behälters 12 untergebracht ist. Die zylindrische Auskleidung 14 bildet somit eine längs verlaufende zylindrische Kammer 18, in der die verschiedenen Komponenten des Wärmeaustauschers 10 untergebracht sind.

Die Kammer 18 ist in zwei Bereiche 40 und 42 durch ein kugelförmiges Blechrohr 34 unterteilt, welches in inniger Verbindung mit der zylindrischen Auskleidung 14 steht, und zwar vorzugsweise durch eine Schweißverbindung 36.

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Auf diese Weise ist ein Vermischen des primären Fluids und des sekundären Fluids in der Kammer verhindert. Das kugelförmige Blechrohr 34 ist außerdem über eine Schweißverbindung 36 an einer ringförmigen Halterung befestigt, die in dem Reaktorbehälter 12 verankert ist. Das kugelförmige Blechrohr 34 stellt einen primären Konstruktionsträger für den Wärmeaustauscher 10 dar. Die meisten Komponenten für den Wärmeaustauscher sind unterhalb des kugelförmigen Blechrohres angeordnet oder hängen herab. Das kugelförmige Blechrohr 34, die den Konstruktionsträger darstellende Halterung 38 und die Verbindung 36 sind zwischen den Kammerbereichen AO und 42 vorgesehen, wo die beiden Fluids, das sind das primäre Fluid und das sekundäre Fluid, relativ kühl sind. Auf diese Weise ist die strukturelle Unversehrtheit verbessert.

Der eine Kammerbereich 40 verläuft über den größten Teil der Länge der Kammer 18, um das primäre Helium von dem primären Einlaß 20 her aufzunehmen. Der andere Kammerbereich 42 ist oberhalb des kugelförmigen Blechrohres 34 gebildet, um das sekundäre Fluid oder Helium von dem sekundären Einlaß 24 her aufzunehmen. Wie am besten aus Fig. 1 ersehen werden kann, zeigt der konvexe Vorsprung des kugelförmigen Rohres zu dem primären Kammerbereich hin. Dies unterstützt, das primäre Helium innerhalb des Kreises festzuhalten, der den Reaktorkern (nicht dargestellt) und den primären Kammerbereich 40 umfaßt, und zwar beispielsweise für den Fall, daß der sekundäre Kammerbereich eine Druckentlastung erfährt.

Das primäre Helium zirkuliert in der Kammer 18 durch einen unteren Einlaß 19, wobei das primäre Helium aus der Kammer 18 durch einen radial angeordneten Auslaßdurchgang 22 abgegeben wird. Das abgekühlte primäre

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Helium tritt durch den Auslaßdurchgang 22 und durch eine Zirkulationseinrichtung (nicht dargestellt) hindurch und kehrt zu der Kammer 18 durch einen Durchgang zurück. Das zurückkehrende primäre Helium gelangt durch einen ringförmigen Durchgang nach unten, der zwischen der Auskleidung 14 und der Ummantelung 46 gebildet ist. Das betreffende zurückkehrende primäre Helium gelangt sodann in einen ringförmigen Bereich, der den Durchgang 19 für die Verbindung mit einer Wärmequelle, wie beispielsweise dem Kernreaktorkern, verbindet. Die Auskleidung 14 der Kammer 18 ist somit nicht den sehr hohen Einlaßtemperaturen des primären Heliums ausgesetzt.

An einem axialen Ende der Wärmeaustauscherkammer 18 ist eine Zirkulationseinrichtung angeordnet, die das sekundäre Helium in die betreffende Wärmeaustauscherkammer 18 hinein und aus dieser heraus zirkulieren läßt. Vorzugsweise sind für das sekundäre Helium koaxiale Einlaß- und Auslaßdurchgänge 24 bzw. 26 durch konzentrische Rohrteile 28 bzw. 30 gebildet. Die äußeren rohrförmigen Teile sind dabei relativ zu der zylindrischen Auskleidung 14 mittels einer zusammengesetzten Anordnung 32 abgestützt, die außerdem dazu dient, das obere Ende der zylindrischen Kammer 18 zu umschließen oder abzudichten.

Der Wärmeaustauscher 10 enthält ferner ein Rohrbündel 44, was ein besonders wichtiges Merkmal der vorliegenden Erfindung darstellt. Das mittlere rohrförmige Teil 30 durchzieht das kugelförmige Blechrohr 34 in einer abgedichteten Beziehung und verläuft nach unten durch den primären Kammerbereich 40, um eine Rückführleitung zu bilden, die zur Aufnahme des sekundären Heliums von dem Rohrbündel dient. Gleichzeitig stellt das kugelförmige Blechrohr 34 ein Einlaßrohr dar, durch welches das sekundäre Helium mit

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dem Rohrbündel in Verbindung gelangt

Wie am besten aus Fig. 1 ersehen werden kann, sind sowohl der Einlaß für das gekühlte primäre Helium als auch der Auslaß 20 und der Auslaß 22 zu dem oberen Ende der zylindrischen Auskleidung 14 hin angeordnet.

Um eine richtige Strömung des gekühlten primären Heliums längs der zylindrischen Auskleidung 14 sicherzustellen, ist der zylindrische Mantel bzw. die zylindrische Wand 46 in abgedichteter Beziehung zu der zylindrischen Auskleidung 14 an der Stelle 15 zwischen dem Einlaß und dem Auslaß 20 bzw. 22 befestigt. Eine zusätzliche Halterung 48 für den Wärmeaustauscher ist in dem Reaktorbehälter verankert. Die Wand 46 ist ringförmig in Abstand von der zylindrischen Auskleidung 14 derart angeordnet, daß ein Durchgang gebildet ist, durch welchen das gekühlte primäre Helium von dem Einlaß 2G her zu der Unterseite der zylindrischen Kammer 18 sowie durch den ringförmigen Bereich um den Durchgang 19 zu der Wärmequelle hin leitbar ist. Das untere Ende 50 der Wand 46 bildet eine verminderte Öffnung, durch die das erwärmte primäre Helium erneut nach oben von der Wärmequelle aus durch den Durchgang 19 zu dem Rohrbündel 14 hin geleitet wird.

Die Anordnung und die Konstruktion des Rohrbündels 44 kann durch kombinierte Bezugnahme auf Fig. 1 und 2 besser ersehen werden. Das Rohrbündel 44 besteht aus einer großen Anzahl von Moduln 52, die in einer gebündelten ringförmigen Konfiguration zusammengestellt sind, welche das Mittelrohr 30 umgibt. Unter kurzzeitiger Bezugnahme auf Fig. 3 und 4 sei bemerkt, daß jeder Modul 52 eine Außenwand 54 enthält, die einen sechseckförmigen Querschnitt besitzt. Eine Vielzahl von thermisch leitenden Rohren bzw. Röhren verläuft durch jedenjder Moduln derart, daß die gegenüber-

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liegenden Enden der Rohre bzw. Röhren 56 mit Einlaßbzw. Auslaß-Sammelrohren bzw. -Kopfteilen verbunden sind, die mit 58 bzw. 60 bezeichnet sind (siehe Fig. 1). Jedes der Sammelrohre 58, 60 ist als sechseckförmige Pyramide ausgebildet, deren Spitze zu der entsprechenden Modulwand 54 hinzeigt. Das abstehende Ende des jeweiligen Sammelrohres 58, 60 läuft zu einer Rohrform spitz zu, wie dies am besten aus Fig. 4 ersichtlich ist. Auf diese Weise sind geeignete Rohrleitungsverbindungen mit den entsprechenden Sammelrohren ermöglicht.

Unter besonderer Bezugnahme auf Fig. 4 sei angemerkt, daß eine große Anzahl von rohrförmigen Rohrstutzen 62 über die Länge des pyramidenförmigen Bereichs 64 befestigt ist. Vorzugsweise sind die Rohrstutzen mit dem pyramidenförmigen SammeIrohrteil 64 zusammenhängend verbunden, und zwar entweder durch entsprechende Bearbeitung oder durch innige Verbindung mit dem Sammelrohrteil. Der Rohrstutzen 62 kann an den entsprechenden Rohren 56 befestigt sein, beispielsweise durch Schweißverbindungen, wie sie mit 66 angedeutet sind. Die Schweißverbindungen können entweder auf der Innenseite oder der Außenseite der Rohrstutzen gebildet sein, um die Verbindung des jeweiligen Sammelrohres mit einer großen Anzahl von Rohren zu erleichtern. Es wird besonders in Betracht gezogen, daß beispielsweise jeder der Moduln 52 etwa 169 Rohre 56 enthält, wobei jedes der betreffenden Rohre zwischen einem Einlaß-SammeIrohr 58 und einem Auslaß-SammeIrohr 60 angeschlossen ist und wobei die betreffenden Sammelrohre an gegenüberliegenden Enden des Moduls angeordnet sind. Demgemäß ist es besonders wichtig, daß eine wirtschaftliche und wirksame Einrichtung zur Anschweißung der Rohre 56 an jedem der Sammelrohre bereitgestellt wird.

Zurückkommend auf Fig. 4 sei bemerkt, daß der pyramidenförmige Teil 64 des Jeweiligen Sammelrohres bzw. Kopfteiles vorzugsweise dadurch gebildet ist, daß zwei Blechrohrhälften 68 und 70 mittels einer Schweißverbindung 72 (siehe auch Fig. 3) miteinander verbunden sind. Ein Ubergangs-Sammelrohrteil 74 ist an dem hergestellten pyramidenförmigen Sammelrohrteil 64 mittels einer Schweißverbindung 76 befestigt. Der Ubergangs-Sammelrohrteil 74 läuft von der oben erw_Ähnten sechseckigen Qluerschnittsform längs der Schweißverbindung 76 zu einer rohrförmigen Konfiguration aus, die mit 78 bezeichnet ist. Auf diese Weise ist die Verbindung des jeweiligen Einlaß-Sammelrohres 58 mit dem einlaßseitigen Zuführrohr 80 mittels einer Schweißverbindung 82 erleichtert.

Bezugnehmend auf Fig. 1 sei bemerkt, daß ersichtlich sein dürfte, daß jedes der Auslaß-Sammelrohre 60 in entsprechender Weise gebildet ist und eine Verbindung mit den entsprechenden Auslaß-Leitungsrohren 84 herstellt.

Es ist beabsichtigt, daß etwa 162 Wärmeaustauschermoduln 52 zur Bildung des Rohrbündels 44 verwendet werden. Die Sechseckform der Moduln ermöglicht, diese zusammenzustellen bzw. zu bündeln, so daß die Längsströmung des primären Heliums durch den Innenraum der Moduln sowie um die darin befindlichen Röhren bzw. Rohre gerichtet ist. Vorzugsweise ist die sechseckige Wand 54 für das jeweilige Modul 52 aus einem porösen Material gebildet, um eine Querströmung des primären Heliums zwischen benachbarten Moduln zu fördern. Die Querströmung neigt auf diese Art und Weise dazu, eine gleichmäßige thermische Leistung innerhalb sämtlicher Moduln zu begünstigen, während außerdem eine Überhitzung jegliches Modul minimiert oder vermindert ist, durch welches ein Kühlmittel oder das

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sekundäre Helium nicht strömt.

Unter gemeinsamer Bezugnahme auf Fig. 1 und 2 sei bemerkt, daß die Einlaß-Leitungsrohre 80 in spiralförmigen Konfigurationen gebildet sind und sich für eine abgedichtete Verbindung mit dem kugelförmigen Blechrohr 34 nach oben erstrecken. Eine Verbindung für jedes der Einlaß- und Leitungsrohre 80 mit dem kugelförmigen Blechrohr 34 kann beispielsweise mittels der Rohrstutzen und durch Schweißverbindungen des oben beschriebenen Typs für jedes der Modul-Sammelrohre erfolgen. Die kugelförmige Konfiguration für die Einlaß-Leitungsrohre 80 trägt zur zusätzlichen Längsflexibilität zwischen dem kugelförmigen Blechrohr 34 und dem Rohrbündel 44 bei, und zwar in Anpassung an eine unterschiedliche Wärmeausdehnung längs des Wärmeaustauschers. Die Einlaß-Leitungsrohre 80 sind in der gekühlten primären Heliumatmosphäre untergebracht, und außerdem enthalten sie das kühle, einlaßseitig zugeführte sekundäre Helium während des Betriebs, so daß ihre Betriebstemperatur relativ niedrig ist. Dies stellt einen Faktor dar, der die Beständigkeit der betreffenden Rohre steigert, wenn diese verformt werden, um eine Längskontraktion und Längsausdehnung der Rohrbündelanordnung zu bewirken.

Die Einlaß-Leitungsrohre 80 verbinden somit die entsprechenden Einlaß-Sammelrohre 58 mit einer für das sekundäre Helium vorgesehenen Einlaß-Rohrleitung, die durch das kugelförmige Blechrohr 34 gebildet ist. Wie oben angedeutet, stellt der mittlere Durchgang 30, der durch das Rohrbündel 44 verläuft, einen Rückführdurchgang dar, der das mit hoher Temperatur auftretende sekundäre Helium von den Auslaß-Sammelrohren 60 an den unteren Ende des Rohrbündels aufnimmt.

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Darüber hinaus ist die mittlere Rohrleitung 30 in baulicher Hinsicht an dem kugelförmigen Blechrohr 34 befestigt, während die betreffende Rohrleitung im übrigen über ihre Länge durch den primären Kammerbereich 40 weitgehend nicht abgestützt ist. Wie unten im einzelnen beschrieben werden wird, dient die mittlere Rohrleitung 30 außerdem als mittleres Lasttragteil für den Ubertragungs-Wärmeaustauscher 10 und insbesondere für das Rohrbündel 44. Auf diese Art und Weise werden die Längsausdehnung und Längskontraktion der mittleren Rohrleitung 30 und des Rohrbündels in weitgehend unbehinderter Beziehung aufgenommen.

Um eine weitere Anpassung der zentralen Rohrleitung für die thermische Ausdehnung und Zusammenziehung in Verbindung mit dem Rohrbündel 44 zu erzielen, weist die zentrale Rohrleitung 30 eine Isolation 86 auf, die nahezu über die Länge der betreffenden Rohrleitung in dem Rohrbündel 44 in der betreffenden Rohrleitung angeordnet ist. Auf diese Art und Weise zeigt die thermische Ausdehnung und Zusammenziehung desjenigen Bereiches der zentralen Rohrleitung 30, der sich durch das Rohrbündel erstreckt, die Neigung, sich an die thermische Ausdehnung und Zusammenziehung des Rohrbündels selbst anzupassen, da die betreffende Rohrleitung und das Rohrbündel einem entsprechenden Temperaturbereich ausgesetzt sind.

Das untere Ende 88 der zentralen Rohrleitung 30 ist verschlossen, während ein zylindrischer Teil 90 der betreffenden Rohrleitung unmittelbar darüber ein als Auslaßrohrleitung wirkendes Blechrohr für die verschiedenen Auslaß-Leitungsrohre 84 darstellt. Auch hier können die verschiedenen Auslaß-Leitungsrohre 84 an dem zylindrischen Blechrohr 90 befestigt sein, beispielsweise durch zusammenhängende Rohrstutzen und durch Schweißverbindungen des oben in

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Verbindung mit der in Fig. 4 am besten dargestellten Sammelrohrkonstruktion beschriebenen Typs.

Während des Betriebs des Wärmeaustauschers ist das untere Ende des RohrbundeIs einer wesentlich höheren Temperatur ausgesetzt als das obere Ende des betreffenden Rohrbündels. Demgemäß neigen die auslaßseitigen Leitungsrohre 84, die zur Verbindung mit dem Blechrohr 90 gekrümmt sind, dazu, innerhalb der hohen Umgebungstemperaturen relativ schwache Strukturen zu bekommen. Um eine zusätzliche strukturelle Unterstützung für die Auslaß-Leitungsrohre 84 zu erhalten, ist eine Verstärkungs-Trägerplatte 92 an der mittleren Rohrleitung 30 befestigt; die betreffende Platte verläuft nach außen unter Bildung von Öffnungen für die Aufnahme und Abstützung der entsprechenden Auslaß-Leitungsrohre 84. Um einen zusätzlichen Schutz für die Auslaß-Leitungsrohre 84 zu erreichen, ist eine kugelförmige Abschirmung 94 um die Auslaß-Leitungsrohre 84 derart angeordnet, daß die nach oben gerichtete Strömung des primären Heliums umgelenkt wird und daß deren Kraft verbraucht wird, bevor die betreffende Strömung in das Rohrbündel eintritt.

Zwischen dem Rohrbündel 44 und der Wand 46 sowie zwischen dem Rohrbündel 44 und der mittleren Rohrleitung 30 sind obere und untere ringförmige Abdichtungsanordnungen 96,98 bzw. 102 und 104 angeordnet, um sicherzustellen, daß das primäre Helium durch die Innenräume der verschiedenen Rohrmoduln 32 strömt. Die obere Abdichtungsanordnung 102 ist so ausgebildet, daß sie eine kontrollierte Gasableitung ermöglicht, um eine gleichmäßige Erwärmung der zentralen Rohrleitung 30 sicherzustellen.

Der Wirkungsgrad des Wärmeaustauschers wird selbstver-

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ständlich durch die Verwendung der Abdichtungsanordnungen 96, 98, 102 und 104 erhöht, da diese Abdichtungsanordnungen die Strömung des primären Heliums durch das RohrbUndelmodul leiten und den Wärmeaustauschkontakt mit den Rohren 56 steigern. Zur weiteren Unterstützung einer geeigneten Strömung des primären Heliums sind Teile der Modulwände 54 nicht porös. Die Modulwandteile auf dem Außenumfang des Rohr blinde Is 44 sind zwischen den Abdichtungsanordnungen 96 bis 98 nicht porös. In entsprechender Weise sind die Modulwandteile am Innenumfang des Rohrbündels 44 unterhalb der unteren Abdichtungsanordnung nicht porös, um zu verhindern, daß heißes einlaßseitiges primäres Helium längs des unteren Endteiles der zentralen Rohrleitung 30 strömt.

Zwischen benachbarten Moduln 52 sind keine Gasströmungsabdichtungen erforderlich, da aufgrund der sechseckförmigen Konfigurationen der Anordnung eine Dichtepassungsanordnung der betreffenden Moduln ermöglicht ist.

Wenn der Wärmeaustauscher 10 in Betrieb ist, tritt gekühltes primäres Helium in die zylindrische Kammer 18 durch den Einlaß 20 ein und strömt nach unten zwischen der zylindrischen Auskleidung 14 und der Wand 46. An der Unterseite der Kammer 18 zirkuliert das primäre Helium zu der Wärmequelle hin und kehrt dann durch die Einlaß-Rohrleitung 19 zurück, von der es aus nach oben geleitet und durch die Abschirmung 94 umgeleitet wird, bevor es durch die verschiedenen Moduln 52 des Rohrbündels 44 hindurchtritt. Wenn das primäre Helium die oberen Enden der Moduln 52 in den RohrbundeIn verläßt, strömt es durch den Auslaß 22 und durch die oben erwähnte Zirkulationseinrichtung hindurch, die die Strömung des gekühlten primären Heliums in den Einlaß 20 und aus dem Auslaß 22 heraus fördert. Gleichzeitig tritt das sekundäre Fluid oder

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Helium in den sekundären Bereich42 der zylindrischen Kammer 18 durch den sekundären ringförmigen Einlaß 24 ein. Das sekundäre Helium gelangt dann in die Einlaß-Leitungsrohre 80 hinein, um an die Einlaß-Sammelrohre in den entsprechenden Moduln verteilt zu werden. Die Sammelrohre 58 verteilen ihrerseits die Strömung des sekundären Fluids über eine große Anzahl von thermisch leitenden Rohren 56. Während der Durchleitung des sekundären Heliums durch die Rohre 56 wird das betreffende Helium durch den Wärmeaustausch mit dem primären Helium weitgehend aufgewärmt, welches gleichzeitig abgekühlt wird, bevor es zu dem Auslaß 22 hin gelangt. Nach dem Durchleiten durch die Rohre 56 tritt das sekundäre Helium in die Auslaß-Sammelrohre 60 ein, von denen das betreffende Helium durch die Auslaß-Leitungsrohre 84 in das untere Ende der zentralen Rohrleitung 30 abgegeben wird. Das erwärmte sekundäre Helium strömt dann nach oben durch die zentrale Rohrleitung 30 zu dem sekundären Auslaß hin. Die innere Isolation 86 innerhalb der zentralen Rohrleitung 30 dient außerdem dazu, d.^as Auftreten eines Wärmeverlustes von dem erwärmten sekundären Helium zu verhindern, wenn dieses Helium nach oben zu dem sekundären Auslaß 26 hin strömt.

Die Wärmeausdehnung und Wärmezusammenziehung bezüglich des Rohrbündels 44 wird aufgefangen, während eine wirksame Abstützung für die Moduln 52 durch die strukturelle Funktion der zentralen Rohrleitung 30 erzielt wird. Da das untere Ende der zentralen Rohrleitung isoliert und nicht festgehalten ist, um nahezu derselben Temperatur ausgesetzt zu werden, der das Rohrbündel ausgesetzt ist, erfahren die zentrale Rohrleitung und das Rohrbündel eine entsprechende Längsausdehnung und Längszusammenziehung. Dadurch werden insbesondere die verschiedenen Teile des Wärmeaustauschers, insbesondere das Auslaß-Leitungsrohr 84,

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vor unerwünschten Beanspruchungen aufgrund der thermischen Ausdehnung und Zusammenziehung geschützt.

Zuweilen ist es aus verschiedenen Gründen erwünscht, entweder die Einlaß- oder die Auslaß-Leitungsrohre eines oder mehrerer der Moduln in den Rohrbündeln einzustecken. Die Konstruktion des vorliegenden Wärmeaustauschers ermöglicht einen bequemen Zugang sowohl zu den einlaßseitigen als auch zu den auslaßseitigen Leitungsrohren. Gleichzeitig ist ein derartiger Zugang möglich, während sichergestellt ist, daß das primäre Helium innerhalb des primären Kammerbereiches 40 festgehalten ist. Die hergestellte Anordnung 32 kann beispielsweise von dem oberen Ende der zylindrischen Kammer 18 weggenommen werden, um einen offenen Zugang in den sekundären Kammerbereich 42 zu bewirken. Zugleich ist die Beschränkung des mit hohem Druck auftretenden primären Heliums auf den primären Kammer bereich 40 durch das kugelförmige Blechrohr 34 sichergestellt. Damit ist ein bequemer Zugang für die einlaßseitigen Leitungsrohre 80 erreicht, die direkt mit dem kugelförmigen Blechrohr 34 verbunden sind. Zugleich ist ein Zugang zu den auslaßseitigen Leitungen 84 ebenfalls durch die einen großen Durchmesser besitzende zentrale Rohrleitung 30 möglich. Durch die Verwendung von Spezialwerkzeugen oder dgl., die sich durch die mittlere Rohrleitung nach unten erstrecken, ist beispielsweise ein bequemer Zugang zu dem zylindrischen Blechrohr 90 und zu jeder der auslaßseitigen Leitungerohre 84 möglich.

Entsprechende Moduln, wie sie mit 52 bezeichnet sind, und die sechseckförmige Querschnittsformen besitzen, können gesondert hergestellt bzw. konstruiert sein, um zu einem Rohrbündel, wie es mit 44 bezeichnet ist, zusammengesetzt zu werden. Die Verwendung einer relativ

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großen zentralen Rohrleitung 30 und des kugelförmigen Blechrohres 34 ermöglicht einen Zugang sowohl zu den einlaßseitigen als auch zu den auslaßseitigen Leitungsrohren für das Rohrbündel, ohne eine Zerstörung oder der Ermöglichung des Austritts des innerhalb des primären Kammerbereichs 40 enthaltenen primären Heliums. Der nicht abgestützte Längsteil der zentralen Rohrleitung 30, der den primären Kammerbereich 40 durchzieht, um eine strukturelle Abstützung für das Rohrbündel zu erreichen, trägt zum wirksamen Betrieb des Wärmeaustauschers bei, und zwar insbesondere unter hohen Temperaturbedingungen, und zwar aufgrund einer entsprechenden Ausdehnung und Zusammenziehung der innen isolierten zentralen Rohrleitung 30. Darüber hinaus wird die thermische Ausdehnung und Zusammenziehung durch die gewundenen oberen Leitungsrohre 80 aufgefangen, die längs der primären Konstruktionsabstützung 38 und der Abdichtungen 35 in relativ kühlen Fluidbereichen angeordnet sind.

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Claims

Patentansprüche

Iy Wärmeaustauscher, dadurch gekennzeichnet, daß ein langgestreckter Wärmeaustauschermodul (52) vorgesehen ist, welcher für die Herstellung einer Bündelanordnung aus einer Vielzahl entsprechender Moduln (52) geeignet ist, daß der Modul (52) eine langgestreckte Ummantelung (46) mit einem sechseckförmigen Querschnitt aufweist, durch den eine Bündelungsanordnung aus einer Vielzahl von Moduln (52) zu einer weitgehend ununterbrochenen Anordnung erleichtert ist, daß in der Ummantelung (46) eine Vielzahl von thermisch leitenden Rohren (44) längs der betreffenden Ummantelung verlaufend angeordnet ist, daß an einem Ende der Ummantelung (46) ein Einlaß-Sammelrohr (58) vorgesehen ist, welches mit den einen Enden der genannten Rohre (44) verbunden ist, daß an dem anderen Ende der Ummantelung (46) ein Auslaß-Sammelrohr (60) vorgesehen ist, welches mit den anderen Enden der genannten Rohre (44) verbunden ist, daß innerhalb der Ummantelung (46) ein Fluiddurchgang gebildet ist, durch den ein primäres Fluid durch die betreffende Ummantelung (46) und um die thermisch leitenden Rohre (44) zu strömen vermag, und daß die vorgesehenen Sammelrohre (58, 60) mit einer einlaßseitigen bzw. einer auslaßseitigen Rohrleitung (19; 26) für die Strömung eines sekundären Fluids durch die in der betreffenden Ummantelung (46) angeordneten Rohre (44) versehen sind.
2. Wärmeaustauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ummantelung (46) aus einem porösen Material gebildet ist, welches eine Querströmung des primären Fluids zwischen benachbarten Ummantelungen in der BUn-

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de !.anordnung fördert.
3. Wärmeaustauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das einlaßseitige Sammelrohr (58) und das auslaßseitige Sammelrohr (60) jeweils mit einem pyramidförmigen Bereich gebildet sind, der mit den thermisch leitenden Rohren verbindbar ist.
4. Wärmeaustauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das einlaßseitige Sammelrohr (58) und das auslaßseitige Sammelrohr (60) jeweils einen Ubergangsbereich aufweisen, der einen pyramidförmigen Bereich mit einem rohrförmigen Bereich verbindet, welcher mit einer einlaßseitigen bzw. auslaßseitigen Rohrleitung verbindbar ist.
5. Wärmeaustauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vielzahl der Moduln (52) zu einer nahezu fortlaufenden Anordnung zusammengestellt ist, daß die einlaßseitige Rohrleitung mit den einlaßseitigen Sammelrohren der Moduln (52) verbunden ist und daß die auslaßseitige Rohrleitung mit den auslaßseitigen Sammelrohren der Moduln (52) verbunden ist.
6. Wärmeaustauscher nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß Einlaß-Leitungsrohre (80) vorgesehen sind, die jeweils eines der Einlaß-Sammelrohre (58) mit der Einlaß-Rohrleitung verbinden und die jeweils eine dex-art gewendelte Form besitzen, daß eine Anpassung an eine relative Bewegung zwischen der zusammengesetzten Anordnung von Moduln (52) und der Einlaß-Rohrleitung ermöglicht ist.
7. Wärmeaustauscher nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die zusammengesetzte Anordnung in einer längs

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verlaufenden Kammer untergebracht ist, daß die Einlaß- und Auslaß-Rohrleitungen mit einem Einlaß bzw. einem Auslaß für das sekundäre Fluid in Verbindung stehen und jeweils an einem Ende der längs verlaufenden Kammer angeordnet sind, daß an dem betreffenden einen Ende der Kammer eine längs verlaufende rohrförmige Leitung (30) angeordnet ist, die im übrigen in nicht abgestützter Beziehung in der längs verlaufenden Kammer verläuft, daß die zusammengesetzte Anordnung um die rohrförmige Leitung (30) angeordnet ist und daß die betreffende Leitung eine Verbindung des Auslasses an dem betreffenden einen Ende für das sekundäre Fluid und mit ihrem anderen Ende eine Verbindung mit der auslaßseitigen Rohrleitung herstellt.
8. Wärmeaustauscher nach Anspruch 7» dadurch gekennzeichnet, daß auf der Innenwand der rohrförmigen Leitung (30) eine Isolation (86) vorgesehen ist.
9. Wärmeaustauscher nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die auslaßseitige Rohrleitung ein zylindrisches Blechrohr umfaßt, welches einen längs verlaufenden Endteil der Rohrleitung bildet und eine Vielzahl von öffnungen aufweist, die mit den Rohren in der Ummantelung (46) verbunden sind.
10. Wärmeaustauscher nach Anspruch 9» dadurch gekennzeichnet, daß eine Trägerplatte an dem längs verlaufenden Ende der Rohrleitung befestigt ist und eine Vielzahl von Öffnungen aufweist und daß Auslaß-Leitungsrohre (84) vorgesehen sind, die die thermisch leitenden Rohre innerhalb einer Ummantelung jeweils mit einer der Öffnungen in dem zylindrischen Blechrohr verbinden und die durch die betreffenden Öffnungen hindurchlaufen

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und von der Trägerplatte abgestützt sind.
11. Wärmeaustauscher nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß eine Abschirmung (94) vorgesehen ist, die das primäre Fluid vor dem Durchtritt durch die Moduln und vor einem direkten Auftreffen auf die auslaßseitigen Rohrleitungen (84) umleitet.
12. Wärmeaustauscher nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine einlaßseitige und eine auslaßseitige Verbindung mit der längs verlaufenden Kammer für die Zirkulation des primären Fluids vorgesehen ist, daß die einlaßseitige Rohrleitung für das sekundäre Fluid ein kugelförmiges Blechrohr (34) umfaßt, welches in abgedichteter Beziehung über ein zugängliches Ende der Kammer derart angeordnet ist, daß die längs verlaufende Kammer in einen relativ großen Bereich (40) zum Zwecke der Aufnahme des primären Fluids und in einen relativ kleinen Bereich ( 42) an dem betreffenden einen Ende für die Aufnahme des sekundären Fluids unterteilt ist, und daß das Blechrohr eine Vielzahl von Rohranschlüssen aufweist, die die einlaßseitigen Sammelrohre und eine relativ große mittlere Öffnung verbinden, wobei durch die betreffenden Anschlüsse die Rohrleitung ein Fluid in abgedichteter Beziehung zu dieser Öffnung abzugeben vermag.

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