Halterung für die Rohre eines Rohrbündels innerhalb eines Behälters

Abstract

 Für die Halterung der Rohre (1) eines Rohrbündels innerhalb eines Behälters, z. B. eines Wärmeaustauschers, werden die sich kreuzenden Stützstäbe (2 bis 5) einer jeden Etage nicht gerade, sondern wellenförmig ausgebildet, so dass sie die Rohre am Umfang über Zentrierwinkel (a) umfassen, und zwar je nach Querschnittsform linienförmig (bei Rundquerschnitt) oder flächig (bei kantigem Querschnitt). Hierdurch erhalten die auf Knickung beanspruchten und/oder Vibrationen unterworfenen Rohre weniger Freiheitsgrade.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft eine Halterung für die Rohre eines Rohrbündels innerhalb eines Behälters, insbesondere für einen aus Mantel und Rohrbündel bestehenden Wärmeaustauscher oder ein Reaktorgefäß, mit etagenweise angeordneten Stützstäben, die sich durch die Zwischenräume von parallelen Reihen von Rohren erstrecken und die Rohre an ihrem Außenumfang radial abstützend berühren. Die Stützstäbe einer jeden Etage sind dabei üblicherweise an einem Ring befestigt, der das Rohrbündel umgibt und an der Innenwand des Behälters befestigt ist.

[0002] Da die Stützstäbe in dem Innenraum des Behälters angeordnet sind, der von einem Medium durchströmt wird, stellen die Stützstäbe einen Strömungswiderstand dar, der einen Druckabfall begründet. Man hat daher die Etagen von geraden Stützstäben, die sich im übrigen etagenweise kreuzen, in größeren Abständen voneinander angeordnet (US 4 127 165). Um einen Druckabfall zu vermindern, wurde gemäß der DE-OS 27 06 049 (= US 4 127 165) vorgeschlagen, in den einzelnen Etagen von Halterungen weniger Stützstäbe vorzusehen, als von den vorhandenen Zwischenräumen zwischen parallelen Reihen von Rohren her angeordnet werden könnten. Dies zwingt aber dazu, mehr Etagen von sich kreuzenden Stützstäben vorzusehen, da jede fehlende radiale Abstützung eines Rohres bei gleichen Abständen der Etagen voneinander die nicht abgestützte, freie Länge von Rohren verdoppelt.

[0003] In der US-PS 3 708 142 ist eine Halterung für Rohrbündel beschrieben, bei der jede Etage von geraden Stützstäben aus mehreren sich kreuzenden Stützstäben in dicht beieinanderliegenden Ebenen besteht.

[0004] Die Abstützung von Rohren eines Rohrbündels im Behälterbau über ihre Länge hat den Zweck, die von einem zweiten Medium durchströmten Rohre gegen Rißbildung und Bruch zu schützen. Bei einem Wärmeaustauscher steht hier das Schwingungsproblem im Vordergrund, denn durch den Ungleichförmigkeitsgrad von Förderpumpen und die etagenweise Störung der Längsströmung aufgrund der Stützstäbe können in den Rohren schädliche Resonanzschwingungen entstehen. Bei einem Reaktorgefäß sind die Rohre zusätzlich auf Knickung beansprucht, da das die Rohre durchströmende Medium unter hohem Druck steht, der entgegengesetzt gerichtet auf den den Innenraum des Behälters begrenzenden Platten lastet, in denen die Rohre mit ihren Enden befestigt sind.

[0005] Alle bekannten Halterungen für die Rohre eines Rohrbündels im Behälterbau verwenden gerade Stützstäbe, die - wenn auch in gitterförmiger, sich kreuzender Anordnung gemäß der US-PS 3 708 142.- die Rohre je nach Stab^querschnitt nur punktförmig oder entlang einer Mantellinie berühren. Eine derartige radiale Abstützung der Rohre an - auf die Rohr-Querschnittsebene bezogen -.dimensionslosen gegenüberliegenden Umfangsteilen muß jedoch als wenig dauerhaft und betriebssicher angesehen werden. Hinzu kommt noch, daß die Rohre hinsichtlich der Schwingungsrichtung und der Richtung einer Ausknickung wegen der Verwendung von geraden Stützstäben gleich welchen Querschnitts große _Freiheits- grade haben. Von daher hat sich die Erfindung die Aufgabe gestellt, eine Halterung für die Rohre eines Rohrbündels im Behälterbau zu schaffen, bei der die Rohre innerhalb einer Etage von Stützstäben möglichst wenig Freiheitsgrade in radialer Richtung haben.

[0006] Die Lösung dieser Aufgabe besteht gemäß der Erfindung darin, daß die Stützstäbe einer jeden Etage derart wellenförmig ausgebildet sind, daß sie die Rohre über einen Zentrierwinkel berühren. Hierdurch wird erreicht, daß über den Zentrierwinkel zwischen einem Rohr und einem am Außenumgang des Rohres vorbeigeführten Stützstab zumindest eine Linienberührung quer zu Mantellinien vorliegt, wenn der Stützstab in herkömmlicher Weise einen Rund^querschnitt hat. Diese Linienberührung auf einem Umschlingungswinkel setzt die möglichen Freiheitsgrade des Rohres gegenüber der bisherigen Halterung der Rohre mit geraden Stützstäben mehr oder weniger erheblich herab.

[0007] Die radiale Abstützung der Rohre kann gemäß der Erfindung dadurch optimiert werden, daß die Stützstäbe einen Querschnitt mit parallelen Seitenflächen erhalten, die dann eine flächige radiale Abstützung der Rohre auf dem von der Wellenform der Stützstäbe abhängigen Zentrierwinkel begründen.

[0008] Wenn die erfindungsgemäße Wellenform von Stützstäben runden oder kantigen Querschnitts in Verbindung mit dem an sich bekannten Merkmal von zwei in dicht nebeneinanderliegenden Ebenen angeordneten, sich kreuzenden Gruppen von Stützstäben in jeder Etage angewendet wird, erhält man auf einer kurzen Länge der Rohre eine nahezu umlaufende Abstützung der Rohre über vier umfangsverteilte Zentrierwinkel, d.h. die Rohre sind innerhalb einer jeden Halterung im Sinne der Statistik fest eingespannt, womit sich die Berechnung der Rohre auf Knickung grundsätzlich ändert mit der Folge, daß die Dicke der Rohrwandung durch Verringerung des Außendurchmessers herabgesetzt werden kann, was wiederum die Möglichbietet, mehr Rohre innerhalb eines Rohrbündels vorzusehen. Die feste Einspannung der Rohre innerhalb einer Halterung mit sich kreuzenden Gruppen von gewellten Stützstäben ist natürlich bei Verwendung von hochkant verlegten Flachstäben mit flächiger Abstützung über die Zentrierwinkel wirkungsvoller als bei Verwendung von runden Stäben.

[0009] Eine am meisten wirkungsvolle feste Einspannung von Rohren über wellenförmige Stützstäbe mit rechteckigem Querschnitt wird dadurch erhalten, daß die Stützstäbe gemäß der weiteren Erfindung in einer gemeinsamen Ebene in Form eines Welleisengitters verlegt sind, indem die Stäbe sich an den Kreuzungsstellen in beiderseits hälftigen Schlitzen durchdringen. Der Ausdruck "Welleisengitter" ist von den bekannten Fußabtretern aus sich kreuzenden gewellten Flachstäben abgeleitet, wie man sie vor Außentüren von Gebäuden verwendet.

[0010] In der Zeichnung sind drei Ausführungsbeispiele von Halterungen für Rohrbündel in Ausschnitten dargestellt, und zwar zeigen:

Fig. 1 einen Ausschnitt einer Halterung mit in zwei dicht beieinanderliegenden Ebenen verlegten Stützstäben runden oder vierkantigen Querschnittes,

Fig. 2a und b Querschnitte entlang der Linie II-II in Fig. 1 zur Darstellung verschiedener Stabquerschnitte,

Fig. 3 ein Welleisengitter in schaubildlicher Darstellung, und

Fig. 4 einen randseitigen Ausschnitt einer Halterung, bestehend aus einem Welleisengitter nach Fig. 3.

[0011] Nach Fig. 1 sind die Rohre 1 eines Rohrbündels im sogenannten quadratischen Muster angeordnet. Durch die Zwischenräume von parallelen Reihen von Rohren, die von links unten bis rechts oben in der Zeichnungsebene geneigt sind, erstrecken sich gewellte Stützstäbe 2, 3, die in einer ersten oberen Ebene liegen. Ebenso erstrecken sich durch Zwischenräume von parallelen Reihen von Rohren, die von rechts unten bis links oben in der Zeichnungsebene ansteigen, gewellte Stützstäbe 4 und 5 in einer dicht unterhalb der ersten Ebene liegenden zweiten Ebene. Die Stützstäbe liegen somit an den Kreuzungsstellen 6 dicht untereinander. Die gewellten Stützstäbe 2, 3, 4 und 5 haben an den Wellen einen Krümmungsradius, der dem Radius R des Außenumfanges der Rohre 1 entspricht. Bei der in Fig. 1 vorgesehenen Dicke der Stützstäbe umschlingen diese je für sich die Rohre auf einem Zentrierwinkel α und zwar unter Berücksichtigung des sich kreuzenden Verlaufes der Stützstäbe an vier umfangsverteilten Zentrierwinkeln . Je größer die Dicke der Stützstäbe ist, um so größer wird der Zentrier- bzw. Umschlingungswinkel α. Dies trifft auch zu, wenn bei geringerer Dicke der Stützstäbe 2 bis 5 die Abstände der Rohre 1 voneinander verringert werden, so daß innerhalb eines Rohrbündels mehr Rohre verlegt werden können.

[0012] ) Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 steht zunächst für Stützstäbe 2 bis 5 mit üblichem kreisrunden Querschnitt (Fig. 2a), wodurch bereits im Sinne der Erfindurig_zur Verbesserung der radialen Abstützung der Rohre 1 zwischen den Stützstäben und den Rohren eine gebogene linienförmige Be-5 rührung vorliegt, und zwar bei sich kreuzender Anordnung der Stützstäbe in zwei dicht beieinanderliegenden Ebenen und Stützstäben in allen Zwischenräumen zwischen parallelen Reihen von Rohren an vier umfangsverteilten Zentrierwinkeln α pro Rohr. Eine feste Einspannung der Rohre erhält man, wenn die Stützstäbe 2' bis 5' einen Querschnitt mitparallelen Seitenflächen haben, beispielsweise Flachstäbe sind. Dann findet in jeder Ebene der Stützstäbe auf den Zentrierwinkeln α eine flächige Abstützung statt (Fig. 2b).

[0013] ₅ Die nach einem quadratischen Muster verlegten Rohre 1 gemäß Fig. 1 bringen es mit sich, daß für jede Halterung relativ große freie Durchstömquerschnitte 7 sowie zwickelförmige Durchströmquerschnitte 8 entstehen, die mit zunehmender Dicke der Stützstäbe sowie kleineren Rohrabständen kleiner werden. Über diese Zusammenhänge hat man es in der Hand, die radiale Abstützung der Rohre auf Kosten der Durchströmquerschnitte zu optimieren oder umgekehrt.

[0014] In Fig. 3 erkennt man ein sogenanntes Welleisengitter, bei dem die Stützstäbe 10,11 mit Stützstäben 12, 13 rechteckigen Querschnitt haben, also Flachstäbe sind, und deshalb in einer gemeinsamen Ebene angeordnet werden können, weil sie sich an den Kreuzungsstellen 14 in beiderseits hälftigen Schlitzen 15, 16 durchdringen. Fig. 4 zeigt das Welleisengitter nach Fig. 3 mit eingesetzten Rohren 1 eines Rohrbündels, die in einem gleichseitigen Dreiecksmuster verlegt sind. Mit dieser Anordnung von Rohren sind innerhalb eines Rohrbündels eine Höchstzahl von Rohren unterzubringen, weshalb dieses Dreiecksmuster für Reaktorgefäße bevorzugt wird.

[0015] Wie Fig. 4 zeigt, umschlingen die Stützstäbe 10 und 11 ein jedes Rohr auf zwei diametralen Zentrierwinkeln α₁, die ergänzt werden durch Zentrierwinkel α₂ , die den Stützstäben 12 und 13 zugeordnet sind. Damit ist jedes-Rohr bei dem Ausführungsbeispiel einer Halterung nach Fig. 3 und 4 auf der Höhe der Stützstäbe über jeweils einen Gesamt-Zentrierwinkel α₁ + α₂ = 240° flächig abgestützt, d.h. fest eingespannt. Diese optimale feste Einspannung ergibt sich daraus, daß die Dicke der Stützstäbe etwa gleich dem lichten Abstand zwischen benachbarten Rohren ist. Mit der Optimierung der festen Einspannung der Rohre im Sinne des _I Ausführungsbeispiels nach Fig. 3 und 4 geht allerdings einher die Verringerung der Durchströmquerschnitte innerhalb einer jeden Halterungsebene auf die zwickelförmigen Freiräume 18, die beispielsweise bei Kondensatoren ausreichend wären.

[0016] Fig. 4 zeigt übrigens noch die Befestigung der Stützstäbe an einem Ring 17, der seinerseits an der Innenwandung des nicht dargestellten Behältermantels befestigt wird.

Ansprüche

1. Halterung für die Rohre eines Rohrbündels innerhalb eines Behälters, insbesondere für einen aus Mantel und Rohrbündel bestehenden Wärmeaustauscher oder ein Reaktorgefäß,mit etagenweise angeordneten Stützstäben (2 bis 5, 10 bis 13), die sich durch die Zwischenräume von parallelen Reihen von Rohren (1) erstrecken und die Rohre an ihrem Außenumfang radial abstützend berühren, dadurch gekennzeichnet, daß die Stützstäbe einer jeden Etage derart wellenförmig ausgebildet sind, daß sie die Rohre über einen Zentrierwinkel ( α ) berühren.

2. Halterung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stützstäbe (2' bis 5' bzw. 10 bis 13) einen Querschnitt mit parallelen Seitenflächen haben.

3. Halterung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch zwei in dicht nebeneinanderliegenden Ebenen angeordnete, sich kreuzende Gruppen von Stützstäben (2 bis 5 bzw. 2' bis 5') in jeder Etage (Fig. 1 und 2a, 2b).

4. Halterung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Stützstäbe (10 bis 13) rechteckigen Querschnitt haben und in einer gemeinsamen Ebene in Form eines Welleisengitters verlegt sind, indem die Stäbe sich an den Kreuzungsstellen (14) in beiderseits hälftigen Schlitzen (15, 16) durchdringen.

Zeichnung