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EP 1 876 391 B1 |
(12) |
EUROPÄISCHE PATENTSCHRIFT |
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Hinweis auf die Patenterteilung: |
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09.09.2009 Patentblatt 2009/37 |
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Anmeldetag: 06.07.2006 |
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Internationale Patentklassifikation (IPC):
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Wärmetauscher und ein Verfahren zu dessen Herstellung
Heat Exchanger and Method for its Fabrication
Échangeur de chaleur et méthode pour sa fabrication
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(84) |
Benannte Vertragsstaaten: |
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DE |
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Veröffentlichungstag der Anmeldung: |
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09.01.2008 Patentblatt 2008/02 |
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Patentinhaber: Balcke-Dürr GmbH |
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40882 Ratingen (DE) |
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Erfinder: |
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- Bruckmann, Wilhelm
46049 Oberhausen (DE)
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(74) |
Vertreter: Lang, Friedrich et al |
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Lang & Tomerius
Patentanwälte
Landsberger Strasse 300 80687 München 80687 München (DE) |
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Entgegenhaltungen: :
DE-A1- 2 430 208 DE-A1- 3 209 584 FR-A1- 2 525 735 US-A- 3 254 705
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DE-A1- 2 813 808 DE-A1- 19 953 612 GB-A- 1 263 253 US-A- 4 429 739
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Anmerkung: Innerhalb von neun Monaten nach der Bekanntmachung des Hinweises auf die
Erteilung des europäischen Patents kann jedermann beim Europäischen Patentamt gegen
das erteilte europäischen Patent Einspruch einlegen. Der Einspruch ist schriftlich
einzureichen und zu begründen. Er gilt erst als eingelegt, wenn die Einspruchsgebühr
entrichtet worden ist. (Art. 99(1) Europäisches Patentübereinkommen). |
[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft einen Wärmetauscher und ein Verfahren zu dessen
Herstellung. Dabei handelt es sich beim Wärmetauscher insbesondere um einen dampfbeheizten
Zwischenüberhitzer, mit einem sich in einer Längsrichtung erstreckenden Kanal, der
von einem zu erhitzenden Medium durchströmbar ist. Das zu erhitzende Medium ist üblicherweise
Wasserdampf, wobei es sich aber ganz allgemein um entsprechend geeignete Medien wie
Gase, Flüssigkeiten oder deren Gemische handeln kann.
[0002] Im Kanal ist eine Vielzahl von Wärmetauscherrohren angeordnet, die sich ebenfalls
in Kanallängsrichtung erstrecken und die von einem Heizmedium durchströmbar sind.
Bei dem Heizmedium handelt es sich in der Regel ebenfalls um Wasserdampf, der jedoch
eine höhere Temperatur aufweist als das aufzuheizende Medium. Aber auch hier kann
es sich ganz allgemein um entsprechend geeignete Medien wie Gase, Flüssigkeiten oder
deren Gemische handeln.
[0003] Bei den bekannten Zwischenüberhitzern strömt der aufzuheizende Wasserdampf im Kanal
in Kanallängsrichtung, außen an den Wärmetauscherrohren entlang und wird dabei durch
die heißeren Wärmetauscherrohre aufgeheizt. Dabei sind die Wärmetauscherrohre als
Rohrbündel zwischen wenigstens einer Verteilkammer und wenigstens einer Sammelkammer
angeordnet und über Rohrböden mit den jeweiligen Kammern verbunden. In dem meist eine
kreisförmige Grundflächen abdeckenden Rohrbündel sind die Wärmetauscherrohre so dicht
zu einander beabstandet, dass das aufzuheizende Medium zwischen ihnen eintreten und
im weiteren Verlauf in Längsrichtung an den Rohren entlang strömen kann. Demgegenüber
strömt das Heizmedium aus der Verteilkammer in die Wärmetauscherrohre und verlässt
diese in die Sammelkammer. Bei den Rohrböden handelt es sich um massiv ausgeführte
Bauteile, in denen die Wärmetauscherrohre in entsprechenden Ausnehmungen gehalten
werden.
[0004] Diese bekannten, längs durchströmten Rohrbündelwärmetauscher wurden insbesondere
in der ersten Generation deutscher Kernkraftwerke als Wasserabscheider-Zwischenüberhitzer
verwendet. Ein solcher bekannter Wasserabscheider-Zwischenüberhitzer ist zum Beispiel
in der
Patentschrift DE 3544517 C1 beschrieben. Diese bekannten Wasserabscheider-Zwischenüberhitzer weisen jedoch konstruktionsbedingt
relativ hohe Druckverluste auf.
Ein weiterer Nachteil bekannter Wärmetauscher, wie sie beispielsweise aus der
DE 32 09 584 A1 oder der
FR-A1-2 525 735 bekannt sind, besteht darin, dass sie nur eingeschränkt in der Lage sind, inerte
Gas aus dem Heizmedium zu entfernen.
[0005] Der Erfindung liegt daher die
Aufgabe zugrunde, einen Wärmetauscher mit deutlich reduzierten Druckverlusten, der ferner
auch in eine wirksame Entfernung von inerten Gasen aus dem Heizmedium ermöglicht,
und ein Herstellungsverfahren für einen solchen Wärmetauscher anzugeben.
[0006] Die Lösung dieser Aufgabe gelingt mit einem Wärmetauscher, der die Merkmale des Anspruchs
1 aufweist und mit einem Herstellungsverfahren, das die Merkmale des Anspruchs 27
aufweist.
Erfindungsgemäß handelt es sich also um einen Wärmetauscher, insbesondere dampfbeheizten
Zwischenüberhitzer, der eingangs geschilderten Art, der sich jedoch von den herkömmlichen
Bauarten darin unterscheidet, dass die Wärmetauscherrohre als ringförmiges Rohrbündel
mit einem unberohrten Zentralbereich angeordnet sind. Unter ringförmig wird in diesem
Zusammenhang nicht nur ein kreisringförmiges Rohrbündel verstanden. Es kann sich auch
um elliptische oder eckige Ringe handeln. Entscheidend ist, dass dieses ringförmige
Rohrbündel in seiner Mitte einen Zentralbereich aufweist, der unberohrt ist. So bilden
die bündelförmig, zwar dicht, aber immer noch beabstandet nebeneinander angeordneten
Wärmetauscherrohre mit dem unberohrten Zentralbereich einen sich in Kanallängsrichtung
erstreckenden, im Inneren gelegenen, strömungskanalartigen Bereich. Außerdem ist im
Kanal erfindungsgemäß wenigstens ein äußeres Umlenkmittel zur Erzielung einer auf
den unberohrten Zentralbereich gerichteten Querströmung im zu erhitzenden Medium vorgesehen.
Dadurch streicht das zu erhitzende Medium nach einer Umlenkung durch das Umlenkmittel
quer von außen nach innen über die Wärmetauscherrohre und nicht wie bei den gattungsgemäßen
Wärmetauschern in Längsrichtung am Wärmetauscherrohr entlang. Durch die Ausführung
des Rohrbündels als quer durchströmtes, ringförmiges Rohrbündel mit unberohrtem Zentrum
lässt sich der Druckverlust gegenüber längsdurchströmten Rohrbündeln mit berohrtem
Zentrum auf ca. 25 % der bisherigen Werte absenken. Der daraus erzielte Leistungsgewinn
kann bei einem 1300 MWe-Kernkraftwerk bis zu 8 MWe betragen.
[0007] Die Entlüftung mit einer Ansaugöffnung dient der Absaugung beispielsweise inerter
Gase aus dem Heizmedium. Dabei soll sich die Ansaugöffnung bevorzugt im Bereich des
gewölbten Bodenbereichs befinden. Dadurch wird der Raum der Sammelkammer vergrößert,
der unterhalb der Ansaugöffnung liegt. Dieser Raum kann bei beistimmten Ausführungsformen
des Wärmetauschers zur Sammlung von Kondensatflüssigkeit dienen, wobei sich auf dem
Kondensat die inerten Gase ansammeln. Wird nun dieser Raum vergrößert, ergibt sich
ein größerer Puffer für sich etwa ansammelndes Kondensat, ohne dass dadurch der Raum
für die Absaugung von Inertgase reduziert wird. Die Ansaugöffnung der Entlüftung ist
zwischen maximaler Auswölbung des gewölbten Bodenbereichs und berohrtem Bodenbereich
des Rohrbodens der Sammelkammer angeordnet. Dann liegt die Ansaugöffnung oberhalb
des Rohrbodens, also höher als bislang üblich. Dies hat den Vorteil, dass sich der
Raum zur Sammlung von Kondensat in der Sammelkammer gegenüber herkömmlichen Sammelkammern
nochmals vergrößert.
[0008] Zweckmäßigerweise hat der unberohrte Zentralbereich des Rohrbündels eine minimale
Breite, die größer ist als die maximale Ringstärke des Rohrbündels. Unter der maximalen
Ringstärke des Rohrbündelrings ist bei einem symmetrischen Kreisring die Hälfte der
Differenz von Außen- und Innendurchmesser des Kreisrings zu verstehen. Dieser Verhältniswert
stellt sicher, dass ein genügend großer, zentraler, unberohrter Bereich vorhanden
ist, in dem das aufzuheizende Medium, das quer über die Wärmetauscherrohre in diesen
Zentralbereich eintritt, seine Strömungsrichtung ohne größere Reibungsverluste verändern
kann. Es wird also bei seiner Richtungsänderung nicht durch in Kanallängsrichtung
verlaufende Wärmetauscherrohre behindert.
[0009] Dabei kann das äußere Umlenkmittel ringförmig ausgebildet sein, wobei es besonders
bevorzugt zumindest bereichsweise konisch geformt ist. So erzeugt das äußere Umlenkmittel
eine gleichmäßig umgelenkte Strömung im Kanal und insbesondere bei einer in Bezug
auf die Kanallängsachse symmetrischen Anordnung auch eine symmetrische Umlenkung.
Das bedeutet, dass das zu erhitzende Medium in Bezug auf die Kanallängsachse von allen
Seiten gleich in den unberohrten Zentralbereich einströmt. Die jeweils in die Mitte
gerichteten, quasi ringförmigen, Ströme strömen also in radialer Richtung aufeinander
zu und treffen sich im unberohrten Zentralbereich des Rohrbündels, wo sie sich gegenseitig
in Richtung auf die Kanallängsachse umlenken. In Strömungsrichtung hinter dem äußeren
Umlenkmittel stellt sich dann also eine in Kanallängsrichtung ausgerichtete Strömung
im unberohrten Zentralbereich des Rohrbündels ein.
[0010] Zweckmäßigerweise erstreckt sich das äußere Umlenkmittel von einer Kanalwand des
Kanals nach innen bis wenigstens zum äußeren Umfangsbereich des Rohrbündels, vorzugsweise
sogar bis zu dessen unberohrten Zentralbereich und geringfügig darüber hinaus. Dies
hat den Vorteil, dass das äußere Umlenkmittel dann sicherstellt, dass es zu einer
Querströmung über die einzelnen Wärmetauscherrohre des Rohrbündels kommt und sich
die Querströmung erst im unberohrten Zentralbereich in eine Längsströmung verändert.
[0011] Bevorzugt ist das äußere Umlenkmittel an der Kanalwand befestigt. So wird sichergesellt,
dass das zu erhitzende Medium nicht außen um das äußere Umlenkmittel herum strömen
kann. Dies hätte den Nachteil, das Teile der Strömung nicht vom äußeren Umlenkmittel
erfasst würden. Außerdem lässt sich das Umlenkmittel an der Kanalwand gut befestigen,
da diese in der Regel ausreichend stabil ist, um die aus dem äußeren Umlenkmittel
eingeleiteten Kräfte tragen zu können.
[0012] Eine der Kammern, also entweder die Sammelkammer oder die Verteilkammer, hat einen
Rohrboden, der einen ringförmigen, berohrten Bodenbereich aufweist. Das Berohrungsmuster
dieses berohrten Bodenbereichs korrespondiert mit dem des Rohrbündelrings, da die
Rohre durch den Rohrboden geführt und vom Rohrboden im Wärmetauscher gehalten werden.
Der berohrte Bodenbereich umgibt einen unberohrten Bodenbereich, wobei der unberohrte
Bodenbereich dünner ist als der berohrte Bodenbereich. Der berohrte Bodenbereich dient
also der Halterung der Wärmetauscherrohre um diese mit der sich jeweils anschließenden
Kammer zu verbinden und der unberohrte Bodenbereich dient der Abdichtung. Dabei hat
der unberohrte Bodenbereich eine größere Elastizität als der berohrte Bodenbereich.
Er kann also aus einem weicheren Material mit geringerem E-Modul hergestellt werden
als der berohrte Bereich.
[0013] Bevorzugt ist der unberohrte Bodenbereich dünner ausgeführt als der berohrte Bodenbereich.
Diese Maßnahme kann die Ausführung des unberohrten Bodenbereichs aus weicherem Material
ergänzen oder sie ersetzen. Insbesondere wenn sowohl der Rohrboden der Sammelkammer
als auch der Rohrboden der Verteilerkammer gleichartig ausgebildet sind, hat die erfindungsgemäße
Ausführung der Rohrböden den Vorteil, dass An- bzw. Abfahrvorgänge des erfindungsgemäßen
Wärmetauschers wesentlich schneller möglich sind als bei gattungsgemäßen herkömmlichen
Wärmetauschern. Der Wärmetauscher und damit die Gesamtanlage bzw. das Kraftwerk kann
also wesentlich flexibler betrieben werden.
[0014] Dies liegt daran, dass durch den unberohrten Bodenbereich unvorteilhafte Spannungen
in den Rohrböden vermieden oder abgebaut werden. So wird durch den dünner ausgeführten,
Bodenbereich ein großer, unberohrter und dickwandiger Bereich des Rohrbodens vermieden.
Da bei jedem An- oder Abfahrvorgang der berohrte Bereich aufgrund der Durchsetzung
mit den Wärmetauscherrohren sehr schnell aufgewärmt oder abgekühlt wird, würden sich
in einem gleichdicken inneren unberohrten Bereich nur sehr langsam diese Temperaturen
einstellen, da dieser Bereich eine große Masse darstellt, welche nur durch Wärmeleitung
innerhalb des Rohrbodens aufgeheizt werden würde. Dies führt zu temporären Temperaturunterschieden
zwischen den berohrten und unberohrten Bereichen und somit zu Wärmespannungen, welche
die Anzahl bzw. Gradienten der An- und Abfahrvorgänge begrenzen. Wird nun stattdessen
ein dünneres oder weniger steifes Bauteil für den unberohrten Bereich verwendet, können
sich entweder weniger Wärmespannungen einstellen, oder weil sich dieser Bereich leichter
verformt, besser abgebaut werden.
[0015] Dieser Effekt wird noch zusätzlich verstärkt, wenn der unberohrte Bodenbereich einen
gewölbten Bereich aufweist. Die Wölbung kann dabei mit einem konstanten Radius oder
einem veränderlichen Radius erfolgen. Wichtig ist nur, dass die Verformbarkeit des
unberohrten Bodenbereiches durch diese Formgebung so verstärkt wird, dass möglichst
wenige Spannungen aus dem unberohrten Bodenbereich in den berohrten Bodenbereich eingeleitet
werden. Vorzugsweise sind die gewölbten Bereiche beider Röhrböden in gleicher Richtung
ausgewölbt.
[0016] In der Sammelkammer ist eine Entlüftung mit einer Ansaugöffnung angeordnet, die zur
Absaugung beispielsweise inerter Gase aus dem Heizmedium dient. Dabei soll sich die
Ansaugöffnung im Bereich des gewölbten Bodenbereichs befinden. Dadurch wird der Raum
der Sammelkammer vergrößert, der unterhalb der Ansaugöffnung liegt. Dieser Raum kann
bei beistimmten Ausführungsformen des Wärmetauschers zur Sammlung von Kondensatflüssigkeit
dienen, wobei sich auf dem Kondensat die inerten Gase ansammeln. Wird nun dieser Raum
vergrößert, ergibt sich ein größerer Puffer für sich etwa ansammelndes Kondensat,
ohne dass dadurch der Raum für die Absaugung von Inertgase reduziert wird.
[0017] Die Ansaugöffnung der Entlüftung ist zwischen maximaler Auswölbung des gewölbten
Bodenbereichs und berohrtem Bodenbereich des Rohrbodens der Sammelkammer angeordnet.
Dann liegt die Ansaugöffnung oberhalb des Rohrbodens, also höher als bislang üblich.
Dies hat den Vorteil, dass sich der Raum zur Sammlung von Kondensat in der Sammelkammer
gegenüber herkömmlichen Sammelkammern nochmals vergrößert.
[0018] Zweckmäßigerweise besteht der unberohrte Bodenbereich aus einem Pressblech. Auch
ist es vorteilhaft, wenn der berohrte Bodenbereich aus einem Schmiedeteil besteht.
Das Pressblech lässt sich einfach formen und ist kostengünstig, während das Schmiedeteil
eine hohe Festigkeit aufweist, die vor allem für das sichere Halten der Rohre vorteilhaft
ist. Dabei handelt es sich zweckmäßiger Weise um einen Schmiedestahl.
[0019] Bevorzugt weist das äußere Umlenkmittel einen Dehnungskompensator zum Ausgleich unterschiedlicher
Dehnungen auf. Solche Dehnungsunterschiede können sich beispielsweise aus den unterschiedlichen
Längenänderungen des Umlenkmittels oder der Wärmetauscherrohre in Bezug auf die Kanalwände
ergeben. Der Dehnungskompensator ist also mit anderen Worten eine entsprechend geeignete
Ausgleichsfeder, die eine übermäßige Belastung des Umlenkmittels verhindert. Bevorzugt
weist der Dehnungskompensator daher ein Ringblech mit koaxial zu dessen Längsachse
verlaufenden Wellen auf. Es handelt es sich also um ein ringförmig gebogenes Wellblech,
dessen Wellen entweder parallel zur Längsachse oder quer zur Längsachse, sprich radial,
verlaufen. Jedenfalls wird durch eine solche Anordnung sichergestellt, dass durch
Strecken bzw. Stauchen der Wellen genügend Verformungsweg vorhanden ist, um Dehnungsunterschiede
zwischen dem Umlenkmittel und der Kanalwand bzw. den Wärmetauscherrohren sicherzustellen.
[0020] Während die meisten Komponenten des Wärmetauschers, insbesondere die Umlenkmittel
und die Wärmetauscherrohre, aus Kohlenstoffstahl bestehen, ist der Dehnungskompensator
bevorzugt aus Edelstahl ausgeführt. Damit wird den erhöhten Beanspruchungen, insbesondere
aus vielen Verformungswechseln unter permanenter Dampfbeanspruchung, Rechnung getragen.
[0021] In einer weiteren Weiterbildung des erfindungsgemäßen Wärmetauschers ist im unberohrten
Zentralbereich des Rohrbündels wenigstens ein inneres Umlenkmittel zur Erzielung einer
Querströmung im zu erhitzenden Medium angeordnet. Damit kann sichergestellt werden,
dass eine vom äußeren Umlenkmittel in den inneren unberohrten Zentralbereich gelenkte
Strömung des zu erhitzenden Mediums wieder aus dem unberohrten Zentralbereich zur
Kanalwand hin zurückgelenkt wird. Daher sind bevorzugt innere und äußere Umlenkmittel
entlang der Kanallängsachse im Wechsel angeordnet. So ergibt sich eine schlangenlinienartige,
mäandrierende Durchströmung des Wärmetauschers, die bevorzugt mindestens ein bis vier
quer zur Kanallängsachse verlaufende Strömungswege aufweist.
[0022] Zweckmäßiger Weise erstreckt sich das innere Umlenkmittel wenigstens über den gesamten
unberohrten Zentralbereich des Rohrbündels. Dabei kann es in der einfachsten Ausführungsform
eine Scheibe sein. Diese lässt sich besonders gut und einfach herstellen.
[0023] In einer weiteren bevorzugten Weiterbildung werden die Wärmetauscherrohre in ihrem
Verlauf durch wenigstens ein ringförmiges Stützmittel quer zu ihren Längsachsen abgestützt.
Dies verhindert übermäßige Verformungen oder Schwingungen der Wärmetauscherrohre aufgrund
der Querströmung des zu erhitzenden Mediums. Zudem wird ein Ausknicken einzelner Wärmetauscherrohre
aufgrund größerer Normalspannungen verhindert. Dabei kann die Breite des Stützmittels
etwa der Ringbreite des Rohrbündels entsprechen, da es dann ebenfalls zu einer Umlenkung
der Strömung quer über die Wärmetauscherrohre beiträgt. Zudem kann das Stützmittel
auch geringfügig über die Ringbreite des Rohrbündels sowohl nach innen wie nach außen
überstehen, um stabiler zu sein und noch mehr Teile der Strömung des zu erhitzenden
Mediums umzulenken.
[0024] Zweckmäßigerweise ist an wenigstens einem Stützmittel ein Umlenkmittel befestigt.
Dies hat den Vorteil, dass man bereits vorhandene Stützmitteln zur Befestigung des
Umlenkmittels nutzt.
[0025] Bevorzugt ist wenigstens ein Stützmittel und/oder ein Umlenkmittel an zumindest einem
Wärmetauscherrohr befestigt. So bleibt das Stützmittel bzw. Umlenkmittel stets in
seiner Position bezogen auf das Wärmetauscherrohr festgelegt. Dies bedingt jedoch
bei einem an der Kanalwand festgelegten äußeren Umlenkmittel, dass es einen Dehnungskompensator
aufweist, der die Dehnungsunterschiede der Wärmetauscherrohre gegenüber der Kanalwand
ausgleicht, um Beschädigungen am äußeren Umlenkmittel zu verhindern.
[0026] Bevorzugt weist wenigstens ein Stützmittel und/oder ein Umlenkmittel wenigstens eine
Ausnehmung zur Durchführung eines Wärmetauscherrohres auf. Das heißt, dass das Wärmetauscherrohr
durch das Stützmittel oder das Umlenkmittel hindurch geführt wird, wobei es zweckmäßig
ist, wenn alle Wärmetauscherrohre durch das Stützmittel oder Umlenkmittel durchgeführt
werden. Werden alle Wärmetauscherrohre durch eigene Ausnehmungen durchgeführt, so
stützt das Stützmittel oder das Umlenkmittel die Wärmetauscherrohre gegeneinander
ab. Auch können das Stützmittel oder das Umlenkmittel im Bereich der Ausnehmungen
mit den Wärmetauscherrohren verbunden werden.
[0027] Wenn bei einem äußeren Umlenkmittel die Ausnehmungen so ausgeführt werden, dass die
Wärmetauscherrohre das Umlenkmittel nicht oder nur kaum berühren, kann das Umlenkmittel
ohne einen Dehnungskompensator direkt an der Kanalwand befestigt werden. Dann können
Wärmedehnungen der Wärmetauscherrohre nicht auf das Umlenkmittel übertragen werden.
Es kann also nicht zu schädlichen Spannungen zwischen den Umlenkmittel und der Kanalwand
kommen.
[0028] Bevorzugt sind die Wärmetauscherrohre Rippenrohre. Damit wird die von dem zu erhitzenden
Medium umspülte Oberfläche der Wärmetauscherrohre vergrößert. Vorzugsweise handelt
es sich jedoch um niedrig berippte Rippenrohre, da sich durch deren Verwendung das
Gewicht des Wärmetauschers insgesamt reduzieren lässt. Dies ist vor allem beim Transport
und bei der Montage vorteilhaft. Auch ist es zweckmäßig, wenn die Rippen der Wärmetauscherrohre
nicht parallel zur Längsachse der Rohre verlaufen. Damit senkt sich der Strömungswiderstand
der Wärmetauscherrohre und die Umlenkung der Strömung quer zur Rohrlängsachse wird
durch die Oberfläche der Rohre unterstützt.
[0029] Erfindungsgemäß wird die oben genannte Aufgabe auch durch ein Verfahren zur Herstellung
eines Wärmetauschers gelöst, bei dem ein bestehender Wärmetauscher herkömmlicher Bauart
umgebaut wird. Hierbei wird in einem ersten Schritt ein bestehendes Rohrbündel ausgebaut,
in einem zweiten Schritt werden die ursprünglichen Rohrböden zu den zuvor beschriebenen
erfindungsgemäßen Rohrböden mit ringförmig berohrtem Bodenbereich umgebaut, und in
einem dritten Schritt wird ein ringförmiges Rohrbündel mit neuen Wärmetauscherrohren
und wenigstens ein Umlenkmittel zur Erzielung einer Querströmung im Wärmetauscher
eingebaut. Dem erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren liegt also die verblüffende
Erkenntnis zu Grunde, dass es möglich ist, einen in herkömmlicher Weise längs und
im Wesentlichen parallel zur Kanalachse durchströmten Wärmetauscher als Ausgangprodukt
für die Herstellung eines völlig anders durchströmten Wärmetauschers verwenden zu
können. Dementsprechend gelingt der Umbau, ohne dass sich ein größerer Platzbedarf
einstellt. Daher ist es möglich, Wasserabscheider und Zwischenüberhitzer der ersten
Generation zu Wasserabscheidern und Zwischenüberhitzer erfindungsgemäßer Bauart an
Ort und Stelle, sprich im Kraftwerk, herzustellen. In einem solchen Fall ist also
der Wasserabscheider und Zwischenüberhitzer der ersten Generation das Ausgangsprodukt
für die Herstellung des erfindungsgemäßen Wärmetauschers, wobei seine Außenhülle,
sprich Kanalwand, im Wesentlichen bestehen bleibt und nur das Innere ausgetauscht
wird.
[0030] Dabei werden die ursprünglichen Rohrböden gegen Rohrböden, wie sie zuvor beschrieben
wurden, mit ringförmig berohrtem Bodenbereich umgebaut. Dies gelingt insbesondere
dann, wenn bei der Ertüchtigung eines Wärmetauschers festgestellt wird, dass der ursprüngliche
Rohrboden bzw. die ursprünglichen Rohrböden nur wenig Abnutzungserscheinungen aufweisen,
sich also ein Verschleiß vor allem auf die Wärmetauscherrohre konzentriert. Dann muss
nur der später unberohrte Bereich des Rohrbodens ausgeschnitten und durch einen elastischeren
bzw. dünneren Bodenbereich ersetzt werden. Dies kann an Ort und Stelle im Kraftwerk
geschehen und hat zudem den Vorteil, dass man die sehr teuren Rohrböden nicht vollständig
neu herstellen muss.
[0031] In einer zweckmäßigen Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die neuen
Wärmetauscherrohre als vormontiertes Paket zusammen mit wenigstes einem Stützmittel
und/oder Umlenkmittel und/oder wenigstens einem Rohrboden eingebaut. Dies hat den
Vorteil, dass die Einbauten eines erfindungsgemäßen Wärmetauschers unter optimalen
Herstellungsbedingungen in einer Werkstatt hergestellt werden können.
[0032] Nachfolgend wird die Erfindung anhand von in den Zeichnungen gezeigten Ausführungsbeispielen
näher erläutert. Darin zeigen schematisch:
- Fig. 1:
- einen Querschnitt durch ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Wärmetauschers;
- Fig. 2:
- die Draufsicht auf den im Fig. 1 gezeigten Schnitt A-A;
- Fig. 3:
- einen Querschnitt eines Kreuzungspunktes von Umlenkmittel und Wärmetauscherrohr bei
dem das Umlenkmittel nicht am Wärmetauscherrohr befestigt ist;
- Fig. 4:
- einen Querschnitt eines Kreuzungspunktes von Umlenkmittel und Wärmetauscherrohr bei
dem das Umlenkmittel am Wärmetauscherrohr befestigt ist;
- Fig. 5:
- eine Draufsicht auf den in Fig. 4 gezeigten Kreuzungspunkt;
- Fig. 6:
- eine vergrößerte Darstellung des in Fig. 4 gezeigten Details B;
- Fig. 7:
- einen Querschnitt durch ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Wärmetauschers;
- Fig. 8:
- einen Querschnitt durch ein drittes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Wärmetauschers;
[0033] Der in Fig. 1 gezeigte erfindungsgemäße Wärmetauscher 1 ist ein Wasserabscheider-Zwischenüberhitzer
für ein deutsches Atomkraftwerk der ersten Generation, der an Stelle eines herkömmlichen
Wasserabscheider-Zwischenüberhitzers eingebaut werden kann, da er dessen Außenabmessungen
aufweist. Dieser Wärmetauscher 1 hat daher einen sich in einer Längsrichtung 2 erstreckenden
Kanal 3, in dem eine Vielzahl von Wärmetauscherrohren 4 als Rohrbündel 5 zwischen
einer oben gelegenen Verteilkammer 6 und einer unten gelegenen Sammelkammer 7 angeordnet
ist. Die Wärmetauscherrohre 4 des Rohrbündels 5 sind dabei über einen ersten Rohrboden
8 mit der Verteilkammer 6 und über einen zweiten Rohrboden 9 mit der Sammelkammer
7 verbunden und werden jeweils von diesen in ihrer Position im Wärmetauscher 1 gehalten.
[0034] Die Verteilkammer 6 weist dabei einen Heizdampfeintrittsstutzen 36 auf, durch den
der Heizdampf in die Verteilkammer 6 und von dort in die Wärmetauscherrohre 4 eingeleitet
wird. Demgegenüber weist die Sammelkammer 7 einen Heizdampfkondensataustritt 37 auf,
durch den aus den Wärmetauscherrohren 4 austretendes Kondenswasser und zum Teil auch
Restdampf abgeleitet wird. Außerdem ist sowohl in der Verteilkammer 6 wie in der Sammelkammer
7 jeweils ein Mannloch 38 vorgesehen, durch das zum Beispiel Wartungspersonal in die
Kammern 6 und 7 zur Wartung einsteigen kann.
[0035] Erfindungsgemäß ist das sich zwischen Verteilkammer 6 und Sammelkammer 7 erstreckende
Rohrbündel 5 ringförmig mit einem unberohrten Zentralbereich 10 ausgeführt, wie auch
der Fig. 2 zu entnehmen ist. Vorliegend handelt es sich um ein Ausführungsbeispiel
des Rohrbündels 5 mit im Wesentlichen kreisringförmiger Grundfläche. Die Breite des
unberohrten Zentralbereichs 10 des Rohrbündels 5 entspricht dabei dem inneren Durchmesser
des ringförmigen Rohrbündels 5. Der ist etwa fünfeinhalb mal breiter als die Ringdicke,
die über den gesamten Ring gleichbleibend stark gewählt ist.
[0036] Im Kanal 3 des Wärmetauschers 1 ist zudem ein äußeres Umlenkmittel 11 eingebaut.
Hierbei handelt es sich um ein bereichsweise konusförmiges Stahlblech, das sich von
der Kanalwand 12 nach innen bis in den inneren, unberohrten Zentralbereich 10 erstreckt.
Dabei ist das Umlenkmittel 11 so aufgebaut, dass sich am oberen Rand des konusförmigen
Bereichs 13 ein ringförmiges, ebenes Blech 14 anschließt, während am unteren Rand
des konusförmigen Bereichs 13 ein Kompensator 15 angeordnet ist.
[0037] Der Kompensator 15 ist hier ein zylindrisch gebogener Ring aus einem Edelstahl-Wellblech,
dessen eigene, mittige Längsachse koaxial zur Kanallängsachse 2 bzw. Kanallängsrichtung
2 angeordnet ist. Dementsprechend gleicht der Kompensator 15 Längenänderungsunterschiede
zwischen dem Umlenkmittel 11 und der Kanalwand 12 vor allem in dieser Richtung aus.
Derartige Längenänderungsunterschiede können sich aufgrund unterschiedlicher Temperaturen
in den Wärmetauscherrohren 4 und der Kanalwand 12 ergeben. Da das äußere Umlenkmittel
11 sowohl an den Wärmetauscherrohren 4 wie auch an der Kanalwand 12 befestigt ist,
könnten diese Längenänderungen ohne den Kompensator 15 zu einem Zerreißen des Umlenkmittels
11 führen.
[0038] Bei den in den Fig. 1 und Fig. 8 gezeigten Ausführungsbeispielen sind die Rohrböden
8 und 9 sowohl der Verteilerkammer 6 als auch der Sammelkammer 7 beide jeweils so
aufgebaut, dass sie einen berohrten Bodenbereich 16 und einen unberohrten Bodenbereich
17 aufweisen. Bei dem in Fig. 7 gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Rohrboden 9
der Sammelkammer 7 als im Inneren offener Ring ausgeführt, der nur einen berohrten
Bodenbereich 16 aufweist. Unabhängig von der Ausführung des inneren Bereichs ist der
berohrte Bodenbereich 16 in allen Ausführungsbeispielen ein massiver und geschmiedeter
Ring aus Kohlenstoffstahl, der eine Vielzahl von Bohrungen aufweist, in denen jeweils
ein Wärmetauscherrohr 4, beispielsweise durch hydraulische Rohrinnenaufweitung mit
außenliegender Randverschweißung, festgelegt ist. Das Muster der Bohrungen entspricht
jeweils dem Bohrungsmusters des Rohrbündels 5. Die unberohrten Bereiche 17 sind in
den Ausführungsbeispielen der Fig. 1 und Fig. 8 als gewölbte Pressbleche ausgeführt.
Dies hat den Vorteil, dass sich die Pressbleche 17 schnell erhitzten und sich so verformen,
dass keine nennenswerten Spannungen in die berohrten Bodenbereiche 16 eingeleitet
werden. Daher sind bei den erfindungsgemäßen Wärmetauschern 1 schneller An- und Abfahrvorgänge
als bislang möglich, so dass sie einen flexibleren Betrieb der Gesamtanlage ermöglichen.
[0039] In der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform ist in der Sammelkammer 7 eine Entlüftung
18 angeordnet, deren Ansaugöffnung 19 oberhalb des berohrten Bodenbereichs 16 und
unterhalb der maximalen Auswölbung des unberohrten Bodens 17 liegt. Diese Ansaugöffnung
19 ist also höher angeordnet als bei herkömmlichen Wärmetauschern, was mehr Platz
zur Sammlung von Kondensat oder für sich oberhalb des Kondensats aufstauende Inertgase
schafft. Somit vergrößert sich die Pufferungswirkung des erfindungsgemäßen Wärmetauschers
in vorteilhafter Weise.
[0040] Weiterhin weist der in Fig. 1 und Fig. 2 gezeigte Wärmetauscher 1 acht Stützmittel
20 auf. Dies sind gelochte Blechringe, deren Lochmuster dem des Rohrbündels 5 entsprechen.
In den Ausnehmungen 21 durchdringen die Wärmetauscherrohre 4 die Stützmittel 20.
[0041] Bei den Wärmetauscherrohren 4 handelt es sich um Rippenrohre, die an ihren äußeren
Umfangsseiten mit Rippen 22 versehen sind. Wie zum Beispiel der Fig. 3 zu entnehmen
ist, handelt es sich dabei um niedrig berippte Rippenrohre. Die Rippen 22 sind also
relativ kurz und dicht beabstandet. Dabei erstrecken sich die Rippen 22 quer zur Rohrlängsachse
23, die im Wesentlichen parallel zur Kanallängssachse 2 bzw. Kanallängsrichtung 2,
also ohne größere Abweichung gegenüber der Winkellage der Kanallängsachse 2 bzw. Kanallängsrichtung
2, verläuft. Diese Form der Berippung reduziert den Strömungswiderstand und macht
die Rohre 4 leichter.
[0042] Bei dem in Fig. 3 gezeigten Ausführungsbeispiels eines Kreuzungspunktes zwischen
einem Wärmetauscherrohr 4 und dem äußeren Umlenkblech 11 handelt es sich um einen
Knotenpunkt, der den Entfall eines Kompensators 15 am Umlenkblech 11 ermöglicht. Dies
liegt daran, dass das Umlenkblech 11 nicht am Wärmetauscherrohr 4 befestigt ist. Vielmehr
ist hier die Ausnehmung 21 breiter als der Außendurchmesser des Wärmetauscherrohrs
4. Damit sich das Umlenkmittel 11 nicht an den Rippen 21 des Wärmetauscherrohrs 4
verkeilen oder festklemmen kann, ist ein dem Umlenkblech 4 zugeordneter Durchdringungsbereich
24 der Außenhaut des Wärmetauscherrohrs 4 unberippt und glatt ausgeführt. Dieser Durchdringungsbereich
24 ist länger als das Umlenkmittel 11 dick ist, um auch bei Änderung der Relativlage
der beiden Bauteile Wirkung entfalten zu können.
[0043] In Fig. 4 ist eine alternative Ausführungsform eines solchen Kreuzungsbereiches gezeigt.
Hierbei ist das Umlenkmittel 11 am Wärmetauscherrohr 4 über halbschalenförmige Befestigungsschuhe
25 angebracht. Die halbschalenförmigen Befestigungsschuhe 25 sind am Umlenkmittel
11 und dort am oberen Ring 14 angeschweißt und weisen auf ihrer zum Wärmetauscherrohr
4 weisenden Innenseite eine dem Berippungsmuster des Wärmetauscherrohrs 4 entsprechende
Rippenstruktur auf. Daher greifen die Rippen 26 der Befestigungsschuhe 24 in die Rippen
21 des Wärmetauscherrohrs 4 ein und verhindern ein Verdrehen oder Verschieben des
Umlenkmittels 11. In einem solchen Ausführungsbeispiel muss das Umlenkmittel 11, wenn
es an die Kanalwand 12 angeschlossen werden soll, über einen Kompensator 15 verfügen,
da es ansonsten durch unterschiedliche Wärmedehnungen der Kanalwand 12 und der Wärmetauscherrohre
4 zu Schäden am Umlenkmittel 11 kommen würde.
[0044] Im Betrieb wird der in Fig. 1 gezeigte Wasserabscheider-Zwischenüberhitzer 1 von
zu erhitzendem Dampf 27 durchströmt. Dabei tritt der zu erhitzende Dampf 27 im Eintrittsbereich
28 in den Zwischenüberhitzer 1 ein und strömt zunächst vertikal nach oben auf die
Auslassöffnung 31 zu. Im Bereich der Sammelkammer 7 wird der zu erhitzende Dampf 27
durch eine konusförmige Verjüngung 29 des Kanals 3 auf die Wärmetauscherrohre 4 gerichtet.
In der Folge strömt der zu erhitzende Dampf 27 quer über die Wärmetauscherrohre 4
des ringförmigen Rohrbündels 5 in den inneren unberohrten Zentralbereich 10 ein. Auf
Grund der in diesem Bereich symmetrischen Ausführung der Kanalwand 12 des Wärmetauschers
1 treffen dort gegenläufig nach innen strömende Querströmungen aufeinander und lenken
sich gegeneinander so ab, dass der Dampf 27 in der Folge vertikal nach oben aufsteigt.
Da dies erfindungsgemäß im unberohrten Zentralbereich 10 geschieht, ist bei diesem
Wärmetauscher der Reibungsverlust gegenüber einem herkömmlichen Rohrbündel mit berohrtem
Zentralbereich reduziert. Außerdem weist der erfindungsgemäße Wärmetauscher 1 zusätzlich
ein äußeres Umlenkblech 11 auf, das weitere Dampfsträhnen 30 so umlenkt, dass der
Kanal 3 auch in der Folge im Wesentlichen nicht längs sondern mäandrierend quer durchströmt
wird.
[0045] Da das Umlenkmittel 11 unterhalb einer Auslassöffnung 31 angeordnet ist, strömt der
zu erhitzende Dampf 30, nachdem er durch das Umlenkmittel 11 auf den unberohrten Zentralbereich
10 gerichtet wurde, erst nach innen und dann seitlich nach außen auf die Auslassöffnung
31 zu, über die der dann erhitzte Dampf den Zwischenüberhitzer 1 verlässt. Zur Vergleichmäßigung
der Strömung des erhitzten Dampfs ist vor der Auslassöffnung 31 ein sich vertikal
erstreckendes Lochblech 39 angeordnet. Dieses Lochblech 39 ist an Stützringen 20 angebracht.
[0046] Da die Auslassöffnung 31 etwas unterhalb der oberen Verteilkammer 6 angeordnet ist,
strömen oberhalb des Umlenkmittels 11 einige Dampfsträhnen 32 insbesondere dann vertikal
nach oben, wenn diese einen großen seitlichen Abstand zur Auslassöffnung 31 haben.
Durch die seitlich über die Wärmetauscherohre 4 überstehenden Stützbleche 20 wird
diese Längsströmung aber im Bereich des ringförmigen Rohrbündels 5 wieder aufgelöst,
so dass sich auch oberhalb des Umlenkmittels 11 eine meandrierende Querströmung bildet.
Da jedoch jede Dampfsträhne das Rohrbündel 5 wenigstens zweimal quer zur Kanallängsachse
2 durchströmen muss, spricht man bei dem in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel des
Wärmetauschers 1 von einem Zwei-Wege-Wärmetauscher.
[0047] In Fig. 7 und Fig. 8 sind zwei weitere Ausführungsbeispiele erfindungsgemäßer Wärmetauscher
1 gezeigt, in denen der Wasserdampf, wie in Fig. 7 zu erkennen, mindestens drei Querwege
über die Wärmetauscherrohre 4 zurücklegen oder wie in Fig. 8 gezeigt, mindestens viermal
die Wärmetauscherrohre 4 queren muss. Dies wird in beiden Ausführungsbeispielen dadurch
erreicht, dass äußere, bereichsweise konisch geformte Umlenkmittel 11 im Wechsel mit
inneren Umlenkmitteln 33 entlang der Kanallängsachse 2 angeordnet sind. Bei dem in
Fig. 7 gezeigten Ausführungsbeispiel genügt ein einzelnes inneres Umlenkmittel 33
und ein darüber angeordnetes äußeres Umlenkmittel 11 um drei Querströmungswege zu
erzielen, wie dies durch den Pfeil 34 symbolisiert wird. Dabei tritt der zu erhitzende
Dampf 27 zentral in der Mitte des Kanals 3 ein, da hier die unten gelegene Sammelkammer
7 ringförmig ausgeführt ist.
[0048] Bei dem in Fig. 8 gezeigten Ausführungsbeispiel tritt der zu erhitzende Wasserdampf
27 als ringförmiger Strahl zwischen der zylindrischen Außenseite der Sammelkammer
7 und der Kanalwand 12 ein. Da auch bei diesem Ausführungsbeispiel nur ein inneres
Umlenkmittel 33 vorgesehen ist, das sich jedoch zwischen zwei äußeren Umlenkmitteln
11 befindet, muss hier der zu erhitzende Dampf 27 mindestens viermal quer über das
ringförmige Rohrbündel 5 hinwegstreichen, bevor er den Wärmetauscher 1 über die Auslassöffnung
31 verlässt, wie dies durch den Pfeil 35 symbolisiert wird. Man spricht hier also
von einem Vier-Wege-Wärmetauscher.
1. Wärmetauscher (1), insbesondere dampfbeheizter Zwischenüberhitzer, mit einem sich
in einer Längsrichtung (2) erstreckenden Kanal (3), der von einem zu erhitzenden Medium
durchströmbar ist und einer Vielzahl von darin angeordneten und sich in Kanallängsrichtung
(2) erstreckenden Wärmetauscherrohren (4), die von einem Heizmedium durchströmbar
sind und die als Rohrbündel (5) zwischen wenigstens einer Verteilkammer (6) und wenigstens
einer Sammelkammer (7) angeordnet und über Rohrböden (8, 9) mit den jeweiligen Kammern
(6, 7) verbunden sind,
wobei die Wärmetauscherrohre (4) als ringförmiges Rohrbündel (5) mit einem unberohrten
Zentralbereich (10) angeordnet sind, und wobei im Kanal (3) wenigstens ein äußeres
Umlenkmittel (11) zur Erzielung einer auf den unberohrten Zentralbereich (10) gerichteten
Querströmung im zu erhitzenden Medium vorgesehen ist,
wobei von den Kammern (6, 7) wenigstens die Sammelkammer (7) einen Rohrboden (8, 9)
hat, der einen ringförmigen, berohrten Bodenbereich (16) aufweist, dessen Berohrungsmuster
mit dem des Rohrbündels (5) korrespondiert und der einen unberohrten Bodenbereich
(17) umgibt, wobei der unberohrte Bodenbereich (17) eine größere Elastizität hat als
der berohrte Bodenbereich (16), und wobei der unberohrte Bodenbereich (17) einen gewölbten
Bereich aufweist,
dadurch gekennzeichnet,
dass in der Sammelkammer (7) eine Entlüftung (18) mit einer Ansaugöffnung (19) angeordnet
ist,
wobei sich die Ansaugöffnung (19) im Bereich des gewölbten Bereichs befindet, dass
die Ansaugöffnung (19) der Entlüftung (18) zwischen maximaler Auswölbung des gewölbten
Bereichs und berohrtem Bodenbereich (16) des Rohrbodens (9) der Sammelkammer (7) angeordnet
ist, und dass der gewölbte Bereich des Rohrbodens (9) der Sammelkammer (7) in Richtung
der Verteilkammer (6) ausgewölbt ist.
2. Wärmetauscher nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass der unberohrte Zentralbereich (10) des Rohrbündels (5) eine minimale Breite hat,
die größer ist als die maximale Ringstärke des Rohrbündels (5).
3. Wärmetauscher nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass das äußere Umlenkmittel (11) ringförmig ausgebildet ist.
4. Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass das äußere Umlenkmittel (11) bereichsweise konisch geformt ist.
5. Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass sich das äußere Umlenkmittel (11) von einer Kanalwand (12) des Kanals (3) nach innen
bis wenigstens zum äußeren Umfangsbereich des Rohrbündels (5), vorzugsweise bis zu
dessen unberohrten Zentralbereich (10), erstreckt.
6. Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass das äußere Umlenkmittel (11) an der Kanalwand (12) befestigt ist.
7. Wärmetauscher nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass der unberohrte Bodenbereich (17) dünner ist als der berohrte Bodenbereich (16).
8. Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass der Rohrboden (8) der Verteilerkammer (6) und der Rohrboden (9) der Sammelkammer
(7) gleichartig ausgebildet sind.
9. Wärmetauscher nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die gewölbten Bereiche beider Rohrböden (8, 9) in gleicher Richtung ausgewölbt sind.
10. Wärmetauscher nach einem der vorangehenden Ansprüche
dadurch gekennzeichnet,
dass der unberohrte Bodenbereich (17) aus einem Pressblech besteht.
11. Wärmetauscher nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass der berohrte Bodenbereich (16) aus einem Schmiedeteil besteht.
12. Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass das äußere Umlenkmittel (11) einen Dehnungskompensator (15) zum Ausgleich unterschiedlicher
Dehnungen aufweist.
13. Wärmetauscher nach Anspruch 12,
dadurch gekennzeichnet, dass der Dehnungskompensator (15) ein Ringblech mit koaxial zu dessen Längsachse verlaufenden
Wellen aufweist.
14. Wärmetauscher nach Anspruch 12 oder 13,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Dehnungskompensator (15) aus Edelstahl besteht.
15. Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass im unberohrten Zentralbereich (10) des Rohrbündels (5) wenigstens ein inneres Umlenkmittel
(33) zur Erzielung einer Querströmung im zu erhitzenden Medium angeordnet ist.
16. Wärmetauscher nach Anspruch 15,
dadurch gekennzeichnet, dass sich das innere Umlenkmittel (33) wenigstens über den gesamten unberohrten Zentralbereich
(10) des Rohrbündels (5) erstreckt.
17. Wärmetauscher nach Anspruch 15 oder 16,
dadurch gekennzeichnet,
dass das innere Umlenkmittel (33) eine Scheibe ist.
18. Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmetauscherrohre (4) im Verlauf durch wenigstens ein ringförmiges Stützmittel
(20) quer zu ihren Längsachsen (23) abgestützt werden.
19. Wärmetauscher nach Anspruch 18,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Breite des Stützmittels (20) etwa der Ringbreite des Rohrbündels (5) entspricht.
20. Wärmetauscher nach Anspruch 18 oder 19,
dadurch gekennzeichnet,
dass an wenigstens einem Stützmittel (20) ein Umlenkmittel (11, 33) befestigt ist.
21. Wärmetauscher nach einem Ansprüche 18 bis 20,
dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Stützmittel (20) und/oder Umlenkmittel (33) an zumindest einem Wärmetauscherrohr
(4) befestigt ist.
22. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 20 bis 21,
dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Stützmittel (20) und/oder ein Umlenkmittel (33) wenigstens eine Ausnehmung
(21) zur Durchführung eines Wärmetauscherrohres (4) aufweist.
23. Wärmetauscher nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass entlang der Kanallängsrichtung (2) äußere Umlenkmittel (11) und innere Umlenkmittel
(33) im Wechsel angeordnet sind.
24. Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Wärmetauscherrohre (4) Rippenrohre sind.
25. Wärmetauscher nach Anspruch 24,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Rippen (22) quer zur Längsachse (23) des Wärmetauscherrohres (4) verlaufen.
26. Verfahren zur Herstellung eines Wärmetauschers (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
bei dem ein bestehender Wärmetauscher herkömmlicher Bauart umgebaut wird, bei dem
in einem ersten Schritt ein bestehendes Rohrbündel ausgebaut wird, in einem zweiten
Schritt die ursprünglichen Rohrböden zu Rohrböden (8, 9) nach einem der Ansprüche
7 bis 11 mit ringförmig berohrtem Bodenbereich (16) umgebaut werden und in einem dritten
Schritt ein ringförmiges Rohrbündel (5) mit neuen Wärmetauscherrohren (4) und wenigstens
ein Umlenkmittel (11, 33) zur Erzielung einer Querströmung im Wärmetauscher eingebaut
werden.
27. Verfahren nach Anspruch 26,
dadurch gekennzeichnet,
dass die neuen Wärmetauscherrohre (4) als vormontiertes Paket zusammen mit wenigstens
einem Stützmittel (20) und/oder Umlenkmittel (11, 33) und/oder wenigstens einem Rohrboden
(8, 9) eingebaut werden.
1. A heat exchanger (1), in particular a steam-heated reheater, having a channel (3),
extending in a longitudinal direction (2), which is permeable by a medium to be heated,
and a plurality of heat exchanger pipes (4), situated therein and extending in the
channel longitudinal direction (2), which are permeable by a heating medium and which
are situated as a pipe bundle (5) between at least one distribution chamber (6) and
at least one collection chamber (7), and are connected via pipe floors (8, 9) to the
particular chambers (6, 7),
with the heat exchanger pipes (4) being situated as an annular pipe bundle (5) having
a central area (10), which is free of pipes, and at least one external deflection
means (11) being provided in the channel (3) to achieve a transverse flow, directed
onto the central area (10), which is free of pipes, in the medium to be heated,
with at least the collection chamber (7), of the chambers (6, 7), having a pipe floor
(8, 9) which has an annular, piped floor area (16), whose piping pattern corresponds
to that of the pipe bundle (5) and which encloses a floor area (17) which is free
of pipes, with the floor area (17), which is free of pipes, having a greater elasticity
than the piped floor area (16), and the floor area (17) which is free of pipes having
an arched area,
characterized in that a ventilator (18) having an intake opening (19) is situated in the collection chamber
(7), the intake opening (19) being located in the area of the arched area, the intake
opening (19) of the ventilator (18) is situated between the maximum arch of the arched
area and the piped floor area (16) of the piped floor (9) of the collection chamber
(7), and the arched area of the piped floor (9) of the collection chamber (7) is arched
in the direction of the distribution chamber (6).
2. The heat exchanger according to Claim 1,
characterized in that
the central area (10), which is free of pipes, of the pipe bundle (5) has a minimum
width which is greater than the maximum ring thickness of the pipe bundle (5).
3. The heat exchanger according to Claim 1 or 2,
characterized in that
the external deflection means (11) is implemented as annular.
4. The heat exchanger according to one of the preceding claims,
characterized in that
the external deflection means (11) is regionally conical.
5. The heat exchanger according to one of the preceding claims,
characterized in that
the external deflection means (11) extends from a channel wall (12) of the channel
(3) inward up to at least the external peripheral area of the pipe bundle (5), preferably
up to its central area (10), which is free of pipes.
6. The heat exchanger according to one of the preceding claims,
characterized in that
the external deflection means (11) is fastened on the channel wall (12).
7. The heat exchanger according to one of the preceding claims,
characterized in that
the floor area (17), which is free of pipes, is thinner than the piped floor area
(16).
8. The heat exchanger according to one of preceding claims,
characterized in that
the piped floor (8) of the distributor chamber (6) and the pipe floor (9) of the collection
chamber (7) are implemented similarly.
9. The heat exchanger according to one of the preceding claims,
characterized in that
the arched areas of both pipe floors (8, 9) are arched in the same direction.
10. The heat exchanger according to one of the preceding claims,
characterized in that
the floor area (17), which is free of pipes, comprises a pressed metal plate.
11. The heat exchanger according to one of preceding claims,
characterized in that
the piped floor area (16) comprises a forged part.
12. The heat exchanger according to one of the preceding claims,
characterized in that
the external deflection means (11) has an expansion compensator (15) to compensate
for various expansions.
13. The heat exchanger according to Claim 12,
characterized in that
the expansion compensator (15) has an annular plate having waves running coaxially
to its longitudinal axis.
14. The heat exchanger according to Claim 12 or 13,
characterized in that
the expansion compensator (15) comprises stainless steel.
15. The heat exchanger according to one of the preceding claims,
characterized in that
at least one internal deflection means (33), to achieve a transverse flow in the medium
to be heated, is situated in the central area (10), which is free of pipes, of the
pipe bundle (5).
16. The heat exchanger according to Claim 15,
characterized in that
the internal deflection means (33) extends at least over the entire central area (10),
which is free of pipes, of the pipe bundle (5).
17. The heat exchanger according to Claim 15 or 16,
characterized in that
the internal deflection means (33) is a disk.
18. The heat exchanger according to one of the preceding claims,
characterized in that
the heat exchanger pipes (4) are supported in their course transversely to their longitudinal
axes (23) by at least one annular support means (20).
19. The heat exchanger according to Claim 18,
characterized in that
the width of the support means (20) approximately corresponds to the annular width
of the pipe bundle (5).
20. The heat exchanger according to Claim 18 or 19,
characterized in that
a deflection means (11, 33) is fastened on at least one support means (20).
21. The heat exchanger according to one of Claims 18 through 20,
characterized in that
at least one support means (20) and/or deflection means (33) are fastened on at least
one heat exchanger pipe (4).
22. The heat exchanger according to one of Claims 20 through 21,
characterized in that
at least one support means (20) and/or one deflection means (33) have at least one
opening(21) for the passage of a heat exchanger pipe (4).
23. The heat exchanger according to one of the preceding claims,
characterized in that
external deflection means (11) and internal deflection means (33) are situated alternately
along the channel longitudinal direction (2).
24. The heat exchanger according to one of the preceding claims,
characterized in that
the heat exchanger pipes (4) are ribbed pipes.
25. The heat exchanger according to Claim 24,
characterized in that
the ribs (22) run transversely to the longitudinal axis (23) of the heat exchanger
part (4).
26. A method for producing a heat exchanger (1) according to one of the preceding claims,
wherein an existing heat exchanger of typical construction is rebuilt, an existing
pipe bundle is uninstalled in a first step, the original pipe floors are rebuilt into
pipe floors (8, 9) according to one of Claims 7 through 11 having annular piped floor
area (16) in a second step, and an annular pipe bundle (5) having new heat exchanger
pipes (4) and at least one deflection means (11, 33) to achieve a transverse flow
in the heat exchanger are installed in a third step.
27. The method according to Claim 26,
characterized in that
the new heat exchanger pipes (4) are installed as a prefinished assembly together
with it least one support means (20) and/or deflection means (11, 33) and/or at least
one pipe floor (8, 9).
1. Échangeur de chaleur (1), en particulier surchauffeur intermédiaire chauffé à la vapeur,
avec un canal (3) s'étendant dans le sens longitudinal (2) qui peut être parcouru
par un fluide à chauffer et avec une pluralité de tubes d'échangeur de chaleur (4)
disposés dans celui-ci et s'étendant dans le sens longitudinal du canal (2), qui peuvent
être parcourus par un fluide caloporteur et qui sont disposés sous forme de faisceaux
de tubes (5) entre au moins une chambre de distribution (6) et au moins une chambre
de collecte (7) et sont reliés par des plaques tubulaires (8, 9) avec les différentes
chambres (6, 7),
dans lequel les tubes d'échangeur de chaleur (4) sont disposés sous la forme d'un
faisceau de tubes (5) annulaire avec une zone centrale sans tubes (10), et dans lequel
est prévu dans le canal (3) au moins un moyen de déviation externe (11) pour obtenir
un écoulement transversal dirigé vers la zone centrale sans tubes (10) dans le fluide
à chauffer,
dans lequel, parmi les chambres (6, 7), la chambre de collecte (7) au moins possède
une plaque tubulaire (8, 9) présentant une zone de plaque (16) annulaire pourvue de
tubes où la disposition des tubes correspond à celle du faisceau de tubes (5) et qui
entoure une zone de plaque sans tubes (17), laquelle zone de plaque sans tubes (17)
a une plus grande élasticité que la zone de plaque pourvue de tubes (16), et dans
lequel la zone de plaque sans tubes (17) présente une zone bombée,
caractérisé en ce
qu'il est prévu dans la chambre de collecte (7) une purge d'air (18) avec une ouverture
d'aspiration (19), laquelle ouverture d'aspiration (19) se trouve au niveau de la
zone bombée, en ce que l'ouverture d'aspiration (19) de la purge d'air (18) se situe
entre le bombement maximal de la zone bombée et la zone de plaque pourvue de tubes
(16) de la plaque tubulaire (9) de la chambre de collecte (7), et en ce que la zone
bombée de la plaque tubulaire (9) de la chambre de collecte (7) est bombée en direction
de la chambre de distribution (6).
2. Échangeur de chaleur selon la revendication 1,
caractérisé en ce
que la zone centrale sans tubes (10) du faisceau de tubes (5) a une largeur minimale
plus grande que la largeur maximale de l'anneau du faisceau de tubes (5).
3. Échangeur de chaleur selon la revendication 1 ou 2,
caractérisé en ce
que le moyen de déviation externe (11) est en forme d'anneau.
4. Échangeur de chaleur selon l'une des revendications précédentes,
caractérisé en ce
que le moyen de déviation externe (11) a une forme conique par endroits.
5. Échangeur de chaleur selon l'une des revendications précédentes,
caractérisé en ce
que le moyen de déviation externe (11) s'étend d'une paroi (12) du canal (3) vers l'intérieur
jusqu'au moins à la zone de circonférence extérieure du faisceau de tube (5), de préférence
jusqu'à la zone centrale sans tubes (10) de celui-ci.
6. Échangeur de chaleur selon l'une des revendications précédentes,
caractérisé en ce
que le moyen de déviation externe (11) est fixé sur la paroi (12) du canal.
7. Échangeur de chaleur selon l'une des revendications précédentes,
caractérisé en ce
que la zone de plaque sans tubes (17) est plus mince que la zone de plaque pourvue de
tubes (16).
8. Échangeur de chaleur selon l'une des revendications précédentes,
caractérisé en ce
que la plaque tubulaire (8) de la chambre de distribution (6) et la plaque tubulaire
(9) de la chambre de collecte (7) sont de conformation identique.
9. Échangeur de chaleur selon l'une des revendications précédentes,
caractérisé en ce
que les zones bombées des deux plaques tubulaires (8, 9) sont bombées dans le même sens.
10. Échangeur de chaleur selon l'une des revendications précédentes,
caractérisé en ce
que la zone de plaque sans tubes (17) est faite d'une tôle emboutie.
11. Échangeur de chaleur selon l'une des revendications précédentes,
caractérisé en ce
que la zone de plaque pourvue de tubes (16) est faite d'une pièce forgée.
12. Échangeur de chaleur selon l'une des revendications précédentes,
caractérisé en ce
que le moyen de déviation externe (11) présente un compensateur de dilatation (15) pour
compenser les dilatations différentes.
13. Échangeur de chaleur selon la revendication 12,
caractérisé en ce
que le compensateur de dilatation (15) présente une tôle annulaire avec des ondulations
coaxiales par rapport à son axe longitudinal.
14. Échangeur de chaleur selon la revendication 12 ou 13,
caractérisé en ce
que le compensateur de dilatation (15) est fait d'acier inoxydable.
15. Échangeur de chaleur selon l'une des revendications précédentes,
caractérisé en ce
qu'il est prévu dans la zone centrale sans tubes (10) du faisceau de tubes (5) au moins
un moyen de déviation interne (33) pour obtenir un écoulement transversal dans le
fluide à chauffer.
16. Échangeur de chaleur selon la revendication 15,
caractérisé en ce
que le moyen de déviation interne (33) s'étend au moins sur toute la zone centrale sans
tubes (10) du faisceau de tubes (5).
17. Échangeur de chaleur selon la revendication 15 ou 16,
caractérisé en ce
que le moyen de déviation interne (33) est une plaque.
18. Échangeur de chaleur selon l'une des revendications précédentes,
caractérisé en ce
que les tubes d'échangeur de chaleur (4) sont soutenus sur leur longueur perpendiculairement
à leurs axes longitudinaux (23) par au moins un moyen de soutien (20) annulaire.
19. Échangeur de chaleur selon la revendication 18,
caractérisé en ce
que la largeur du moyen de soutien (20) correspond approximativement à la largeur de
l'anneau du faisceau de tubes (5).
20. Échangeur de chaleur selon la revendication 18 ou 19,
caractérisé en ce
qu'un moyen de déviation (11, 33) est fixé à au moins un moyen de soutien (20).
21. Échangeur de chaleur selon l'une des revendications 18 à 20,
caractérisé en ce
qu'au moins un moyen de soutien (20) et/ou moyen de déviation (33) sont fixés à au moins
un tube d'échangeur de chaleur (4).
22. Échangeur de chaleur selon l'une des revendications 20 à 21,
caractérisé en ce
qu'au moins un moyen de soutien (20) et/ou un moyen de déviation (33) présentent au moins
un évidement (21) pour le passage d'un tube d'échangeur de chaleur (4).
23. Échangeur de chaleur selon l'une des revendications précédentes,
caractérisé en ce
qu'il est prévu le long de l'axe longitudinal du canal (2) des moyens de déviation externes
(11) et des moyens de déviation internes (33) alternés.
24. Échangeur de chaleur selon l'une des revendications précédentes,
caractérisé en ce
que les tubes d'échangeur de chaleur (4) sont des tubes à ailettes.
25. Échangeur de chaleur selon la revendication 24,
caractérisé en ce
que les ailettes (22) sont perpendiculaires à l'axe longitudinal (23) du tube d'échangeur
de chaleur (4).
26. Procédé pour la fabrication d'un échangeur de chaleur (1) selon l'une des revendications
précédentes, dans lequel un échangeur de chaleur existant de construction usuelle
est modifié, dans lequel, dans une première étape, un faisceau de tubes existant est
démonté, dans une deuxième étape les plaques tubulaires d'origines sont modifiées
en plaques tubulaires (8, 9) selon l'une des revendications 7 à 11 avec une zone de
plaque pourvue de tubes (16) annulaire et dans une troisième étape, un faisceau de
tubes (5) annulaire avec des nouveaux tubes d'échangeur de chaleur (4) et au moins
un moyen de déviation (11, 33) pour obtenir un écoulement transversal dans l'échangeur
de chaleur est mis en place.
27. Procédé selon la revendication 26,
caractérisé en ce
que les nouveaux tubes d'échangeur de chaleur (4) sont montés sous la forme d'un paquet
pré-assemblé avec au moins un moyen de soutien (20) et/ou moyen de déviation (11,
33) et/ou au moins une plaque tubulaire (8, 9).
IN DER BESCHREIBUNG AUFGEFÜHRTE DOKUMENTE
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