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Anordnung, bestehend aus einer massiven Wärmequelle, welche über Leitungen mit von ihr abgesonderten Wärmeverbrauchern verbunden ist
Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung, welche eine massive Wärmequelle, beispielsweise einen Kernreaktor, und Wärmeverbraucher, beispielsweise einen oder mehrere Wärmeaustauscher aufweist, die mit der Temperaturschwankungen unterworfenen Wärmequelle verbunden sind, wodurch Probleme der thermischen Expansion auftreten.
Bisher wurden Kernreaktoren mit einem geschlossenen Kühlmittelkreislauf ausgerüstet, der eine Einlassleitung zu dem ortsfest am Boden angeordneten Druckgefäss des Reaktors und eine davon unabhängige Auslassleitung aufwies, und bei denen ferner ein Wärmeaustauscher, der gleichfalls fest am Boden angeordnet war und in den Kreislauf der Ein- und Auslassleitungen eingeschaltet war, sowie eine Einrichtung zum Hervorrufen der Kühlmittelbewegung in diesem Kreislauf vorgesehen waren.
Wegen des Temperaturunterschiedes zwischen der kühleren Einlassleitung und der heissen Auslassleitung und der damit zusammenhängenden thermischen Expansion treten Schwierigkeiten auf, welche lediglich durch Anordnung von Dehnungsverbindern in jeder Leitung überwunden werden konnten, womit die ungleiche Expansion der Lei- tungen ohne erhebliche Beanspruchungen dieser, des Wärmeaustauschers und des Druckgefässes ausgeglichen werden konnten.
Ein weiterer Nachteil der Anordnung getrennter Leitungen liegt in der Tatsache, dass die das heisse Mittel führende Leitung entweder aus hitzebeständigem Material bestehen oder mit wär-
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meaustauschers ober dem Druckgefäss zu lösen, wobei ein durch das Druckgefäss des Reaktors gerade nach oben zumWarmeaustauscher flieBenderKuhImittelstrom erreicht wurde und das Zurückfliessen nach unten innerhalb einer sowohl das Druckgefäss als auch den Wärmeaustauscher enthaltenden Umhüllung erfolgte.
Diese Anordnung bringt jedoch neue Schwierigkeiten mit sich, darunter jene der hinreichenden Abschirmung und der Notwendigkeit des Beaufschlagen und Regelns des Reaktors von unten her. Darüberhinaus wurde die ganze Anordnung so hoch, dass wegen der erforderlichen Festigkeit eine sehr massive und kräftige Trageinrichtung notwendig wurde.
Der Erfindung liegt ganz allgemein die Aufgabe zugrunde, eine Wärmequelle und einenwärmever- braucher grosser Masse, die miteinander durch Leitungen verbunden sind, samt diesen Leitungen so zu lagern und anzuordnen, dass alle Verschiebungen dieser Teile, die sich im Laufe des Arbeitsprozesses ergeben, von den Lagerungen ohne besondere zusätzliche Beanspruchungen aufgenommen werden können. Ein
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sich darum, grosse Massen, die um eine Achse drehbar sind, und die die drehbaren Teile umschliessenden Gehäuse derart zu lagern, dass die im Betrieb auftretenden Wärmeschwankungen und damit verbundenen Dehnungen die Lager nicht beanspruchen.
Da natürlich die einzige Achse zur Stützung der gesamten Masse nicht ausreicht, hat man am Umfang dieser Massen und der Geh use koaxial zu der Drehachse Kugel-,
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Rollen- u. dgl. Lager angeordnet, die eine allseitige Dehnung radial zu der Drehachse zulassen.
Diese bekannte Lagerung wurde im vorliegenden Fall für die Lagerung der Wärmequelle in einer Anordnung, die aus einer massiven Wärmequelle und einem mit dieser über Leitungen verbundenen, von der Wärmequelle abgesonderten W rmeverbraucher besteht, verwendet. Demnach ist bei dieser Anordnung die Wärmequelle, insbesondere das Druckgefäss des Kernreaktors, in Haltevorrichtungen gelagert, die am Umfang der Wärmequelle angreifen und bei Temperaturschwankungen eine Ausdehnung oder Zusammenziehung dieser Wärmequelle in radialer Richtung hinsichtlich einer festen Achse der Wärmequelle ermög- lichen.
Weiters sind nun bei dieser Anordnung erfindungsgemäss Haltevorrichtungen für die Wärmeverbraucher vorgesehen, die eine von der Ausdehnung der Wärmequelle, der Verbindungsleitungen und der Wärmeverbraucher selbst verursachte Bewegung der letzteren ermöglichen. Dabei sind die Halteeinrichtungen der Wärmequelle und der Wärmeverbraucher in ein und derselben Ebene angeordnet, die normal zu der Achse der Wärmequelle steht und in der auch die Achsen der Verbindungsleitungen liegen.
Das die Wärmequelle und die Wärmeverbraucher verbindende Glied besteht vorzugsweise aus koaxialen Leitungen, die Zweiwegverbindungen bilden. Der innere Kanal jeder Leitung ist insbesondere der Ausströmkanal der Wärmequelle.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind sowohl für den inneren als auch für den äusseren Kanal Ventile vorgesehen.
Soferne der Wärmeverbraucher ein Wärmeaustauscher ist und ein Zirkulator für das Umwälzen des Wärmeübertragungsmittels zwischen der Wärmequelle und dem Wärmeaustauscher verwendet wird, ist der Zirkulator vorzugsweise innerhalb des Gehäuses des Wärmeaustauschers angeordnet.
Die Halteeinrichtung für die Wärmequelle weist Tragelemente an ihrem äusseren Umfang auf und es ruhen Ansätze der Wärmequelle auf von den Tragelementen unterstützen Walzen auf, deren Achsen praktisch unter rechtem Winkel zu den jeweiligen, durch die Achse der Wärmequelle gehenden Radius stehen.
Statt Walzen können auch Kugeln oder Differentialwalzenanordnungen verwendet werden.
Die Halteeinrichtung für die Wärmeverbraucher istnach eiDem weiterenMerkmal der Erfindung ebenso gebaut wie jene für die Wärmequelle, es liegen jedoch die Achsen der Walzen praktisch unter rechtem Winkel zu einer Linie, welche die jeweilige Walze schneidet und durch die Achse der Wärmequelle hindurchgeht. Statt Walzen können auch hier Kugeln oder Differentialwalzenanordnungen benützt werden.
Zum besseren Verständnis der Erfindung wird dieselbe nun an Hand der Zeichnungen für eine beispielsweise Anordnung des Erfindungsgegenstandes näher erläutert werden.
Fig. 1 stellt einen teilweisen Aufriss des Erfindungsgegenstandes im Schnitt und in der Richtung des Pfeiles 1 in Fig. 2 dar, Fig. 2 einen Grundriss bzw. Schnitt längs der Linie H-II in Fig. 1. Fig. 3 zeigt im Schnitt und in grösserem Massstab die Halteeinrichtung für die Wärmequelle, Fig. 4 eine Variante dieser Halteeinrichtung, wie sie für die mit der Wärmequelle verbundene Vorrichtung verwendet wird. Fig. 5 ist eine schematische Darstellung einer Variante -der Tragelemente im Mittelschnitt. Fig. 6 zeigt im Aufriss und Schnitt eine Anordnung des Erfindungsgegenstandes für besondere Anwendungszwecke und Fig. 7 einen Grundriss desselben im Schnitt längs der Linie VII-VII in Fig. 6.
Die in den Fig. 1 - 4 gezeigte Konstruktion, die beispielsweise für eine Anordnung verwendbar ist, die aus einer massiven Wärmequelle und einem oder mehreren massiven, mit dieser in Verbindung stehenden Wärmeaustauschern besteht, sieht eine massive Wärmequelle 1 mit im allgemeinen zylinderförmiger Wand vor, die eine Anzahl, u. zw. wie beispielsweise in Fig. 2 dargestellt, acht am Umfang verteilt angeordnete Ansätze 2 mit Verstärkungsleisten oder Rippen 3 aufweist. Jeder der auf einem ringförmigen Träger 5 angeordneten Sockel 4 besitzt einen Teil 6 (s. insbesondere Fig. 3), der Walzen 7 trägt, auf denen die betreffenden Ansätze 2 aufruhen, unter Zwischenschaltung eines an dem jeweiligen Ansatz 2 angreifenden Teiles 8, der eine gekrümmte obere Fläche besitzt.
Um einen Lastausgleich zu bewirken, ist zwischen den Sockeln 4 und den zugeordneten Teilen 6 ein gewellter, vorzugsweise aus elastischem Blech bestehender Körper 9 angeordnet. Die Achsen der Walzen 7 stehen senkrecht auf jenem Radius A (Fig. 2) durch die Achse 10 der Wärmequelle, welcher die jeweilige Walze 7 schneidet.
Die Wärmequelle 1 ist mit einem oder mehreren Wärmeaustauschern 11, von denen zwei in Fig. 2 dargestellt sind, durch koaxiale Leitungen verbunden, die je einen inneren Kanal 13 für die Förderung des Wärmeübertragungsmittels von der Wärmequelle 1 zum Wärmeaustauscher 11 bzw. zu den Wärmeaustauschern und einen äusseren Kanal 14 zur Rückleitung des Wärmeübertragungsmittels zur Wärmequelle 1 aufweisen. Die gemeinsame Achse der Leitung 12 (B in Fig. 1) liegt in einer Ebene mit den Tragelementen der Wärmequelle 1, d. h. in jener Ebene, die die unteren Flächen der Teile 8 enthält.
Der oder die Wärmeaustauscher 11 besitzen im allgemeinen zylindrische Wände und über den Umfang verteilte Ansätze 15, von denen beispielsweise vier je Wärmeaustauscher in Fig. 2 dargestellt sind.
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Die Ansätze weisen Leisten oder Rippen 16 auf, in ähnlicher Ausführung wie die Ansätze 2 der Wärmequelle 1. Die Ansätze 15 ruhen unter Zwischenschaltung von Teilen 17, die den Teilen 8 entsprechen, auf Walzen 18 auf, die ihrerseits von Sockeln 19 auf einem ringförmigen Träger 20 (der aus einem Stück mit dem Träger 5 bestehen kann) unter Zwischenschaltung von Lastausgleichselementen 21 und 22 (Fig. 4) gehalten werden. Gegebenenfalls kann auch die in Fig. 3 dargestellte Halteanordnung für den Lastausgleich des oder der Wärmeaustauscher 11 herangezogen werden, indem die Teile 6 und 9 in Fig. 3 an Stelle der Teile 21 und 22 in Fig. 4 verwendet werden.
Die Tragebene des oder der Wärmeaustauscher 11, also die die unteren Flächen der Teile 17 enthaltende Ebene (B in Fig. 1) enthält auch die gemeinsame Achse der Leitungen 12 und es liegt die Achse jeder Walze 18 senkrecht zu einer radialen Linie (beispielsweise C in Fig. 2), die von der Achse 10 der Wärmequelle 1 ausgeht und die jeweilige Walze 18 in ihrer Mitte schneidet. Dadurch sind die Walzen 7 derart ausgerichtet, dass sich die Wärmequelle radial nach aussen dehnen kann, und die Ausrichtung der Walzen 18 ermöglicht eine radiale Expansion der Warmequelle und die entsprechende körperliche Bewegung des oder der Wärmeaustauscher 11 einschliesslich der eigenen, radialen Expansion des oder der Wärmeaustauscher. Gleiches gilt selbstverständlich auch für die in umgekehrter Richtung erfolgenden Kontraktionen.
Darüber hinaus wird durch die Anordnung der Tragebene der Wärmequelle 1, der Tragebenen des oder der Wärmeaustauscher 11 und der gemeinsamen Achse der Leitungen 12 in ein und derselben Ebene erreicht, dass unerwünschte Beanspruchungen auf Grund
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Bei einer andern Ausführungsform der Trageinrichtung können statt der Walzen 7 als Tragelemente für die Wärmequelle Kugeln verwendet werden. Diese Ausführungsform ist in Fig. 2 durch die strichpunktierte Darstellung von Kugeln 35 wiedergegeben. Natürlich können Kugeln auch als Tragelemente für den oder die Wärmeaustauscher 11 an Stelle von Walzen 18 angeordnet sein. (S. beispielsweise Fig. 2,
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Kugeln 36.) Eine noch andere Möglichkeit für die Ausbildungentnehmen und besteht aus einer Reihe von Walzen 37, einer Reihe von Walzen 38 und einer Zwischenoder Ausgleichsplatte 39. wobei die Achsen der Walzen der einen Reihe senkrecht auf jene der andern Reihe stehen.
Jedes derartige Aggregat kann die Walzen 7 oder die Kugeln 35 als Tragelement der Wärmequelle 1 oder die Walzen 18 bzw. die Kugeln 36 als Tragelement des bzw. der Wärmeaustauscher 11 ersetzen. Der Vorteil der Verwendung von Kugeln oder Differentialwalzenaggregaten liegt in der Möglichkeit des Ausgleiches differenzierter Expansion bzw. Kontraktion, also wenn beispielsweise einer oder einige Wärmeaustauscher 11 von der mit den andern Wärmeaustauschern verbundenen Wärmequelle 1 isoliert wären.
In Fig. 6 und 7 ist die Anwendung des Erfindungsgegenstandes auf einen Kernreaktor als Wärmequelle dargestellt und es ist die Bauweise grundsätzlich ähnlich derjenigen, die in den Fig. 1 - 5 gezeigt wurde.
Ein Kernreaktor 23 bildet die Wärmequelle und ist in einem Druckgefäss 24 eingeschlossen, welches Ansätze 25 mit Verstärkungslaschen bzw. -rippen 26 aufweist und in ähnlicher Weise wie dies im Zusammenhang mit den Fig. 1, 2 und 3 oder 5 beschrieben wurde, durch Walzen, Kugeln oder Differentialwalzenaggregate gehalten wird. Diese ruhen über Lastausgleichsvorrichtungen auf nicht dargestellten Sockeln auf, die ihrerseits von einem ringförmigen Rand 27 als Teil des üblicherweise aus verstärktem Beton hergestellten Gehäuses 28 abstehen.
Das Druckgefäss 24 ist mittels koaxialer Leitungen 29, welche mit Schnüffelventilen 40 für den äusseren Kanal, und mit Klappenventilen41 fUr deninnerenKanal ausgerüstet, sind, mit vier Wärmeaustauschern 30 verbunden, die ihrerseits innerhalb des Gehäuses 28 angeordnet sind und mittels mit Verstärkungsleisten oder Rippen 32 versehenen Ansätzen 31, Walzen, Kugeln oder Diffe- rentialwalzenaggregaten, Lastausgleichseinrichtungen und nicht dargestellten Sockeln getragen werden.
Die Sockeln sitzen auf einer ringförmigen Kante 32 des Gehäuses 28 in ähnlicher Weise auf, wie dies für den Wärmeaustauscher bzw. die Wärmeaustauscher 11 an Hand der Fig. 1, 2 und 4 bzw. 5 beschrieben worden ist. Die Tragebenen des Druckgefässes 24 und der Wärmeaustauscher 30 sowie die Achsen der Leitungen 29 liegen in einer gemeinsamen Ebene, welche durch die Linie D in Fig. 6 angedeutet ist. Das gasförmige Kühlmittel wird zwischen dem Reaktor 23 und den Wärmeaustauschern 30 mittels eines innerhalb des Körpers jedes Wärmeaustauschers 30 angeordneten Zirkulators in Umlauf gehalten, dessen Antriebsorgan in einem Gehäuse 34 untergebracht ist, welches nach unten hin fest an dem Wärmeaustauscher angeschlossen ist.
Das Kühlmittel wird vorzugsweise durch die äusseren Kanäle der Leitungen 29 in das Druckgefäss 24 gefördert, in welchem es sich in Berührung mit dessen zylindrischer Wand nach unten bewegt und hierauf nach oben über Brennstoffelemente im Kern des Reaktors in eine Heisskammer innerhalb des Druckgefässes gefördert wird. Sodann strömt es längs der inneren Kanäle der Leitungen 29 (die an die
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Heisskammer mittels Expansionsverbindern angeschlossen sind) und weiter aufwärts durch die Wärmeab- nahmeeinrichtung desWarmeaustauschers 30 und nach unten in Kontakt mit den Zylinderwänden des Wärmeaustauschers 30 zu dem jeweiligenZirkulator. Die Schnüffelventile 40 und die Klappenventile 41 können zur Isolierung einzelner oder aller Wärmeaustauscher 30 gegen das Druckgefäss 24 dienen.
Die innerenKanäle sind ausgekleidet, um Wärmeverluste an die andeinkauäle weitestgehend herabzusetzen.
Der Hauptvorteil der Anwendung koaxialer Leitungen liegt in ihrer grösseren Sicherheit aber auch darin, dass dadurch das mechanische Problem, welches bei Verwendung getrennter Kanäle auftritt, gelöst ist. Der zur Förderung heissen Kühlmittels bestimmte innere Kanal der koaxialen Leitungen hat nur eine geringe Druckdifferenz auszuhalten. Da der grössere Druck an der Aussenseite angreift, würde ein Defekt an der wärmeisolierenden Auskleidung und infolgedessen ein Bruch der Kanalwandung zu einem Ausfliessen von kaltem Gas nach innen fuhren mit der weiteren Folge, dass die Haltbarkeit der Hauptdruckmembranen nicht gefährdet wird.
Da die das heisse Mittel fördernden inneren Kanäle nicht mit den Haupttragorganen verbunden, sondern lediglich über Expansionsverbinder an eine Heisskammer und an Wärmeaustauscherelemente angeschlossen sind und ferner weil dièse Kanäle gänzlich innerhalb von Überdruck enthaltenden Elementen liegen, ist der gleiche hohe Grad von Dichtheit nicht nötig und es können mechanische Verbinder und wärmefestes Material ohne übermässige Schwierigkeiten verwendet werden.
Eine Defektstelle der Auskleidung der inneren Kanäle würde wahrscheinlich nicht zum Bruch des betreffenden Heissgaskanales führen, weil die Druckdifferenz ausserordentlich gering ist und weil ausserdem die Kühlwirkung. die von den äusseren Kanälen ausgeübt wird, voraussichtlich viel wirkungsvoller ist als bei Verwendung getrennter Kanäle.
Es leuchtet ferner ein, dass die Gewichtsbeanspruchung des Druckgefässes des Reaktors durch die Trageinrichtung desselben günstiger gestaltet ist. Wenn nämlich ein Reaktordruckgefäss an seinem Boden oder nahe desselben durch eine Einfassung getragen wird, tritt die Belastung des Gefässes infolge des Gewichtes seiner Wände und des Gewichtes der damit oberhalb der tragenden Einfassung verbundenen Teile, beispielsweise Leitungen, Auslassstandrohre usw., als Druckbelastung in Erscheinung, die zu einer radialen Ausbiegung des Gefässes führen kann. Wird jedoch das Druckgefäss nahe seinem Oberteil und in einer Ebene unterstützt, welche die gemeinsame Achse der koaxialen Leitungen enthält, wird das Gefäss im Bereich der Stützen wegen des Gewichtes des Kesselteiles unterhalb der Stützen einer Zugbelastung ausgesetzt.
Diese Belastung wird durch das Gewicht von Teilen innerhalb des Druckgefässes, beispielsweise Motorator, Reflektor, Brennstoffelemente, innerer Neutronenschirm (s. beispielsweise belgische Patentschrift Nr. 57659 vergrössert, welche Teile entweder in einem Gestell an jenem Teil desGefässes aufgehängt sein können, welcher die Stützen trägt oder sie können in einem Gitter montiert sein, welches mittels Stützen am inneren Boden des Gefässes gehalten ist. Das Gefäss kann aber zur Aufnahme einer derartigen Zugbeanspruchung gebaut sein, u. zw. indem beispielsweise die Wandstärke In der Zone der Stützen, an denen die Aufhängung der inneren Lasten erfolgt, vergrössert wird. so dass der grössere Teil des Gefässes nicht der Gefahr einer radialen Ausbiegung (Ausbauchung) unterliegt.
Das Gefäss wird dann im Bereich der
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durch dieselben hindurchgehenden Eintrittsstandrohre ausgesetzt. Da diese Belastung im Vergleich zur Zugbelastung klein ist, kann dieselbe leicht durch Verstärkung des Gefässes in der fraglichen Zone aufgenommen werden und es ist keine radiale Ausbauchung des letzteren zu befürchten.
PATENTANSPRÜCHE:
1. Anordnung. bestehend aus einer massiven Warmequelle, z. B. dem Druckgefäss eines Kernreaktors, welche über Leitungen mit von ihr abgesonderten Wärmeverbrauchern, z. B. mit einem oder mehreren Wärmeaustauschern, verbunden ist, und einer am Umfang der Wärmequelle angreifenden Halteeinrichtung für dieselbe, die bei Temperaturschwankungen eine Ausdehnung oder Zusammenziehung in radialer Richtung bezüglich einer festen Achse der Wärmequelle zulässt, gekennzeichnet, durch Halteeinrich- tungen (15-22' ; 31,32) für die Wärmeverbraucher (11 ;
30), die eine von der Ausdehnung oder Zusammen - ziehung der Wärmequelle (1 ; 24) der Verbindangsleitungen (12 ; 29) und der Wärmeverbraucher selbst verursachte Bewegung der letzteren ermöglichen, ferner durch Anordnung der Halteeinrichtungen der Wärmequelle und der Halteeinrichtungen der Wärmeverbraucher in ein-und derselben, normal zur Achse (10) der Wärmequelle stehenden Ebene (B ; D), in der gleichzeitig die Achsen der Verbindungsleitungen angeordnet sind.