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Die Erfindung betrifft einen Dampferzeuger, insbesondere für Druckwasser-Kernkraftwerke, mit einem aufrechten, im wesentlichen zylindrischen Druckgefäss, einem stehenden, U-förmigen, in einem unteren
Rohrboden eingesetzten Rohrbündel für das Heizmedium, wenigstens einer Speisewasserzuführungsleitung, einem vom Verdampfungsraum getrennten, zwischen den beiden Rohrbündelschenkeln liegenden zentralen Fallraum für den Wasserumlauf und Wasserabscheider oberhalb des Verdampfungsraumes.
Bisher wird in Dampferzeugern mit einem Fallraum meist der Verdampfungsraum von einer zylindrischen
Trennwand umgeben, so dass zwischen dem Druckgefässmantel und dieser Trennwand ein ringförmiger Fallraum für das Umlaufwasser entsteht. Dabei dient zur Einspeisung des Wassers eine Ringleitung im oberen Bereich des
Fallraumes. Um den Wasserumlauf zu sichern, endet die zylindrische Trennwand knapp oberhalb des
Rohrbodens, der das Heizrohrbündel trägt, so dass der Fallraum mit dem Verdampfungsraum verbunden ist. Der
Verdampfungsraum selbst nimmt das gesamte Heizrohrbündel auf, d. h. in diesem Raum verlaufen sowohl der aufsteigende als auch der absteigende Ast des U-förmigen Rohrbündels. Damit das Speisewasser nur von unten in den Verdampfungsraum eindringen kann, ragt die Trennwand über den Wasserspiegel hinaus.
Oberhalb des
Verdampfungsraumes sind dann üblicherweise Wasserabscheider, Dampftrockner, Dampfüberhitzer od. dgl. angeordnet.
Diese in mehreren Variationen bekannte Bauweise bringt nun bedeutende Nachteile mit sich, die es gilt zu verbessern. Die Notwendigkeit der hohen Trennwand, die Einspeisung des Wassers über eine Ringleitung und die dadurch bedingte Durchmesservergrösserung und Verlängerung des Druckgefässmantels bringt eine erhebliche
Steigerung der Bauhöhe und des Konstruktionsaufwandes mit sich. Der wesentlichste Nachteil wird aber in dem instabilen Betriebsverhalten gesehen, das durch den vom Verdampfungsraum getrennten, ringförmigen Fallraum einerseits und der Führung beider Rohrbündeläste in einem gemeinsamen Verdampfungsraum anderseits entstehen kann.
Durch die Wärmeabgabe des Heizmediums an das Speisewasser im Verdampfungsraum entstehen nämlich unterschiedliche Temperaturverläufe entlang der Rohrstränge, d. h. es ist, grob gesprochen, ein heisser aufsteigender Ast und ein kühlerer absteigender Ast des U-förmigen Rohrbündels vorhanden. Im Betrieb zeigt es sich auch, dass die heissere Rohrbündelhälfte ungefähr doppelt so viel Dampf als die kältere erzeugt. Der Dampf wird längs der beiden unterschiedlich temperierten Rohrbündelhälften nach dem Prinzip des Naturumlaufes erzeugt. Dabei unterscheiden sich die beiden Rohrbündelstränge ausser in der unterschiedlichen
Verdampfungsleistung auch dadurch, dass die Verdampfung entlang des heisseren Rohrbündelstranges im Gleichstrom, längs des kälteren Stranges aber im Gegenstrom erfolgt.
Der von den Wasserabscheidern abgesonderte Flüssigkeitsanteil fliesst in den Fallraum zurück und über die Ringleitung wird ein der verdampften Wassermenge entsprechender Anteil an Speisewasser nachgespeist, so dass der Wasserspiegel etwa auf gleicher Höhe bleibt.
Bei Dampferzeugern dieser Bauart geht nun das Bestreben dahin, einen möglichst gleichförmigen Naturumlauf und damit eine gleichmässige Dampferzeugung zu gewährleisten. Es zeigt sich aber, dass sich im Betrieb solche Dampferzeuger instabil verhalten, was beispielsweise dadurch zum Ausdruck kommt, dass der Wasserspiegel periodisch auf- und abschwingt. Diese Schwingungen erschweren selbstverständlich die Regelung der Speisewasserzufuhr und vermindern infolge Materialermüdung die Lebensdauer der Apparate.
Im Verdampfungsraum werden längs der beiden Rohrbündelhälften verschiedene Dampfmengen produziert.
Es entstehen daher zwei sehr verschiedene Gemischsäulen in Aufwärtsströmung, wodurch sich im Verdampfungsraum unterschiedliche Druckhöhen bzw. Druckabfälle bilden. Auf den Wasserumlauf bezogen, müsste sich daher für beide Verdampfungsraumhälften eine verschiedene Umlaufzahl ergeben. Dies ist physikalisch nicht möglich, so dass es im Verdampfungsraum durch Ausgleichsvorgänge zu periodischen Störungen der Dampfproduktion kommt. Zweiphasenströmungen mit verschiedenen Geschwindigkeiten in einer gemeinsamen Stromröhre sind nicht stabil ; es entstehen instabile Wirbel, die die Strömung erheblich stören. Durch diese inhomogenen Vorgänge sind im Verdampfungsraum periodisch auftretende Druckschwankungen möglich und diese bewegen die Flüssigkeitssäule oszillierend im Fallraum, was sich durch Schwingungen des Wasserspiegels zeigt.
Durch die Verbindung der Gemischsäule im Verdampfungsraum mit der Flüssigkeitssäule im Fallraum ergeben sich kommunizierende Flüssigkeitssäulen, auf die jeweils ein unterschiedlicher Druck wirkt.
Ein weiterer Nachteil ergibt sich bei den bisher bekannten Dampferzeugern dadurch, dass über die Wasserabscheider der gesamte nicht verdampfte Wasseranteil aus dem Verdampfungsraum strömt und dieser in den Wasserabscheidern einen erheblichen Druckabfall bewirkt. Der Naturumlauf wird nämlich dadurch geschlossen, dass der gesamte Massenstrom (Wasser plus Dampf) aus dem Verdampfungsraum durch die Wasserabscheider hindurchströmt. Das Wasser gelangt von hier wieder in den äusseren Fallraum, sinkt nach unten und tritt durch die Trennwand wieder in den Verdampfungsraum. Der abgeschiedene Dampf wird durch die Dampfaustrittsöffnung abgezogen. Es entsteht für den Gesamtstrom in den Grobabscheidern ein entsprechender Energieverlust.
Ausserdem muss dazu festgestellt werden, dass der ringförmige Fallraum sehr strömungsungiinstig ist, da infolge des kleinen hydraulischen Durchmessers der Strömung ein relativ grosser Widerstand entgegenwirkt.
Es ist auch schon ein Dampferzeuger mit einem zwischen den Rohrbündelschenkeln liegenden, zentralen Fallraum bekanntgeworden, der durch eine zylindrische Trennwand vom nunmehr ringförmigen Verdampfungsraum abgegrenzt wird. Der Verdampfungsraum ist dabei nach oben hin durch eine Deckplatte
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abgeschlossen und steht über entsprechende Durchlässe in der Trennwand sowohl im Bereich des unteren
Rohrbodens als auch im Bereich der oberen Deckplatte mit dem Fallraum in Verbindung. Dadurch soll beim Übergang des Wasser-Dampfgemisches aus dem Verdampfungsraum in den Fallraum eine gewisse Vorabscheidung des Wassers erreicht werden, doch bringt dies allein auf Grund der Notwendigkeit einer vom Rohrbündel durchsetzen Deckplatte einen erhöhten Kosten- und Konstruktionsaufwand mit sich.
Ausserdem nimmt wieder der Verdampfungsraum beide Rohrbündelschenkel gemeinsam in sich auf, so dass Unregelmässigkeiten des
Wasserumlaufes nicht vermieden werden können, wozu noch der Einfluss der strömungsungünstigen Durchlässe in der Trennwand kommt.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, diese Mängel zu beseitigen und einen Dampferzeuger der eingangs geschilderten Art zu schaffen, der eine wesentlich verbesserte Betriebsstabilität und eine vereinfachte
Konstruktion bei möglichst niedriger Bauhöhe aufweist.
Die Erfindung löst diese Aufgabe dadurch, dass der zentrale Fallraum den Verdampfungsraum in zwei jeweils nur einen der Rohrbündelschenkel aufnehmende Abschnitte teilt, wobei der Fallraum in seinem unteren
Bereich nur mit dem Abschnitt, in dessen Rohrsträngen das Heizmedium aufwärtsströmt, in Verbindung steht und die Speisewasserzuführungsleitung in den Abschnitt, in dessen Rohrsträngen das Heizmedium abwärts strömt, knapp über dem Rohrboden mündet. Beim erfindungsgemässen Dampferzeuger teilt also der einen quasi rechteckigen Querschnitt aufweisende Fallraum den Verdampfungsraum entsprechend den beiden
Rohrbündelästen etwa in zwei Hälften. Das Speisewasser wird dabei in den kälteren der beiden
Verdampfungsraumabschnitte eingeleitet, u. zw. knapp oberhalb des Rohrbodens.
Die Trennwand zum Fallraum hin reicht in diesem Abschnitt bis an den Rohrboden, so dass dieser Teil des Verdampfungsraumes eine abgeschlossene Verdampferstrecke darstellt. Hier wird das eingespeiste Speisewasser nun im Aufwärtsstrom und
Gegenstrom vorgewärmt und ungefähr ab halber Höhe des Verdampferraumabschnittes verdampft. Das bis zur
Oberkante der Zwischenwand nicht verdampfte Wasser fliesst über diese Kante in den Fallraum und strömt in diesem nach unten, wo es durch entsprechende Öffnungen bzw. Einströmspalte in den heisseren
Verdampfungsraumabschnitt eintreten kann und im Aufwärts-Gleichstrom weiter verdampft. Da beide
Zwischenwände unterhalb des Wasserspiegels enden, fliesst das auch im heisseren Verdampferraumabschnitt nicht verdampfte Wasser über die Oberkante der Zwischenwand wieder in den Fallraum zurück.
Die Dampferzeugung erfolgt also im kälteren Verdampfungsraumabschnitt lediglich im Durchlauf, im heisseren Abschnitt jedoch sowohl im Durchlauf als auch im Umlauf. Im heisseren Verdampferraumabschnitt verdampft das Wasser entlang der heisseren Rohrbündelstränge grundsätzlich im Naturumlauf. Das ergibt den Vorteil, dass über die Wasserabscheider nicht der gesamte Umlaufstrom zirkuliert, sondern lediglich der Dampfstrom mit dem aus beiden Verdampfungsraumabschnitten mitgerissenen Wasser. Der reine Wasserumlauf findet ja bereits vor den Wasserabscheidern durch den Fallraum und den heisseren Verdampferraumabschnitt statt. Die Betriebsstabilität wird dadurch entscheidend verbessert, dass die beiden unterschiedlich warmen, daher auch unterschiedlich viel
Dampf erzeugenden Rohrbündeläste voneinander getrennt in eigenen Verdampferraumabschnitten geführt sind.
Ausserdem stellen der Verdampfungsraum und der Fallraum keine zueinander schwingenden Wassersäulen dar, denn jeder Druckanstieg in der Dampfkammer drückt auf den gemeinsamen Wasserspiegel. Ein eventuell auftretender grosser Druckabfall kann das Verdampfungssystem und die Flüssigkeitssäule im Fallraum nicht in Schwingungen versetzen. Durch die Einleitung des Speisewassers in den kälteren Verdampferraumabschnitt wird weiters eine besonders gute Ausnutzung des Temperaturgefälles zwischen Heizrohrbündel und zu verdampfendem Medium erreicht.
Die Anordnung des Fallraumes in der Mitte zwischen den beiden Rohrbündelschenkeln und die Trennung des Verdampferraumes in zwei Abschnitte bedingen aber nicht nur strömungstechnische und verdampfungstechnische Vorteile, sondern auch konstruktive, denn der Aufbau des Dampferzeugers bzw. seine Stabilität wird verbessert und vor allem Bauhöhe eingespart.
In einer besonders billigen und einfachen Bauweise werden der zentrale Fallraum und die beiden Verdampferraumabschnitte von zwei an sich bekannten, zueinander parallelen, mit ihren Längsseiten dicht an den Druckgefässmantel anschliessenden, ebenen Zwischenwänden gebildet, von denen gegebenenfalls die Zwischenwand, die den Fallraum von dem Abschnitt, in den die Speisewasserzuführungsleitung mündet, trennt, niedriger als die andere ist. Die unterschiedlich hohen Zwischenwände tragen den gesamten Umlaufverhältnissen Rechnung, da eine bedeutend grössere Speisewassermenge aus dem kälteren Verdampferraumabschnitt in den Fallraum übertritt als aus dem heisseren Abschnitt.
Erfindungsgemäss kann im oberen Bereich des Fallraumes auch eine Nebenleitung der Speisewasserzuführung mit abwärts gerichteter Einströmrichtung münden. Da anzunehmen ist, dass das nicht verdampfte Wasser aus dem kälteren Verdampferraumabschnitt etwa mit Siedetemperatur in den Fallraum eintritt und dort nach unten strömt, ist es ohne weiteres möglich, in den Fallraum zusätzlich Speisewasser einzuleiten. Dadurch wird eine geringe Temperaturabsenkung des Abwärtsstromes im Fallraum erreicht, die bezüglich der Durchflussstabilität auf der heisseren Verdampferstrecke von Bedeutung ist.
Um auf einfache Weise die Dampferzeugung beeinflussen zu können, weist in einer günstigen Weiterentwicklung der Erfindung der Fallraum obere und/oder untere Regelklappen auf.
Auch kann im Fallraum eine Pumpe, beispielsweise eine Strahlpumpe, zur Beschleunigung des Fallstromes vorgesehen sein.
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In den Zeichnungen wird der Erfindungsgegenstand in mehreren Ausführungsbeispielen rein schematisch dargestellt, u. zw. zeigen die Fig. l bis 3 verschiedene Varianten des erfindungsgemässem Dampferzeugers.
Der Dampferzeuger besteht aus einem aufrechten, im wesentlichen zylindrischen Druckgefäss --1--, einem stehenden, U-förmigen Rohrbündel--2--, einem mittleren Fallraum--3--, dem durch diesen Fallraum in zwei Abschnitte--4, 5--geteilten Verdampferraum und Wasserabscheidern--6--od. dgl. Das Rohrbündel --2-- ist in einem unteren Rohrboden --7-- eingesetzt, der die Vorkammern--8, 9--für den Heizmediumein-und-austritt vom Verdampferraum trennt.
Das Heizmedium strömt gemäss den Pfeilen --10-- durch die Vorkammer--8--in den aufsteigenden Ast--11--des Rohrbündels--2--, durch dessen Scheitel --12-- und durch den absteigenden Ast-13-in die Vorkammer-9--, von wo es den Dampferzeuger wieder verlässt. Das Speisewasser tritt durch die Einlassöffnung--14--in den Verdampferraumabschnitt --5-- knapp oberhalb des Rohrbodens--7--ein, strömt entlang der Umlenkbleche--15--empor und wird bereits teilweise verdampft. Es tritt dann über die Oberkanten der Zwischenwände --16-- in den Fallraum--3--, sinkt dort zu Boden, wo es in den Verdampferraumabschnitt --4-- eintritt.
In diesem Abschnitt wird der grösste Teil des Speisewassers verdampft und der nicht verdampfte Rest fliesst im Naturumlauf über die Zwischenwand --17-- wieder in den Fallraum zurück. Der erzeugte Dampf geht durch den Wasserabscheidet --6-- und wird bei der Austrittsöffnung-18--abgezogen. Durch die Anordnung des mittleren Fallraumes werden die beiden Schenkel des Rohrbündels voneinander getrennt, so dass durch die unterschiedlich erzeugte Dampfmenge entlang beider Rohrschenkel die Betriebsstabilität nicht gefährdet wird. Der Wasserspiegel --19-- liegt oberhalb der Zwischenwände--16, 17--und erstreckt sich über den gesamten Querschnitt des Druckgefässes, wodurch auf die einzelnen Wasser- bzw.
Wasserdampfsäulen keine unterschiedlichen Drücke wirken können und es zu keinen Schwingungen der Massensäulen kommt. Durch den gemeinsamen Wasserspiegel ist eine Regelung der Speisewasserzuführung recht einfach, da mengenmässige Schwankungen sich kaum bemerkbar machen. Das Speisewasser wird im Verdampferraumabschnitt--5-im Durchlauf zuerst vorgewärmt und verdampft etwa ab der halben Abschnittshöhe. Im heisseren
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im Durch- und Umlauf, da das nicht verdampfte Wasser in den Fallraum zurückfliesst. Der durch die Wasserabscheider --6-- strömende Dampf enthält nur mehr geringe Wasseranteil, die hier abgeschieden werden, ohne einen besonders grossen Druckabfall zu erzeugen.
Gemäss dem Ausführungsbeispiel nach Fig. l sind die Zwischenwände--16, 17--nicht gleich hoch, sondern die Zwischenwand--16--, die den Fallraum --3-- vom Verdampferraumabschnitt --5-- trennt, ist etwas niedriger als die Zwischenwand--17--. Der Scheitel--12--des Rohrbündels--2--ragt über den Wasserspiegel--19--hinaus, wodurch eine bessere Wärmeausnutzung erreicht wird und der Dampf überhitzt werden kann.
Gemäss Fig. 2 wird in den Fallraum --3-- zusätzlich Speisewasser durch die Nebenleitung--20-eingeleitet, u. zw. mit einer abwärts gerichteten Einströmrichtung. Dadurch wird der Fallstrom im Fallraum --3-- beschleunigt und die Durchflussstabilität auf der heisseren Verdampferstrecke erhöht.
Nach dem Ausführungsbeispiel, wie es in Fig. 3 dargestellt ist, sind im Fallraum--3--zur Regelung des Fallstromes eine obere und eine untere Regelklappe--21--vorgesehen. Der wasserspiegel --19-- liegt dabei über dem Scheitel--12--des Rohrbündels--2--und neben den Wasserabscheidern--6--befindet sich noch ein Dampftrockner--22--.
Der erfindungsgemässe Dampferzeuger zeichnet sich durch die Anordnung eines zentralen Fallraumes, der die unterschiedlich temperierten Schenkel des Rohrbündels für das Heizmedium voneinander trennt und zwei separate Verdampferraumabschnitte bildet, durch eine besonders einfache Konstruktion, eine relativ niedrige Bauhöhe und vor allem eine grosse Betriebsstabilität aus.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Dampferzeuger, insbesondere für Druckwasser-Kernkraftwerke, mit einem aufrechten, im wesentlichen zylindrischen Druckgefäss, einem stehenden, U-förmigen, in einem unteren Rohrboden eingesetzten Rohrbündel für das Heizmedium, wenigstens einer Speisewasserzuführungsleitung, einem vom Verdampfungsraum getrennten, zwischen den beiden Rohrbündelschenkeln liegenden zentralen Fallraum für den Wasserumlauf und
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Fallraum (3) den Verdampfungsraum in zwei jeweils nur einen der Rohrbündelschenkel (11, 13) aufnehmende Abschnitte (4,5) teilt, wobei der Fallraum in seinem unteren Bereich nur mit dem Abschnitt (4), in dessen Rohrsträngen (11) das Heizmedium aufwärtsströmt, in Verbindung steht und die Speisewasserzuführungsleitung (14) in den Abschnitt (5), in dessen Rohrsträngen (13)
das Heizmedium abwärtsströmt, knapp über dem Rohrboden (7) mündet.
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