CH641265A5

CH641265A5 - Anordnung zum einfuehren einer speisefluessigkeit in ein fluessigkeit enthaltendes druckgefaess.

Info

Publication number: CH641265A5
Application number: CH678979A
Authority: CH
Inventors: Russell Elmer Jun Sheer
Original assignee: Gen Electric
Priority date: 1978-07-24
Filing date: 1979-07-20
Publication date: 1984-02-15
Also published as: ES482724A1; JPS5541890A; US4212594A; JPS5716659B2; IT7924548A0; FR2433365A1; DE2928532A1; IT1122254B; SE7905459L; DE2928532C2

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zum Einführen einer Speiseflüssigkeit in ein Flüssigkeit enthaltendes Druckgefäss und zum Vermischen der Speiseflüssigkeit mit der Flüssigkeit, mit folgenden Merkmalen:

- eine Einlassleitung (40) ist durch einen Einlassstutzen (42) mit dem Druckgefäss (12) verbunden,

- ein Flüssigkeitsverteiler (46) ist in dem Druckgefäss (12) angeordnet und weist wenigstens eine Verteilerdüse (48) zum Einleiten der Speiseflüssigkeit mit hoher Geschwindigkeit in die im Druckgefäss (12) enthaltene Flüssigkeit auf,

- eine Speiseleitung (44) ist innerhalb des Einlassstutzens (42) angeordnet und stellt eine Strömungsverbindung zwischen der Einlassleitung (40) und dem Flüssigkeitsverteiler (46) her, wobei wenigstens ein Teil der Aussenfläche der Speiseleitung (44) im Abstand zur Innenfläche des Einlassstutzens (42) angeordnet ist unter Ausbildung eines in das

Druckgefäss (12) mündenden Ringraums (60) und

- zwischen einem stromaufwärtigen konischen Teil (62) der Speiseleitung (44) und des Einlassstutzens (42) ist eine unvollkommene Dichtung (68) angeordnet, an der ein Teil der Speiseflüssigkeit in den Ringraum (60) leckt.

Bei einer Anzahl von technischen Verfahren wird eine relativ kühle Speiseflüssigkeit in ein Gefäss eingespeist und mit relativ heisser Flüssigkeit darin vermischt. Beispiele dafür sind Wärmetauscher und Dampferzeuger. Beispielsweise ist in einem Dampferzeuger, wie einem Siedewasserreaktor, die Wärmequelle ein in einem Druckgefäss enthaltener Kernbrennstoffkern. Anordnungen zum Einspeisen und Vermischen sind bekannt.

Bei einer Bauart einer solchen Anordnung ist eine Einlassleitung vorgesehen, die mit dem Gefäss durch eine Einlassdüse verbunden ist. Ein innerhalb des Gefässes angeordneter Sprenger oder Strahlverteiler (sparger) hat wenigstens eine Auslassöffnung, die die Speiseflüssigkeit als einen Hochgeschwindigkeitsstrahl in die in dem Gefäss enthaltene Flüssigkeitsmasse einleitet. Eine Sprengerversorgungsleitung ist innerhalb der Düse angeordnet und bringt die Einlassleitung in Strömungsverbindung mit dem Sprenger, so dass Speiseflüssigkeit von der Einlassleitung zu der Auslassöffnung und durch dieselbe hindurchgeleitet wird. Die Aussenfläche von wenigstens einem Teil der Versorgungsleitung ist mit Abstand von der Innenfläche der Düse angeordnet, so dass zwischen ihnen ein ringförmiger Hohlraum gebildet ist, der sich in das Gefäss öffnet. (Solche Sprengerversorgungsleitungen werden auf dem einschlägigen Fachgebiet manchmal auch als Wärmehülsen [«thermal sleeves»] bezeichnet.) Bei den bekannten Anordnungen werden verschiedene Dichtungen zwischen einem stromaufwärtigen Teil der Versorgungsleitung und der Düse benutzt, um zu versuchen, Anordnungen zu schaffen, in denen die relativ kalte Speiseflüssigkeit auf das Innere der Sprengerversorgungsleitung beschränkt bleibt. Typischerweise sind solche Dichtungen jedoch unvollkommen, wodurch ein Teil der Speiseflüssigkeit an der Dichtung durchleckt. Dieser Leckstrom, der, wie oben angegeben, relativ kalt ist, fliesst durch den ringförmigen Zwischenraum eng an der Innenfläche der Düse entlang und tritt in die in dem Gefäss enthaltene Flüssigkeitsmasse an dem stromabwärtigen Ende der Düse ein, z.B. an dem Übergangsradius (blend radius) der Düse. In solchen Anordnungen sind nach veränderlichen Gebrauchszeitspannen Risse längs der Innenfläche und des Übergangsradius der Einlassdüse festgestellt worden. Von diesen Rissen wird angenommen, dass sie sich aufgrund einer Temperaturwechselbeanspruchung des inneren Teils der Düse ergeben, weil dieser abwechselnd dem heissen Wasser oder einer anderen Flüssigkeit in dem Gefäss und dem relativ kälteren Speisewasser oder durch das Speisewasser gekühltem Wasser ausgesetzt ist.

Es hat sich bei der Ausführung der Erfindung gezeigt,

dass das vorstehend genannte Problem durch eine Verbesserung der oben beschriebenen Anordnung im wesentlichen überwunden werden kann, indem eine Ejektorwärmehülse in Verbindung mit dieser Anordnung vorgesehen wird. In einem stromabwärtigen Endbereich der Ejektorwärmehülse wird der Leckstrom, der an der unvollkommenen Dichtung durchtritt, der Strahlsaugwirkung des Hauptstroms der durch die Auslassöffnung austretenden Speiseflüssigkeit ausgesetzt.

Die Erfindung schafft also, allgemein gesagt, in einer Hinsicht eine Verbesserung gegenüber der oben beschriebenen Anordnung. Die Verbesserung beinhaltet eine Ejektorwärmehülse, die einen innerhalb des ringförmigen Hohlraums angeordneten stromaufwärtigen Teil hat. Der stromaufwär-tige Teil umschliesst umfangsmässig und mit Abstand einen stromabwärtigen Teil der Sprengerversorgungsleitung. Der stromaufwärtige Hülsenteil ist gegenüber der Einlassdüse

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abgedichtet, um einen Leckstrom in das Gefäss längs des stromabwärtigen Endes der Düse im wesentlichen zu verhindern. Ein stromabwärtiger Teil der Ejektorwärmehülse, der in Strömungsverbindung mit dem stromaufwärtigen Teil derselben steht, umschliesst umfangsmässig und mit Abstand die Sprengerauslassöffnung in den Flüssigkeitsausstoss unterstüt-zenderweise, so dass eine sich in das Gefäss öffnende Ejek-torkammer vorhanden ist.

Wenigstens ein wesentlicher Teil des Flüssigkeitsleckstroms bleibt auf das Innere der Ejektorwärmehülse beschränkt und wird durch und mit dem durch die Auslassöffnung austretenden Speiseflüssigkeitsstrom aus der Kammer ausgestossen. Die Temperaturwechselbeanspruchung der Innenfläche der Düse wird auf diese Weise minimiert und das Reissen derselben wird beträchtlich reduziert.

In anderer Hinsicht schafft die Erfindung, allgemein gesagt, ein verbessertes Verfahren zum Einspeisen einer Speiseflüssigkeit in eine in einem Druckgefäss enthaltene Flüssigkeitsmasse und zum Vermischen der Speiseflüssigkeit mit der Flüssigkeitsmasse.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 schematisch in Seitenansicht und teilweise im Schnitt ein Dampferzeugungssystem, das die verbesserte Anordnung nach der Erfindung als einen Bestandteil enthält,

Fig. 2 eine vergrösserte Schnittansicht, die die verbesserte Anordnung ausführlicher zeigt, und.

Fig. 3 eine Seitenansicht eines Teils des stromabwärtigen Endes der verbesserten Anordnung.

Fig. 1 zeigt ein Dampferzeugungssystem 10 mit einem Druckgefäss 12, in dessen Inneren eine Wärmequelle 14 (durch gestrichelte Linien angedeutet) untergebracht ist, bei der es sich beispielsweise um den Kern eines Kernreaktors handeln kann, d.h. das Gefäss ist ein Siedewasserreaktor. Die Wärmequelle ist von einem Mantel 16 umgeben, und das Gefäss ist bis zu einer durch eine Linie 18 angegebenen Höhe mit einer verdampfbaren Arbeitsflüssigkeit, wie beispielsweise Wasser, gefüllt. Das Wasser wird in der Wärmequelle durch eine Pumpe PI umgewälzt, die Wasser aus einem Ring 20 entnimmt und einen unteren Sammelraum 22 unter Druck setzt, wodurch Wasser durch die Wärmequelle hindurchgedrückt und ein Teil des Wassers verdampft wird. Das sich ergebende heisse Gemisch aus Dampf und Wasser geht durch mehrere Dampftrockner 24 hindurch. Der Dampf wird in einem oberen Sammelraum 26 aufgefangen, während das abgeschiedene heisse Wasser zu der in dem Gefäss enthaltenen Umlaufwassermasse zurückkehrt. Dampf wird dem oberen Sammelraum über eine Dampfleitung 28 entnommen und einem Verbraucher zugeführt, wie einer Turbine 30, die einen elektrischen Generator 32 antreibt. Der Turbinenabdampf wird in einem Kondensator 34 kondensiert, und anschliessend wird der kondensierte Dampf als Speisewasser über ein oder mehrere Speisewasserheizelemente 36 und eine Pumpe P2 zu dem Gefäss zurückgeleitet. Frischwasser kann dem Speisewasserheizelement 36 über eine Leitung 38 aus einer geeigneten Quelle (nicht dargestellt) zugeführt werden.

In der verbesserten Anordnung nach der Erfindung wird das Speisewasser aus der Pumpe P2 über eine Einlassleitung oder ein Speisewasserrohr 40 empfangen. Eine Einlassdüse 42 ist als ein Verstärkungsübergangsteil zwischen dem Rohr 40 und der Gefässwand befestigt (beispielsweise durch Schweissen). In die Einlassdüse ist eine Sprengerversorgungsleitung 44 lösbar eingepasst, beispielsweise durch einen Festsitz. Das stromabwärtige Ende der Sprengerversorgungsleitung steht mit einem bogenförmigen Sprengersegment 46 eines in Segmente unterteilten Speisewasserverteilungsspren-gerringes in Verbindung. Das durch die Versorgungsleitung geleitete Speisewasser verlässt das Sprengersegment über eine Reihe von Löchern, bei denen es sich um Auslassöffnungen in den freien Enden von knieförmigen Sprengerdüsen 48 handeln kann, wodurch das Speisewasser in From von Hochgeschwindigkeitsstrahlen in dem in dem Gefäss umlaufenden Wasser verteilt und dadurch mit demselben vermischt wird. (Gleiche Einlassdüsen- und Sprengerversorgungsleitungsanordnungen, die nicht gezeigt sind, versorgen die anderen Sprengersegmente des Sprengerringes mit Speisewasser.)

Die verbesserte Anordnung zur Flüssigkeitseinspeisung und -mischung ist ausführlicher in der vergrösserten Ansicht von Fig. 2 gezeigt. Gemäss Fig. 2 ist die Einlassdüse 42 mit der Wand des Gefässes 12 durch eine Schweissung 50 ver-schweisst. Die Düse 42 hat einen Hauptteil 52, der mit einem äusseren Teil 54 durch eine Schweissung 56 verschweisst ist. Der äussere Teil der Düse ist mit dem Speisewasserrohr 40 durch eine Schweissung 58 verschweisst. Die Sprengerversorgungsleitung 44 ist im Inneren der Einlassdüse 42 lösbar angeordnet und bringt die Einlassleitung 40 in Strömungsverbindung mit dem Sprengersegment 46, das innerhalb des Gefässes 12 angeordnet ist, wodurch Speiseflüssigkeit von der Einlassleitung zu den Auslassöffnungen der Sprengerdüsen 48 und durch die Auslassöffnungen hindurchgeleitet werden kann. Die Aussenfläche der Versorgungsleitung ist mit Abstand von der Innenfläche der Düse 42 angeordnet, so dass ein ringförmiger Hohlraum 60 gebildet ist. Die Versorgungsleitung 44 hat einen teilweise konischen stromaufwärtigen Teil 62, einen mittleren Teil 64 und einen konischen stromabwärtigen Teil 66, der mit dem Sprengersegment 46 verbunden ist. Das freie Ende des stromaufwärtigen Teils 62 ist freitragend durch den äusseren Teil 54 der Düse 42 abgestützt und bildet mit diesem einen Festsitz oder eine unvollkommene Dichtung 68.

Bei den bekannten Anordnungen, gegenüber denen die Erfindung eine Verbesserung darstellt, geht der durch unvollkommene Dichtungen zwischen der Sprengerversorgungsleitung und der Einlassdüse hindurchtretende Leckstrom (beispielsweise an der Dichtung 68) typischerweise durch den Hohlraum 60 längs der diesen begrenzenden Fläche der Düse hindurch und tritt in die Flüssigkeitsmasse in dem Gefäss durch das offene Ende des Hohlraums in der Nähe des Düsenübergangsradius 70 ein. Die Temperaturwechselbeanspruchung, die von Strömungsschwankungen in der umlaufenden Wassermasse und in dem Leckstrom herrührt, führt im Stand der Technik zum Reissen der Einlassdüse hauptsächlich an dem Übergangsradius.

Dieses Rissbildungsproblem wird durch eine Ejektorwärmehülse 72 beträchtlich verringert, von welcher ein strom-aufwärtiger Teil innerhalb des Hohlraums 60 angeordnet ist und sich stromaufwärts in diesen öffnet. Der stromaufwärtige Hülsenteil umschliesst umfangsmässig und mit Abstand und vorzugsweise konzentrisch denjenigen stromabwärtigen Teil der Versorgungsleitung 44, der stromabwärts der Querebene angeordnet ist, welche durch das stromaufwärtige Ende eines elastischen Dichtrandes 73 festgelegt ist, der an der Hülse, vorzugsweise an dem freien stromaufwärtigen Ende derselben, vorgesehen ist. Dieser Dichtrand bildet mit der den Hohlraum begrenzenden Fläche der Einlassdüse 42 eine im wesentlichen formschlüssige Dichtung sowie eine Vorrichtung, durch die die Einlassdüse die Hülse freitragend abstützt. Diese Randdichtung verhindert im wesentlichen einen Leckstrom durch den ringförmigen Teil des Hohlraums 60, der zwischen der Einlassdüse und der Ejektorwärmehülse liegt. (Bei Bedarf kann an Stelle des Randes die Ejektorwärmehülse an der Einlassdüse durch einen Kolbenring und eine Federdichtung für diese formschlüssige Abdichtung abgedichtet werden.)

Die Ejektorwärmehülse weist eine insgesamt ringförmige

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Platte 74 auf, die quer zu der Achse derselben an einem stromabwärtigen Ende des stromaufwärtigen Teils der Hülse angeordnet ist. Eine Dichtung 76, bei welcher es sich um eine Schweissung handeln kann, ist zwischen einem inneren Umfang der Platte und dem daran angrenzenden Bereich der Sprengerversorgungsleitung gebildet. Die Versorgungsleitung unterstüzt auf diese Weise das Abstützen der Ejektorwärmehülse.

Die Ejektorwärmehülse endigt an einem stromabwärtigen Ende in einem kleineren Hülsenteil 78, der von der Platte 74 aus vorsteht, in der ein Loch 80 für eine Strömungsverbindung zwischen dem kleineren stromabwärtigen Hülsenteil und dem stromaufwärts der Platte gelegenen Teil der Ejektorwärmehülse hergestellt wird. Der stromabwärtige Hülsenteil umschliesst umfangsmässig die Sprengerauslassöffnung 81 der Sprengerdüse 48a, so dass eine Ejektorkammer gebildet ist, d.h. der stromabwärtige Hülsenteil ist bezüglich der Auslassöffnung so angeordnet, dass er das Ausstossen von Flüssigkeit aus derselben unterstützt. Für einen grösseren Leck-ausstosswirkungsgrad ist der stromabwärtige Hülsenteil vorzugsweise insgesamt koaxial zu der Auslassöffnung und zu dem stromabwärtigen Endteil der knieförmigen Sprengerdüse angeordnet. Der stromabwärtige Hülsenteil erstreckt sich vorzugsweise stromabwärts über die Auslassöffnung hinaus, um den Leckausstosswirkungsgrad weiter zu erhöhen. Zur maximalen Verringerung einer Rissbildung an der Düse ist der stromabwärtige Hülsenteil von der Düse weggerichtet oder über dieselbe hinaus ausgedehnt. Das Aussmass, in welchem dieser Düsenteil so gerichtet sein sollte, nimmt mit abnehmender Entfernung zwischen der Düse und dem Kammer-auslass zu.

Im Betrieb dieser verbesserten Anordnung tritt der über die Einlassleitung und die Düse empfangene kalte Hauptspeisestrom in die Sprengervorsorgungsleitung 44 ein, fliesst durch sie hindurch, wie es durch grosse Pfeile 82 angedeutet ist, tritt aus der Sprengerversorgungsleitung aus und in ein Sprengersegment 46 ein und wird dadurch auf die Sprengerdüsen 48 verteilt. Der hier verwendete Ausdruck «Hauptspeisestrom» bedeutet den gesamten Speisestrom minus den Speiseleckstrom. Der Hauptspeisestrom wird von den Sprengerdüsen über die Auslassöffnungen derselben (z.B. die Öffnung 81) in die in dem Gefäss enthaltene Flüssigkeitsmasse in Form von Hochgeschwindigkeitsstrahlen geleitet, die das Vermischen der Speiseflüssigkeit mit der heisseren Flüssigkeitsmasse unterstützen. Der Hauptspeisestrom, der über die Auslassöffnung der Sprengerdüse 48a austritt, erzeugt innerhalb der kleinen vorragenden Hülse 78 eine Saugwirkung. Durch diese Saugwirkung wird der relativ kalte Leckstrom aus dem ringförmigen Hohlraum 60 über den stromaufwärtigen Teil der Ejektorwärmehülse 72, durch die Öffnung 80 hindurch und in das Innere der durch die kleine Hülse 78 begrenzten Kammer gezogen. Der Leckstrom wird durch den Hauptstrom und mit demselben aus der Kammer in die in dem Gefäss enthaltene Flüssigkeitsmasse ausgestossen. Durch diese Anordnung bleibt der Leckstrom auf das Innere der insgesamt ringförmigen Zone beschränkt, die durch die Innenfläche der Ejektorwärmehülse und durch die Aussenflächen des sie umgebenden Gebildes begrenzt wird. Dieser eingegrenzte Leckstrom wird aus dieser Zone in einem Gebiet in die Flüssigkeitsmasse eingeleitet, das mit Abstand stromabwärts von dem Ende 70 der Einlassdüse in im wesentlichen derselben Entfernung wie der die Kammer verlassende Hauptstrom angeordnet ist.

Der Leckstrom wird so von seinem bekannten Weg (längs der Düse und in Berührung mit derselben) abgelenkt, wodurch sich eine wesentlich geringere Gefahr einer Rissbildung in der Düse ergibt.

Bei der bevorzugten Verwendung in einem Siedewasserreaktor kann die Speisewassereinlassanordnung folgenden typischen Bedingungen ausgesetzt sein: Der Gefässdruck beträgt etwa 68,9 bar (1000 psi) bis etwa 82,7 bar (1200 psi) und beispielsweise etwa 75,8 bar (1100 psi), während die Temperatur des Wassers darin etwa 260 °C (500 °F) bis etwa 288 °C (550 °F) und beispielsweise 274 °C (525 °F) beträgt. Der Druck des Speisewassers in der Einlassleitung 40 ist etwa 1,03 bar (15 psi) bis etwa 1,72 bar (25 psi) grösser als der Gefässdruck. Die Temperatur des Speisewassers ändert sich von etwa 21 °C (70 °F) bis etwa 216 °C (420 °F) und z.B. von etwa 38°C (100°F) bis etwa 149°C (300°F), je nach den Betriebsbedingungen. Der Leckstrom wird gewöhnlich ein unbedeutender Teil des gesamten Speisewassers sein, d.h. etwa 1% oder weniger bis etwa 25% (z.B. etwa 15%) des gesamten Speisewassers betragen. Für diesen bevorzugten Verwendungszweck werden die Gefässwand und der Hauptteil 52 der Düse vorzugsweise aus niedriglegiertem Stahl hergestellt, wobei die Schweissungen in denselben nach dem Schweissen wärmebehandelt werden sollten. Der Ejektorwär-mehülsenaussenteil der Düse und die Einlassleitung werden vorzugsweise aus Kohlenstoffstahl hergestellt, wobei die Schweissungen derselben keine Wärmebehandlung im Anschluss an das Schweissen erfordern. Daher kann beispielsweise die Schweissung 58 zweckmässig im Feld ohne eine solche Wärmebehandlung hergestellt werden.

Die beste Ausführungsform der Erfindung ist in der obigen Beschreibung dargelegt worden (und in der beigefügten Zeichnung gezeigt worden), und zwar als Beispiel anhand der Darlegung von bevorzugten Betriebsbedingungen und Baumaterialien für den bevorzugten Verwendungszweck der Speiseanordnung.

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PATENTANSPRÜCHE

1. Anordnung zum Einführen einer Speiseflüssigkeit in ein Flüssigkeit enthaltendes Druckgefäss und zum Vermischen der Speiseflüssigkeit mit der Flüssigkeit, mit folgenden Merkmalen:

- eine Einlassleitung (40) ist durch einen Einlassstutzen (42) mit dem Druckgefäss (12) verbunden,

- ein Flüssigkeitsverteiler (46) ist in dem Druckgefäss (12) angeordnet und weist wenigstens eine Verteilerdüse (48,48a) zum Einleiten der Speiseflüssigkeit mit hoher Geschwindigkeit in die im Druckgefäss (12) enthaltene Flüssigkeit auf,

- eine Speiseleitung (44) ist innerhalb des Einlassstutzens (42) angeordnet und stellt eine Strömungsverbindung zwischen der Einlassleitung (40) und dem Flüssigkeitsverteiler (46) her, wobei wenigstens ein Teil der Aussenfläche der Speiseleitung (44) im Abstand zur Innenfläche des Einlassstutzens (42) angeordnet ist unter Ausbildung eines in das Druckgefäss (12) mündenden Ringraums (60) und

- zwischen einem stromaufwärtigen konischen Teil (62) der Speiseleitung (44) und des Einlassstutzens (42) ist eine unvollkommene Dichtung (68) angeordnet, an der ein Teil der Speiseflüssigkeit in den Ringraum (60) leckt,

dadurch gekennzeichnet, dass in dem Ringraum (60) eine Strahlpumpenhülse (72) angeordnet ist, deren stromaufwärti-ges Ende einen stromabwärtigen Teil der Speiseleitung (44) mit radialem Abstand umschliesst und gegenüber dem Einlassstutzen (42) abgedichtet ist zur Verhinderung eines Flüssigkeitsleckstroms in das Druckgefäss (12) längs des stromabwärtigen Endes des Einlassstutzens (42) und an deren strom-abwärtigem Ende im Abstand zur Verteilerdüse (48a) ein kleines Hülsenteil (78) angeordnet ist zur Bildung einer Strahlkammer, die sich stromabwärts in das Druckgefäss (12) öffnet.
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich das kleine Hülsenteil (78) der Strahlenpumpenhülse (72) stromabwärts über die Verteilerdüse (48a) hinaus erstreckt.
3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das kleine Hülsenteil (78) der Strahlpumpenhülse (72) von dem Einlassstutzen (42) weggerichtet ist.
4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das kleine Hülsenteil (78) der Strahlpumpenhülse (72) koaxial zur Verteilerdüse (48a) angeordnet ist.
5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Flüssigkeit aus einer Verteilerauslassöffnung (81) im freien Ende der Verteilerdüse (48a) austritt, die von dem Flüssigkeitsverteiler (46) vorsteht.