DE1073647B

DE1073647B - Anlage zur Ausnützung der in einem Kernreaktor anfallenden Wärme

Info

Publication number: DE1073647B
Application number: DENDAT1073647D
Authority: DE
Inventors: Kilchberg Zürich Dipl.-Ing. Dr. Werner Spillmann (Schweiz)
Original assignee: Escher Wyss AG
Current assignee: Sulzer Escher Wyss AG
Priority date: 1958-10-07
Publication date: 1960-01-21
Also published as: US3043763A

Description

DEUTSCHES

3b M'l-H

Die Erfindung betrifft eine Anlage zur Ausnützung der in einem Kernreaktor anfallenden Wärme.

Es ist eine solche Anlage bekannt, bei der diese Wärme über einen in einem Kreislauf durch den Reaktor geführten gasförmigen Zwischenwärmeträger an das Arbeitsmittel einer Wärmekraftmaschine abgegeben wird. Ferner ist es bekannt, in einen ersten Kreislauf eines gasförmigen Zwischenwärmeträgers eine von dem im Reaktor erhitzten Gas beaufschlagte Turbine einzuschalten, wobei das die Turbine verlassende Gas vor der Wiederverdichtung in einem Verdichter Wärme an das einen zweiten Kreislauf beschreibende Arbeitsmittel einer Wärmekraftmaschine abgibt. Die Turbine des ersten Kreislaufs treibt dabei den erwähnten Verdichter an.

Bei dieser Anlage wirkt sich aber nachteilig aus, daß beim Eintritt in den der Turbine des ersten Kreislaufs nachgeschalteten Wärmeaustauscher der gasförmige Zwischenwärmeträger eine wesentlich tiefere Temperatur aufweist als beim Austritt aus dem Reaktor. Das Arbeitsmittel des zweiten Kreislaufes kann daher entsprechend weniger hoch aufgeheizt werden, was den thermodynamischen Wirkungsgrad des zweiten Kreislaufs vermindert. Anderseits ist aber ein Wärmeentzug beim entspannten Gas des ersten Kreislaufs erforderlich, da sonst die Turbinenleistung nicht hinreichen würde, um den Verdichter des ersten Kreislaufs anzuteiben und die Verluste zu decken.

Bei einer Anlage zur Ausnützung der in einem Kernreaktor anfallenden Wärme, bei welcher diese Wärme über einen in mindestens einem Kreislauf durch den Reaktor geführten gasförmigen Zwischenwärmeträger an das Arbeitsmittel einer Wärmekraftmaschine abgegeben wird und dieser Kreislauf durch eine Turbine und mindestens einen von dieser.. Turbine angetriebenen Verdichter "fuhrt, wobei" für "die Wärmeübertragung vom Zwischenwärmeträger an das Arbeitsmittel der Wärmekraftmaschine ein vom entspannten, die Turbine des Zwischenwärmeträgerkreislaufs verlassenden Gas durchströmter Wärmeaustauscher vorgesehen ist, wird nun der erwähnte Nachteil erfindungsgemäß dadurch vermieden, daß außerdem noch ein mit Bezug auf das Arbeitsmittel der Wärmekraftmaschine nachgeschalteter Wärmeaustauscher vorgesehen ist, welcher von verdichtetem, im Reaktor erhitzten Gas des Zwischenwärmeträgerkreislaufs durchströmt wird.

Dieser arbeitsmittelseitig nachgeschaltete Wärmeaustauscher ergibt nun die Möglichkeit, das Arbeitsmittel der Wärmekraftmaschine auf eine Temperatur aufzuheizen, die nahezu gleich -der Austrittstemperatur· des- gasförmigen Zwischenwärmeträgers aus dem Reaktor ist und sich von' dieser nur durch den zur Wärmeübertragung erforderlichen Temperatursprung im Wärmeaustauscher unterscheidet.

Anlage zur Ausnutzung

der in einem Kernreaktor anfallenden

Wärme

Anmelder:

Escher Wyss Aktiengesellschaft,
Zürich (Schweiz)

Vertreter: Dipl.-Ing^ H, -Albrecht, Patentanwalt,
Berlin-Frohnau, Edelhofdamm 26

Beanspruchte Priorität:
Schweiz vom 7. Oktober 1958

ao Dipl.-Ing. Dr, Werner Spillmann,

Kilchberg, Zürich (Schweiz),
ist als Erfinder genannt worden

In der Zeichnung sind als Beispiele verschiedene Ausführungsformen des Erfmdungsgegeristandes dar-

. gestellt. ■ - .' " " .

Die Fig. 1, 2 und 3 zeigen eine Dampfkraftanlage und die Fig. 4 eine Gasturbinenanlage mit geschlossenem Kreislauf. ■

Gemäß den Fig. 1 bis 3 wird die in einem Kernreaktor 1 anfallende Wärme über einen gasförmigen Zwischenwärmeträger an das Arbeitsmittel einer Dampfkraftanlage übertragen. Diese Dampfkraftanlage weist eine Hochdruckturbine 2, eine doppelflutige Niederdruckturbine 3 und einen Kondensator 4 auf. Die Nutzleistung dieser Turbinen wird an einen elektrischen Stromerzeuger 5 abgegeben. Der Frischdampf gelangt durch eine Leitung 6 in die Turbine 2 und von dort durch eine Überströmleitung 7 in die Turbine 3. Der Abdampf wird durch eine Leitung 8 in den Kondensator 4 geführt. Das Kondensat wird von einet Pumpe 9 über eine Leitung 10 angesaugt und als Speisewasser über eine Leitung 11 einem Wärmeaustauscher 12 und von dort über eine Leitung 13 einein Wärmeaustauscher 14 zugeführt. In den Wärmeaustauschern 12 und 14 wird vom erwähnten gasförmigen Zwischenwärmeträger Wärme an das Arbeitsmittel der Wärmekraftmaschine, im vorliegenden - Fall also der Dampfturbinen 2, 3' übertragen.'Das von der Pumpe 9 zugeführte Speisewasser wird in den Wärme-

■ austauschern 12, 14 vorgewärmt, verdampft und ge-

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gebenenfalls noch überhitzt. Der gasförmige Zwischenwärmeträger ist in einem Kreislauf durch den Reaktor 1 geführt.

Gemäß Fig. 1 führt dieser Kreislauf vom Reaktor 1 nacheinander durch eine Leitung 15, den Wärmeaustauscher 14, eine Leitung 16, eine Turbine 17, eine Leitung 18, den Wärmeaustauscher 12, eine Leitung 19, einen von der Turbine 17 angetriebenen Verdichter 20 und eine Leitung 21 wieder in den Reaktor 1. Der im Reaktor 1 erhitzte, verdichtete gasförmige Zwischenwärmeträger überträgt vorerst im Wärmeaustauscher 14 Wärme an das Arbeitsmittel der Wärmekraftmaschine 2, 3, entspannt dann in der Turbine 17 und gibt hernach im Wärmeaustauscher 12 wiederum Wärme an das Arbeitsmittel der Wärmekraftmaschine ab. Nach Abkühlung im Wärmeaustauscher 12 wird er im Verdichter 20 wieder auf den ursprünglichen Druck gebracht und zur Wiedererhitzung dem Reaktor 1 zugeleitet. Der Kreislauf des Zwischenwärmeträgers ist so ausgelegt, daß die Maschinengruppe 17, 20 im Leistungsgleichgewicht ist. Zum Anfahren der Gruppe ist natürlich ein Anwurfmotor erforderlich, der aber der Einfachheit halber nicht dargestellt ist.

Der Wärmeaustauscher 14 ist mit Bezug auf das Arbeitsmittel der Wärmekraftmaschine 2, 3 dem Wärmeaustauscher 12 nachgeschaltet. Da er vom verdichteten, im Kernreaktor 1 erhitzten Gas des Zwischenwärmeträgerkreislaufs durchflossen ist, ist es möglich, das Arbeitsmittel der Wärmekraftanlage bis nahezu auf die Temperatur das den Kernreaktor 1 verlassenden Zwischenwärmeträgers zu erhitzen.

Gemäß Fig. 2 wird nur eine Teilmenge des verdichteten und im Reaktor 1 erhitzten Zwischenwärmeträgers durch die Leitung 15 dem Wärmeaustauscher 14 zugeführt. Der restliche Teil gelangt durch eine von der Leitung 15 abzweigende Leitung 16' unmittelbar zur Turbine 17, um nach Entspannung in dieser Turbine in gleicher Weise wie gemäß Fig. 1 im Wärmeaustauscher 12 Wärme abzugeben.

Zur Wiederverdichtung des gasförmigen Zwischenwärmeträgers sind aber nun zwei Verdichter 20' und 20" vorgesehen. Dem Verdichter 20' wird die den Wärmeaustauscher 12 verlassende Menge des entspannten Zwischenwärmeträgers durch eine Leitung 19' zugeführt und darin bis etwa auf den Druck der den Wärmeaustauscher 14 verlassenden Teilmenge verdichtet. Die beiden Mengen werden dann durch Leitungen 22 bzw. 23 der Eintrittseite des Verdichters 20" zugeleitet, welcher im wesentlichen nur die Druckverluste im Reaktor 1 und im Wärmeaustauscher 14 zu überwinden hat. Vom Verdichter 20" gelangt dann die gesamte Menge des Zwischenwärmeträgers über die Leitung 21 wieder in den Reaktor 1. Die Maschinen und Wärmeaustauscher werden zweckmäßig so ausgelegt, daß die beiden Teilmengen mit gleicher Temperatur dem Verdichter 20" zuströmen.

Die Anordnung gemäß Fig. 3 unterscheidet sich von jener nach Fig. 2 dadurch, daß die durch die beiden Wärmeaustauscher geführten Teilmengen vollkommen getrennte Kreisläufe beschreiben. Die eine Teilmenge wird in einem Reaktorteil 1' erhitzt, über eine Leitung 15' der Turbine 17 zugeführt, und gelangt nach Entspannung in dieser Turbine über die Leitung 18 in den Wärmeaustauscher 12. Von dort wird sie über die Leitung 19' dem Verdichter 20' und schließlich durch eine Leitung 21' wieder dem Reaktorteil 1' zugeführt. Die andere Teilmenge wird in einem Reaktorteil 1" erhitzt, gelangt dann über eine Leitung 15" in den Wärmeaustauscher 14 und von dort über eine Leitung 16" in den Verdichter 20", worauf sich der Kreislauf über eine in den Reaktorteil 1" zurückführende Leitung 21" schließt. Auch hier wird wieder der Wärmeaustauscher 14 von verdichtetem und im Reaktor erhitzten Gas des Zwischenwärmeträgerkreislaufs durchströmt.
Bei der in Fig. 4 dargestellten Anlage wird der Stromerzeuger 5 durch eine geschlossene Gasturbinenanlage mit einer Turbine 24 und einem Verdichter 25 angetrieben. Das verdichtete Arbeitsgas durchströmt in gleicher Weise wie das Arbeitsmittel der Anlagen

ίο nach den Fig. 1, 2, 3 nacheinander die Wärmeaustauscher 12 und 14. Das erhitzte Arbeitsgas gelangt über eine Leitung 26 zur Turbine 24 und wird nach Entspannung in dieser Turbine über einen Wärmeaustauscher 27 und einen Kühler 28 der Saugseite des Verdichters25 zugeleitet. Nach Verdichtung wird es sodann über eine Leitung 29 wieder dem Wärmeaustauscher zugeführt, in welchem es Wärme vom entspannten Arbeitsgas aufnimmt, und gelangt schließlich über eine Leitung 30 wieder in den Wärmeaustauscher 12.

ao Die Anordnung des Kreislaufs des Zwischenwärmeträgers entspricht im wesentlichen wieder jener nach Fig. 2. Die einzelnen Teile dieses Kreislaufs sind daher in Fig. 4 mit den gleichen Bezugsziffern versehen wie in Fig. 2. In Fig. 4 ist indessen noch ein zusätz-Hcher Wärmeaustauscher 31 gezeigt, welcher im Kreislauf des Zwischenwärmeträgers zwischen den Leitungen 18 und 19' in Nachschaltung zum Wärmeaustauscher 12 eingebaut ist. Dieser Wärmeaustauscher dient zur Abgabe von Nutzwärme, beispielsweise zu Heizzwecken, an ein anderes Medium und erlaubt, den Zwischenwärmeträger auf eine tiefere Temperatur als die Temperatur des dem Wärmeaustauscher 12 zuströmenden Arbeitsgases der Gasturbinenanlage 24, 25 abzukühlen.

Selbstverständlich kann auch im Zusammenhang mit einer Gasturbinenanlage eine andere in den Rahmen der Erfindung fallende Schaltung des Zwischenwärmeträgerkreislaufs vorgesehen werden, wie z. B. eine der in den Fig. 1 oder 3 gezeigten Schaltungen, mit oder ohne Wärmeaustauscher 31.

Bei den dargestellten Anlagen sind die Turbine 17 und der Verdichter 20 bzw. die Verdichter 20', 20" miteinander im Leistungsgleichgewicht, das heißt sie benötigen keine Antriebsleistung von außen noch geben sie nach außen Nutzleistung ab. Sämtliche durch den Zwischenwärmeträger vom Reaktor aufgenommene Wärme wird somit an das Arbeitsmittel der Wärmekraftmaschine und allfällige weitere Nutzwärmeempfänger abgegeben.

Claims

Patentansprüche·.

1. Anlage zur Ausnutzung der in einem Kernreaktor anfallenden Wärme, bei welcher diese Wärme über einen in mindestens einem Kreislauf dfurch den Reaktor geführten gasförmigen Zwischenwärmeträger an das Arbeitsmittel einer Wärmekraftmaschine abgegeben wird und dieser Kreislauf durch eine Turbine und mindestens einen von dieser Turbine angetriebenen Verdichter führt, wobei für die Wärmeübertragung vom Zwischenwärmeträger an das Arbeitsmittel der Wärmekraftmaschine ein vom entspannten, die Turbine des Zwischenwärmeträgerkreislaufs verlassenden Gas durchströmter Wärmeaustauscher (12) vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß außerdem noch ein mit Bezug auf das Arbeitsmittel der Wärmekraftmaschine (2,3) nachgeschalteter Wärmeaustauscher (14) vorgesehen ist, welcher von verdichtetem, im Reaktor (1) erhitzten Gas

des Zwischenwärmeträgerkreislaufs durchströmt wird.

2. Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Zwischenwärmeträgerkreielauf nacheinander vom Reaktor (1) durch den mit Bezug auf das Arbeitsmittel der Wärmekraftmaschine nachgeschalteten Wärmeaustauscher (14) und die Turbine (17) führt (Fig. 1).

3. Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Zwischenwärmeträgerkreislauf sich nach dem Reaktor in der Weise verzweigt, daß eine Teilmenge des Zwischenwärmeträgers durch den mit Bezug auf das Arbeitsmittel der Wärmekraftmaschine (2, 3 bzw. 24, 25) nachgeschalteten Wärmeaustauscher (14) geführt wird und die restliche Menge unmittelbar in der Turbine (17) entspannt und nach Wiederverdichtung bis auf den Druck der den genannten Wärmeaustauscher (14) verlassenden Teilmenge wieder mit dieser Teilmenge vereinigt wird (Fig. 2 und 4).

4. Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwei voneinander getrennte, durch den Reaktor führende Kreisläufe für denZwischen-

wärmeträger vorgesehen sind, wobei nach dem Austritt des erhitzten Zwischenwärmeträgers aus dem Reaktor der eine Kreislauf durch den mit Bezug auf das Arbeitsmittel der Wärmekraftmaschine nachgesohalteten Wärmeaustauscher (14) und der andere Kreislauf durch die Turbine (17) führt (Fig. 3).

5. Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Strömungsweg des die Turbine (17) verlassenden Zwischenwärmeträgers dem für die Wärmeabgabe an das Arbeitsmittel der Wärmekraftmaschine (24, 25) dienenden Wärmeaustauscher ein weiterer Wärmeaustauscher (31) angeordnet ist, der zur Abgabe von Nutzwärme an ein anderes Medium dient (Fig. 4).

6. Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Turbine (17) und Verdichter (20 bzw. 20', 20") des Zwischenwärmeträgers miteinander im Leistungsgleichgewicht sind.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Britische Patentschrift Nr. 799 212;
»Atomkernenergie«, Bd. 3, 1958, S. 312.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen