DE1124527B

DE1124527B - Heat exchange arrangement, especially for reactor systems, with a closed coolant circuit

Info

Publication number: DE1124527B
Application number: DEW28309A
Authority: DE
Inventors: Walter Esselman; Walter Roman
Original assignee: Westinghouse Electric Corp
Current assignee: CBS Corp
Priority date: 1959-08-14
Filing date: 1960-08-03
Publication date: 1962-03-01

Description

Wärmetauschanordnung, insbesondere für Reaktoranlagen, mit in sich geschlossenem Kühlmittelkreislauf Die Erfindung betrifft eine Wärmetauschanordnung, insbesondere für Atomreaktoranlagen, mit in sich geschlossenem Kühimittelkreislauf und das Kühlmittel umwälzender Pumpvorrichtung.Heat exchange arrangement, in particular for reactor systems, with it closed coolant circuit The invention relates to a heat exchange arrangement, especially for nuclear reactor systems with a closed coolant circuit and the coolant circulating pumping device.

Im einzelnen befaßt sich die Erfindung mit der Verwendung von Dampfstrahlpumpen zur Umwälzung eines Kühlmittels in einer Einrichtung, die unter extrem hohen Drücken und Temperaturen steht.In particular, the invention is concerned with the use of steam jet pumps for the circulation of a coolant in a facility that operates under extremely high pressures and temperatures.

In bekannten Wärmetauscheinrichtungen, in denen ein Kühlmittel umgewälzt wird, werden konventionelle Pumpen zur Bewegung des Kühlmittels verwendet. In Einrichtungen, in denen hohe Drücke und hohe Temperaturen auftreten, müssen diese elektrischen Pumpen den in der Einrichtung herrschenden Bedingungen entsprechend bemessen sein. In vollkommen geschlossenen, mit hohem Druck und hoher Temperatur arbeitenden Einrichtungen, in denen ein Korrosion hervorrufendes Kühlmittel verwendet wird, hat es sich als notwendig erwiesen, für die Umwälzung des Kühlmittels Pumpen zu wählen, die nicht nur den Druck- und Temperaturbedingungen, sondern außerdem auch den Korrosionseigenschaften des Kühlmittels standhalten. Häufig muß die Einrichtung leckdicht sein, weil ein Entweichen gewisser Kühlmittel sehr gefährlich ist. Zur Bewegung von Kühlmitteln in Einrichtungen, für die vollkommen geschlossene Pumpen erforderlich sind, sind Pumpen mit einem leckdichten Gehäuse entwickelt worden, das den Rotor der Pumpe vom Stator trennt. Die Verwendung geschlossener Motorpumpen erfordert natürlich gewisse bewegliche Teile, die im Kühlmittel angeordnet und hohen Temperaturen und Drücken sowie der Korrosionswirkung des Kühlmittels ausgesetzt sind. Außerdem treten große Schwierigkeiten auf durch die Anordnung von Einrichtungen für die Schmierung der Pumpenlager. Die Verwendung einer geschlossenen Motorpumpe für die Umwälzung von Korrosion hervorrufenden Kühlmitteln erfordert eine Einrichtung, bei der ein Ausfall der beweglichen Pumpenteile schwerwiegende Probleme aufwirft insofern, als das Personal bei der Instandsetzung gefährdenden Stoffen ausgesetzt und ein langer Betriebsausfall erforderlich sein kann.In known heat exchange devices in which a coolant is circulated conventional pumps are used to move the coolant. In facilities where high pressures and high temperatures occur, these must be electrical Pumps must be sized according to the conditions prevailing in the facility. In completely closed facilities working at high pressure and high temperature, in which a corrosive coolant is used, it has been found to be proved necessary to choose pumps for the circulation of the coolant that do not only the pressure and temperature conditions, but also the corrosion properties withstand the coolant. Often the device must be leak tight because a Leakage of certain coolants is very dangerous. For moving coolants in facilities that require fully enclosed pumps Pumps have been developed with a leak-tight housing that holds the rotor of the pump separates from the stator. The use of closed motor pumps, of course, requires certain moving parts that are located in the coolant and high temperatures and Pressures and the corrosive effects of the coolant are exposed. Also kick great difficulties arise due to the arrangement of devices for lubrication the pump bearing. The use of a closed motor pump for circulation Corrosion-inducing coolants requires a facility in which a Failure of the moving pump parts poses serious problems in that the staff is exposed to hazardous substances during the repair and a long period of time Downtime may be required.

Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die Pumpen durch eine Pumpvorrichtung zu ersetzen, die in dem in sich geschlossenen Kreislauf eines teils flüssigen, teils dampfförmigen Kühlmittels angeordnet ist, das unter hohem Druck steht und hohe Temperatur sowie gegebenenfalls Korrosion hervorrufende Eigenschaften hat. Erfindungsgemäß wird daher eine Pumpvorrichtung vorgeschlagen, die aus mindestens einem Injektor besteht, der mit einem im Kreislauf des flüssigen Kühlmittelanteils liegenden Venturirohr und mit einer Dampfdüse, die an eine von dampfförmigem Kühlmittel erfüllte Kammer angeschlossen ist und im Venturirohr mündet, ausgestattet ist. Ein solcher Injektor ist einfach und robust im Aufbau und enthält keine beweglichen Teile, so daß die Instandsetzungsprobleme im wesentlichen beseitigt sind. Die Injektoren können im Vergleich zu geschlossenen Motorpumpen oder anderen Spezialpumpen mit wesentlich geringeren Kosten hergestellt werden. Ferner sind sie zwar dem in der Einrichtung herrschenden Druck, nicht aber dem Druckunterschied zwischen dem Druck in der Einrichtung und dem äußeren atmosphärischen Druck ausgesetzt: Zur Erzeugung einer stärkeren Strömung des Kühlmittels können mehrere Injektoren parallel geschaltet sein. Zu diesem Zweck sind beispielsweise zwei koaxial ineinandergesetzte Behälter vorgesehen, in die das Kühlmittel vom Oberteil des äußeren, druckfesten Behälters durch den ringförmigen Zwischenraum zwischen den Behälter bis auf den Grund des Außenbehälters und von dort aufwärts in den Innenbehälter strömt; wobei das Kühlmittel auf Erhitzer trifft, die so viel Wärme abgeben; daß ein Teil des Kühlmittels siedet. Der bei dieser Erhitzung erzeugte Dampf kann von dem erhitzten flüssigen Teil des Kühlmittels getrennt werden und wird vorzugsweise zusammen mit dem flüssigen Teil in den oberen Teil des Innenbehälters geleitet. Der flüssige Teil wird aus dem Innenbehälter an einer unter dem Flüssigkeitsspiegel liegenden Stelle abgeführt und zu einem Wärmetauscher geleitet. Die Injektoren sind am oberen Teil des Innenbehälters im ringförmigen Zwischenraum zwischen den Behältern angeordnet. Ihre Dampfdüsen werden mit dem Dampf gespeist, der sich im oberen Teil des Innenbehälters ansammelt.In contrast, the invention is based on the object of the pumps to be replaced by a pumping device in the self-contained circuit a partly liquid, partly vaporous coolant is arranged, which is below high pressure and high temperature as well as possibly causing corrosion Has properties. According to the invention, a pumping device is therefore proposed, which consists of at least one injector, which is connected to one in the circuit of the liquid Coolant portion lying Venturi tube and with a steam nozzle that is connected to one of a chamber filled with vaporous coolant is connected and opens into the venturi tube, Is provided. Such an injector is simple and robust in construction and contains no moving parts, so that the repair problems are essentially eliminated are. The injectors can be compared to closed motor pumps or others Special pumps can be manufactured at much lower cost. Furthermore, they are the pressure prevailing in the facility, but not the pressure difference between the pressure in the facility and the external atmospheric pressure: Several injectors can be used to generate a stronger flow of the coolant be connected in parallel. For this purpose, for example, two are nested coaxially Container provided in which the coolant from the upper part of the outer, pressure-resistant Container through the annular space between the container up to the The bottom of the outer container and from there flows upwards into the inner container; whereby the coolant encounters heaters that give off so much heat; that a Part of the coolant is boiling. The steam generated during this heating can be used by the heated liquid part of the coolant are separated and is preferably put together with the liquid part in the upper part of the inner container. The liquid one Part is made of the inner container at a lying below the liquid level Body discharged and passed to a heat exchanger. The injectors are on top Part of the inner container arranged in the annular space between the containers. Your steam nozzles are fed with the steam that is in the upper part of the inner container accumulates.

An Hand der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele wird die Erfindung erläutert. Fig.1 ist ein schematisch dargestellter Kreislauf einer vollkommen geschlossenen Einrichtung gemäß dieser Erfindung, mit im Schnitt dargestellten Einzelheiten; Fig.2 ist eine Schnittdarstellung des Behälters nach Fig:1 entlang der Linie II-II; Fig. 3 ist ein- schematisch dargestellter Kreislauf eines weiteren Ausführungsbeispiels, teilweise in Schnittdarstellung.Using the exemplary embodiments shown in the drawings the invention is explained. Fig. 1 is a circuit shown schematically a fully enclosed device according to this invention, with in section details shown; Fig. 2 is a sectional view of the container according to Fig: 1 along the line II-II; 3 is a circuit shown schematically of a further embodiment, partly in section.

Die in den Fig.1 und 2 dargestellte Anordnung ist in eine vollkommen geschlossene Anlage eingeordnet, die vorzugsweise bei einem höheren als dem atmosphärischen Druck betrieben wird. Die geschlossene Anlage ist insgesamt mit dem Bezugszeichen 10 bezeichnet und enthält ein im vergrößerten Maßstab dargestelltes Druckgefäß 12 aus einem druckfesten Material, beispielsweise aus Stahl. Der Behälter 12 ist oben mit einer Rohreinführung 14 versehen. Ein Innenbehälter 16 mit gewölbtem Oberteil ist koaxial im Behälter 12 angeordnet. Das obere Ende des Innenbehälters 16 ist durch einen Deckel 18 geschlossen, während das untere Ende offen ist. In dem Innenbehälter 16 ist eine dicht geschlossene Kammer 20 vorgesehen, die durch ein Paar an den Seitenwänden des Innenbehälters 16 befestigter, beispielsweise angeschweißter Rohrböden 22 und 24 gebildet ist. Mehrere Röhren 26 durchziehen die Kammer 20 und sind an den Rohrböden 22 und 24 beispielsweise durch Schweißung befestigt. Ein Heizmittel-Zuführungsrohr 28 ist durch die Seitenwand des Außenbehälters 12 geführt und am Umfang einer Öffnung 30 des Innenbehälters 16 befestigt. In gleicher Weise ist ein Heizmittel-Ableitungsrohr 32 für die Kammer 20 vorgesehen, das am Umfang einer Öffnung 34 im Innenbehälter 16 befestigt ist. Das Rohr 32 ist beispielsweise durch eine Schweißnaht 36 vollkommen dicht durch die Wandung des Behälters 12 geführt: Bei diesem Ausführungsbeispiel sind die Kammer 20; die Rohre 28 und 32 so angeordnet, daß sie vollkommen dicht von dem übrigen Teil der Einrichtung getrennt sind. Die Kammer 20 stellt einen Wärmetauscher dar; durch den ein erhitztes flüssiges oder gasförmiges Medium hindurchgeleitet wird. In diesem Beispiel sollen heiße Verbrennungsgase durch das Rohr 28 in die Kammer 20 eintreten, wie durch den Pfeil 38 angedeutet ist. Die Gase bewegen sich durch die Kammer 20 hindurch und treten in Wärmeaustausch mit den Röhren 26. Ein durch die Röhren 26 strömendes Kühlmittel wird dann also einen Teil der Wärme der Verbrennungsgase aufnehmen. Die Verbrennungsgase verlassen die Kammer 20 durch das Rohr 32, wie durch den Pfeil 40 angedeutet. Zur Sicherstellung einer gleichmäßigen Strömung der Verbrennungsgase kann beispielsweise eine Pumpe (nicht dargestellt) verwendet werden. Dadurch, daß die Kammer 20 von dem übrigen Teil der Einrichtung vollkommen dicht getrennt ist, kann also das Verbrennungsgas nicht in den Hauptteil der Einrichtung eintreten. Bei der Abdichtung ist zu berücksichtigen, daß die wärmetauschenden Medien unter verschiedenem Druck stehen, also der Druck in der Kammer 20 sich wesentlich von dem Druck im übrigen Teil der Anordnung unterscheiden kann. Natürlich kann ein beliebiges anderes Medium für die Beheizung verwendet werden.The arrangement shown in Figures 1 and 2 is perfect in one closed system classified, preferably at a higher than atmospheric Pressure is operated. The closed system is identified as a whole with the reference number 10 and contains a pressure vessel 12 shown on an enlarged scale made of a pressure-resistant material, for example steel. The container 12 is at the top provided with a pipe entry 14. An inner container 16 with a domed top is arranged coaxially in the container 12. The upper end of the inner container 16 is closed by a lid 18 while the lower end is open. In the inner container 16, a tightly closed chamber 20 is provided by a pair on the side walls of the inner container 16 attached, for example welded, tube sheets 22 and 24 is formed. Several tubes 26 pass through the chamber 20 and are on the tube sheets 22 and 24 attached for example by welding. A heating medium supply pipe 28 is passed through the side wall of the outer container 12 and on the periphery of an opening 30 of the inner container 16 attached. In the same way is a heating medium discharge pipe 32 is provided for the chamber 20, the circumference of an opening 34 in the inner container 16 is attached. The tube 32 is complete, for example, by a weld 36 guided tightly through the wall of the container 12: In this embodiment are the chamber 20; the tubes 28 and 32 arranged so that they are perfectly tight are separate from the rest of the facility. The chamber 20 represents a heat exchanger dar; through which a heated liquid or gaseous medium is passed will. In this example, hot combustion gases are intended to enter the Enter chamber 20, as indicated by arrow 38. The gases move through the chamber 20 and enter into heat exchange with the tubes 26 Coolant flowing through the tubes 26 then becomes part of the heat of the Absorb combustion gases. The combustion gases exit the chamber 20 through the Tube 32, as indicated by arrow 40. To ensure an even Flow of the combustion gases can, for example, be a pump (not shown) be used. In that the chamber 20 is separated from the rest of the device is completely tightly separated, so the combustion gas cannot enter the main part enter the facility. When sealing it must be taken into account that the heat-exchanging Media are under different pressures, so the pressure in the chamber 20 is significantly different can differ from the pressure in the rest of the assembly. Of course one can any other medium can be used for heating.

Wie beschrieben, enthält die Anlage 10 eine Anordnung, durch die ein flüssiges Kühlmittel in der im folgenden beschriebenen Weise getrieben und dabei teilweise zum Sieden gebracht wird, so daß ein Teil der Flüssigkeit in Dampf umgewandelt wird. Das Kühlmittel tritt in den Behälter 12 durch die Rohreinführung 14 ein und strömt durch den ringförmigen Raum 42 zwischen den Behältern 12 und 16 abwärts und dann durch die Röhren 26 aufwärts, wobei es in der Kammer 20 in Wärmeaustausch mit den Verbrennungsgasen tritt. Der Wärmetauscher ist so bemessen, daß ein Teil des Kühlmittels beim Durchströmen der Röhren 26 zum Sieden kommt, während der Rest des Kühlmittels auf eine wesentlich höhere Temperatur gebracht wird. Oberhalb der Wärmetauschkammer20 ist ein Sammekaum44 angeordnet; der durch die obere Platte 22 und ein sich ein nach oben verengendes ringförmiges Leitblech 46 begrenzt ist. Eine öffnung 48 am oberen Ende des Leitbleches 46 führt in eine Trennkammer 50. Die Trennkammer 50 ist unten durch das Leitblech 46 und oben durch eine Wand 52 begrenzt. In der Trennkammer 50 ist ein Flüssigkeitsabscheider 54 mit einem für diese Zwecke üblichen Aufbau angeordnet. In diesem Ausführungsbeispiel enthält der Abscheider 54 eine Trennplatte 56 mit einer Reihe von Öffnungen 58. Der untere Teil des Abscheiders 54 ist einBauteil 60, das in der COffnung 48 des Leitbleches 46 angeordnet und an der Trennplatte 54 durch einen Schaft 62 befestigt ist. Das Bauteil 60 soll die Strömung des Kühlmittels verwirbeln. An den Seitenflächen des Bauteiles 60 sind mehrere parallele, schraubenförmig gewundene Bleche 64 angeordnet. Durch ein an der Trennplatte 56 befestigtes, sich nach unten erstreckendes Ringblech 66 ist sichergestellt, daß sich der durch den Abscheider vom Dampf getrennte flüssige Teil des Kühlmittels in dem ringförmigen Raum 68 sammelt, der durch das Leitblech 46 und die Innenwand des Innenbehälters gebildet ist. Außerdem enthält der Abscheiden oben einen mit dem Bezugszeichen 70 bezeichneten Dampftrockner mit einer Reihe von Speichen 72, die an dem einen Ende der Platte 56 befestigt sind, sich radial nach außen erstrecken und zur Trennung von Wasser und Dampf beitragen. Der Dampftrockner 70 enthält außerdem eine Reihe von Winkeln 73, die in bekannter Weise zur Herabsetzung der im Dampf enthaltenen Nässe im Dampfstrom angeordnet sind. -Diese Abscheideanordnung ist nur als ein Beispiel zu betrachten: Es kann auch eine beliebige andere Anordnung verwendet werden, die dieselben Ergebnisse wie die in der Zeichnung dargestellten Teile erzielt.As described, the system 10 includes an arrangement through which a liquid coolant is driven in the manner described below and thereby partially boiled so that part of the liquid is converted into vapor. The coolant enters the container 12 through the conduit entry 14 and flows down through the annular space 42 between the containers 12 and 16 and then up the tubes 26, exchanging heat with the combustion gases in the chamber 20. The heat exchanger is dimensioned so that part of the coolant comes to a boil as it flows through the tubes 26, while the remainder of the coolant is brought to a significantly higher temperature. A collecting chamber 44 is arranged above the heat exchange chamber 20; which is limited by the upper plate 22 and an upwardly narrowing annular baffle 46. An opening 48 at the upper end of the guide plate 46 leads into a separating chamber 50. The separating chamber 50 is delimited at the bottom by the guide plate 46 and at the top by a wall 52. In the separation chamber 50, a liquid separator 54 is arranged with a structure customary for this purpose. In this embodiment, the separator 54 includes a partition plate 56 with a series of openings 58. The lower part of the separator 54 is a component 60 which is disposed in the opening 48 of the baffle 46 and is attached to the partition plate 54 by a shaft 62. The component 60 is intended to swirl the flow of the coolant. A plurality of parallel, helically wound metal sheets 64 are arranged on the side surfaces of the component 60. A downwardly extending annular plate 66 attached to the partition plate 56 ensures that the liquid part of the coolant separated from the vapor by the separator collects in the annular space 68 formed by the baffle 46 and the inner wall of the inner container. The top of the separator also includes a steam dryer, designated by the reference numeral 70, having a series of spokes 72 attached to one end of the plate 56, extending radially outwardly, and helping to separate the water and steam. The steam dryer 70 also contains a number of angles 73 which are arranged in a known manner to reduce the moisture contained in the steam in the steam flow. -This separator arrangement is to be considered as an example only: any other arrangement that achieves the same results as the parts shown in the drawing can be used.

Der Innenbehälter 16 enthält in dem durch die: Platte 22 und das Leitblech 46 begrenzten Raum 44 eine Mischung von flüssigem und verdampftem Kühlmittel. Ebenso enthält der durch die Platte 52, das Leitblech 46 und die Innenwand des Behälters 16 begrenzte Raum eine Mischung aus Dampf und Flüssigkeit. In diesem Raum werden Dampf und Flüssigkeit voneinander getrennt, so daß sich die Flüssigkeit in dem ringförmigen Raum 68 sammelt, der durch das Leitblech 46 und die Innenwand des Behälters 16 gebildet wird. In dem Raum oberhalb des Flüssigkeitsspiegels 108 befindet sich im wesentlichen Dampf, und die im Dampf noch enthaltene Flüssigkeit wird durch den hier angeordneten Dampftrockner 70 entfernt. Die durch den Deckel 18 des Innenbehälters 16 und die Platte 52 gebildete Kammer 74 enthält nur trockenen Dampf, der mit Hilfe der Düsen 76 zur Umwälzung der Flüssigkeit verwendet wird. Damit eine Kondensation des trockenen Dampfes auf Grund der in der Nähe der Kammer 74 einströmenden, relativ kühlen Flüssigkeit vermieden wird, ist eine Isolation 78 an der Innenseite des Deckels 18 vorgesehen. Die Isolation 78 kann aus einem beliebigen Isolationswerkstoff bestehen und beispielsweise einen geschlossenen Raum enthalten, der mit einem Gas oder einem für diese Zwecke bekannten Stoff mit niedrigem Wärmeübergangskoeffizienten gefüllt ist. In Fig. 1 ist die Isolation als ein mit einem Edelgas gefüllter Raum dargestellt, der durch den Deckel 18 und eine am Innenbehälter 16 beispielsweise durch Schweißung befestigte Platte 80 gebildet ist.The inner container 16 contains a mixture of liquid and evaporated coolant in the space 44 delimited by the plate 22 and the guide plate 46. Likewise, the space delimited by the plate 52, the baffle 46 and the inner wall of the container 16 contains a mixture of vapor and liquid. In this space, vapor and liquid are separated from one another, so that the liquid collects in the annular space 68 which is formed by the baffle 46 and the inner wall of the container 16. In the space above the liquid level 108 there is essentially steam, and the liquid still contained in the steam is removed by the steam dryer 70 arranged here. The chamber 74 formed by the lid 18 of the inner container 16 and the plate 52 contains only dry steam, which is used with the aid of the nozzles 76 to circulate the liquid. In order to avoid condensation of the dry vapor due to the relatively cool liquid flowing in in the vicinity of the chamber 74, an insulation 78 is provided on the inside of the cover 18. The insulation 78 can consist of any insulation material and, for example, contain a closed space which is filled with a gas or a substance known for this purpose with a low heat transfer coefficient. In Fig. 1, the insulation is shown as a space filled with a noble gas, which is formed by the cover 18 and a plate 80 fastened to the inner container 16, for example by welding.

Der ringförmige, die Flüssigkeit enthaltende Raum 68 ist mit einem die Flüssigkeit abführenden Rohr 82 versehen, das an einer Öffnung im Innenbehälter 16 befestigt, durch den ringförmigen Zwischenraum zwischen den beiden Behältern 12 und 16 und leckdicht, beispielsweise durch eine Schweißnaht 84, durch eine Öffnung im Außenbehälter 12 geführt ist. Die Rohrleitung 82 verbindet den Flüssigkeitssammler 68 mit einem Wärmetauscher 86, der einen für diese Zwecke üblichen Aufbau haben kann. Eine Rohrleitung 88 verbindet den Ausgang des Wärmetauschers mit der Einführungsöffnung 14 des Außenbehälters 12. Die Flüssigkeit wird also aus dem Flüssigkeitssammler 68 durch die Leitung 82 dem Wärmetauscher 86 zugeführt, der ihre Wärme an einen Verbraucher abgibt, der über die Rohrleitungen 90 und 92 an den Wärmetauscher 86 angeschlossen ist.The annular space 68 containing the liquid is provided with a pipe 82 discharging the liquid which is attached to an opening in the inner container 16, through the annular space between the two containers 12 and 16 and leak-tight, for example by a weld seam 84, through an opening is guided in the outer container 12. The pipeline 82 connects the liquid collector 68 to a heat exchanger 86, which can have a structure that is customary for this purpose. A pipeline 88 connects the outlet of the heat exchanger with the inlet opening 14 of the outer container 12. The liquid is thus fed from the liquid collector 68 through the line 82 to the heat exchanger 86, which gives off its heat to a consumer who is sent via the pipelines 90 and 92 to the Heat exchanger 86 is connected.

In der erfindungsgemäßen Einrichtung darf der Wärmetauscher 86 den unter Druck stehenden, geschlossenen Kühhnittelkreislauf nicht unterbrechen. Der Wärmetauscher 86 trennt also das ihn durchfließende Kühlmittel von dem äußeren, kühlenden Medium, daß über die Leitung 90 in den Wärmetauscher eintritt. Dies kann in bekannter Weise, z. B. durch Verwendung von Röhren erreicht werden, die von dem durch das Rohr 82 zufließenden Kühlmittel durchströmt werden. Die Röhren sind leckdicht so mit den Rohrleitungen 82 und 88 verbunden, daß der Druck im Kreislauf aufrechterhalten bleibt, und vermitteln den Wärmeaustausch mix dem Kühlmittel, das dem Wärmetauscher 86 durch die Rohrleitung 90 zugeführt wird. So kann die Wärme von dem durch die Rohrleitung 82 strömenden Kühlmittel abgeführt werden, ohne daß sich der Druck im Kühlmittelkreislauf wesentlich ändert.In the device according to the invention, the heat exchanger 86 must not interrupt the pressurized, closed coolant circuit. The heat exchanger 86 thus separates the coolant flowing through it from the external, cooling medium that enters the heat exchanger via the line 90. This can be done in a known manner, e.g. B. can be achieved by using tubes through which the coolant flowing in through tube 82 flows. The tubes are leak-tightly connected to the pipelines 82 and 88 so that the pressure in the circuit is maintained and convey the heat exchange mix to the coolant which is supplied to the heat exchanger 86 through the pipeline 90. In this way, the heat can be dissipated from the coolant flowing through the pipeline 82 without the pressure in the coolant circuit changing significantly.

Das den Wärmetauscher 86 durchströmende Kühlmittel wird dem Behälter 12 über die Rohrleitung 88 wieder zugeführt. In dem Ringraum zwischen den Behältern 12 und 16 sind Injektoren 94 und eine waagerecht angeordnete mit mehreren, in diesem Ausführungsbeispiel mit sechs Öffnungen 98 versehene Ringplatte 96 vorgesehen. An jeder Öffnung 98 ist ein Diffusor 100 vorgesehen, der im wesentlichen die Form von zwei senkrecht stehenden, mit ihren Spitzen koaxial aufeinandergesetzten Kegelstümpfen hat. Jedes dieser Teile des Diffusors 100 kann aus einem dünnwandigen Blech hergestellt sein. Die Diffusoren sind mit ihrer Oberkante an der Platte 96 beispielsweise durch Schweißung befestigt. Sie sind aus einem Material hergestellt, das den in der Einrichtung herrschenden Drücken, Temperaturen und Strömungsbedingungen standhält. Die Dampfdüsen 76, von denen eine zusammen mit einem Diffusor jeweils einen Injektor bilden, sind mit einem Hohlkegelstumpf 102 versehen, dessen Spitze jeweils innerhalb des oberen kegelstumpfartigen Teiles 104 des Diffusors 100 angeordnet ist. Der Hohlkegelstumpf 102 ist im Durchmesser entsprechend kleiner als der obere Teil 104 des Diffusors 100. Die Teile 102 und 104 bilden einen ringförmigen Zwischenraum 107, der eine Ringdüse für die Flüssigkeit innerhalb des Injektors darstellt. Der untere Kegelstumpf 106 bildet einen Diffusor. Die Düsen 76 liegen im Zuge der in den Druckkessel 12 einströmenden Flüssigkeit. Die gesamte einströmende Flüssigkeit muß durch den Diffusor 100 strömen, in dem sie dem Dampfstrahl der Düsen 76 ausgesetzt ist. Dadurch wird eine strahlpumpenartige Wirkung auf das Kühlmittel ausgeübt, das durch die Ringdüse 107 strömt, in der die Strömungsgeschwindigkeit des Kühlmittels wesentlich erhöht wird. Die Form und die Dimensionierung der Düsen 76, der Ringdüse 107 und des Diffusorteils 106 ist direkt abhängig von den besonderen Eigenschaften des Kühlmittelkreislaufes. Wenn diese Eigenschaften bekannt sind, kann jeder Fachmann die Abmessungen und Formen der genannten Teile bestimmen: Die Arbeitsweise der Anlage 10 wird im folgenden beschrieben: Als Kühlmittel ist eine beliebige Flüssigkeit verwendet. Das heizende Medium fließt durch den Einlaßstutzen 28 in die Wärmetauschkammer 20, wie durch den Pfeil 38 angedeutet. Das Kühlmittel in den Röhren 26 tritt in Wärmeaustausch mit dem heizenden Medium, wodurch die Temperatur des Kühlmittels erhöht wird. Das Heizmedium hält den Wärmeaustausch mit der Flüssigkeit über einen Zeitabschnitt aufrecht, der von der die Kammer durchströmenden Menge abhängt. Wie durch den Pfeil 40 angedeutet, verläßt das Heizmedium die Wärmetauschkammer durch die Rohrleitung 32. Während der Anheizzeit kann natürlich die Flüssigkeit ständig durch ein zusätzliches Heizmedium beheizt werden. Zunächst hat die Flüssigkeit in den Röhren 26 eine höhere Temperatur als die Flüssigkeit in- den übrigen Teilen der Einrichtung. Die Flüssigkeit im Wärmetauscher 86 hat die niedrigste Temperatur, so daß durch die natürliche Zirkulation der Flüssigkeit eine Anfangsströmung einsetzt. Durch eine solche Zirkulation fließt die Flüssigkeit von den Röhren 26n die Kammer 44, in den Ringraum 68, durch die Rohrleitung 82, den Wärmetauscher 86, die Rohrleitung 88, die Einführung 14, den Ringraum 42 und zurück zu den Röhren 26.The coolant flowing through the heat exchanger 86 is fed back to the container 12 via the pipeline 88. In the annular space between the containers 12 and 16, injectors 94 and a horizontally arranged annular plate 96, which is provided with a plurality of openings 98 in this exemplary embodiment, are provided. At each opening 98 a diffuser 100 is provided, which essentially has the shape of two perpendicular truncated cones placed with their tips coaxially one on top of the other. Each of these parts of the diffuser 100 can be made from a thin-walled sheet metal. The upper edge of the diffusers is attached to the plate 96, for example by welding. They are made of a material that can withstand the pressures, temperatures and flow conditions prevailing in the facility. The steam nozzles 76, one of which together with a diffuser each form an injector, are provided with a hollow truncated cone 102, the tip of which is arranged within the upper frustoconical part 104 of the diffuser 100. The hollow truncated cone 102 is correspondingly smaller in diameter than the upper part 104 of the diffuser 100. The parts 102 and 104 form an annular intermediate space 107 which represents an annular nozzle for the liquid within the injector. The lower truncated cone 106 forms a diffuser. The nozzles 76 lie in the course of the liquid flowing into the pressure vessel 12. All of the inflowing liquid must flow through the diffuser 100, in which it is exposed to the steam jet from the nozzles 76. As a result, a jet pump-like effect is exerted on the coolant flowing through the annular nozzle 107, in which the flow rate of the coolant is significantly increased. The shape and dimensions of the nozzles 76, the annular nozzle 107 and the diffuser part 106 are directly dependent on the particular properties of the coolant circuit. If these properties are known, any person skilled in the art can determine the dimensions and shapes of the parts mentioned: The mode of operation of the system 10 is described below: Any liquid is used as the coolant. The heating medium flows through the inlet connection 28 into the heat exchange chamber 20, as indicated by the arrow 38. The coolant in the tubes 26 exchanges heat with the heating medium, whereby the temperature of the coolant is increased. The heating medium maintains the heat exchange with the liquid over a period of time which depends on the amount flowing through the chamber. As indicated by the arrow 40, the heating medium leaves the heat exchange chamber through the pipe 32. During the heating-up time, the liquid can of course be continuously heated by an additional heating medium. First of all, the liquid in the tubes 26 has a higher temperature than the liquid in the other parts of the device. The liquid in the heat exchanger 86 has the lowest temperature so that an initial flow occurs due to the natural circulation of the liquid. Through such circulation, the liquid flows from tubes 26n, chamber 44, into annulus 68, through conduit 82, heat exchanger 86, conduit 88, inlet 14, annulus 42, and back to tubes 26.

Dieser Anfangskreislauf kann nur so lange bestehen, bis die Flüssigkeit im gesamten Druckbehälter 12 etwa auf der gleichen Temperatur ist. Von diesem Moment an muß die Wärme der Flüssigkeit durch äußere Mittel, beispielsweise den Wärmetauscher 86, abgeleitet werden, so daß die Strömung wieder einsetzt. Wird die Flüssigkeit ständig weiter erhitzt, so bildet sich Dampf, der sich in der Kammer 74 im oberen Teil des Innenbehälters 16 sammelt. Der Dampf in der Kammer 74 versucht den Flüssigkeitsspiegel in der Kammer 74 herunterzudrücken, bis das' untere Ende der Dampfdüse 76 sich über dem Flüssigkeitsspiegel befindet. In Abhängigkeit von der Menge des durch die Düse 76 strömenden Dampfes sinkt der Flüssigkeitsspiegel, bis ein Gleichgewichtszustand erreicht ist, beispielsweise bei dem eingezeichneten Flüssigkeitsstand 108.This initial cycle can only exist until the liquid in the entire pressure vessel 12 is approximately at the same temperature. From that moment on must the heat of the liquid by external means, for example the heat exchanger 86, so that the flow starts again. Will If the liquid continues to be heated, vapor is formed, which is in the chamber 74 collects in the upper part of the inner container 16. The steam in chamber 74 tries to depress the liquid level in chamber 74 until the 'lower end the steam nozzle 76 is located above the liquid level. In dependence of the amount of steam flowing through nozzle 76 lowers the liquid level, until a state of equilibrium is reached, for example with the one shown Fluid level 108.

Wenn der Flüssigkeitsspiegel im Innenbehälter 16 tiefer liegt als das Ende der Düse 76, wird der Dampf zunächst durch die Düse 76 in den Diffusor 100 strömen. Da alle Dampfdüsen 76 parallel geschaltet und in derselben Höhe angeordnet sind, ist zu erwarten, daß der Dampf aus allen Düsen gleichzeitig in den jeweils zugeordneten Difffusor 100 eintritt. Damit die Düsen gleichzeitig in Betrieb gehen, sind Mittel vorgesehen, die sicherstellen, daß der Druckunterschied zwischen jeder Düse 76 und dem zugeordneten Diffusor 100 gleich ist. Zu diesem Zweck ist jeder Diflusor mit den benachbarten Diffusoren durch Leitungen, beispielsweise durch die Röhren 110, verbunden. Auf diese Weise ist verhindert, daß eine Dampfdüse 76 vor den übrigen in Betrieb geht und eine Rückströmung durch die übrigen Düsen 76 eintritt.When the liquid level in the inner container 16 is lower than the end of the nozzle 76, the steam is first through the nozzle 76 into the diffuser 100 stream. Since all steam nozzles 76 are connected in parallel and arranged at the same height are, it is expected that the steam from all nozzles simultaneously in the respective assigned diffuser 100 enters. So that the nozzles go into operation at the same time, Means are provided to ensure that the pressure difference between each Nozzle 76 and the associated diffuser 100 is the same. To that end, everyone is Diflusor with the neighboring diffusers through lines, for example through the Tubes 110 connected. In this way it is prevented that a steam nozzle 76 is present the rest goes into operation and a backflow occurs through the remaining nozzles 76.

Die Pumpwirkung jeder Dampfdüse 76 hängt natürlich ab von dem Temperaturunterschied zwischen dem Dampf und der nachströmenden Flüssigkeit. Die Dampfdüsen, die in der in den Druckkessel 12 eintretenden Strömung angeordnet sind, stellen sicher, daß die relativ kühle Flüssigkeit nachströmt. Zwar kann eine Dampfdüse in der Ausgangsströmung in der Nähe der Rohrleitung 82 angeordnet werden, dann ist jedoch zu beachten, daß die Strömungsgeschwindigkeit wesentlich herabgesetzt wird, weil die Flüssigkeit in der Leitung 82 eine höhere Temperatur als die in den Behälter 12 einströmende Flüssigkeit hat.The pumping action of each steam nozzle 76 depends, of course, on the temperature difference between the vapor and the incoming liquid. The steam nozzles in the are arranged in the pressure vessel 12 entering flow, ensure that the relatively cool liquid flows in. Although a steam nozzle can be in the outlet flow are arranged in the vicinity of the pipeline 82, then it should be noted that the flow rate is significantly reduced because the liquid in the line 82 a higher temperature than that flowing into the container 12 Has liquid.

Außerdem ist zu beachten, daß ein Anfangsdruckunterschied zwischen dem in der Kammer 74 befindlichen Dampf und der einströmenden Flüssigkeit erforderlich ist, damit jede Düse einwandfrei in Betrieb geht. Erfindungsgemäß arbeitet die Einrichtung auch dann, wenn die gesamte durch die Röhren 26 fließende Flüssigkeit zum Sieden gebracht wird, vorausgesetzt natürlich, daß mindestens ein Teil des Mediums im Wärmetauscher 86 kondensiert und daß die Düsen 76 dem im äußeren Teil des Kreislaufes auf eine niedrigere Temperatur abgekühlten Medium ausgesetzt sind. Die Temperatur des abgekühlten Mediums muß unter der Temperatur des Dampfes in den Düsen liegen. Es ist zu beachten; daß die Dampfstrahlpumpen sonst ziemlich unwirksam sind; jedoch erleidet das in den Druckkessel 12 eintretende Medium Wärmeverluste, die zur Erhitzung der Flüssigkeit dienen und dadurch die Wirkung des Wärmetauschers in der Kammer 20 unterstützen. Jeder der Diflusoren 100 ist aus relativ dünnwandigen, venturiförmigen Teilen gebildet, die durch das in den Behälter 12 einströmende Kühlmittel gekühlt werden. Die Anordnung der Dampfdüsen innerhalb der Einrichtung verringert den Aufwand für die Instandhaltung, zumal die Düsen nur dem in der Einrichtung herrschenden Druck ausgesetzt sind und nicht so bemessen werden können, daß sie großen Druckunterschieden standhalten, wodurch sie weniger störanfällig sind. In dem Ausführungsbeispiel nach Fig.3 sind gleiche Teile mit demselben Bezugszeichen wie in Fig. 1 bezeichnet. Bei diesem Beispiel ist die Dampfdüse nicht innerhalb des Außenbehälters 12, sondern auf der Ausgangsseite des Wärmetauschers 86 angeordnet. In einem geschlossenen Druckbehälter 112 sind eine obere und eine untere Leitplatte 22 bzw. 24 und Röhren 26, die eine Wärmeaustauschkammer 20 durchziehen, angeordnet. Die Kammer ist mit einer Zuführung 28 und einer Ableitung 32 versehen, durch die ein wärmeabgebendes Medium, beispielsweise heiße Verbrennungsgase, ein- bzw. abgeführt wird. In dem Behälter 112 ist eine ringartig gebogene Platte 46 oberhalb der Platte 22 angeordnet, wodurch eine Kammer 44 gebildet ist. Außerdem enthält der Behälter 112 einen Wasserabscheider 54 und eine Dampfkammer 74 an seinem oberen Ende. Der Wärmetauscher 86 ist durch die Rohrleitung 82 mit dem Behälter 112 und durch die Leitungen 90 und 92 mit einem Wärmeverbraucher verbunden.It should also be noted that an initial pressure differential between the vapor in chamber 74 and the incoming liquid is required for each nozzle to operate properly. According to the invention, the device also works when all of the liquid flowing through the tubes 26 is brought to a boil, provided of course that at least some of the medium condenses in the heat exchanger 86 and that the nozzles 76 have cooled that in the outer part of the circuit to a lower temperature Are exposed to the medium. The temperature of the cooled medium must be below the temperature of the steam in the nozzles. It should be noted; that the steam jet pumps are otherwise rather ineffective; however, the medium entering the pressure vessel 12 suffers heat losses which serve to heat the liquid and thereby support the action of the heat exchanger in the chamber 20. Each of the diffusers 100 is formed from relatively thin-walled, venturi-shaped parts which are cooled by the coolant flowing into the container 12. The arrangement of the steam nozzles within the device reduces the maintenance effort, especially since the nozzles are only exposed to the pressure prevailing in the device and cannot be dimensioned so that they withstand large pressure differences, making them less prone to failure. In the exemplary embodiment according to FIG. 3, the same parts are denoted by the same reference numerals as in FIG. 1. In this example, the steam nozzle is not arranged inside the outer container 12, but rather on the outlet side of the heat exchanger 86. In a closed pressure vessel 112, an upper and a lower guide plate 22 and 24 and tubes 26, which pass through a heat exchange chamber 20, are arranged. The chamber is provided with a feed line 28 and a discharge line 32 through which a heat-emitting medium, for example hot combustion gases, is introduced and discharged. In the container 112, a ring-like curved plate 46 is arranged above the plate 22, whereby a chamber 44 is formed. The container 112 also includes a water trap 54 and a steam chamber 74 at its upper end. The heat exchanger 86 is connected to the container 112 by the pipeline 82 and to a heat consumer by the lines 90 and 92.

Das aus der Einrichtung strömende Medium tritt aus dem Wärmetauscher 86 durch eine Rohrleitung 114 aus, die zu einer Injektorkammer 116 führt. Die Injektorkammer 116 ist mit der Einlaßöffnung 118 des Druckkessels 112 durch ein Rohr 120 verbunden. Ein insgesamt mit 122 bezeichneter Injektor ist zwischen der Injektorkammer 116 und dem Rohr 120 angeordnet und ähnelt in seiner Form dem Injektor 94 des ersten Ausführungsbeispiels. Die Dampfkammer 74 ist mit einer Dampfdüse 124 im Inneren der Injektorkammer 116 durch ein Dampf führendes Rohr 126 verbunden. Die Düse 124 ist so im Injektor 122 angeordnet, daß - ein ringförmiger Raum 128 zwischen der Düse 124 und dem Diffusor 130 als Flüssigkeitsdüse entsteht. Der Diflusor 130 besteht aus einem Blechstreifen, der so geformt ist, daß der obere Teil einen trichterförmigen Hals (Flüssigkeitsdüse) und der untere Teil einen Diffusor bildet. Zwischen diesen beiden Teilen und der Rohrleitung 120 ist ein toter Raum vorgesehen, durch den die beiden Teile von der Rohrwand isoliert sind; so daß sie durch die nachströmende Flüssigkeit gekühlt werden.The medium flowing out of the device emerges from the heat exchanger 86 through a pipe 114 which leads to an injector chamber 116. The injector chamber 116 is connected to the inlet port 118 of the pressure vessel 112 by a pipe 120. An injector designated as a whole by 122 is located between the injector chamber 116 and tube 120 and is similar in shape to injector 94 of the first Embodiment. The steam chamber 74 has a steam nozzle 124 inside the injector chamber 116 is connected by a pipe 126 carrying steam. The nozzle 124 is arranged in the injector 122 that - an annular space 128 between the Nozzle 124 and the diffuser 130 is created as a liquid nozzle. The diflusor 130 consists from a sheet metal strip which is shaped so that the upper part has a funnel-shaped Neck (liquid nozzle) and the lower part forms a diffuser. Between these both parts and the pipeline 120, a dead space is provided through which the both parts are isolated from the pipe wall; so that they flow through the inflowing Liquid to be cooled.

Es ist zu beachten, daß die Spitze der Düse 124 ein wenig höher als der Flüssigkeitsspiegel 108 im Druckkessel 112 angeordnet ist, so daß eine Dampfstrahlwirkung einsetzen kann. Außerdem ist zu beachten, daß die Dampfdüse an der Ausgangsseite des Wärmetauschers 86 angeordnet ist, so daß eine größtmögliche Temperaturdifferenz zwischen dem Dampf an der Düse und der nachströmenden Flüssigkeit besteht. In diesem Erfindungsbeispiel ist nur eine ein-zige Dampfdüse verwendet, so daß. keine Inbetriebsetzungsprobleme entstehen.It should be noted that the tip of the nozzle 124 is arranged a little higher than the liquid level 108 in the pressure vessel 112 so that a steam jet effect can set in. In addition, it should be noted that the steam nozzle is arranged on the outlet side of the heat exchanger 86, so that the greatest possible temperature difference exists between the steam at the nozzle and the liquid flowing in afterwards. In this example of the invention, only a single steam nozzle is used, so that. no commissioning problems arise.

Die beschriebenen Ausführungsbeispiele können im Rahmen der Erfindung ohne Abweichung vom eigentlichen Erfindungsgedanken in mannigfacher Weise abgewandelt werden.The exemplary embodiments described can within the scope of the invention modified in many ways without deviating from the actual inventive concept will.

Claims

PATENT CLAIMS: 1. Heat exchange arrangement, in particular for reactor systems, with a closed coolant circuit, preferably under increased pressure, and a pump device which circulates the coolant, characterized in that the pump device consists of at least one injector (94) which is connected to a liquid coolant component in the circuit lying Venturi tube (100) and with a steam nozzle (76), which is connected to a chamber (74) filled with vaporous coolant and opens into the Venturi tube (100) , so that the buoyancy effect of the vapor bubbles is used as pump energy.

2. Heat exchange arrangement according to claim 1, characterized in that in a container (16) located in the lower part, externally heated heat exchange chamber (20), a steam chamber (74) arranged in the upper part and lying between the two a liquid separator (54) with steam dryer ( 70) and a liquid collector (68) are combined.

3. Heat exchange arrangement according to claim 2, characterized in that the container (16) surrounded by a pressure vessel (12) with a gap (42) and in this gap at the level of the steam chamber (74) an annular partition (96) is installed, which is of a plurality of injectors (94) distributed at regular intervals on the circumference of the steam chamber is perforated (FIGS. 1 and 2).

4. Heat exchange arrangement according to claim 3; characterized in that the liquid collector (68) by a below of the liquid level (108) outgoing pipe (82) with the upper end of the Pressure vessel (12) is connected.

5. Heat exchange arrangement according to claim 2, characterized in that the container (112) is made pressure-resistant and is connected to a separately arranged injector (122) via pressure-resistant pipes (120, 126) (Fig. 3).

6. Heat exchange arrangement according to claim 5, characterized in that the liquid collector (68) by a below the liquid level (108) outgoing pipeline (82) is connected to an injector chamber (116).

7. Heat exchange arrangement according to claim 4 or 6, characterized in that in the course of the pipeline (82) another heat exchanger (86) is arranged (Figures 1 and 3).